АНАЛІЗ СТАНУ ТА ПРОБЛЕМ ФУНКЦІОНУВАННЯ БЕЗПРОВОДОВИХ AD HOC ТА MESH МЕРЕЖ

Олексій Джусь; Михайло Лобур

doi:10.28925/2663-4023.2025.30.914

Автор(и)

Олексій Джусь Національний університет «Львівська Політехніка» https://orcid.org/0009-0004-0030-6162
Михайло Лобур Національний університет «Львівська Політехніка» https://orcid.org/0000-0001-7516-1093

DOI:

https://doi.org/10.28925/2663-4023.2025.30.914

Ключові слова:

ad hoc мережа, mesh мережа, самоорганізація, багатострибкова маршрутизація, пропускна здатність, затримка, енергоефективність, оптимізація ресурсів, MANET, VANET, WSN, FANET, WMN, IEEE 802.11s, інтерференція, балансування навантаження, QoS, IoT.

Анотація

У статті представлено комплексний аналіз стану та проблем функціонування безпроводових ad hoc та mesh мереж, з акцентом на їх архітектурні особливості, класифікацію, сфери застосування та ключові виклики. Безпроводові ad hoc мережі, такі як MANET, VANET, WSN, FANET, UWVANET, SANET та HANET, характеризуються самоорганізацією, багатострибковою маршрутизацією та високою мобільністю вузлів, що робить їх ідеальними для сценаріїв без фіксованої інфраструктури, наприклад, військових операцій, реагування на стихійні лиха, інтелектуального транспорту та моніторингу середовища. Водночас, mesh мережі додають статичну магістраль зі шлюзами, багаторадіо інтерфейсами та інтеграцією з іншими мережами, забезпечуючи кращу пропускну здатність, стабільність та масштабованість, але вимагаючи ретельного управління ресурсами. Аналіз останніх досліджень охоплює архітектури безпроводових mesh мереж ‘Wireless Mesh Networks’ (WMNs), протоколи маршрутизації (HWMP, OLSR, BATMAN), багатоканальні конструкції та ієрархічні моделі. Методика дослідження базується на теоретичних моделях, емпіричному аналізі проблем (інтерференція, енергетичні обмеження, нестабільність топології) та порівняльному аналізі. Результати демонструють, що класична теорія показує падіння пропускної здатності у великих мережах через перешкоди та спільне використання каналів, а затримка накопичується як сума часу на стрибках з урахуванням черг і обробки. Особлива увага приділена ролі проміжних вузлів у багатострибкових мережах: вони забезпечують маршрутизацію, балансування навантаження, стійкість та розширення покриття, але створюють виклики, такі як overhead та ризики зловмисної поведінки. Проблеми ефективності включають перешкоди, енергетичні компроміси, складність розгортання та технологічні обмеження (наприклад, робочий цикл LoRa). Обмеження пропускної здатності та затримки аналізуються через формули Шеннона та накопичувальної затримки, з прикладами деградації в мобільних сценаріях. Нестабільність топології через мобільність вузлів моделюється ймовірністю розрив.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Abdulrab, H., Hussin, F. A., Ismail, I., Assaad, M., Awang, A., Shutari, H., & Arun, D. (2024). Energy Efficient Optimal Deployment of Industrial Wireless Mesh Networks using Transient Trigonometric Harris Hawks Optimizer. Heliyon, 10(7), e28719. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e28719

Abdulrab, H. Q. A., Hussin, F. A., Aziz, A. A., Awang, A., Ismail, I., Saat, M. S. M., & Shutari, H. (2022). Optimal Coverage and Connectivity in Industrial Wireless Mesh Networks Based on Harris’ Hawk Optimization Algorithm. IEEE Access, 10, 51048–51061. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3173316

Abdulrab, H. Q. A., Hussin, F. A., Ismail, I., Assaad, M., Awang, A., Shutari, H., & Devan, P. A. M. (2023). Hybrid Harris Hawks with Sine Cosine for Optimal Node Placement and Congestion Reduction in an Industrial Wireless Mesh Network. IEEE Access, 11, 2500–2523. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3234109

Ad Hoc Wireless Networks. (2014). In K. Erciyes, Complex Networks (pp. 269–289). CRC Press. https://doi.org/10.1201/b17409-17

Akyildiz, I. F., Wang, X., & Wang, W. (2005). Wireless Mesh Networks: A Survey. Computer Networks, 47(4), 445–487. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2004.12.001

Al Ajrawi, S., & Tran, B. (2024). Mobile Wireless Ad-Hoc Network Routing Protocols Comparison for Real-Time Military Application. Spatial Information Research, 32(1), 119–129. https://doi.org/10.1007/s41324-023-00535-z

Al-Absi, M. A., Al-Absi, A. A., Sain, M., & Lee, H. (2021). Moving Ad Hoc Networks—A Comparative Study. Sustainability, 13(11), 6187. https://doi.org/10.3390/su13116187

Bano, M., Qayyum, A., Bin Rais, R. N., & Gilani, S. S. A. (2021). Soft-Mesh: A Robust Routing Architecture for Hybrid SDN and Wireless Mesh Networks. IEEE Access, 9, 87715–87730. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3089020

Benyamina, D., Hafid, A., & Gendreau, M. (2012). Wireless Mesh Networks Design–A Survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 14(2), 299–310. https://doi.org/10.1109/SURV.2011.042711.00007

Binh, L. H., T. Duong, T.-V., & M. Ngo, V. (2025). A Novel Approach for the Router Nodes Placement in Wireless Mesh Networks using Phasing with Approximation Optimization Algorithms. PLOS ONE, 20(1), e0318247. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0318247

Binh, L. H., & Truong, T. K. (2022). An Efficient Method for Solving Router Placement Problem in Wireless Mesh Networks using Multi-Verse Optimizer Algorithm. Sensors, 22(15), 5494. https://doi.org/10.3390/s22155494

Biswas, R., Säe, J., Pirskanen, J., & Lempiäinen, J. (2024). Reliable and Low-Latency Communications for Critical Infrastructures Utilizing Wireless Mesh Networks. In 2024 Int. Conf. on Computing, Networking and Communications (ICNC), 100–105. https://doi.org/10.1109/ICNC59896.2024.10556213

Bouckaert, S., Naudts, D., Moerman, I., & Demeester, P. (2008). Making Ad Hoc Networking a Reality: Problems and Solutions. J. of Telecommunications and Information Technology, 1, 3–11. https://doi.org/10.26636/jtit.2008.1.857

Bruno, R., Conti, M., & Gregori, E. (2005). Mesh Networks: Commodity Multihop Ad Hoc Networks. IEEE Communications Magazine, 43(3), 123–131. https://doi.org/10.1109/MCOM.2005.1404606

Chlamtac, I., Conti, M., & Liu, J. J.-N. (2003). Mobile Ad Hoc Networking: Imperatives and Challenges. Ad Hoc Networks, 1(1), 13–64. https://doi.org/10.1016/S1570-8705(03)00013-1

Conti, M., & Giordano, S. (2014). Mobile Ad Hoc Networking: Milestones, Challenges, and New Research Directions. IEEE Communications Magazine, 52(1), 85–96. https://doi.org/10.1109/MCOM.2014.6710069

De La Oliva, A., Banchs, A., & Serrano, P. (2012). Throughput and Energy-Aware Routing for 802.11 based Mesh Networks. Computer Communications, 35(12), 1433–1446. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2012.04.004

Devan, P. A. M., Ibrahim, R., Omar, M., Bingi, K., & Abdulrab, H. (2023). A Novel Hybrid Harris Hawk-Arithmetic Optimization Algorithm for Industrial Wireless Mesh Networks. Sensors, 23(13), 6224. https://doi.org/10.3390/s23136224

Fadlullah, Z. Md., Kawamoto, Y., Nishiyama, H., Kato, N., Egashira, N., Yano, K., & Kumagai, T. (2019). Multi-Hop Wireless Transmission in Multi-Band WLAN Systems: Proposal and Future Perspective. IEEE Wireless Communications, 26(1), 108–113. https://doi.org/10.1109/MWC.2017.1700148

Fitzgerald, E., Pióro, M., & Tomaszewski, A. (2019). Network Lifetime Maximization in Wireless Mesh Networks for Machine-to-Machine Communication. Ad Hoc Networks, 95, 101987. https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2019.101987

Fitzgerald, E., Pióro, M., & Tomaszewski, A. (2020). Energy Versus Throughput Optimisation for Machine-to-Machine Communication. Sensors, 20(15), 4122. https://doi.org/10.3390/s20154122

Garroppo, R. G., Gendron, B., Nencioni, G., & Tavanti, L. (2017). Energy Efficiency and Traffic Offloading in Wireless Mesh Networks with Delay Bounds. Int. J. of Communication Systems, 30(2), e2902. https://doi.org/10.1002/dac.2902

Ghalib, S., Kasem, A., & Ali, A. (2020). Analytical Study of Wireless Ad-Hoc Networks: Types, Characteristics, Differences, Applications, Protocols. In Futuristic Trends in Networks and Computing Technologies (Vol. 1206, pp. 22–40). https://doi.org/10.1007/978-981-15-4451-4_3

Gokalgandhi, B., Tavares, M., Samardzija, D., Seskar, I., & Gacanin, H. (2022). Reliable Low-Latency Wi-Fi Mesh Networks. IEEE Internet of Things J., 9(6), 4533–4553. https://doi.org/10.1109/JIOT.2021.3105981

Goldsmith, A. J., & Wicker, S. B. (2002). Design Challenges for Energy-Constrained Ad Hoc Wireless Networks. IEEE Wireless Communications, 9(4), 8–27. https://doi.org/10.1109/MWC.2002.1028874

Khatib, M., & Alsadi, S. (Eds.). (2020). Wireless Mesh Networks—Security, Architectures and Protocols. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.74910

Lei, L., & Wang, X. (2023). Reducing Delay of a Wireless Mesh Network with Scalable Per-Node Throughput. In IEEE 34th Annual Int. Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 1–6. https://doi.org/10.1109/PIMRC56721.2023.10293945

Lim Sim, M., Ming Chin, C., & Min Tan, C. (2007). Mobile Ad-Hoc Networks: In D. Taniar (Ed.), Encyclopedia of Mobile Computing and Commerce (pp. 424–428). IGI Global. https://doi.org/10.4018/978-1-59904-002-8.ch070

Luo, Y., Luo, Y., Wang, J., & Wang, J. (2021). Technical Introduction of Wireless Mesh Network. Int. J. of Advanced Network, Monitoring and Controls, 6(2), 73–78. https://doi.org/10.21307/ijanmc-2021-019

Mekhmoukh Taleb, S., Meraihi, Y., Gabis, A. B., Mirjalili, S., Zaguia, A., & Ramdane-Cherif, A. (2022). Solving the Mesh Router Nodes Placement in Wireless Mesh Networks Using Coyote Optimization Algorithm. IEEE Access, 10, 52744–52759. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3166866

Naït‐Abdesselam, F., Chen, K. C., Elmallah, E. S., & Frank, M. (2011). Architectures and Protocols for Wireless Mesh, Ad Hoc, and Sensor Networks. Wireless Communications and Mobile Computing, 11(3), 303–305. https://doi.org/10.1002/wcm.1126

Ouni, A., Rivano, H., Valois, F., & Rosenberg, C. (2015). Energy and Throughput Optimization of Wireless Mesh Networks with Continuous Power Control. IEEE Transactions on Wireless Communications, 14(2), 1131–1142. https://doi.org/10.1109/TWC.2014.2364815

Pandey, M. A. (2015). Link Stability in Mobile Ad Hoc Network. Int. J. of Emerging Trends in Science and Technology, 2(04).

Pathak, P. H., & Dutta, R. (2011). A Survey of Network Design Problems and Joint Design Approaches in Wireless Mesh Networks. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 13(3), 396–428. https://doi.org/10.1109/SURV.2011.060710.00062

Pourdehghan, S., & Derakhshanfard, N. (2025). Malicious Node Aware Wireless Multi Hop Networks: A Systematic Review of the Literature and Recommendations for Future Research. arXiv. https://doi.org/10.48550/arxiv.2506.05742

Qiu, T., Chen, N., Li, K., Qiao, D., & Fu, Z. (2017). Heterogeneous Ad Hoc Networks: Architectures, Advances and Challenges. Ad Hoc Networks, 55, 143–152. https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2016.11.001

Qu, Y., Ng, B., & Seah, W. (2016). A Survey of Routing and Channel Assignment in Multi-Channel Multi-Radio WMNs. J. of Network and Computer Applications, 65, 120–130. https://doi.org/10.1016/j.jnca.2016.02.017

Ragab, A. R. S. A. (2020). A New Classification for Ad-Hoc Network. Int. J. of Interactive Mobile Technologies, 14(14), 214. https://doi.org/10.3991/ijim.v14i14.14871

Raniwala, A. & Tzi-cker Chiueh. (2005). Architecture and Algorithms for an IEEE 802.11-based Multi-Channel Wireless Mesh Network. In IEEE 24th Annual Joint Conf. of the IEEE Computer and Communications Societies., 3, 2223–2234. https://doi.org/10.1109/INFCOM.2005.1498497

Raza, N., Umar Aftab, M., Qasim Akbar, M., Ashraf, O., & Irfan, M. (2016). Mobile Ad-Hoc Networks Applications and Its Challenges. Communications and Network, 08(03), 131–136. https://doi.org/10.4236/cn.2016.83013

Rejina Parvin, J. (2020). An Overview of Wireless Mesh Networks. In M. Khatib & S. Alsadi (Eds.), Wireless Mesh Networks—Security, Architectures and Protocols. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.83414

Prabha, C., & Kumar, S., Khanna R. (2014). Wireless Multi-Hop Ad-Hoc Networks: A Review. IOSR J. of Computer Engineering, 16(2), 54–62. https://doi.org/10.9790/0661-16265462

Santhuja, P., Srinivasan, S., Sabapathy Ranganathan, C., Latha, N., & Kumar C, S. (2023). Route Stability with Node Reliability-based Auto Reconfiguration in Wireless Mesh Network. In 2023 2nd Int. Conf. on Smart Technologies for Smart Nation (SmartTechCon), 1271–1275. https://doi.org/10.1109/SmartTechCon57526.2023.10391314

Singh, M. (2019). Wireless Mesh Networks Architecture. In M. Singh, Node-to-Node Approaching in Wireless Mesh Connectivity (pp. 11–14). https://doi.org/10.1007/978-981-13-0674-7_2

Vázquez-Rodas, A., & De La Cruz Llopis, L. J. (2013). Topology Control for Wireless Mesh Networks based on Centrality Metrics. In 10th ACM Symposium on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc, Sensor, & Ubiquitous Networks, 25–32. https://doi.org/10.1145/2507248.2507257

Wang, Z., Liu, H., & Zhou, X. (2025). Research on Optimizing Wireless Mesh Networks for High Throughput, Large Scale Data Streaming Applications. Applied and Comput. Engineering, 134(1), 138–142. https://doi.org/10.54254/2755-2721/2025.22209

Zhao, Y., Wang, C., & Deng, H. (2025). Hop-by-Hop Multipath Overlay Routing for Optimizing Network Resource Allocation in WANs. Electronics, 14(13), 2542. https://doi.org/10.3390/electronics14132542