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多跳无线网络的现状
来源: | 作者:微网高通 | 发布时间: 2023-12-08 | 449 次浏览 | 分享到:
随着手机,平板等消费电子产品的的快速普及,Wi-Fi Mesh 和蓝牙 Mesh等多跳无线组网技术已经在人们的日常生活中越来越常见了;曾经红火一时的ZigBee 在智能家居领域也受到了蓝牙Mesh的不断侵蚀和强力挑战,那么在工业场合,这些技术的整体表现和发展现状又如何呢?

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短程无线通讯 ( SRD ) 技术


      近些年,随着电脑,手机,智能家居等电子产品的快速普及,无线通讯已经深入到人们日常生活的各个方面,成为人们迅速、方便地获取信息,和外界保持沟通的重要渠道。

       对于无线通讯而言,有多个因素会影响到系统的整体性能,其中通讯距离是非常关键的一项。在无线通讯过程中影响通讯系统性能的因素有发射机输出功率 Pt、发射机天线增益 Gt、接收机天线增益 Gr、接收机接收灵敏度 Sr,它们与链路预算 L的关系如下:
L = Pt + Gt + Gr - Sr
      当链路预算 L ≥ 链路损耗 D 时,该链路在理论上是可以正常通信的。为了确保通讯稳定可靠,通讯距离是不能超频链路预算的。对于短程无线通讯( SRD )而言,收发机之间的距离通常较近,因此其链路预算非常充足。
      在短距离无线通讯技术中,Wi-Fi 技术毫无疑问是知名度**,日常生活使用最多的。现如今大多数的城镇家庭都会在客厅安装 Wi-Fi 路由器,其房屋使用面积一般不超过 150m2(12m*12m),而室内 Wi-Fi 信号的覆盖半径可达 20m,因此一台普通的路由器能够做到良好的信号覆盖

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Wi-Fi mesh

      在机场、别墅这样的场所中,通讯场地面积要大很多,单台路由器要想实现良好的信号覆盖就显得有些吃力了。早期人们通常的做法是多买几个路由器,将路由器分别安装在不同的地方,由每个路由器负责覆盖一个固定的区域,这样可以实现整体的信号覆盖。但人们很快便发现了新的问题,当在这些区域来回走动的时候,手机信号会逐渐变弱,变灰,直至最终熄灭,过了数分钟后又重新连接了新的路由器,此时信号才恢复正常。这个过程中,严重的卡顿给人糟糕的网络体验。
      现在人们有了新的解决方案——Wi-Fi mesh,其学名又叫 802.11s。相较于传统的多路由器方案,Wi-Fi mesh 采用的是路由器加中继器的组合架构;这些中继器在上电启动的时候会和这个路由器进行身份认证和网络注册,然后就可以和这个路由器协同工作在相同的信道;由于中继器是附属于这个路由器的信号转发设备,是这个无线路由器的信号延伸,因此其整体而言可以当作一个分布式的 Wi-Fi 路由器。
      手机在漫游移动的时候,接收到的始终是来自同一个无线路由器,同一个无线信道的信号,而不是来自多路由器,且独立不同的无线信道的数据,因此手机始终感受不到漫游切换的存在,也就没有了信道搜索,身份认证,地址分配等一系列耗时几十秒的网络注册过程,其漫游体验就好得多。

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蓝牙 mesh

      在短程无线通讯技术中,另一种较为流行被人们所熟知的技术是蓝牙。我们常见的大多数蓝牙设备都是工作在点对点模式。如下图所示,手机可以一对一连接到智能手环,体温计,耳机,音响,或者笔记本电脑、平板电脑等设备。


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      蓝牙还可以组建一种 2-8 个节点的小型 Piconet 网络,其中一个设备做 Primary 设备,其余的设备做 Secondary 设备;这种模式因为不太常见,所以不为人们所熟知。


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      蓝牙其实还有一种更不常见的网络模式,就是 scatter net,这种模式下虽然可以组成一个稍微大一些的网络,但是却是以牺牲其带宽和稳定为代价的。

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      近些年,随着智能家居等新兴行业的蓬勃发展,人们需要一个规模更大,通讯距离更远,扩展性更强的网络,此时经典蓝牙的小型单跳网络,点对点和一对多通讯模式等技术指标已经捉襟见肘,于是蓝牙国际组织在 2017年7月17日发布了 Bluetooth Mesh 的技术。

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      新的蓝牙 Mesh 技术除了增加发射功率,支持更多的跳数和更大的网络规模之外,还可以实现多对多的通讯模式,极大的拓展了蓝牙技术的生态领域。

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ZigBee 技术:家庭和工业

      有意思是的是,在智能家居领域无线通讯技术的“拓荒者”其实不是蓝牙 Mesh,而是 ZigBee;正因为蓝牙是所有手机的标配,而智能家居又大多是以手机作为操作终端的,它才凭借天然的竞争优势乘势崛起。
      ZigBee 是一项新型的无线通信技术,其最主要的特点就是低功耗和多跳网络,蓝牙在补齐了多跳的短板之后,已经与之旗鼓相当了,但是其生态联盟要强大太多。虽然在智能家居领域遇到了蓝牙 Mesh 这个强劲的对手,但在工业无线通讯中 ZigBee 技术依然可以凭借其十余年的先发优势而占据优势地位,特别是在工业 SCADA 系统,油田、电力、矿山等领域的无线传感器应用方面占有较高的市场份额。

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多跳无线组网技术的对比

      Wi-Fi Mesh,蓝牙 Mesh,ZigBee 家庭和 ZigBee 工业是当下流行的几种多跳无线组网技术,这几种技术有相似之处,但在某些方面又存在巨大的差异,下图是这几种技术的一个简要对比:


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      下面是这几种多跳无线组网技术的主要业务场景,技术参数,和多跳性能之间关系的点评:


5.1

技术点评:Wi-Fi mesh

      Wi-Fi mesh 带宽高、单个数据包大小发送速度快,网络传输延时小;另外其终端数量比较少,通常不超过 10 个,因此单个节点的发送等待时间非常短;还有其网络规模都不是太大,通常不超过 2 跳,如此一来端到端的通讯延时自然就很短;最后还有一点非常重要,那就是在大多数情况下其用户都是用手机浏览网页,网络购物或者文字聊天,这种业务数据量本身比较小,且对于数据延迟不太敏感;但播放高清视频、网络游戏实时对战就会有较为明显的卡顿。因此 Wi-Fi mesh 在大部分场景下的使用体验还是非常不错的。

5.2

技术点评:Bluetooth mesh

      蓝牙 mesh 功耗低、带宽仅有 1~2 M,和 Wi-Fi 技术动辄数百兆甚至几个 G 的带宽相比根本不值得一提,很显然在短时间内传输大量的数据不是其强项;但是在智能家居领域,传输的大多是一些设备的开关状态信息或者控制信号,其单次传输的数据量通常也就是几十个字节,而且这种操作并不频繁发生,一天也没有多少次,这个网络绝在大多数时候都是处于空载状态的,因此对于这一类应用而言,蓝牙 mesh 的带宽已经是非常高的了;


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      另外,其通讯距离虽然达到了几十米,但是这远远没有达到其理论距离 300米 的极限,因此其信号质量仍然还是不错的,丢包率自然也就很低;还有一点,其网络规模虽然达到几十个节点,但是其 1-2 Mbps 的带宽平摊到每一个节点的带宽仍然还是比较高的,因此这个数量其实并没有太大的压力;同时我们注意到,在家庭环境中,每一户的面积都有一个大致的上限,其网络跳数自然不可能太大,通常不超过 3 跳;当然,在智能家居应用中,决定其使用体验的最重要因素还是其业务特性。
      当人们在手机上点击某个按钮执行开灯操作,此时他一扭头,去感知房间的灯光变化,这个延时就已经达到了几百毫秒,再加上人类的视觉停留和延迟效应,差不多也都 1 秒过去了;因此只要这个系统的整体延时不超过 1 秒就已经算是很快了,大多数人的**感受是“哇,好快啊!”,因此蓝牙 Mesh 在智能家居这一类的业务性质中,其整体用户体验仍然是不错的。

5.3

技术点评:Zigbee

      ZigBee 的组网技术在架构上和蓝牙 Mesh 是差不多的,虽然其带宽要低于蓝牙 Mesh,延时也有一定的增加,但是其在智能家居中的整体使用体验仍然可以较好地满足人们的要求;但是到了工业场所,情况就有所不同了。首先一点,通讯距离不再受限于使用区域的限制,由于是部署在是高达数千上万平米的工厂,矿区,企业,学校,医院,甚至是几乎无边界的城市楼群之间,节点之间的通讯距离可到几百米甚至上千米,信号衰减要大得多,丢包率自然也就高得多;
      同时在这种应用中,节点规模也往往没有定数,小的项目可能只有几个或者几十个节点,多的可能高达数百甚至上千个节点,网络的传输等待延时也会成倍的增长;由于节点之间的距离比较大,单个节点的外联节点数目就比较小,因此其网络跳数往往都比较大,多的甚至都超过了 8 跳,那么端到端的传输延迟自然就更大了。还有一点需要特别注意的是,在工业应用中,数据可靠性和实时性要求也比较高,如果应答超过了一定的延迟,通常就会触发数据重传机制,当重传的次数到了一定的数量,就会判定为通讯失败。
      在某些配置下,网络经过多次通讯失败可能会引发局部重构,严重情况下还会导致死锁甚至整体崩溃,这种时好时坏,不太稳定的网络其使用体验可想而知。

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总结

      多跳的无线网络在低速率,长距离,高误码率的情况下,其通讯可靠性和端到端的整体延时会有比较明显的增加。
      在某些工业应用中,如果业务类型要求较高的实时性,可能会触发数据重传机制,而过于频繁的重传请求在某些情况下会形成网络震荡,让糟糕的体验进一步恶化,严重情况下甚至会让网络解体。

      当然,这是我们所看到的表面现象,这里面到底有没有什么内在的,根本性原因呢?欲知详情如何,敬请关注后续文章的深入解读。