Przepustowość sieci MeshCom – ile ruchu może obsłużyć sieć?

MeshCom jest siecią radiową przeznaczoną przede wszystkim do krótkich wiadomości tekstowych, komunikacji awaryjnej i wymiany informacji między użytkownikami. Dzięki technologii mesh wiadomość może być przekazywana przez kolejne węzły, zwiększając zasięg łączności.

Jednocześnie wszystkie urządzenia korzystające z tego samego kanału radiowego muszą dzielić się czasem antenowym. Dlatego przepustowość MeshCom zależy nie tylko od liczby użytkowników, ale przede wszystkim od ilości generowanego ruchu, liczby retransmisji i wzajemnego zasięgu węzłów.

MeshCom nie ma jednej określonej liczby użytkowników, po której sieć przestaje działać. O jej wydajności decyduje przede wszystkim zajętość kanału radiowego, czyli airtime.

1. Od czego zależy przepustowość MeshCom?

Na przepustowość sieci wpływają przede wszystkim:

liczba wiadomości wysyłanych przez użytkowników,
długość wiadomości,
liczba retransmisji w sieci mesh,
liczba węzłów znajdujących się wzajemnie w swoim zasięgu,
częstotliwość wysyłania pozycji, telemetrii i innych danych automatycznych,
liczba wiadomości kierowanych do całej sieci,
kolizje transmisji radiowych.

W praktyce oznacza to, że 100 użytkowników wysyłających sporadycznie krótkie wiadomości może obciążać sieć mniej niż 20 użytkowników generujących ciągłą telemetrię i częste transmisje automatyczne.

2. Jeden kanał radiowy – wspólny zasób całej sieci

MeshCom korzysta z technologii LoRa. W konfiguracji EU433 stosowanej w projekcie MeshCom wykorzystywana jest częstotliwość 433,175 MHz.

Węzły znajdujące się wzajemnie w zasięgu radiowym korzystają ze wspólnego kanału. Mesh nie tworzy automatycznie osobnego kanału dla każdego użytkownika.

Każda transmisja zajmuje więc pewien czas antenowy. W tym czasie inne urządzenia znajdujące się w tym samym obszarze mogą nie być w stanie skutecznie nadać lub odebrać kolejnej wiadomości.

Ten czas zajęcia kanału określa się jako airtime.

Dlaczego airtime jest tak ważny?

Przykładowo:

Użytkownik A ──→ Węzeł B

Jedna wiadomość oznacza jedną transmisję radiową.

Jeżeli jednak wiadomość musi przejść przez kolejne węzły:

Użytkownik A
     ↓
  Węzeł B
     ↓
  Węzeł C
     ↓
  Węzeł D

ta sama informacja może zostać nadana kilka razy.

Każda retransmisja zajmuje kolejny fragment wspólnego czasu antenowego.

3. Ile czasu zajmuje transmisja?

W konfiguracji LoRa SF11 / BW 250 kHz / CR 4/6 duży pakiet może zajmować kanał przez około 1,8 sekundy.

Jest to wartość orientacyjna dla dużej ramki i nie oznacza rzeczywistej przepustowości użytkowej całej sieci. Na całkowity czas wpływają również nagłówki, preambuła, odstępy między transmisjami, retransmisje i ewentualne ponowienia.

Dla zobrazowania skali:

Średnie zajęcie kanału	Czas zajęcia w ciągu godziny	Orientacyjna liczba dużych transmisji
1%	36 s	około 20
5%	180 s	około 98
10%	360 s	około 196
20%	720 s	około 392
50%	1800 s	około 980
100%	3600 s	około 1960

Są to wartości poglądowe, a nie oficjalne limity MeshCom.

Pokazują jednak, dlaczego nawet pozornie niewielka liczba transmisji może mieć znaczenie dla sieci pracującej na jednym kanale.

4. Wiadomość użytkownika a liczba transmisji radiowych

Jedna wiadomość użytkownika nie zawsze oznacza jedną transmisję.

Przykładowo:

A → B

to jedna transmisja.

Natomiast:

A → B → C → D → E

może oznaczać kilka transmisji tej samej wiadomości.

Jeżeli wiadomość wymaga średnio trzech transmisji, to:

100 wiadomości × 3 transmisje = 300 transmisji radiowych

Dlatego przy analizowaniu przepustowości należy liczyć nie tylko wiadomości użytkowników, ale również wszystkie transmisje radiowe wygenerowane przez sieć.

5. Dlaczego liczba węzłów nie określa przepustowości?

MeshCom jest siecią rozproszoną. Węzły znajdujące się daleko od siebie nie muszą konkurować o ten sam lokalny czas antenowy.

Przykładowo:

Sieć A – gęsta

20 węzłów znajduje się w jednym obszarze i większość z nich wzajemnie się słyszy.

Jedna wiadomość może być odebrana przez wiele urządzeń, a następnie powodować kolejne retransmisje.

Sieć B – rozproszona

100 węzłów działa na dużym obszarze, a każdy z nich słyszy tylko kilku sąsiadów.

Mimo większej liczby urządzeń sieć może działać sprawniej, ponieważ ruch jest rozłożony geograficznie.

O przepustowości lokalnej części MeshCom decyduje przede wszystkim liczba transmisji w obszarze wzajemnego słyszenia węzłów, a nie liczba wszystkich urządzeń zarejestrowanych w sieci.

6. Jak grupy rozmówne wpływają na przepustowość?

Grupy rozmówne są bardzo przydatne, ponieważ pozwalają kierować wiadomości do określonej grupy użytkowników. Mogą służyć na przykład do komunikacji:

ogólnej,
technicznej,
alarmowej,
regionalnej,
między operatorami sieci.

Jednak utworzenie grupy rozmównej samo w sobie nie zwiększa przepustowości radiowej.

Grupa jest przede wszystkim sposobem organizowania komunikacji. O tym, ile miejsca zajmie ona w eterze, decyduje sposób wysyłania wiadomości i ich dalszego przekazywania przez sieć.

Grupa rozmówna nie jest osobnym kanałem radiowym

Jeżeli kilka grup korzysta z tego samego kanału LoRa, to ich wiadomości nadal konkurują o ten sam czas antenowy.

Przykładowo:

Grupa 260   ──┐
              ├──→ Wspólny kanał radiowy
Grupa 2606  ──┤
              │
Grupa 26066 ──┘

Utworzenie trzech grup nie oznacza utworzenia trzech niezależnych kanałów.

Jeżeli wszystkie grupy generują ruch, suma tego ruchu obciąża wspólny kanał.

Grupa może ograniczać niepotrzebny ruch

Dobrze zaprojektowane grupy mogą jednak pośrednio poprawić wykorzystanie sieci.

Przykładowo:

Grupa 26066
Grupa 260099
Grupa 2606

Jeżeli wiadomość alarmowa na grupie 260099 jest kierowana tylko do tej grupy, nie ma potrzeby wysyłania jej jako komunikatu przeznaczonego dla wszystkich użytkowników.

W ten sposób grupy pomagają ograniczyć niepotrzebną komunikację i uporządkować ruch.

Grupa nie powinna oznaczać ciągłego nadawania

Największym problemem nie jest sama liczba grup, lecz liczba wiadomości wysyłanych w każdej z nich.

Przykładowo:

10 grup × 1 wiadomość na godzinę

to zupełnie inne obciążenie niż:

10 grup × 1 wiadomość na minutę

Dlatego przy projektowaniu sieci warto ustalić zasady:

krótkie wiadomości,
ograniczenie zbędnych komunikatów,
unikanie ciągłego nadawania,
osobne grupy dla różnych zastosowań,
ograniczenie automatycznej telemetrii,
wykorzystywanie grup alarmowych tylko do rzeczywistych ostrzeżeń.

Grupy a retransmisje

Jeżeli wiadomość grupowa jest przekazywana przez kolejne węzły, każda retransmisja zajmuje czas antenowy.

Przykładowo:

1 wiadomość grupowa
       ↓
4 retransmisje
       ↓
4 zajęcia kanału radiowego

Dlatego wiadomości grupowe, szczególnie kierowane do większej liczby użytkowników, powinny być krótkie i wysyłane tylko wtedy, gdy są potrzebne.

Grupy rozmówne pomagają organizować ruch, ale nie zastępują zarządzania przepustowością.

7. Co najbardziej może zapchać sieć?

Częste beaconowanie

Automatyczne wysyłanie pozycji, telemetrii i statusów może wygenerować znacznie więcej ruchu niż zwykła komunikacja tekstowa.

Przykładowo:

Pozycja co 30 sekund
Telemetria co 30 sekund
Status co minutę

przy większej liczbie urządzeń może powodować ciągłe zajmowanie kanału.

Dlatego w sieciach MeshCom zaleca się ograniczanie częstotliwości automatycznych transmisji.

Duża liczba retransmisji

Im więcej hopów i im więcej węzłów słyszy tę samą wiadomość, tym większy może być koszt jej przekazywania.

Dużo użytkowników w jednym obszarze radiowym

Gęsta sieć może generować więcej kolizji niż sieć rozproszona.

Długie wiadomości

Dłuższa wiadomość zajmuje kanał dłużej. Jeżeli jest dzielona na kilka pakietów, każdy z nich wymaga kolejnej transmisji.

Częste komunikaty grupowe

Grupy są przydatne, ale ich nadmierne wykorzystywanie może zwiększyć ruch w całej sieci.

8. Kolizje – dlaczego sieć może tracić pakiety?

LoRa jest systemem współdzielonego medium. Jeżeli dwa urządzenia nadają jednocześnie, może dojść do kolizji.

Przykładowo:

Node A ─────┐
            ├──→ Node X
Node B ─────┘

Jeżeli A i B nie słyszą siebie nawzajem, ale oba słyszą X, mogą nadać w tym samym czasie.

W rezultacie Node X może nie odebrać żadnej z wiadomości.

To oznacza, że sieć może zacząć tracić pakiety dużo wcześniej, zanim kanał osiągnie 100% teoretycznego zajęcia.

Dlatego przepustowość MeshCom nie jest wyłącznie kwestią prędkości transmisji. Bardzo ważne są również:

topologia sieci,
liczba retransmisji,
wzajemny zasięg węzłów,
kolizje,
częstotliwość nadawania.

9. Jakie są praktyczne granice obciążenia?

W dokumentacji twórców MeshCom nie znalazłem jednej oficjalnej wartości określającej maksymalną liczbę wiadomości na minutę lub maksymalną liczbę użytkowników.

Można jednak przyjąć orientacyjne poziomy obciążenia kanału:

Średnie zajęcie lokalnego kanału	Ocena projektowa
<5%	Bardzo komfortowy zakres pracy
5–10%	Nadal bezpieczny zakres dla sieci komunikacyjnej
10–20%	Coraz większe znaczenie mają topologia i kolizje
20–30%	Konieczne jest świadome zarządzanie ruchem
>30%	Możliwe wyraźne pogorszenie niezawodności
>50%	Należy traktować jako stan przeciążenia

Nie są to oficjalne limity MeshCom, lecz konserwatywne wartości projektowe wynikające z charakterystyki współdzielonego kanału radiowego.

10. Jak projektować sieć MeshCom do komunikacji awaryjnej?

W sieci przeznaczonej do komunikacji awaryjnej najważniejsza jest niezawodność dostarczania wiadomości, a nie maksymalna liczba transmisji.

Dlatego warto przyjąć następujące zasady:

Normalna praca

pozycja stała: rzadko, np. co 30 minut,
pozycja smart beaconing: tylko podczas zmiany pozycji
telemetria: co 30–60 minut,
informacje meteorologiczne: co 30–60 minut,
hydrologia: co 60 minut,
komunikacja użytkowników: krótkie wiadomości, bez zbędnego nadawania.

Alarm

Tutaj opiszę projekt który będzie wdrożony na terenie Powiatu Brzeg. Na dzień dzisiejszy system ten jest już wdrożony w sieci APRS i LoRa APRS na terenie powiatu.

Wodowskazy

Komunikat o przekroczeniu stanu ostrzegawczego/ alarmowego jest nadawany co godzinę na grupie 26009 z podaniem wartości wodowskazu i trendu (ilość cm na godzinę). Jeśli wskazanie będzie poniżej, to zostanie wysłany jednorazowy komunikat o braku zagrożenia.

Ostrzeżenia meteo

Trochę inne rozwiązanie dotyczy ostrzeżeń meteo. Jeśli pojawi się oficjalne ostrzeżenie dla powiatu, to system wyśle je na odpowiedniej grupie 26009. Informacja zawierać ma dane o rodzaju zagrożenia i jego stopniu. Przy każdej zmianie komunikatu zostanie wysłany zaktualizowany. A jeśli jest odwołany, zostanie przekazana informacja o braku zagrożeń.

11. Podsumowanie

MeshCom jest bardzo dobrym rozwiązaniem do:

krótkich wiadomości tekstowych,
komunikacji awaryjnej,
lokalnych informacji,
komunikatów grupowych,
wymiany informacji między użytkownikami,
ograniczonej telemetrii.

Nie jest natomiast przeznaczony do ciągłego przesyłania dużych ilości danych.

Największym zagrożeniem dla przepustowości MeshCom nie jest sama liczba użytkowników, lecz suma wszystkich transmisji radiowych generowanych przez sieć.

Dlatego przy projektowaniu sieci warto kontrolować przede wszystkim:

airtime + retransmisje + topologię + liczbę komunikatów grupowych.

To właśnie te czynniki decydują o tym, czy sieć będzie działała stabilnie przy małej, czy przy dużej liczbie użytkowników.