Ein Rettungsteam rückt in ein Gebiet ohne Mobilfunkabdeckung vor. Mehrere Einsatzkräfte tragen Handfunkgeräte, ein Fahrzeug bleibt in der Nähe des provisorischen Einsatzleitstands, und ein unbemanntes Luftfahrzeug kreist über dem Einsatzgebiet und überträgt Live-Video. Zwischen ihnen gibt es weder eine Mobilfunk-Basisstation noch einen festen Wireless-Controller. Dennoch können Sprache, Standortinformationen und Video innerhalb des Teams übertragen werden, während sich die Positionen der Teilnehmer verändern.
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Genau für diese Art von Herausforderung wurde ein MANET-Funkgerät entwickelt.
MANET steht für Mobile Ad Hoc Network, also ein mobiles Ad-hoc-Netzwerk. Anstatt dass jedes Gerät über eine feste Basisstation kommunizieren muss, können MANET-Funkgeräte benachbarte Knoten erkennen, drahtlose Verbindungen aufbauen und Datenverkehr füreinander weiterleiten. Ein Funkgerät übernimmt daher gleichzeitig zwei Rollen: Es ist ein Endgerät für den eigenen Benutzer und kann bei Bedarf zugleich Teil des Netzwerkpfads werden, über den der Datenverkehr anderer Nutzer übertragen wird.
Diese zweite Rolle unterscheidet MANET von herkömmlicher Punkt-zu-Punkt-Funkkommunikation. Wenn Funkgerät A Funkgerät D nicht direkt erreichen kann, kann das Netzwerk den Datenverkehr dennoch über Funkgerät B und Funkgerät C weiterleiten. Wenn sich Personen, Fahrzeuge oder luftgestützte Knoten bewegen, können diese Pfade entsprechend den weiterhin verfügbaren Verbindungen neu berechnet werden.
Architektur eines MANET-Funknetzes
Herkömmlicher Funk, infrastrukturbasierte drahtlose Netzwerke und MANET verwenden alle Hochfrequenzverbindungen, ihre Netzwerkstrukturen unterscheiden sich jedoch grundlegend.
In einem konventionellen Direktfunksystem können zwei Benutzer miteinander kommunizieren, wenn sich ihre Funkgeräte innerhalb einer nutzbaren HF-Reichweite befinden:
Funkgerät A → Funkgerät B
Wenn Gelände, Entfernung oder Hindernisse verhindern, dass sich die beiden Funkgeräte gegenseitig empfangen, geht die direkte Verbindung verloren, sofern kein Repeater oder eine andere Infrastruktur installiert wurde.
Ein infrastrukturbasiertes Netzwerk funktioniert anders. Mobilfunknetze und viele herkömmliche drahtlose Systeme basieren auf festen Netzwerkelementen:
Gerät → Basisstation → Netzwerkinfrastruktur → Gerät
Das Endgerät leitet normalerweise keinen Datenverkehr für ein anderes Endgerät weiter. Die Kommunikation hängt vom Zugang zur Infrastruktur ab.
Ein MANET verteilt einen größeren Teil dieser Netzwerkfunktion auf die Funkgeräte selbst:
Knoten A → Knoten B → Knoten C → Knoten D
Knoten B und Knoten C sind nicht zwangsläufig dedizierte Repeater. Es kann sich um Handfunkgeräte, fahrzeugmontierte, rucksackgetragene oder luftgestützte Funkgeräte handeln, die für ihre eigene Kommunikation genutzt werden und gleichzeitig Pakete für andere Knoten weiterleiten.
| Netzwerktyp | Datenpfad | Infrastrukturabhängigkeit |
|---|---|---|
| Direktfunk | Funkgerät zu Funkgerät | Gering, jedoch normalerweise auf die direkte HF-Reichweite begrenzt |
| Infrastrukturnetzwerk | Endgerät über Basisstation oder Access Point | Abhängig von fester Infrastruktur |
| MANET | Direkt oder über mehrere Hops durch andere Knoten | Kann sich ohne feste zentrale Basisstation bilden |
Der Begriff "infrastrukturunabhängig" bedeutet nicht, dass ein MANET niemals feste Knoten, Einsatzleitfahrzeuge oder Gateways verwenden kann. Ein Relais an einem erhöhten Standort, ein Fahrzeugfunkgerät oder ein festes Gateway kann weiterhin die Abdeckung verbessern und das Feldnetzwerk mit anderen Systemen verbinden. Der Unterschied besteht darin, dass diese Geräte nicht der einzige zentrale Punkt sein müssen, über den jeder lokale Knoten kommuniziert.
Selbstbildendes Mesh und Nachbarerkennung
Ein MANET wird bereits nützlich, bevor eine Multi-Hop-Route aufgebaut wurde. Die Funkgeräte müssen zunächst feststellen, welche anderen Knoten über Funk tatsächlich erreichbar sind.
Wenn Knoten aktiv werden, tauschen sie Informationen aus, mit denen das Netzwerk benachbarte Funkgeräte und verfügbare drahtlose Verbindungen erkennen kann. Die genaue Signalisierung hängt von der jeweiligen MANET-Implementierung ab, der Prozess umfasst jedoch üblicherweise mehrere Funktionen.
Nachbarerkennung
Jeder Knoten erkennt Funkgeräte, die aktuell erreichbar sind. Ein Handfunkgerät, das sich mit einer Einsatzkraft bewegt, kann gleichzeitig ein anderes Handfunkgerät, einen fahrzeugmontierten Knoten und ein luftgestütztes Relais erkennen.
Diese Beziehungen bleiben nicht dauerhaft bestehen. Ein Funkgerät, das jetzt ein benachbarter Knoten ist, kann wenige Minuten später den nutzbaren Bereich verlassen, wenn sich Personen oder Fahrzeuge bewegen.
Verbindungsbewertung
Das Erkennen eines anderen Funkgeräts bedeutet nicht automatisch, dass es den besten Pfad bietet. Das MANET kann Eigenschaften wie Signalqualität, Verfügbarkeit der Verbindung, Kanalbedingungen und andere vom System unterstützte Routing-Metriken bewerten.
Eine starke direkte Verbindung kann in einem Moment bevorzugt werden, während ein anderer Multi-Hop-Pfad geeigneter sein kann, nachdem sich einer der Knoten hinter ein Gebäude oder ein Geländehindernis bewegt hat.
Routenbildung
Sobald genügend Informationen über die Topologie verfügbar sind, kann der Datenverkehr über einen oder mehrere Knoten weitergeleitet werden.
Angenommen, Knoten A kann Knoten D nicht direkt erreichen, während die folgenden Verbindungen weiterhin nutzbar sind:
A → B → C → D
Ein von Knoten A erzeugtes Paket kann zunächst an B übertragen werden. Knoten B leitet es an C weiter, und C leitet es an D weiter. Aus Sicht der Anwendung sind A und D miteinander verbunden, obwohl zwischen ihnen keine direkte HF-Verbindung besteht.
Daraus ergibt sich eine der treffendsten Beschreibungen eines MANET-Funkgeräts:
Ein MANET-Funkgerät ist sowohl ein Kommunikationsendgerät als auch, wenn erforderlich, Teil der Netzwerkinfrastruktur, die zur Weiterleitung des Datenverkehrs anderer Knoten verwendet wird.
Die Fähigkeit, solche Pfade automatisch zu bilden, wird üblicherweise als selbstbildend bezeichnet. Dadurch muss das Personal nicht jedes Mal manuell einen neuen Repeater-Pfad konfigurieren, wenn sich die Feldtopologie verändert.
Multi-Hop-Routing und Dynamische Topologie
Das Wort "Mobile" in Mobile Ad Hoc Network ist wichtig, weil davon ausgegangen wird, dass sich die Topologie verändert.
Betrachten wir eine Betriebsroute, die zunächst folgendermaßen aussieht:
Knoten A → Knoten B → Knoten C → Knoten D
Wenn sich Knoten B entfernt und seine Verbindungen verloren gehen, kann der ursprüngliche Pfad keinen Datenverkehr mehr übertragen. Wenn ein anderer Knoten eine nutzbare Alternative bietet, kann sich das Netzwerk neu organisieren:
Knoten A → Knoten E → Knoten C → Knoten D
Je nach MANET-Implementierung kann die Routenverwaltung proaktive, reaktive, hybride oder proprietäre Routing-Verfahren einsetzen. Einige Systeme halten Topologieinformationen kontinuierlich aktuell, während andere Routen erst dann erkennen oder aktualisieren, wenn Kommunikation erforderlich ist. Der konkrete Algorithmus variiert, das technische Ziel ist jedoch ähnlich: Der Datenverkehr soll einem aktuell nutzbaren Pfad folgen, während sich die drahtlose Umgebung verändert.
Dieses Verhalten wird häufig als Selbstheilung bezeichnet, doch der Begriff sollte mit Bedacht verwendet werden. Selbstheilung bedeutet weder, dass sich ein ausgefallenes Funkgerät selbst repariert, noch garantiert sie unter jeder Topologie eine unterbrechungsfreie Kommunikation.
Es bedeutet, dass das Netzwerk beim Ausfall eines Knotens oder einer Verbindung eine andere Route wählen kann, wenn ein alternativer HF-Pfad vorhanden ist.
Wenn beispielsweise Knoten B ausfällt, Knoten A und C jedoch beide Knoten E erreichen können, kann das Routing über E erfolgen. Wenn Knoten B der einzige Knoten war, der zwei räumlich getrennte Gruppen per Funk miteinander verbunden hat, und kein alternativer Pfad existiert, kann sich das Netzwerk in zwei voneinander getrennte Segmente aufteilen. Dieser Zustand wird üblicherweise als Netzwerkpartition bezeichnet.
Die Platzierung der Knoten bleibt daher wichtig. MANET reduziert die Abhängigkeit von fester Infrastruktur, kann jedoch die grundlegenden physikalischen Eigenschaften der HF-Ausbreitung nicht umgehen. Gelände, Gebäude, Entfernung und Störungen bestimmen weiterhin, ob genügend Verbindungen für ein funktionierendes Routing vorhanden sind.
Sprache, Video und Daten über ein MANET
Moderne MANET-Systeme sind nicht auf Push-to-Talk-Sprachkommunikation beschränkt. Sobald die Funkgeräte ein IP-fähiges mobiles Netzwerk bilden, können verschiedene Anwendungstypen denselben drahtlosen Transport nutzen.
Eine Einsatzkraft kann PTT-Sprache und GPS-Positionsdaten übertragen, während ein anderer Benutzer Bilder sendet. Ein Fahrzeugknoten kann Telemetriedaten übertragen oder eine lokale IP-Kamera anbinden. Ein luftgestützter Knoten kann Echtzeitvideo an ein mobiles Einsatzleitfahrzeug übertragen.
Ein Videostream kann beispielsweise folgenden Pfad nehmen:
Kamera / MANET-Funkgerät → Feldknoten → Relaisknoten → Fahrzeug-MANET-Funkgerät → Führungsanwendung
Die Herausforderung besteht darin, dass diese Anwendungen nicht dieselben Netzwerkanforderungen haben.
Sprache benötigt normalerweise vergleichsweise wenig Bandbreite, reagiert jedoch sehr empfindlich auf Verzögerungen, Jitter und Paketverluste. Ein Gespräch kann selbst bei scheinbar ausreichendem Durchsatz schwierig werden, wenn Pakete zu spät oder unregelmäßig eintreffen.
Live-Video benötigt erheblich mehr Bandbreite und kann seine Bitrate an die verfügbare Netzwerkkapazität anpassen. Mit zunehmender Anzahl von Hops oder sich verschlechternden HF-Bedingungen kann es schwieriger werden, hochauflösendes Video aufrechtzuerhalten.
GPS-Positionen, Nachrichten und Telemetrie benötigen normalerweise deutlich weniger Bandbreite, können jedoch häufige und zuverlässige Aktualisierungen erfordern, damit eine Führungsanwendung ein genaues Lagebild aufrechterhalten kann.
Beim MANET-Design geht es daher um mehr als die Maximierung des Spitzendurchsatzes. Ein praxistaugliches Netzwerk muss berücksichtigen:
Latenz für Echtzeitsprache und Führungsverkehr;
Jitter und Paketverluste über wechselnde HF-Verbindungen;
Verfügbare Bandbreite für Live-Video;
QoS-Behandlung unterschiedlicher Verkehrsklassen;
Verbindungsstabilität, während sich Knoten im Einsatzgebiet bewegen.
Ein Netzwerk, das zwischen zwei stationären Funkgeräten auf freiem Feld einen hohen Durchsatz erreicht, kann sich völlig anders verhalten, wenn zehn oder zwanzig mobile Knoten gleichzeitig Sprache, Telemetrie und mehrere Videostreams weiterleiten.
MANET-Reichweite, Hop-Anzahl und Netzwerkkapazität
"Wie groß ist die Reichweite eines MANET-Funkgeräts?" klingt nach einer einfachen Frage, doch ein einzelner Reichweitenwert beschreibt die tatsächliche Leistung eines MANET nur selten ausreichend.
Es gibt zwei unterschiedliche Konzepte: HF-Reichweite eines einzelnen Hops und Ende-zu-Ende-Netzwerkreichweite.
Die Reichweite eines einzelnen Hops beschreibt, wie weit zwei Knoten unter bestimmten Bedingungen direkt miteinander kommunizieren können. Sie wird durch Frequenz, Sendeleistung, Antennengewinn, Antennenhöhe, Gelände, Gebäude, Vegetation, Störungen und Empfängerleistung beeinflusst.
Eine direkte Verbindung kann so aussehen:
Knoten A → Knoten B
Ein MANET kann die Kommunikation über diese einzelne Verbindung hinaus erweitern, indem Zwischenknoten einbezogen werden:
Knoten A → Knoten B → Knoten C → Knoten D
Knoten A kann daher Datenverkehr mit Knoten D austauschen, auch wenn sich beide weit außerhalb ihrer gegenseitigen direkten Funkreichweite befinden.
Das bedeutet jedoch nicht, dass jeder zusätzliche Hop kostenlos zusätzliche Netzabdeckung bietet. Multi-Hop-Weiterleitung verursacht Aufwand.
Zwischenknoten benötigen Funkzeit, um Datenverkehr zu empfangen und erneut zu übertragen. Abhängig von Funkarchitektur, Kanalplanung und Netzwerkimplementierung kann eine höhere Anzahl von Hops die Ende-zu-Ende-Latenz erhöhen und die für einzelne Datenströme verfügbare Kapazität reduzieren. Ein stark ausgelasteter Relaisknoten nahe dem Zentrum der Topologie kann außerdem gleichzeitig den Datenverkehr vieler Benutzer übertragen.
Zusätzliche Hops können daher zu Folgendem führen:
Zusätzlicher Latenz;
Höherem Verbrauch gemeinsam genutzter Funkzeit;
Geringerem effektivem Durchsatz auf bestimmten Routen;
Häufigeren Routenänderungen, wenn sich Zwischenknoten bewegen;
Stärkerer Beeinflussung durch Störungen und schwache HF-Verbindungen.
Der Vorteil von MANET ist daher nicht eine "unbegrenzte Funkreichweite". Der Nutzen liegt vielmehr darin, verteilte Knoten einzusetzen, um die Netzwerkreichweite in Bereiche auszudehnen, in denen eine einzelne direkte HF-Verbindung nicht möglich wäre.
Aus demselben Grund spielt die Knotendichte eine wichtige Rolle. Zu wenige Knoten, die über ein großes Einsatzgebiet verteilt sind, können Lücken ohne alternative Pfade verursachen. Sinnvoll platzierte Relaisknoten können die Konnektivität verbessern, aber das bloße Hinzufügen weiterer Funkgeräte ohne Berücksichtigung der HF-Bedingungen und der Verkehrslast erhöht die Netzwerkkapazität nicht automatisch.
Bereitstellungsparameter und Backhaul-Integration
Die Leistung eines MANET hängt stark davon ab, wie das Netzwerk bereitgestellt wird. Der Routing-Algorithmus kann nicht jede schlechte Entscheidung beim HF- oder Systemdesign ausgleichen.
Frequenz und Kanalbandbreite
Die Frequenz beeinflusst die Ausbreitung, die Antenneneigenschaften und die Art, wie Signale mit Gebäuden, Gelände und Vegetation interagieren. Die Kanalbandbreite beeinflusst die verfügbare Datenkapazität und kann sich auch darauf auswirken, wie das Netzwerk in stark belegten oder störungsreichen Frequenzbereichen arbeitet.
Eine Bereitstellung, die für weitreichende Sprachkommunikation und Positionsübermittlung optimiert ist, kann daher deutlich andere HF-Parameter verwenden als ein Netzwerk, das mehrere Videostreams mit hoher Bitrate übertragen soll.
Knotendichte und Mobilität
MANET benötigt genügend nutzbare drahtlose Beziehungen, um alternative Pfade bilden zu können. Wenn die Knoten zu weit voneinander entfernt sind, stehen dem Multi-Hop-Routing keine geeigneten Verbindungen zur Verfügung.
Auch die Mobilität beeinflusst die Routenstabilität. Ein Netzwerk aus relativ langsam bewegten Bodenteams verändert seine Topologie normalerweise weniger stark als ein Netzwerk, das schnelle Fahrzeuge, Luftfahrzeuge und Benutzer mit Handfunkgeräten in dicht bebauten städtischen Bereichen kombiniert.
Antennenplatzierung
Die Position der Antenne kann ebenso wichtig sein wie die Sendeleistung. Ein Fahrzeugfunkgerät mit korrekt installierter externer Antenne kann einen wesentlich leistungsfähigeren Relaispunkt darstellen als ein Handfunkgerät, das dicht am Körper getragen wird. Ein luftgestützter Knoten kann in bestimmten Fällen nützliche Sichtverbindungen zwischen Bodenteams herstellen, die durch Gelände oder Gebäude voneinander getrennt sind.
Aus diesem Grund ergänzen sich tragbare, fahrzeugmontierte und luftgestützte MANET-Funkgeräte häufig, anstatt vollständig austauschbar zu sein.
Feldnetzwerk und Backhaul
MANET ist in erster Linie für die Kommunikation zwischen Knoten innerhalb des Einsatzgebiets zuständig. Eine Führungsorganisation kann jedoch zusätzlich Informationen über dieses lokale Netzwerk hinaus übertragen müssen.
Eine typische Architektur könnte folgendermaßen aussehen:
Handheld- / Fahrzeug- / UAV-MANET-Knoten → Mobiler Führungsknoten → 4G- / 5G- / Satelliten- / Glasfaser-Backhaul → Entfernte Leitstelle
MANET und Backhaul lösen unterschiedliche Aufgaben. MANET stellt das lokale mobile Mesh zwischen den Anwendern im Einsatzgebiet bereit. Mobilfunk, Satellit, Richtfunk oder Glasfaser können die Fernverbindung zwischen diesem Feldnetzwerk und einer entfernten Leitstelle bereitstellen.
Die Trennung dieser beiden Ebenen ist bei der Bewertung der Ausfallsicherheit wichtig. Ein Ausfall des Satelliten-Backhauls bedeutet nicht zwangsläufig, dass lokale MANET-Benutzer die Kommunikation untereinander verlieren. Ebenso kann eine funktionierende Satellitenverbindung ein Feld-MANET nicht kompensieren, das sich in voneinander isolierte HF-Segmente aufgeteilt hat.
FAQ
Ist ein MANET-Funkgerät dasselbe wie ein Walkie-Talkie?
Nicht unbedingt. Ein herkömmliches Walkie-Talkie kommuniziert normalerweise direkt mit einem anderen Funkgerät oder über eine feste Repeater-Infrastruktur. Ein MANET-Funkgerät kann Teil eines Ad-hoc-Datennetzwerks sein, in dem Knoten einander erkennen und Pakete über mehrere drahtlose Hops weiterleiten können. Je nach System kann dieses Netzwerk neben PTT-Sprache auch IP-Daten, Video, Standortinformationen und weitere Dienste übertragen.
Benötigt ein MANET-Funkgerät eine Basisstation?
Ein MANET kann die Kommunikation zwischen den beteiligten Knoten herstellen, ohne eine konventionelle zentrale Basisstation zu benötigen. Feste Relais, Fahrzeugknoten, Funkgeräte an erhöhten Standorten oder Gateways können weiterhin hinzugefügt werden, um Abdeckung, Kapazität oder die Verbindung zu anderen Netzwerken zu verbessern. Sie müssen jedoch nicht zwingend als einziger Kontrollpunkt für jeden lokalen Kommunikationspfad dienen.
Was geschieht, wenn ein MANET-Knoten ausfällt?
Wenn ein anderer nutzbarer Pfad vorhanden ist, kann das Netzwerk den Datenverkehr über andere Knoten weiterleiten. Eine Route, die ursprünglich A → B → C verwendet hat, kann sich beispielsweise nach dem Ausfall von Knoten B zu A → D → C ändern. War der ausgefallene Knoten die einzige HF-Brücke zwischen zwei Bereichen des Netzwerks und existiert kein alternativer Pfad, kann das MANET bis zur Wiederherstellung der Konnektivität in getrennte Segmente aufgeteilt werden.
Können MANET-Funkgeräte Live-Video übertragen?
Ja, MANET-Systeme mit ausreichendem IP-Durchsatz können Live-Video übertragen. Die tatsächliche Leistung hängt jedoch von den HF-Bedingungen, der Kanalbandbreite, der Modulation, den Störungen, der Video-Bitrate, der Anzahl aktiver Benutzer und der Anzahl drahtloser Hops auf der Route ab. Videodaten stellen im Allgemeinen wesentlich höhere Anforderungen an die Netzwerkkapazität als Sprache, Nachrichten oder Positionsmeldungen.
Was ist der Unterschied zwischen einem Mesh-Funkgerät und einem MANET-Funkgerät?
Die Begriffe werden teilweise gemeinsam verwendet, da beide eine drahtlose Weiterleitung über mehrere Netzwerkknoten umfassen können. MANET legt jedoch besonderen Schwerpunkt auf eine mobile Ad-hoc-Topologie, in der sich Netzwerkknoten bewegen können und sich die Routen an veränderte Verbindungsbedingungen anpassen. "Mesh radio" ist eine allgemeinere Bezeichnung und kann auch feste oder überwiegend statische drahtlose Mesh-Netzwerke beschreiben.
Was ist der Unterschied zwischen MANET und RoIP?
Sie lösen unterschiedliche Kommunikationsaufgaben. MANET stellt das drahtlose IP-Netzwerk zwischen mobilen Knoten bereit, während RoIP Funk-Audio und Steuersignale über ein IP-Netzwerk überträgt. Ein RoIP-Gateway kann einen bestehenden Funkkanal über IP erweitern oder integrieren, erzeugt jedoch allein nicht das dynamische mobile Multi-Hop-Mesh, das für MANET charakteristisch ist.
Becke Telcom bietet MANET-Funkgeräte, RoIP-Gateways, Funkdispatch-Systeme, IP-Kommunikation und Unified-Communications-Lösungen für mobile Teams, Einsatzleitfahrzeuge und Feldkommunikationsumgebungen sowie Systemintegrationsoptionen für Sprache, Daten, Video und entfernte Backhaul-Verbindungen.
