Распределенные сенсорные сети. Беспроводные распределённые сенсорные сети. Что такое беспроводные сенсорные сети
Размер: px
Начинать показ со страницы:
Транскрипт
1 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 Общие сведения о беспроводных сенсорных сетях 1.1 Беспроводные сенсорные сети и стандарты Стандарт Wi-Fi Стандарт WiMAX Стандарт Bluetooth Стандарт HomeRF Стандарт ZigBee 1.2 Методы маршрутизации в беспроводных сетях 2 Обзор и сравнительная характеристика сетевых симуляторов и выбор наиболее подходящего симулятора 2.1 Обзор средств моделирования беспроводных сенсорных сетей Симулятор NS Симулятор Cooja Симулятор TOSSIM (TinyOS Simulator) Симулятор OMNeT++ 3 Сравнительный анализ средств моделирования NS-2 и OMNeT Общие сравнительные характеристики 3.2 Вывод 3.3 Протокол маршрутизации AODV 3.4 Моделирование работы протокола AODV в NS-2 и OMNeT Модель AODV в NS Модель AODV в OMNeT++ 4 Разработка и программная реализация модели маршрутизации в системе беспроводной связи 4.1 Моделирование сети 4.2 Установка и настройка программного обеспечения 4.3 Программная реализация модели беспроводной связи 5 Анализ полученных результатов 5.1 Анализ задержек в сети 5.2 Стандартное отклонение в узлах сети 5.3 Передача пакетов в сети 5.4 Помехозащищенность при передаче 5.5 Энергопотребление узлов 5.6 Выводы 6 Безопасность жизнедеятельности 6.1Расчет системы кондиционирования 6.2 Расчет искуственного Освещения ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ПРИЛОЖЕНИЯ
2 ВВЕДЕНИЕ Беспроводные сенсорные сети представляют собой активно развивающиеся системы автоматизации и управления, мониторинга и контроля. Взаимодействуя с управляющими устройствами, датчики создают распределенную, самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Понятие «самоорганизующаяся сеть» определяется как система, в которой устройства «умеют» сами находить друг друга и формировать сеть, а случае выхода из строя какого-либо из узлов могут устанавливать новые маршруты для передачи сообщений. Технология сенсорных сетей не требует для построения сети дорогостоящих кабелей вместе со вспомогательным оборудованием (кабельными каналами, клеммами, шкафами и т.д.). А так как сенсорная сеть поддерживает основные интерфейсы и протоколы, которые применяются в настоящее время, есть возможность интегрировать ее в существующую сеть без проведения масштабной реконструкции. Миниатюрные и потому не требующие энергозатрат датчики (срок эксплуатации может достигать несколько лет) обеспечивают возможность их размещения в труднодоступных местах и на больших территориях. Беспроводные решения незаменимы, когда необходимо связать в сеть постоянно движущиеся или часто перемещаемые узлы. Однако же недостатком беспроводных решений оказывается их меньшая надежность, как в смысле гарантированной доставки данных за ограниченное время, так и в смысле защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа. Разработка и введение сенсорных сетей во все сферы жизни предоставит огромное количество преимуществ человечеству. Тематика сенсорных беспроводных сетей еще не достаточно изучена, имеются на данный момент ряд нерешенных проблем и ограничений, но преимущества привлекают компании для разработки стандартов передачи информации в сенсорных сетях, например таких, как стандарт ZigBee. Цель данной дипломной работы заключается в исследовании характеристик и параметров стационарных и мобильных устройств сенсорной сети в системе ZigBee.
3 Глава 1. Общие сведения о беспроводных сенсорных сетях 1.1. Беспроводные сенсорные сети и стандарты Беспроводные сенсорные сети (БСС) это одно из самых перспективных направлений в развитии телекоммуникационных систем настоящего времени которые создают новые возможности для проведения научных исследований. Миниатюрные размеры узлов (плата размером с один кубический дюйм), интегрированный радиоинтерфейс, низкое потребление энергии, довольно невысокая стоимость делают данную сеть очень выгодной для использования в тех областях жизнедеятельности, где необходимо произвести построение систем контроля и управления или следить за безопасностью. Беспроводная сенсорная сеть необходима в первую очередь в таких областях, где вообще невозможна прокладка кабелей по техническим, экономическим или организационным причинам. Узел сенсорной сети (мот) представляет собой плату, на которой находятся приемопередатчик, микроконтроллер, батареи, память и датчик. Датчики могут использоваться самые разные, чаще всего применяются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, реже датчики вибрации или химических измерений. На моты устанавливается специальное программное обеспечение, с помощью которого они организуют сеть, обмениваются информацией между собой. Большинство беспроводных сенсорных сетей использует TinyOS программное обеспечение, разработанное в Университете Беркли. Максимальное расстояние, на которое возможно передать сообщение составляет не более 100 метров. Для того чтобы получать и отправлять данные, каждый узел оснащен антенной. Процесс работы сенсорной сети представлен на рисунке 1.1 . Рисунок 1.1 Процесс работы мотов сенсорной сети
4 Узлы сенсорной сети могут быть стационарными, закрепленными на определенном месте, могут также крепиться на передвижные объекты и свободно перемещаться, оставаясь при этом частью сети. Моты передают информацию друг другу, а те моты, которые оказываются рядом со шлюзом, отправляют ему все аккумулированные данные. При выходе некоторых мотов из строя, сеть после переконфигурации продолжает работать. На рисунке 1.2 показано внутреннее устройство узла сенсорной сети. Рисунок 1.2 Узел сенсорной сети Множество стандартов передачи данных такие как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, HomeRF, ZigBee и так далее делят между собой диапазон 2,4 ГГц, тем самым создавая друг другу помехи Стандарт Wi-Fi Wi-Fi торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE Ноутбук или коммуникатор без подключения к сети Интернет сегодня является практически бесполезным куском «железа». Благодаря широкому использованию Wi-Fi для решения проблемы подключения к Интернету этот термин стал хорошо известным. Несмотря на то, что поначалу в некоторых пресс-релизах WECA фигурировало словосочетание Wireless Fidelity (беспроводная точность), на данный момент от такой формулировки отказались, и термин Wi-Fi никак не расшифровывается. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi Вик Хейз (Vic Hayes) находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE b, IEEE a и IEEE g. Обычно схема сети Wi-Fi содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента.
5 Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров напрямую. Точка доступа передает свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приемник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Устройства Wi-Fi широко распространены на современном рынке. Совместимость оборудования гарантируется благодаря обязательной его сертификации с логотипом Wi-Fi. Излучение от Wi-Fi-устройств в момент передачи данных на два порядка (в 100 раз) меньше, чем от сотового телефона. Технология позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развертывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями. Технология позволяет мобильным устройствам иметь доступ к сети. Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены. Принятие стандарта IEEE i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более эффективную схему аутентификации и шифрования, которая применяется в новом оборудовании. Для реализации протоколов WPA и WPA2 требуется более надёжный пароль, чем тот, который обычно назначается пользователем. Стандарт IEEE определяет два режима работы сети Ad-hoc (BSS Basic Service Set) и инфраструктурный ESS Extended Service Set. Режим Ad-hoc (иначе называемый «точка-точка») это простая сеть, в которой связь между станциями (клиентами) устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. В режиме инфраструктурный ESS беспроводная сеть состоит, как минимум, из одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных клиентских станций. Для организации беспроводной сети в замкнутом пространстве применяются передатчики со всенаправленными антеннами. Следует иметь в виду, что через стены с большим содержанием металлической арматуры (в железобетонных зданиях таковыми являются несущие стены) радиоволны диапазона 2,4 ГГц иногда могут вообще не проходить, поэтому в комнатах, разделенных подобной стеной, придется ставить свои точки доступа. Мощность, излучаемая передатчиком точки доступа или же клиентской станции, работающей по стандарту IEEE , не превышает 0,1 Вт, но
6 многие производители беспроводных точек доступа ограничивают мощность лишь программным путем, и достаточно просто поднять мощность до 0,2-0,5 Вт. Для сравнения мощность, излучаемая мобильным телефоном, на порядок больше (в момент звонка до 2 Вт). Поскольку, в отличие от мобильного телефона, элементы сети расположены далеко от головы, в целом можно считать, что беспроводные компьютерные сети более безопасны с точки зрения здоровья, чем мобильные телефоны. Продукты для беспроводных сетей, соответствующие стандарту IEEE , предлагают четыре уровня средств безопасности: физический, идентификатор набора служб (SSID Service Set Identifier), идентификатор управления доступом к среде (MAC ID Media Access Control ID) и шифрование. Многие организации используют дополнительное шифрование (например, VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля Стандарт WiMAX WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE , который также называют Wireless MAN (WiMAX следует считать жаргонным названием, так как это не технология, а название форума, на котором Wireless MAN и был согласован). WiMAX подходит для решения задачи соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета, а также обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и хdsl. WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi-сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве магистральных каналов, продолжением которых выступают традиционные выделенные и хdsl-линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках городов. WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных у мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению).
7 В отличие от WiMAX Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон (радиотелефон). WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения. Набор преимуществ присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного применения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не удалось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами). Каждая из спецификаций WiMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. Поэтому WiMAX-системы, основанные на версиях стандарта IEEE e и d, практически несовместимы. Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только статичных абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 150 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и "бесшовного" переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей. С изобретением мобильного WiMAX все больший акцент делается на разработке мобильных устройств, в том числе, специальных телефонных трубок (похожих на обычный мобильный смартфон), и компьютерной периферии (USB-радиомодулей и PC card). Оборудование для использования сетей WiMAX поставляется несколькими производителями и может быть установлено как в помещении (устройства размером с обычный хdsl-модем), так и вне его. Следует заметить, что оборудование, рассчитанное на размещение внутри помещений и не требующее профессиональных навыков при установке, конечно, более удобно, однако способно работать на значительно меньших расстояниях от базовой станции, чем профессионально
8 установленные внешние устройства. Поэтому оборудование, установленное внутри помещений, требует намного больших инвестиций в развитие инфраструктуры сети. В общем виде WiMAX сети состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом. Структура сетей семейства стандартов IEEE схожа с традиционными GSM-сетями (базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями). WiMAX применяется как для решения проблемы "последней мили", так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям. Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приемником. Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГЦ, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надежность сети в целом. Стандарт Bluetooth Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надежной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Беспроводной канал позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе от 1 до 200 м друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях. Стоит отметить, что компания AIRcable выпустила Bluetooth-адаптер Host XR с радиусом действия около 30 км. Для совместной работы Bluetooth-устройств необходимо, чтобы все они поддерживали общий профиль. Профиль набор функций или возможностей, доступных для определенного устройства Bluetooth. Технология Bluetooth опирается на нелицензируемый (практически везде кроме России) частотный диапазон 2,4 2,4835 ГГц. При этом используются широкие защитные полосы: нижняя граница частотного диапазона составляет 2 ГГц, а верхняя - 3,5 ГГц. Частота (положение центра спектра) задается с точностью ± 75 кгц. Дрейф частоты в этот интервал не входит. Кодирование сигнала осуществляется по двухуровневой схеме GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Логическому 0 и 1 соответствуют две разные частоты. В оговоренной частотной полосе
9 выделяется 79 радиоканалов по 1 МГц каждый Стандарт HomeRF HomeRF беспроводная технология, специально ориентированная на сети, создаваемые в домашних условиях. Главная идея HomeRF заключается в том, что у домашних пользователей нужды совершенно отличны от потребностей корпоративных пользователей. Это значит, что и решения, которые для них требуются, специально для них и разработаны. HomeRF стремится работать в этой нише рынка, поставляя устройства, которые достаточно легко устанавливаются, просты в использовании и более доступны, чем современные беспроводные решения масштаба предприятия. HomeRF основан на нескольких существующих стандартах передачи голоса и данных и объединяет их в единое решение. Оно работает в полосе частот ISM 2,4 ГГц с использованием FHSS. Скачки по частотам происходят со скоростью от 50 до 100 раз в секунду. Избавление от интерференции происходит посредством разнесения сигналов по времени и частоте. HomeRF использует радиопередатчики низкой мощности, которые подобные тем, что используются в персональных беспроводных сетях стандарта на основе технологии Bluetooth. Различие между двумя технологиями заключается в том, что HomeRF ориентирована только на рынок домашних пользователей, включая SWAP (Standard Wireless Access Protocol стандартный протокол беспроводного доступа), который в рамках HomeRF дает возможность более эффективно обрабатывать мультимедиаприложения. Передатчики действуют на расстоянии м от базовой станции и могут быть встроены в карточки типа Compact Flash Стандарт ZigBee ZigBee название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE Этот стандарт описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). ZigBee нацелена на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных при небольших скоростях их передачи. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения данной технологии это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров.
10 Имя бренда происходит от поведения медовых пчел, после возвращения их в улей. Сети, образованные по протоколу ZigBee начали рассматриваться с 1998, когда возникла необходимость в самоорганизующихся системах связи ZigBee нацелен на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных, при небольших скоростях передачи. ZigBee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и 2,4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира). Так как ZigBee-устройство большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей. ZigBee-устройство может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 мс или меньше, задержка его отклика может быть очень малой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трех секунд. Принимая во внимание такие критерии, как цена чипов, дешевизна и скорость освоения технологии, низкое энергопотребление и помехоустойчивость, можно сказать, что ZigBee нередко является сейчас лучшим выбором. Чипы для реализации ZigBee выпускают такие известные фирмы, как Texas Instruments, Freescale, Atmel, STMicroelectronics, OKI и т.д. Это гарантирует низкие цены на комплектующие для данной технологии. ZigBee это технология, заполняющая нишу низкоскоростных беспроводных сетей с низким энергопотреблением, предназначенных для систем управления с большим количеством узлов, таких как системы освещения в зданиях, системы наблюдения за парком промышленного оборудования и т.д. В настоящее время достаточно доступными являются модули ZigBee: ETRX2, ETRX3, выпущенные фирмой Telegesis. Для ознакомления с ними существуют стартовые наборы, включающие в себя модуль-координатор, имеющий USB-разъем, и три других модуля, которые можно настроить на работу роутера или конечного устройства, располагающего датчиками температуры и освещенности, тестовыми кнопками и т.п. Приведем сравнительную таблицу основных стандартов
11 Таблица 1.1 Сравнительная характеристика стандартов беспроводных сетей Стандарт ZigBee Wi-Fi Bluetooth (IEEE) (IEEE b) (IEEE) Частотный диапазон 2, ГГц 2,4-2,483 ГГц 2,4-2,483 ГГц Пропускная способность кбит/с,1 Размер стека протокола, кбайт Более 1000 более 250 Время непрерывно работы от батареи, дни Максимальное количество узлов в сети Диапазон действия, м Область Удаленный Передача Замещение применения мониторинг и мультимедийной проводного управление информации соединения (Интернет, почта, видео) Приведённые в таблице 1.1 характеристики показывают, что оптимальным стандартом для сенсорной сети является ZigBee 1.2. Методы маршрутизации в беспроводных сетях Различают три вида маршрутизации - простую, фиксированную и адаптивную. Принципиальная разница между ними состоит в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при решении задачи выбора маршрута. Простая маршрутизация отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается ни изменение топологии сети, ни изменение ее состояния (нагрузки). Она не обеспечивает направленной передачи пакетов и имеет низкую эффективность. Ее преимуществами являются простота реализации алгоритма маршрутизации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя отдельных ее элементов. Некоторое практическое применение получили разновидности простой маршрутизации: случайная и лавинная. Особенность случайной маршрутизации заключается в том, что для передачи пакета из узла связи выбирается одно, случайно выбранное свободное направление. Пакет "блуждает" по сети и с конечной вероятностью когда-либо достигает адресата. При этом не обеспечивается ни оптимальное время доставки пакета, ни эффективное использование пропускной
12 способности сети. Лавинная маршрутизация (или: заполнение пакетами всех свободных выходных направлений) предусматривает передачу пакета из узла по всем направлениям, кроме того откуда пакет поступил в данный узел. Поскольку это происходит в каждом узле, имеет место явление "размножения" пакета, что резко ухудшает использование пропускной способности сети. Чтобы этого не произошло, необходимо помечать копии пакета и уничтожать в каждом узле повторно проходящие через него дубликаты. Основное преимущество такого метода - гарантированное обеспечение оптимального времени доставки пакета адресату, так как из всех направлений, по которым передается пакет, хотя бы одно обеспечивает такое время. Метод может использоваться в незагруженных сетях, когда требования по минимизации времени и надежности доставки пакетов достаточно высоки. Фиксированная маршрутизация характеризуется тем, что при выборе маршрута учитывается изменение топологии сети и не учитывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направление передачи выбирается по таблице маршрутов (каталогу), которая определяет кратчайшие пути. Каталоги составляются в центре управления сетью. Они составляются заново и модифицируются при изменении топологии сети. Отсутствие адаптации к изменению нагрузки приводит к задержкам пакетов сети. Различают однопутевую и многопутевую разновидности фиксированной маршрутизации. Первая строится на основе единственного пути передачи пакетов между двумя абонентами, что сопряжено с неустойчивостью к отказам и перегрузкам, а вторая - на основе нескольких возможных путей между двумя абонентами, из которых выбирается предпочтительный путь. Фиксированная маршрутизация применяется в сетях с мало изменяющейся топологией и установившимися потоками пакетов. Адаптивной называется маршрутизация, при которой принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения как топологии, так и нагрузки сети. Существует несколько модификаций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, какая именно информация используется при выборе маршрута. Получили распространение такие модификации как локальная, распределенная, централизованная и гибридная маршрутизации. Локальная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, имеющейся в данном узле и включающей: таблицу маршрутов, которая определяет все направления передачи пакетов из этого узла; данные о состоянии выходных линий связи (работают или не работают); длину очереди пакетов, ожидающих передачи. Информация о состоянии других узлов связи не используется. Таблица маршрутов определяет кратчайшие маршруты, обеспечивающие доставку пакета адресату за минимальное время. Преимущество такого метода состоит в том, что принятие решения о выборе маршрута производится с использованием самых последних данных о состоянии узла. Недостаток метода в его "близорукости", поскольку выбор маршрута осуществляется без учета глобального состояния всей сети.
13 Следовательно, всегда есть опасность передачи пакета по перегруженному маршруту. Распределенная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, указанной для локальной маршрутизации, и данных, получаемых от соседних узлов сети. В каждом узле формируется таблица маршрутов (каталог) ко всем узлам назначения, где указываются маршруты с минимальным временем задержки пакетов. До начала работы сети это время оценивается исходя из топологии сети. В процессе работы сети узлы периодически обмениваются с соседними узлами, так называемыми таблицами задержки, в которых указывается нагрузка (длина очереди пакетов) узла. После обмена таблицами задержки каждый узел пересчитывает задержки и корректирует маршруты с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле. Обмен таблицами задержки может осуществляться не только периодически, но и асинхронно в случае резких изменений нагрузки или топологии сети. Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута существенно повышает эффективность алгоритмов маршрутизации, но это достигается за счет увеличения загрузки сети служебной информацией. Кроме того, сведения об изменении состояния узлов распространяются по сети сравнительно медленно, поэтому выбор маршрута производится по несколько устаревшим данным. Централизованная адаптивная маршрутизация характеризуется тем, что задача маршрутизации для каждого узла сети решается в центре маршрутизации (ЦМ). Каждый узел периодически формирует сообщение о своем состоянии (длине очередей и работоспособности линий связи) и передает его в ЦМ. По этим данным в ЦМ для каждого узла составляется таблица маршрутов. Естественно, что передача сообщений в ЦМ, формирование и рассылка таблиц маршрутов - все это сопряжено с временными задержками, следовательно, с потерей эффективности такого метода, особенно при большой пульсации нагрузки в сети. Кроме того, есть опасность потери управления сетью при отказе ЦМ. Гибридная адаптивная маршрутизация основана на использовании таблиц маршрутов, рассылаемых ЦМ узлам сети, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Следовательно, здесь реализуются принципы централизованной и локальной маршрутизации. Гибридная маршрутизация компенсирует недостатки централизованной маршрутизации (маршруты, формируемые центром, являются несколько устаревшими) и локальной ("близорукость" метода) и воспринимает их преимущества: маршруты центра соответствуют глобальному состоянию сети, а учет текущего состояния узла обеспечивает своевременность решения задачи. .
14 Глава 2. Обзор и сравнительная характеристика сетевых симуляторов и выбор наиболее подходящего симулятора 2.1. Обзор средств моделирования беспроводных сенсорных сетей Наиболее эффективным средством для оценки показателей качества инфокоммуникационных систем является имитационное моделирование. Для этой цели в настоящее время разработано большое количество сетевых симуляторов. Рассмотрим наиболее распространённые из них Симулятор NS-2 NS-2 является программным обеспечением (ПО) с открытым кодом (Open Source software), предназначенным для дискретно-событийного моделирования проводных и беспроводных (мобильных) систем связи). Основными языками в составе симулятора являются C++ и Tcl (Tool Command Language). Для создания симуляций используется OTCL (Object Tcl). Программа находится в свободном доступе, ее можно скачать на сайте программы и использовать в академических целях. Симулятор поддерживает большое количество протоколов, типов сетей, элементов сети, моделей передачи данных. Для моделирования ad-hoc сетей поддерживаются протоколы маршрутизации AODV, DSDV, DSR и TORA, требующие дополнительной доработки для обеспечения возможности работы с мобильными узлами. В симуляторе NS-2 существует модель, которая реализует стандарт IEEE Структура компонентов модели LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area) и основные её функции представлены на рисунке 2.1.
15 Рисунок 2.1 Структура компонентов модели LR-WPAN NS-2 Следует упомянуть, что в первых версиях модели были реализованы базовые функции сетевого уровня ZigBee, но позднее они были исключены из общего доступа, поскольку не в полной мере соответствовали данному стандарту. В связи с этим на текущий момент можно использовать только существующие в NS-2 протоколы маршрутизации, которые не до конца учитывают особенности беспроводных сенсорных сетей. Документации по применению симулятора немного, мало обучающей литературы. Предлагается обращаться к списку часто задаваемых вопросов и анализировать исходный код модели. Симулятор Cooja Cимулятор сети, для операционной системы (ОС) Contiki, специально разработанный для беспроводных сенсорных сетей, позволяющий оценить возможности разрабатываемой сети до ее непосредственной реализации. Contiki портативная ОС для устройств с низким энергопотреблением, таких как сенсорные узлы. Библиотеки Contiki загружаются и компилируются симулятором, и с помощью определенных функций происходит контроль и анализ сети. Несмотря на то, что симулятор разработан для беспроводных сенсорных сетей, он также поддерживает стек протоколов TCP/IP. На рисунке 2.2 показано рабочее окно симулятора Сooja,
16 Рисунок 2.2 Окно симулятора Cooja Симулятор для создания моделей использует язык Java, однако позволяет писать программы для сетевых устройств на языке С. Cooja является расширяемым симулятором, для этой цели используются дополнительные плагины и интерфейсы. Интерфейс описывает свойства сенсорного узла, плагины позволяют формировать симуляцию, например, контролировать скорость симуляции или наблюдать и контролировать трафик между сенсорными узлами. Симулятор поддерживает одновременное моделирование нескольких сетей. Одной из особенностей симулятора Cooja является одновременное моделирование на трех разных уровнях - сетевом уровне, уровне операционной системы и уровне инструкций машинного кода. Изначально Cooja разработан для Linux и Windows/Cygwin, но позже появилась версия и под MacOs. Симулятор TOSSIM (TinyOS Simulator) TinyOS - система, специально разработанная для сенсорных сетей. Она имеет компонентную программную модель, описанную на языке nesc. TinyOS не является операционной системой в традиционном понимании. Это программная среда для встроенных систем и набор компонентов, которые
17 позволяют создавать имитационные модели конкретным приложением, например, таким как TOSSIM. Симулятор TOSSIM может моделировать сети размерностью до нескольких тысяч узлов, и анализируя их, предсказывать поведение сети с высокой точностью. Моделируя сети с возможными помехами и ошибками, симулятор создает простую, но вместе с тем эффективную модель всевозможных взаимодействий узлов в сети. Описывая маломощную модель устройств TinyOS, симулятор моделирует поведение сенсорного узла с большой достоверностью, описывая его характеристики и проводя большое количество экспериментов. Для удобства разработчиков, TOSSIM поддерживает графический интерфейс пользователя, обеспечивая детальную визуализацию и воспроизведение действий запущенной имитационной модели. Приведем общие характеристики эмулятора TOSSIM: - маштабируемость симулятор поддерживает модель сети, состоящую из большого количества узлов, с различной конфигурацией. Самая большая из всех разработанных сетей TinyOS состоит приблизительно из 850 узлов, симулятор способен поддерживать такие модели; - достоверность - симулятор описывает различные взаимодействия узлов, которые могут возникнуть в реальной сети; - связанность симулятор связывает алгоритм построения с его графическим представлением, позволяя разработчикам тестировать программный код, который требует запуска на реальном устройстве, а также производить визуализации сети. Архитектура TOSSIM (рисунок 2.3) состоит из следующих элементов: - дискретный поток событий; - набор программных компонентов, которые заменяют соответствующие аппаратные компоненты реальных мотов; - средства связи, предоставляющие возможность внешним программам взаимодействовать с эмулятором .
18 Рисунок 2.3 Архитектура эмулятора TOSSIM Симулятор OMNeT++ Данный симулятор представляет собой систему моделирования на основе дискретных событий которая может быть использована для таких задач как: -моделирование проводных и беспроводных коммуникационных систем; - протоколов моделирования; - моделирование сетей массового обслуживания. Программа OMNeT++ походит для моделирования любой сети, основой которой является дискретное событие. Процесс удобно отображается в виде объектов, обменивающимися сообщениями. OMNeT++ использует язык С++ для имитационных моделей. Имитационные модели в совокупности с языком высокого уровня NED собираются в крупные компоненты и представляют собой большие системы. Симулятор имеет графические инструменты для создания моделей и оценки результатов в режиме реального времени. Модели программы собираются из компонентов множественного использования, называемых модулями. Модули можно использовать много раз и объединять по принципу блоков LEGO. Модули соединяются между собой с помощью портов, и объединяются в составные модули с использованием высокоуровневого языка программирования NED. Количество вводимых модулей неограниченно. Модули связываются посредством передачи сообщений, которые содержат произвольные структуры данных. Модули могут передавать
19 сообщения по определенным портам и соединениям серверу или непосредственно друг другу. Последнее, к примеру, полезно для моделирования беспроводных сетей. Рисунок 2.4 Графический NED редактор Процесс моделирования может работать в различных пользовательских интерфейсах. Графически анимированный пользовательский интерфейс удобен для демонстрации и отладки сети, а интерфейс командной строки удобен для внесения изменений. Компоненты OMNeT++: 1) корневая библиотека моделирования; 2) OMNeT ++ IDE на базе платформы Eclipse; 3) графический интерфейс выполняемого моделирования, ссылки на исполняемый файл (Tkenv); 4) пользовательский интерфейс командной строки для выполнения моделирования (Cmdenv); 5) документация, примеры. OMNeT++ работает на базе самых распространенных операционных систем: (Linux, Mac OS/X, Windows) .
20 Рисунок 2.5 Редактор исходного кода NED Глава 3. Сравнительный анализ средств моделирования NS-2 и OMNeT Общие сравнительные характеристики В данном разделе проводится сравнительный анализ использования программных продуктов OMNeT++ и NS-2 для создания имитационной модели беспроводной сенсорной сети (БСС) и проверки ее параметров. В данной дипломной работе уделено большое внимание таким симуляторам, как NS-2 и OMNeT++, в связи с большой распространенностью первой (опрос MobiHoc выявил около 45 % пользования данным симулятором для моделирования сетей) и простотой интерфейса симулятора OMNeT++. Если реализация протоколов в NS-2 доступна в публичном пользовании, то применение того же протокола в OMNeT++ имеет сложности, так как архитектура этих симуляторов различна. Для анализа были сформулированы и заданы критерии, по которым каждая из систем исследовалась как на возможность моделирования беспроводной сенсорной сети, так и на соответствие моделируемых событий реальным событиям, происходящих в сети. Моделирование беспроводной сенсорной сети позволит приближенно оценить теоретические расчеты, предсказать действия, происходящие в реальной сети, описать взаимодействие узлов в сети, произвести тестирование новых протоколов, описать возможные решения по оптимизации архитектур,
21 подобрать определенные топологии для применения новых сетевых решений. В таблице (3.1) приведены общие сравнительные характеристики возможностей симуляторов NS-2 и OMNeT Вывод Таким образом, программа OMNeT++ имеет несложный для освоения интерфейс, бесплатна для использования в академических целях, в ней реализованы основные функции сетевого уровня ZigBee. Соответственно она полностью подходит для моделирования и исследования беспроводной сенсорной сети. Для дальнейшей работы я выбираю программу OMNeT++. Беспроводную сенсорную сеть будем моделировать с помощью протокола маршрутизации AODV.
22 Таблица 3.1 Сравнительные характеристики возможностей NS-2 и OMNeT++ Параметр NS-2 OMNeT++ Гибкость NS-2 был разработан в OMNeT++ имеет качестве TCP/IP гибкую структуру симулятора, моделирования. соответственно Можно используется для промоделировать имитации сетей с любую сеть, пакетной передачей компоненты которой данных. NS-2 обладает взаимодействуют жесткими посредством представлениями о узлах, передачи сообщений. протоколах, ссылках, представлении пакетов, сетевых адресах, что имеет свои преимущества, но не дает вносить какие либо изменения. Синхронизация Дискретные события Дискретные события Платформа системы Linux, FreeBSD, Solaris. Linux, Unix, моделирования Windows (Cygwin) Windows (Cygwin) Поддержка Мониторинг потока Мониторинг потока графического симуляции симуляции, интерфейса разработка и определение топологии на C++, результат анализа и симуляции Документация Документация NS-2 OMNeT++ имеет фрагментирована, мало доступное обучающей литературы руководство, обучающая литература, видеоуроки Масшатибируемость NS-2 не обладает OMNeT++ для больших сетей масштабируемостью для поддерживает больших сетей. моделирование Симулятору не хватает больших сетей. модели приложений и Ограничение только снабжения протоколов, в возможностях аппаратных моделей используемого компьютера
23 3.3 Протокол маршрутизации AODV AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей. Данный протокол позволяет мобильным узлам быстро установить маршрут по новым направлениям, и не требует от узлов сохранять в памяти неактивные маршруты. AODV протокол обеспечивает своевременное изменение маршрута в случае потери связи в сети. Отличительной особенностью является присваивание порядкового номера при обновлениях маршрута. Маршрут с высоким порядковым номером является предпочтительным. AODV протокол определяются следующими типами сообщений: Запрос создания маршрута (RREQ), ответное сообщение (RREP) и сообщение об ошибке (PERR). Можно привести следующее описание работы протокола. Когда узлу нужно передать данные, он рассылает RREQ для того, чтобы создать маршрут передачи. Определение маршрута происходит, если запрос достиг своего получателя напрямую, или через промежуточные узлы. Маршрут создается, если запрашивающий узел получил ответное сообщение RREP. Ответное сообщение приходит строго к запрашивающему узлу, а не рассылается по всей сети (рисунок 3.1). Узлы также осуществляют контроль линии связи активного маршрута. Если связь обрывается, рассылается сообщение об ошибке RERR, для уведомления других узлов об обрыве связи. Это сообщение говорит о том, что передача данных в этом направлении невозможна, и необходим новый маршрут. Рисунок 3.1 Установление маршрута AODV это протокол маршрутизации, соответственно в нем присутствует маршрутная таблица. Такая таблица создается и для временных коротких маршрутов. В таблице присутствуют следующие поля: - адрес назначения; - порядковый номер получателя; - пометка о действующем порядковом номере;
24 -пометки о состоянии маршрута (действующий, нерабочий, восстанавливаемый, восстановленный); - количество ретрансляций (сколько потребовалось ретрансляций для достижения назначения); - длительность маршрута. Протокол AODV разработан для мобильных ad-hoc сетей размером от десяти до тысячи узлов, может работать с низкими, средними и высокими скоростями передачи данных, а также с различными уровнями трафика данных. Протокол AODV работает на прикладном уровне, используя в качестве транспортного протокола UDP. Получение узлом ответа RREP без отправки соответствующего запроса является нормальной ситуацией и получивший такой ответ узел должен его обработать . Преимущества данного протокола заключаются в том, что не создается дополнительный трафик при трансляции данных по уже установленному маршруту, также не требуется большой объем памяти. К недостаткам протокола можно отнести тот факт, что для создания маршрута в начале, уходит большее количество времени.
25 3.4 Моделирование работы протокола AODV в NS-2 и OMNeT Модель AODV в NS-2. Рисунок 3.2 Архитектура NS-2 На рисунке показано, что NS-2 состоит из TCL, OTCL, TCLCL, планировщика событий и компонентов сети. TCL (от англ. Tool Command Language «командный язык инструментов) используется для создания различных сценариев моделирования в NS-2. OTCL позиционируется как управляющий язык, целью которого является построение среды моделирования. TCLCL выступает в качестве соединения сценариев моделирования, написанных на TCl и C++. Прежде всего NS2 это симулятор который координирует модели различных сетевых компонентов и планировщиков событий, реализованных в C ++. Для того, чтобы создать модель сети, OTCL использует C++ файлы в сценарий моделирования, написанного в TCL и программы моделирования, сгенерированные в OTCL. Рисунок 3.3 Процедура создания модели
26 На рисунке показан порядок выполнения моделирования в NS-2. Прежде всего создается скрипт, который содержит сценарий моделирования, а затем вводятся необходимые параметры. Скрипт моделирования это TCL файл, который включает в себя такие параметры как: используемый протокол, управление энергией, данные о физическом уровне и т.д. Эти параметры создаются в NS-2 с использованием объектно-ориентированного расширения в C++. В данном случае будем использовать протокол AODV в качестве протокола маршрутизации в сценарии моделирования. Протокол AODV представляет собой С++ файл в каталоге NS-2. В этом C++ файле протокол AODV связан с нашим сценарием моделирования с помощью OTCL Модель AODV в OMNeT++ OMNeT++ имеет модульную структуру, архитектура которой показана на рисунке 3.4. Библиотека компонентов моделирования состоит из простых и составных модулей, написанных на С++. Простые модули объединяются в составные группами, по принципу блоков LEGO, создавая таким образом объекты OMNeT++. Это свойство очень удобно, так как программа обладает готовыми библиотеками модулей для различных построений. Рисунок 3.5 Модули OMNeT++ Моделирование выполняется в среде, которая обеспечивается библиотеками пользовательского интерфейса.(envir, Cmdenv, Tkenv) среда контролирует процесс ввода данных, вывода результатов, отладки, визуализации и анимации имитационной модели.
27 В OMNeT++ протокол AODV реализуется в библиотеке компонентов моделирования, NED файл создает модули и подмодули. Рисунок 3.6 создание модели на NED Именно в файле NЕD создается моделирование, на основе него конфигурируется файл INI, для настройки параметров сети, времени симуляции и т.д. Рисунок 3.7 Детальный процесс создания имитации сети
28 Реализация протокола AODV в OMNeT++ и NS2 будет оцениваться путем использования одинакового сценария моделирования. Глава 4. Разработка и программная реализация модели маршрутизации в системе беспроводной связи 4.1 Моделирование сети Сценарий моделирования сети содержит; 1. Роутер - выполняет передачу данных, маршрутизирует пакеты. 2. Координатор формирует сеть, задает настройки при подключении прибора в сеть. 3. Узлы модулей- это и есть оконечные устройства, имеющие батарейное питание. Узлы представляют собой контроллеры или датчики. Количество узлов в сети проектируется в зависимости от потребности конкретного приложения. Рисунок 4.1 Визуализация сценария моделирования Работа роутера и координатора заключается в организации соединений между хостами в сети. Имитационное моделирование будет выполняться для семи различных отрезков времени при постоянной скорости.
29 Таблица 4.1 Параметры Параметр Значение Количество узлов 50 Отрезок времени 0, 20, 40, 80, 120, 160, 200 секунд Скорость 20 м/сек Время симуляции 200 сек. Моделирование AODV протокола будет проведено в соответствии с параметрами, описанными в таблице 4.1. Рисунок 4.2 Графическое представление сети По результатам проведенного моделирования, проанализируем полученные данные, объединив их в сравнительные графики.
30 Рисунок 4.3 PDR для NS-2 и OMNeT++ На рисунке 4.3 показаны соотношение доставки целостности пакетов (PDR) полученное с помощью двух симуляторов. Можно заметить, что соотношение PDR сходно во всех точках. Но если рассматривать значение PDR на различных отрезках времени, видно, что наименьшее значение достигается OMNeT++. На рисунке 4.4 отображены результаты исследования пропускной способности полученное с помощью двух симуляторов Рисунок 4.4 Пропускная способность для NS-2 и OMNeT++ При выполнении моделирования и анализа результатов, была рассмотрена внутренняя структура OMNeT++ и NS-2. Проанализировав симуляторы, в том числе их исходный код, обнаружены различия в реализации, т. е. невозможно воспроизводить сценарий моделирования одного симулятора в другом. Также показано, что даже в случае выбора одинаковых параметров, для OMNeT++ и NS-2 получены разные результаты.
31 Это происходит из-за разницы в работе симуляторов в процессе проведения моделирования Установка и настройка программного обеспечения Требования к операционной системе Для корректной работы OMNET++ и MiXiM необходимо учесть следую щие требования к системе: Поддерживаемые платформы: Windows 7, 8 и XP; Mac OS X 10.7,10.8 и 10.9; Дистрибутивы Linux. Загрузка программного обеспечения OMNET++ можно скачать на сайте: MiXiM можно скачать по следующее ссылке: Установка и настройка программного обеспечения Для установки OMNET++ необходимо скопировать архив omnetpp-4.5- src.tgz в нужную директорию и распаковать файлы. В папке найти и запустит ь файл mingwenv.cmd. Для установки OMNET++ вводим команду: $./configure Рисунок 4.5 Установка OMNET++
32 После завершения установки необходимо скомпилировать OMNET++. Вводим команду: $ make Рисунок Компиляция установочных файлов OMNET++ Для запуска OMNET++ вводим в терминале команду: $ omnetpp
33 Рисунок Рабочее окно OMNET++ Для установки MiXiM необходимо импортировать файлы в OMNeT++. В меню выбираем Files > Import > General > Existing projects into Workspace. Далее нажимаем Next. В появившемся выбираем директорию с установочными файлами MiXiM. Обязательно ставим галочку в пункте copy project into workspace. Далее нажимаем Finish. Рисунок Установка MiXiM 4.3 Программная реализация модели беспроводной связи
34 MiXiM в OMNeT++ - это среда моделирования, разработанная для мобильных и фиксированных беспроводных сетей (беспроводные сенсорные сети, нательные компьютерные сети, ad-hoc сетей, транспортных сетей и т. д.). В графическом редакторе OMNET++ среда моделирования MiXiM пред ставлена следующим образом. Приведено описание функций, которые будут непосредственно применяться при моделировании сенсорной сети. Структура API классов MiXiM: а) Modules самые важные классы, сгруппированные по функциональности: 1) appllayer модули прикладного уровня; 2) netwlayer модули сетевого уровня; 3) nic сетевые интерфейсы; 4) mobility модули, поддерживающие мобильность хостов; 5) utils утилиты; 6) base базовые модули MiXiM; 7) mapping математическое отображение; 8) protocols классы для различных протоколов, реализованных в MiXiM; 9) Power consumption энергопотребление. б) Classes: sensorappllayer тест класс прикладного уровня. Включает в себя следующие аргументы: 1) Packets: количество посылаемых пакетов в приложении; 2) traffictype: интервал времени между генерации двух пакетов (значения периодичный, экпоненциальный); 3) trafficparam: параметры для traffictype. Рисунок 4.9 Схема для sensorappllayer в) mobility: MassMobilty описание мобильной модели (мота), совершающей случайные передвижения
35 . Для моделирования сети необходимо создать новый проект. В меню выбираем Files > New > New OMNeT++ Project: Рисунок 4.10 Создание нового проекта Нажимаем next. В следующем окне выбираем папку с инструментами MiXiM. Рисунок 4.11 MiXiM инструменты Выполняем настройки в соответствии с параметрами сенсорной сети.
36 Рисунок 4.12 Настройки модели сенсорной сети Файл конфигурации начинается с раздела . В нем указываются общие параметры для всех сценариев. Перед моделированием сети необходимо определить следующие параметры: - количество станций (numnodes); - время симуляции (sim-time-limit); - настройки протокола канального уровня. Моделирование будет проводиться для 10 устройств (numnodes = 10) в течении 60 минут (sim-timelimit = 60 min). Все устройства используют в качестве протокола канального уровня протокол IEEE (mixim.modules.node.host802154a;). Так как в данном случае моделируется передвижной датчик, выбираем параметр Mass Mobility (приложение 1). В графическом режиме топология сети в начальный момент времени t=0 будет выглядеть следующим образом:
37 Рисунок 4.13 Топология сети Рисунок Топология сети в начальной точке (перед запуском моделирования) В процессе проведения моделирования топология периодически меняет ся, что связано с движением объектов. В различные отрезки времени датчики меняют свое местоположение.
38 Рисунок 4.15 Положение датчиков на 15-й минуте Рисунок 4.16 Положение датчиков на 42-й минуте Моделирование стационарных датчиков будет также проводиться для 10 устройств (numnodes = 10) в течении 60 минут (sim-timelimit = 60 min). Все устройства используют в качестве протокола канального уровня протокол IEEE (mixim.modules.node.host802154a;). Так как в данном случае моделируется стационарный датчик, выбираем параметр "Stat ionarymobility" (приложение 2). В графическом режиме топология сети будет выглядеть следующим образом:
39 Рисунок 4.17 Графическое представление сети Рисунок 4.18 Топология сети Таким образом, произведено моделирование стационарных и мобильных датчиков. Для того чтобы было удобно проводить сравнительную характеристику, датчики располагаются в помещении с одинаковыми размер ами. Были произведены настройки для датчиков сенсорной сети. Все устройства используют в качестве протокола канального уровня протокол IE EE Моделирование проводилось для десяти датчиков в течение одного часа. Для создания беспроводной сенсорной сети использовались MiXiM инструменты.
40 Схема алгоритма на рисунке 4.19 показывает каким образом производилось моделирование беспроводной сети в среде MiXiM. Рисунок 4.19 Структура работы системы Глава 5. Анализ полученных результатов 5.1. Анализ задержек в сети Получив результаты симуляции, перейдем к анализу работоспособности сети. Для получения файла, содержащего результаты проведенного моделирования выбираем File > New >Analysis File. Рассмотрим к примеру
41 длительность задержек в узлах (latency). Задержки в сети ZigBee зависят от топологии сети и могут существенно варьироваться в зависимости от текуще го уровня помех и напряженности трафика. В OMNeT++ при анализе полученных данных, показываются минимальные и максимальные задержки в узлах. Таблица 5.1 Задержки в узлах (latency) Таблица 5.2 Задержки в узлах (latency) Графическое отображение данных с помощью OMNeT++:
42 Рисунок 5.1- Минимальные задержки в стационарных датчиках Рисунок 5.2 Максимальные задержки в стационарных датчиках
43 Рисунок 5.3 Минимальные задержки в мобильных датчиках Рисунок 5.4 Максимальные задержки в мобильных датчиках
44 Для наглядного отображения сведем данные в сравнительный график Рисунок 5.5 Максимальные задержки при использовании стационарных и мобильных датчиков Рисунок 5.6 Минимальные задержки при использовании стационарных и мобильных датчиков Задержки для мобильных датчиков меньше, однако их показатели менее стабильны, что связано с передвижением их по периметру помещения, соответственно в разные моменты времени, датчики могли находиться очень близко к друг другу и передавать сообщения беспрепятственно, либо находит ься на далеком расстоянии и передавать сообщение с большой задержкой. Подобный пример можно наблюдать на рисунке 5.6.
45 5.2. Стандартное отклонение в узлах сети Источниками помех и отклонений при передаче в нелицензированном диапазоне могут быть устройства, работающие в том же диапазоне. Если используются радиочастотные устройства таких типов, пропускная способность беспроводной сети существенно уменьшается из-за повторных передач, а также из-за того, что устройства конкурируют между собой за право доступа к среде. Именно поэтому необходимо внимательно подходить к планированию и развертыванию сети и учитывать другие устройства, которые могут оказывать взаимные помехи развертываемой сети. Проблема с ZigBee состоит в том, что устройства WiFi также работают в диапазоне 2,4 Гц и трафик WiFi с трафиком ZigBee могут оказывать взаимные помехи. Еще одна проблема ZigBee это то, что при заявленной скорости в 250 кбит/с, реальная скорость является намного меньше, несмотря на то, что сеть имеет фиксированную скорость в радиоканале. Это происходит при сетевом взаимодействии узлов сети и возникающих задержек на подтверждение пакетов. Кроме того, обработка данных на нижних уровнях стека также занимает определенное время. Рассмотрим стандартное отклонение задержек в сети (stddev). Стандарт ное (среднеквадратическое) отклонение показывает разброс значений случай ной величины относительно ее среднего значения. Чем больше разброс тем сложнее управлять трафиком (принимать пакеты в нужном порядке, избегать дублирования пакетов). Таблица 5.3 Стандартное отклонение в узлах Стационарные датчики Мобильные датчики node=0 0,94 node=0 0 node=1 0 node=1 0,31 node=2 0 node=2 0,46 node=3 1,58 node=3 0,99 node=4 0 node=4 0 node=5 1,42 node=5 0,79 node=6 1,85 node=6 0,29 node=7 1,98 node=7 0 node=8 1,24 node=8 0,35 node=9 1,58 node=9 0,41 Из полученных гистограм видно, что узлы 1,2,4 у стационарных датчиков и 0,4,7 у мобильных не получили данные, следовательно отклонение этих узлов составляет 100%.
46 Представим для удобства данные графически: Рисунок 5.7 Стандартное отклонение при использовании стационарных датчиков Рисунок 5.8 Стандартное отклонение при использовании мобильных датчиков
47 Рисунок 5.9 Стандартное отклонение стационарных и мобильных датчиков 5.3 Передача пакетов в сети Форматы передаваемых пакетов в сетях ZigBee: пакет данных (используется для передачи данных); пакет подтверждения (используется для подтверждения успешной передачи данных); пакет МАС команды (используется для организации пересылок управляющих МАС команд); сигнальный пакет (используется координатором для организации синхронизированного доступа). Для того, чтобы контролировать последовательность передачи пакетов используется нумерация (Data sequence number), контрольная сумма последовательности кадра обеспечивает безошибочную передачу (Frame Che ck Sequence - FCS). Пакет подтверждения обеспечивает обратную связь от получателя к отправителю об успешной безошибочной передаче пакета данных. Пакет MAC команды нужен для удаленного управления и конфигурирования сетевых устройств. Позволяет координатору сети настраивать по отдельности все сетевые подчиненные устройства вне зависимости от размеров сети. Сигнальный пакет нужен для того, чтобы активировать конечные устройства, так как они активны только в периоды приема пакетов синхронизации.
48 Таблица 5.4 Количество полученных пакетов тационарные датчики Мобильные датчики node=0 18 node=0 0 node=1 0 node=1 9 node=2 0 node=2 9 node=3 16 node=3 6 node=4 0 node=4 0 node=5 17 node=5 6 node=6 16 node=6 9 node=7 16 node=7 1 node=8 17 node=8 3 node =9 17 node=9 9 Рисунок 5.10 Количество полученных пакетов стационарными датчиками
49 Рисунок 5.11 Количество полученных пакетов мобильными датчиками Как видно из полученных данных, что в среднем каждый узел получил при использовании стационарных датчиков 15 пакетов за период (для мобильных датчиков это 8 пакетов), т.е. не все переданные пакеты достигли приемников, некоторые были потеряны. Рисунки показывают, что вероятност потерь для мобильных датчиков в два раза выше, чем для стационарных. Это связано с различными факторами, такими как уменьшение пропускной способности данных сети, временные прерывания или полный разрыв беспроводного соединения, некорректная работа датчика. Чтобы показать сравнительные данные наглядно, соединим их в один график. Рисунок 5.12 Получение пакетов при использовании стационарных и мобильных датчиков
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа 7 г. Павлово Нижегородской области Научно-исследовательская работа по теме Беспроводные протоколы связи Работу выполнил:
Технологии беспроводной связи в локальных сетях Wi-Fi Сеть Wi-Fi Wi-Fi сеть - радиосеть, позволяющая передавать информацию между объектами по радиоканалам. Разработкой стандартов занимается Wi-Fi Alliance.
Беспроводная связь (только в некоторых моделях) Руководство пользователя Copyright 2007 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Windows является зарегистрированным в США товарным знаком Microsoft Corporation.
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Сеть - это два или более компьютеров, соединенных каналами связи. Прообразом компьютерной сети в начале 60-х г. XX в. стал терминальный доступ к мэйнфреймам, которые в режиме разделения
УДК 004.735 П.В. Черепанов УПРАВЛЕНИЕ ДОСТУПОМ МОБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ К СТАЦИОНАРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ Черепанов Павел Валерьевич, магистр кафедры вычислительной техники Московского государственного
ГРУППА СТАНДАРТОВ WiMAX А.Ю. Прокопенко Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Б.А. Крылов Статья посвящена краткому обзору группы стандартов беспроводных сетей WiMAX. Введение Стандарты
Сконодобов Геннадий Викторович (Skonodobov G.V.), студент Руководитель Тютякин Александр Васильевич (Tiutiakin A.V.), доцент ФГБОУ ВПО «Госуниверситет УНПК» О реализации беспроводной технологической сети
Что такое компьютерная сеть? 1 Компьютерная сеть это группа компьютеров, соединённых линиями связи: электрические кабели телефонная линия оптоволоконный кабель (оптическое волокно) радиосвязь (беспроводные
Беспроводные сенсорные сети Тема 6: Симуляция работы беспроводных сенсорных сетей МАИ каф. 609, Терентьев М.Н., [email protected] 1 На этой лекции Понятие симуляции Симуляция при разработке БСС Методы симуляции
Локальная сеть Компьютерная сеть совокупность компьютеров, соединенных с помощью каналов связи и средств коммутации в единую систему для обмена сообщениями и доступа пользователей к программным, техническим,
Беспроводная связь Руководство пользователя Copyright 2007 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Windows является охраняемым товарным знаком корпорации Microsoft, зарегистрированным в США. Bluetooth
Беспроводная связь (только в некоторых моделях) Руководство пользователя Компания Hewlett-Packard Development (Hewlett-Packard Development Company, L.P.), 2006. Microsoft и Windows являются охраняемыми
ПОСТРОЕНИЕ САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ СЕТИ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ. Казаков М.Ф. научный руководитель канд. техн. наук Казаков Ф.А. Сибирский Федеральный Университет Введение Одним из направлений развития информационных
Интеграционная платформа для АСУ ТП - Система Оператор Описание применения 1. НАЗНАЧЕНИЕ И СВОЙСТВА Данный комплекс программ представляет собой инструментальное средство разработки прикладного программного
РУКОВОДСТВО ПО НАСТРОЙКЕ И РАБОТЕ С КОНВЕРТЕРОМ ИНТЕРФЕЙСА Т-11. Версия 1.0 Год 2011 Оглавление Введение... 3 Общие сведения... 3 Топология соединения конвертеров в СКУД «Реверс»... 4 Изменение настроек
RT-N18U Высокоскоростной Wi-Fi маршрутизатор (2,4 ГГц, 600 Мбит/с) Энергоэффективный процессор и технология TurboQAM обеспечивают скорость передачи данных до 600 Мбит/с, что на 33% выше, чем у традиционного
Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины Физический факультет «Информационные системы и сети» Лекция Беспроводные технологии
Лекция 13 Тема: Основы сетевых технологий. Эталонная модель взаимосвязи открытых систем. План: 1. Локальная вычислительная сеть: понятие и назначение 2. Семиуровневая модель организации локальной вычислительной
Способы подключения к сети Интернет Самыми распространенными способами подключения к сети Интернет на сегодняшний день являются: Модемное соединение (Коммутируемый доступ) Dial-Up, ADSL Телевизионный коаксиальный
Беспроводная связь (только для отдельных моделей) Руководство пользователя Компания Hewlett-Packard Development (Hewlett-Packard Development Company, L.P.), 2006. Microsoft и Windows являются охраняемыми
Беспроводное оборудование Wi-Fi компании Cisco Systems Содержание 1. Сфера применения...2 2. Стандарты...2 3. Оборудование...2 3.1. Оборудование для использования внутри помещения...3 3.1.1. Cisco Aironet
Удаленный сбор данных АСКУЭ в малоэтажных жилых комплексах по ZigBee-сетям Современные автоматизированные системы коммерческого учета энергоресурсов (АСКУЭ) используют сети сотовой связи для удаленной
Многофункциональная мобильная самоорганизующаяся радиосеть «МСР-Сеть» Протоколы сетевого уровня: IPv6 (RFC 3513), маршрутизация DSR (RFC 4728), AODV (RFC 3561) Метод множественного доступа канального уровня:
БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ Cинхронизация от GPS/ГЛОНАСС и повышение окупаемости инвестиций Д.Батлер (John Butler), директор по продукции Cambium Network Синхронизация с помощью сигналов GPS/ГЛОНАСС напрямую влияет
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПРОТОКОЛОВ MODBUS ЭДВАРД ЛИН EDWARD LIN [email protected] Устройства Modbus RTU легко внедрять и недорого обслуживать, поэтому данный протокол стал очень популярным. Однако сегодня все больше
УДК 621.396 Г.И. Пахомов, С.И. Головин, А.Д. Калашников, Е.С. Каширина, М.Ю. Тонких Пермскийнациональныйисследовательский политехническийуниверситет ТЕХНОЛОГИИ Wi-Fi И WiMAX В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 258
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТА Система спутникового мониторинга и контроля транспорта Точка доступа ZyXEL G-202 EE Конфигурирование и настройка Оглавление АвтоГРАФ-WiFi:Точка доступа ZyXEL G-202 EE Конфигурирование
Это устройство работает со следующими операционными системами: Windows XP, Windows 2000 DWL-G650M Беспроводной Super G MIMO адаптер для ноутбука Прежде чем начать Необходимо наличие следующего оборудования:
ТЕОРИЯ И СОСТОЯНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ Алексеева Е.Н., Байрушин Ф.Т. Башкирский государственный университет Уфа, Россия THEORY AND STATE WIRELESS NETWORKS Alekseevа E.N., Bairushin F.T. Bashkir State University
Настройка терминалов Galileosky Base Block Wi-Fi с функцией Инструкция по подключению www.7gis.ru Оглавление Требуемые инструменты, приборы, материалы... 3 Общая информация... 4 Установка и подключение
Инструкция пользователя по работе с сервисом «Мобильный Клиент-Банк» (для устройств под управлением ОС Android) 2012 г. 1 Содержание 1. Требования к мобильному устройству....3 2. Установка системы «Мобильный
Беспроводная связь (только в некоторых моделях) Руководство пользователя Copyright 2007 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Windows - зарегистрированный в США товарный знак Microsoft Corporation.
УДК 004.75 Секция. Информационные системы и технологии ПРОТОКОЛЫ МАРШРУТИЗАЦИИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ Тимков А.В., Телятников А.О. Донецкий национальный технический университет, кафедра автоматизированных
Данный продукт работает со следующими операционными системами: Windows XP, Windows 2000 DWL-G132 AirPlus G Беспроводный USBадаптер 802.11g/2.4ГГц Прежде чем начать Необходимо следующее: Компьютер со свободным
Обзор современных беспроводных технологий
Архитектура сенсора
Сенсорный датчик состоит из аппаратной и программной части, как и любой другой телекоммуникационный узел. В общем случае сенсор состоит из следующих
подсистем: восприятие, обработки данных, мониторинга, коммуникационной и источника питания (Рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Общая архитектура сенсора.
Подсистема восприятия состоит, как правило, из аналогового устройства, снимающего определенную статистику и аналого-цифрового преобразователя. Подсистема обработки данных содержит в себе центральный процессор и память, позволяющие хранить не только генерируемые сенсором данные, но и служебную информацию, которая необходима для корректного и полноценного функционирования коммуникационной подсистемы. Подсистема мониторинга позволяет сенсору собирать данные об окружающей среде, такие как влажность, температура, давление, магнитное поле, химический анализ воздуха и т.д. Также сенсор может быть дополнен гироскопом, акселерометром, что даёт возможность для построения системы позиционирования.
Прогресс в области беспроводной связи и миниатюризация микросхем открывают новые горизонты в информационно-компьютерных технологиях. Помимо многошаговых сетей существуют более сложные протоколы маршрутизации, когда следующий узел выбирается на основе анализа его характеристик, например, уровень энергии, надежность и тому подобное. Ситуация усложняется в случае, когда узлы беспроводной сенсорной сети передвигаются – топология сети становится динамичной.
Для реализации сенсора как телекоммуникационного устройства малого размера (не более одного кубического сантиметра) необходимо учитывать многие технические аспекты. Частота центрального процессора должна быть не менее 20МГц, объем оперативной памяти не менее 4 КБ, скорость передачи не менее 20 Кбит/с. Оптимизация аппаратной части позволит снизить размеры сенсора, но повлечет за собой увеличение его цены. Операционную систему (ОС) необходимо оптимизировать с учетом архитектуры применяемого центрального процессора. Ограниченные ресурсы и малый размер памяти стимулируют размещение ОС в ПЗУ. В настоящее время широко распространена ОС с открытым кодом Tiny OS, позволяющая достаточно гибко управлять сенсорами разных производителей. В области сетевого взаимодействия, ограниченный источник питания в сенсорах накладывает существенные ограничения на
использование радиотехнологий, которые могут быть применены в сенсорных сетях. Также следует отметить, что ограниченная производительность центрального процессора не позволяет применение стандартных протоколов маршрутизации IP-сетей
– высокая сложность расчета алгоритма оптимального пути перегрузит центральный процессор. На сегодняшний день разработано большое количество специальных протоколов маршрутизации для сенсорных сетей.
Разработка технологии передачи данных в сенсорных сетях является одной из самых важных задач при построении сенсорной сети, так как её специфические архитектурные и системные характеристики накладывают целое множество жестких ограничений, среди которых следует подчеркнуть следующие:
Ограниченные запасы энергии, из-за чего радиус действия ограничен;
Ограниченная производительность процессора;
Одновременное функционирование большого количества узлов на ограниченном пространстве;
Равнозначность узлов, архитектура «клиент-сервер» не применима в связи с характерной для неё задержками;
Функционирование в нелицензируемом спектре частот;
Низкая стоимость.
Настоящее время разработка сенсорных сетей строится на стандарте IEEE 802.15.4 Zigbee, о котором я упомянала выше. Дополнительно отмечу, что альянсом Zigbee предполагается, что радиодоступ стандарта ZigBee будет применятся в таких приложениях, как мониторинг, автоматизация производства, сенсоры, безопасность, контроль, бытовая техника и многое другое. Таким образом, приложения сенсорных сетей можно разделить на несколько основных категорий:
Безопасность, чрезвычайные ситуации и военные операции;
Медицина и здоровье;
Погода, окружающая среда и сельское хозяйство;
Фабрики, заводы, дома, здания;
Транспортные системы и автомобили.
Рассмотрю случаи конкретного применения сенсорных сетей в вышеперечисленных категориях. Сенсорные сети могут, как минимум, использоваться в следующих сценариях.
Применение сенсорных сетей
Беспорводные сенсорные сети имеют уникальные характеристики легкого развертывания, самоорганизации и отказоустойчивости. Появившись как новая парадигма сбора информации, беспроводные сенсорные сети были использованы в широких целях связанных с охраной здоровья, контроль окружающей среды, енергии, безопасности пищевых продуктов и производства.
В течении последних нескольких лет, было много предпосылок того, что сенсорные сети станут реальными. Было создано несколько прототипов сенсорных нодов, включая Motes в Berkeley, uAMPS в MIT (в Массачусетском технологическом институте), и GNOMES в Rice. Элементарными функциями сенсорных сетей являются позиционирование, обнаружение, слежение и выявление. Кроме военных применений, также были гражданские применения, основанные на элементарных функциях, которые можно разделить на контроль среды обитания, наблюдение за окружающей средой, здравоохранения и других коммерческих
приложений. В добавок, Sibley недавно создали мобильный датчик, названный как Robomote, он оборудован колесиками и способен перемещаться по полю.
Качестве одной из первых попыток использования сенсорных сетей для гражданского применения, Berkeley and Intel Research Laboratory использовали сенсорную сеть Моте для контроля показаний штормов на Великих островах Duck, штат Мэн летом 2002 года. Две третьи сенсорных датчиков были установлены у берегов Мэн сбора необходимой (полезной) информации в реальном времени во всемирную путину (интернет). Система работала более 4 месяцев и снабжала данными
Течение 2 месяцев, после того как ученые покинули остров из-за плохих погодных условий (зимой). Это приложение мониторинга среды обитания представляет собой важный класс приложений сенсорных сетей. Самое важное, что сетевые сенсоры способны собирать информацию в опасных условиях, неблагоприятных для людей. В ходе мониторинговых исследований были рассмотрены критерии дизайна, включая дизайн создание, создание сенсорной системы с возможностью отдаленного доступа и управления данными. Были предприняты многочисленные попытки для достижения требований, что привело к развитию системы набора сенсорных датчиков (set of prototype sensor network systems). Сенсорная система, используемая Berkeley and Intel Research Laboratory, хоть и примитивная, но была эффективна в сборе интересных данных окружающей среды и обеспечила ученых важной информацией.
Сенсорные сети нашли применения в сфере наблюдения и предсказывания (предположения). Живой пример подобного применения является система Automated Local Evaluation in Real-Time (ALERT), разработанная Национальной Службой Погоды с беспроводной сетью сенсоров. Снабженные метеорологическими/гидрологическими сенсорными устройствами, сенсоры в данных условиях обычно измеряют несколько свойств местной погоды, таких как уровень воды, температуру, ветер. Данные передаются через прямую линию радиопередачи (line-of-sight radio communication) через сенсоры на базовой станции. Модель Прогноза Наводнений была приспособлена для обработки данных и выдачи автоматического предупреждения. Система обеспечивает важную информацию об осадках и уровне воды в реальном времени для оценки возможности потенциального наводнения в любой точке страны. Настоящая (текущая) система ALERT установлена по всему западному побережью США и используется для предупреждения наводнений в Калифорнии и Аризоне.
Последнее время, системы сенсоров интенсивно используются в сфере здравоохранения, применяемые пациентами и врачами для отслеживания и мониторинга уровня глюкозы, детекторов рака и даже искусственных органов. Ученые предполагают возможность имплантирования биомедицинских сенсоров в человеческое тело для разных целей. Эти сенсоры передают информацию на внешнюю компьютерную систему через беспроводной интерфейс. Несколько биомедицинских сенсоров объединены в систему приложений для определения диагноза и лечения болезни. Биомедицинские сенсоры предвещают более продвинутый уровень медицинской помощи.
Главным отличием беспроводных сенсорных сетей от традиционных компьютерных и телефонных сетей является отсутствие постоянной инфраструктуры, которая принадлежит определенному оператору или провайдеру. Каждый пользовательский терминал в сенсорной сети имеет возможность функционировать не только как оконечное устройство, но, так, же как и транзитный узел, как показано на Рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Пример подсоединения сенсоров сети
Беспроводные сенсорные сети: обзор
Акулдиз И.Ф.
Перевод с английского: Левжинский А.С.
Аннотация
Статья описывает концепции сенсорных сетей, реализация которых стала возможна в результате объединения миктроэлектро-механических систем, беспроводной связи и цифровой электроники. Изучены задачи и потенциал сенсорных сетей, сделан обзор фактов влияющих на их разработку. Также рассмотрена архитектура построения сенсорных сетей, разработанные алгоритмы и протоколы для каждого слоя архитектуры. В статье исследованы вопросы о реализации сенсорных сетей.
1. Введение
Последние достижения в области технологий микро-электро-механических систем (MEMS), беспроводной связи и цифровой электроники позволили создавать недорогие, маломощные, многофункциональные моты (узлы), они небольшие и «общаются» непосредственно друг с другом. Сенсорных сети основанных на совместной работе большого числа крошечных узлов, которые состоят из модулей сбора и обработки данных, передатчика. Такие сети имеет значительные преимущества перед набором традиционных датчиков. Вот две ключевые особенности традиционных датчиков:
Датчики могут быть расположены далеко от наблюдаемого явления. При таком подходе требуется много датчиков, которые используют некоторые сложные методы, чтобы выделить цели из шума.
Можно развернуть несколько датчиков, которые выполняют только сбор данных. Тщательно разработать позиции датчиков и топологию. Они будут передавать наблюдения в центральные узлы, где и будет выполняются сбор и обработка данных.
Сенсорная сеть состоит из большого числа узлов (мотов), которые густо расположены близко к наблюдаемому явлению.
Положение мотов не нужно предварительно рассчитывать. Это позволяет случайным образом располагать их в труднодоступных местностях или использовать для операций по оказанию помощи, которые требуют быстрого реагирования. С другой стороны, это означает, что сетевые протоколы и алгоритмы работы мотов должны обладать возможностью самоорганизации. Еще одной уникальной особенностью сенсорных сетей является совместная работы отдельных узлов. Моты оснащены процессором. Поэтому вместо передачи исходных данных, они могут их обрабатывать, выполняя простые вычисления и передавать далее только необходимые и частично обработанные данные.
Описанные выше особенности обеспечивают широкий спектр применения сенсорных сетей. Такие сети можно применять в здравоохранении, для военных нужд и безопасности. Например, физиологические данные о пациенте может контролироваться удаленно врачом. Это удобно как для пациента, так и позволяет врачу понять его текущее состояние. Сенсорные сети могут быть использованы для выявления инородных химических агентов в воздухе и воде. Они могут помочь определить тип, концентрацию и расположение загрязнителей. В сущности, сенсорные сети позволяют лучше понять окружающую среду. Мы предполагаем, что в будущем, беспроводные сенсорные сети будут неотъемлемой частью нашей жизни, более, чем современных персональных компьютеры.
Реализация этих и других проектов, требующих использование беспроводных сенсорных сетей, требуют специальных методов. Многие протоколы и алгоритмы были разработаны для традиционных беспроводных одноранговых сетей, поэтому они не очень хорошо подходит для уникальных особенностей и требований сенсорных сетей. Приведем различия сенсорных и одноранговых сетей:
Количество узлов сенсорной сети может быть на несколько порядков выше, чем узлов в одноранговой сети.
Узлы плотно расположены.
Узлы подвержены сбоям.
Топология сенсорных сетей может часто изменяться
Узлы в основном используют широковещательные сообщения, в то время как большинство одноранговых сетей основаны на связи "точка-точка".
Узлы ограничены в питании, вычислительных мощностях, и памяти.
Узлы не могут иметь глобальный идентификационный номер (ИН) из-за большого количества накладных расходов и большого количества датчиков.
Так как узлы в сети расположены плотно, соседние узлы могут оказаться очень близко друг к другу. Следовательно, multi-hop связи в сенсорных сетях будут потреблять меньше энергии, чем прямые связи. Кроме того, можно использовать низкую мощность сигнала передачи данных, что полезно в скрытых наблюдениях. Multi-hop связи могут эффективно преодолевать некоторые трудности при распространении сигнала на дальние расстояния в беспроводной связи. Одним из наиболее важных ограничений для узлов является малое потребление энергии. Моты имеют ограниченные источники энергии.
Итак, в то время как традиционные сети направлены на достижение высокого качества сигнала, сетевые протоколы мотов должны сосредоточиться главным образом на сохранение энергии. Они должны обладать механизмами, которые дают пользователю возможность продления времени жизни мота за счет либо снижения пропускной способности, либо увеличения времени задержки передачи данных. Многие исследователи в настоящее время участвуют в разработке схем, которые выполняют эти требования. В данной статье мы сделаем обзор протоколов и алгоритмов, существующих в настоящее время для сенсорных сетей. Наша цель – предоставить лучшее понимание текущих вопросов научных исследований в этой области. Мы также попытаемся исследовать ограничения, накладываемые на разработку, и выявить инструменты, которые можно использовать для решения задач проектирования.
Статья организована так: во втором разделе, мы опишем потенциала и полезность сенсорных сетей. В разделе 3 мы обсудим факторы, которые влияют на проектирование таких сети. Подробное исследование существующих методик в этой области рассмотрим в разделе 4. И подведем итоги в 5 разделе.
2. Применение беспроводных сенсорных сетей
Сенсорные сети могут состоять из различных типов датчиков, например сейсмических, датчиков определения магнитного поля, тепловых, инфракрасных, акустических, которые в состоянии осуществлять самые разнообразные измерения условий окружающей среды. Например, такие как :
температура,
влажность,
автомобильное движение,
состояние молнии,
давление,
состав почвы,
уровень шума,
наличие или отсутствие некоторых объектов,
механическая нагрузка
динамические характеристики, такие как скорость, направление и размер объекта.
Моты могут использоваться для непрерывного зондирования, обнаружения и идентификации событий. Концепция микро зондирования и беспроводное соединение обещают много новых областей применения для таких сетей. Мы классифицировали их по основным направлениям: военное применение, исследование окружающей среды, здравоохранение, использование в домах и других коммерческих областях. Но можно расширить эту классификацию и добавить больше категорий, например исследование космического пространства, химическая обработка и ликвидации последствий стихийных бедствий.
2.1. Военное применение
Беспроводные сенсорные сети могут быть неотъемлемой частью военного управления, связи, разведки, наблюдения и систем ориентирование (C4ISRT). Быстрое развертывание, самоорганизации и отказоустойчивость – это характеристики сенсорных сетей, которые делают их перспективным инструментом для решения поставленных задач. Поскольку сенсорные сети могу быть основаны на плотном развертывании одноразовых и дешевых узлов, то уничтожение некоторых их них во время военных действий не повлияет на военную операцию так, как уничтожение традиционных датчик. Поэтому использование сенсорных сетей лучше подходит для сражений. Перечислим еще некоторые способы применение таких сетей: мониторинг вооружения и боеприпасов дружественных сил, наблюдение за боем; ориентация на местности; оценка ущерба от битв; обнаружение ядерных, биологических и химических атак. Мониторинг дружественных силы, вооружения и боеприпасов: лидеры и командиры могут постоянно контролировать состояние своих войск, состояние и наличие оборудования и боеприпасов на поле боя с помощью сенсорных сетей. К каждому транспортному средству, оборудованию и важным боеприпасам могут быть прикреплены датчики, которые сообщают их статус. Эти данные собирается вместе в ключевых узлах, и направляются руководителям. Данные также могут быть переадресованы на верхние уровни иерархии командования для объединения с данными из других частей. Наблюдения боя: критические участки, пути, маршруты и проливы могут быть быстро покрыты сенсорными сетями для изучения деятельности сил противника. Во время операций или после разработки новых планов сенсорные сети могут быть развернуты в любое время для наблюдения за боем. Разведка сил противника и местности: Сенсорные сети могут быть развернуты на критических территориях, и могут быть собраны в течении нескольких минут ценные, подробные и своевременные данные о силах противника и местности, прежде чем враг сможет их перехватить. Ориентация: сенсорные сети могут быть использованы в системах наведения интеллектуальных боеприпасов. Оценка ущерба после боя: непосредственно перед или после нападения, сенсорные сети могут быть развернуты в целевой области для сбора данных об оценке ущерба. Обнаружение ядерных, биологических и химических атак: при применении химического или биологического оружия, использование которого близко к нулю, важное значение иметь своевременное и точное определение химических агентов. Могут быть использованы сенсорные сети в качестве систем предупреждения химических или биологических атак и данные собранные в короткие сроки помогут резко уменьшить количество жертв. Также можно использовать сенсорные сети для подробной разведки, после обнаружения таких атак. Например, можно осуществлять разведку в случае радиационных заражений не подвергая людей радиации.
2.2. Экологическое применение
Некоторые из направлений в экологии, где применяют сенсорные сетей: отслеживание движения птиц, мелких животных и насекомых; мониторинг состояния окружающей среды, с целью выявления ее влияния на сельскохозяйственные культуры и скота; орошения; широкомасштабный мониторинга земли и исследования планет; химическое / биологическое обнаружение; обнаружение лесных пожаров; метеорологические или геофизические исследования; обнаружение наводнений; и исследование загрязнения . Обнаружение лесных пожаров: поскольку моты могут быть стратегически и плотно развернуты в лесу, то они могут ретранслировать точное происхождение огня до того, как пожар станет неконтролируемым. Миллионы датчик могут быть развернуты на постоянной основе. Они могут быть оснащены солнечными батареи, т.к узлы могут быть оставлены без присмотра на месяцы и даже годы. Моты будут работать сообща для выполнения задач распределенного зондирования и преодоления препятствий, таких как деревья и скалы, которые блокируют работу проводных датчиков. Отображение био состояния окружающей среды : требует сложных подходов к интеграции информации во временных и пространственных масштабах . Прогресс в области технологии дистанционного зондирования и автоматизированный сбор данных, позволили значительно снизить затраты на исследования . Преимущество данных сетей в том, что узлы могут быть соединены с Интернетом, который позволяет удаленным пользователям осуществлять контроль, мониторинг и наблюдения за окружающей средой. Хотя спутниковые и бортовые датчики являются полезными в наблюдении за большим разнообразием, например, пространственной сложности видов доминирующих растений, они не позволяют наблюдать за мелкими элементами, которые составляет большую часть экосистемы . В результате возникает потребность в развертывании на местах узлов беспроводных сенсорных сетей. Одним из примеров применения это составление биологической карты окружающей среды в заповеднике в Южной Калифорнии . Три участка покрыты сетью, в каждой их которых по 25-100 узлов, которые используются для постоянного наблюдения за состоянием окружающей среды. Обнаружение наводнений : примером обнаружения наводнений является система оповещения в США. Несколько типов датчиков, размещенных в системе оповещения, определяют уровень осадков, уровень воды и погоду. Научно-исследовательские проекты, такие как COUGAR Device Database Project в Корнельском университете и проект DataSpace в Университете Rutgers , изучают различные подходы к взаимодействию с отдельными узлами в сети для получения снимков и долго собираемых данных. Сельское хозяйство: преимуществом сенсорных сетей также является возможность контролировать уровень пестицидов в воде, уровень эрозии почвы и уровень загрязнения воздуха в режиме реального времени.
2.3. Применение в медицине
Одним из применений в медицине является устройства для инвалидов; мониторинг пациентов; диагностика; мониторинг использования медикаментов в больницах; сбор физиологических данных человека; и мониторинга врачей и пациентов в больницах . Мониторинг физиологического состояния человека: физиологические данные, собранные сенсорными сетями могут храниться в течение длительного периода времени и могут использоваться для медицинского исследования . Установленные узлы сети могут также отслеживать движения пожилых людей и, например, предупреждать падения . Эти узлы невелики и обеспечивают пациенту большую свободу передвижения, в тоже время позволяют врачам выявить симптомы болезни заранее . Кроме того, они способствуют обеспечению более комфортной жизни для пациентов в сравнении с лечением в больнице . Для проверки возможности такой системы на факультете медицины Grenoble–France был создан “Здоровый умный дом "". . Мониторинг врачей и пациентов в больнице: каждый пациент имеет небольшой и легкий узел сети. Каждый узел имеет свою конкретную задачу. Например, один может следить за сердечным ритмом, в то время как другой снимает показания кровяного давления. Врачи могут также иметь такой узел, он позволит другим врачам найти их в больнице. Мониторинг медикаментов в больницах: Узлы могут быть присоединены к лекарствам, тогда шансы выдачи неправильного лекарства, могут быть сведены к минимуму. Так, пациенты будут иметь узлы, которые определяют их аллергию и необходимые лекарства. Компьютеризированные системы, как описано в показали, что они могут помочь свести к минимуму побочные эффекты от ошибочной выдачи препаратов.
2.4. Применение в доме
Автоматизация дома: смарт-узлы могут быть интегрированы в бытовые приборы, например в пылесосы, микроволновые печи, холодильники и видеомагнитофоны . Они могут взаимодействовать друг с другом и с внешней сетью через Интернет или спутник. Это позволит конечным пользователям легко управлять устройствами дома как локально, так и удаленно. Умная окружающая среда: дизайн смарт-среды может иметь два различных подхода, т.е., ориентированного на человека или на технологии. В случае первого подхода, смарт-среда должна адаптироваться к потребностям конечных пользователей с точки зрения взаимодействия с ними. Для технологически-центрированных систем должны быть разработаны новые аппаратные технологий, сетевые решений, и промежуточные приложения. Примеры того, как узлы могут быть использованы для создания смарт-среды описана в . Узлы могут быть встроены в мебель и технику, они могут общаться друг с другом и сервером комнаты. Сервер комнаты может также общаться с другими серверами комнат, чтобы узнать о услугах, которые они могут предложить, например, печать, сканирование и работа с факсом. Эти сервера и сенсорные узлы могут быть интегрированы в существующие встраиваемые устройства и составлять самоорганизующиеся, саморегулируемые и адаптивные системы, основанные на модели теории управления, как описано в работе .
3. Факторы, влияющие на разработку моделей сенсорных сетей.
Разработка сенсорных сетей зависит от многих факторов, которые включают в себя отказоустойчивость, масштабируемость, издержек производства, вид операционной среды, топологию сенсорной сети, аппаратные ограничения, модель передачи информации и потребление энергии. Эти факторы рассматриваются многими исследователями. Однако ни в одном из этих исследований полностью не учтены все факторы, которые влияют на разработку сетей. Они важны, поскольку служат в качестве ориентира для разработки протокола или алгоритмов работы сенсорных сетей. Кроме того, эти факторы могут быть использованы для сравнения различных моделей.
3.1. Отказоустойчивость
Некоторые узлы могут выйти из строя из-за отсутствия энергии, физических повреждений или стороннего вмешательства. Отказ узла не должен повлиять на работу сенсорной сети. Это вопрос надежности и отказоустойчивости. Отказоустойчивость - способность поддерживать функциональность сенсорной сети без сбоев при выходу из строя узла . Надежность Rk(t) или отказоустойчивости узла моделируется в с помощью распределения Пуассона для определения вероятности отсутствия неисправности узла в период времени (0; t) Стоит обратить внимание на то, что протоколы и алгоритмы могут быть ориентированы на уровень отказоустойчивости, требуемый для построения сенсорных сетей. Если среда, в которой узлы размещены мало подвержена вмешательствам, то протоколы могут быть менее отакзоустоичивыми. Например, если узлы внедряются в дом, чтобы следить за влажностью и уровнем температуры, требования к отказоустойчивости может быть низким, поскольку такого рода сенсорные сети не могут выйти из строя и «шум» окружающей среды не влияет на их работу. С другой стороны, если узлы используются на поле боя для наблюдения, то отказоустойчивость должна быть высокой, поскольку наблюдения являются критически важными и узлы могут быть уничтожены во время военных действий. В результате, уровень отказоустойчивости зависит от применения сенсорных сетей и модели должны быть разработаны с учетом этого.
3.2. Масштабируемость
Количество узлов развернутых для изучения явления может быть порядка сотен или тысяч. В зависимости от приложения, число может достигать экстремальных значений (миллионов). Новые модели должны быть в состоянии работать с этим числом узлов. Они также должны использовать высокую плотность сенсорных сетей, которая может варьироваться от нескольких узлов до нескольких сотен на участке, который может быть меньше 10 м в диаметре . Плотность может быть рассчитана в соответствии с ,
3.3. Расходы на производство
Так как сенсорные сети состоят из большого количества узлов, то стоимость одного узла должна быть такой, чтобы оправдать общую стоимость сети. Если стоимость сети выше, чем развертывание традиционных датчиков, то она не экономически оправданна. В результате, стоимость каждого узла должна быть низкой. Сейчас стоимость узла с использованием Bluetooth-передатчика менее 10$ . Цена на PicoNode в районе 1$ . Следовательно, стоимость узла сенсорной сети должна быть гораздо меньше, чем 1 $ для экономической оправданности их использования. Стоимость Bluetooth-узла, который считается дешевым устройством, в 10 раз выше, чем средние цены на узлы сенсорной сети. Обратите внимание, что узел также имеет некоторые дополнительные модули, такие как модуль сбора данных и модуль обработки данных (описано в разделе 3.4.) Кроме того они могут быть оборудованы системой определения местонахождения или силовым генератором в зависимости от применения сенсорных сетей. В результате стоимость узла - сложный вопрос, учитывая количество функциональных возможностей даже при цена менее 1 $.
3.4. Аппаратные особенности
Узел сенсорных сетей состоят из четырех основных компонентов, как показано на рис. 1: блок сбора данных, блок обработки, передатчик и блок питания. Наличие дополнительных модулей зависит от применения сетей, например, могут быть модули определения местонахождения, силовой генератор и мобилизатор (MAC). Модуль сбора данных, как правило, состоят из двух частей: датчики и аналого-цифровой преобразователей (АЦП). Аналоговый сигнал, генерируемый датчиком на основе наблюдаемого явления, преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП, а затем подается в блок обработки. Модуль обработки, который использует интегрированную память, управляет процедурами, которые позволяют совместно с другими узлами выполнять поставленные задачи наблюдения. Блок передатчика (трансивер) соединяет узел с сетью. Одним из наиболее важных компонентов узла является блок питания. Блок питания может иметь возможность подзарядки, например, используя солнечные батареи.
Большинству узлов, передающих данные и собирающих данные, необходимо знать свое местоположение с высокой точностью. Поэтому в общую схему включен модуль определения местоположения. Иногда может понадобиться мобилизатор, который при необходимости перемещает узел, когда это необходимо для выполнения поставленных задач.
Все эти модули, возможно, потребуется разместить в корпус размером со спичечный коробок . Размер узла может быть меньше кубического сантиметра и достаточно легким, чтобы оставаться в воздухе. Помимо размера, есть некоторые другие жесткие ограничения для узлов. Они должны :
потребляют очень мало энергии,
работать с большим количеством узлов на малых расстояниях,
иметь низкую стоимость производства
быть автономными и работать без присмотра,
адаптироваться к окружающей среде.
Поскольку узлы могут становиться недоступными, жизни сенсорной сети зависит от питания отдельных узлов. Питание ограниченный ресурс и из-з а ограничений по размеру. Например, общий запас энергии смарт-узла составляет порядка 1 Дж . Для беспроводной интегрированной сети датчиков (WINS) средний уровень заряда, для обеспечения длительного времени работы должен быть меньше 30 LA. Возможно, продлить срок службы сенсорных сетей используя подзаряжаемые батареи , например, получая энергию из окружающей среды. Солнечные батареи – яркий пример использования подзарядки. Модуль передачи данных узла может быть пассивным или активным оптическим устройством, как в смарт-узле или радиочастотным (RF) передатчиком. Для радиочастотной передачи нужен модуль модуляции, который использует определенную полосу пропускания, модуль фильтрация, демодуляция, что делает их более сложными и дорогими.
Кроме того, возможны потери при передаче данных между двумя узлами из-за того, что антенны распложены близко к земле . Тем не менее, радиосвязь является предпочтительной в большинстве существующих проектов сенсорных сетей, так как частот передачи данных низкие (как правило, менее 1 Гц) , а частота циклов передачи высока из-за малых расстояний. Эти характеристики позволяют использовать низкие радиочастоты. Однако, проектирование энергоэффективных и низкочастотных радиопередатчиков по-прежнему является технически сложной задачей, а существующие технологии, которые используются при производстве Bluetooth устройства, не является достаточно эффективным для сенсорных сетей, поскольку потребляют много энергии .
Хотя в настоящее процессоры постоянно уменьшают свои габариты и увеличивают мощность, обработка и хранения данных узлом по-прежнему является его слабым местом. Например, модуль обработки смарт-узла состоит из процессора 4 МГц Atmel AVR8535, микроконтроллера с 8 Кбайт для инструкций, флэш-памяти, 512 байт RAM и 512 байт EEPROM . В этом модуле, который имеет 3500 байт под ОС и 4500 байт свободной памяти под код, используется операционная система TinyOS. Модуль обработки другого прототипа узла lAMPS имеет процессор SA-1110 с частотой 59-206 МГц . На узлах IAMPS используется многопоточная операционная система L-OS. Большинство задач сбора данных требуют знаний позиции узла. Поскольку узлы, как правило, располагаются случайным образом и без надзора, они должны кооперироваться с помощью системы определения местоположения. Определение местоположения используется во многих протоколах маршрутизации сенсорных сетей (подробнее в разделе 4). Некоторые предлагают, чтобы каждый узел имел модуль системы глобального позиционирования (GPS), который работает с точностью до 5 метров . В работе утверждается, что оснащение всех узлов GPS не обязательно для работы сенсорных сетей. Есть альтернативный подход, где только некоторые узлы используют GPS и помогают другим узлам, определить свое положение на местности.
3.5. Топология сети
Наличие того факта, что узлов могут стать недоступными и подвержены частым сбои, делают обслуживание сети сложной задачей. От сотни до нескольких тысяч узлов могут быть размещены на территории сенсорной сети. Они развертываются в десятке метров друг от друга . Плотность расположения узлов может быть и выше, чем 20 узлов на метр кубический . Плотное расположение множества узлов требует тщательного обслуживания сети. Мы рассмотрим вопросы, связанные с обслуживанием и изменением топологии сети в три этапа:
3.5.1. Предварительное развертывание и само развертывание узлов может заключаться в массовом разбросе узлов или установке каждого по отдельности. Они могут быть развернуты:
Разбросом с самолета,
посредством помещения в ракету или снаряд
выброшены посредством катапульты (например, с корабля и т.д.),
размещение на заводе
каждый узел размещен по отдельности человеком или роботом.
Несмотря на то, что огромное количество датчиков и их автоматическое развертывание обычно исключает размещение их в соответствии с тщательно разработанным планом, схемы для первоначального развертывания должны:
сокращать расходы на монтаж,
устранять необходимость в какой-либо предварительной организации и
предварительном планировании,
повышать гибкости размещения,
способствовать самоорганизации и отказоустойчивости.
3.5.2. Фаза после развертывания сети
После развертывания сети, изменение ее топологии связано с изменением характеристик узлов . Перечислим их:
положение,
доступность (из-за помех, шума, движущихся препятствий, и т.д.),
заряда батареи,
неисправности
изменение поставленных задач.
Узлы могут быть развернуты статически. Однако, отказ устройств является обычным явлением в связи с разрядкой батареи или уничтожения. Возможны сенсорные сети с высокой подвижностью узлов. Кроме того, узлы и сети выполняют различные задачи и могут быть подвергнуты преднамеренным помехам. Таким образом, структура сенсорной сети склонна к частым изменениям после развертывания.
3.5.3. Фаза развертывания дополнительных узлов
Дополнительные узлы могут быть добавлены в любой момент для замены неисправных узлов или в связи с изменением задач. Добавление новыхузлов создает необходимость реорганизации сети. Борьба с частыми изменениями в топологии одноранговой сети, которая содержит множество узлов и имеет очень жесткие ограничения по энергопотреблению, требует специальных протоколов маршрутизации. Этот вопрос подробнее рассмотрен в разделе 4.
3.6. Окружающая среда
Узлы плотно располагаются очень близко или непосредственно внутри наблюдаемого явления. Таким образом, они работают без присмотра в удаленных географических районах. Они могут работать
на оживленных перекрестках,
внутри больших машин,
на дне океана,
внутри торнадо,
на поверхности океана во время торнадо,
в биологически и химически загрязненных областях
в поле боя,
в доме или большое здание,
на большом складе,
прикрепленными к животным,
прикрепленными к быстро движущимся транспортным средствам
в канализации или реке вместе с потоком воды.
Этот список дает представление о том, при каких условиях узлы могут работать. Они могут работать под высоким давлением на дне океана, в суровых условиях, среди мусора или в поле боя, при экстремальных температурах, например в сопле двигателя самолета или в арктических регионах, в очень шумных местах, где много помех.
3.7. Способы передачи данных
В сенсорной сети multi-hop, узлы общаются посредством беспроводной связи. Связь может осуществляться посредством радио, ИК-порта или оптических носителей. Для того чтобы глобально использовать эти способы среда передачи должна быть доступна во всем мире. Один из вариантов радиосвязи является использование промышленных, научных и медицинских полос (ISM), которые доступны без лицензий в большинстве стран. Некоторые виды частот, которые могут быть использованы, описаны в международный таблица частот, содержащейся в статье S5 о регламенте радиосвязи (том 1). Некоторые из этих частот, уже используются в беспроводной телефонии и беспроводных локальных сетях (WLAN). Для сенсорных сетей малого размера и низкой стоимости, усилитель сигнала не требуется. Согласно , аппаратные ограничения и нахождения компромисса между эффективностью антенны и потреблением энергии накладывают определенные ограничения на выбор частоты передачи в диапазоне сверхвысоких частот. Они также предлагают использование частоты 433 МГц ISM в Европе и 915 МГц ISM в Северной Америке. Возможные модели передатчиков для этих двух зон рассматриваются в . Основными преимуществами использования радио частот ISM является широкий спектр частот и доступность по всему миру. Они не привязаны к конкретному стандарту, тем самым дают большую свободу для реализации энергосберегающих стратегий в сенсорных сетях. С другой стороны, существуют различные правила и ограничения, такие как различные законы и помехи от существующих приложений. Эти полосы частот также называют нерегулируемыми частотами. Большинство из современного оборудования для узлов основывается на использовании радиопередатчиков. Беспроводные узлы IAMPS, описанной в , использует Bluetooth-совместимые передатчики с частотой 2,4 ГГц и имеют интегрированный синтезатор частоты. Устройство маломощных узлов описано в работе , они использует один канал радиопередачи, который работает на частоте 916МГц. В архитектуре WINS также используется радиосвязь. Другой возможный способ связи в сенсорных сетях является ИК-порт. ИК-связь доступна без лицензии и защищена от помех электрических приборов. ИК-передатчики дешевле и проще в производстве. Многие из сегодняшних ноутбуков, КПК и мобильных телефонов используют ИК-интерфейс для передачи данных. Основным недостатком такой связи, это требование прямой видимости между отправителем и получателем. Это делает ИК-связь нежелательной для использования в сенсорных сетях из-за среды передачи. Интересный способ передачи используют смарт-узыл, которые являются модулями автоматического мониторинга и обработки данных. Они используют для передачи оптическую среду. Есть две схемы передачи, пассивная с использованием corner-cube retroreflector (CCR) и активная с использованием лазерного диода и управляемых зеркал (рассмотрено в ). В первом случае не требуется интегрированный источник света, для передачи сигнала используется конфигурации из трех зеркал (CCR). Активный метод использует лазерный диод и систему активной лазерной связи, для отправки световых лучей предполагаемому приемнику. Необычные требования к применению сенсорных сетей делают выбор среды передачи сложной. Например, морские приложения требуют использования водной среде передачи. Здесь нужно использовать длинноволновые излучения, которые могут проникать сквозь поверхности воды. В труднодоступной местности или на поле боя могут возникнуть ошибки и больше помехи. Кроме того может оказаться что, антенны узлов не обладают нужной высотой и мощностью излучения для связи с другими устройствами. Следовательно, выбор передающей среды должны сопровождаться надежными схемами модуляции и кодирования, что зависеть от характеристик передающего канала.
3.8. Мощность потребления
Беспроводной узел, будучи микроэлектронным устройством, может быть оснащен только ограниченным источником питания (
3.8.1. Связь
Узел расходует максимум энергии на связь, которая предполагает как передачу, так и прием данных. Можно сказать, что для связи на небольшие расстояния с малой мощностью излучения передача и прием требуют примерно одинакового количества энергии. Синтезаторы частот, осцилляторы управления напряжением, фазы блокировки (PLL) и усилители мощности, все это требует энергии, ресурсы которой ограничены. Важно, что при этом мы не рассматриваем только активную мощность, также рассматривается и потребление электроэнергии при запуске передатчиков. Запуск передатчика занимает доли секунды, поэтому при этом потребляется ничтожно малое количество энергии. Это значение может быть сравнимо со временем блокировки PLL. Однако, при уменьшении передаваемого пакета, мощность запуска начинает доминировать в потреблении энергии. В итоге, неэффективно постоянно включать и выключать передатчик, т.к. большая часть энергии уйдет именно на это. В настоящее время радиопередатчики с низким энергопотреблением имеют стандартные значения Pt и Pr на уровне 20 дБм и Pout близкий к 0 дБм . Обратите внимание, что PicoRadio направленное на Pc составляет -20 дБм. Дизайн малогабаритных, недорогих, передатчиков обсуждается в источнике . Основываясь на их результатах, авторы данной статьи, учитывая бюджет и оценки энергопотребления считают, что значения Pt и Pr должны быть по меньшей мере на порядок меньше, чем значения, приведенные выше.
3.8.2. Обработка данных
Расход энергии при обработке данных значительно меньше в сравнении с передачей данных. Пример, описанный в работе фактически иллюстрирует это несоответствие. Основываясь на теории Рэлея, что при передаче четверть мощности теряется, можно сделать вывод о том, что расход энергии на передачу 1 КБ на расстояние 100 м буде примерно такой же, что и на выполнение 3 миллионов инструкций со скоростью 100 миллионов инструкций в секунду (MIPS)/W процессором. Следовательно, локальная обработка данных имеет решающее значение для минимизации потребления энергии в multi-hop сенсорной сети. Поэтому узлы должны иметь встроенные вычислительные возможности и быть способными взаимодействовать с окружением. Ограничения стоимости и размера приведет нас к выбору полупроводников (CMOS) в качестве основной технологи для микропроцессоров. К сожалению, они имеет ограничения на эффективность использования энергии. CMOS требует энергии каждый раз при смене состояния. Энергия, требуемая на смену состояний, пропорциональная частоте переключений, емкости (зависит от площади) и колебаниям напряжения. Следовательно, уменьшение напряжения питания является эффективным средством снижения потребления энергии в активном состоянии. Динамическое масштабирование напряжения рассмотренное в , стремится адаптировать питания и частоту процессора в соответствии с рабочей нагрузки. Когда на микропроцессор снижается вычислительная нагрузка, простое сокращение частоты дает линейное уменьшение потребляемой энергии, однако, уменьшение рабочего напряжения дает нам квадратичное снижение энергозатрат. С другой стороны не будет использоваться вся возможная производительность процессора. Это даст результат, если принять во внимание то, что пиковая производительность требуется не всегда и поэтому, рабочее напряжение и частота процессора может быть динамически адаптирована к требованиям обработки. В авторы предлагают схемы предсказания рабочей нагрузки, основанной на адаптивной обработки существующих профилей нагрузки и на анализе нескольких уже созданных схем. Другие стратегии снижения мощности процессора обсуждаются в . Следует отметить, что могут использоваться дополнительные схемы для кодирования и декодирования данных. Интегральные схемы также могут использоваться в некоторых случаях. Во всех этих сценариях, структура сенсорной сети, алгоритмы работы и протоколы зависят от соответствующих энергозатрат.
4. Архитектура сенсорных сетей
Узлы, как правило, расположены случайным образом по всей территории наблюдения. Каждый из них может осуществлять сбор данных и знает маршрут передачи данных обратно в центральный узел, конечному пользователю. Данные передаются с помощью multi-hop архитектуре сети. Центральный узел может общаться с менеджером задач через Интернет или спутник. Стек протоколов, используемый центральным узлом и всеми остальными узлами, приведен на рис. 3. Стек протоколов включают в себя информацию о мощности и информации о маршрутах, содержит данные о сетевых протоколах, помогает эффективно общаться посредствам беспроводной среды, и содействует совместной работе узлов. Стек протоколов состоит из уровня приложений, транспортного уровня, сетевого уровня, канального уровня, физического уровня, слоя управления питанием, слоя управления мобильностью и слоя планирования задач. В зависимости от задач по сбору данных, различные виды прикладного программного обеспечения могут быть построены на уровне приложений. транспортный уровень помогает поддерживать поток данных, если это требуется. Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию данных, предоставленных транспортным уровнем. Поскольку среда имеет посторонние шумы и узлы могут быть перемещены, протокол MAC должен минимизировать возникновение коллизий при передаче данных между соседними узлами. Физический уровень отвечает за возможность передачи информации. Эти протоколы помогают узлам выполнять задачи при экономии электроэнергии. Слой управления питанием определяет, как узел должен использовать энергию. Например, узел может отключить приемник после получения сообщения от одного из своих соседей. Это поможет избежать получения дубликата сообщения. Кроме того, когда узел имеет низкий заряд батареи он передает своим соседям информацию о том, что не может участвовать в маршрутизации сообщений. Всю оставшуюся энергию он будет использовать для сбора данных. Слой управления мобильностью (MAC) определяет и регистрирует передвижение узлов, поэтому всегда существует маршрут для передачи данных в центральный узел и узлы могут определять своих соседей. А зная своих соседей узел может сбалансировать энергопотребление работая совместно с ними. Менеджер задач планирует и составляет расписания сбора информации для каждого региона отдельно. Не все узлы в одном регионе необходимы для выполнения задач зондирования в одно и то же время. Как результат, некоторые узлы выполняют больше задач, чем другие, это зависит от их мощности. Эти все слои и модули необходимы для того чтобы узлы работали вместе и стремились к максимальной энергоэффективности, оптимизации маршрута передачи данных в сети, а также совместно использовали ресурсы друг друга. Без них, каждый узел будет работать индивидуально. С точки зрения всей сенсорной сети эффективнее, если узлы будут работать совместно друг с другом, что способствует продлению времени жизни самой сетей. Прежде чем обсуждать необходимость включения в протокол модулей и слоев управления, мы рассмотрим три существующих работы , посвященных стеку протоколов, который показан на рисунке 3. Модель WINS, рассмотренная в источнике , в которой узлы объединены в распределенную сети и имею доступ в Интернет. Так как большое количество узлов сети WINS расположены на малом расстоянии друг от друга, то multi-hop связи сводят потребление энергии к минимуму. Полученные узлом сведения об окружающей среде последовательно направляются в центральный узел или шлюз WINS через другие узлы так, как это показано на рис 2 для узлов A, B, C, D и Е. Шлюз WINS общается с пользователем через обычные сетевые протоколы, такие как Интернет. Стек протоколов сети WINS состоит из уровня приложений, сетевого уровень, MAC-слоя, и физического уровня. Смарт-узлы (или пылинки) . Данные узлы, могут быть присоединены к объектам или даже парить в воздухе благодаря их небольшим размерам и весу. Они используют технологию MEMS для оптической связи и сбора данных. Пылинки могут иметь солнечные батареи для подзарядки в течение дня. Они требуют прямой видимости для связи с оптическим передатчиком базовая станция или другой пылинки. Сравнивая архитектуру сети с пылинками с представленной на рисунке 2, можно сказать, что смарт-узлы, как правило, напрямую связывается с передатчиком базовой станции, но связь один к оному также возможна. При другом подходе к разработке протоколов и алгоритмов для сенсорных сетей обусловлен требованиями физического уровня . Протоколы и алгоритмы должны быть разработаны в соответствии с выбором физических компонентов, таких как тип микропроцессоров, и тип приемников. Такой подход («снизу вверх») используется в модели IAMPS и также рассматривает зависимость уровня приложений, сетевого уровня, MAC-слоя, и физического уровня от аппаратной начинки узла. Узлы IAMPS точно также взаимодействуют с конечным пользователем, как и в архитектуре показанной на рисунке 2. Различные схемы, например, с временным разделением каналов (TDMA) или с частотным разделением каналов (FDMA) и бинарной модуляцией или М-модуляцей сравниваются в источнике . Подход «снизу вверх» обозначает, что алгоритмы узла должен знать аппаратные средства и использовать возможности микропроцессоров и передатчиков для минимизации потребления энергии. Это может привести к разработке различных конструкций узла. А различные конструкции узлов приведут к различным типам сенсорных сетей. Что в свою очередь приведет к разработке различных алгоритмов их работы.
Литература
- G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Final report on the interagency workshop on research issues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000) 36–40.
- J. Agre, L. Clare, An integrated architecture for cooperative sensing networks, IEEE Computer Magazine (May 2000) 106–108.
- I.F. Akyildiz, W. Su, A power aware enhanced routing (PAER) protocol for sensor networks, Georgia Tech Technical Report, January 2002, submitted for publication.
- A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirect TCP for mobile hosts, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, May 1995, pp. 136–143.
- P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, The mobile patient: wireless distributed sensor networks for patient monitoring and care, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
- M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Upper bounds on the lifetime of sensor networks, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsinki, Finland, June 2001.
- P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the physical world, IEEE Personal Communications (October 2000) 10–15.
Распределенные сенсорные сети
Что такое беспроводные сенсорные сети?
Датчики и принимаемое устройство
Беспроводные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote ) - небольших автономных устройств с питанием от батарей и микрочипами с радиосвязью на частоте - например 2,4 ГГц. Специальное программное обеспечение позволяет мотам само организовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами, расстояние до которых обычно не превышает 100 метров.
В англоязычной литературе такую сеть называют wireless sensor network (WSN) - это беспроводная сеть состоящая из территориально распределенных автономных устройств, использующих датчики для совместного контроля физических или экологических условий в разных районах.
Они могут измерять такие параметры, как температуры, звук, вибрации, давление, движение объектов или воздуха. Развитие беспроводных сенсорных сетей изначально было мотивированно военными задачами, например наблюдением за полем боя. В настоящее время беспроводные сенсорные сети используются все шире во многих областях гражданской жизнедеятельности, включая промышленный мониторинг и мониторинг окружающей среды, здравоохранение и контроль движения объектов. Область применения становится все шире.
Основные принципы работы
3-х уровневая схема сети. 1-й Уровень сенсоров и шлюза. 2-й уровень сервера. 3-й уровень тонкого клиента
Каждый узел сети: мот оснащен радиотрансивером или другим устройством беспроводной связи, небольшим микроконтроллером и источником энергии, обычно батареей. Возможно использование батарей солнечного освещения или других альтернативных источников энергии
Данные от отдаленных элементов передаются по сети между ближайшими от узла к узлу, по радиоканалу. В итоге с ближайшего мота пакет с данными передается на шлюз. Шлюз соединен, как правило, USB кабелем с сервером. На сервере - собранные данные обрабатываются, хранятся и могут быть доступны через WEB оболочку широкому числу пользователей.
Стоимость сенсорного узла меняется от сотни долларов до нескольких центов, в зависимости от размера сенсорной сети и ее сложности.
Аппаратное обеспечение и стандарты
Шлюз (2шт), соединен с ноутбуком кабелем USB. Ноутбук по UTP соединен с интернетом и выполняет роль сервера
Сенсорные устройства с радио антенной
Аппаратное обеспечение беспроводного узла и протоколы сетевого взаимодействия между узлами оптимизированы по энергопотреблению для обеспечения длительного срока эксплуатации системы при автономных источниках питания. В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать нескольких лет.
Ряд стандартов в настоящее время либо ратифицирован или находятся в стадии разработки для беспроводных сенсорных сетей. ZigBee является стандартом, предназначенным для использования таких вещей, как промышленный контроль, встроенное зондирование, сбора медицинских данных, автоматизации зданий. Развитию Zigbee способствует большой консорциум индустриальных компаний.
- WirelessHART является продолжением HART протокол для промышленной автоматизации. WirelessHART был добавлен в общей HART протокол как часть спецификации HART 7, который был утвержден фонд HART коммуникации в июне 2007 года.
- 6lowpan является заявленным стандартом для сетевой слоя, но он не была принят еще.
- ISA100 это еще одна работа в попытке войти в WSN технологию, но построено более широко включить обратную связь контроль в своей сфере. Внедрение ISA100 на основе ANSI стандартов планируется завершить к концу года 2008 года.
WirelessHART, ISA100, ZigBee, и все они основаны на тех же стандарт: IEEE 802.15.4 - 2005.
Программное обеспечение беспроводной сенсорной сети
Операционная система
Операционные системы для беспроводных сенсорных сетей менее сложны, чем универсальные операционные системы в силу ограниченности ресурсов в аппаратном обеспечении сенсорной сети. Из - за этого, операционной системе не нужно включать поддержку пользовательских интерфейсов.
Оборудование беспроводных сенсорных сетей не отличается о т традиционных встраиваемых систем, и поэтому для сенсорных сетей можно использовать встроенную операционную систему
Прикладные программы для визуализации
Программа визуализации результатов измерений и генерации отчетов MoteView v1.1
Данные с беспроводных сенсорных сетей, как правило, сохраняются в виде цифровых данных в центральной базовой станции. Есть много стандартных программ, таких как TosGUI MonSense, ГНС, облегчающих просмотр этих больших объемов данных. Кроме того, Открытый консорциум (OGC) указывает стандарты для совместимости и взаимодействия метаданных кодировки, что позволит в режиме реального времени любому лицу осуществлять наблюдение или контроль за беспроводной сенсорной сетью через Web Browser.
Для работы с данными, поступающими от узлов беспроводной сенсорной сети, используются программы, облегчающие просмотр и оценку данных. Одной из таких программ является MoteView . Эта программа позволяет просматривать данные в реальном времени и анализировать их, строить всевозможные графики, выдавать отчеты в различных разрезах.
Преимущества использования
- Отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;
- Низкая стоимость комплектующих, монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;
- Быстрота и упрощенность развертывания сети;
- Надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при выходе из строя отдельных узлов или компонентов;
- Возможность внедрения и модификации сети на любом объекте без вмешательства в процесс функционирования самого объектах
- Возможность быстрого и при необходимости скрытного монтажа всей системы в целом.
Каждый сенсор размером с пивную крышку (но в будущем их размеры можно будет уменьшить в сотни раз) содержит процессор, память и радиопередатчик. Такие крышки можно разбросать на любой территории, а они сами наладят связь между собой, сформируют единую беспроводную сеть и начнут передавать данные на ближайший компьютер.
Объединенные в беспроводную сеть, сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды: движение, свет, температуру, давление, влажность и т. д. Мониторинг может осуществляться на очень большой территории, потому что сенсоры передают информацию по цепочке от соседа к соседу. Технология позволяет им годами (даже десятилетиями) работать без смены батарей. Сенсорные сети это универсальные органы чувств для компьютера, и все физические объекты в мире, оборудованные сенсорами, могут быть распознаны компьютером. В перспективе каждый из миллиардов сенсоров получит IP-адрес, и они даже могут сформировать нечто вроде Глобальной сенсорной сети. Возможности сенсорных сетей заинтересовали пока только военных и промышленность. Согласно последнему отчету компании ON World, которая специализируется на исследовании рынка сенсорных сетей, в этом году рынок переживает заметный подъем. Еще одним заметным событием в этом году стал выпуск первой в мире системы ZigBee на одной микросхеме (производства Ember). Среди крупных промышленных компаний США, среди которых был проведен опрос ON World, около 29 % уже используют сенсорные сети, а еще 40 % планируют развернуть их в течение 18 месяцев. В Америке появилось более сотни коммерческих фирм, которые занимаются созданием и обслуживанием сенсорных сетей.
К концу нынешнего года количество сенсоров на планете превысит 1 млн. Сейчас растет не только количество сетей, но и их размер. Впервые созданы и успешно эксплуатируются несколько сетей из более чем 1000 нодов, в том числе одна на 25 тысяч нодов.
Источник: Веб ПЛАНЕТА
Область применений
Применение WSN многочисленно и разнообразно. Они используются в коммерческих и промышленных системах для мониторинга данных, которые трудно или дорого контролировать с использованием проводных датчиков. WSN могут использоваться в трудно досягаемых районах, где они могут оставаться в течение многих лет (экологический мониторинг окружающей среды) без необходимости замены источников питания. Они могут контролировать действия нарушителей охраняемого объекта
Так же WSN используют для мониторинга, отслеживания и контроля. Вот некоторые приложения:
- Мониторинг задымленности и обнаружение очагов возгорания с больших лесных массивов и торфяников
- Дополнительный источник информации для Кризисных Центров Управления субъектов федерации РФ
- Сейсмическое обнаружение потенциальной напряженности
- Военные наблюдения
- Акустическое обнаружение движения объекта в охранных системах.
- Экологический мониторинг пространства и окружающей среды
- Мониторинг промышленных процессов, использование в MES системах
- Медицинский мониторинг
Автоматизация зданий:
 |
мониторинг температуры, расхода воздуха, присутствия людей и управление оборудованием для поддержания микроклимата; |
| управление освещением; | |
| управление энергоснабжением; | |
 |
сбор показаний квартирных счетчиков газа, воды, электроэнергии и т. д.; |
| охранно-пожарная сигнализация; | |
| мониторинг состояния несущих конструкций зданий и сооружений. |
Промышленная автоматизация:
 |
дистанционный контроль и диагностика промышленного оборудования; |
 |
техническое обслуживание оборудования по текущему состоянию (прогнозирование запаса надежности); |
 |
мониторинг производственных процессов; |
Киреев А.О., Светлов А.В. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ В СФЕРЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ
Устоявшийся термин «беспроводная сенсорная сеть» (БСС) обозначает новый класс беспроводных систем, которые представляют собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказам отдельных элементов сеть миниатюрных электронных устройств с автономными источниками питания. Интеллектуальные узлы такой сети способны ретранслировать сообщения по цепи, обеспечивая значительную площадь покрытия системы при малой мощности передатчиков и, следовательно, высокой энергетической эффективности системы.
В настоящее время большое внимание уделяется вопросам организации автоматизированного мониторинга территорий с целью получения оперативной информации о наличии нарушителя, его перемещении и несанкционированных действиях на территориях, прилегающих к особо важным (ядерным, правительственным, военным) объектам, к государственной границе, или находящихся в зоне ответственности разведподразделе-ний (мониторинг участков фронта, тыловых коммуникаций противника). Для рационального решения данных задач необходимо использовать новое поколение технических средств и алгоритмов, принципиально отличающихся от применяемых в настоящее время. Наиболее перспективным направлением в этой области следует признать создание беспроводных сенсорных сетей. Именно они дают возможность обеспечить тотальный целенаправленный мониторинг больших территорий.
Применительно к системам охраны объектов БСС должны обнаруживать и классифицировать нарушителя, определять координаты, прогнозировать траектории его движения. Обладая распределенным интеллектом, система самостоятельно обеспечивает изменение направления потоков информации, например, в обход вышедших из строя или временно не функционирующих узлов, организует надежную передачу информации на всей контролируемой территории и на центральный пункт.
Перспективными являются также БСС, в которых приемопередатчик каждого сенсора будет являться фактически датчиком обнаружения объекта (эффект снижения уровня несущей в радиоканале вследствие появления объекта в зоне действия сети).
Для обеспечения высокой надежности и защиты передаваемой информации в БСС следует разрабатывать собственные радиопротоколы, устойчивые к изменению характеристик канала связи, радиоподавлению, к перехвату и имитации данных. В этом случае целесообразным является использование технологий расширения спектра - методами DSSS (прямой числовой последовательности) и FHSS (скачкообразной перестройки частоты) .
Что касается механизмов доступа к среде передачи данных, то здесь появляются взаимоисключающие требования высокой энергетической эффективности системы и минимальных временных задержек распространения данных в БСС. Использование в качестве базового алгоритма CSMA/CA (множественный доступ к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий) имеет свой недостаток - устройства сети должны находиться в режиме постоянного прослушивания эфира, что приводит к росту энергопотребления. В полностью асинхронных сетях этот алгоритм малоэффективен .
Наиболее приемлемым в такой ситуации выглядит алгоритм «слотового» CSMA/CA, совмещающий принципы синхронизированного доступа (временное разделения TDMA) и доступа на конкурентной основе.
Среди открытых стандартов в области беспроводных сенсорных сетей на сегодняшний момент ратифицирован только стандарт ZigBee, основанный на принятом ранее стандарте 802.15.4, который описывает физический уровень (PHY) и уровень доступа к среде (MAC) для беспроводных персональных сетей (WPAN). Эта технология изначально была разработана для задач, не требующих высоких скоростей передачи информации. Устройства таких сетей должны быть максимально дешевыми, со сверхнизким потреблением энергии .
Среди несомненных преимуществ ZigBee-решений следует отметить и существенные недостатки. Например, наличие трех различных классов устройств (координаторов, маршрутизаторов и оконечных устройств) существенно снижает отказоустойчивость сети в случае выхода из строя отдельных ее элементов. Кроме того, такое построение требует планирования размещения устройств еще на этапе проектирования системы, соответственно резко снижается устойчивость сети к изменениям в топологии.
Всех перечисленных недостатков лишены Mesh-сети - многоячейковые одноранговые сети, в которых каждый узел может ретранслировать пакеты в процессе доставки. Узлы такой сети равноправны и взаимозаменяемы - в результате улучшается масштабируемость системы, повышается ее отказоустойчивость .
Беспроводная сенсорная сеть охранной системы должна контролировать максимально возможную территорию. В связи с этим, одним из основных требований к выбору элементной базы для создания радиоканала между отдельными узлами сети является максимальная дальность связи. Работа в диапазоне частот 433 МГц (открыт для свободного использования в России) обладает рядом преимуществ по сравнению с работой в СВЧ диапазоне 2,4 ГГц (для которого выпускается основная номенклатура ZigBee устройств). Так, в диапазоне 433 МГц дальность уверенной связи в несколько раз больше, чем в диапазоне 2,4 ГГц, при той же мощности передатчика. Кроме того, устройства, работающие в диапазоне 433 МГц, обладают достаточно хорошей устойчивостью к действию преград на пути распространения радиоволн, таких как погодные осадки, перепады рельефа местности, деревья и пр. Радиоволны 433 МГц значительно лучше распространяются в замкнутых пространствах, таких как туннели метро, городские улицы и т.д., чем радиоволны диапазона 2,4 ГГц. Преимущество диапазона 2,4 ГГц в скорости передачи данных не является критичным в сфере охранных технологий, так как объем передаваемой информации, как правило, незначителен и ограничивается десятками байт (за исключением телеметрии).
Таким образом, выбор приемопередатчика для узла БСС охраны объектов будем вести в диапазоне 433 МГц. Трансиверы должны обладать высокой энергетической эффективностью (напряжение питания не более
3,3 В, низкие токи потребления), функционировать в температурном диапазоне минус 40... +85 °С.
Среди множества микросхем приемопередатчиков ISM-диапазона особое место занимают трансиверы XE-MICS. Для применения в беспроводных сенсорных сетях подходят 2 микросхемы этой фирмы: XE1203F и
Это интегральные однокристальные полудуплексные приемопередатчики, построенные по схеме прямого (Zero-IF) преобразования, обеспечивающие 2-х уровневую частотную манипуляцию без разрыва фазы (CPFSK) и NRZ кодирование. Таким образом, тип модуляции несущей, реализованный в приемопередатчиках XEMICS, позволяет рационально использовать рабочую полосу частот.
Общими для трансиверов XE1203F и XE1205F являются сверхмалое энергопотребление: работа в диапазоне напряжения питания 2,4...3,6 В, токи потребления:
0,2 мкА в спящем режиме;
14 мА в режиме приема;
62 мА в режиме передачи (+15 дБм) .
Рабочая полоса частот: 433-435 МГц. Температурный диапазон: минус 40. +85°С. Приемники транси-
веров идентичны между собой и построены по схеме с прямым преобразованием частоты. Внутри этих модулей встроен синтезатор частоты, основанный на петле сигма-дельта ФАПЧ с шагом в 500 Гц.
Приемники имеют индикатор уровня принимаемого сигнала RSSI (Received Signal Strength Indicator), что в сочетании с возможностью программирования выходной мощности, позволяет реализовать идею адаптивного управления энергопотреблением. В состав трансивера входит устройство контроля частоты FEI (Frequency Error Indicator), позволяющее получить информацию о смещении частоты гетеродина приемника и организовать АПЧ .
Трансиверы также обладают функцией распознавания данных (pattern recognition), благодаря которой трансивер может обнаружить программно заданное слово (до 4 байт) в принимаемом потоке данных. Последнюю особенность можно использовать для идентификации модулей в БСС, что сократит количество служебных байт в передаваемом пакете.
Основные отличия двух модулей проявляются в использовании различных методов расширения спектра.
Трансивер XE1203F обладает аппаратным блоком расширения спектра сигнала прямой последовательностью - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). При активировании режима DSSS каждый бит данных кодируется 11-разрядным кодом Баркера: 101 1011 1000 или 0x5B8h. Автокорреляционная функция кода Баркера обладает ярко выраженным автокорреляционным пиком.
В отличие от XE1203F трансивер XE1205F (и модуль DP1205F на его основе) является узкополосным устройством. Наименьшее значение внутреннего полосового фильтра, которое можно установить 2разрядным конфигурационным регистром, составляет 10 кГц (используя специальные дополнительные настройки, это значение можно уменьшить даже до 7 кГц!). Количество возможных каналов в этом случае
Эта возможность позволяет использовать XE1205F для специфических узкополосных приложений. Использовать сужение полосы можно, если скорость передачи данных и девиация частоты не будет превышать значений 4800 бит и 5 кГц соответственно, и при условии, что тактовая частота опорного генератора стабилизируется резонатором, имеющим высокую стабильность, или используется частотная коррекция.
В трансивере используется 16-байтный буфер FIFO для хранения передаваемых или принимаемых байтов данных. Байты данных передаются и принимаются из буфера FIFO по внешнему стандартному 3-проводному последовательному интерфейсу SPI.
Узкополосность, а также малое время восстановления передатчика при переключении между каналами (~150 мкс) позволяют применять трансивер XE1205F для построения радиосистем, использующих метод частотных скачков (FHSS). Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса рабочих частот разделяется на определенное количество частотных каналов. Скачки с канала на канал происходят синхронно в некоторой последовательности (например, линейной или псевдослучайной).
Преимуществом трансивера XE1205F также является уникальная в своем классе чувствительность приемника -121 дБм.
Что касается скоростей передачи данных, то возможности модуля XE1203F при использовании кодека Баркера выглядят недостаточными даже для систем охраны- всего лишь 1,154 кБит. Этот показатель не позволит реализовать энергетически эффективную БСС, т.к. время сна, предусмотренное по протоколу CSMA/CA, будет слишком коротким.
Трансиверы узлов беспроводной сенсорной сети охраны объектов должны обеспечивать возможность:
создания Mesh-сети с увеличенным радиусом действия;
реализации на физическом уровне - технологий расширения спектра FHSS;
реализации на уровне доступа к среде - «слотового» CSMA/CA с синхронизацией доступа.
Основываясь на вышесказанном можно сделать вывод о предпочтительности использования модуля приемопередатчика XE1205F для организации физического и MAC уровня беспроводной сенсорной сети охраны объектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Варагузин В. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 // ТелеМультиМедиа. - 2005.-№6.- С23-27. - www.telemultimedia.ru
2. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.: Техносфера, 2005 г. - 592 с.
3. Баскаков С., Оганов В. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы MeshLogic™ // Электронные
компоненты. - 2006. - №8. - С.65-69.
4. Горюнов Г. Интегральный СВЧ трансивер XE1203. // Мир электронных компонентов. - 2004. - №1. -