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Green Power脫勾網狀架構 ZigBee簡化強攻家庭網路
新通訊 20181 月號 203 期《 技術前瞻 》
文.Cees Links
既然Green Power已經成為ZigBee 3.0的標準功能,消費者現在能否期待Green Power感測器變得無所不在?確實,Green Power規格使得市場上可實現由鈕扣型電池供電、能耗和成本極低的感測器,因為Green Power規格消除了與網狀網路(Mesh)相關的所有複雜性。但網狀網路何去何從?我們還需要網狀網路嗎?當我們能夠構建「去網狀網路化」的ZigBee網路時,Wi-Fi「網狀網路」卻似乎在市場上日益受到歡迎。到底發生了什麼?下述內容將深入探討此問題。
在網路技術領域,網狀網路始終都是一個頗具吸引力的概念,它符合共享和互助的概念,這些價值在技術先驅者們的心目中倍受推崇。因此,網狀網路會吸引技術人員的極大關注並不令人意外。它的優良特性通常描述為「自我管理、自我設定、自我修復」。誰不希望實現這些特性呢? 

間斷性網路問題待解決  網狀網路普及不易  

「網狀網路通常是自我設定的:網路上的每部設備都能幫助其他設備透過網際網路連線到路由器。」 

事實上,在ZigBee和Thread推出網狀網路技術之後,藍牙技術聯盟最近也宣布開發網狀網路產品。 

有趣的是,雖然網狀網路技術成為非常熱門的話題,但ZigBee和Thread網狀網路卻尚未受到廣泛使用,因為當今市場上最成功的ZigBee應用程式不需要網狀網路。雖然Wi-Fi也支援網狀網路,甚至有了標準化網狀網路(在IEEE 802.11s中),但卻很少使用網狀網路。 

目前的基本家庭Wi-Fi設定是一個有線路由器或DSL路由器,無線連結至平板電腦和智慧型手機。如果效果不是太好,就安裝中繼器作為中介。現在,有一些路由器設備在經過預先設定後,無論是迂回曲折的大廈還是整齊的獨棟住宅,甚至車庫後面玩電子遊戲的房間,這些設備都能一同運作以提供無線覆蓋。這樣就能實現可靠高速的覆蓋。 

那麼網狀網路的作用何在?其實很簡單。如果我在房子的某個角落拿著智慧型手機,我距離可攜式電腦比距離路由器更近,那麼我就可以透過可攜式電腦上網,只要它已經開機就行。網狀網路通常是自主設定的,網路上的任何設備都可以幫助其他設備到達路由器,再透過路由器存取網際網路。如果作為中介的可攜式電腦處於關機狀態,那麼智慧型手機將會尋找其他設備。網狀網路還可以自我修復,如果通往路由器的一條連結斷開也不會有問題,因為網路很可能找到另一個連結(圖1)。 

圖1 在完全網狀網路化的家庭網路中,所有節點都相互通訊,僅有一個節點連線到雲端。
那麼網狀網路的不足之處是什麼呢?現在的消費者變得日益苛刻,他們希望連線始終可靠,在使用高級技術解決方案時,不會被間斷性網路故障所困擾,而網狀網路這種開創性技術並不符合他們的這種期望。這正是「不會遇到問題的好網路」與「能夠自行解決問題但又不算是太好的網路」之間的差異。 

網狀網路三大挑戰 

無論是Wi-Fi、ZigBee還是Thread,在使用網狀網路時都可能遇到以下三個常見問題,第一是間斷性故障;第二是電池續航力;第三是成本。下述本文將具體討論每個問題,並瞭解Green Power如何為ZigBee 3.0解決這些問題。 

間斷性故障也就是網路時好時壞,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。在上面的網狀網路Wi-Fi範例中,智慧型手機能否上網也許取決於您兒子的遊戲機是否開機,需要有一點運氣才能連上網(如圖2)。 

圖2 在網狀網路中所有節點都相互通訊,但遠處的一個節點只能連線到臨近的一個節點,這會使網路出現問題。
接著是電池續航力問題。在網狀網路Wi-Fi網路中,可攜式電腦可能成為中間節點。消費者可能會發現可攜式電腦的電池電量突然間降低——因為另一個家庭成員(或者根本不知道是誰)使用了這台可攜式電腦作為跳躍點(網狀網路節點),在他的平板電腦上觀看YouTube影片。對於原本沒有問題的設備,網狀網路網路實際上造成了電池問題。 

最後還有成本問題。網路中的每個節點不僅是邊緣節點(運作一定功能的節點),還必須能夠作為網路節點工作,這必須具備足夠高級的配備。實際上,這意味著在搭載更大記憶體的更大處理器上運作更多軟體。網狀網路節點還必須始終處於「開啟」狀態,需要更大的電量、更昂貴的電池,而邊緣節點只需在觸發時開啟。 

因此雖然網狀網路聽上去很美好,但其缺憾是無法提供可靠、可預測的連線,而且價格更高。然而具有Green Power功能的ZigBee 3.0可以彌補這些不足。ZigBee支援網狀網路,但網狀網路卻不是必需的。邊緣節點可以輕鬆進行Green Power聯網,如果要覆蓋的區域超過了單台路由器的範圍,多台路由器可以共同運作建立骨幹網路,所有邊緣路由器都能夠連線到該網路,而不是作為網狀網路節點獨自負擔。 

退居邊緣網路僅供特殊狀況 

「這使得網狀網路成為一種邊緣解決方案,僅用於解決異常的無線電覆蓋問題。」 

這引發了另一個話題。在家庭環境中對於範圍受限、功能低下的無線電系統而言,網狀網路是一種雪中送炭的解決方案。但是對於功能足夠強大的無線電系統,網狀網路就不是必需的。這些系統採用鈕扣型電池供電,讓設備能夠連線到路由器(即便設備並非位於最有利的房屋中心位置)。這些無線電系統在10年前可能還不存在,但現在已經問世,這使得網狀網路成為一種邊緣解決方案,僅用於解決異常的無線電覆蓋問題。目前我們通常普遍實施多射頻Wi-Fi頻道,而不是網狀網路。ZigBee也可以這樣做。 

網狀網路的自我修復「優勢」,也只是網路設備不如現今可靠的時代的一點遺緒。單點故障是非常危險的,而提供多條路徑的網狀網路網路被視為一種很大的優勢,它能在出現故障時,透過其他連線實現重新路由。但是有了現在可靠的網路設備後,對避免單點故障的需求或多或少有所減少。 

作為ZigBee 3.0的標準功能,Green Power的簡單網路通訊協定實質上將所有複雜網路功能都集中到代理伺服器上(通常是路由器),而Green Power節點的重點是確保重要訊號確實到達路由器,這些訊號可能是溫度測量、打開電燈的命令、報告門窗是敞開或關閉。正如上文所述,ZigBee Green Power實現了高超的電池續航力,對於能夠產生能量的照明開關,甚至根本不需要電池。 

降低成本/簡化架構  ZigBee Green Power好處多  

使用具有Green Power功能的ZigBee有何優勢?首先,您能以低成本簡便實施標準獨立解決方案。其中涵蓋了目前市場上的大多數ZigBee應用程式。例如,如果您有幾個燈、一個調光開關和一個閘道器,要將燈連線到網際網路,您只需使用Green Power。就是如此簡單,不需要網狀網路功能。 

如果需要更大型的解決方案,Green Power能夠讓您在家裡構建簡單的ZigBee星狀網路(圖3)。而對於更大規模的樓內安裝,可從單個骨幹網路連接多個星狀結構(圖4)。無論是哪種方式,Green Power都能消除網狀網路的弱點,例如難以診斷的間斷性連線、感測器節點的電池電量突然耗盡等意外情況。 

圖3 星狀結構如何解決網狀網路問題。
Green Power還可使ZigBee基礎設施與樓內的Wi-Fi基礎設施保持完全一致。要注意,ZigBee無線電的覆蓋範圍可與Wi-Fi無線電相媲美,甚至更勝一籌。ZigBee(IEEE 802.15.4)實質上是低功耗的Wi-Fi(IEEE 802.11),但出於某些政治原因,即便規模最大的公司通常也會否認這一點。 

圖4 分層的星狀結構如何解決網狀網路問題。
事實上,ZigBee 3.0(具有Green Power功能)和Wi-Fi都整合在單個路由器設備中,為消費者或企業客戶簡化了整個網路基礎架構、降低成本,並為作為物聯網一部分的智慧家居鋪平了道路。但只有ZigBee 3.0網路可在真正需要時使用網狀網路功能,這才是Green Power的真正力量。 

Wi-Fi網狀網路 

一般大眾對Wi-Fi網狀網路究竟瞭解多少呢?真相是,這根本不是網狀網路。出於這個原因有一個新詞問世,叫做「分布式Wi-Fi」,實際上這種描述更為準確。 

分布式Wi-Fi是星狀網路(圖5),它是由幾個(3個或4個)經預先設定的路由器(接入點)組成。其中一個主路由器負責與網際網路進行連線,其他路由器則使用一個Wi-Fi頻道連線到主路由器,使用另一個Wi-Fi頻道為相鄰設備服務。如果設備從一個服務區域進入另一個服務區域,將會無縫「交接」。 

圖5 分布式Wi-Fi是星狀網路。
請記得這一切的目的都是在家庭中提供更好的網路覆蓋(包括在所有地板上,從閣樓到地下室,再到露台和車庫),並且使用盡可能多的頻道,藉以達到最大的性能。 

還有更有趣的事情。分布式Wi-Fi的網路結構形成了ZigBee Green Power的完美「骨幹」,實質上是圖4和圖5的重合。換言之,當每台路由器也支援ZigBee(或Thread)時,就沒有必要實現ZigBee、Thread或未來藍牙的網狀網路化。這一點頗具諷刺意義!Wi-Fi網狀網路去除了對其他任何網狀網路技術的需求,但本身卻並非真正的網狀網路。 

顯而易見的是,家庭網路架構的標準化仍處於發展階段。請銘記消費者可能對技術並不特別感興趣,對技術架構更是漠不關心。消費者尋找的是能夠執行功能的簡單產品,可以簡易安裝,並且提供所承諾的功能。易於安裝的「開箱即用型」無線網路是他們關注的重點。最後,只有網路發燒友才關心這究竟是網狀網路,還是僅僅被稱為網狀網路。 

(本文作者為Qorvo無線連線業務部總經理、GreenPeak Technologies創辦人兼前執行長)

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