Meshtastic Hops und Reichweite

Meshtastic lässt Nachrichten höchstens sieben Hops weit wandern, ab Werk stehen drei. Mit drei Hops überbrückt ein Paket vier Funkstrecken, weil der erste Sprung vom Absender zum ersten Knoten noch nicht als Hop zählt. Erst jede Weitergabe danach verbraucht einen Punkt vom Zähler.

Sieben Hops klingen nach mehr als der doppelten Reichweite, bringen in der Praxis aber selten mehr Funkabdeckung, dafür deutlich mehr Verkehr im Kanal.

Ein Gegensatz erklärt, warum der kleine Wert als Voreinstellung gewählt wurde. Die Reichweite wächst mit jedem Hop nur linear, die Zahl der Knoten, die ein Paket wiederholen, wächst dagegen quadratisch. Eine Nachricht erreicht damit zwar entferntere Teilnehmer, belegt aber für alle Knoten im Umkreis den gemeinsamen Kanal, auch für die, die mit dem Gespräch nichts zu tun haben. Wie sich beides verhält, zeigt der Blick auf den Zähler im Paketkopf und auf eine Rechnung mit drei Annahmen: Funkstrecke, Knotendichte und Hoplimit. Die Unterschiede zwischen 3 und 7 fallen dabei größer aus, als die Zahlen vermuten lassen. Wie sich der Wert im Netz einstellen lässt und wo er an Grenzen stößt, steht in den folgenden Abschnitten.

Wie der Hopzähler im Paketkopf arbeitet

Jedes Paket trägt im Kopf zwei Felder: das verbleibende Hoplimit und, seit der Firmware 2.3, zusätzlich den Startwert hop_start. Der Absender schreibt beide Felder auf den eingestellten Wert, etwa 3.

Jeder Knoten, der das Paket empfängt und noch nicht kennt, senkt das Limit um eins und sendet es erneut aus, sofern noch mindestens 1 übrig war. Bei 0 endet die Weitergabe. Aus der Differenz zwischen hop_start und Restwert berechnet die Oberfläche die Angabe, wie viele Hops ein Knoten entfernt ist. Der Wert 0 bedeutet Empfang ohne Zwischenstation.

Die Weitergabe läuft als gesteuertes Fluten. Ein Knoten wartet vor dem Wiederholen eine kurze, zufällige Zeit, bei der entfernte Knoten mit schlechtem Signal zu Rauschverhältnis früher dran sind als nahe. Hört er in dieser Zeit, dass ein Nachbar dasselbe Paket schon ausgesendet hat, verwirft er seine eigene Wiederholung. So sparen dicht stehende Knoten Sendezeit, und die Weitergabe konzentriert sich auf Geräte am Rand der Reichweite. Knoten mit der Rolle Client Mute wiederholen gar nicht, Repeater wiederholen jedes Paket, ohne selbst in der Knotenliste zu erscheinen. Die Sendezeit eines einzelnen Pakets ist im Beitrag über die Meshtastic Frequenz und die Sendedauer berechnet.

Rechenbeispiel Reichweite und Verkehr bei 3 und 7 Hops

Angenommen sei eine hügelige Region, in der ein Handheld mit Stummelantenne zum nächsten Knoten rund 3 Kilometer überbrückt und im Umkreis 0,5 Knoten je Quadratkilometer stehen. Die Rechnung vergleicht Hoplimit 3 mit dem Höchstwert 7 und trennt zwischen Reichweite und Verkehr. Der Verkehr wird als Zahl der Knoten gemessen, die ein Paket maximal wiederholen. Die Zahlen sind Annahmen, die Methode lässt sich auf jedes Gelände übertragen. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen den Knoten, die ein Paket noch hören, und denen, die es noch wiederholen: Der letzte Empfänger in der Kette, mit Restlimit 0, sendet nichts mehr aus. Der Wiederholradius ist deshalb um eine Funkstrecke kleiner als der Empfangsradius. Das gilt unabhängig vom Gelände.

1. Funkstrecken: 3 Hops sind 4 Strecken zu je 3 Kilometern, also bis zu 12 Kilometer in gerader Kette. Bei 7 Hops sind es 8 Strecken und 24 Kilometer.
2. Wiederholer bei 3 Hops: Das Paket wird bis zu einem Radius von 3 mal 3 gleich 9 Kilometern wiederholt. Fläche 3,14 mal 81 gleich 254 Quadratkilometer, bei dieser Dichte rund 127 Knoten.
3. Wiederholer bei 7 Hops: Radius 21 Kilometer, Fläche 1385 Quadratkilometer, also rund 693 Knoten.
4. Verhältnis: 693 geteilt durch 127 ergibt 5,4. Die Reichweite verdoppelt sich ungefähr, der mögliche Verkehr pro Nachricht steigt auf mehr als das Fünffache.
5. Dämpfung durch Unterdrückung doppelter Wiederholungen: Die echte Zahl liegt deutlich darunter, die Größenordnung des Anstiegs bleibt.

Die Rechnung zeigt auch, warum ein Netz mit hundert Teilnehmern auf engem Raum mit Limit 7 schnell an die Kapazität stößt. Schon wenn jeder Knoten im Schnitt alle fünf Minuten ein Paket sendet, entstehen bei 127 wiederholenden Knoten pro Nachricht mehr als hundert Sendevorgänge, bei 693 sind es siebenmal so viele. Ein gemeinsamer Kanal mit begrenzter Sendezeit verträgt das nicht. Zum Glück dämpft die Unterdrückung doppelter Wiederholungen den Wert, und Knoten mit starkem Signal zum Absender sind fast immer die ersten, die senden. Die Größenordnung der Rechnung bleibt dennoch ein brauchbarer Warnwert für die Planung eines Netzes.

Wo die Rechnung an Grenzen stößt

Die Kettenrechnung gilt nur auf freier Strecke. Gelände, Bebauung und Antennenhöhe verändern die Funkstrecke um den Faktor 10, ein Hügelkamm mit freier Sicht trägt 30 bis 100 Kilometer, ein dichtes Wohngebiet nur 500 Meter. Dieselbe Hoplimit-Einstellung bedeutet dann ganz andere Reichweiten, deshalb lässt sich kein universeller Wert nennen. In den meisten Netzen steht die Mehrzahl der Teilnehmer innerhalb von zwei bis drei Hops, höhere Werte lohnen sich erst bei dünn besiedelten Strecken mit erhöht platzierten Wiederholern. Ein Beispiel: Ein Wiederholer auf einem 600 Meter hohen Aussichtspunkt erreicht bei freier Sicht Knoten im Tal in 40 Kilometern Entfernung, und das mit einem einzigen Hop. Dieselbe Strecke bräuchte zwischen Häusern mit 800 Metern Funkreichweite 50 Hops, die das Limit von 7 weit überschreiten. Das erklärt, warum erhöhte Standorte im Netz mehr wiegen als jede Einstellung im Menü. Einige Punkte bestimmen, ob ein höherer Wert hilft oder schadet:

• Ein Repeater auf einem Berg ersetzt mehrere Hops, weil eine einzelne Funkstrecke von dort bis zu 100 Kilometer reicht.
• Ein Client mit niedriger Antenne im Haus rechnet selten mit mehr als einem Hop, auch bei Limit 7.
• Nachrichten an einzelne Teilnehmer lernen bei neuerer Firmware den letzten erfolgreichen Weg und verbrauchen weniger Verkehr als Kanalnachrichten.
• Pakete mit Hoplimit 0 werden nicht weitergegeben, kommen aber bei Empfang auf freier Sicht an.
• Der Wert wird vom Absender bestimmt, jeder Knoten im Netz kann also mit einem anderen Limit senden.

Aus diesen Punkten folgt eine einfache Faustregel für die Planung: erst die Zahl und Höhe der Standorte, dann das Limit. Ein zusätzlicher Repeater auf einem Dach kostet etwa so viel wie ein Handheld und verkürzt Ketten dauerhaft für alle Teilnehmer, während eine höhere Einstellung am Gerät nur diesem einen Sender nützt und zugleich den Kanal für alle anderen belastet. Wo kein erhöhter Standort erreichbar ist, helfen zwei Knoten an den Enden eines Tals, deren Antennen oberhalb der Dachlinie sitzen.

Ein häufiger Fehler beim Einstellen und wie er sich zeigt

Ein verbreiteter Irrtum besteht darin, für maximale Reichweite alle Knoten einer Gruppe auf 7 zu stellen. Sinn ergibt das für einen einzelnen Absender, der eine entfernte Gegenstelle erreichen will. Wenn jeder Teilnehmer so sendet, trifft die Wirkung alle gleichzeitig: Positionsmeldungen, Telemetrie und Nachrichten überdecken sich im Kanal, die Kollisionsrate steigt, und Pakete gehen an den Rändern verloren, obwohl die Funkstrecke ausreichen würde. Ein typisches Anzeichen ist eine Kanalauslastung der Geräte, die dauerhaft über 25 Prozent liegt, während sich die Zahl der empfangenen Pakete nicht erhöht.

Besser bewährt hat sich ein Limit von 3 für normale Teilnehmer und eine höhere Einstellung nur an einzelnen Geräten, die entfernte Gegenstellen auf der anderen Seite eines Tals erreichen sollen. Nachträglich lässt sich die Wirkung an der Hop-Anzeige in der Knotenliste prüfen: Zeigt kaum ein Knoten mehr als zwei Hops, bringt ein höherer Wert nichts außer Verkehr. Taucht dagegen ein Teilnehmer regelmäßig bei fünf Hops auf, lohnt eher ein zusätzlicher Wiederholer an erhöhtem Standort als eine Erhöhung des Limits für das ganze Netz. Das senkt die Zahl der Hops, statt sie zu verlängern. Zusätzlich lohnt ein Blick auf die Rolle der Geräte. Ein Client, der Nachrichten wiederholt, obwohl er in einer Wohnung hinter dicken Wänden liegt, hört viele Pakete schlecht und sendet sie mit geringer Chance auf Empfang erneut. Die Rolle Client Mute spart dort Sendezeit, ohne dass die eigene Erreichbarkeit leidet, denn eigene Nachrichten gehen weiterhin hinaus. Nur an erhöhten Standorten verdienen Wiederholer ihren Platz im Netz.