Apakah jaringan mesh nirkabel terbatas pada aplikasi PAN?

Membaca tentang Zigbee, saya melihatnya digambarkan sebagai teknologi untuk membuat jaringan area pribadi . Saya juga telah membaca tentang 6lowPAN, yang tampaknya muncul dalam pengaturan mesh, memperkuat ide, setidaknya dalam pikiran saya, mesh itu terbatas pada aplikasi PAN.

Apakah ada sesuatu tentang jaringan mesh yang membuatnya secara inheren membatasi dalam hal ukuran jaringan?

Karena saya sudah memiliki beberapa perangkat otomasi rumah menggunakan Zigbee, saya sudah tahu bahwa jaringan Zigbee setidaknya baik untuk jaringan nirkabel berukuran apartemen dengan sepuluh hingga lima belas node.

Jika saya memperluas jaringan Zigbee saya untuk, katakanlah, memberikan pencahayaan cerdas untuk 100 apartemen, apakah saya akan mulai merasakan beberapa batasan?

Itu adalah pertanyaan yang sangat bagus dan sebenarnya topik penelitian saya saat ini. Saya mencoba memberikan jawaban yang memadai tetapi ringkas¹.

Saya akan memfokuskan jawaban saya ke jaringan berdasarkan standar IEEE 802.15.4 (Zigbee dan 6LoWPAN keduanya menggunakannya sebagai lapisan tautan fisik dan data) serta jaringan di mana sebagian besar lalu lintas melewati gateway umum. Sebagian besar argumen juga berlaku untuk jaringan peer-to-peer, tetapi lebih sulit untuk mendefinisikan apa itu jaringan (misalnya jika tetangga Anda dan Anda berdua menggunakan perangkat Zigbee).

_{¹ Semoga saya dapat mengisi seluruh tesis PhD dengan menjawab pertanyaan ;-)}

Apakah ada sesuatu tentang jaringan mesh yang membuatnya secara inheren membatasi dalam hal ukuran jaringan?

Ada beberapa faktor yang membatasi skalabilitas dalam jaringan mesh nirkabel:

• Hanya ada jumlah lalu lintas tertentu yang dapat ditangani oleh satu node dan ini terutama berlaku untuk gateway. Jadi, secara umum, jika Anda menggandakan jumlah node, setiap perangkat paling banyak dapat mengirimkan setengah dari jumlah paket per waktu.
• Dengan lebih banyak node dalam jaringan mesh, ada lebih banyak kesempatan untuk pengaturan kompleks yang menghasilkan banyak masalah di lapisan rute dan lapisan tautan. Salah satu contoh adalah masalah simpul tersembunyi yang meningkatkan kemungkinan transmisi yang tumpang tindih (dan karenanya gagal).
• Semakin banyak paket yang harus dibawa ke tujuannya, semakin tinggi pula probabilitasnya. Sangat disederhanakan: Jika probabilitasnya adalah 99% bahwa pengiriman paket gagal, probabilitasnya adalah 0,99 ^ jam untuk hop.
• Lebih banyak node lebih sulit untuk dipelihara. Misalnya, memperbarui perangkat lunak secara manual adalah OK untuk 10 perangkat, tetapi tidak untuk 1.000. Jadi Anda memerlukan semacam manajemen perangkat lunak jarak jauh.

Jadi tidak ada batasan yang melekat pada ukuran jaringan itu sendiri (terlepas dari mungkin ruang alamat Anda ...), tetapi komunikasi yang andal semakin kompleks dan rawan kesalahan. Tentu saja, menyebarkan jaringan dengan ribuan node harus dimungkinkan jika setiap node hanya mengirim satu pesan per hari. Tetapi jaringan 1.000 node di mana setiap node mengirim banyak pesan per detik akan membebani saluran terlalu banyak.

Yang mengatakan, ini tidak membuat jaringan mesh nirkabel per se lebih buruk daripada teknologi nirkabel lainnya. Jaringan seluler hanya dapat melayani ribuan perangkat karena penyedia memiliki sejumlah besar spektrum nirkabel, mereka mengacaukan area dengan pangkalan dan hanya beberapa perangkat yang ingin berkomunikasi pada waktu yang sama². Dan teknologi LoRa tentu memiliki aplikasi mereka, tetapi dalam jaringan yang diklaim sangat skalabel, throughputnya jauh dari apa yang dapat diberikan oleh jaringan mesh IEEE 802.15.4.

Dan untuk menjawab komentar Anda: Tidak, jarak keseluruhan bukanlah masalah sebenarnya. Bahkan, keuntungan utama dari jaringan mesh adalah jarak yang lebih besar dapat dijembatani tanpa meningkatkan daya atau mengurangi laju data.

_{² Saya tidak ingin mengatakan bahwa jaringan seluler buruk, tetapi hanya bahwa Anda tidak dapat membandingkan skalabilitas penyebaran seluler skala kota dengan jaringan mesh nirkabel dengan gateway tunggal. (Dan beberapa gateway dimungkinkan.)}

Apakah jaringan mesh nirkabel terbatas pada aplikasi PAN?

Definisi istilah PAN cukup kabur, tergantung pada konteksnya. Jika satu-satunya perbedaan adalah jumlah node yang rendah, jawabannya sudah diberikan oleh bagian sebelumnya. Namun, seperti namanya, itu juga bisa berarti "jaringan untuk menghubungkan perangkat yang berpusat pada ruang kerja seseorang ( Wikipedia )". Jadi pertanyaan ini memiliki dimensi lain, yaitu jika jaringan mesh nirkabel (sesuai dengan IEEE 802.15.4) dibatasi untuk aplikasi pribadi.

Apakah jaringan mesh nirkabel industri layak?

Saya berkontribusi pada proyek penelitian yang menilai kelayakan jaringan mesh nirkabel dalam konteks pembangkit listrik menara surya. Dan sejauh yang bisa saya katakan, menggunakan jaringan nirkabel di aplikasi ini sangat menjanjikan. Meskipun kami tidak memiliki kesempatan untuk menggunakan jaringan yang sangat besar, ada beberapa penyebaran industri yang sangat menjanjikan, misalnya

T O'donovan, J Brown, F Büsching, A Cardoso, J Cecı́lio, JD Ó, P Furtado, P Gil, A Jugel, WB Pöttner, dkk., Sistem GINSENG untuk Pemantauan dan Kontrol Nirkabel: Desain dan Pengalaman Penempatan. ACM Trans. Senator Netw. 10 (1), 4: 1–4: 40 (2013).

Ada banyak alasan untuk menggunakan teknologi nirkabel, tetapi Anda hanya perlu nirkabel saat ada gerakan. Ini terutama berlaku untuk semua jenis kendaraan. Selain itu, ada tren saat ini untuk mengganti operator kabel dengan menggunakan teknologi nirkabel, tetapi itu hanya koneksi point to point, tidak perlu mesh.

Argumen kedua dapat menjadi pertimbangan biaya: Penyebaran kabel bisa sangat mahal biaya, terutama di luar ruangan, jadi misalnya di pembangkit listrik tenaga surya menara perangkat nirkabel benar-benar akan mengurangi biaya investasi (mungkin banyak) bahkan jika itu tidak diperlukan karena tidak ada mobilitas yang terlibat. Itu mungkin atau mungkin tidak berlaku untuk aplikasi industri lainnya. Jelas, memilih jumlah dasar yang tepat dan dengan demikian ukuran dan kinerja jaringan mesh tunggal merupakan trade-off yang melibatkan pertimbangan biaya juga.

Jadi, mengapa ada begitu sedikit penyebaran mesh nirkabel industri?

Jawaban singkat: Karena kabel bagus dan sudah terbukti!

Pada awalnya, menemukan aplikasi di mana teknologi nirkabel benar-benar bersinar tidak begitu jelas (lihat bagian terakhir). Lalu ada aspek energi: Ada yang aplikasi di mana energi panen bekerja sangat baik (termasuk pembangkit listrik tenaga surya menara), tapi jika tidak Anda harus bergantung pada baterai (yang mungkin menyebabkan biaya pemeliharaan yang tinggi) atau kabel listrik. Kabel hanya untuk daya mungkin sebenarnya juga bermanfaat, misalnya ketika perkuatan pabrik-pabrik tua yang menyediakan daya di mana-mana, tetapi tidak ada ruang untuk kabel data tambahan.

Tentu saja, di masa depan akan ada lebih banyak aplikasi nirkabel industri dan juga jaringan nirkabel akan menemukan celah mereka, tetapi jelas bahwa teknologi baru menemukan aplikasi mereka pertama kali di lingkungan pribadi daripada lingkungan industri di mana masalah akan memiliki konsekuensi yang jauh lebih besar.

EDIT: Saya hanya melihat bahwa IEEE mengubah judul IEEE 802.15.4 standar dari IEEE Standar untuk Area Networks Low-Rate Wireless Personal (WPANs) ke IEEE standar untuk Low-Rate Jaringan Nirkabel menurut lembar koreksi ini diterbitkan tahun lalu. Alasan untuk ini mungkin karena "pribadi" tidak benar-benar cocok dengan standar lagi seperti yang saya katakan di atas.

Jika Anda menganggap bahwa internet adalah semacam jaringan mesh, Anda harus melihat jawaban Anda dalam istilah yang luas.

Bertanya adalah jaringan mesh tertentu memiliki masalah skalabilitas yang sedikit berbeda. Ada banyak ruang untuk merancang protokol jaringan yang dimodifikasi untuk mengatasi implementasi tertentu, dengan jenis optimisasi yang tepat.

Pada titik tertentu, Anda mungkin juga ingin mempertimbangkan apakah pendekatan mesh yang terbaik, atau mungkin pendekatan hybrid memiliki nilai.

Faktor yang perlu dipertimbangkan adalah:

• Persyaratan latensi (terkait dengan jumlah hop)
• Bandwidth Lintas Jaringan (mis., Berapa banyak lalu lintas yang melintasi dari satu setengah ke yang lain, bukan hanya berbicara dengan tetangga). Kejenuhan simpul kunci mungkin menjadi faktor pembatas.
• Struktur penyebaran. Jika Anda memiliki node yang terdistribusi secara teratur (mis. Pada lampu jalan), ini berbeda dengan distribusi yang memiliki area yang jarang.

Rasanya contoh yang Anda gambarkan harus skala ke blok apartemen. Satu detik tidak akan melihat lebih dari beberapa transaksi data. Ini mungkin menskala ke beberapa blok, tetapi bukan jalan atau kota. Membuktikan arsitektur pada skala jutaan perangkat atau transaksi itu sulit.