Labs 導(dǎo)讀

近幾年來(lái)，IOT設(shè)備在家庭和工業(yè)上開(kāi)始廣泛的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)接入方式是決定IOT設(shè)備建立連接的穩(wěn)定性、可靠性以及成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)一個(gè)設(shè)備需要進(jìn)行無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候，大家最本能地想法是通過(guò)Wi-Fi、蜂窩等方式，直接連接在網(wǎng)關(guān)/路由器上，實(shí)現(xiàn)IOT設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。

Wi-Fi和蜂窩的連接方式除簡(jiǎn)單、有效外，還具有帶寬大的優(yōu)勢(shì)，但單點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)/AP覆蓋的范圍有限，特別是IOT設(shè)備在家庭和工業(yè)區(qū)等場(chǎng)景下，信號(hào)覆蓋存在死角，比如水池里、沙發(fā)角落甚至是房屋外部。面對(duì)這種情況，要么擴(kuò)大網(wǎng)關(guān)/路由器的覆蓋范圍，要么換一種其他的聯(lián)網(wǎng)方式，比如使用具有Mesh功能的路由器。即通過(guò)多個(gè)路由器組成一組MESH來(lái)擴(kuò)大無(wú)線(xiàn)覆蓋范圍，從而部分解決上述的問(wèn)題。但其并不完全是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，而且一組MESH路由器不僅價(jià)格昂貴，并且仍會(huì)存在覆蓋死角。

通過(guò)使用自組織網(wǎng)絡(luò)(AdHoc)類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以有效解決信號(hào)覆蓋不到的問(wèn)題，如zigbee、藍(lán)牙m(xù)esh等均為自組織網(wǎng)絡(luò)的一種。自組織網(wǎng)絡(luò)具有自發(fā)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⑶以诠?jié)點(diǎn)失能后網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)愈合的特點(diǎn)。

那么什么是自組織網(wǎng)(ad hoc)呢?與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最大的不同之處，自組織網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)是處于不穩(wěn)定的拓?fù)錉顟B(tài)，因通信節(jié)點(diǎn)位置上的移動(dòng)或信道的變化，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)很難有一個(gè)穩(wěn)定接入AP。自組織網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以成為其他節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)， 且拓?fù)渥兓^(guò)程中，是無(wú)需人工進(jìn)行干預(yù)的，這也是其名稱(chēng)“自組織”的由來(lái)。

從平面結(jié)構(gòu)，不超過(guò)10個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)網(wǎng)，到理論最多65536個(gè)節(jié)點(diǎn)的zigbee網(wǎng)絡(luò)，他們都屬于自組織網(wǎng)絡(luò)。

因其無(wú)需基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、抗毀性強(qiáng)、低功耗、覆蓋廣泛等優(yōu)點(diǎn)，自組織網(wǎng)在軍事、緊急救災(zāi)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等多方面均有廣泛的應(yīng)用。

從IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)下的藍(lán)牙、zigBee等、到軍事領(lǐng)域各種私有的協(xié)議，自組織網(wǎng)的核心依然是分布式的節(jié)點(diǎn)的路由如何維護(hù)路由關(guān)系以應(yīng)對(duì)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)而言之就是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，如何知道下一條的節(jié)點(diǎn)是哪個(gè)。

在MAC層解決了信道接入的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)層面解決方式主要是兩大類(lèi)：

1、表驅(qū)動(dòng)方式：該方式是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)定期或者不定期的廣播本節(jié)點(diǎn)的路由信息，其他節(jié)點(diǎn)收到后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并更新自身的路由表。在更新路由記錄時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)自增的id，通過(guò)對(duì)比id大小來(lái)進(jìn)行路由表的淘汰。通過(guò)以上的步驟，可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)維護(hù)全量的路由表，好處是轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)小;劣勢(shì)是維護(hù)路由表的開(kāi)銷(xiāo)會(huì)比較大，且會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增大而劇烈上升。

2、按需路由方式：該方式下節(jié)點(diǎn)并不維護(hù)一張實(shí)時(shí)、全量的路由表。當(dāng)有轉(zhuǎn)發(fā)的需求時(shí)，會(huì)發(fā)起尋路請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn);目的節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)消息，經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)后回到源節(jié)點(diǎn)，從而建立起一條路由。該方法的好處與劣勢(shì)與上一種剛好相反：維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)小但是延時(shí)較大。

那么，與傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)相比，自組織網(wǎng)絡(luò)在IOT應(yīng)用場(chǎng)景里有什么優(yōu)勢(shì)呢?

自組織對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求不高。

可以有效解決家庭室內(nèi)外、野外作業(yè)等固有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施不足的場(chǎng)景內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，當(dāng)發(fā)生遮擋或者節(jié)點(diǎn)失能時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)調(diào)整。

同時(shí)對(duì)于IOT設(shè)備使用者也極為方便，設(shè)備的安裝過(guò)程也不用刻意地調(diào)整設(shè)備節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有變動(dòng)的情況下，一般也不需要進(jìn)行人工干預(yù)。

網(wǎng)絡(luò)連接量大。

傳統(tǒng)的Wifi方式，一般連接上限在40到80個(gè)，無(wú)法支持工業(yè)級(jí)的IOT應(yīng)用場(chǎng)景。而自組織網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分成的方式，可以大大提升網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。如zigBee協(xié)議支持?jǐn)?shù)量為65536，現(xiàn)代的智能樓宇和工廠的動(dòng)輒現(xiàn)需要數(shù)萬(wàn)個(gè)傳感器，自組織網(wǎng)絡(luò)的接入方式是最好的選擇。

功耗相對(duì)于WiFi、蜂窩較低，通過(guò)定時(shí)喚醒和監(jiān)聽(tīng)，自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以長(zhǎng)時(shí)間處在休眠狀態(tài)，減少功耗。

這個(gè)特性決定了IOT設(shè)備可以依靠電池實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的工作，大大減少了設(shè)備的維護(hù)工作。

以上，ZigBee、Z-Wave、Thread、藍(lán)牙m(xù)esh等自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已成為IOT產(chǎn)業(yè)不可缺少的連接方式，也會(huì)在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中覆蓋更廣的場(chǎng)景，起到更重要的作用。

作者：郭冠華，單位：中國(guó)移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營(yíng)中心