Mesh radio-netwerk: internet zonder centrale zendmast
Stel je een menigte mensen voor op een plein waar geen mobiel bereik is. In plaats van dat iedereen tevergeefs naar één centrale toren probeert te schreeuwen, fluistert de een een boodschap door aan zijn buurman, die het weer doorgeeft aan de volgende, tot het bericht op de plek van bestemming aankomt. Dat is in essentie hoe een mesh radio-netwerk werkt: apparaten geven signalen aan elkaar door totdat ze de ontvanger bereiken, zonder dat daar een zendmast, router of provider aan te pas komt.
Zo'n netwerk kan ontstaan tussen smartphones, kleine radiozendertjes of slimme sensoren die met elkaar communiceren via WiFi, Bluetooth of andere radiotechniek. Valt er ergens een schakel uit, dan zoekt het netwerk automatisch een andere route, ongeveer zoals verkeer omrijdt bij een afgesloten weg. Deze eigenschap maakt mesh-netwerken aantrekkelijk voor situaties waarin gewone telecominfrastructuur ontbreekt, uitvalt, of bewust wordt platgelegd.
Wat is het precies?
In een gewoon draadloos netwerk praat elk apparaat rechtstreeks met één centraal punt, bijvoorbeeld een zendmast van je provider of de WiFi-router thuis. Valt dat centrale punt uit, dan valt de hele verbinding uit. Een mesh-netwerk (het Engelse woord mesh betekent maas of net) werkt anders: elk apparaat, een zogeheten node of knooppunt, kan zowel zenden als ontvangen én berichten van andere nodes doorgeven aan de volgende node in de keten.
Zo'n doorgifte heet een hop. Een bericht kan meerdere hops nodig hebben voordat het zijn bestemming bereikt, verspreid over tientallen of honderden nodes die samen een dekkingsgebied vormen dat groter is dan het bereik van één enkel apparaat. Software binnen elke node, het routeringsalgoritme, bepaalt automatisch welke weg door het netwerk op dat moment het snelst of betrouwbaarst is, en herberekent die route zodra een node uitvalt of een betere verbinding beschikbaar komt. Dat zelfherstellend vermogen wordt self-healing genoemd.
Voor de radioverbinding zelf worden verschillende technologieën gebruikt, elk met eigen voor- en nadelen. WiFi-mesh, vastgelegd in de standaard 802.11s, biedt relatief veel bandbreedte maar een beperkt bereik per hop, van enkele tientallen tot een paar honderd meter. LoRa (van Long Range) gebruikt lagere radiofrequenties, waardoor het signaal kilometers ver kan reizen bij zeer laag stroomverbruik, maar dan wel met een minieme hoeveelheid data per seconde. Bluetooth Mesh en protocollen als Zigbee en Thread zijn vooral bedoeld voor kleine, energiezuinige apparaten in en om huis, zoals slimme lampen en sensoren.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van mesh-netwerken is veerkracht: communicatie die blijft werken wanneer de gewone infrastructuur wegvalt. Dat kan gaan om een aardbeving die zendmasten beschadigt, een orkaan die de stroom uitschakelt, of simpelweg een gebied waar nooit een telecomkabel is aangelegd omdat het commercieel niet interessant genoeg was.
Daarnaast spelen politieke en economische motieven mee. Sommige gemeenschappen bouwen eigen mesh-netwerken op om onafhankelijk te zijn van commerciële providers, uit kostenoverwegingen of uit een wens tot decentralisatie: niemand bezit of controleert het netwerk, iedereen die meedoet draagt er een stukje van. In landen of situaties waarin autoriteiten internet- of mobiele verbindingen kunnen afsluiten, bieden mesh-apps een manier om toch berichten uit te wisselen, al is die toepassing in de praktijk beperkter dan vaak wordt gesuggereerd, zoals verderop blijkt.
Tot slot is er een groeiende toepassing binnen het internet of things (IoT), het geheel van kleine, vaak op batterijen werkende apparaten zoals sensoren en slimme huishoudapparaten. Die apparaten hebben zelden genoeg vermogen om rechtstreeks met een verre zendmast te praten, maar kunnen wel prima een bericht doorgeven aan hun buurapparaat, dat het weer doorstuurt.
Voorbeelden uit de praktijk
Guifi.net is een van de oudste en grootste voorbeelden. Dit community-netwerk in Catalonië, Spanje, ontstond begin jaren 2000 omdat bewoners van landelijke gebieden geen toegang hadden tot breedband. Inmiddels bestaat het uit duizenden aangesloten knooppunten, deels via mesh-WiFi en deels via vaste verbindingen, onderhouden door vrijwilligers en lokale organisaties.
NYC Mesh is een non-profitinitiatief in New York, opgericht in 2014, dat buurtbewoners een betaalbaar alternatief biedt voor de grote internetproviders door daken met elkaar te verbinden via richtantennes en mesh-technologie.
In 2014 werd de app FireChat wereldwijd bekend toen demonstranten in Hongkong hem gebruikten om via Bluetooth en WiFi Direct rechtstreeks met elkaars telefoons te communiceren, zonder mobiel netwerk. Vergelijkbare apps zoals Bridgefy kregen aandacht tijdens latere protesten, onder meer in Hongkong in 2019 en in Belarus. Het is eerlijk om te vermelden dat de daadwerkelijke schaal en betrouwbaarheid van dit soort telefoon-tot-telefoon mesh-netwerken in de praktijk beperkt is gebleken: het bereik per sprong is klein en bij te veel gebruikers tegelijk raakt het netwerk overbelast.
Academisch onderzoek naar noodcommunicatie loopt via het Serval Project van Flinders University in Australië, dat mesh-telefonie ontwikkelt voor rampgebieden en die technologie heeft getest na natuurrampen in de Stille Oceaanregio, waaronder een cycloon die Vanuatu trof.
Hoe ver is de techniek?
Verschillende onderdelen van mesh-technologie zijn al volwassen. De WiFi-meshstandaard 802.11s werd in 2011 vastgesteld door het internationale ingenieursgenootschap IEEE en wordt sindsdien toegepast in onder meer bedrijfsnetwerken en consumentenapparatuur zoals meshrouters voor thuis. Bluetooth Mesh, een specificatie van de Bluetooth SIG uit 2017, wordt vooral gebruikt in gebouwbeheer, bijvoorbeeld voor het aansturen van honderden slimme lampen in één pand.
Voor slimme-huistoepassingen wint Thread terrein, een op internetprotocollen (IPv6) gebaseerd meshprotocol dat via de nieuwere Matter-standaard steeds vaker in slimme deursloten, thermostaten en lampen zit.
Toch blijven er duidelijke obstakels. Grotere netwerken kampen met toenemende routeringsoverhead: hoe meer nodes, hoe meer rekenwerk en radioverkeer nodig is om alleen al bij te houden welke route waar het beste loopt, wat ten koste gaat van batterijduur en snelheid. Interferentie tussen radiosignalen in drukke omgevingen vormt een ander probleem. En hoewel er al ruim tien jaar wordt geëxperimenteerd met mesh-netwerken voor rampenbestrijding, is grootschalige, betrouwbare inzet tijdens daadwerkelijke rampen tot nu toe zeldzaam gebleven; de meeste succesverhalen spelen zich af op kleinere schaal of in gecontroleerde tests.
Wie werken eraan?
Aan de commerciële kant maken bedrijven als het Amerikaanse goTenna kleine mesh-radiozendertjes die smartphones met elkaar laten communiceren zonder netwerkdekking, en ontwikkelt het Mexicaanse Bridgefy mesh-berichtenapps.
Standaarden komen tot stand via samenwerkingsverbanden: de Thread Group, met grote technologiebedrijven als Google (Nest), Apple, Amazon en Samsung als leden, beheert het Thread-protocol voor slimme huizen. De Bluetooth SIG onderhoudt de Bluetooth Mesh-specificatie, de werkgroepen van het IEEE de WiFi-meshstandaarden, en de IETF (Internet Engineering Task Force) houdt zich bezig met de onderliggende internetprotocollen die mesh-netwerken gebruiken.
Daarnaast bestaat er een levendige wereld van vrijwilligers- en non-profitinitiatieven: naast Guifi.net en NYC Mesh is er in Duitsland de beweging Freifunk, actief sinds begin jaren 2000, die op meerdere plekken in het land lokale, vrije mesh-netwerken opzet en onderhoudt. Aan de wetenschappelijke kant blijft het Serval Project van Flinders University een van de belangrijkste onderzoeksinitiatieven op het gebied van noodcommunicatie via mesh.