邁向Zigbee? 3.0：Green Power的力量Wi-Fi、Zigbee和Thread“去網(wǎng)格化”

作者 / Cees Links Qorvo無線連接業(yè)務(wù)部總經(jīng)理，Green Peak Technologies創(chuàng)始人和原首席執(zhí)行官

　　既然Green Power已經(jīng)成為Zigbee 3.0的標(biāo)準(zhǔn)功能，我們現(xiàn)在能否期待Green Power傳感器變得無處不在?事實(shí)上，有了Green Power規(guī)范，我們可以使用能耗和成本極低的紐扣電池供電的傳感器，因?yàn)镚reen Power規(guī)范消除了與網(wǎng)格相關(guān)的所有復(fù)雜性。但網(wǎng)格何去何從?我們還需要網(wǎng)格嗎?當(dāng)我們能夠構(gòu)建“去網(wǎng)格化”的Zigbee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，Wi-Fi“網(wǎng)格”似乎在市場(chǎng)上日益受到歡迎。到底發(fā)生了什么?下面我們就來研究一下這個(gè)問題。

　　在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，網(wǎng)格始終都是一個(gè)頗具吸引力的概念。它符合共享和互助的概念，這些價(jià)值在技術(shù)先驅(qū)者們的心目中倍受推崇。因此，網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)吸引了技術(shù)人員的極大關(guān)注，這一點(diǎn)不足為奇。它的優(yōu)良特性通常被描述為“自管理、自配置、自修復(fù)”。誰(shuí)不希望實(shí)現(xiàn)這些特性呢?

　　圖1 在完全網(wǎng)格化的家庭網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都相互通信，僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到云

　　1 網(wǎng)格通常是自配置的

　　事實(shí)上，在Zigbee和Thread推出網(wǎng)格技術(shù)之后，藍(lán)牙國(guó)際聯(lián)盟最近也宣布開發(fā)網(wǎng)格產(chǎn)品。

　　雖然網(wǎng)格技術(shù)成為非常熱門的話題，但Zigbee和Thread網(wǎng)格卻尚未得到廣泛使用，當(dāng)今市場(chǎng)上最成功的Zigbee應(yīng)用不需要網(wǎng)格。雖然Wi-Fi也支持網(wǎng)格，甚至有了標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格(在IEEE 802.11s中)，但網(wǎng)格卻很少使用。

　　我們來詳細(xì)了解一下Wi-Fi網(wǎng)格。當(dāng)今的基本家庭Wi-Fi設(shè)置是一個(gè)有線路由器或DSL路由器，無線連接至平板電腦和智能手機(jī)。如果效果不是太好，我們安裝中繼器作為中介?，F(xiàn)在，有一些路由器設(shè)備經(jīng)過了預(yù)配置，無論是迂回曲折的大廈還是整齊的單幢住宅，甚至車庫(kù)后面的玩電子游戲的房間，這些設(shè)備都能配合工作以提供無線覆蓋。這樣就能實(shí)現(xiàn)可靠高速的覆蓋。

　　那么網(wǎng)格的作用何在?其實(shí)很簡(jiǎn)單。如果我在房子的某個(gè)角落，拿著智能手機(jī)，我距離便攜式電腦比距離路由器更近，那么我便可以通過便攜式電腦上網(wǎng)，只要它已經(jīng)開機(jī)就行。網(wǎng)格通常是自配置的：網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備可以幫助其他設(shè)備到達(dá)路由器，再通過路由器訪問互聯(lián)網(wǎng)。如果作為中介的便攜式電腦處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，那么智能手機(jī)將會(huì)尋找其他設(shè)備。網(wǎng)格還可以是自修復(fù)的，如果通往路由器的一條鏈路斷開，也不會(huì)有問題，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)很可能找到另一個(gè)鏈路。

　　那么網(wǎng)格的不足之處是什么呢?當(dāng)今的消費(fèi)者變得日益苛刻，他們希望連接始終可靠，在使用高級(jí)技術(shù)解決方案時(shí)，不會(huì)被間斷性網(wǎng)絡(luò)故障所困擾，而網(wǎng)格這種開創(chuàng)性技術(shù)并不符合他們的這種期望。這正是不會(huì)遇到問題的好網(wǎng)絡(luò)與能夠自行解決問題但又不算是太好的網(wǎng)絡(luò)之間的差異。

　　無論是Wi-Fi還是Zigbee(或Thread)，在使用網(wǎng)格時(shí)都可能遇到以下三個(gè)常見問題。第一個(gè)問題是間斷性故障，第二個(gè)問題是電池續(xù)航時(shí)間，第三個(gè)問題是成本。下面我們具體討論每個(gè)問題，并了解Green Power如何為Zigbee 3.0解決這些問題。

　　間斷性故障，也就是網(wǎng)絡(luò)時(shí)好時(shí)壞，是一種令人惱火的問題。沒有人知道確切原因，因此也沒有人能夠真正修復(fù)。在上面的網(wǎng)格Wi-Fi示例中，你的智能手機(jī)能否上網(wǎng)也許取決于您兒子的游戲機(jī)是否開機(jī)，需要有一點(diǎn)運(yùn)氣才能連上網(wǎng)。

　　圖2 在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都相互通信，但旁邊的一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能到達(dá)附近的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這會(huì)讓網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題

　　接著是電池續(xù)航時(shí)間問題。在網(wǎng)格Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，您的便攜式電腦可能成為中間節(jié)點(diǎn)。突然間，這臺(tái)便攜式電腦的電池電量變低，因?yàn)榱硪粋€(gè)家庭成員(也許不知道究竟是誰(shuí))使用這臺(tái)便攜式電腦作為跳躍點(diǎn)(網(wǎng)格節(jié)點(diǎn))，在他的平板電腦上觀看YouTube視頻。對(duì)于原本沒有問題的設(shè)備，網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上造成了電池問題。

　　最后還有成本問題。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅是邊緣節(jié)點(diǎn)(“運(yùn)行一定功能的節(jié)點(diǎn)”)，還必須能夠作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作，必須擁有足夠高的配置才能做到這一點(diǎn)。實(shí)際上，這意味著在搭載更大存儲(chǔ)器的更大處理器上運(yùn)行更多軟件。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)還必須始終處于“打開”狀態(tài)，這需要更大的電量、更昂貴的電池，而邊緣節(jié)點(diǎn)只需在觸發(fā)時(shí)打開。

　　雖然網(wǎng)格聽上去很美，但它的缺憾是無法提供可靠的、可預(yù)測(cè)的連接，而且價(jià)格更高。具有Green Power功能的Zigbee 3.0可以彌補(bǔ)這些不足。Zigbee支持網(wǎng)格，但網(wǎng)格卻不是必需的。邊緣節(jié)點(diǎn)可以輕松進(jìn)行Green Power聯(lián)網(wǎng)，如果要覆蓋的區(qū)域超過了單臺(tái)路由器的范圍，多臺(tái)路由器可以共同工作，建立骨干網(wǎng)絡(luò)，所有邊緣路由器都能夠連接到該網(wǎng)絡(luò)，而不是自行承擔(dān)開銷，作為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

　　圖3星型結(jié)構(gòu)解決網(wǎng)格問題

　　2網(wǎng)格成為邊緣解決方案

　　這引發(fā)了另一個(gè)話題。在家庭環(huán)境中，對(duì)于范圍受限、功能低下的無線電系統(tǒng)而言，網(wǎng)格是一種雪中送炭的解決方案。但是，對(duì)于功能足夠強(qiáng)大的無線電系統(tǒng)，網(wǎng)格就不是必需的，這些系統(tǒng)采用紐扣電池供電，讓設(shè)備能夠到達(dá)路由器(即便設(shè)備并非位于最有利的房屋中心位置)。這些無線電系統(tǒng)在10年前可能還不存在，但現(xiàn)在已經(jīng)問世。這使得網(wǎng)格成為一種邊緣解決方案，僅用于解決異常的無線電覆蓋問題。目前，我們通常更多地實(shí)施多射頻Wi-Fi通道，而不是網(wǎng)格。Zigbee也可以這樣做。

　　網(wǎng)格的自修復(fù)“優(yōu)勢(shì)”，也只是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不像現(xiàn)今這樣可靠的時(shí)代的一點(diǎn)殘留。單點(diǎn)故障是非常危險(xiǎn)的，而提供多條路徑的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)被視為一種很大的優(yōu)勢(shì)，它能在出現(xiàn)故障時(shí)，通過其他連接實(shí)現(xiàn)重新路由。但是，有了當(dāng)今的可靠網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對(duì)避免單點(diǎn)故障的需求或多或少有所減少。

　　作為Zigbee 3.0的標(biāo)準(zhǔn)功能，Green Power的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)質(zhì)上將所有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)功能都集中到代理服務(wù)器上(通常是路由器)，而Green Power節(jié)點(diǎn)的重點(diǎn)是確保重要信號(hào)可靠地到達(dá)路由器，這些信號(hào)可能是溫度測(cè)量、打開電燈的命令、報(bào)告門窗是打開還是關(guān)閉。正如上文所述，Zigbee Green Power實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間，對(duì)于能夠產(chǎn)生能量的照明開關(guān)，甚至根本不需要電池。Zigbee Green Power與Zigbee 3.0完全集成，并且完全兼容Zigbee 3.0提供的所有服務(wù)，包括安裝、安全檢測(cè)、簡(jiǎn)易操作和維護(hù)。

　　3 Zigbee Green的力量

　　使用具有Green Power功能的Zigbee有何優(yōu)勢(shì)?首先，您能以低成本便捷地實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立解決方案。其中涵蓋了當(dāng)今市場(chǎng)上的大多數(shù)Zigbee應(yīng)用。例如，如果您有幾個(gè)燈、一個(gè)調(diào)光開關(guān)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)，要將燈連接到互聯(lián)網(wǎng)，您只需使用Green Power。就是這樣簡(jiǎn)單，不需要網(wǎng)格功能。

　　如果需要更大型的解決方案，Green Power讓您能夠在家里構(gòu)建簡(jiǎn)單的Zigbee星型網(wǎng)絡(luò)。而對(duì)于更大規(guī)模的樓內(nèi)安裝，可從單個(gè)骨干網(wǎng)連接多個(gè)星型結(jié)構(gòu)。無論是哪種方式，Green Power都能消除網(wǎng)格的弱點(diǎn)，比如難以診斷的間斷性連接、傳感器節(jié)點(diǎn)的電池電量突然耗盡等意外情況。

　　Green Power還讓Zigbee基礎(chǔ)設(shè)施能夠與樓內(nèi)的Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施保持完全一致。要注意，Zigbee無線電的覆蓋范圍可與Wi-Fi無線電相媲美，甚至更勝一籌。Zigbee (IEEE 802.15.4)實(shí)質(zhì)上是低功耗的Wi-Fi (IEEE 802.11)，但出于某些政治原因，即便規(guī)模最大的公司通常也會(huì)否認(rèn)這一點(diǎn)。

　　圖4 分層的星型結(jié)構(gòu)解決網(wǎng)格問題

　　事實(shí)上，Zigbee 3.0(具有Green Power功能)和Wi-Fi都集成在單個(gè)路由器設(shè)備中，從而為消費(fèi)者或企業(yè)客戶簡(jiǎn)化了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，降低了成本，并為作為物聯(lián)網(wǎng)一部分的智能家居鋪平了道路。但只有Zigbee 3.0網(wǎng)絡(luò)可在真正需要時(shí)使用網(wǎng)格功能，這才是Green Power的真正力量。

　　4 Wi-Fi網(wǎng)格

　　我們對(duì)Wi-Fi網(wǎng)格究竟了解多少呢?真相是，這根本不是網(wǎng)格。出于這個(gè)原因，有一個(gè)新詞問世，叫做“分布式Wi-Fi”。實(shí)際上，這種描述更為準(zhǔn)確。

　　分布式Wi-Fi是星型網(wǎng)絡(luò)。它由幾個(gè)(3個(gè)或4個(gè))預(yù)配置路由器(接入點(diǎn))組成。其中一個(gè)主路由器負(fù)責(zé)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。其他路由器則使用一個(gè)Wi-Fi通道連接到主路由器，使用另一個(gè)Wi-Fi通道為相鄰設(shè)備服務(wù)。如果設(shè)備從一個(gè)服務(wù)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)服務(wù)區(qū)域，“交接”將會(huì)無縫發(fā)生。

　　圖5 分布式Wi-Fi是星型網(wǎng)絡(luò)

　　5消費(fèi)者尋找的簡(jiǎn)單產(chǎn)品

　　所有這些目的都是在家庭中提供更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋(包括在所有地板上，從閣樓到地下室，再到露臺(tái)和車庫(kù))，并且使用盡可能多的通道，從而最大程度地提升性能。

　　分布式Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成了Zigbee Green Power的完美“骨干”，實(shí)質(zhì)上是圖4和圖5的重合。換言之，當(dāng)每臺(tái)路由器也支持Zigbee(或Thread)時(shí)，就沒有必要實(shí)現(xiàn)Zigbee、Thread或未來藍(lán)牙的網(wǎng)格化。這一點(diǎn)頗具諷刺意義!Wi-Fi網(wǎng)格消除了對(duì)其他任何網(wǎng)格技術(shù)的需求，但本身卻并非真正的網(wǎng)格。

　　6結(jié)論

　　家庭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化仍處于發(fā)展階段。要記住，消費(fèi)者可能對(duì)技術(shù)并不是特別感興趣，對(duì)技術(shù)架構(gòu)更是漠不關(guān)心。消費(fèi)者尋找的是能夠執(zhí)行功能的簡(jiǎn)單產(chǎn)品，可以簡(jiǎn)易安裝，并且提供所承諾的功能。易于安裝的“開箱即用型”無線網(wǎng)絡(luò)是他們關(guān)注的重點(diǎn)。最后，只有網(wǎng)絡(luò)發(fā)燒友才關(guān)心這究竟是網(wǎng)格，還是僅僅被稱為網(wǎng)格。