Sind drahtlose Mesh-Netzwerke auf PAN-Anwendungen beschränkt?

Wenn ich über Zigbee lese, sehe ich es als eine Technologie zum Erstellen persönlicher Netzwerke . Ich habe auch über 6lowPAN gelesen, das in den Netzeinstellungen auftaucht, und zumindest in meinen Augen die Idee gefestigt, dass das Netz auf PAN-Anwendungen beschränkt ist.

Gibt es etwas an Mesh-Netzwerken, das die Netzwerkgröße von Natur aus einschränkt?

Da ich bereits einige Geräte für die Hausautomation mit ZigBee habe, weiß ich bereits, dass ein ZigBee-Netzwerk zumindest für ein drahtloses Netzwerk in Wohnungsgröße mit zehn bis fünfzehn Knoten geeignet ist.

Wenn ich mein ZigBee-Netzwerk erweitern würde, um beispielsweise eine intelligente Beleuchtung für einen Wohnblock mit 100 Wohnungen bereitzustellen, würde ich dann anfangen, einige Einschränkungen zu spüren?

Das ist eine sehr gute Frage und eigentlich mein aktuelles Forschungsthema. Ich versuche eine angemessene, aber präzise Antwort zu geben¹.

Ich werde meine Antworten auf Netzwerke konzentrieren, die auf dem IEEE 802.15.4-Standard basieren (Zigbee und 6LoWPAN verwenden ihn beide als physische Schicht und Datenverbindungsschicht), sowie auf Netzwerke, in denen der meiste Verkehr über ein gemeinsames Gateway erfolgt. Die meisten Argumente gelten auch für Peer-to-Peer-Netzwerke, aber es ist schwieriger zu definieren, was ein Netzwerk ist (z. B. wenn Ihr Nachbar und Sie beide ZigBee-Geräte verwenden).

_{¹ Ich werde hoffentlich in der Lage sein, eine ganze Doktorarbeit durch Beantwortung der Frage zu füllen ;-)}

Gibt es etwas an Mesh-Netzwerken, das die Netzwerkgröße von Natur aus einschränkt?

Es gibt mehrere Faktoren, die die Skalierbarkeit in drahtlosen Maschennetzwerken einschränken:

• Es gibt nur eine bestimmte Menge an Verkehr, die von einem einzelnen Knoten verarbeitet werden kann, und dies gilt insbesondere für das Gateway. Wenn Sie also die Anzahl der Knoten verdoppeln, kann jedes Gerät im Allgemeinen höchstens die Hälfte der Anzahl der Pakete pro Zeit übertragen.
• Mit mehr Knoten in einem Mesh-Netzwerk besteht eine größere Chance für komplexe Anordnungen, die viele Probleme in der Routing-Schicht und der Verbindungsschicht erzeugen. Ein Beispiel ist das Problem des versteckten Knotens, das die Wahrscheinlichkeit überlappender (und daher fehlgeschlagener) Übertragungen erhöht.
• Je mehr Sprünge ein Paket an sein Ziel bringen muss, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass es verloren geht. Vielfach vereinfacht: Wenn die Wahrscheinlichkeit 99% beträgt, dass eine Paketübertragung fehlschlägt, beträgt die Wahrscheinlichkeit 0,99 ^ h für h-Hops.
• Mehr Knoten sind schwieriger zu warten. Das manuelle Aktualisieren der Software ist beispielsweise für 10 Geräte in Ordnung, für 1.000 jedoch nicht. Sie benötigen also eine Art Remote-Software-Management.

Es gibt also keine inhärente Begrenzung der Netzwerkgröße selbst (abgesehen von Ihrem Adressraum ...), aber eine zuverlässige Kommunikation wird immer komplexer und fehleranfälliger. Die Bereitstellung eines Netzwerks mit Tausenden von Knoten sollte natürlich möglich sein, wenn jeder Knoten nur eine Nachricht pro Tag sendet. Ein Netzwerk von 1.000 Knoten, in dem jeder Knoten viele Nachrichten pro Sekunde sendet, überlastet den Kanal.

Dies macht drahtlose Maschennetzwerke an sich jedoch nicht schlechter als jede andere drahtlose Technologie. Mobilfunknetze können nur Tausende von Geräten bedienen, da die Anbieter einen großen Teil des Funkspektrums besitzen, den Bereich mit Basisstationen überladen und nur wenige Geräte gleichzeitig kommunizieren möchten². Und die LoRa-Technologien haben sicherlich ihre Anwendungen, aber in den behaupteten hochskalierbaren Netzwerken ist der Durchsatz weit von dem entfernt, was ein IEEE 802.15.4-Mesh-Netzwerk bieten kann.

Und um Ihren Kommentar anzusprechen: Nein, die Gesamtentfernung ist nicht das eigentliche Problem. Tatsächlich besteht der Hauptvorteil von Mesh-Netzwerken darin, dass eine größere Entfernung überbrückt werden kann, ohne die Leistung zu erhöhen oder die Datenrate zu verringern.

_{² Ich möchte nicht sagen, dass Mobilfunknetze schlecht sind, sondern nur, dass Sie die Skalierbarkeit einer Mobilfunkbereitstellung im Stadtmaßstab nicht mit einem drahtlosen Mesh-Netzwerk mit einem einzigen Gateway vergleichen können. (Und mehrere Gateways sind möglich.)}

Sind drahtlose Mesh-Netzwerke auf PAN-Anwendungen beschränkt?

Die Definition des Begriffs PAN ist je nach Kontext ziemlich unscharf. Wenn der einzige Unterschied eine geringe Anzahl von Knoten ist, wird die Antwort bereits vom vorherigen Teil gegeben. Wie der Name schon sagt, kann dies jedoch auch "ein Netzwerk zum Verbinden von Geräten im Arbeitsbereich einer einzelnen Person ( Wikipedia )" bedeuten . Diese Frage hat also eine andere Dimension, dh wenn drahtlose Maschennetzwerke (gemäß IEEE 802.15.4) auf persönliche Anwendungen beschränkt sind.

Sind industrielle drahtlose Maschennetzwerke möglich?

Ich habe an einem Forschungsprojekt mitgewirkt, in dem die Machbarkeit eines drahtlosen Maschennetzwerks im Kontext eines Solarturmkraftwerks bewertet wurde. Und soweit ich sagen kann, ist die Verwendung eines drahtlosen Maschennetzwerks in dieser Anwendung sehr vielversprechend. Während wir nicht die Möglichkeit hatten, ein sehr großes Netzwerk bereitzustellen, gibt es zum Beispiel andere vielversprechende industrielle Bereitstellungen

T. O'donovan, J. Brown, F. Büsching, A. Cardoso, J. Cecı́lio, J. D. Ó, P. Furtado, P. Gil, A. Jugel, WB Pöttner et al. ACM Trans. Sen. Netw. 10 (1), 4: 1–4: 40 (2013).

Es gibt viele Gründe für die Verwendung der drahtlosen Technologie, aber Sie benötigen die drahtlose Technologie nur, wenn Bewegung involviert ist. Dies gilt insbesondere für alle Arten von Fahrzeugen. Darüber hinaus gibt es derzeit den Trend, Kabelträger durch drahtlose Technologie zu ersetzen. Dies ist jedoch nur eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, für die kein Netz erforderlich ist.

Ein zweites Argument kann eine Kostenüberlegung sein: Der Einsatz von Kabeln kann sehr kostenintensiv sein, insbesondere im Freien. So würden beispielsweise drahtlose Geräte in Solarturmkraftwerken die Investitionskosten (möglicherweise erheblich) senken, selbst wenn dies nicht erforderlich ist Es ist keine Mobilität beteiligt. Dies kann auf andere industrielle Anwendungen anwendbar sein oder nicht. Die Auswahl der richtigen Anzahl von Basisstationen und damit der Größe und Leistung eines einzelnen Mesh-Netzwerks ist natürlich ein Kompromiss, der auch Kostenaspekte mit sich bringt.

Warum gibt es so wenige industrielle drahtlose Netzbereitstellungen?

Kurze Antwort: Weil Kabel großartig und bewährt sind!

Zunächst ist es nicht so offensichtlich, Anwendungen zu finden, bei denen die drahtlose Technologie wirklich glänzt (siehe letzter Abschnitt). Dann gibt es den Energieaspekt: ​​Es gibt Anwendungen, bei denen die Energiegewinnung sehr gut funktioniert (einschließlich Solarturmkraftwerken), ansonsten müssen Sie sich auf Batterien (die hohe Wartungskosten verursachen können) oder Stromkabel verlassen. Kabel nur zur Stromversorgung können tatsächlich auch von Vorteil sein, beispielsweise bei der Nachrüstung alter Fabriken, die überall Strom liefern, aber es ist kein Platz für zusätzliche Datenkabel vorhanden.

Sicherlich wird es in Zukunft viel mehr industrielle drahtlose Anwendungen geben, und auch drahtlose Maschennetzwerke werden ihre Nischen finden, aber es ist offensichtlich, dass neue Technologien ihre Anwendung zuerst in persönlichen Umgebungen finden, anstatt in industriellen Umgebungen, in denen Probleme viel größere Konsequenzen haben werden.

BEARBEITEN: Ich habe gerade bemerkt, dass das IEEE den Titel des IEEE 802.15.4-Standards von IEEE-Standard für drahtlose Personal Area Networks (WPANs) mit niedriger Rate in IEEE-Standard für drahtlose Netzwerke mit niedriger Rate gemäß diesem im letzten Jahr veröffentlichten Korrekturblatt geändert hat . Der Grund dafür war wahrscheinlich, dass "persönlich" nicht mehr wirklich zum Standard passt, wie ich oben dargelegt habe.

Wenn Sie der Meinung sind, dass das Internet eine Art Mesh-Netzwerk ist, sollten Sie Ihre Antwort im weitesten Sinne sehen.

Bei der Frage, ob ein bestimmtes Mesh-Netzwerk Probleme mit der Skalierbarkeit aufweist, ist dies etwas anders. Es gibt viel Spielraum, ein modifiziertes Netzwerkprotokoll zu erstellen, um eine bestimmte Implementierung mit den richtigen Optimierungen zu adressieren.

Irgendwann möchten Sie vielleicht auch überlegen, ob der Mesh-Ansatz am besten ist oder ob ein Hybrid-Ansatz einen gewissen Wert hat.

Zu berücksichtigende Faktoren sind:

• Latenzanforderungen (bezogen auf die Anzahl der Sprünge)
• Netzwerkübergreifende Bandbreite (z. B. wie viel Verkehr von einer Hälfte zur anderen wechselt, anstatt nur mit einem Nachbarn zu sprechen). Die Sättigung von Schlüsselknoten kann ein begrenzender Faktor sein.
• Bereitstellungsstruktur. Wenn Sie regelmäßig Knoten verteilt haben (z. B. auf Straßenlaternen), unterscheidet sich dies von einer Verteilung mit spärlichen Bereichen.

Das von Ihnen beschriebene Beispiel sollte auf einen Wohnblock skaliert werden. Jede Sekunde sollte nicht mehr als eine Handvoll Datentransaktionen sehen. Es könnte auf ein paar Blocks skaliert werden, aber keine Straße oder Stadt. Es ist schwierig, eine Architektur im Maßstab von Millionen von Geräten oder Transaktionen zu beweisen.