1、短程無線通訊 （ SRD ） 技術
近些年，隨著電腦，手機，智能家居等電子產品的快速普及，無線通訊已經深入到人們日常生活的各個方面，成為人們迅速、方便地獲取信息，和外界保持溝通的重要渠道。對于無線通訊而言，有多個因素會影響到系統的整體性能，其中通訊距離是非常關鍵的一項。在無線通訊過程中影響通訊系統性能的因素有發射機輸出功率Pt、發射機天線增益Gt、接收機天線增益Gr、接收機接收靈敏度Sr，它們與鏈路預算L的關系如下：
L = Pt + Gt + Gr - Sr
當鏈路預算L≥鏈路損耗D時，該鏈路在理論上是可以正常通信的。為了確保通訊穩定可靠，通訊距離是不能超頻鏈路預算的。對于短程無線通訊（SRD）而言，收發機之間的距離通常較近，因此其鏈路預算非常充足。在短距離無線通訊技術中，Wi-Fi 技術毫無疑問是知名度最大，日常生活使用最多的。現如今大多數的城鎮家庭都會在客廳安裝Wi-Fi路由器，其房屋使用面積一般不超過150m2（12m*12m），而室內Wi-Fi信號的覆蓋半徑可達20m，因此一臺普通的路由器能夠做到良好的信號覆蓋。
2、Wi-Fi mesh
在機場、別墅這樣的場所中，通訊場地面積要大很多，單臺路由器要想實現良好的信號覆蓋就顯得有些吃力了。早期人們通常的做法是多買幾個路由器，將路由器分別安裝在不同的地方，由每個路由器負責覆蓋一個固定的區域，這樣可以實現整體的信號覆蓋。但人們很快便發現了新的問題，當在這些區域來回走動的時候，手機信號會逐漸變弱，變灰，直至最終熄滅，過了數分鐘后又重新連接了新的路由器，此時信號才恢復正常。這個過程中，嚴重的卡頓給人糟糕的網絡體驗。
現在人們有了新的解決方案——Wi-Fi mesh，其學名又叫802.11s。相較于傳統的多路由器方案，Wi-Fi mesh采用的是路由器加中繼器的組合架構；這些中繼器在上電啟動的時候會和這個路由器進行身份認證和網絡注冊，然后就可以和這個路由器協同工作在相同的信道；由于中繼器是附屬于這個路由器的信號轉發設備，是這個無線路由器的信號延伸，因此其整體而言可以當作一個分布式的Wi-Fi路由器。手機在漫游移動的時候，接收到的始終是來自同一個無線路由器，同一個無線信道的信號，而不是來自多路由器，且獨立不同的無線信道的數據，因此手機始終感受不到漫游切換的存在，也就沒有了信道搜索，身份認證，地址分配等一系列耗時幾十秒的網絡注冊過程，其漫游體驗就好得多。
3、藍牙 mesh
在短程無線通訊技術中，另一種較為流行被人們所熟知的技術是藍牙。我們常見的大多數藍牙設備都是工作在點對點模式。如下圖所示，手機可以一對一連接到智能手環，體溫計，耳機，音響，或者筆記本電腦、平板電腦等設備。
圖-1
藍牙還可以組建一種2-8個節點的小型 Piconet網絡，其中一個設備做Primary設備，其余的設備做 Secondary 設備；這種模式因為不太常見，所以不為人們所熟知。
圖-2
藍牙其實還有一種更不常見的網絡模式，就是 scatter net，這種模式下雖然可以組成一個稍微大一些的網絡，但是卻是以犧牲其帶寬和穩定為代價的。
圖-3
近些年，隨著智能家居等新興行業的蓬勃發展，人們需要一個規模更大，通訊距離更遠，擴展性更強的網絡，此時經典藍牙的小型單跳網絡，點對點和一對多通訊模式等技術指標已經捉襟見肘，于是藍牙國際組織在 2017年7月17日發布了Bluetooth Mesh 的技術。新的藍牙Mesh技術除了增加發射功率，支持更多的跳數和更大的網絡規模之外，還可以實現多對多的通訊模式，極大的拓展了藍牙技術的生態領域。
圖-4
4、ZigBee 技術：家庭和工業
有意思是的是，在智能家居領域無線通訊技術的“拓荒者”其實不是藍牙Mesh，而是ZigBee；正因為藍牙是所有手機的標配，而智能家居又大多是以手機作為操作終端的，它才憑借天然的競爭優勢乘勢崛起。ZigBee是一項新型的無線通信技術，其最主要的特點就是低功耗和多跳網絡，藍牙在補齊了多跳的短板之后，已經與之旗鼓相當了，但是其生態聯盟要強大太多。雖然在智能家居領域遇到了藍牙Mesh這個強勁的對手，但在工業無線通訊中ZigBee技術依然可以憑借其十余年的先發優勢而占據優勢地位，特別是在工業SCADA系統，油田、電力、礦山等領域的無線傳感器應用方面占有較高的市場份額。
5、多跳無線組網技術的對比
Wi-Fi Mesh，藍牙Mesh，ZigBee家庭和ZigBee 工業是當下流行的幾種多跳無線組網技術，這幾種技術有相似之處，但在某些方面又存在巨大的差異，下圖是這幾種技術的一個簡要對比：
表-1
5.1 技術點評：Wi-Fi mesh
從表-1可以看出，上述每一種多跳無線技術在其主要使用場景和業務形態上都比較充分地展現了自身的技術特點。Wi-Fi mesh帶寬高、單個數據包大小發送速度快，網絡傳輸延時小；另外其終端數量比較少，通常不超過10個，因此單個節點的發送等待時間非常短；還有其網絡規模都不是太大，通常不超過2跳，如此一來端到端的通訊延時自然就很短；最后還有一點非常重要，那就是在大多數情況下其用戶都是用手機瀏覽網頁，網絡購物或者文字聊天，這種業務數據量本身比較小，且對于數據延遲不太敏感；但播放高清視頻、網絡游戲實時對戰就會有較為明顯的卡頓。因此Wi-Fi mesh在大部分場景下的使用體驗還是非常不錯的。
5.2 技術點評：Bluetooth mesh
藍牙 mesh功耗低、帶寬僅有1~2M，和Wi-Fi技術動輒數百兆甚至幾個G的帶寬相比根本不值得一提，很顯然在短時間內傳輸大量的數據不是其強項；但是在智能家居領域，傳輸的大多是一些設備的開關狀態信息或者控制信號，其單次傳輸的數據量通常也就是幾十個字節，而且這種操作并不頻繁發生，一天也沒有多少次，這個網絡絕在大多數時候都是處于空載狀態的，因此對于這一類應用而言，藍牙mesh的帶寬已經是非常高的了；另外，其通訊距離雖然達到了幾十米，但是這遠遠沒有達到其理論距離300米的極限，因此其信號質量仍然還是不錯的，丟包率自然也就很低；還有一點，其網絡規模雖然達到幾十個節點，但是其1-2Mbps的帶寬平攤到每一個節點的帶寬仍然還是比較高的，因此這個數量其實并沒有太大的壓力；同時我們注意到，在家庭環境中，每一戶的面積都有一個大致的上限，其網絡跳數自然不可能太大，通常不超過 3 跳；當然，在智能家居應用中，決定其使用體驗的最重要因素還是其業務特性。當人們在手機上點擊某個按鈕執行開燈操作，此時他一扭頭，去感知房間的燈光變化，這個延時就已經達到了幾百毫秒，再加上人類的視覺停留和延遲效應，差不多也都1秒過去了；因此只要這個系統的整體延時不超過 1 秒就已經算是很快了，大多數人的第一感受是“哇，好快啊！”，因此藍牙Mesh在智能家居這一類的業務性質中，其整體用戶體驗仍然是不錯的。
5.3 技術點評：ZigBee
ZigBee的組網技術在架構上和藍牙Mesh是差不多的，雖然其帶寬要低于藍牙Mesh，延時也有一定的增加，但是其在智能家居中的整體使用體驗仍然可以較好地滿足人們的要求；但是到了工業場所，情況就有所不同了。首先一點，通訊距離不再受限于使用區域的限制，由于是部署在是高達數千上萬平米的工廠，礦區，企業，學校，醫院，甚至是幾乎無邊界的城市樓群之間，節點之間的通訊距離可到幾百米甚至上千米，信號衰減要大得多，丟包率自然也就高得多；同時在這種應用中，節點規模也往往沒有定數，小的項目可能只有幾個或者幾十個節點，多的可能高達數百甚至上千個節點，網絡的傳輸等待延時也會成倍的增長；由于節點之間的距離比較大，單個節點的外聯節點數目就比較小，因此其網絡跳數往往都比較大，多的甚至都超過了 8 跳，那么端到端的傳輸延遲自然就更大了。還有一點需要特別注意的是，在工業應用中，數據可靠性和實時性要求也比較高，如果應答超過了一定的延遲，通常就會觸發數據重傳機制，當重傳的次數到了一定的數量，就會判定為通訊失敗。在某些配置下，網絡經過多次通訊失敗可能會引發局部重構，嚴重情況下還會導致死鎖甚至整體崩潰，這種時好時壞，不太穩定的網絡其使用體驗可想而知！
6、總結
從上述分析我們可以看出，多跳的無線網絡在低速率，長距離，高誤碼率的情況下，其通訊可靠性和端到端的整體延時會有比較明顯的增加；如果業務類型又要求比較高的實時性，那么就可能會觸發數據重傳機制，而過于頻繁的重傳請求在某些情況下會適得其反形成網絡振蕩，讓糟糕的體驗進一步惡化，嚴重情況下甚至會讓網絡解體。
|
