來源:微網高通
之前的文章中提到過，ZigBee無線自組網技術主要針對智能家居的應用而量身定制，但是也可以擴展到其他的行業和應用，這一點和ZigBee聯盟的官方說法也是基本一致的，但是很多人并不明白，到底哪些行業和應用使用ZigBee無線自組網技術效果比較理想，哪些則效果不太理想呢？這個要從ZigBee無線自組網技術本身的運作機制來說起，如果應用場景本身破壞了ZigBee無線自組網技術穩定運行的前置條件，那么要想取得取得成功可不能靠概率了，因為概率這個概率本身就是零！
對于有一個很小的規模，比方說100個節點的ZigBee網絡而言，我們給定一個非常理想的作業條件：傳輸環境周邊沒有其他無線電干擾，通訊距離也不遠，也沒有什么顯著的障礙物體，應該說這可以算得上是一個優質的項目了 ，這個要是都做不不好，那就不用混了。在現實應用中，有一些應用取得了一定的成功，但是也有一些是真的搞砸了，那么然后呢？沒有然后了！家丑不可外揚，長點經驗教訓而已，接著再找下一個目標接著糟蹋。
對于一個250Kbps的報文而言，發射一個數據包的時間通常不會超過3ms，假定在某一個節點覆蓋半徑之內剛好有10個節點，這些節點每隔30秒鐘發送一次數據，那么這個系統的碰撞的概率有多大呢？對于30秒鐘的時間平均到10個節點，每一個節點的發送間隔就是3秒鐘，相對于3ms的報文發送時間而言，其占空比就是10-3，也就是千分之一，大量的實際案例表明，ZigBee無線自組網技術要想比較穩定的工作，這個發送密度將會是一個臨界點，前面的文章中通過定量的數學計算表明，一個經過5跳的網絡的可靠性將會降低到59%。而200個節點的網絡，平均每一個節點的覆蓋半徑之內有10個節點，按照最簡單的鏈狀網絡來分析，大約需要10跳，考慮到現場環境的不規則性，將跳數打個對折，也就是5跳，這個概率就比較大了。
ZigBee無線自組網技術不是說Mesh可以冗余么，這條路徑不通，就切換到另外一條路徑么？事實上這就好比兩個人下象棋，光計算自己的步驟是遠遠不夠的，還要想好了你的對手是怎么會怎么下棋，他的某一步棋子會直接將你后面的走法活活堵死！
以下圖為例子，節點STA-1的覆蓋半徑為藍色，節點STA-2的覆蓋半徑為綠色，路由器AP在都在這兩個節點的覆蓋半徑之內，但是STA-1和STA-2都彼此超出對方的覆蓋半徑，對于對方而言都是不可見的，如果路由器AP聲明此時空閑，可以接收數據，如果STA-1和STA-2都同時發送數據，彼此的確都是安全的，但是報文到了路由器AP哪里卻撞車了，誰的報文都收不到，兩個節點的發送都失敗了。在多次嘗試發送失敗之后，他們都認為“這里不安全，需要馬上離開”，于是決定切換到其他的路由器上。這個時候“多粒子系統”的致命打擊就來了，其他的節點也會有相同的感覺認為“這里不安全，需要馬上離開”，基于相同的策略，他們在另外條備份鏈路上還會出現相同的碰撞，于是又會切換到原來的路由器節點上來，就這樣來回震蕩。和下象棋最大的不同，你的對手不是一個人，而是另外9個人，好比打撲克牌，你沒有辦法看到其他幾個人手上的牌。實際上打撲克牌還算較好一些，怎么說也就是4個人而已，真要是10個人，即便是世界上最高明的賭王，也很難算出來每一個人會怎么想出牌，除非你跟《澳門風云》里面演的一樣，可以看到別人的牌！
如果上面的這一段話還不夠直白的話，那么前些年社會上的某些奇怪現象或許可以從一個側面進行解釋。前期由于輿論的引導，農民們一窩蜂的種植玉米，希望能夠賣出好的價格，但是到了收割的時候，由于種植的面積實在是太過于巨大，玉米的價格一路暴跌；此時相關媒體又放出口風，說今年之所以價格不理想，是因為種植玉米的人太多了，但是大數據表明，大豆的種植很少，非常搶手，于是農民們在來年全部改種大豆，結果到了秋天，竟然發現種植大豆的比去年的玉米還要飽和得多，價格跌的一塌糊涂，爛在地里都沒有人收割；于是農民們又開始聽信輿論引導，改重新的品種……
讓我們重新回到技術原理的討論上來。
在基于CSMA/CA方式的MAC層接入機制上，所有的節點都是采用指數回退的方式來躲避競爭的，如果發現在其覆蓋半徑之內有一個節點正在發送數據，那么他會認為該報文可能有后續的發送和接收端送出來的應答行為，因此需要回退一段時間再重新啟動發送，如果在第二次啟動發送的過程中，仍然發現信道不空閑，此時則再進一步，然后將回退時間以指數方式增加，依次類推，對方發送的報文越大，則會退的周期越長，白白浪費的等待時間也就越長，網絡帶寬浪費也就越嚴重。
在上述的競爭回退機制作用下，有一種情況其實對于發送業務是安全的，但是也會處于白白的等待狀態。如下圖所示，STA-1和STA-2的覆蓋半徑有明顯重疊，但是其目標的接收路由器的覆蓋半徑卻并沒有重疊，此時STA-1和STA-2同時啟動發送，對于處于接收狀態的AP1和AP2來說，其實是完全可以分別收到STA-1和STA-2發送來的報文的，但是由于STA-1和STA-2的碰撞回退機制，至少有其中某一個節點會處于指數回退等待的狀態，這樣白白的犧牲了網絡的帶寬，加大了網絡通訊的延時。
同時基于上述的分析可以看出，基于競爭和指數回退機制的MAC層接入模型要想有一個穩定工作的性能，實際上暗含了一個前置條件：
(1) 單個節點的覆蓋半徑不能太大
(2) 覆蓋半徑內的節點數量不能太多
(3) 單個節點的報文發送不能太頻繁
(4) 單個節點發送的報文不能太長
上述這些限制條件從另一個側面可以反映出，真的要想組建一個一定規模的網絡，比如1000個節點的數據采集網絡，哪的多大的覆蓋半徑啊？這在歐美那些地廣人稀的發達國家或許很容易，但是在城鎮化逐步加速的中國，地處偏遠的農村正在加速消亡，根本沒有實施ZigBee無線自組網技術的需求，而要在鋼筋水泥堆積起來的大中城市要找到這樣的合適的“實驗田”還是有一定難度的，這可能也從另外一個側面說明了為什么ZigBee無線自組網技術在國外發展比國內要順利得多了吧。
微網高通WiMi-net無線自組網技術在競爭可靠性環節做了深入全面的支持，我們會在后續的連載文章中為大家奉獻精彩紛呈的點評和分析。
