ZigBee无线自组网技术的应用局限性之三：竞争可靠性概率分析

之前的文章中提到过，ZigBee技术主要针对智能家居的应用而量身定制，但是也可以扩展到其他的行业和应用，这一点和ZigBee联盟的官方说法也是基本一致的，但是很多人并不明白，到底哪些行业和应用使用ZigBee技术效果比较理想，哪些则效果不太理想呢？这个要从ZigBee技术本身的运作机制来说起，如果应用场景本身破坏了ZigBee技术稳定运行的前置条件，那么要想取得取得成功可不能靠概率了，因为概率这个概率本身就是零！

对于有一个很小的规模，比方说100个节点的ZigBee网络而言，我们给定一个非常理想的作业条件：传输环境周边没有其他无线电干扰，通讯距离也不远，也没有什么显著的障碍物体，应该说这可以算得上是一个优质的项目了，这个要是都做不不好，那就不用混了。在现实应用中，有一些应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？没有然后了！家丑不可外扬，长点经验教训而已，接着再找下一个目标接着糟蹋。

对于一个250Kbps的报文而言，发射一个数据包的时间通常不会超过3ms，假定在某一个节点覆盖半径之内刚好有10个节点，这些节点每隔30秒钟发送一次数据，那么这个系统的碰撞的概率有多大呢？对于30秒钟的时间平均到10个节点，每一个节点的发送间隔就是3秒钟，相对于3ms的报文发送时间而言，其占空比就是10^-3，也就是千分之一，大量的实际案例表明，ZigBee技术要想比较稳定的工作，这个发送密度将会是一个临界点，前面的文章中通过定量的数学计算表明，一个经过5跳的网络的可靠性将会降低到59%。而200个节点的网络，平均每一个节点的覆盖半径之内有10个节点，按照最简单的链状网络来分析，大约需要10跳，考虑到现场环境的不规则性，将跳数打个对折，也就是5跳，这个概率就比较大了。

ZigBee技术不是说Mesh可以冗余么，这条路径不通，就切换到另外一条路径么？事实上这就好比两个人下象棋，光计算自己的步骤是远远不够的，还要想好了你的对手是怎么会怎么下棋，他的某一步棋子会直接将你后面的走法活活堵死！

以下图为例子，节点STA-1的覆盖半径为蓝色，节点STA-2的覆盖半径为绿色，路由器AP在都在这两个节点的覆盖半径之内，但是STA-1和STA-2都彼此超出对方的覆盖半径，对于对方而言都是不可见的，如果路由器AP声明此时空闲，可以接收数据，如果STA-1和STA-2都同时发送数据，彼此的确都是安全的，但是报文到了路由器AP哪里却撞车了，谁的报文都收不到，两个节点的发送都失败了。在多次尝试发送失败之后，他们都认为“这里不安全，需要马上离开”，于是决定切换到其他的路由器上。这个时候“多粒子系统”的致命打击就来了，其他的节点也会有相同的感觉认为“这里不安全，需要马上离开”，基于相同的策略，他们在另外条备份链路上还会出现相同的碰撞，于是又会切换到原来的路由器节点上来，就这样来回震荡。和下象棋**的不同，你的对手不是一个人，而是另外9个人，好比打扑克牌，你没有办法看到其他几个人手上的牌。实际上打扑克牌还算较好一些，怎么说也就是4个人而已，真要是10个人，即便是世界上最高明的赌王，也很难算出来每一个人会怎么想出牌，除非你跟《澳门风云》里面演的一样，可以看到别人的牌！

如果上面的这一段话还不够直白的话，那么前些年社会上的某些奇怪现象或许可以从一个侧面进行解释。前期由于政府舆论的引导，农民们一窝蜂的种植玉米，希望能够卖出好的价格，但是到了收割的时候，由于种植的面积实在是太过于巨大，玉米的价格一路暴跌；此时政府又放出口风，说今年之所以价格不理想，是因为种植玉米的人太多了，但是大数据表明，大豆的种植很少，非常抢手，于是农民们在来年全部改种大豆，结果到了秋天，竟然发现种植大豆的比去年的玉米还要饱和得多，价格跌的一塌糊涂，烂在地里都没有人收割；于是大家又开始听信政府的舆论引导，改重新的品种……

让我们重新回到技术原理的讨论上来。

在基于CSMA/CA方式的MAC层接入机制上，所有的节点都是采用指数回退的方式来躲避竞争的，如果发现在其覆盖半径之内有一个节点正在发送数据，那么他会认为该报文可能有后续的发送和接收端送出来的应答行为，因此需要回退一段时间再重新启动发送，如果在第二次启动发送的过程中，仍然发现信道不空闲，此时则再进一步，然后将回退时间以指数方式增加，依次类推，对方发送的报文越大，则会退的周期越长，白白浪费的等待时间也就越长，网络带宽浪费也就越严重。

在上述的竞争回退机制作用下，有一种情况其实对于发送业务是安全的，但是也会处于白白的等待状态。如下图所示，STA-1和STA-2的覆盖半径有明显重叠，但是其目标的接收路由器的覆盖半径却并没有重叠，此时STA-1和STA-2同时启动发送，对于处于接收状态的AP1和AP2来说，其实是完全可以分别收到STA-1和STA-2发送来的报文的，但是由于STA-1和STA-2的碰撞回退机制，至少有其中某一个节点会处于指数回退等待的状态，这样白白的牺牲了网络的带宽，加大了网络通讯的延时。

同时基于上述的分析可以看出，基于竞争和指数回退机制的MAC层接入模型要想有一个稳定工作的性能，实际上暗含了一个前置条件：

(1)    单个节点的覆盖半径不能太大

(2)    覆盖半径内的节点数量不能太多

(3)    单个节点的报文发送不能太频繁

(4)    单个节点发送的报文不能太长

上述这些限制条件从另一个侧面可以反映出，真的要想组建一个一定规模的网络，比如1000个节点的数据采集网络，哪的多大的覆盖半径啊？这在欧美那些地广人稀的发达国家或许很容易，但是在城镇化逐步加速的中国，地处偏远的农村正在加速消亡，根本没有实施ZigBee技术的需求，而要在钢筋水泥堆积起来的大中城市要找到这样的合适的“实验田”还是有一定难度的，这可能也从另外一个侧面说明了为什么ZigBee自组网技术在国外发展比国内要顺利得多了吧。

微网智控WiMi-net的无线自组网技术在竞争可靠性环节做了深入全面的支持，我们会在后续的连载文章中为大家奉献精彩纷呈的点评和分析。