Les réseaux maillés sans fil sont-ils limités aux applications PAN?

En lisant sur Zigbee, je le vois décrit comme une technologie pour créer des réseaux personnels . J'ai également lu sur 6lowPAN, qui semble surgir dans les paramètres de maillage, cimentant l'idée, du moins dans mon esprit, que le maillage est limité aux applications PAN.

Y a-t-il quelque chose dans le réseau maillé qui le rend intrinsèquement limitant en termes de taille de réseau?

Étant donné que j'ai déjà des gadgets domotiques utilisant Zigbee, je sais déjà qu'un réseau Zigbee est bon au moins pour un réseau sans fil de taille appartement avec dix à quinze nœuds.

Si j'étendais mon réseau Zigbee pour, disons, fournir un éclairage intelligent pour un immeuble de 100 appartements, devrais-je commencer à ressentir certaines limitations?

C'est une très bonne question et en fait mon sujet de recherche actuel. J'essaie de donner une réponse adéquate mais concise¹.

Je vais concentrer mes réponses sur les réseaux basés sur la norme IEEE 802.15.4 (Zigbee et 6LoWPAN l'utilisent tous les deux comme couche de liaison physique et de données) ainsi que sur les réseaux où la plupart du trafic passe par une passerelle commune. La plupart des arguments valent également pour les réseaux peer-to-peer, mais il est plus difficile de définir ce qu'est un réseau (par exemple si votre voisin et vous utilisez tous les deux des appareils Zigbee).

_{¹ J'espère pouvoir répondre à une thèse entière en répondant à la question ;-)}

Y a-t-il quelque chose dans le réseau maillé qui le rend intrinsèquement limitant en termes de taille de réseau?

Plusieurs facteurs limitent l'évolutivité des réseaux maillés sans fil:

• Il n'y a qu'une quantité donnée de trafic qui peut être gérée par un seul nœud et cela vaut particulièrement pour la passerelle. Ainsi, en général, si vous doublez le nombre de nœuds, chaque appareil peut tout au plus transmettre la moitié du nombre de paquets à la fois.
• Avec plus de nœuds dans un réseau maillé, il y a plus de chances pour des arrangements complexes qui génèrent de nombreux problèmes dans la couche de routage et la couche de liaison. Un exemple est le problème des nœuds cachés qui augmente la probabilité de chevauchement (et donc d'échec) des transmissions.
• Plus un paquet doit effectuer de sauts vers sa destination, plus sa probabilité de perte est élevée. Beaucoup simplifié: si la probabilité est de 99% qu'une transmission de paquets échoue, la probabilité est de 0,99 ^ h pour les sauts.
• Plus de nœuds sont plus difficiles à maintenir. Par exemple, la mise à jour manuelle du logiciel est correcte pour 10 appareils, mais pas pour 1 000. Vous avez donc besoin d'une sorte de gestion de logiciels à distance.

Il n'y a donc pas de limite inhérente à la taille du réseau lui-même (à part peut-être votre espace d'adressage ...), mais une communication fiable devient de plus en plus complexe et sujette aux erreurs. Bien sûr, le déploiement d'un réseau avec des milliers de nœuds devrait être possible si chaque nœud n'envoie qu'un seul message par jour. Mais un réseau de 1 000 nœuds où chaque nœud envoie plusieurs messages par seconde surchargera le canal.

Cela dit, cela ne rend pas les réseaux maillés sans fil en soi pire que toute autre technologie sans fil. Les réseaux cellulaires ne peuvent desservir que des milliers d'appareils car les fournisseurs détiennent une grande partie du spectre sans fil, ils encombrent la zone avec des stations de base et seuls quelques appareils veulent communiquer en même temps². Et les technologies LoRa ont certainement leurs applications, mais dans les réseaux hautement évolutifs revendiqués, le débit est loin de ce qu'un réseau maillé IEEE 802.15.4 peut offrir.

Et pour répondre à votre commentaire: Non, la distance globale n'est pas le vrai problème. En fait, le principal avantage des réseaux maillés est qu'une plus grande distance peut être pontée sans augmenter la puissance ou réduire le débit de données.

_{² Je ne veux pas dire que les réseaux cellulaires sont mauvais, mais juste que vous ne pouvez pas comparer l'évolutivité d'un déploiement cellulaire à l'échelle d'une ville avec un réseau maillé sans fil avec une seule passerelle. (Et plusieurs passerelles sont possibles.)}

Les réseaux maillés sans fil sont-ils limités aux applications PAN?

La définition du terme PAN est assez floue, selon le contexte. Si la seule distinction est un faible nombre de nœuds, la réponse est déjà donnée par la partie précédente. Cependant, comme son nom l'indique, cela peut aussi signifier "un réseau d'interconnexion d'appareils centré sur l'espace de travail d'une personne ( Wikipedia )". Cette question a donc une autre dimension, à savoir si les réseaux maillés sans fil (selon IEEE 802.15.4) sont limités aux applications personnelles.

Les réseaux maillés sans fil industriels sont-ils réalisables?

Je contribuais à un projet de recherche qui a évalué la faisabilité d'un réseau maillé sans fil dans le contexte d'une centrale électrique à tour solaire. Et pour autant que je puisse dire, l'utilisation d'un réseau maillé sans fil dans cette application est très prometteuse. Si nous n'avons pas eu l'opportunité de déployer un très grand réseau, il existe d'autres déploiements industriels très prometteurs, par exemple

T O'donovan, J Brown, F Büsching, A Cardoso, J Cecı́lio, JD Ó, P Furtado, P Gil, A Jugel, WB Pöttner, et al., The GINSENG System for Wireless Monitoring and Control: Design and Deployment Experiences. ACM Trans. Le sénateur Netw. 10 (1), 4: 1–4: 40 (2013).

Il existe de nombreuses raisons d'utiliser la technologie sans fil, mais vous n'avez besoin du sans fil que lorsque le mouvement est impliqué. C'est particulièrement le cas pour toutes sortes de véhicules. En outre, il existe une tendance actuelle à remplacer les câblo-opérateurs en utilisant la technologie sans fil, mais ce n'est qu'une connexion point à point, pas besoin de maillage.

Un deuxième argument peut être une considération de coût: le déploiement de câbles peut être assez coûteux, en particulier à l'extérieur, donc par exemple dans les centrales électriques à tour solaire, les appareils sans fil réduiraient en fait les coûts d'investissement (peut-être beaucoup) même si ce n'est pas nécessaire parce que aucune mobilité n'est impliquée. Cela pourrait ou non s'appliquer à d'autres applications industrielles. De toute évidence, le choix du bon nombre de stations de base et donc de la taille et des performances d'un réseau maillé unique est un compromis qui implique également des considérations de coût.

Alors, pourquoi y a-t-il si peu de déploiements de maillage sans fil industriel?

Réponse courte: parce que les câbles sont excellents et éprouvés!

Au début, trouver des applications où la technologie sans fil brille vraiment n'est pas si évident (voir dernière section). Ensuite, il y a l'aspect énergétique: il y a des applications où la récupération d'énergie fonctionne très bien (y compris les centrales électriques à tour solaire), mais sinon, vous devez compter sur des batteries (qui pourraient entraîner des coûts de maintenance élevés) ou des câbles d'alimentation. Les câbles uniquement pour l'alimentation pourraient également être bénéfiques, par exemple lors de la rénovation d'anciennes usines qui fournissent de l'énergie partout, mais il n'y a pas de place pour des câbles de données supplémentaires.

Certes, à l'avenir, il y aura beaucoup plus d'applications sans fil industrielles et les réseaux maillés sans fil trouveront leurs créneaux, mais il est évident que les nouvelles technologies trouvent leur application d'abord dans des environnements personnels plutôt que dans des environnements industriels où les problèmes auront des conséquences beaucoup plus importantes.

EDIT: Je viens de remarquer que l'IEEE a changé le titre de la norme IEEE 802.15.4 de Norme IEEE pour les réseaux personnels sans fil à faible débit (WPAN) en Norme IEEE pour les réseaux sans fil à faible débit selon cette feuille de correction publiée l'année dernière. La raison en était probablement que "personnel" ne correspond plus vraiment à la norme comme je l'ai expliqué ci-dessus.

Si vous considérez qu'Internet est en quelque sorte un réseau maillé, vous devriez voir votre réponse dans les termes les plus larges.

Demander qu'un réseau maillé spécifique ait des problèmes d'évolutivité est légèrement différent. Il y a beaucoup de possibilités pour concevoir un protocole réseau modifié pour répondre à une implémentation spécifique, avec le bon type d'optimisations.

À un moment donné, vous voudrez peut-être également déterminer si l'approche maillée est la meilleure, ou peut-être qu'une approche hybride a une certaine valeur.

Les facteurs à considérer sont:

• Exigences de latence (liées au nombre de sauts)
• La largeur de bande du réseau croisé (par exemple, la quantité de trafic traversant d'une moitié à l'autre, au lieu de simplement parler à un voisin). La saturation des nœuds clés pourrait être un facteur limitant.
• Structure de déploiement. Si vous avez des nœuds régulièrement distribués (par exemple sur des réverbères), cela est différent d'une distribution qui a des zones clairsemées.

Il estime que l'exemple que vous décrivez devrait évoluer vers un immeuble. Une seconde ne devrait pas voir plus d'une poignée de transactions de données. Il peut s'agir de quelques pâtés de maisons, mais pas d'une rue ou d'une ville. Il est difficile de prouver une architecture à l'échelle de millions d'appareils ou de transactions.