高可靠性设计

无线通信的可靠性挑战

较之线缆通信,无线通信在享受方便性的同时,也天然伴随着可靠性的挑战:
1. 无线通信的频谱资源有限且信道间隔离度较低,很容易产生互干扰,影响通信质量。
2. 在非授权频段,不同系统的设备按自己的业务逻辑独立工作,相互间没有协调,导致无线环境复杂多变,信道质量难以预测。
3. 通信节点间的无线资源动态协同机制较为复杂,难以稳定地运行。

系统内无线信号互扰

1. WiFi系统中的设备独立工作,相互间耦合度较低,但是系统内无线互扰很大
a) WiFi采用“载波监听多路访问”协议,全称Carrier Sense Multiple Access,简称CSMA,这是一种允许多个设备在同一信道发送信号的协议。每台设备监听其它设备是否忙碌,只有在线路空闲时才发送。CSMA协议的特点是每台设备独立工作,相互间无需协调;
b) 多台设备同时检测到线路空闲,可能同时发射,产生碰撞,导致通信失败,通过随机回退、缩短数据包等机制可以降低碰撞的概率,但同时也降低了通信速率;由于设备数量和通信需求增加时,碰撞概率成指数级增加,CSMA协议的系统内无线互扰天然很高;
c) WiFi6之后增加支持了“时分多路复用访问”协议,全称Time Division Multiple Access,简称TDMA,其允许多个用户在不同的时间片(时隙)来使用相同的频率。每台设备根据规划调度来使用无线资源,可以完全避免碰撞,极大增加了WiFi系统的设备容量;WiFi6还增加了多台WiFi路由器之间的协调机制,显著提升了终端在多台路由器之间漫游的能力;
d) TDMA协议需要所有设备保持时钟同步,并接受统一调度,不适合经常睡眠的低功耗WiFi设备;WiFi路由器需要兼容WiFi5之前的CSMA协议,除非整个系统中全部是WiFi6设备,否则仍然存在系统内无线互扰;

2. 蜂窝网的系统内无线互扰很小,但是对专业的网络规划、网络优化以及运营维护的依赖度非常高
a) 蜂窝网采用前述“时分多路复用”(TDMA or TDD)或者“频分多路复用”(FDMA or FDD)协议,所有的基站通过GPS时钟信号保持同步,共同为终端提供支持漫游的通信服务;
b) 终端始终和基站保持时钟同步,接受基站调度,即使在手机休眠时,也要定期醒来接收基站指令;
c) 通过对系统中所有设备的通信行为进行精确调度,蜂窝网的频谱利用率很高,且很大限度降低了系统内无线互扰。

系统外无线信号干扰

1. 蜂窝通信主要使用“授权频段”,除了低频信号的高频谐波、太阳粒子活动等少数不可控因素外,总体上面临较少的系统外干扰。但是对WiFi、蓝牙、凌跃(LeapLink®)等使用“非授权频段”的设备来说,系统外无线干扰是很大的挑战;
2. WiFi的无线资源和参数(频点、带宽、调制模式、发射功率)分配以WiFi路由器为基本单位,资源分配颗粒过粗,导致较为严重的系统外无线干扰
a) 每个WiFi路由器都希望找到一个频点,覆盖尽量大的覆盖区域,可是频点数量有限,多个同频WiFi路由器的覆盖区域重叠难以避免;
b) WiFi路由器在某一时候只能固定使用一个频点,但是路由器和其连接的设备处于不同位置,无线环境各不相同,很难找到一个适合所有设备的频点。

开放协议的利弊和私有协议的机会

IEEE、3GPP等权威组织可以调动大量通信专家和厂商资源联合研究,所制定的开放通信协议的质量很高,对通信可靠性提供了基本保证。

a) 不同应用场景的需求常常是矛盾的。此时通信标准的设计者要么忽略部分场景,要么增加协议复杂度,兼顾更多场景。然而有些需求的矛盾很大,导致兼顾的代价很大,甚至难以实现或只能采取折中方案;
b) 移动运营商基于企业利益的最大化推动标准的制定和设备商的技术性选择,弱化甚至压制了对不符合运营商利益的应用场景的支持能力;
c) 开放协议是持续迭代的,新协议通常需要兼容所有的旧协议,WiFi6要同时实现802.11a/b/g/n/ac/ax,5G要同时支持FDD/TDD等各个版本的4G/3G/2G,导致系统复杂度极高,带来可靠性的挑战。

a)蜂窝通信的可靠性较高(只要信号好,通信质量就好),但是其部署不受业主控制,且需要流量费,不适合视频监控等流量很高的业务;
b) WiFi的可靠性较低(常常看起来信号满格,实际却无法通信),这是其在商用安防工程中渗透率低的根本原因;
c) 在商用安防工程、自然保护区、自动机巢无人机、应急通信等场景,市场需要一种可靠性媲美蜂窝通信,同时部署和使用简单,无需复杂规划和维护的无线通信技术。

凌跃(LeapLink®)的高可靠性方案

1. 使用TDMA协议,动态调度时频资源,显著抑制了系统内无线互扰;
2. 无线资源和参数(频点、带宽、调制模式、发射功率等)根据信道条件动态设置,控制颗粒度大大小于WiFi(以路由器为单位),可以极大提高无线资源的利用率,抑制系统内和系统外干扰;
3. 节点可以并发评估各个频段的大量备选信道的质量,系统综合所有节点的评估结果,全局优化无线资源的使用,进一步提高系统抗干扰能力;
4. 系统用通信速率低,但具备更高可靠性的窄带通信支持对宽带通信的运维,在宽带通信完全失效时仍然可以有效管理网络,恢复宽带通信,显著提高了宽带网络的鲁棒性;
5. 凌跃(LeapLink®)主要针对WiFi和蜂窝网不能满足的应用,重点保障智能组网、低时延多跳中继、低功耗、抗损能力、故障自动恢复等需求,不追求很高的数据吞吐率和无线链路并发数,清晰的设计目标显著提升了通信的可靠性。

高可靠性设计 高安全性设计 大跨度的自适应数据率 低时延多跳中继 低功耗设计 移动性设计