救助隊が携帯電話の圏外地域へ進入します。複数の隊員が携帯型無線機を携行し、車両は臨時指揮所の近くに待機し、無人航空機が現場上空を飛行しながらライブ映像を送信しています。隊員の間には携帯電話基地局も固定式無線コントローラーもありませんが、それでも隊員の位置が変化する中で、音声、位置情報、映像をチーム内で共有できます。
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このような通信課題を解決するために設計されているのが、MANET無線機です。
MANETはMobile Ad Hoc Networkの略で、モバイルアドホックネットワークを意味します。すべての端末が固定基地局を経由して通信する必要はなく、MANET無線機は近くのノードを検出し、無線リンクを確立し、相互にトラフィックを中継できます。そのため、無線機は同時に2つの役割を担います。1つは利用者自身が使用する通信端末としての役割であり、もう1つは必要に応じて他の利用者のトラフィックを運ぶネットワーク経路の一部として機能する役割です。
この2つ目の役割が、MANETを一般的なポイントツーポイント無線通信と区別する重要な特徴です。無線機Aが無線機Dへ直接到達できない場合でも、ネットワークは無線機Bと無線機Cを経由してトラフィックを届けることができます。人員、車両、空中ノードが移動すると、利用可能なリンクに応じて経路を再計算できます。
MANET無線ネットワークのアーキテクチャ
従来型無線、インフラ型無線ネットワーク、MANETはいずれも無線周波数リンクを使用しますが、ネットワーク構造は根本的に異なります。
従来の直接無線システムでは、2人の利用者の無線機が使用可能なRF範囲内にある場合に通信できます。
無線機A → 無線機B
地形、距離、障害物によって2台の無線機がお互いの信号を受信できない場合、リピーターやその他のインフラが設置されていなければ直接経路は失われます。
インフラ型ネットワークは異なる方式で動作します。携帯電話ネットワークや多くの従来型無線システムは、固定されたネットワーク設備を中心に構成されています。
端末 → 基地局 → ネットワークインフラ → 端末
通常、端末が別の端末のトラフィックを中継することはありません。通信はインフラへのアクセスに依存します。
MANETでは、こうしたネットワーク機能のより多くを無線機自身に分散させます。
ノードA → ノードB → ノードC → ノードD
ノードBとノードCは、必ずしも専用リピーターである必要はありません。ハンドヘルド、車載、バックパック型、空中搭載型の無線機であり、それぞれ自身の通信に使用されながら、同時に他のノードのパケットを中継することができます。
| ネットワークタイプ | トラフィック経路 | インフラへの依存度 |
|---|---|---|
| 直接無線 | 無線機から無線機 | 低いが、通常は直接RF到達範囲に制限される |
| インフラ型ネットワーク | 基地局またはアクセスポイントを経由する端末通信 | 固定インフラに依存する |
| MANET | 直接通信または他ノードを経由するマルチホップ通信 | 固定された中央基地局なしで形成可能 |
"インフラ非依存"という表現は、MANETが固定ノード、指揮車両、ゲートウェイを一切使用できないという意味ではありません。高所に配置した中継ノード、車載無線機、固定ゲートウェイを使用することで、通信範囲を改善し、フィールドネットワークを他のシステムへ接続できます。重要な違いは、これらの機器がすべてのローカルノード通信を必ず通過させる唯一の中央ポイントである必要がないことです。
自己形成メッシュと近隣ノード検出
MANETの有用性は、マルチホップ経路が形成される前から始まります。まず無線機は、無線経由で実際に到達可能な他のノードを特定する必要があります。
ノードが起動すると、近くの無線機や利用可能な無線リンクをネットワークが把握するための情報を交換します。具体的なシグナリング方式はMANETの実装によって異なりますが、一般的には複数の機能が含まれます。
近隣ノード検出
各ノードは、現在到達可能な無線機を特定します。隊員とともに移動するハンドヘルド無線機が、別のハンドヘルド無線機、車載ノード、空中中継ノードを同時に検出する場合があります。
こうした関係は固定ではありません。現在は近隣ノードである無線機でも、人員や車両の移動によって数分後には使用可能な範囲から外れることがあります。
リンク評価
別の無線機を検出したからといって、それが自動的に最適な経路になるわけではありません。MANETは、信号品質、リンク可用性、チャネル状態、その他システムが対応するルーティング指標などを評価できます。
ある時点では強い直接経路が優先されても、ノードの1つが建物や地形障害物の背後へ移動すると、別のマルチホップ経路の方が適切になる場合があります。
経路形成
トポロジーに関する十分な情報が得られると、トラフィックを1つ以上のノードを経由して転送できます。
ノードAがノードDへ直接到達できず、次のリンクが利用可能であると仮定します。
A → B → C → D
ノードAが生成したパケットは、最初にBへ送信できます。ノードBはそれをCへ転送し、CはDへ転送します。アプリケーションから見ると、AとDの間に直接RFリンクがなくても、両者は接続されています。
これは、MANET無線機を説明する上で非常に重要な特徴につながります。
MANET無線機は通信端末であると同時に、必要に応じて他のノードのトラフィックを転送するネットワークインフラの一部としても機能します。
こうした経路を自動的に形成する能力は、一般に自己形成と呼ばれます。これにより、現場のトポロジーが変化するたびに担当者が新しい中継経路を手動で設定する必要が減ります。
マルチホップルーティングと動的トポロジー
Mobile Ad Hoc Networkの"Mobile"という言葉が重要なのは、ネットワークトポロジーが変化することを前提としているためです。
最初の通信経路が次のようになっているとします。
ノードA → ノードB → ノードC → ノードD
ノードBが移動してリンクが失われると、元の経路ではトラフィックを運べなくなります。別のノードが利用可能な代替経路を提供できる場合、ネットワークは再構成されます。
ノードA → ノードE → ノードC → ノードD
MANETの実装によっては、経路管理にプロアクティブ方式、リアクティブ方式、ハイブリッド方式、または独自のルーティング方式が使用されます。一部のシステムはトポロジー情報を継続的に維持し、別のシステムでは通信が必要になった時点で経路を検出または更新します。具体的なアルゴリズムは異なりますが、技術的な目的は共通しています。無線環境が変化しても、トラフィックが現在利用可能な経路を通るようにすることです。
この動作は自己修復と呼ばれることがありますが、この用語は慎重に理解する必要があります。自己修復とは、故障した無線機そのものが修理されることを意味するわけではなく、あらゆるトポロジーで通信が常に途切れないことを保証するものでもありません。
つまり、ノードまたはリンクが利用できなくなった場合に、代替RF経路が存在すれば、ネットワークが別の経路を選択できるという意味です。
例えばノードBが故障しても、ノードAとCの両方がノードEへ到達できれば、ルーティングをE経由へ変更できます。一方、ノードBが離れた2つのグループを物理的に接続する唯一のRFブリッジであり、代替経路が存在しない場合、ネットワークは2つの切断されたセグメントに分かれる可能性があります。この状態は通常、ネットワークパーティションと呼ばれます。
そのため、ノードの配置は依然として重要です。MANETは固定インフラへの依存を減らしますが、RF伝搬の基本原理を回避することはできません。地形、建物、距離、干渉によって、ルーティングに必要なリンクが十分に存在するかどうかが決まります。
MANET上の音声・映像・データ
最新のMANETシステムは、プッシュ・ツー・トーク音声だけを伝送するものではありません。無線機がIP対応モバイルネットワークを形成すると、さまざまな種類のアプリケーションが同じ無線伝送路を共有できます。
ある隊員がPTT音声とGPS位置情報を送信し、別の利用者が画像を送信することができます。車載ノードはテレメトリを伝送したり、ローカルIPカメラを接続したりできます。空中ノードはリアルタイム映像を移動指揮車へ送信できます。
例えば、映像ストリームは次のような経路を通ることがあります。
カメラ / MANET無線機 → フィールドノード → 中継ノード → 車載MANET無線機 → 指揮アプリケーション
課題は、これらのアプリケーションが同じネットワーク要件を持っているわけではないことです。
音声は通常、比較的少ない帯域幅しか消費しませんが、遅延、ジッター、パケットロスに非常に敏感です。十分なスループットがあるように見えても、パケットの到着が遅すぎたり不規則だったりすると、会話が困難になります。
ライブ映像はかなり多くの帯域幅を必要とし、利用可能なネットワーク容量に応じてビットレートを調整する場合があります。ホップ数が増加したりRF条件が悪化したりすると、高解像度映像を維持することが難しくなる場合があります。
GPS位置情報、メッセージ、テレメトリは通常それほど多くの帯域幅を必要としませんが、指揮アプリケーションが正確な状況認識を維持するために、頻繁かつ確実な更新が求められる場合があります。
そのため、MANETの設計ではピークスループットを最大化するだけでは不十分です。実用的なネットワークでは、次の点を考慮する必要があります。
リアルタイム音声および指揮トラフィックの遅延;
変化するRFリンクにおけるジッターとパケットロス;
ライブ映像に利用可能な帯域幅;
異なるトラフィッククラスに対するQoS制御;
ノードが運用エリア内を移動する際のリンク安定性。
開けた場所で固定された2台の無線機間では高いスループットを示すネットワークでも、10台または20台の移動ノードが音声、テレメトリ、複数の映像ストリームを同時に転送し始めると、まったく異なる動作になる場合があります。
MANETの通信距離、ホップ数、ネットワーク容量
"MANET無線機の通信距離はどのくらいですか？"という質問は単純に見えますが、1つの距離数値だけでMANETの実際の性能を表すことはほとんどできません。
ここでは、シングルホップRF通信距離とエンドツーエンドのネットワーク到達範囲という2つの概念を分けて考える必要があります。
シングルホップ通信距離とは、特定の条件下で2つのノードが直接通信できる距離を指します。周波数、送信出力、アンテナ利得、アンテナ高さ、地形、建物、植生、干渉、受信機性能などの影響を受けます。
直接リンクは次のようになります。
ノードA → ノードB
MANETでは、中間ノードを追加することで、この単一リンクを超えて通信範囲を拡張できます。
ノードA → ノードB → ノードC → ノードD
そのため、ノードAとノードDがお互いの直接無線通信範囲を大きく超えていても、トラフィックを交換できる場合があります。
ただし、ホップを追加するたびに無制限に通信範囲を拡張できるわけではありません。マルチホップ転送にはコストがあります。
中間ノードは、トラフィックを受信して再送信するために無線時間を使用します。無線アーキテクチャ、チャネル計画、ネットワーク実装によっては、ホップ数の増加によってエンドツーエンド遅延が増加し、個々のデータフローに利用できる容量が低下する場合があります。また、トポロジー中央付近の混雑した中継ノードが、多数の利用者のトラフィックを同時に処理することもあります。
そのため、ホップ数の増加によって次のような影響が生じる可能性があります。
遅延の増加;
共有無線時間の消費増加;
一部の経路における実効スループットの低下;
中間ノードの移動に伴う経路変更の増加;
干渉や弱いRFリンクの影響を受ける可能性の増加。
したがって、MANETの利点は"無制限の無線通信距離"ではありません。その価値は、分散したノードを利用することで、単一の直接RFリンクでは通信できないエリアまでネットワーク到達範囲を拡張できる点にあります。
同じ理由から、ノード密度も重要です。広い運用エリアに対してノード数が少なすぎる場合、代替経路のない通信空白域が生じる可能性があります。適切な中継位置へノードを追加すると接続性を改善できますが、RF条件やトラフィック負荷を考慮せずに無線機を増やすだけでは、ネットワーク容量が自動的に向上するわけではありません。
展開パラメータとバックホール統合
MANETの性能は、ネットワークをどのように展開するかに大きく依存します。ルーティングアルゴリズムだけで、すべての不適切なRF設計やシステム設計を補うことはできません。
周波数とチャネル帯域幅
周波数は電波伝搬、アンテナ特性、建物、地形、植生との信号の相互作用に影響します。チャネル帯域幅は利用可能なデータ容量に影響し、混雑した周波数帯や干渉の多い環境でのネットワーク性能にも影響する可能性があります。
そのため、長距離音声通信や位置情報送信向けに最適化された構成では、複数の高ビットレート映像ストリームを伝送する構成とは大きく異なるRFパラメータが使用される場合があります。
ノード密度とモビリティ
MANETが代替経路を形成するには、十分な数の利用可能な無線リンクが必要です。ノード同士が離れすぎている場合、マルチホップルーティングで利用できるリンクが存在しません。
モビリティも経路安定性に影響します。比較的ゆっくり移動する地上チームで構成されたネットワークは、高速車両、航空機、密集した都市環境を移動するハンドヘルド利用者を組み合わせたネットワークに比べ、通常はトポロジーの変化が緩やかです。
アンテナ配置
アンテナの位置は、送信出力と同じくらい重要になる場合があります。適切に設置された外部アンテナを備える車載無線機は、人体の近くで使用されるハンドヘルド無線機よりも強力な中継ポイントになることがあります。空中ノードは、地形や建物によって分断された地上チーム間に見通しの良い通信経路を形成できる場合があります。
このため、ハンドヘルド、車載、空中搭載型のMANET無線機は、互いに代替するというより、相互に補完する役割を持つことが多くなります。
フィールドネットワークとバックホール
MANETは主に運用エリア内のノード間通信を実現します。一方で、指揮組織では情報をローカルネットワークの外部へ送信する必要もあります。
一般的な構成は次のようになります。
ハンドヘルド / 車載 / UAV MANETノード → モバイル指揮ノード → 4G / 5G / 衛星 / 光ファイバーバックホール → 遠隔指揮センター
MANETとバックホールは異なる通信課題を解決します。MANETは現場利用者間のローカルモバイルメッシュを提供します。一方、携帯電話網、衛星、マイクロ波、光ファイバーは、フィールドネットワークと遠隔指揮センターを結ぶ長距離通信を提供できます。
耐障害性を評価する際には、この2つのレイヤーを分けて考えることが重要です。衛星バックホールに障害が発生しても、ローカルMANET利用者同士の通信が必ず失われるわけではありません。同様に、衛星接続が正常でも、フィールドMANETが互いに孤立したRFセグメントに分断されている場合、その問題を補うことはできません。
FAQ
MANET無線機はトランシーバーと同じですか？
必ずしも同じではありません。一般的なトランシーバーは、通常、別の無線機と直接通信するか、固定リピーターインフラを介して通信します。MANET無線機は、ノード同士が相互に検出し、複数の無線ホップを介してパケットを転送できるアドホックデータネットワークに参加できます。システムによっては、PTT音声だけでなく、IPデータ、映像、位置情報、その他のサービスも同じネットワーク上で伝送できます。
MANET無線機に基地局は必要ですか？
MANETは、一般的な中央基地局を必要とせず、参加ノード間で通信ネットワークを形成できます。固定中継ノード、車載ノード、高所設置無線機、ゲートウェイを追加して、カバレッジ、容量、他ネットワークとの接続性を改善することもできますが、それらがすべてのローカル通信経路を制御する唯一のポイントになる必要はありません。
1つのMANETノードがオフラインになるとどうなりますか？
別の利用可能な経路が存在する場合、ネットワークは異なるノードを経由してトラフィックを再ルーティングできます。例えば、元の経路がA → B → Cだった場合、ノードBが利用できなくなるとA → D → Cへ変更される場合があります。故障したノードがネットワークの2つの部分を接続する唯一のRFブリッジであり、代替経路が存在しない場合、接続が回復するまでMANETが分断される可能性があります。
MANET無線機でライブ映像を伝送できますか？
はい、十分なIPスループットを持つMANETシステムではライブ映像を伝送できます。ただし、実際の性能はRF条件、チャネル帯域幅、変調方式、干渉、映像ビットレート、アクティブユーザー数、経路上の無線ホップ数などに左右されます。一般に、映像トラフィックは音声、メッセージ、位置情報送信よりもはるかに多くのネットワーク容量を必要とします。
メッシュ無線機とMANET無線機の違いは何ですか？
どちらも複数ノード間の無線中継を含むことがあるため、両方の用語が一緒に使われる場合があります。MANETは、ネットワークノードが移動し、接続状況の変化に応じて経路が適応するモバイルアドホックトポロジーを特に重視します。"Mesh radio"はより広い概念であり、固定型またはほぼ固定された無線メッシュネットワークを指す場合もあります。
MANETとRoIPの違いは何ですか？
両者は異なる通信課題を解決します。MANETはモバイルノード間に無線IPネットワークを構築し、RoIPは無線音声と制御信号をIPネットワーク上で伝送します。 RoIP Gatewayは既存の無線チャネルをIP経由で拡張または統合できますが、それだけではMANETに特徴的な動的マルチホップモバイルメッシュネットワークを形成することはできません。
Becke Telcomは、モバイルチーム、指揮車両、フィールド通信環境向けに、MANET無線、RoIP Gateway、無線ディスパッチ、IP通信、ユニファイドコミュニケーションソリューションを提供し、音声、データ、映像、遠隔バックホール接続のシステム統合にも対応しています。
