ワイヤレスメッシュネットワーク

無線メッシュネットワーク（WMN）は、メッシュトポロジーで構成された無線ノードからなる通信ネットワークです。無線アドホックネットワークの一種でもあります。^{[ 1 ]}

メッシュとは、デバイスまたはノード間の密な相互接続を指します。無線メッシュネットワークは、メッシュクライアント、メッシュルーター、およびゲートウェイで構成されることがよくあります。ノードの移動頻度は低くなります。ノードが常にまたは頻繁に移動すると、メッシュはデータの配信よりもルートの更新に多くの時間を費やすことになります。無線メッシュネットワークでは、トポロジーはより静的になる傾向があるため、ルート計算が収束し、データが宛先に配信されます。したがって、これは低移動性の集中型無線アドホックネットワークです。また、静的ノードがゲートウェイとして機能する場合があるため、完全に無線のみのアドホックネットワークではありません。

メッシュクライアントは、多くの場合、ラップトップ、携帯電話、その他のワイヤレスデバイスです。メッシュルーターは、インターネットに接続されている場合と接続されていない場合があるゲートウェイとの間でトラフィックを転送します。単一のネットワークとして動作するすべての無線ノードのカバーエリアは、メッシュクラウドと呼ばれることがあります。このメッシュクラウドへのアクセスは、無線ノードが連携して無線ネットワークを構築しているかどうかに依存します。メッシュネットワークは信頼性が高く、冗長性を提供します。1 つのノードが動作しなくなった場合でも、残りのノードは直接、または 1 つ以上の中間ノードを介して相互に通信できます。ワイヤレスメッシュネットワークは、自己形成および自己修復が可能です。ワイヤレスメッシュネットワークは、802.11、802.15、802.16、セルラー技術など、さまざまなワイヤレス技術で動作し、特定の技術やプロトコルに限定される必要はありません。

無線メッシュネットワークは、もともと軍事用途向けに開発されたもので、各ノードが他のすべてのノードのルーターとして動的に機能するように設計されています。これにより、一部のノードに障害が発生した場合でも、残りのノードは相互に通信を継続でき、必要に応じて他のノードのアップリンクとして機能することができます。

初期の無線メッシュネットワークノードは、単一の半二重無線機を備えており、一度に送信または受信のいずれかしかできず、両方を同時に行うことはできませんでした。これに伴い、共有メッシュネットワークが開発されました。その後、上流ノードからパケットを受信し、下流ノードにパケットを同時に送信できる（異なる周波数または異なるCDMAチャネルで）より複雑な無線ハードウェアが登場し、これに取って代わられました。これにより、スイッチドメッシュネットワークの開発が可能になりました。無線機のサイズ、コスト、および消費電力がさらに低下するにつれて、ノードに複数の無線機を費用対効果の高い方法で搭載できるようになりました。これにより、各無線機が異なる機能を処理できるようになり、たとえば、1つの無線機をクライアントアクセス用、もう1つをバックホールサービス用として使用することが可能になりました。

この分野の研究は、リソースの割り当てとパケットのルーティングの戦略を分析するためのゲーム理論的手法の使用によって促進されてきた。 ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

世界各地で、さまざまな時期に草の根プロジェクトとして、数多くの無線コミュニティネットワークが立ち上げられてきた。

その他、多くの場合、企業独自のプロジェクトであったり、特定の機関に紐づいているプロジェクトとしては、以下のようなものがある。

• ALOHAnetは、1971年にハワイ諸島を結ぶために初めて使用された。
• アマチュア無線家たちは、1978年にカナダで、1980年には米国で、VHF、そして後にUHFのデジタル通信ネットワークの実験を開始した。1984年までに、ボランティアによって運営されるアマチュアパケット無線ネットワーク（AMPRNet）は、デジピーターによって北米の大部分を網羅するようになった。この新興ネットワークにより、免許を持つ無線家は、TRS-80モデル100のような初期のノートパソコンと、1.25メートル帯または2メートル帯で動作する互換性のある携帯型FMトランシーバーだけで、大陸横断の無線デジタル通信を実現できるようになった。インターネットの発展に伴い、他のIPネットワークへのポータルやそこからのポータルが、世界の他の地域のパケットネットワークにアクセスするための「トンネル」を容易にした。
• 1998年から1999年にかけて、複数のラップトップに802.11 WaveLAN 2.4 GHz無線インターフェースを使用したキャンパス全体の無線ネットワークのフィールド実装が 成功裏に完了した。^{[ 19 ]}いくつかの実際のアプリケーション、モビリティ、およびデータ伝送が行われた。^{[ 20 ]}
• メッシュネットワークは、無線機能と、すべての軍事任務でノードが頻繁に移動するわけではないことから、軍事市場で有用でした。ペンタゴンは1997年にDoD JTRSプログラムを開始し、周波数、帯域幅、変調、セキュリティなど、以前はハードウェアに組み込まれていた無線機能をソフトウェアで制御するという野心を持っていました。このアプローチにより、DoDは共通のソフトウェアコアを持つ無線機ファミリーを構築し、以前は別々のハードウェアベースの無線機に分割されていた機能を処理できるようになります。歩兵部隊用のVHF音声無線機、空対空および地上対空通信用のUHF音声無線機、艦船および地上部隊用の長距離HF無線機、戦場全体でメガビット速度でデータを送信できる広帯域無線機などです。しかし、ボーイング社製の無線機の故障率が75%だったため、JTRSプログラムは2012年に米陸軍によって中止されました^{[ 21 ] 。}
• Amazon eeroは、家庭や小規模企業での使用を想定して設計されたWi-Fiメッシュネットワークシステムです。^{[ 22 ]}
• Google HomeとGoogle Nest WifiはWi-Fiメッシュネットワークをサポートしています。^{[ 23 ]}
• カタルーニャ地方の農村部では、ブロードバンドインターネットが普及していない状況に対応するため、2004年にGuifi.netが開発されました。当時、商用インターネットプロバイダーは接続を提供していなかったり、提供していたとしても非常に品質が悪かったりしました。現在では3万以上のノードを擁していますが、完全に接続されたネットワークとしては半分程度に過ぎません。しかし、ピアツーピアの合意に基づき、広範な冗長性を備えたオープンで自由かつ中立的なネットワークとして維持されています。
• 2004年、カリフォルニア州カーソンのTRW Inc.のエンジニアは、Linuxを実行する複数の高速ラップトップ上で802.11a/b/g無線機を使用したマルチノードメッシュ無線ネットワークのテストに成功しました。このネットワークには、経路の優先順位やプリエンプション機能、パケットスケジューリングとルーティング中のトラフィックサービスクラスへの異なる優先順位の追加、サービス品質などの新機能が搭載されています。^{[ 24 ]}彼らの研究は、無線フロントエンドでMIMO技術を使用して複数の空間パスを提供することで、データレートを大幅に向上させることができるという結論に至りました。
• Zigbeeデジタル無線は、電池式家電を含む一部の家電製品に組み込まれています。Zigbee無線は、特定のルーティングアルゴリズムを使用してメッシュネットワークを自動的に構築し、送受信は同期されます。つまり、無線機はほとんどの時間オフにできるため、電力消費を抑えることができます。Zigbeeは、低消費電力・低帯域幅のアプリケーションシナリオに適しています。
• Threadは、オープンスタンダードとIPv6/6LoWPANプロトコルに基づいて構築された、消費者向け無線ネットワークプロトコルです。Threadの特徴は、単一障害点のない安全で信頼性の高いメッシュネットワーク、シンプルな接続性、低消費電力です。Threadネットワークは簡単にセットアップでき、銀行レベルの暗号化により他の無線プロトコルに存在するセキュリティホールを解消し、安全に使用できます。2014年、Google Inc.のNest Labsは、 Samsung、ARM Holdings、Freescale、Silicon Labs、Big Ass Fans、および錠前メーカーの Yaleと共同で、Threadを推進するワーキンググループを発表しました。
• 2007 年初頭、米国に拠点を置くMeraki社はミニ無線メッシュ ルーターを発売しました。^{[ 25 ]} Meraki Mini に搭載されている802.11無線は長距離通信用に最適化されており、250 メートルを超える範囲をカバーしています。ツリー ベースのトポロジーと O(n) ルーティングの利点を持つマルチ無線長距離メッシュ ネットワークとは対照的に、Meraki は無線を 1 つしか搭載しておらず、それをクライアント アクセスとバックホール トラフィックの両方に使用していました。^{[ 26 ]} 2012 年、Meraki は Cisco に買収されました。
• カリフォルニア州モントレーの海軍大学院は、国境警備のためのこのような無線メッシュネットワークを実証した。^{[ 27 ]}パイロットシステムでは、気球で空中に維持された航空カメラが、メッシュネットワークを介してリアルタイムの高解像度ビデオを地上の担当者に送信した。
• 米海軍の一部門であるSPAWARは、固定式および移動式の戦略的軍事資産を保護するために、拡張可能で安全な耐障害性メッシュネットワーク^{[ 28 ]}のプロトタイプ開発とテストを行っています。メッシュノード上で動作する機械制御アプリケーションは、インターネット接続が失われたときに「引き継ぎ」ます。使用例としては、スマートドローン群などのIoT（モノのインターネット）が挙げられます。
• MITメディアラボのプロジェクトでは、開発途上国の恵まれない学校向けに、メッシュネットワーク（IEEE 802.11s規格に基づく）を使用して堅牢で安価なインフラストラクチャを構築することを目的としたXO-1ラップトップ、または「OLPC」（ One Laptop per Child ）が開発されました。 ^{[ 29 ]}このプロジェクトでは、ラップトップによる瞬時の接続により、接続されたノードが近くのノードと接続を共有できるため、すべてのエリアに到達するためにインターネットなどの外部インフラストラクチャの必要性が軽減されると主張しています。同様のコンセプトは、GreenpacketがSONbuddyと呼ばれるアプリケーションでも実装しています。^{[ 30 ]}
• 2006年6月3日、イギリスのケンブリッジで開催された「ストロベリーフェア」では、メッシュネットワークが使用され、推定8万人にモバイルライブテレビ、ラジオ、インターネットサービスが提供された。^{[ 31 ]}
• ブロードバンドハムネット^{[ 32 ]}は、アマチュア無線で使用されるメッシュネットワークプロジェクトであり、非常に低消費電力で緊急通信に重点を置いた「高速、自己発見、自己構成、耐障害性、無線コンピュータネットワーク」である^{[ 33 ] 。}
• シャンペーン・アーバナ・コミュニティ・ワイヤレス・ネットワーク（CUWiN）プロジェクトは、Hazy-Sighted Link State Routing ProtocolとExpected Transmission Countメトリックのオープンソース実装に基づいてメッシュネットワークソフトウェアを開発しています。さらに、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のワイヤレスネットワークグループ^{[ 34 ]}は、同グループで開発中のマルチチャネルプロトコルの概念実証実装として、Net-Xと呼ばれるマルチチャネル、マルチ無線無線メッシュテストベッドを開発しています。これらの実装は、ネットワーク接続を維持するために一部の無線機がチャネルを切り替えることができるアーキテクチャに基づいており、チャネル割り当てとルーティングのプロトコルが含まれています。^{[ 35 ]}
• FabFiは、オープンソースの都市規模の無線メッシュネットワークシステムで、元々は2009年にアフガニスタンのジャララバードで、都市の一部に高速インターネットを提供するために開発されました。複数のホップにわたる高性能を実現するように設計されています。これは、中央プロバイダーから都市全体に無線インターネットを共有するための低コストなフレームワークです。1年後には、ネットワークの成長を支えるフリーミアム型の有料モデルを採用した、より大規模な2つ目の実装がケニアのナイロビ近郊で行われました。どちらのプロジェクトも、それぞれの都市のFablabユーザーによって実施されました。
• SMeshは、ジョンズ・ホプキンス大学の分散システムおよびネットワーク研究所によって開発された802.11マルチホップ無線メッシュネットワークです。^{[ 36 ]}高速ハンドオフ方式により、モバイルクライアントは接続の中断なしにネットワーク内をローミングすることができ、 VoIPなどのリアルタイムアプリケーションに適した機能となっています。
• 多くのメッシュネットワークは、複数の無線帯域で動作します。例えば、FiretideやWave Relayのメッシュネットワークでは、ノード間の通信には5.2GHz または5.8GHzを使用 し、ノードとクライアント間の通信には2.4GHz（802.11）を使用するオプションがあります。これは、ソフトウェア無線 （SDR）を使用して実現されています。
• SolarMESHプロジェクトでは、太陽光発電と充電式バッテリーを使用して802.11ベースのメッシュネットワークに電力を供給する可能性を検討しました。^{[ 37 ]}従来の802.11アクセスポイントは、継続的に電力を供給する必要があるため不十分であることがわかりました。^{[ 38 ]} IEEE 802.11s標準化の取り組みでは省電力オプションが検討されていますが、太陽光発電アプリケーションでは、リレーリンクの省電力が適用できない単一の無線ノードが含まれる可能性があります。
• WINGプロジェクト^{[ 39 ]}（イタリア大学研究省が後援し、CREATE-NETとテクニオンが主導）は、次世代インターネットの標準アクセスアーキテクチャとして無線メッシュネットワークを実現するための新しいアルゴリズムとプロトコルのセットを開発しました。特に、干渉とトラフィックを考慮したチャネル割り当て、マルチ無線/マルチインターフェースのサポート、および非常に不安定な環境における機会主義的なスケジューリングとトラフィック集約に重点が置かれています。
• WiBACKワイヤレスバックホール技術は、ベルリンのフラウンホーファーオープン通信システム研究所（FOKUS）によって開発されました。太陽電池で駆​​動し、既存のすべてのワイヤレス技術をサポートするように設計されたこのネットワークは、2012年夏にサハラ以南アフリカのいくつかの国に展開される予定です。^{[ 40 ]}
• 最近の有線通信規格にも、メッシュネットワークの概念が取り入れられています。その一例として、ITU-T G.hnがあります。これは、既存の家庭用配線（電力線、電話線、同軸ケーブル）を使用して高速（最大 1  Gbit/s ）のローカルエリアネットワークを規定する規格です。電力線のようなノイズの多い環境（信号がノイズによって大きく減衰したり劣化したりする可能性がある）では、ネットワーク内のデバイス間の相互可視性が完全には得られないことがよくあります。このような状況では、ノードの 1 つがリレーとして機能し、直接通信できないノード間でメッセージを転送する必要があり、事実上「リレー」ネットワークが構築されます。G.hn では、リレーはデータリンク層で実行されます。
• MeshtasticとMeshCoreは、ISMバンドのLoRaを使用しています。

• Anyfi
• AWMN（アテネ［ギリシャ］無線都市ネットワーク）
• CUWiN
• Freifunk (ドイツ) / FunkFeuer (AT) / OpenWireless (CH)
• ファイアチャット
• ファイアタイド
• Guifi.net
• ねつく
• Linux (IT)
• NYCメッシュ
• レッドフックのWi-Fi

• Battelle Instituteによる、主要な無線メッシュネットワークプロバイダーのAoA比較評価（特にミッションクリティカルな軍事プログラム向け）。
• Wayback MachineにあるMIT Roofnet メッシュ ネットワークのアーキテクチャと評価(2017 年 8 月 29 日にアーカイブ) - Roofnet ワイヤレス メッシュ プロジェクトを説明する研究論文の草稿。
• WINGプロジェクト無線メッシュネットワーク配布（roofnetソースコードに基づく）
• 第1世代、第2世代、第3世代メッシュアーキテクチャ：無線メッシュネットワークアーキテクチャの歴史と進化
• DARPAのITMANETプログラムとFLoWSプロジェクトによるMANETの基本的な性能限界の調査
• ロビン・チェイス氏がZipcarとメッシュネットワークについて語る ロビン・チェイス氏がTEDカンファレンスでメッシュネットワークとエコテクノロジーの未来について講演
• irdest分散型アドホック無線メッシュ通信
• 動的かつ持続的なメッシュネットワーク軍事、国土安全保障、公共安全のためのハイブリッドメッシュネットワーク
• メッシュネットワーク研究グループ（2015年3月16日アーカイブ、Wayback Machine）ワイヤレスメッシュネットワークに関連するプロジェクトとチュートリアルのまとめ
• Qaulプロジェクト– インターネットや携帯電話ネットワークに依存しないテキストメッセージ、ファイル共有、音声通話
• Broadband-Hamnet  -アマチュア無線向け2.4GHz帯メッシュネットワークアプリケーション
• AREDN – アマチュア無線緊急データネットワーク。緊急時のデータおよび情報処理に使用されるメッシュネットワークアプリケーション。
• 無線LANメッシュに関するホワイトペーパー
• HowStuffWorksで解説するワイヤレスメッシュネットワークの仕組み
• 第1世代、第2世代、第3世代メッシュアーキテクチャ メッシュネットワークアーキテクチャの歴史と進化
• 鉱山労働者がノードに賛同 地下採掘におけるメッシュネットワークに関するミッション・クリティカル・マガジンの記事を転載
• IET：ホットスポットからブランケットへ
• Akyildiz, Ian. F.; Wang, XuDong (2005年9月). "ワイヤレスメッシュネットワークに関する調査". IEEE Communications Magazine . 43 (9): s23– s30. Bibcode : 2005IComM..43i..23A . CiteSeerX 10.1.1.133.5446 . doi : 10.1109/MCOM.2005.1509968 . S2CID 815769 .  
• メッシュネットワーク研究グループによる、ワイヤレスメッシュネットワークに関連するプロジェクトおよびチュートリアルのまとめ
• Linuxワイヤレスサブシステム（80211）by Rami Rosen