As redes de malha sem fio estão limitadas aos aplicativos PAN?

Lendo sobre o Zigbee, eu o vejo descrito como uma tecnologia para criar redes de área pessoal . Também li sobre o 6lowPAN, que parece surgir nas configurações de malha, consolidando a ideia, pelo menos em minha opinião, de que a malha é limitada aos aplicativos PAN.

Existe algo na rede em malha que a torna inerentemente limitadora em termos de tamanho da rede?

Como já tenho alguns gadgets de automação residencial usando o Zigbee, já sei que uma rede Zigbee é boa, pelo menos para uma rede sem fio do tamanho de um apartamento com dez a quinze nós.

Se eu estendesse minha rede Zigbee para, digamos, fornecer iluminação inteligente para um bloco de apartamentos de 100 apartamentos, começaria a sentir algumas limitações?

Essa é uma pergunta muito boa e, na verdade, meu atual tópico de pesquisa. Eu tento dar uma resposta adequada, mas concisa¹.

Vou focar minhas respostas em redes baseadas no padrão IEEE 802.15.4 (Zigbee e 6LoWPAN o usam como camada física e de enlace de dados), bem como em redes nas quais a maior parte do tráfego passa por um gateway comum. A maioria dos argumentos também vale para redes ponto a ponto, mas é mais difícil definir o que é uma rede (por exemplo, se seu vizinho e você usam dispositivos Zigbee).

_{Hop Espero poder preencher uma tese de doutorado inteira, respondendo à pergunta ;-)}

Existe algo na rede em malha que a torna inerentemente limitadora em termos de tamanho da rede?

Existem vários fatores que limitam a escalabilidade em redes de malha sem fio:

• Há apenas uma determinada quantidade de tráfego que pode ser manipulada por um único nó, e isso vale especialmente para o gateway. Portanto, em geral, se você dobrar o número de nós, todo dispositivo poderá transmitir no máximo metade do número de pacotes por tempo.
• Com mais nós em uma rede mesh, há mais chances de arranjos complexos que geram muitos problemas na camada de roteamento e na camada de link. Um exemplo é o problema do nó oculto que aumenta a probabilidade de sobreposição (e, portanto, falha) das transmissões.
• Quanto mais saltos um pacote tiver que levar ao seu destino, maior será a probabilidade de perda. Muito simplificado: se a probabilidade é de 99% de falha na transmissão de um pacote, a probabilidade é de 0,99 ^ h para h hops.
• Mais nós são mais difíceis de manter. Por exemplo, atualizar o software manualmente é adequado para 10 dispositivos, mas não para 1.000. Então você precisa de algum tipo de gerenciamento remoto de software.

Portanto, não há limite inerente ao tamanho da rede (exceto talvez o seu espaço de endereço ...), mas uma comunicação confiável se torna cada vez mais complexa e propensa a erros. Obviamente, a implantação de uma rede com milhares de nós deve ser possível se cada nó enviar apenas uma mensagem por dia. Mas uma rede de 1.000 nós em que cada nó envia muitas mensagens por segundo sobrecarrega o canal.

Dito isto, isso não torna as redes de malha sem fio per se piores do que qualquer outra tecnologia sem fio. As redes celulares podem servir apenas milhares de dispositivos, porque os provedores possuem uma grande quantidade do espectro sem fio, eles confundem a área com estações de base e apenas poucos dispositivos desejam se comunicar ao mesmo tempo². E as tecnologias LoRa certamente têm suas aplicações, mas nas redes altamente escaláveis ​​reivindicadas, o rendimento está longe do que uma rede em malha IEEE 802.15.4 pode oferecer.

E para tratar do seu comentário: Não, a distância total não é o problema real. De fato, a principal vantagem das redes mesh é que uma distância maior pode ser superada sem aumentar a potência ou reduzir a taxa de dados.

_{² Não quero dizer que as redes de celular são ruins, mas apenas que você não pode comparar a escalabilidade de uma implantação de celular em escala de cidade com uma rede de malha sem fio com um único gateway. (E vários gateways são possíveis.)}

As redes de malha sem fio estão limitadas aos aplicativos PAN?

A definição do termo PAN é bastante vaga, dependendo do contexto. Se a única distinção é um número baixo de nós, a resposta já é dada pela parte anterior. No entanto, como o nome indica, também pode significar "uma rede para interconectar dispositivos centralizados no espaço de trabalho de uma pessoa ( Wikipedia )". Portanto, essa pergunta tem outra dimensão, ou seja, se as redes de malha sem fio (de acordo com a IEEE 802.15.4) estão limitadas a aplicativos pessoais.

As redes de malha sem fio industriais são viáveis?

Eu estava contribuindo para um projeto de pesquisa que avaliava a viabilidade de uma rede de malha sem fio no contexto de uma usina de torre solar. E, tanto quanto posso dizer, o uso de uma rede de malha sem fio neste aplicativo é muito promissor. Embora não tenhamos tido a oportunidade de implantar uma rede muito grande, há outras implantações industriais muito promissoras, por exemplo

T O'donovan, J Brown, F Büsching, A Cardoso, J Cecilio, JD Ó, P Furtado, P Gil, A Jugel, WB Pöttner, et al., Sistema GINSENG para Monitoramento e Controle Sem Fio: Experiências de Design e Implantação. ACM Trans. Netw. 10 (1), 4: 1-4: 40 (2013).

Existem muitas razões para usar a tecnologia sem fio, mas você só precisa da conexão sem fio quando há movimento. Este é especialmente o caso de todos os tipos de veículos. Além disso, existe uma tendência atual de substituir as operadoras de cabo usando a tecnologia sem fio, mas isso é apenas um ponto a ponto de conexão, sem necessidade de malha.

Um segundo argumento pode ser uma consideração de custo: a implantação de cabos pode custar bastante, especialmente em ambientes externos; portanto, por exemplo, em usinas de torre solar, os dispositivos sem fio reduziriam realmente os custos de investimento (talvez muito), mesmo que não sejam necessários porque nenhuma mobilidade está envolvida. Isso pode ou não ser aplicável a outras aplicações industriais. Claramente, escolher o número certo de estações de base e, portanto, o tamanho e o desempenho de uma rede de malha única também é uma troca que envolve considerações de custo.

Então, por que existem tão poucas implantações de malha sem fio industrial?

Resposta curta: porque os cabos são ótimos e comprovados!

A princípio, encontrar aplicativos onde a tecnologia sem fio realmente brilha não é tão óbvio (consulte a última seção). Depois, há o aspecto energético: há aplicações em que a colheita de energia funciona muito bem (incluindo usinas de torre solar), mas, caso contrário, você precisa contar com baterias (que podem induzir altos custos de manutenção) ou cabos de energia. Apenas cabos de energia pode , na verdade também ser benéfico, por exemplo, quando reequipamento antigas fábricas que fornecem energia em todos os lugares, mas não há espaço para cabos de dados adicionais.

Certamente, no futuro, haverá muito mais aplicativos sem fio industriais e também redes de malha sem fio encontrarão seus nichos, mas é óbvio que as novas tecnologias encontram sua aplicação primeiro em ambientes pessoais, em vez de ambientes industriais, onde os problemas terão consequências muito maiores.

EDIT: Acabei de notar que o IEEE alterou o título do padrão IEEE 802.15.4 de IEEE Standard para redes de área pessoal sem fio de baixa taxa (WPANs) para IEEE Standard para redes sem fio de baixa taxa de acordo com esta folha de correção publicada no ano passado. A razão para isso foi provavelmente que "pessoal" não se encaixa mais no padrão, como argumentei acima.

Se você considera que a Internet é uma espécie de rede de malha, deverá ver sua resposta nos termos mais amplos.

Pedir é uma rede de malha específica , se houver problemas de escalabilidade, é um pouco diferente. Há muito escopo para arquitetar um protocolo de rede modificado para abordar uma implementação específica, com o tipo certo de otimizações.

Em algum momento, convém considerar se a abordagem de malha é a melhor, ou talvez uma abordagem híbrida tenha algum valor.

Os fatores a serem considerados são:

• Requisitos de latência (relacionados ao número de saltos)
• Largura de banda entre redes (por exemplo, quanto tráfego passa de uma metade para a outra, em vez de apenas conversar com um vizinho). A saturação dos nós principais pode ser um fator limitante.
• Estrutura de implantação. Se você possui nós distribuídos regularmente (por exemplo, nos postes), isso é diferente de uma distribuição que possui áreas esparsas.

Parece que o exemplo que você descreve deve ser dimensionado para um bloco de apartamentos. Um segundo não deve ver mais do que um punhado de transações de dados. Pode chegar a alguns quarteirões, mas não a uma rua ou cidade. Provar uma arquitetura na escala de milhões de dispositivos ou transações é difícil.