¿Las redes de malla inalámbricas están limitadas a aplicaciones PAN?

Al leer sobre Zigbee, lo veo descrito como una tecnología para crear redes de área personal . También he estado leyendo sobre 6lowPAN, que parece surgir en configuraciones de malla, consolidando la idea, al menos en mi mente, de que la malla se limita a las aplicaciones PAN.

¿Hay algo en la red de malla que la hace inherentemente limitante en términos de tamaño de red?

Como ya tengo algunos dispositivos de automatización del hogar que usan Zigbee, ya sé que una red Zigbee es buena, al menos para una red inalámbrica del tamaño de un departamento con diez a quince nodos.

Si extendiera mi red Zigbee para, por ejemplo, proporcionar iluminación inteligente para un bloque de 100 apartamentos, ¿comenzaría a sentir algunas limitaciones?

Esa es una muy buena pregunta y en realidad es mi tema de investigación actual. Intento dar una respuesta adecuada pero concisa¹.

Centraré mis respuestas en redes basadas en el estándar IEEE 802.15.4 (Zigbee y 6LoWPAN lo usan como capa de enlace físico y de datos), así como redes donde la mayoría del tráfico pasa a través de una puerta de enlace común. La mayoría de los argumentos también son válidos para las redes punto a punto, pero es más difícil definir qué es una red (por ejemplo, si su vecino y los dos usan dispositivos Zigbee).

_{¹ Espero poder completar una tesis doctoral completa respondiendo la pregunta ;-)}

¿Hay algo en la red de malla que la hace inherentemente limitante en términos de tamaño de red?

Hay varios factores que limitan la escalabilidad en las redes de malla inalámbricas:

• Solo hay una cantidad dada de tráfico que puede ser manejada por un solo nodo y esto se aplica especialmente a la puerta de enlace. Por lo tanto, en general, si duplica el número de nodos, cada dispositivo puede transmitir como máximo la mitad del número de paquetes por vez.
• Con más nodos en una red de malla, hay más posibilidades de arreglos complejos que generan muchos problemas en la capa de enrutamiento y la capa de enlace. Un ejemplo es el problema del nodo oculto que aumenta la probabilidad de transmisiones superpuestas (y por lo tanto fallidas).
• Cuantos más saltos tenga que llevar un paquete a su destino, mayor será la probabilidad de que se pierda. Muy simplificado: si la probabilidad es del 99% de que falle la transmisión de un paquete, la probabilidad es de 0.99 ^ h para h hops.
• Más nodos son más difíciles de mantener. Por ejemplo, actualizar el software manualmente está bien para 10 dispositivos, pero no para 1,000. Por lo tanto, necesita algún tipo de gestión remota de software.

Por lo tanto, no hay un límite inherente al tamaño de la red en sí (aparte de quizás su espacio de direcciones ...), pero una comunicación confiable se vuelve cada vez más compleja y propensa a errores. Por supuesto, la implementación de una red con miles de nodos debería ser posible si cada nodo solo envía un mensaje por día. Pero una red de 1,000 nodos donde cada nodo envía muchos mensajes por segundo sobrecargará el canal.

Dicho esto, esto no hace que las redes de malla inalámbricas en sí sean peores que cualquier otra tecnología inalámbrica. Las redes celulares solo pueden servir a miles de dispositivos porque los proveedores poseen una gran cantidad del espectro inalámbrico, saturan el área con estaciones base y solo unos pocos dispositivos desean comunicarse al mismo tiempo². Y las tecnologías LoRa ciertamente tienen sus aplicaciones, pero en las supuestas redes altamente escalables el rendimiento está lejos de lo que puede ofrecer una red de malla IEEE 802.15.4.

Y para abordar su comentario: No, la distancia total no es el problema real. De hecho, la principal ventaja de las redes de malla es que se puede salvar una distancia mayor sin aumentar la potencia o reducir la velocidad de datos.

_{² No quiero decir que las redes celulares son malas, sino que no se puede comparar la escalabilidad de una implementación celular a escala de ciudad con una red de malla inalámbrica con una sola puerta de enlace. (Y son posibles múltiples puertas de enlace).}

¿Las redes de malla inalámbricas están limitadas a aplicaciones PAN?

La definición del término PAN es bastante difusa, dependiendo del contexto. Si la única distinción es un número bajo de nodos, la respuesta ya está dada por la parte anterior. Sin embargo, como su nombre indica, también puede significar "una red para interconectar dispositivos centrados en el espacio de trabajo de una persona individual ( Wikipedia )". Entonces, esta pregunta tiene otra dimensión, es decir, si las redes de malla inalámbricas (de acuerdo con IEEE 802.15.4) están limitadas a aplicaciones personales.

¿Son factibles las redes de malla inalámbricas industriales?

Estaba contribuyendo a un proyecto de investigación que evaluaba la viabilidad de una red de malla inalámbrica en el contexto de una planta de energía de torre solar. Y hasta donde puedo decir, usar una red de malla inalámbrica en esta aplicación es muy prometedor. Si bien no tuvimos la oportunidad de implementar una red muy grande, existen otras implementaciones industriales muy prometedoras, por ejemplo

T O'donovan, J Brown, F Büsching, A Cardoso, J Cecı́lio, JD Ó, P Furtado, P Gil, A Jugel, WB Pöttner, et al., El Sistema GINSENG para Monitoreo y Control Inalámbrico: Experiencias de Diseño e Implementación. ACM Trans. Senador Netw. 10 (1), 4: 1–4: 40 (2013).

Hay muchas razones para usar la tecnología inalámbrica, pero solo necesita conexión inalámbrica cuando hay movimiento involucrado. Este es especialmente el caso para todo tipo de vehículos. Además, existe una tendencia actual para reemplazar los operadores de cable mediante el uso de tecnología inalámbrica, pero eso es solo una conexión punto a punto, sin necesidad de malla.

Un segundo argumento puede ser una consideración de costos: el despliegue de cables puede ser bastante costoso, especialmente en exteriores, por lo que, por ejemplo, en las plantas de energía de torres solares, los dispositivos inalámbricos en realidad reducirían los costos de inversión (tal vez mucho) incluso si no es necesario porque No hay movilidad involucrada. Eso podría o no ser aplicable a otras aplicaciones industriales. Claramente, elegir el número correcto de estaciones base y, por lo tanto, el tamaño y el rendimiento de una red de malla única es una compensación que también implica consideraciones de costo.

Entonces, ¿por qué hay tan pocas implementaciones de malla inalámbrica industrial?

Respuesta corta: ¡porque los cables son excelentes y están bien probados!

Al principio, encontrar aplicaciones donde la tecnología inalámbrica realmente brilla no es tan obvio (ver la última sección). Luego está el aspecto de la energía: hay aplicaciones en las que la recolección de energía funciona muy bien (incluidas las plantas de energía de la torre solar), pero de lo contrario tiene que depender de las baterías (que pueden generar altos costos de mantenimiento) o cables de alimentación. Los cables solo para alimentación también podrían ser beneficiosos, por ejemplo, cuando se adaptan fábricas antiguas que proporcionan energía en todas partes, pero no hay espacio para cables de datos adicionales.

Ciertamente, en el futuro habrá muchas más aplicaciones inalámbricas industriales y también las redes de malla inalámbricas encontrarán sus nichos, pero es obvio que las nuevas tecnologías encuentran su aplicación primero en entornos personales en lugar de entornos industriales donde los problemas tendrán consecuencias mucho mayores.

EDITAR: Acabo de notar que el IEEE cambió el título del estándar IEEE 802.15.4 del Estándar IEEE para redes inalámbricas de área personal (WPAN) de baja velocidad al Estándar IEEE para redes inalámbricas de baja velocidad de acuerdo con esta hoja de corrección publicada el año pasado. La razón de esto fue probablemente que "personal" realmente ya no se ajusta al estándar como dije anteriormente.

Si considera que Internet es una red de malla, debería ver su respuesta en los términos más amplios.

Preguntar si una red de malla específica tiene problemas de escalabilidad es ligeramente diferente. Existe un amplio margen para diseñar un protocolo de red modificado para abordar una implementación específica, con el tipo correcto de optimizaciones.

En algún momento, es posible que también desee considerar si el enfoque de malla es el mejor, o tal vez un enfoque híbrido tiene algún valor.

Los factores a considerar son:

• Requisitos de latencia (relacionados con el número de saltos)
• Ancho de banda de red cruzada (por ejemplo, cuánto tráfico cruza de una mitad a otra, en lugar de simplemente hablar con un vecino). La saturación de los nodos clave podría ser un factor limitante.
• Estructura de despliegue. Si tiene nodos distribuidos regularmente (por ejemplo, en farolas), esto es diferente a una distribución que tiene áreas dispersas.

Parece que el ejemplo que describe debe escalar a un bloque de apartamentos. Un segundo no debería ver más que un puñado de transacciones de datos. Puede escalar a unas pocas cuadras, pero no a una calle o ciudad. Probar una arquitectura a la escala de millones de dispositivos o transacciones es difícil.