Draadloze netwerk topologieën

    Vorige Volgende

    23-nov-2017 11:44:10 | Door ir. Chethan Shettar

    ir. Chethan Shettar

    blog chethan1.jpg

    Draadloze netwerk topologieën

    In Wireless Personal Area (WPA) netwerken, zijn meerdere topologieën mogelijk voor het vormen van een netwerk van draadloze nodes. De meest dominante topologie die gebruikt is een Ster-netwerk, maar tegenwoordig wordt het Mesh netwerk steeds populairder door een aantal opkomende standaarden. In deze blog bespreken we deze twee topologieën, hun voordelen, nadelen en toepassingen.

    Star-netwerk

    Een Ster-netwerk bestaat uit één centraal coördinerende node die is verbonden met omliggende nodes. Alle omliggende nodes kunnen alleen communiceren met het centrale punt en niet met elkaar. Het centrale punt kan communiceren met elk van de omliggende punten. Onderstaand figuur geeft een impressie van een Ster-netwerk.

     

    chethan.jpg

     

    Voordelen en toepassingen 

    • Eenvoudige installatie en configuratie - de complexiteit van het onderhouden van dit netwerk ligt in het centrale knooppunt, terwijl andere omliggende nodes zich alleen zorgen hoeven te maken over de communicatie met het gewenste centrale knooppunt. Dit maakt het opzetten en onderhouden van het netwerk zeer eenvoudig.
    • Energiezuinig - In deze topologie is het centrale knooppunt verantwoordelijk voor een efficiënte manier om te communiceren met alle omliggende nodes, waardoor de omliggende knooppunten energie-efficiënt kunnen worden. Hierdoor kan het draadloze apparaat een lange levensduur hebben, zelfs wanneer het heel klein is.  De centrale node heeft meestal beschikking tot een betere stroomvoorziening en processorkracht, zodat deze node het netwerk kan laten functioneren.

    Geschikte toepassingen

    De eenvoud van deze topologie zorgde voor veel populariteit in veel draadloze technologieën. We zien veel Ster-netwerken in ons dagelijks leven. Een smartphone die via Bluetooth verbinding maakt met meerdere apparaten, fungeert als een centrale coördinator, terwijl andere apparaten als randapparatuur fungeren. Een WiFi-router in een kamer kan worden gezien als centrale coördinator en de apparaten in een kamer die verbinding maken met de router fungeren als randapparatuur, dat wil zeggen dat alle WiFi-interacties van die apparaten plaatsvinden met de router. Deze topologie is perfect voor de volgende soorten toepassingen:

    • Wearables en medische apparaten - Deze apparaten moeten meestal op korte afstand communiceren met slechts één apparaat - mobiel of tablet. Meerdere wearables moeten tegelijkertijd functioneren en verbonden zijn met een bepaald mobiel / tablet. Dus een Ster-netwerk is hier ideaal. Dit is ook van toepassing op medische apparaten die vaak de condities van het lichaam moeten bewaken en deze moeten communiceren naar een centraal apparaat.
    • Zelfstandige draadloze apparaten - Deze apparaten moeten ook verbinding maken met slechts één apparaat, meestal voor een bepaalde configuratie of continue streamen van data. Een voorbeeld hiervan is consumentenelektronica, zoals draadloze luidsprekers, camera, enz. De centrale node is hier opnieuw een laptop of mobiel die veel energie en resources heeft en tegelijkertijd kan communiceren met meerdere apparaten.

    Nadelen

    Hoewel deze topologie momenteel dominant is, zijn er ook nadelen die het een inefficiënte oplossing maken voor sommige IoT-uitdagingen.  Deze nadelen zijn:

    • Kortere range - Het grootste nadeel is dat het omliggende nodes altijd een centrale coördinator in de buurt nodig hebben om een bericht te kunnen verzenden. In sommige IoT-toepassingen worden omliggende knooppunten gewoonlijk verspreid over een groot gebied. Daarom  is het voor een centrale node moeilijk om de range te halen van alle omliggende knooppunten. Een typischBluetooth Low Energy (BLE) -apparaat kan bijvoorbeeld een bereik van ongeveer 10 meter bieden binnenshuis. Als we omliggende nodes hebben verspreid over een oppervlakte van 50 vierkante meter, dan zou het niet mogelijk zijn om één enkele coördinator voor alle devices te hebben.
    • Single point of failure - Een ander nadeel is dat het hele netwerk hangt aan éé node, dat wil zeggen dat als de centrale coördinator uitvalt, het hele netwerk plat ligt. Dit is een enorm risico in toepassingen waar de betrouwbaarheid hoog moet zijn.

    Mesh-netwerk

    Een Mesh-netwerk wordt gevormd door een groep knooppunten, die allemaal met elkaar kunnen communiceren, ongeacht of ze zich in het draadloze bereik bevinden of niet. Als ze binnen bereik zijn, kunnen ze direct met elkaar communiceren, anders kan het bericht nog steeds worden doorgestuurd door de tussenliggende knooppunten van A naar B. Zolang elk knooppunt in de buurt is van ten minste twee andere knooppunten, kan elk knooppunt in het netwerk elk ander knooppunt in het netwerk bereiken. In de onderstaande afbeelding ziet u de indeling van een mesh-netwerk.

     

     

    chethan2

     

    Voordelen 

    De voordelen van een mesh-netwerk zijn:

    • Lange afstand - berichten kunnen veel grotere afstanden afleggen in vergelijking met een sterr-netwerk. Nodes die over een groot gebied worden gebruikt, kunnen nog steeds end-to-end communicatie met mesh-netwerken onderhouden, omdat alle knooppunten nu kunnen meewerken aan het doorsturen van het bericht. Zolang elk knooppunt in de buurt ten minste twee andere knooppunten bevindt, kan elk knooppunt in het netwerk elk ander knooppunt in het netwerk bereiken.
    • Betrouwbaarheid - In mesh-netwerken kunnen berichten via meerdere paden van bron naar bestemming verzonden worden. Dit verhoogt de kans dat berichten het eindpunt bereiken en zorgt ervoor dat het netwerk betrouwbaarder is.
    • Robuustheid - Alle knooppunten delen de verantwoordelijkheid om het netwerk online te houden in plaats dat slechts één knooppunt alles regelt. Het netwerk wordt nu dus robuust en heeft minder kans op falen.

    Toepassingen

    Met mesh-netwerken is het mogelijk om robuuste draadloze communicatie over grote gebieden te implementeren. Mesh-netwerken worden steeds belangrijker in de volgende toepassingen:

    • Monitoring en controle van gebouwen - Laten we eens kijken naar een grote ruimte met veel lampen en we willen deze allemaal draadloos bedienen via een enkele schakelaar. Dit kan worden geïmplementeerd door een mesh-netwerk te vormen tussen alle lampen en de schakelaar. Bij het aan- of uitzetten zou de schakelaar het bericht naar nabije lampen doorgeven en deze lampen zouden dat bericht opnieuw aan andere lampen kunnen doorgeven en uiteindelijk zouden alle lampen in de kamer de betreffende signalen kunnen ontvangen. Dit kan worden uitgebreid met alle andere functionaliteit die vereist is in een groot gebouw, zoals verwarming, temperatuurbewaking, enz. Mesh-netwerken zijn erg nuttig voor het bewaken en besturen van alle soorten assets over een groot gebied.
    • Industriële monitoring - In diverse industrieën zijn assets verspreid over grote gebieden en vaak moeten ze worden gemonitord en gecontroleerd. Sensoren kunnen worden ingezet over een groot gebied en een mesh-netwerk kan worden geïmplementeerd om gegevens over de assets te verzamelen en te rapporteren. Een goed voorbeeld hiervan is het afdekken van een spoorwegnet met een mesh-netwerk om eventuele afwijkingen in de rails te vinden.
    • Milieumonitoring - Mesh-netwerken kunnen ook worden gebruikt voor monitoring van het milieu. Net als industriële omgevingen kunnen ook ook bossen, vijvers, meren of zelfs landbouwgebieden worden gemonitord. Het is vaak belangrijk om de toestand van deze gebieden continu te bewaken. Het opsporen van eventuele abnormaliteiten kan grote rampen en verlies van natuurlijke resources voorkomen.

    Nadelen

    Mesh-netwerken  brengen ook een complexe reeks uitdagingen met zich mee.  Deze nadelen zijn:

    • Synchronisatie van nodes - Om ervoor te zorgen dat berichten onmiddellijk worden verzonden, moeten alle knooppunten in het netwerk een efficiënte planning hebben voor verzending en ontvangst. Als dit niet gebeurt,  zou dit leiden tot enorme verspilling van energie en aangezien de meeste draadloze knooppunten energiezuinig moeten zijn, wordt dit van cruciaal belang voor de werking van het netwerk.
    • Routing - Een andere uitdaging is het ontwerpen van een oplossing voor het routen van het bericht van bron naar bestemming. De routeringsoplossing moet eenvoudig genoeg zijn  en efficiënt genoeg om het stroomverbruik laag te houden. De routeringsoplossing moet ook rekening houden met het onderhoud van het netwerk. Het moet mogelijk zijn om een knooppunt toe te voegen of te verwijderen zonder de werking van het netwerk te verstoren.

    Zowel ster-netwerken als mesh-netwerken bieden hun eigen voordelen, maar ook enkele nadelen. Afhankelijk van de toepassing is meestal één vorm van topologie geschikter dan de andere. Ster-netwerken zijn redelijk eenvoudig in hun topologie en zijn handig in apparaten met een laag vermogen die slechts met één apparaat op korte afstand moeten werken. Mesh-netwerken hebben complexe uitdagingen en implementatie in vergelijking tot ster-netwerken,  ook bieden ze enorme voordelen in toepassingen waarvoor monitoringapparatuur over een groot gebied vereist is.

     In de afgelopen paar jaar zijn enkele technologieën zoals Thread, BLE Mesh en Zigbee naar voren gekomen die de uitdagingen van een mesh-topologie aangaan. In onze volgende blog zullen we gedetailleerd kijken naar mesh-netwerken en de architectuur die door de bovenstaande technologieën wordt geboden.

     

    Als je vragen hebt over dit blogartikel, neem dan gerust contact met ons op!

    Deel deze blog