Jak gęstość węzłów wpływa na wydajność sieci MANET Mesh

Gęstość węzłów może sprawić, że MANET będzie odporny lub nieefektywny. Przy zbyt małej liczbie osiągalnych węzłów trasy stają się kruche, a partycje sieciowe są bardziej prawdopodobne; Układaj radia zbyt blisko siebie przy dużym natężeniu ruchu, a współdzielony czas antenowy, zakłócenia i narzuty na routing mogą zacząć pogarszać wydajność. Dla każdego, kto planuje W przypadku wdrożenia technologii Wireless Mesh Radio prawdziwym wyzwaniem jest znalezienie gęstości obsługującej niezawodne ścieżki z wieloma przeskokami bez tworzenia niepotrzebnej rywalizacji. Zrozumienie, w jaki sposób gęstość wpływa na dostarczanie pakietów, przepustowość, opóźnienia i stabilność trasy, ułatwia dopasowywanie rozmiaru i pozycjonowania węzłów do rzeczywistych warunków pracy.

 

Punkt, w którym więcej węzłów przestaje pomagać

Rzadkie sieci mają trudności z utrzymaniem użytecznych ścieżek

Rzadkie MANETy cierpią przede wszystkim z powodu osiągalności. Kiedy odległość między węzłami zbliża się do użytecznego zasięgu radiowego lub go przekracza, źródło może mieć tylko jeden możliwy przekaźnik w kierunku miejsca przeznaczenia — lub wcale. Ruch, maskowanie terenu, orientacja anteny lub tymczasowa przeszkoda mogą wówczas przerwać trasę i podzielić sieć na odłączone grupy.

Dodawanie węzłów często znacznie pomaga na tym etapie, ponieważ nowe przekaźniki wypełniają luki geograficzne i tworzą alternatywne ścieżki. Dostarczanie pakietów może zostać ulepszone, ponieważ sieć nie jest już zależna od pojedynczego łącza pośredniego, a naprawa tras wymaga większej liczby sąsiadujących kandydatów. Warunki o niskiej gęstości są szczególnie podatne na słabą łączność, a starannie rozmieszczone węzły bramy lub szkieletu mogą poprawić komunikację między oddzielnymi grupami.

Praktyczna lekcja dotycząca wdrożenia bezprzewodowego radia siatkowego jest taka, że ​​luki w zasięgu powinny zostać wyeliminowane, zanim głównym problemem stanie się pierwotna przepustowość sieci. W wielu przypadkach strategicznie rozmieszczony w powietrzu lub na wysokości przekaźnik zapewnia bardziej użyteczną łączność niż kilka dodatkowych węzłów umieszczonych na obszarze, który jest już dobrze pokryty.

Gęste sieci podlegają ograniczeniom czasu antenowego i zakłóceń

Po pewnym czasie dodatkowi sąsiedzi stwarzają inny problem. Węzły bezprzewodowe działające we współdzielonym widmie muszą konkurować o możliwości transmisji, a pakiety mogą wymagać retransmisji, gdy kolizje lub zakłócenia uniemożliwiają pomyślny odbiór. Więcej sąsiadów może również oznaczać więcej ogłoszeń o trasach, komunikatów o odkryciu, transmisji i innych wymian kontrolnych zajmujących to samo medium, co ruch aplikacji.

Gęsta sieć nie jest automatycznie przeciążona, ponieważ aktywność jest ważniejsza niż fizyczna bliskość. Pięćdziesiąt radiotelefonów wymieniających okazjonalnie dane telemetryczne może pozostawić niewykorzystaną znaczną część czasu antenowego, podczas gdy ta sama topologia obsługująca kilka strumieni wideo, ruch poleceń i częste aktualizacje tras może wywierać znacznie większe obciążenie na kanale. Udostępnianie łączy i zakłócenia ostatecznie ograniczają użyteczną przepustowość, jaką może uzyskać każdy aktywny węzeł.

Użyteczny obszar działania leży zatem pomiędzy dwoma skrajnościami. Sieć Wireless Mesh Radio potrzebuje wystarczającej liczby sąsiadów, aby utrzymać alternatywne trasy, ale dodawanie węzłów przestaje być pomocne, gdy nad dodatkową różnorodnością ścieżek przeważają konkurencja w zakresie częstotliwości radiowych, retransmisje i narzut związany z kontrolą. Przepustowość może być niska w rzadkich warunkach, ponieważ łączność jest słaba, a następnie ponownie spadać w bardzo gęstych i mocno obciążonych warunkach, gdy powtarzane transmisje zużywają więcej dostępnej przepustowości.

 

Jaki wpływ ma gęstość węzłów na wydajność sieci?

Dostarczanie pakietów poprawia się, gdy gęstość zwiększa prawdziwą różnorodność tras

Współczynnik dostarczania pakietów (PDR) mierzy, ile przesłanych pakietów aplikacji pomyślnie dotarło do miejsc docelowych. Umiarkowany wzrost gęstości węzłów może poprawić PDR, ponieważ routing zapewnia więcej sposobów na ominięcie poruszającego się, zablokowanego lub uszkodzonego łącza. Dwa lub trzy możliwe do wykorzystania przekaźniki są zwykle bardziej odporne niż topologia, w której jedno radio jest jedynym mostem pomiędzy dwiema częściami sieci.

Lokalizacja ma jednak większe znaczenie niż sama suma. Dziesięć radiotelefonów skupionych wokół jednego pojazdu może zwiększyć liczbę lokalnych sąsiadów bez poprawy łączności z odległą grupą. Mniejsza liczba dobrze rozproszonych węzłów Wireless Mesh Radio może zapewnić bardziej znaczącą różnorodność tras, gdy zajmują one pozycje zamykające rzeczywiste luki w zasięgu.

To rozróżnienie wyjaśnia również, dlaczego gęstości nie należy traktować wyłącznie jako węzłów na kilometr kwadratowy. Linki muszą mieć odpowiednią jakość, aby były przydatne operacyjnie. Sąsiad, który jest technicznie wykrywalny, ale bardzo niestabilny pod względem mobilności, zapewnia znacznie mniejszą odporność niż niezawodny przekaźnik umieszczony wzdłuż użytecznej trasy.

Przepustowość i opóźnienia mogą zmieniać się w przeciwnym kierunku

Lepsza osiągalność nie gwarantuje lepszej przepustowości aplikacji. Każda transmisja wieloskokowa zużywa zasoby radiowe, a przekazywanie tych samych danych przez kilka przeskoków wymaga wielokrotnego dostępu do medium bezprzewodowego. Kiedy kilka przepływów pokrywa się pod względem geograficznym, ich transmisje mogą konkurować o czas antenowy, mimo że łączność trasowana pozostaje doskonała.

Opóźnienie może wzrosnąć z podobnych powodów. Pakiety mogą dłużej czekać w kolejkach, wycofywać się przed dostępem do kanału lub być retransmitowane po nieudanych próbach dostarczenia. W miarę zwiększania się ruchu sieć Wireless Mesh Radio może pozostać w pełni połączona, podczas gdy indywidualni użytkownicy doświadczają niższej przepustowości, większych opóźnień lub większych zakłóceń.

Szczególnie ważna jest tutaj różnica między określoną szybkością transmisji danych PHY a przepustowością na poziomie aplikacji. Rzeczywista wydajność aplikacji jest ograniczana przez zachowanie wielokrotnego dostępu, obciążenie protokołu, retransmisje, zanikanie, zakłócenia, długość trasy i konkurencję w ruchu. Łącze zdolne do uzyskania dużej szybkości szczytowej w idealnych warunkach może zapewnić znacznie mniejszą użyteczną przepustowość po kilku przeskokach lub gdy aktywnych jest wiele pobliskich węzłów.

Narzut związany z routingiem rośnie wraz ze złożonością topologii

Routing również zużywa pojemność. W miarę wzrostu liczby sąsiadów MANET może mieć więcej informacji o topologii do utrzymania, więcej potencjalnych ścieżek do oceny i więcej komunikatów kontrolnych związanych z odkrywaniem tras lub konserwacją. Jeśli węzły poruszają się szybko, relacje te mogą ulec zmianie, zanim wcześniej poznane informacje pozostaną przydatne na długo.

Efekt zależy w dużej mierze od projektu routingu. Protokoły reaktywne tworzą trasy, gdy są potrzebne, podczas gdy podejścia proaktywne stale utrzymują więcej informacji o trasach; systemy adaptacyjne mogą przy wyborze ścieżek wykorzystywać dodatkowe dane wejściowe dotyczące łączy lub topologii. Nie ma zatem uniwersalnej liczby węzłów, przy której każda sieć Wireless Mesh Radio stanie się nieefektywna.

Narzut związany z kontrolą powinien być mierzony wraz z ruchem użytkowników, a nie traktowany jako osobne zagadnienie teoretyczne. Nadmierna sygnalizacja może zmniejszyć wydajność routingu danych, gdy pakiety sterujące i aplikacyjne korzystają z tego samego kanału o ograniczonej przepustowości. W związku z tym łączność, pojemność użytkowa i wydajność routingu należy przetestować jako osobne wyniki.

 

Dlaczego ta sama liczba węzłów może zachowywać się zupełnie inaczej

Efektywna gęstość zależy od zasięgu, rozmieszczenia i środowiska RF

Nazywanie 50-węzłowego MANET-u „gęstym” niewiele mówi inżynierowi bez opisu obszaru operacyjnego. Pięćdziesiąt węzłów na zwartym terenie przemysłowym może stworzyć dziesiątki nakładających się relacji sąsiedzkich, podczas gdy te same urządzenia radiowe rozmieszczone na wielu kilometrach kwadratowych mogą tworzyć rzadki łańcuch z wieloma przeskokami. Klastrowanie może jeszcze bardziej zwiększyć kontrast: jeden obszar może być zatłoczony, podczas gdy inny zawiera krytyczną lukę przekaźnikową.

Bardziej użyteczną koncepcją jest efektywna gęstość sąsiadów — liczba węzłów, z którymi radio może utrzymać użyteczne łącze w rzeczywistych warunkach pracy. Teren, budynki, propagacja NLOS, rozmieszczenie anten, moc nadawania, zakłócenia i wybór częstotliwości mogą zmienić tę wartość bez zmiany liczby rozmieszczonych urządzeń.

W tym miejscu planowanie sieci bezprzewodowej Mesh Radio różni się od liczenia kropek na mapie zasięgu. Dwa węzły oddzielone niewielką odległością mogą słabo się komunikować, gdy przeszkoda blokuje ścieżkę, natomiast podwyższony przekaźnik w większej odległości geometrycznej może zapewnić znacznie lepszą trasę. Nie należy zakładać, że gęstość fizyczna i efektywna gęstość RF są równoważne.

Mobilność i ruch decydują o tym, czy dodatkowi sąsiedzi są atutem

Mobilność wydłuża czas rozwiązywania problemu gęstości. Konwój pojazdów może utrzymywać dość przewidywalne względne odstępy, podczas gdy UAV przekraczające różne wysokości i kierunki mogą powodować szybkie pojawianie się i zanikanie relacji sąsiedzkich. Większa mobilność może zwiększyć liczbę zmian tras, awarie łączy i konieczność odzyskiwania danych, nawet jeśli całkowita liczba radiotelefonów pozostaje stała.

Gęstość ruchu stwarza kolejne rozróżnienie. Gęstość topologii opisuje, ilu istnieje potencjalnych sąsiadów radiowych; gęstość ruchu opisuje, ile z tych węzłów transmituje lub przekazuje znaczące ilości danych. Bezprzewodowe radio siatkowe przenoszące telemetrię świetlną stawia bardzo różne wymagania w zakresie współdzielonego czasu antenowego w przypadku jednego przesyłania jednoczesnych strumieni wideo.

Testowanie powinno zatem odtworzyć oczekiwany zestaw zastosowań. Ruch dowodzenia i kontroli może mieć stosunkowo niewielką przepustowość, ale być bardzo wrażliwy na opóźnienia, podczas gdy wideo może zużywać znacznie większą pojemność przez cały czas. Topologia, która dobrze radzi sobie w testach bezczynności lub przy niskiej przepustowości, może zachowywać się zupełnie inaczej, gdy jednocześnie wystąpi realistyczny ruch i mobilność.

 

Znalezienie praktycznego zakresu gęstości dla wdrożenia bezprzewodowego radia siatkowego

Planuj uwzględniając luki w zasięgu i przydatną liczbę sąsiadów

Planowanie sieci należy rozpocząć od wymagań geograficznych i aplikacji, a nie od dowolnej docelowej liczby węzłów. Celem jest utworzenie wystarczającej liczby niezawodnych połączeń sąsiadujących, aby zapewnić różnorodność tras, przy jednoczesnym zachowaniu przepustowości dla ruchu, który muszą obsługiwać te trasy. Praktyczny proces planowania bezprzewodowego radia siatkowego może składać się z sześciu kroków:

1. Zamapuj obszar operacyjny, oczekiwany ruch i prawdopodobną koncentrację węzłów.

2. Identyfikuj strefy NLOS, przeszkody terenowe i separację między radiotelefonami w najgorszym przypadku.

3. Oszacuj liczbę przydatnych sąsiadów w niekorzystnych – a nie tylko średnich – pozycjach.

4. Zidentyfikuj węzły, które mogą stać się krytycznymi przekaźnikami między grupami geograficznymi.

5. Dodaj oczekiwane jednoczesne obciążenie telemetrią, poleceniem, głosem lub wideo.

6. Zwiększaj lub zmieniaj położenie węzłów tylko wtedy, gdy dodają przydatne trasy, a nie głównie powiększają domeny rywalizacji.

Powstały projekt może wykorzystywać mniej radiotelefonów niż plan zakładający zasięg, ale każdy węzeł ma wyraźniejszą rolę w sieci. Tam, gdzie dwie grupy są od siebie oddzielone geograficznie, jeden odpowiednio umiejscowiony przekaźnik może być skuteczniejszy niż zwiększanie gęstości wewnątrz którejkolwiek grupy. Takie podejście ułatwia również testowanie przepustowości, ponieważ planiści mogą zidentyfikować, które przekaźniki mogą przenosić nieproporcjonalny ruch.

Dostosuj rzadkie wdrożenia pod kątem osiągalności

Rzadkie wdrożenia powinny priorytetowo traktować stabilne ścieżki. Umiejscowienie przekaźnika, położenie anteny, moc nadawania, częstotliwość robocza, przepustowość kanału i niezawodność łącza mogą określić, czy węzły tworzą ciągłą topologię z wieloma przeskokami. Zwiększanie gęstości to tylko jedna z kilku możliwych korekt.

Rodzina WDS MIMOmesh obejmuje serię MIMO-AB jako lekkie, powietrzne bezprzewodowe radio siatkowe do integracji UAV i strategicznie rozmieszczonych w powietrzu węzłów przekaźnikowych. Obydwa obsługują operacje MANET + MIMO, rozproszony routing dynamiczny i funkcję przekaźnika wieloskokowego. Węzły powietrzne i naziemne mogą zatem zajmować różne pozycje w ramach tej samej topologii sieci bezprzewodowej Mesh Radio, zamiast działać jedynie jako dodatkowe punkty końcowe.

Konfigurowalna przepustowość kanału, kontrola mocy transmisji, techniki MIMO, takie jak kształtowanie wiązki i różnorodność, wybór kanałów uwzględniający widmo i zdalne monitorowanie topologii zapewniają dodatkowe narzędzia do dostosowywania zachowania łącza. W rzadkiej sieci poprawa efektywnego zasięgu, wzmocnienie krytycznego łącza przekaźnikowego lub zmiana rozmieszczenia węzłów może przynieść większą wartość niż zwykłe dodanie większej liczby radiotelefonów.

Dostosuj gęste wdrożenia, aby zwiększyć efektywność czasu antenowego

Gęste wdrożenia wymagają odwrotnego nacisku. Gdy zasięg sąsiednich sieci jest już wystarczający, cel inżynieryjny przesuwa się w stronę zapobiegania zużywaniu użytecznej pojemności przez niepotrzebne transmisje i zbyt duże domeny rywalizacji. Wysoka moc nadawania nie jest automatycznie korzystna, jeśli powoduje, że więcej węzłów słyszy i konkuruje ze sobą, niż faktycznie wymaga tego projekt routingu.

Na szczególną uwagę zasługuje szerokość kanału, wykorzystanie częstotliwości, priorytetyzacja ruchu, zachowanie multiemisji i obciążenie przekaźnika. Gdy bezprzewodowe radio siatkowe przesyła zarówno wideo o dużej przepustowości, jak i dane sterujące wrażliwe na opóźnienia, kierowanie wszystkiego przez jeden wygodny przekaźnik może stworzyć lokalne wąskie gardło, nawet jeśli dostępnych jest wiele alternatywnych węzłów. Monitorowanie przepustowości węzła, jakości łącza, retransmisji i opóźnień może ujawnić te hotspoty wcześniej niż zagregowane dane dotyczące przepustowości sieci.

Funkcje takie jak konfigurowalna szerokość pasma, kontrola mocy nadawania, kształtowanie wiązki, zróżnicowanie przestrzenne i multipleksowanie, skanowanie widma, inteligentny wybór częstotliwości, adaptacyjne przeskakiwanie częstotliwości i dynamiczne routing z wieloma przeskokami mogą pomóc w zarządzaniu zmieniającymi się warunkami RF. Mogą rozszerzyć obszar operacyjny sieci Wireless Mesh Radio, ale nie usuwają podstawowego związku pomiędzy współdzielonym czasem antenowym a aktywnością węzła.

Żadna pojedyncza liczba „idealnych węzłów na kilometr kwadratowy” nie ma zastosowania w sieciach MANET. Sieci o tej samej liczbie węzłów mogą zapewniać różną przepustowość, dostarczanie pakietów i opóźnienia w zależności od zachowania routingu, topologii, mobilności, warunków kanału i oferowanego ruchu. Walidacja w terenie powinna zatem obejmować zarówno najrzadszą oczekiwaną topologię, jak i najbardziej skoncentrowany stan o dużym natężeniu ruchu.

 

Wniosek

Gęstość węzłów należy traktować jako równowagę między łącznością a wydajnością współdzielonego kanału, a nie jako prosty miernik „więcej znaczy lepiej”. Niezawodna wydajność MANET zależy od przydatnych relacji sąsiedzkich, rozmieszczenia węzłów, mobilności, obciążenia ruchem i dostępnego czasu antenowego. Testowanie zarówno warunków rzadkich, jak i mocno obciążonych pomaga określić praktyczny zakres gęstości przed wdrożeniem.

Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. dostarcza rozwiązania bezprzewodowego radia siatkowego MIMOmesh do zastosowań w samolotach, pojazdach i innych sieciach mobilnych. Opcje te umożliwiają elastyczne rozmieszczenie przekaźników i łączność typu multi-hop podczas budowania sieci MANET w oparciu o rzeczywisty zasięg i wymagania dotyczące ruchu.

 

Często zadawane pytania

P: Czy dodanie większej liczby węzłów zawsze poprawia wydajność MANET?

O: Nie. Dodatkowe węzły mogą poprawić zasięg i redundancję tras, ale nadmierna gęstość może zwiększyć zakłócenia, rywalizację między kanałami, obciążenie routingu, retransmisje i opóźnienia.

P: Jaka jest idealna gęstość węzłów dla MANET?

O: Nie ma wartości uniwersalnej. Odpowiednia gęstość zależy od obszaru pokrycia, zasięgu radiowego, mobilności, terenu, natężenia ruchu, zachowania routingu i wymaganej odporności sieci.

P: W jaki sposób gęstość węzłów wpływa na przepustowość sieci bezprzewodowej Mesh Radio?

Odp.: Umiarkowana gęstość może poprawić łączność poprzez zapewnienie alternatywnych ścieżek. Przy wyższych gęstościach aktywnych konkurencyjne transmisje i przekazywanie z wieloma przeskokami mogą zmniejszyć dostępny czas antenowy i przepustowość na węzeł.

P: Dlaczego rzadki MANET może utracić łączność?

Odp.: W rzadkich sieciach może brakować wystarczającej liczby węzłów pośrednich, aby utrzymać ciągłe trasy z wieloma przeskokami. Ruch lub zablokowanie krytycznego przekaźnika może następnie odizolować węzły lub podzielić sieć.

P: W jaki sposób mobilność zmienia wpływ gęstości węzłów?

O: Mobilność nieustannie zmienia relacje sąsiedzkie i dostępne trasy. Większa gęstość może zapewnić ścieżki zapasowe, ale częste zmiany topologii mogą również zwiększyć ruch związany z utrzymaniem tras i kontrolą.