Uma equipe de resgate entra em uma área sem cobertura celular. Vários socorristas carregam rádios portáteis, um veículo permanece próximo ao posto de comando temporário e uma aeronave não tripulada circula sobre o local transmitindo vídeo ao vivo. Não há uma estação-base celular nem um controlador sem fio fixo entre eles, mas voz, informações de localização e vídeo ainda podem circular entre os membros da equipe à medida que suas posições mudam.
Produtos e Soluções Relacionados: Sistemas de Rádio MANET
Esse é o tipo de problema que um rádio MANET foi projetado para resolver.
MANET significa Mobile Ad Hoc Network, ou rede móvel ad hoc. Em vez de exigir que cada dispositivo se comunique por meio de uma estação-base fixa, os rádios MANET podem descobrir nós próximos, estabelecer enlaces sem fio e encaminhar tráfego uns para os outros. Assim, um rádio desempenha duas funções ao mesmo tempo: é um terminal utilizado pelo próprio operador e, quando necessário, também pode se tornar parte do caminho de rede que transporta o tráfego de outros usuários.
Essa segunda função é o que diferencia a MANET da comunicação de rádio convencional ponto a ponto. Se o Rádio A não puder alcançar diretamente o Rádio D, a rede ainda poderá entregar o tráfego por meio do Rádio B e do Rádio C. À medida que pessoas, veículos ou nós aéreos se deslocam, esses caminhos podem ser recalculados de acordo com os enlaces que permanecem disponíveis.
Arquitetura de Rede de Rádio MANET
Sistemas de rádio tradicionais, redes sem fio baseadas em infraestrutura e MANET utilizam enlaces de radiofrequência, mas suas estruturas de rede são fundamentalmente diferentes.
Em um sistema convencional de rádio direto, dois usuários se comunicam quando seus rádios estão dentro de um alcance de RF utilizável:
Rádio A → Rádio B
Se o terreno, a distância ou algum obstáculo impedir que os dois rádios se recebam, o caminho direto será perdido, a menos que um repetidor ou outra infraestrutura tenha sido instalado.
Uma rede baseada em infraestrutura funciona de maneira diferente. Redes celulares e muitos sistemas sem fio convencionais são construídos em torno de elementos de rede fixos:
Dispositivo → Estação-Base → Infraestrutura de Rede → Dispositivo
Normalmente, o terminal não encaminha tráfego para outro terminal. A comunicação depende do acesso à infraestrutura.
Uma MANET distribui uma parcela maior dessa função de rede entre os próprios rádios:
Nó A → Nó B → Nó C → Nó D
Os Nós B e C não precisam ser necessariamente repetidores dedicados. Eles podem ser rádios portáteis, instalados em veículos, transportados em mochilas ou embarcados em plataformas aéreas, utilizados para suas próprias comunicações enquanto simultaneamente retransmitem pacotes para outros nós.
| Tipo de Rede | Caminho do Tráfego | Dependência de Infraestrutura |
|---|---|---|
| Rádio Direto | De rádio para rádio | Baixa, mas normalmente limitada ao alcance direto de RF |
| Rede Baseada em Infraestrutura | Terminal por meio de estação-base ou ponto de acesso | Depende de infraestrutura fixa |
| MANET | Direto ou multissalto por meio de outros nós | Pode se formar sem uma estação-base central fixa |
A expressão "independente de infraestrutura" não significa que uma MANET nunca possa utilizar nós fixos, veículos de comando ou gateways. Um retransmissor instalado em um ponto elevado, um rádio veicular ou um gateway fixo ainda podem melhorar a cobertura e conectar a rede de campo a outros sistemas. A diferença é que esses dispositivos não precisam ser o único ponto central pelo qual todos os nós locais se comunicam.
Mesh Autoformável e Descoberta de Vizinhos
Uma MANET começa a ser útil antes mesmo de qualquer rota multissalto ser criada. Primeiro, os rádios precisam determinar quais outros nós podem realmente ser alcançados pelo enlace sem fio.
Quando os nós se tornam ativos, eles trocam informações que permitem à rede identificar rádios próximos e enlaces sem fio disponíveis. A sinalização exata depende da implementação MANET, mas o processo normalmente inclui várias funções.
Descoberta de Vizinhos
Cada nó identifica os rádios que estão acessíveis naquele momento. Um rádio portátil que acompanha um socorrista pode detectar simultaneamente outro rádio portátil, um nó instalado em um veículo e um retransmissor aéreo.
Essas relações não permanecem fixas. Um rádio que é considerado vizinho agora pode sair do alcance utilizável alguns minutos depois, à medida que pessoas ou veículos se deslocam.
Avaliação do Enlace
Detectar outro rádio não significa automaticamente que ele seja o melhor caminho. A MANET pode avaliar características como qualidade do sinal, disponibilidade do enlace, condições do canal e outras métricas de roteamento compatíveis com o sistema.
Um caminho direto com sinal forte pode ser preferido em determinado momento, enquanto uma rota multissalto diferente pode se tornar mais adequada depois que um dos nós se desloca para trás de um edifício ou de uma obstrução do terreno.
Formação de Rotas
Quando há informações suficientes sobre a topologia, o tráfego pode ser encaminhado por um ou mais nós.
Suponha que o Nó A não consiga alcançar diretamente o Nó D, enquanto os seguintes enlaces continuam disponíveis:
A → B → C → D
Um pacote gerado pelo Nó A pode ser transmitido primeiro para B. O Nó B o encaminha para C, e C o encaminha para D. Do ponto de vista da aplicação, A e D estão conectados mesmo que não exista um enlace direto de RF entre eles.
Isso leva a uma das formas mais úteis de descrever um rádio MANET:
Um rádio MANET é ao mesmo tempo um terminal de comunicação e, quando necessário, parte da infraestrutura de rede utilizada para encaminhar o tráfego de outros nós.
A capacidade de criar esses caminhos automaticamente é normalmente descrita como autoformação. Isso reduz a necessidade de o pessoal configurar manualmente uma nova rota de repetição sempre que a topologia do campo muda.
Roteamento Multissalto e Topologia Dinâmica
A palavra "Mobile" em Mobile Ad Hoc Network é importante porque se espera que a topologia da rede mude.
Considere uma rota operacional que inicialmente apresenta a seguinte configuração:
Nó A → Nó B → Nó C → Nó D
Se o Nó B se afastar e seus enlaces desaparecerem, a rota original não poderá mais transportar tráfego. Se outro nó oferecer uma alternativa utilizável, a rede poderá se reorganizar:
Nó A → Nó E → Nó C → Nó D
Dependendo da implementação MANET, o gerenciamento das rotas pode envolver métodos de roteamento proativos, reativos, híbridos ou proprietários. Alguns sistemas mantêm continuamente informações sobre a topologia, enquanto outros descobrem ou atualizam rotas quando a comunicação é necessária. O algoritmo específico varia, mas o objetivo de engenharia é semelhante: o tráfego deve seguir um caminho que esteja disponível no momento à medida que o ambiente sem fio muda.
Esse comportamento é frequentemente chamado de autorrecuperação, mas o termo precisa ser interpretado com cuidado. Autorrecuperação não significa que um rádio com defeito conserte a si mesmo, nem garante comunicações ininterruptas em qualquer topologia.
Significa que, quando um nó ou enlace fica indisponível, a rede pode selecionar outra rota se existir um caminho alternativo de RF.
Por exemplo, se o Nó B falhar, mas os Nós A e C puderem alcançar o Nó E, o roteamento poderá ser redirecionado por E. Se o Nó B for o único nó que faz a ponte física entre dois grupos separados e não houver um caminho alternativo, a rede poderá se dividir em dois segmentos desconectados. Essa condição é normalmente descrita como particionamento da rede.
Portanto, o posicionamento dos nós continua sendo importante. A MANET reduz a dependência de infraestrutura fixa, mas não pode contornar os princípios básicos da propagação de RF. Terreno, edifícios, distância e interferência continuam determinando se existem enlaces suficientes para que o roteamento funcione.
Voz, Vídeo e Dados em uma MANET
Os sistemas MANET modernos não se limitam ao transporte de voz push-to-talk. Depois que os rádios formam uma rede móvel compatível com IP, diferentes tipos de aplicações podem compartilhar o transporte sem fio.
Um socorrista pode transmitir voz PTT e posição GPS enquanto outro usuário envia imagens. Um nó veicular pode transportar telemetria ou conectar uma câmera IP local. Um nó aéreo pode transmitir vídeo em tempo real para um veículo de comando móvel.
Um fluxo de vídeo, por exemplo, pode seguir um caminho como:
Câmera / Rádio MANET → Nó de Campo → Nó de Retransmissão → Rádio MANET Veicular → Aplicação de Comando
O desafio é que essas aplicações não possuem os mesmos requisitos de rede.
A voz normalmente consome relativamente pouca largura de banda, mas é altamente sensível à latência, ao jitter e à perda de pacotes. Uma conversa pode se tornar difícil mesmo quando a capacidade de transmissão parece suficiente, caso os pacotes cheguem tarde demais ou de forma irregular.
O vídeo ao vivo exige uma largura de banda significativamente maior e pode ajustar sua taxa de bits de acordo com a capacidade disponível da rede. À medida que o número de saltos aumenta ou as condições de RF pioram, manter vídeo em alta resolução pode se tornar mais difícil.
A localização por GPS, as mensagens e a telemetria normalmente consomem muito menos largura de banda, mas esses serviços podem exigir atualizações frequentes e confiáveis para que uma aplicação de comando mantenha uma visão operacional precisa.
Portanto, o projeto de uma MANET envolve mais do que simplesmente maximizar a taxa de transferência máxima. Uma rede prática precisa considerar:
Latência para voz em tempo real e tráfego de comando;
Jitter e perda de pacotes em enlaces de RF variáveis;
Largura de banda disponível para vídeo ao vivo;
Tratamento de QoS para diferentes classes de tráfego;
Estabilidade dos enlaces à medida que os nós se deslocam pela área de operação.
Uma rede capaz de demonstrar alta taxa de transferência entre dois rádios estacionários em campo aberto pode se comportar de maneira muito diferente quando dez ou vinte nós móveis começam a encaminhar voz, telemetria e vários fluxos de vídeo simultaneamente.
Alcance MANET, Número de Saltos e Capacidade de Rede
"Qual é o alcance de um rádio MANET?" parece uma pergunta simples, mas um único valor de alcance raramente descreve como uma MANET realmente se comporta.
Existem dois conceitos distintos: alcance de RF de salto único e alcance de rede de ponta a ponta.
O alcance de salto único descreve até que distância dois nós podem se comunicar diretamente sob determinadas condições. Ele é influenciado pela frequência, potência de transmissão, ganho da antena, altura da antena, terreno, edifícios, vegetação, interferência e desempenho do receptor.
Um enlace direto pode ser representado assim:
Nó A → Nó B
Uma MANET pode ampliar a comunicação além desse enlace individual introduzindo nós intermediários:
Nó A → Nó B → Nó C → Nó D
Portanto, o Nó A pode trocar tráfego com o Nó D mesmo quando ambos estão muito além do alcance direto de rádio um do outro.
Isso não significa que cada salto adicional proporcione cobertura de rede sem custo. O encaminhamento multissalto tem um custo.
Os nós intermediários precisam de tempo de transmissão no meio sem fio para receber e retransmitir tráfego. Dependendo da arquitetura do rádio, do plano de canais e da implementação da rede, o aumento do número de saltos pode aumentar a latência de ponta a ponta e reduzir a capacidade disponível para fluxos de dados individuais. Um nó de retransmissão muito ocupado próximo ao centro da topologia também pode transportar tráfego de vários usuários ao mesmo tempo.
Portanto, mais saltos podem introduzir:
Latência adicional;
Maior consumo do tempo de transmissão compartilhado;
Redução da taxa de transferência efetiva em algumas rotas;
Mais mudanças de rota à medida que os nós intermediários se deslocam;
Maior exposição a interferências e enlaces de RF fracos.
Portanto, a vantagem da MANET não é um "alcance de rádio ilimitado". Seu valor está na capacidade de utilizar nós distribuídos para ampliar o alcance da rede em áreas onde um único enlace direto de RF não seria possível.
A densidade de nós é importante pelo mesmo motivo. Poucos nós distribuídos por uma grande área de operação podem deixar lacunas sem caminhos alternativos. Adicionar posições de retransmissão úteis pode melhorar a conectividade, mas simplesmente adicionar rádios sem considerar as condições de RF e a carga de tráfego não melhora automaticamente a capacidade da rede.
Parâmetros de Implantação e Integração de Backhaul
O desempenho da MANET depende fortemente de como a rede é implantada. O algoritmo de roteamento não consegue compensar todas as decisões inadequadas de projeto de RF ou do sistema.
Frequência e Largura de Banda do Canal
A frequência afeta a propagação, as características da antena e a forma como os sinais interagem com edifícios, terreno e vegetação. A largura de banda do canal influencia a capacidade de dados disponível e também pode afetar o desempenho da rede em espectros congestionados ou com altos níveis de interferência.
Portanto, uma implantação otimizada para voz de longo alcance e envio de informações de posição pode utilizar parâmetros de RF muito diferentes daqueles de uma rede projetada para transportar vários fluxos de vídeo com alta taxa de bits.
Densidade de Nós e Mobilidade
A MANET precisa de um número suficiente de relações sem fio utilizáveis para criar caminhos alternativos. Se os nós estiverem muito distantes uns dos outros, o roteamento multissalto não terá enlaces disponíveis para utilizar.
A mobilidade também afeta a estabilidade das rotas. Uma rede de equipes terrestres que se deslocam relativamente devagar normalmente altera sua topologia de forma menos intensa do que uma rede que combina veículos rápidos, aeronaves e usuários com rádios portáteis se movendo por estruturas urbanas densas.
Posicionamento da Antena
A posição da antena pode ser tão importante quanto a potência de transmissão. Um rádio veicular com uma antena externa corretamente instalada pode oferecer uma posição de retransmissão muito mais eficiente do que um rádio portátil carregado próximo ao corpo. Um nó aéreo pode, em alguns casos, criar caminhos úteis em linha de visada entre equipes terrestres separadas pelo terreno ou por edifícios.
Por esse motivo, rádios MANET portáteis, veiculares e aéreos costumam ser complementares, em vez de intercambiáveis.
Rede de Campo e Backhaul
A MANET trata principalmente das comunicações entre nós dentro da área de operação. Uma organização de comando também pode precisar transportar informações para além dessa rede local.
Uma arquitetura típica poderia ser:
Nós MANET Portáteis / Veiculares / UAV → Nó de Comando Móvel → Backhaul 4G / 5G / Satélite / Fibra → Centro de Comando Remoto
A MANET e o backhaul resolvem problemas diferentes. A MANET fornece a rede mesh móvel local entre os usuários em campo. Redes celulares, satélite, micro-ondas ou fibra podem fornecer a conexão de longa distância entre essa rede de campo e um centro de comando remoto.
Manter essas duas camadas separadas é importante ao avaliar a resiliência. Uma falha no backhaul por satélite não significa necessariamente que os usuários MANET locais perderão a comunicação entre si. Da mesma forma, uma conexão por satélite em funcionamento não pode compensar uma MANET de campo que tenha se dividido em segmentos de RF isolados.
FAQ
Um Rádio MANET É o Mesmo que um Walkie-Talkie?
Não necessariamente. Um walkie-talkie convencional normalmente se comunica diretamente com outro rádio ou por meio de uma infraestrutura fixa de repetidores. Um rádio MANET pode participar de uma rede de dados ad hoc na qual os nós descobrem uns aos outros e podem encaminhar pacotes por meio de múltiplos saltos sem fio. Dependendo do sistema, essa rede pode transportar voz PTT, além de dados IP, vídeo, localização e outros serviços.
Um Rádio MANET Precisa de uma Estação-Base?
Uma MANET pode estabelecer comunicação entre os nós participantes sem exigir uma estação-base central convencional. Repetidores fixos, nós veiculares, rádios instalados em locais elevados ou gateways ainda podem ser adicionados para melhorar a cobertura, a capacidade ou a conectividade com outras redes, mas não precisam necessariamente atuar como o único ponto de controle para todos os caminhos de comunicação locais.
O Que Acontece Se um Nó MANET Ficar Offline?
Se existir outro caminho utilizável, a rede poderá encaminhar o tráfego por nós diferentes. Por exemplo, uma rota que originalmente utilizava A → B → C pode mudar para A → D → C depois que o Nó B desaparece. Se o nó que falhou era a única ponte de RF entre duas partes da rede e não existir um caminho alternativo, a MANET poderá ficar particionada até que a conectividade seja restabelecida.
Rádios MANET Podem Transmitir Vídeo ao Vivo?
Sim, sistemas MANET com capacidade suficiente de transmissão IP podem transportar vídeo ao vivo, mas o desempenho real depende das condições de RF, largura de banda do canal, modulação, interferência, taxa de bits do vídeo, número de usuários ativos e quantidade de saltos sem fio na rota. O tráfego de vídeo geralmente exige muito mais capacidade de rede do que voz, mensagens ou informações de posição.
Qual É a Diferença entre um Rádio Mesh e um Rádio MANET?
Os termos às vezes são utilizados em conjunto porque ambos podem envolver encaminhamento sem fio entre vários nós. A MANET enfatiza particularmente uma topologia móvel ad hoc na qual os nós da rede podem se deslocar e as rotas se adaptam às mudanças de conectividade. "Mesh radio" é uma descrição mais ampla e também pode se referir a implantações de redes mesh sem fio fixas ou predominantemente estáticas.
Qual É a Diferença entre MANET e RoIP?
Eles resolvem problemas de comunicação diferentes. A MANET cria a rede IP sem fio entre nós móveis, enquanto o RoIP transporta áudio de rádio e sinais de controle por uma rede IP. Um RoIP Gateway pode ampliar ou integrar um canal de rádio existente por meio de IP, mas, por si só, não cria o tipo de rede mesh móvel dinâmica e multissalto associada à MANET.
A Becke Telcom fornece soluções de rádio MANET, RoIP Gateway, despacho de rádio, comunicação IP e comunicações unificadas para equipes móveis, veículos de comando e ambientes de comunicação em campo, com opções de integração de sistemas para voz, dados, vídeo e conectividade de backhaul remoto.
