迈向Zigbee® 3.0:Green Power的力量Wi-Fi、Zigbee和Thread“去网格化”

  来源:电子产品世界 发布日期:2018-02-06 22:45  浏览 / 109

作者 / Cees links Qorvo无线连接业务部总经理,Green Peak Technologies创始人和原首席执行官

既然Green Power已经成为Zigbee 3.0的标准功能,我们现在能否期待Green Power传感器变得无处不在?事实上,有了Green Power规范,我们可以使用能耗和成本极低的纽扣电池供电的传感器,因为Green Power规范消除了与网格相关的所有复杂性。但网格何去何从?我们还需要网格吗?当我们能够构建“去网格化”的Zigbee网络时,Wi-Fi“网格”似乎在市场上日益受到欢迎。到底发生了什么?下面我们就来研究一下这个问题。

在网络技术领域,网格始终都是一个颇具吸引力的概念。它符合共享和互助的概念,这些价值在技术先驱者们的心目中倍受推崇。因此,网格网络吸引了技术人员的极大关注,这一点不足为奇。它的优良特性通常被描述为“自管理、自配置、自修复”。谁不希望实现这些特性呢?

图1 在完全网格化的家庭网络中,所有节点都相互通信,仅有一个节点连接到云

1 网格通常是自配置的

事实上,在Zigbee和Thread推出网格技术之后,蓝牙国际联盟最近也宣布开发网格产品。

虽然网格技术成为非常热门的话题,但Zigbee和Thread网格却尚未得到广泛使用,当今市场上最成功的Zigbee应用不需要网格。虽然Wi-Fi也支持网格,甚至有了标准化网格(在IEEE 802.11s中),但网格却很少使用。

我们来详细了解一下Wi-Fi网格。当今的基本家庭Wi-Fi设置是一个有线路由器或DSL路由器,无线连接至平板电脑和智能手机。如果效果不是太好,我们安装中继器作为中介。现在,有一些路由器设备经过了预配置,无论是迂回曲折的大厦还是整齐的单幢住宅,甚至车库后面的玩电子游戏的房间,这些设备都能配合工作以提供无线覆盖。这样就能实现可靠高速的覆盖。

那么网格的作用何在?其实很简单。如果我在房子的某个角落,拿着智能手机,我距离便携式电脑比距离路由器更近,那么我便可以通过便携式电脑上网,只要它已经开机就行。网格通常是自配置的:网络上的任何设备可以帮助其他设备到达路由器,再通过路由器访问互联网。如果作为中介的便携式电脑处于关机状态,那么智能手机将会寻找其他设备。网格还可以是自修复的,如果通往路由器的一条链路断开,也不会有问题,因为网络很可能找到另一个链路。

那么网格的不足之处是什么呢?当今的消费者变得日益苛刻,他们希望连接始终可靠,在使用高级技术解决方案时,不会被间断性网络故障所困扰,而网格这种开创性技术并不符合他们的这种期望。这正是不会遇到问题的好网络与能够自行解决问题但又不算是太好的网络之间的差异。

无论是Wi-Fi还是Zigbee(或Thread),在使用网格时都可能遇到以下三个常见问题。第一个问题是间断性故障,第二个问题是电池续航时间,第三个问题是成本。下面我们具体讨论每个问题,并了解Green Power如何为Zigbee 3.0解决这些问题。

间断性故障,也就是网络时好时坏,是一种令人恼火的问题。没有人知道确切原因,因此也没有人能够真正修复。在上面的网格Wi-Fi示例中,你的智能手机能否上网也许取决于您儿子的游戏机是否开机,需要有一点运气才能连上网。

图2 在网格网络中,所有节点都相互通信,但旁边的一个节点只能到达附近的一个节点,这会让网络出现问题

接着是电池续航时间问题。在网格Wi-Fi网络中,您的便携式电脑可能成为中间节点。突然间,这台便携式电脑的电池电量变低,因为另一个家庭成员(也许不知道究竟是谁)使用这台便携式电脑作为跳跃点(网格节点),在他的平板电脑上观看YouTube视频。对于原本没有问题的设备,网格网络实际上造成了电池问题。

最后还有成本问题。网络中的每个节点不仅是边缘节点(“运行一定功能的节点”),还必须能够作为网络节点工作,必须拥有足够高的配置才能做到这一点。实际上,这意味着在搭载更大存储器的更大处理器上运行更多软件。网格节点还必须始终处于“打开”状态,这需要更大的电量、更昂贵的电池,而边缘节点只需在触发时打开。

虽然网格听上去很美,但它的缺憾是无法提供可靠的、可预测的连接,而且价格更高。具有Green Power功能的Zigbee 3.0可以弥补这些不足。Zigbee支持网格,但网格却不是必需的。边缘节点可以轻松进行Green Power联网,如果要覆盖的区域超过了单台路由器的范围,多台路由器可以共同工作,建立骨干网络,所有边缘路由器都能够连接到该网络,而不是自行承担开销,作为网格节点。

图3星型结构解决网格问题

2网格成为边缘解决方案

这引发了另一个话题。在家庭环境中,对于范围受限、功能低下的无线电系统而言,网格是一种雪中送炭的解决方案。但是,对于功能足够强大的无线电系统,网格就不是必需的,这些系统采用纽扣电池供电,让设备能够到达路由器(即便设备并非位于最有利的房屋中心位置)。这些无线电系统在10年前可能还不存在,但现在已经问世。这使得网格成为一种边缘解决方案,仅用于解决异常的无线电覆盖问题。目前,我们通常更多地实施多射频Wi-Fi通道,而不是网格。Zigbee也可以这样做。

网格的自修复“优势”,也只是网络设备不像现今这样可靠的时代的一点残留。单点故障是非常危险的,而提供多条路径的网格网络被视为一种很大的优势,它能在出现故障时,通过其他连接实现重新路由。但是,有了当今的可靠网络设备,对避免单点故障的需求或多或少有所减少。

作为Zigbee 3.0的标准功能,Green Power的简单网络协议实质上将所有复杂网络功能都集中到代理服务器上(通常是路由器),而Green Power节点的重点是确保重要信号可靠地到达路由器,这些信号可能是温度测量、打开电灯的命令、报告门窗是打开还是关闭。正如上文所述,Zigbee Green Power实现了超长的电池续航时间,对于能够产生能量的照明开关,甚至根本不需要电池。Zigbee Green Power与Zigbee 3.0完全集成,并且完全兼容Zigbee 3.0提供的所有服务,包括安装、安全检测、简易操作和维护。

3 Zigbee Green的力量

使用具有Green Power功能的Zigbee有何优势?首先,您能以低成本便捷地实施标准独立解决方案。其中涵盖了当今市场上的大多数Zigbee应用。例如,如果您有几个灯、一个调光开关和一个网关,要将灯连接到互联网,您只需使用Green Power。就是这样简单,不需要网格功能。

如果需要更大型的解决方案,Green Power让您能够在家里构建简单的Zigbee星型网络。而对于更大规模的楼内安装,可从单个骨干网连接多个星型结构。无论是哪种方式,Green Power都能消除网格的弱点,比如难以诊断的间断性连接、传感器节点的电池电量突然耗尽等意外情况。

Green Power还让Zigbee基础设施能够与楼内的Wi-Fi基础设施保持完全一致。要注意,Zigbee无线电的覆盖范围可与Wi-Fi无线电相媲美,甚至更胜一筹。Zigbee (IEEE 802.15.4)实质上是低功耗的Wi-Fi (IEEE 802.11),但出于某些政治原因,即便规模最大的公司通常也会否认这一点。

图4 分层的星型结构解决网格问题

事实上,Zigbee 3.0(具有Green Power功能)和Wi-Fi都集成在单个路由器设备中,从而为消费者或企业客户简化了整个网络基础架构,降低了成本,并为作为物联网一部分的智能家居铺平了道路。但只有Zigbee 3.0网络可在真正需要时使用网格功能,这才是Green Power的真正力量。

4 Wi-Fi网格

我们对Wi-Fi网格究竟了解多少呢?真相是,这根本不是网格。出于这个原因,有一个新词问世,叫做“分布式Wi-Fi”。实际上,这种描述更为准确。

分布式Wi-Fi是星型网络。它由几个(3个或4个)预配置路由器(接入点)组成。其中一个主路由器负责与互联网进行连接。其他路由器则使用一个Wi-Fi通道连接到主路由器,使用另一个Wi-Fi通道为相邻设备服务。如果设备从一个服务区域进入另一个服务区域,“交接”将会无缝发生。

图5 分布式Wi-Fi是星型网络

5消费者寻找的简单产品

所有这些目的都是在家庭中提供更好的网络覆盖(包括在所有地板上,从阁楼到地下室,再到露台和车库),并且使用尽可能多的通道,从而最大程度地提升性能。

分布式Wi-Fi的网络结构形成了Zigbee Green Power的完美“骨干”,实质上是图4和图5的重合。换言之,当每台路由器也支持Zigbee(或Thread)时,就没有必要实现Zigbee、Thread或未来蓝牙的网格化。这一点颇具讽刺意义!Wi-Fi网格消除了对其他任何网格技术的需求,但本身却并非真正的网格。

6结论

家庭网络架构的标准化仍处于发展阶段。要记住,消费者可能对技术并不是特别感兴趣,对技术架构更是漠不关心。消费者寻找的是能够执行功能的简单产品,可以简易安装,并且提供所承诺的功能。易于安装的“开箱即用型”无线网络是他们关注的重点。最后,只有网络发烧友才关心这究竟是网格,还是仅仅被称为网格。

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