VSATリンクを介して上流に接続された有線-無線メッシュネットワークの可能な構成を示す図(クリックして拡大)無線メッシュネットワーク(WMN)は、メッシュトポロジーに構成された無線ノードで構成される通信ネットワークです。無線アドホックネットワークの一種でもあります。[ 1 ]
メッシュとは、デバイスまたはノード間の高度な相互接続を指します。ワイヤレスメッシュネットワークは、通常、メッシュクライアント、メッシュルーター、ゲートウェイで構成されます。ノードの移動頻度は低くなります。ノードが常にまたは頻繁に移動すると、メッシュはデータの配信よりもルートの更新に多くの時間を費やします。ワイヤレスメッシュネットワークでは、トポロジはより静的になる傾向があるため、ルート計算が収束し、データが宛先に配信されます。したがって、これは移動性の低い集中型のワイヤレスアドホックネットワークです。また、静的ノードがゲートウェイとして機能する場合があるため、真に完全なワイヤレスアドホックネットワークではありません。
メッシュ クライアントは、多くの場合、ラップトップ、携帯電話、その他のワイヤレス デバイスです。メッシュ ルータは、インターネットに接続されているかどうかに関係なく、ゲートウェイとの間でトラフィックを転送します。単一のネットワークとして機能するすべての無線ノードのカバレッジ エリアは、メッシュ クラウドと呼ばれることもあります。このメッシュ クラウドへのアクセスは、連携して無線ネットワークを作成する無線ノードに依存します。メッシュ ネットワークは信頼性が高く、冗長性を提供します。1 つのノードが動作できなくなっても、残りのノードは直接または 1 つ以上の中間ノードを介して相互に通信できます。ワイヤレス メッシュ ネットワークは、自己形成および自己修復が可能です。ワイヤレス メッシュ ネットワークは、802.11、802.15、802.16、セルラー テクノロジーなどのさまざまなワイヤレス テクノロジーで動作し、 1つのテクノロジーやプロトコルに限定される必要はありません。
歴史
無線メッシュネットワークはもともと軍事用途向けに開発されたもので、各ノードが他のすべてのノードのルーターとして動的に機能する仕組みです。これにより、一部のノードに障害が発生した場合でも、残りのノードは相互に通信を継続し、必要に応じて他のノードのアップリンクとして機能することができます。
初期の無線メッシュネットワークノードは、単一の半二重無線を搭載しており、同時に送信または受信を行うことはできませんでした。これに伴い、共有メッシュネットワークが開発されました。その後、上流ノードからのパケット受信と下流ノードへのパケット送信を同時に(異なる周波数または異なるCDMAチャネルで)行うことができる、より複雑な無線ハードウェアが登場しました。これにより、スイッチ型メッシュネットワークの開発が可能になりました。無線のサイズ、コスト、および電力要件がさらに低下するにつれて、ノードはコスト効率の高い方法で複数の無線を搭載できるようになりました。これにより、各無線が異なる機能を処理できるようになりました。例えば、1つの無線をクライアントアクセス用、もう1つの無線をバックホールサービス用などです。
この分野の研究は、資源の割り当てやパケットのルーティング戦略を分析するためのゲーム理論手法の使用によって促進されてきた。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
特徴
建築
ワイヤレスメッシュアーキテクチャは、特定のカバレッジエリアにおいてコスト効率に優れ、移動性が低いネットワークを実現するための第一歩です。ワイヤレスメッシュインフラストラクチャは、実質的には、ノード間のケーブル配線を除いたルーターネットワークです。従来のWLANアクセスポイント(AP)のように有線ポートにケーブル接続する必要のない、ピア無線デバイスで構築されます。メッシュインフラストラクチャは、長距離データを複数の短いホップに分割することで伝送します。中間ノードは信号を増幅するだけでなく、ネットワークに関する知識に基づいて転送先を決定することで、A地点からB地点へデータを協調的に転送します。つまり、まずネットワークのトポロジを導出してルーティングを実行します。
無線メッシュネットワークは、ノードの偶発的な障害や新規ノードの追加を除けば、比較的「安定したトポロジ」のネットワークです。多数のエンドユーザーから集約されたトラフィックの経路は、ほとんど変化しません。インフラストラクチャメッシュネットワークでは、実質的にすべてのトラフィックがゲートウェイとの間で転送されますが、無線アドホックネットワークやクライアントメッシュネットワークでは、トラフィックは任意のノードペア間で流れます。[ 5 ]
ノード間の移動率が高い場合、つまりリンクの切断が頻繁に発生する場合、無線メッシュネットワークは故障し始め、通信性能が低下します。[ 6 ]
管理
このタイプのインフラストラクチャは、分散型(中央サーバーなし)または集中管理型(中央サーバーあり)にすることができます。[ 7 ]どちらも比較的安価で、各ノードは次のノードまでしか送信する必要がないため、非常に信頼性が高く、回復力があります。ノードはルーターとして機能し、近くのノードから1ホップでは到達できないほど遠くにあるピアにデータを送信します。これにより、より長い距離にまたがるネットワークが実現します。メッシュネットワークのトポロジーは比較的安定している必要があります。つまり、あまりモビリティが高くないということです。ハードウェア障害などの理由で1つのノードがネットワークから外れた場合、近隣のノードはルーティングプロトコルを使用してすぐに別のルートを見つけることができます。
アプリケーション
メッシュネットワークは、固定デバイスまたはモバイルデバイスのいずれかを対象とすることができます。ソリューションは通信ニーズに応じて多様であり、例えば、緊急事態、トンネル、石油掘削装置、戦場監視、公共交通機関における高速モバイルビデオアプリケーション、リアルタイムのレーシングカーテレメトリ、コミュニティ向けの自己組織化インターネットアクセスなど、困難な環境において利用可能です。[ 8 ]無線メッシュネットワークの重要な応用例としてVoIPが挙げられます。QoS(Quality of Service)スキームを用いることで、無線メッシュはメッシュを介したローカル電話のルーティングをサポートできます。無線メッシュネットワークのほとんどの応用は、無線アドホックネットワークの応用と類似しています。
現在のアプリケーションの一部:
手術
原理は、有線インターネット上でパケットが移動する仕組みに似ています。データはデバイス間を移動し、最終的に宛先に到達します。各デバイスに実装されている動的ルーティングアルゴリズムが、この仕組みを実現しています。このような動的ルーティングプロトコルを実装するには、各デバイスがネットワーク内の他のデバイスにルーティング情報を伝達する必要があります。各デバイスは受信したデータを、プロトコルに応じて次のデバイスに渡すか保持するかを決定します。使用されるルーティングアルゴリズムは、データが常に最適な(最速の)経路で宛先に到達するようにする必要があります。
マルチ無線メッシュ
マルチ無線メッシュとは、メッシュ内のノードを相互接続するために、異なる周波数で動作する異なる無線を使用することを指します。これは、各無線ホップに固有の周波数が使用され、専用のCSMA衝突ドメインが確保されることを意味します。無線帯域が増えると、利用可能な通信チャネルが増えるため、通信スループットが向上する可能性が高くなります。これは、データの送受信に2つ以上の無線パスを提供することに似ています。
研究テーマ
ワイヤレス メッシュ ネットワークに関して最も頻繁に引用される論文の 1 つでは、2005 年に次の領域が未解決の研究課題として特定されました。
- 新しい変調方式
- より高い伝送速度を実現するには、 OFDMやUWB以外の新しい広帯域伝送方式が必要です。
- 高度なアンテナ処理
- 指向性、スマート、マルチアンテナ技術を含む高度なアンテナ処理は、その複雑さとコストがまだ高すぎて広く商業化できないため、さらに調査されています。
- 柔軟なスペクトル管理
- 効率性を高めるために、周波数アジャイル技術の研究に多大な努力が払われています。
- クロスレイヤー最適化
- クロスレイヤ研究は、異なる通信レイヤ間で情報を共有することでネットワークの知識と現状を向上させる、現在注目されている研究テーマです。これにより、より効率的な新しいプロトコルの開発が促進される可能性があります。ルーティング、スケジューリング、チャネル割り当てなど、様々な設計上の問題に対処する共同プロトコルは、これらの問題が強く相互に関連しているため、より高いパフォーマンスを実現できます。[ 15 ]クロスレイヤ設計を不注意に行うと、保守や拡張が困難なコードが作成される可能性があることに注意してください。[ 16 ]
- ソフトウェア定義無線ネットワーク
- 集中型、分散型、それともハイブリッド型? - [ 17 ]では、経路情報のマルチホップフラッディングを不要とし、WMNの容易な拡張を可能にする、WMN向けの新しいSDNアーキテクチャが検討されています。鍵となるアイデアは、ネットワーク制御とデータ転送を2つの異なる周波数帯域を用いて分割することです。転送ノードとSDNコントローラは、一方の帯域でリンクステート情報やその他のネットワーク制御シグナリングを交換し、実際のデータ転送はもう一方の帯域で行われます。
- 安全
- WMNは、接続を提供するために協力するノード(クライアントまたはルーター)のグループと見なすことができます。クライアントがデータパケットを転送するルーターとして機能するこのようなオープンアーキテクチャは、ネットワーク全体を中断させ、サービス拒否(DoS)または分散型サービス拒否(DDoS)を引き起こす可能性のある多くの種類の攻撃にさらされています。[ 18 ]
例
世界中で、さまざまな時点で、 草の根プロジェクトとして数多くの無線コミュニティ ネットワークが開始されてきました。
その他のプロジェクト(多くの場合、独自のものや単一の機関に結びついているもの)には、次のようなものがあります。
プロトコル
ルーティングプロトコル
メッシュネットワーク上でパケットをルーティングするための競合する方式は70以上あります。その一部を以下に示します。
IEEEは、 802.11sというタイトルで一連の標準規格を開発しました。
より詳細なリストは、アドホック ルーティング プロトコルのリストに記載されています。
自動構成プロトコル
DHCPやIPv6 ステートレス自動構成などの標準自動構成プロトコルは、メッシュ ネットワーク上で使用できます。
メッシュ ネットワーク固有の自動構成プロトコルには次のものがあります。
- アドホック構成プロトコル (AHCP)
- プロアクティブ自動構成(プロアクティブ自動構成プロトコル)
- 動的 WMN 構成プロトコル (DWCP)
コミュニティとプロバイダー
参照
参考文献
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外部リンク