SpiderMesh

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SpiderMesh2019-09-20T03:56:56+00:00

Le réseau maillé sans fil expliqué

SpiderMesh est un protocole de communication sans fil maillé coopératif.

Il a été conçu dans une optique d’évolutivité. Par conséquent, cette technologie sans fil est parfaitement adaptée à la tâche très difficile de connecter des millions d’appareils sur le même réseau, de manière transparente.

Comparons SpiderMesh aux technologies standard. Mais d’abord, passons en revue quelques notions de base sur les réseaux sans fil.

Définition d’un réseau de capteurs

Un réseau de noeuds peut être considéré comme un réseau de microsystèmes autonomes (fonctionnant sur batterie) dispersés dans un espace donné et communiquant entre eux via une liaison sans fil. L’espace où les capteurs agissent s’appelle un champ réseau.

Dans un tel réseau, l’utilisateur peut contacter les noeuds par l’intermédiaire d’une passerelle qui relie le champ de noeuds et l’ordinateur principal.

Noeuds

La Passerelle

Network topology

La topologie du réseau est une représentation schématique des différents nœuds d’un réseau (capteurs, passerelles, relais, etc.) et de leurs liaisons physiques. Les réseaux ont généralement une topologie en bus, en étoile ou en maille.

Comparaison des technologies filaires et sans fil

Deux principaux choix technologiques sont disponibles pour connecter un champ de capteurs à un nœud de passerelle : soit

1) câblé, ou 2) sans fil

Topologie du réseau câblé

Une stratégie de communication avec des fils implique généralement l’utilisation d’une topologie de réseau de bus dans laquelle chaque nœud (capteur) est connecté à seulement deux voisins les plus proches afin de minimiser la longueur du câblage électrique.

Typiquement, une topologie de réseau câblé est une topologie de bus : il n’y a qu’une seule voie de communication. Par conséquent, en cas de défaillance d’un nœud, l’ensemble du réseau en aval de celui-ci est désactivé. Par exemple, si le système est frappé par la foudre, l’ensemble du réseau est affecté par la surtension.

Topologie du réseau sans fil

Aujourd’hui, les réseaux sans fil sont omniprésents partout, dans de nombreux domaines d’application. Cependant, ils ne sont pas actuellement largement utilisés pour des déploiements extérieurs à long terme pour des applications nécessitant une couverture étendue lorsque le réseau électrique n’est pas disponible.

Pourquoi?

Parce que la plupart des installations utilisent une topologie de réseau en étoile sans fil dans laquelle les capteurs communiquent directement avec le nœud maître, la passerelle, et donc n’interagissent en aucune façon avec leurs voisins.

Sauf que…

Lorsqu’il y a des obstructions dans la ligne de visée entre les capteurs et leur passerelle, la communication n’est plus possible. Par conséquent, trois correctifs courants sont disponibles dans ce cas.

Solution 1 : Augmenter la puissance d’émission

L’augmentation de la puissance d’émission ne peut éliminer les problèmes de communication que pour des occlusions partielles et/ou sur des distances relativement courtes.

Cependant
– La puissance d’émission est limitée à 4W (pour la bande ISM)
– Le coût de l’émetteur augmente considérablement lorsque la puissance d’émission augmente.
– Inefficace pour des niveaux d’occlusion plus élevés.

Solution 2 : Augmenter la hauteur de la passerelle

L’augmentation de la hauteur de la passerelle peut potentiellement atténuer de nombreux types d’occlusions.

Cependant
– L’installation d’une tour est un investissement très coûteux
– L’installation d’une tour demande beaucoup de temps et d’efforts

Solution 3 : Utilisation d’une infrastructure externe

Le recours à une infrastructure externe peut résoudre tous les problèmes de communication susmentionnés.

Cependant

– La disponibilité de ces réseaux varie d’un endroit à l’autre

– L’abonnement à un réseau externe public ou privé ajoute un coût récurrent supplémentaire

– L’équipement nécessaire à l’utilisation du réseau augmente le coût du système sans fil

Alors quoi ?

Réseaux sans fil distribués

Les réseaux sans fil distribués utilisent des nœuds répéteurs pour résoudre les problèmes d’occlusion. Grâce à cette stratégie de routage des messages, le réseau distribué peut être complètement indépendant des réseaux publics externes (tels que les réseaux cellulaires et satellitaires) et minimise la consommation d’énergie et donc les coûts.

Typiquement, les réseaux sans fil distribués sont basés sur deux types de topologies de réseau : la topologie en arbre et la topologie en maille.

Réseaux en arbres

Un réseau sans fil est une topologie en arbre si ses nœuds ont une hiérarchie prédéfinie.

Cependant, le principal inconvénient d’une telle topologie est la présence de multiples goulots d’étranglement qui peuvent affecter une grande partie du réseau en cas de panne.

Une topologie en arbre sans fil implique une hiérarchie prédéfinie des nœuds du réseau. Par conséquent, au niveau des nœuds de goulots d’étranglement, la défaillance peut être critique pour la santé globale du réseau. Ainsi, une panne localisée peut affecter considérablement la fiabilité du système.

Réseaux maillés

Un maillage sans fil n’a pas de hiérarchie stricte. Par conséquent, les données sont transmises sur de grandes distances en divisant la distance en une série de sauts courts. Les nœuds intermédiaires ne se contentent pas d’amplifier le signal, ils transmettent également les données du point A au point B en prenant des décisions de transmission en fonction de leur connaissance du réseau. Dans un tel réseau sans fil, le trafic circule entre des paires arbitraires de nœuds, mais de manière asynchrone : tout nœud peut transmettre des données à tout moment (premier arrivé, premier servi). Contrairement à la topologie arborescente, un nœud qui tombe en panne ne provoque pas la défaillance d’une sous-section entière du réseau.

Lorsqu’un nœud est hors service, les données prennent une autre route puisque les messages sont relayés par inondation, sans itinéraire prédéfini. Cette architecture reproduit, d’une certaine façon, le modèle de l’internet tout en optimisant pour le sans fil. Cette solution permet des déploiements rapides et simplifiés, prend en charge une couverture évolutive, assure une tolérance élevée aux pannes et aux interférences et réduit considérablement les coûts d’installation et d’exploitation du réseau. Bien que très efficace avec un nombre limité de pairs, le système s’effondre rapidement avec la taille du réseau

Contention du Réseau

Lorsque deux nœuds tentent de transmettre des données en même temps, les paquets de données entrent en collision. Par conséquent, les technologies de maillage typiques permettront de gérer cette éventualité en faisant en sorte que les nœuds soient

– écouter le réseau et attendre qu’il se calme avant d’émettre, ou,

-retransmettre les données en collision jusqu’à ce que la transmission réussisse.

SpiderMesh

Cooperative Mesh Network

Résolution du problème du contenu du réseau

Dans une topologie de maillage coopératif sans fil, le trafic réseau est synchronisé. Par conséquent, il n’y a pas de collision de données dans une telle architecture puisque chaque nœud dispose d’un emplacement de communication précis.

Par conséquent, un réseau de capteurs sans fil (WSN) utilisant cette topologie peut s’étendre en taille sans la dégradation des performances montrée dans les stratégies de réseau maillé standard. En retour, cela rend la technologie exceptionnellement basse consommation, ce qui élimine l’utilisation de panneaux solaires dans la plupart des applications. Pour cette raison, SpiderMesh permet de :

  • réduire la consommation d’énergie (et éliminer le besoin de captage d’énergie),

  • accroître la fiabilité et la robustesse du réseau,

  • l’autoréparation des voies de communication en cas de défaillance ou de panne du réseau,

  • déployer un nombre pratiquement illimité de capteurs sur le même coordinateur (avec une forte atténuation des collisions),

  • faciliter l’installation et la maintenance future du réseau

Mesh standard vs. SpiderMesh

La synchronisation des maillages permet de contrer l’effet bien connu de la dégradation de la transmission avec l’augmentation du trafic sur le réseau, et donc avec l’augmentation du nombre de nœuds. Contrairement aux protocoles standards qui retransmettent en cas de collision de paquets, la technologie SpiderMesh permet d’éviter ces collisions, d’où des performances inégalées en termes de consommation électrique et de taille du réseau.

SpiderMesh general specifications

Type of wireless technology FSK wireless cooperative mesh
Max. polling speed (RP-AirEVM mode) 200 ms per node
Max. polling speed (serial port mode) 100 ms per node
Min. polling speed 16+ s per node
Number of nodes on a gateway Virtually unlimited
Max hop count 32
Encryption AES-128

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