Le reti mesh wireless sono limitate alle applicazioni PAN?

Leggendo su Zigbee, lo vedo descritto come una tecnologia per la creazione di reti personali . Ho anche letto di 6lowPAN, che sembra spuntare nelle impostazioni della mesh, consolidando l'idea, almeno nella mia mente, che la mesh sia limitata alle applicazioni PAN.

C'è qualcosa nella rete mesh che la rende intrinsecamente limitante in termini di dimensioni della rete?

Dal momento che ho già alcuni gadget di automazione domestica che utilizzano Zigbee, so già che una rete Zigbee è buona almeno per una rete wireless di dimensioni appartamento con dieci o quindici nodi.

Se estendessi la mia rete Zigbee per fornire un'illuminazione intelligente per un condominio di 100 appartamenti, inizierei a sentire dei limiti?

Questa è un'ottima domanda e in realtà il mio attuale argomento di ricerca. Cerco di dare una risposta adeguata ma concisa¹.

Concentrerò le mie risposte su reti basate sullo standard IEEE 802.15.4 (Zigbee e 6LoWPAN lo usano sia come strato di collegamento fisico e di dati) sia su reti in cui la maggior parte del traffico passa attraverso un gateway comune. La maggior parte degli argomenti valgono anche per le reti peer-to-peer, ma è più difficile definire cosa sia una rete (ad es. Se il vicino e entrambi utilizzano i dispositivi Zigbee).

_{¹ Spero di poter compilare un'intera tesi di dottorato rispondendo alla domanda ;-)}

C'è qualcosa nella rete mesh che la rende intrinsecamente limitante in termini di dimensioni della rete?

Esistono diversi fattori che limitano la scalabilità nelle reti mesh wireless:

• Esiste solo una determinata quantità di traffico che può essere gestita da un singolo nodo e questo vale soprattutto per il gateway. Pertanto, in generale, se si raddoppia il numero di nodi, ogni dispositivo può al massimo trasmettere la metà del numero di pacchetti alla volta.
• Con più nodi in una rete mesh, vi sono maggiori possibilità di disposizioni complesse che generano molti problemi nel livello di routing e nel livello di collegamento. Un esempio è il problema del nodo nascosto che aumenta la probabilità di trasmissioni sovrapposte (e quindi non riuscite).
• Più salti un pacchetto deve portare a destinazione, maggiore è la probabilità che venga perso. Molto semplificato: se la probabilità è del 99% che una trasmissione di pacchetti fallisca, la probabilità è 0,99 ^ h per h hop.
• Più nodi sono più difficili da mantenere. Ad esempio, l'aggiornamento manuale del software è OK per 10 dispositivi, ma non per 1.000. Quindi hai bisogno di una sorta di gestione remota del software.

Quindi non esiste un limite intrinseco alle dimensioni della rete stessa (a parte forse lo spazio degli indirizzi ...), ma una comunicazione affidabile diventa sempre più complessa e soggetta a errori. Ovviamente, la distribuzione di una rete con migliaia di nodi dovrebbe essere possibile se ogni nodo invia solo un messaggio al giorno. Ma una rete di 1.000 nodi in cui ogni nodo invia molti messaggi al secondo sovraccaricherà il canale.

Detto questo, ciò non rende le reti mesh wireless di per sé peggiori di qualsiasi altra tecnologia wireless. Le reti cellulari possono servire solo migliaia di dispositivi perché i provider possiedono una grande quantità dello spettro wireless, ingombrano l'area con basi e solo pochi dispositivi vogliono comunicare allo stesso tempo². E le tecnologie LoRa hanno certamente le loro applicazioni, ma nelle reti rivendicate altamente scalabili il throughput è lontano da quello che può offrire una rete mesh IEEE 802.15.4.

E per rispondere al tuo commento: No, la distanza complessiva non è il vero problema. In effetti, il vantaggio principale delle reti mesh è che è possibile colmare una distanza maggiore senza aumentare la potenza o ridurre la velocità dei dati.

_{² Non voglio dire che le reti cellulari sono cattive, ma solo che non è possibile confrontare la scalabilità di una distribuzione cellulare su scala urbana con una rete mesh wireless con un singolo gateway. (E sono possibili più gateway.)}

Le reti mesh wireless sono limitate alle applicazioni PAN?

La definizione del termine PAN è piuttosto confusa, a seconda del contesto. Se l'unica distinzione è un basso numero di nodi, la risposta è già fornita dalla parte precedente. Tuttavia, come indica il nome, può anche significare "una rete per i dispositivi di interconnessione centrata sullo spazio di lavoro di una persona ( Wikipedia )". Quindi questa domanda ha un'altra dimensione, ovvero se le reti mesh wireless (secondo IEEE 802.15.4) sono limitate alle applicazioni personali.

Sono possibili reti mesh wireless industriali?

Stavo contribuendo a un progetto di ricerca che ha valutato la fattibilità di una rete mesh wireless nel contesto di una centrale elettrica a torre solare. E per quanto posso dire, l'utilizzo di una rete mesh wireless in questa applicazione è molto promettente. Sebbene non abbiamo avuto l'opportunità di implementare una rete molto ampia, ad esempio ci sono altre implementazioni industriali molto promettenti

T O'donovan, J Brown, F Büsching, A Cardoso, J Cecılio, JD Ó, P Furtado, P Gil, A Jugel, WB Pöttner, et al., Il sistema GINSENG per il monitoraggio e il controllo wireless: esperienze di progettazione e distribuzione. ACM Trans. Sen. Netw. 10 (1), 4: 1–4: 40 (2013).

Esistono molte ragioni per utilizzare la tecnologia wireless, ma è necessario il wireless solo quando è coinvolto il movimento. Questo è particolarmente vero per tutti i tipi di veicoli. Inoltre, vi è una tendenza attuale a sostituire i supporti via cavo utilizzando la tecnologia wireless, ma si tratta solo di una connessione punto a punto, senza necessità di mesh.

Un secondo argomento può essere una considerazione in termini di costi: la distribuzione dei cavi può essere molto dispendiosa in termini di costi, soprattutto all'aperto, quindi ad esempio nelle centrali elettriche a torre solare i dispositivi wireless ridurrebbero effettivamente i costi di investimento (forse molto) anche se non è necessario perché nessuna mobilità è coinvolta. Ciò potrebbe o meno essere applicabile ad altre applicazioni industriali. Chiaramente, scegliere il giusto numero di basamenti e quindi le dimensioni e le prestazioni di una singola rete mesh è un compromesso che comporta anche considerazioni di costo.

Quindi, perché ci sono così poche implementazioni di reti wireless industriali?

Risposta breve: perché i cavi sono eccezionali e ben collaudati!

Inizialmente, trovare applicazioni in cui la tecnologia wireless brilla davvero non è così ovvio (vedere l'ultima sezione). Poi c'è l'aspetto energetico: ci sono applicazioni in cui la raccolta di energia funziona molto bene (comprese le centrali elettriche a torre solare), ma per il resto devi fare affidamento sulle batterie (che potrebbero comportare costi di manutenzione elevati) o sui cavi di alimentazione. I cavi solo per l'alimentazione potrebbero effettivamente essere utili, ad esempio quando si adattano vecchie fabbriche che forniscono energia ovunque, ma non c'è spazio per cavi dati aggiuntivi.

Certamente, in futuro ci saranno molte più applicazioni wireless industriali e anche le reti mesh wireless troveranno le loro nicchie, ma è ovvio che le nuove tecnologie trovano la loro applicazione prima in ambienti personali anziché in ambienti industriali dove i problemi avranno conseguenze molto più grandi.

EDIT: Ho appena notato che l'IEEE ha cambiato il titolo dello standard IEEE 802.15.4 dallo standard IEEE per reti personali senza fili a bassa velocità (WPAN) a standard IEEE per reti wireless a bassa velocità secondo questo foglio di correzione pubblicato lo scorso anno. La ragione di ciò era probabilmente che "personale" non si adatta più allo standard, come ho affermato sopra.

Se consideri che Internet è una sorta di rete mesh, dovresti vedere la tua risposta in termini più ampi.

Chiedere a una rete mesh specifica che eventuali problemi di scalabilità sia leggermente diverso. Vi è ampio spazio per progettare un protocollo di rete modificato per affrontare un'implementazione specifica, con il giusto tipo di ottimizzazioni.

Ad un certo punto, potresti anche considerare se l'approccio mesh è il migliore, o forse un approccio ibrido ha un certo valore.

I fattori da considerare sono:

• Requisiti di latenza (relativi al numero di salti)
• Larghezza di banda della rete incrociata (ad es. La quantità di traffico che attraversa da una metà all'altra, invece di parlare solo con un vicino). La saturazione dei nodi chiave potrebbe essere un fattore limitante.
• Struttura di distribuzione. Se hai nodi distribuiti regolarmente (ad esempio sui lampioni), questo è diverso da una distribuzione con aree sparse.

Sembra che l'esempio che descrivi dovrebbe ridimensionarsi a un condominio. Ogni secondo non dovrebbe vedere più di una manciata di transazioni di dati. Potrebbe ridimensionarsi a pochi isolati, ma non una strada o una città. Provare un'architettura su scala di milioni di dispositivi o transazioni è difficile.