從手機(jī)、Wi-Fi到藍(lán)牙耳機(jī)，無線設(shè)備早已深度融入我們的日常生活。這些設(shè)備看似在自由地傳遞信號(hào)，實(shí)則都運(yùn)行在一條看不見的“空中通道”——也就是信道上。就像車輛必須按道行駛一樣，所有無線信號(hào)也必須在特定的頻率、特定的時(shí)段中有序傳輸；一旦超出規(guī)則，就會(huì)發(fā)生信號(hào)“撞車”。

許多工程師都有過這樣的體驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用一兩個(gè)無線模塊進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定流暢，誤碼率極低。然而，一旦將節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加到十幾個(gè)甚至幾十個(gè)，整個(gè)系統(tǒng)性能就會(huì)急劇惡化——延遲飆升、丟包嚴(yán)重，甚至通信中斷。模塊數(shù)量越多，問題越凸顯。

這背后的核心問題，并非單個(gè)模塊的性能缺陷，而是一個(gè)概率性問題：隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)報(bào)文在空中“撞車”的概率呈指數(shù)級(jí)增長。

一、從“空蕩馬路”到“擁堵早高峰”的信道變遷

當(dāng)系統(tǒng)中只有少數(shù)幾個(gè)模塊時(shí)，信道大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)。每個(gè)模塊都可以在需要時(shí)輕松找到發(fā)送機(jī)會(huì)，發(fā)生碰撞的概率極低，就像在空曠的馬路上行駛，很難發(fā)生交通事故。

但隨著模塊數(shù)量增加，每個(gè)模塊都在競爭有限的信道資源。信道占用率急劇上升，多個(gè)模塊同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的可能性大大增加。一旦兩個(gè)或多個(gè)報(bào)文在時(shí)間上重疊，就會(huì)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致所有參與碰撞的報(bào)文丟失。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)陷入“發(fā)送-碰撞-重傳”的惡性循環(huán)，有效吞吐量不升反降。

二、對講機(jī)中的智慧：“Over”背后的信道協(xié)調(diào)機(jī)制

如果你用過對講機(jī)，一定知道說完話要補(bǔ)一句“Over”。這不僅是禮貌，更是一個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作：釋放信道。早期對講機(jī)采用“半雙工”通信：同一時(shí)間只能有一方說話。如果兩人同時(shí)按下通話鍵，他們的信號(hào)就會(huì)在空中疊加，結(jié)果誰的話也聽不清，這就是“沖突”（Collision）。

“Over”本質(zhì)上是一次明確的所有權(quán)交接：“我說完了，現(xiàn)在輪到你。”而現(xiàn)代Wi-Fi、Zigbee等無線系統(tǒng)雖不用人說“Over”，卻沿用同樣的邏輯（如CSMA/CA協(xié)議），通過“先監(jiān)聽再發(fā)言”的機(jī)制，確保了同一時(shí)間只有一個(gè)發(fā)射器工作,盡量避免沖突,本質(zhì)上就是對這種人類協(xié)調(diào)方式的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

三、從概率角度看碰撞：為什么節(jié)點(diǎn)越多越容易撞？

碰撞的概率并不與節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈線性關(guān)系，而是呈指數(shù)增長。簡單來說，如果有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的概率很??；但當(dāng)有十個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇相同時(shí)刻發(fā)送的概率就大大增加。

更重要的是，無線通信中有一個(gè)關(guān)鍵特性：部分時(shí)間重疊即全損。即使兩個(gè)報(bào)文只有微小的重疊，也足以導(dǎo)致接收端無法正確解析任何一個(gè)報(bào)文，就像兩輛汽車即使只是輕微擦碰，也足以導(dǎo)致交通阻塞。

四、無線電規(guī)則一：同一信道，在任意時(shí)刻，只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射

沖突的發(fā)生，源于無線電的 這一條規(guī)則。若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射，電波信號(hào)會(huì)在信道中疊加，導(dǎo)致波形畸變，接收端無法解碼，最終兩個(gè)報(bào)文均丟失。

這就像狹窄隧道無法并行兩輛車——無線信道是共享介質(zhì)，而介質(zhì)訪問控制（MAC）的核心，就是解決“誰先說、誰后說”的問題。

五、無線電規(guī)則二：即使發(fā)射相同內(nèi)容，電波路徑差仍會(huì)導(dǎo)致信號(hào)抵消

更令人意外的是，即便兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完全相同的信號(hào)，且嚴(yán)格同步發(fā)射，仍可能通信失敗。問題出在無線電波的干涉。

（一）當(dāng)兩個(gè)信號(hào)到達(dá)的傳播路徑差ΔR=半波長(λ/2)的偶數(shù)倍（2K）時(shí)，其信號(hào)的相位差為0度，波節(jié)對齊，信號(hào)實(shí)現(xiàn)同相疊加的效果，接收模塊信號(hào)增強(qiáng)。

（二）當(dāng)兩個(gè)信號(hào)到達(dá)的傳播路徑差ΔR=半波長(λ/2)的奇數(shù)倍（2K+1）時(shí)，其信號(hào)的相位差為180度，波節(jié)對齊，信號(hào)實(shí)現(xiàn)反相疊加的效果而被削弱，接收模塊信號(hào)減弱。

（三）當(dāng)兩個(gè)信號(hào)到達(dá)的傳播路徑差ΔR=半波長(λ/2)的非整數(shù)倍時(shí)，其信號(hào)的相位差為0-180度之間，波節(jié)沒對齊，無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)疊加的效果，波形畸變，接收模塊信號(hào)畸變。

無線電波在空間傳播時(shí)，因障礙物反射、衍射，會(huì)經(jīng)不同路徑到達(dá)接收端。這些波可能存在相位差。若某條路徑比另一條恰好長出半波長（λ/2）的奇數(shù)倍，兩列波就會(huì)相互削弱，甚至完全抵消，接收信號(hào)強(qiáng)度將會(huì)急劇下降。

這種現(xiàn)象稱為多徑衰落或相干抵消，也是室內(nèi)某些位置Wi-Fi信號(hào)弱的重要原因之一。

六、解決方案：建立空中交通規(guī)則

為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)采用了一系列精巧的設(shè)計(jì)：

• 載波偵聽：發(fā)送前先監(jiān)聽信道是否空閑（類似先聽聽有沒有人說話）；
• 隨機(jī)退避：檢測到?jīng)_突后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)等待一段時(shí)間再重試（類似發(fā)生爭執(zhí)時(shí)各自后退一步）；
• 時(shí)分多址：為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配特定的時(shí)間槽（類似給每個(gè)司機(jī)指定通行時(shí)間）；
• 請求發(fā)送/清除發(fā)送（RTS/CTS）機(jī)制：通過預(yù)約方式避免隱藏節(jié)點(diǎn)問題

WiMinet無線自組網(wǎng)的TDMA調(diào)度機(jī)制

結(jié)語：秩序帶來效率

無線通信的本質(zhì)不是在無序中追求自由，而是在有序中實(shí)現(xiàn)高效。正如交通系統(tǒng)需要紅綠燈和交通規(guī)則，無線網(wǎng)絡(luò)也需要嚴(yán)格的介質(zhì)訪問控制協(xié)議。

理解碰撞的概率本質(zhì)，不僅有助于我們診斷網(wǎng)絡(luò)問題，更能指導(dǎo)我們設(shè)計(jì)更好的通信系統(tǒng)。下次當(dāng)您的無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)性能下降時(shí)，不妨從信道占用率和碰撞概率的角度進(jìn)行分析——也許您需要的不是更好的硬件，而是更智能的調(diào)度策略。