Meshtastic — łączność awaryjna bez GSM i internetu. Technologia i zasada działania

Meshtastic to otwarte oprogramowanie (firmware) dla małych radiomodułów LoRa — tych samych, które produkują m.in. Heltec, RAK czy LILYGO. Po wgraniu firmware każde urządzenie staje się węzłem sieci mesh: wysyła własne wiadomości i przekazuje dalej cudze. Telefon łączy się z węzłem przez Bluetooth lub USB i służy wyłącznie jako klawiatura i ekran — sama transmisja odbywa się radiem, bez karty SIM, bez internetu i bez żadnej stacji bazowej.

Dla nas, jako zespołu zabezpieczającego wydarzenia, liczy się jedna właściwość: łączność awaryjna działa wtedy, gdy zawodzi infrastruktura. Telefonia komórkowa na stadionie, festiwalu czy biegu masowym potrafi się przeciążyć dokładnie w momencie, w którym tysiące osób jednocześnie próbują dzwonić. W lesie, dolinie czy na terenie poligonu zasięgu po prostu nie ma. Sieć Meshtastic nie zależy od żadnego z tych warunków — węzły zasilane z akumulatora pracują wiele godzin, a wiadomość tekstowa, pozycja GPS czy potwierdzenie odbioru docierają tak długo, jak długo istnieje łańcuch radiowy między nadawcą a odbiorcą.

Podstawą jest modulacja LoRa (Long Range) — technika rozpraszania widma, w której sygnał jest „rozciągany” w czasie i paśmie. Dzięki temu odbiornik wyłuskuje go nawet wtedy, gdy jest słabszy od szumu tła. Ceną jest przepływność: zamiast megabitów mamy pojedyncze kilobity na sekundę. Do krótkich komunikatów tekstowych to wystarcza, do głosu i zdjęć — nie, i to jest pierwsza rzecz, którą wyjaśniamy klientom.

Parametry radia Meshtastic grupuje w presety. Domyślny to LongFast: współczynnik rozpraszania SF11, pasmo 250 kHz, kodowanie 4/5, teoretycznie ok. 1,07 kb/s. Wolniejsze presety dają większy zapas sygnału (zasięg), szybsze — więcej przepustowości kosztem zasięgu. Wszystkie węzły jednej sieci muszą pracować na tym samym presecie i tej samej częstotliwości, inaczej się nie usłyszą.

W Europie Meshtastic korzysta z wąskiego pasma 869,40–869,65 MHz (region EU_868, domyślnie środek 869,525 MHz). To pasmo urządzeń bliskiego zasięgu, w którym nie potrzeba pozwolenia radiowego, ale obowiązują dwa limity: moc do 500 mW e.r.p. i aktywność nadajnika do 10% — czyli nie więcej niż 6 minut nadawania w każdej godzinie. Firmware pilnuje tego sam: po przekroczeniu limitu węzeł przestaje nadawać, dopóki okno się nie zwolni. Ten limit ma praktyczne konsekwencje, które policzyliśmy niżej.

Sieć mesh nie ma centrali. Każdy węzeł, który usłyszy pakiet, może go powtórzyć — i tak wiadomość „przeskakuje” od radia do radia, aż dotrze do adresata. Meshtastic robi to w sposób nazywany zarządzanym rozgłaszaniem (managed flooding), a jego sens najłatwiej pokazać w czterech krokach:

Wiadomości do konkretnej osoby działają nieco inaczej. Pierwsza idzie rozgłaszaniem, ale sieć zapamiętuje, którędy wróciło potwierdzenie, i kolejne pakiety kieruje już wybraną trasą (routing „next hop”, od wersji 2.6). Odbiorca odsyła prawdziwe potwierdzenie odbioru; bez niego nadawca ponawia wysyłkę do pięciu razy, a potem wyświetla błąd. Przy wiadomościach do całego kanału potwierdzeniem jest samo usłyszenie, że ktoś pakiet powtórzył — to ważne rozróżnienie: „poszło na kanał” nie znaczy „przeczytał koordynator”.

Treść jest szyfrowana: kanały kluczem AES, a wiadomości prywatne i polecenia administracyjne — kryptografią klucza publicznego. Węzły pośredniczące przekazują pakiet, nie znając jego treści, bo jawny pozostaje tylko nagłówek z adresem i licznikiem. Dla zespołu medycznego oznacza to, że opis stanu poszkodowanego nie jest czytelny dla przypadkowego posiadacza radia na tym samym paśmie — pod warunkiem, że kanał ma własny klucz, a nie domyślny, publicznie znany.

Liczba „430 pakietów na godzinę” wygląda na ogromny zapas, ale to limit jednego węzła. Kanał jest wspólny: wszystkie radia nadają na tej samej częstotliwości, a każde powtórzenie w sieci zajmuje eter tak samo jak oryginał. Komunikat 80 B na presecie LongFast, który zanim dotrze do adresata, zostanie powtórzony przez trzy węzły, zajmuje kanał na ok. 3,4 s. Do tego dochodzą automatyczne rozgłoszenia: informacje o węzłach, pozycje GPS, telemetria. Kilkadziesiąt radiów raportujących pozycję co minutę potrafi zapchać kanał, zanim ktokolwiek napisze pierwszą wiadomość.

Wnioski, które stosujemy przy projektowaniu sieci: na zwartym terenie imprezy wybieramy szybszy preset, bo zasięgu jest w nadmiarze, a przepustowość się przydaje; wolne presety zostawiamy na rozległy teren z małą liczbą węzłów; interwały pozycji i telemetrii ustawiamy świadomie, a nie domyślnie; a stałe węzły przekaźnikowe (repeatery) stawiamy wysoko, żeby wiadomość potrzebowała jak najmniej przeskoków.

Technologia to połowa sukcesu, druga połowa to sposób pisania. Wiadomość tekstowa w Meshtastic może mieć ok. 200 bajtów, a polskie znaki diakrytyczne zajmują po dwa bajty. Pełne zdanie pisane w stresie jest długie, niejednoznaczne i dłużej zajmuje eter. Dlatego w zabezpieczeniach medycznych imprez pracujemy na stałym szablonie komunikatu, który każdy członek zespołu zna przed rozpoczęciem wydarzenia.

Szablon jest krótszy o jedną trzecią, a niesie więcej informacji: wiek, godzinę założenia opaski (krytyczną dla zespołu przejmującego) i dokładne miejsce — których w swobodnym zdaniu zabrakło. Oszczędność czasu nadawania to efekt uboczny; głównym zyskiem jest to, że koordynator nie musi dopytywać, a każda wymiana pytanie–odpowiedź to kolejne sekundy eteru i minuty dla poszkodowanego.

Pozostałe zasady z naszej praktyki: osobny kanał z własnym kluczem dla zespołu medycznego, oddzielony od kanału organizatora; wiadomości krytyczne zawsze jako prywatne do koordynatora, bo tylko one mają prawdziwe potwierdzenie odbioru; test łączności z każdego punktu medycznego i każdej trasy patrolu przed otwarciem bram; zapasowe zasilanie węzłów stałych. Projekt takiej sieci — od doboru technologii po test zasięgu w terenie — to zakres naszej usługi awaryjnej łączności kryzysowej Meshtastic i MeshCore.

Mówimy to wprost, bo od tego zależy bezpieczeństwo: Meshtastic nie jest systemem powiadamiania ratunkowego. Nie połączy się z numerem 112, nie przenosi głosu i nie gwarantuje czasu dostarczenia — wiadomość może dotrzeć po kilku sekundach albo wcale, jeśli łańcuch radiowy się urwie. Zasięg zależy od terenu i wysokości anten: w gęstej zabudowie bywa to kilkaset metrów między węzłami, przy widoczności optycznej z wysokiego punktu — kilometry. Dlatego obietnice „X kilometrów” bez opisu terenu traktujemy z dystansem i zawsze sprawdzamy zasięg na miejscu.

W naszych zabezpieczeniach łączność awaryjna LoRa jest warstwą zapasową i uzupełniającą: działa obok telefonów i radiotelefonów, przejmuje komunikację, gdy one zawiodą, i daje koordynatorowi podgląd pozycji patroli. Wezwanie Zespołu Ratownictwa Medycznego zawsze idzie kanałem, który dociera do dyspozytora — telefonem, a gdy sieć komórkowa jest przeciążona, przez punkt, który ma działające połączenie. Jeśli zastanawiasz się, czy Twoje wydarzenie w ogóle wymaga obsady medycznej, zacznij od poradnika ilu ratowników na imprezie masowej.

Meshtastic nie jest też jedyną technologią sieci LoRa mesh. Przy planowanej, rozległej infrastrukturze z wieloma stałymi przekaźnikami lepiej sprawdza się często MeshCore, który zamiast rozgłaszania wyznacza trasy. Różnice między nimi opisaliśmy na stronie łączności awaryjnej — wybór to decyzja projektowa, nie kwestia gustu.

Czy Meshtastic działa bez zasięgu GSM i internetu?

Tak. Węzły komunikują się ze sobą bezpośrednio drogą radiową w paśmie 868 MHz. Telefon służy tylko jako ekran i klawiatura połączona z radiem przez Bluetooth lub USB — nie potrzebuje karty SIM ani internetu.

Czy do używania Meshtastic potrzebne jest pozwolenie radiowe?

Nie, w Europie Meshtastic pracuje w paśmie 869,40–869,65 MHz przeznaczonym dla urządzeń bliskiego zasięgu, które można używać bez pozwolenia. Trzeba jednak zachować limit mocy 500 mW e.r.p. i aktywności nadajnika 10% na godzinę — firmware pilnuje tego automatycznie przy poprawnie ustawionym regionie EU_868.

Jaki zasięg ma łączność awaryjna Meshtastic?

Zależy od terenu i wysokości anten: od kilkuset metrów między węzłami w gęstej zabudowie do kilometrów przy widoczności optycznej. Sieć mesh wydłuża zasięg, bo każdy węzeł przekazuje wiadomość dalej — domyślnie do 3 przeskoków, maksymalnie 7. Zasięg zawsze sprawdzamy w terenie przed wydarzeniem.

Czy wiadomości w Meshtastic są szyfrowane?

Tak. Kanały są szyfrowane kluczem AES, a wiadomości prywatne kryptografią klucza publicznego. Węzły pośredniczące przekazują pakiet bez dostępu do treści. Warunek: kanał zespołu musi mieć własny klucz, a nie domyślny, publicznie znany.

Czy Meshtastic może zastąpić telefon alarmowy 112?

Nie. Meshtastic nie łączy się z numerami alarmowymi, nie przenosi głosu i nie gwarantuje czasu dostarczenia. W zabezpieczeniach medycznych używamy go jako warstwy zapasowej i uzupełniającej — wezwanie Zespołu Ratownictwa Medycznego zawsze idzie kanałem, który dociera do dyspozytora.