图源: metamorworks/Adobe Stock

 

局域网(WLAN)的基本结构包括星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构等。目前典型的局域网大多采用星型结构或者多层星型结构,即网络通过主路由器接入,再分配至各个分路由器,最后连接至不同的主机和设备上。随着网络的发展以及智能终端的不断增加,这种传统局域网的结构在很多场合出现了瓶颈,网络“死角”更是让用户体验降至低点。

 

人们常说,长江后浪推前浪,这不,一种并不新鲜但由于技术限制一直未被重视的网络拓扑结构如今走上了前台,它就是Mesh——网状网络结构。

 

什么是Mesh?首先,让我们看一下什么是Mesh网络?

 

Mesh网络

Mesh网络是一种拓扑结构,其中各个节点(AP)都是相互连接的。与传统局域网的最大不同点在于,无线Mesh网络中的AP可以采用无线连接的方式进行互连,并且AP间可以建立多跳的无线链路。

 

也就是说,网络中的每个设备都有两种接收和传输信息的方式,整个网络不依赖于一个设备进行通信,因此,如果一个AP不能通信,则网络可以通过其他AP继续工作。Mesh网络的这个特点,让我们可以轻松地将无线设备的部署范围扩展到整个区域,网络覆盖再无“死角”。

 

图1:Mesh网络、全连接网络、星型网络、环型网络、公共总线等网络拓扑结构一览(图源:网络)

 

归纳一下,无线Mesh网络的优势主要体现在以下几个方面:
 

一是网络的部署安装非常简单

 

  • Mesh的设计目标是将有线设备和有线AP的数量降至最低,因此,在无线Mesh网络中,每个AP不再需要有线电缆的连接,用户只需将这些无线设备接上电源就可以使用了。对于需要增加新的AP来扩大无线网络覆盖范围和网络容量的用户来说,这个操作真的是太方便了。二是去中心化无线Mesh网络由一组呈网状分布的无线AP构成,各AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联。由于任意两个AP之间拥有多条连接通道,网络去中心化不再是难题。三是广覆盖在无线Mesh网络中,每一个AP都相当于一个中继器,因此还可以为连接到AP视距之外的用户提供网络服务,大幅提高了无线网络的应用领域和覆盖范围。

 

四是高利用率

高利用率是无线Mesh网络的另一个技术优势。在单跳网络中,一个固定的AP被多个设备共享使用,随着网络设备的增多,AP的可用率就会大大下降。而在无线Mesh网络中,一旦某个AP可用率下降,数据就会自动重新选择另一个AP进行传输。

 

基于mesh组网

接着,我们再梳理一下Mesh组网是怎么一回事。

 

其实,Mesh网络已经存在很长时间了,以前主要用于军事或商业应用。2005年,麻省理工学院媒体实验室首次提出了OLPC项目,旨在为全球最贫穷的儿童提供一台低成本的PC。而这些PC将通过Mesh网络技术,为网络接入严重受限的地区提供互联网连接。

 

现在,Mesh网络产品已经进入家庭网络市场,以谷歌为代表的一批企业开始布局这一应用领域,约90%的路由器厂商推出了各自的Mesh产品,比如Tplink、Dlink、荣耀、小米、华硕等,他们推出的mesh Wi-Fi路由器能提供更好的网络覆盖范围和性能。不过,这些产品的价格差别很大,售价位于几百到几千人民币之间。

 

除了提高性能,这些Mesh产品基本都能通过智能手机应用程序或web门户提供轻松的安装和维护,运维成本也得到了有效控制。

 

拥有一个无缝链接的网络是很多人的梦想。现在,无线Mesh网络有望将这个梦想变为现实。当然,毕竟Mesh仅仅是一种网络拓扑结构,若要组网,它还需与Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee等无线技术结合起来。在实现家庭网络全覆盖这部分市场,无线Mesh Wi-Fi路由器的需求量正在稳步上升。要说原因,主要还是家庭对Wi-Fi的无线覆盖要求提高了。虽然5G与Wi-Fi 6市场之争从未停止,不过在眼下,明显WiFi 6还是占了一定的上风。这一利好将会让无线Mesh Wi-iFi市场更上一层楼。

 

图2:拥有6根天线的最新小米Wi-Fi 6路由器支持Mesh组网(图源:网络)

 

这里我们需要插一句来解释一下Wi-Fi6,它到底是何方神圣。

 

Wi-Fi 6

Wi-Fi 6的学名是802.11ax,属于第六代Wi-Fi技术,可提供更快的速度和更低的时延,其传输速率最高可达9.6Gbps,理论传输速度达到了1.2GB/s,网络性能不输5G,这也是为什么业界有很多人提出在某些应用场景用Wi-Fi 6取代5G的原因,颇有既生瑜何生亮的感觉。

 

当这样一个“厉害”的角色遇到Mesh,对我们的智慧家庭会带来怎样的影响呢?

 

当Mesh遇到WiFi 6

现在,就让我们看一看Mesh WiFi 6将为智能家居带来哪些变化。

 

如今,大多数家庭都会有多个智能手机、平板电脑、智能音箱、网络摄像头、游戏机和电视流媒体设备连接到网络,至少有一个设备同时在多达三个不同的房间中使用。据消费者技术协会(Consumer Technology Association)预测,2019年将售出近3000万款智能家居产品,比2018年增长23%。当现有家庭网络基础设施的负载增加5倍或更大时,家庭智能设备将很难正常工作。

 

在智能家居中,信号覆盖范围和质量之间的矛盾由来已久,是用户迫切要解决的问题。根据Statista的2020年度报告,到2025年,全球联网设备的安装量预计将达到754.4亿台。这个矛盾看起来有进一步加剧的趋势。幸好,我们现在有无线Mesh Wi-Fi可以用了。

 

Mesh Wi-Fi路由器的设计目标是覆盖家庭或办公室的每个角落,实现无缝Wi-Fi连接。Wi-Fi 6的使用还能将网络吞吐量提高近4倍。简言之,有了Mesh Wi-Fi 6路由器,无论你的家有多大,哪怕是无敌海景大house,家中的每个角落都会被强大的互联网连接所覆盖。

 

当然,Mesh Wi-Fi 6之于智慧家庭绝不仅仅是网络全覆盖这一优势,它还有其他优点。比如,由于Mesh网络提供了一种自愈算法,因此可以自动地选择最佳路由来发送数据,哪怕是某个AP无意中掉网甚至停止工作,整个Mesh网络仍能够正常工作。再有,Mesh网络允许网络中的节点直接相互通信,无需要网关的干预,减少了数据传输时延和网关的负担。

 

克服技术挑战

最后,我们要关心一下Mesh Wi-Fi制造商需要面对的那些挑战。

 

抗干扰能力问题

通常无线路由器有2.4GHz和5GHz两个频段,在网络中还会存在多种无线电解决方案来管理当今智能家居中分散的设备和服务,如何减轻这些标准和频段之间可能发生的干扰不仅是工作的重中之重,解决起来也非常困难。

 

散热问题

人们对路由器较小外形尺寸的不断追求使得产品的散热问题日益严峻。产品上市时间也是一个非常大的挑战。先进的Wi-Fi标准(如Wi-Fi 6)以及多个无线电标准(如BLE、Zigbee、Thread)在产品中共存,大幅增加了RF器件的设计复杂性,产品的设计周期必然有相应的增加。好在,这些挑战正在被一一克服。

 

多种无线电协作解决方案

以Qorvo公司为例,它的集成高级滤波解决方案“coexBoost”能够允许多种无线电同时工作。这种系统解决方案不仅包括单个组件,还有完整的SoC方案,在整体上解决了所有复杂的射频问题

 

Qorvo还有一整套的Wi-Fi 6解决方案,涵盖2.4 GHz和5 GHz频段。通过Qorvo射频前端(RFFE)解决方案和“EdgeBost”进行滤波,用户可以在所有2.4 GHz频谱通道的更高功率级别上实现协议的一致性。

 

器件型号 用途
QPF4506 5 GHz Wi-Fi 6 Front-End
QPF4206 2.4 GHz Wi-Fi Front-End
QPF4216 2.4 GHz Wi-Fi 6 Front-End
QPF7219 2.4 GHz Wi-Fi 6 Front-End
QPF4800 2.4 GHz and 5 GHz Wi-Fi Dual-Band Front-End

表1 :Qorvo公司2.4 GHz、5 GHz和6 GHz解决方案产品组合

 

结语

Mesh Wi-Fi路由器为家庭网络全覆盖提供了“后盾”。今天的网络流量诸如游戏、视频流、互联网、音乐、计算等,以及智能家居服务流量如语音助理、安全、气候控制、视频、音频等,通过Wi-Fi 6标准的改进将得到有效扩展。

 

无线连接已经成为智能家居以及物联网的一种连接方式。IDC估计,到2025年,将有416亿台物联网设备产生794 zettabytes的数据。Mesh网络将成为家庭、城市和企业中联网设备实现大量数据交换的关键机制。拥有一个Mesh Wi-Fi路由器就相当于安装了3-5个标准Wi-Fi路由器,我们可以说它是眼下实现网络全覆盖的最合适的网络产品,更是确保智能家居提供优质服务的基石。