Labs 導(dǎo)讀

近幾年來，IOT設(shè)備在家庭和工業(yè)上開始廣泛的應(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。當一個設(shè)備需要進行無線聯(lián)網(wǎng)的時候，大家最本能地想法是通過Wi-Fi、蜂窩等方式，直接連接在網(wǎng)關(guān)/路由器上，實現(xiàn)IOT設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。

Wi-Fi和蜂窩的連接方式除簡單、有效外，還具有帶寬大的優(yōu)勢，但單點的網(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)等場景下，信號覆蓋存在死角，比如水池里、沙發(fā)角落甚至是房屋外部。面對這種情況，要么擴大網(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。即通過多個路由器組成一組MESH來擴大無線覆蓋范圍，從而部分解決上述的問題。但其并不完全是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，而且一組MESH路由器不僅價格昂貴，并且仍會存在覆蓋死角。

通過使用自組織網(wǎng)絡(luò)(AdHoc)類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以有效解決信號覆蓋不到的問題，如zigbee、藍牙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)拓撲，并且在節(jié)點失能后網(wǎng)絡(luò)自動愈合的特點。

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)點是處于不穩(wěn)定的拓撲狀態(tài)，因通信節(jié)點位置上的移動或信道的變化，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點很難有一個穩(wěn)定接入AP。自組織網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點可以成為其他節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點， 且拓撲變化過程中，是無需人工進行干預(yù)的，這也是其名稱“自組織”的由來。

從平面結(jié)構(gòu)，不超過10個節(jié)點的無人機網(wǎng)，到理論最多65536個節(jié)點的zigbee網(wǎng)絡(luò)，他們都屬于自組織網(wǎng)絡(luò)。

因其無需基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、抗毀性強、低功耗、覆蓋廣泛等優(yōu)點，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標準下的藍牙、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)點的路由如何維護路由關(guān)系以應(yīng)對變化的拓撲結(jié)構(gòu)。簡而言之就是節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，如何知道下一條的節(jié)點是哪個。

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：

1、表驅(qū)動方式：該方式是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點通過定期或者不定期的廣播本節(jié)點的路由信息，其他節(jié)點收到后進行轉(zhuǎn)發(fā)，并更新自身的路由表。在更新路由記錄時，產(chǎn)生一個自增的id，通過對比id大小來進行路由表的淘汰。通過以上的步驟，可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點維護全量的路由表，好處是轉(zhuǎn)發(fā)延時小;劣勢是維護路由表的開銷會比較大，且會隨著節(jié)點數(shù)目增大而劇烈上升。

2、按需路由方式：該方式下節(jié)點并不維護一張實時、全量的路由表。當有轉(zhuǎn)發(fā)的需求時，會發(fā)起尋路請求，經(jīng)過其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，到達目的節(jié)點;目的節(jié)點返回確認消息，經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)后回到源節(jié)點，從而建立起一條路由。該方法的好處與劣勢與上一種剛好相反：維護開銷小但是延時較大。

那么，與傳統(tǒng)的點到點網(wǎng)絡(luò)相比，自組織網(wǎng)絡(luò)在IOT應(yīng)用場景里有什么優(yōu)勢呢?

自組織對網(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)施不足的場景內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性強，當發(fā)生遮擋或者節(jié)點失能時，網(wǎng)絡(luò)會自動調(diào)整。

同時對于IOT設(shè)備使用者也極為方便，設(shè)備的安裝過程也不用刻意地調(diào)整設(shè)備節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有變動的情況下，一般也不需要進行人工干預(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，無法支持工業(yè)級的IOT應(yīng)用場景。而自組織網(wǎng)絡(luò)通過網(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)點數(shù)量。如zigBee協(xié)議支持數(shù)量為65536，現(xiàn)代的智能樓宇和工廠的動輒現(xiàn)需要數(shù)萬個傳感器，自組織網(wǎng)絡(luò)的接入方式是最好的選擇。

功耗相對于WiFi、蜂窩較低，通過定時喚醒和監(jiān)聽，自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以長時間處在休眠狀態(tài)，減少功耗。

這個特性決定了IOT設(shè)備可以依靠電池實現(xiàn)長時間的工作，大大減少了設(shè)備的維護工作。

以上，ZigBee、Z-Wave、Thread、藍牙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，也會在未來的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中覆蓋更廣的場景，起到更重要的作用。

作者：郭冠華，單位：中國移動智慧家庭運營中心