MАNET технологии в России. Волновая сеть.
MАNET технологии в России. Волновая сеть®
Термины, определения, перспективы.
Следуя модным тенденциям, я обратился к искусственному интеллекту (ИИ) с вопросом:
«Что такое Волновая сеть?»
Был получен следующий ответ:
«Волновая сеть — это система, состоящая из узлов (например, точек доступа или роутеров), соединенных между собой коммуникационными каналами. Она предоставляет собой беспроводную связь и позволяет передавать данные и информацию между устройствами, подключенными к сети. Волновая сеть может использоваться для общения между компьютерами, мобильными устройствами, смарт-домами, умными городами и другими объектами Интернета вещей. Она способствует быстрой и эффективной передаче информации без необходимости проводных подключений».
«Что такое MANET?»
«MANET (Mobile Ad hoc Network) — это тип беспроводной сети, состоящей из мобильных устройств, таких как смартфоны, планшеты или ноутбуки, которые могут коммуницировать друг с другом без прямого доступа к централизованной инфраструктуре или базовой станции. В MANET каждое устройство работает как источник сигнала и ретранслятор для других устройств в сети, создавая таким образом автономную сеть. MANET часто используется военными, экстренными службами или в тех случаях, когда нет доступа к сетевой инфраструктуре».
В целом ИИ дал верные формулировки, но не дал понимания. Поэтому попробуем обычным способом с помощью пальцев и клавиатуры дать набор определений необходимых для раскрытия заданной темы.
По мнению авторов алгоритма Волновая сеть лучшей иллюстрацией отображающей наглядно принцип MANET сетей является пример озера с корабликом (рис.1) Если в озеро бросить камешек и создать волну, то она наткнется на естественное препятствие кораблик, за которым образуется теневая зона. Если в стороне от кораблика находится спасательная шлюпка, то отраженные от нее волны заполнят теневую зону. Таким образом волна так или иначе пройдет по поверхности всего озера. Камень и шлюпка, по сути, есть абоненты MANET сети, корабль — препятствие, волны — информация, озеро — среда распространения. Чем больше спасательных шлюпок, тем больше препятствий возможно преодолеть методом отражения волны (ретрансляции информации). Можно «зайти» в лагуны, куда прямая волна не смогла бы добраться.
Устойчивость сети определяет избыточность, то есть значительное множество вариантов маршрутов прохождения информации. Повышение избыточности схематично на рис.1 можно изобразить увеличением количества спасательных шлюпок (увеличением количества абонентов MANET сети). Увеличивается количество вариантов прохождения информации. Это относится как к MANET, так и к Mesh сетям.
Варианты топологий MANET/Mesh сетей приведены на следующем рисунке. Вариант Один-на Один вырожденный для сетевых структур, но для корректности понимания должен быть учтен.
Если топологии одинаковы, чем отличаются Mesh и MANET сети? По моему глубокому убеждению, Mesh и MANET (мобильная ад-хок сеть) имеют значимые расхождения в сегменте внутренней организации информационного обмена. Хотелось бы внести в этот вопрос ясность.
Зафиксируем определения:
Mesh — это сети, в которых каждое устройство имеет возможность передавать данные другим устройствам в сети. Каждое устройство в Mesh-сети называется узлом, и они создают децентрализованную сеть, где каждый узел может связаться с любым другим узлом в пределах своей беспроводной области покрытия. Маршрутизация в Mesh-сети может быть как простой, так и сложной, в зависимости от алгоритмов маршрутизации. В Mesh-сети каждое устройство может быть подключено к каждому другому устройству в сети, создавая таким образом сеть, обладающую высокой отказоустойчивостью и распределенной архитектурой. Каждое устройство в Mesh-сети может выполнять функции маршрутизатора, перенаправляя данные и обеспечивая соединение между другими устройствами. Mesh-сети часто используются в беспроводных сетях, умных домашних устройствах, автомобильных сетях и системах безопасности.
MANET — это сети, в которых мобильные устройства образуют сеть без использования фиксированных инфраструктурных узлов. Устройства в MANET могут двигаться и изменять свою позицию в сети, поэтому маршрутизация в такой сети должна быть динамической и адаптивной к изменениям в сети. MANET может быть полностью беспроводной или содержать некоторые проводные соединения между узлами.
Таким образом, различие заключается в том, что Mesh-сети обычно создаются с фиксированными устройствами, которые имеют возможность передавать данные другим устройствам, в то время как MANET создаются с мобильными устройствами, которые могут передвигаться и изменять свою позицию в сети.
То есть в Mesh-сети есть необходимость синхронизации и маршрутизации. В MANET сетях этого не требуется.
В принципе вполне уместен тезис о том, что Mesh-сети есть частный случай (входящее множество) MANET сетей.
Требования о квитировании получения данных в Mesh-сетях приводит к построению архитектур со строгой конфигурацией. Такие сети жестко иерархичны и организовать при таком подходе структуру с большим количеством источников информации (абонентов) затруднительно. Необходим стохастический, случайный метод. В целом подходит методика UDP, где достоверность доставки информации определяется избыточностью системы. С этим хорошо справляются MANET сети.
Проведенный анализ открытых источников показал, что несмотря на огромную популярность mesh технологий, применение их в народном хозяйстве России оказалось не так значительно. Можно выделить кластер сбора данных с датчиков, технологии Умный дом с помощью технологий Wi-Fi mesh и Bluetooth mesh. В сфере профессионального радио выделить значимые примеры Mesh и MANET сетей в Российской Федерации не представляется возможным, кроме технологии Волновой сети, представленной линейкой оборудования Волновая сеть, Гранит.
Анализ применяемых радиосетей, например в сфере профессионального радио, показал, что сегодня в народном хозяйстве РФ представлено и активно развивается следующая триада технологий LTE, DMR, Волновая сеть.
Безусловно, LТЕ — это транспортная архитектура и широкие возможности по передачe данных, как следствие реализация технологии POC, pLTE. Преимущества и недостатки этих технологий не тема данной статьи, поэтому надо выделить главное — POC, pLTE — это неоперативное радио. Эти технологии не могут быть единственным решением для объектов критической инфраструктуры. Требуют значительных вложений в инфраструктуру, особенно в местах плохого распространения электромагнитного излучения (шахты, промышленные предприятия со сложной экранирующей архитектурой и т.д.). Возможно построение Mesh-сетей.
DMR — удобный цифровой стандарт профессионального радио. Обладает рядом несомненных достоинств. Но, как и для LTE построение сетей в сложных условиях с точки зрения распространения электромагнитных волн требует значительных затрат на инфраструктуру (излучающий кабель, ретрансляторы, подведение сети интернет). Серьезно ограниченные возможности построения Mesh и MANET сетей.
MANET радиосети имеют важную особенность — легкое и быстрое построение сложных систем (с разветвленной многоуровневой архитектурой). Несколько одномоментных разговоров на одном физическом канале. Нет необходимости формировать сложную и дорогостоящую инфраструктуру.
Один из примеров MANET технологии — система связи Волновая сеть.
Волновая сеть: проприетарный алгоритм для радиосети с множественным доступом в канал. Используется принцип СSMA (Carrier Sense Multiple Access). Принцип работы CSMA заключается в проверке наличия активности на среде передачи данных перед началом передачи. Если среда свободна, то устройство начинает передачу данных. Если среда занята, то устройство ожидает, пока среда освободится. Если несколько устройств одновременно замечают свободную среду и пытаются начать передачу, возникает конфликт и данные могут быть повреждены. Для решения этой проблемы в CSMA используются различные алгоритмы управления конфликтами, например, CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) в Ethernet. Для волновой сети это не критично, коллизии допускаются, за счет избыточности построения это не приведет к резкому ухудшению связи. Таким образом, асинхронный доступ с контролем несущей частоты позволяет устройствам передавать данные независимо друг от друга, но при этом контролировать качество связи посредством контроля несущей частоты. В Волновой сети устройства передают данные асинхронно, то есть без синхронизации с другими устройствами. Т.о. технология Волновая сеть использует множественный асинхронный доступ в радиоканал с контролем несущей частоты.
Общие особенности средств связи Волновая Сеть:
- CSMA;
- Диапазоны используемых частот 144-174MГц, 450-470 МГц, 868 МГц;
- Использование MANET технологий (mobile ad hoc network). Обеспечивается отечественными проприетарными протоколом;
- Отсутствие необходимости построения сложных инфраструктурных центров ;
- Децентрализация;
- Каждый абонент является ретранслятором;
- Каждый абонент увеличивает зону обслуживания;
- Легкое построение сложных (многоуровневых по иерархии) систем связи;
- Возможность дистанционного контроля и управления;
- Шифрование;
- Быстрая организация связи на заранее не подготовленных объектах и территориях;
- Работа в сложных объектах (метро, подземные парковки и т.д.);
- Возможность комплексирования с любыми сетями общего пользования для интеграции территориально разнесенных систем связи (Ethernet, спутник, GSM и т.д.);
- От 4 до 8 разговоров одномоментно на одном физическом канале;
- Малые габариты;
- Низкое энергопотребление;
- Количество активных абонентов на одном физическом канале – 1000;
- Количество независимых сетей - 255;
- Количество независимых логических групп – 200;
- Возможность обмена данными (например, текстовыми сообщениями, телеметрическими данными) помимо передачи голосовых сообщений.
Автор: Лексин Андрей Владимирович
Директор по развитию
ООО «ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ»