Главная
страница 1
НИМ «Современные и перспективные технологии построения

сенсорных сетей»
Беспроводные сенсорные сети (БСС) являются одним из самых перспективных направлений развития современных телекоммуникационных технологий. Перспективны их использования связаны как с заменой кабельной инфраструктуры на радиоэфир, так и с новыми функциональными возможностями. Благодаря таким характеристикам БСС, как миниатюрность узлов, низкое энергопотребление, встроенный радиоинтерфейс, достаточная вычислительная мощность, сравнительно невысокая стоимость, стало возможным их широкое использование во многих сферах человеческой деятельности с целью автоматизации процессов сбора информации, мониторинга и контроля характеристик разнообразных технических и природных объектов.

Вышеперечисленные особенности беспроводных сенсорных сетей обусловили целесообразность их применения при решении сложных задач в следующих областях:

- мониторинг телекоммуникационной инфраструктуры сетей,

- мониторинг транспортных магистралей (железных дорог, метрополитена и др.), нефте- и газопроводов, инженерных сетей энерго- и теплоснабжения,

- контроль и анализ транспортных грузопотоков,

- экологический, биологический и медицинский мониторинг,

- автоматизация систем жизнеобеспечения и системах класса “Умный дом”,

- выявление и предупреждение чрезвычайных ситуаций (мониторинг сейсмической активности и вулканической деятельности, анализ атмосферы и прогноз погоды для своевременного предупреждения о наступлении стихийных бедствий),

- и другие.

Беспроводная сенсорная сеть (БСС) – это распределенная сеть необслуживаемых миниатюрных электронных устройств (узлов сети), которые осуществляют сбор данных о параметрах внешней среды и передачу их на базовую станцию посредством ретрансляции от узла к узлу с помощью беспроводной связи [1]. Подобные сенсорные узлы могут закрепляться стационарно, а также иметь относительную мобильность, то есть произвольно перемещаться друг относительно друга в некотором пространстве, не нарушая при этом логической связанности сети. В последнем случае сенсорная сеть не имеет фиксированной постоянной топологии, и ее структура динамически меняется с течением времени. Узел сети (рисунок 1), называемый сенсором, содержит датчик, воспринимающий данные от внешней среды (собственно сенсор), микроконтроллер, память, радиопередатчик, автономный источник питания и иногда исполнительные механизмы. Возможна также передача управляющих воздействий от узлов сети к внешней среде [2-4].





Рисунок 1 Модель узла сенсорной сети и его аппаратные составляющие.

По размерам физической зоны размещения БСС относятся к классу беспроводных персональных вычислительных сетей (WPAN). Характерной особенностью сетей WPAN является их невысокое энергопотребление. В настоящее время сети WPAN представлены двумя классами: с укороченным радиусом действия (до 10 м) и с увеличенным радиусом действия (до 100 м), что позволяет им по своим функциональным возможностям находиться на стыке с WLAN. Персональные сети могут быть созданы на базе различных стандартов, протоколов и технологий, например: Bluetooth стандарта IEEE 802.15.1; ZigBee, 6loWPAN, DigiMesh стандарта IEEE 802.15.4, WiMedia/MBOA UWB (Ultra Wideband) стандарта ECMA368 (на базе стандарта IEEE 802.15.3a) или DS-UWB Forum стандарта IEEE 802.15.4a [5] (таблица 1).



Таблица 1. Сравнение стандартов семейств 802.15 и 802.11 [6]

Одним из первых стандартов сетей класса WPAN стал IEEE 802.15.1. Стандарт базируется на спецификации Bluetooth vl.x и определяет физический уровень (PHY layer) и уровень доступа к среде (MAC layer). Следующим шагом в расширении семейства IEEE 802.15 было создание стандарта, обеспечивающего взаимодействие устройств стандартов IEEE 802.11 и IEEE 802.15. Вскоре для устройств, работающих в физической зоне WPAN-ceтей, оказалось недостаточно скоростей, обеспечиваемых Bluetooth. Возникла потребность в разработке стандарта, позволяющего создавать беспроводной канал данных с пропускной способностью в десятки и сотни Мбит/с (IEEE 802.15.3) [6].

Перечисленные выше стандарты отлично подходят для передачи больших объемов информации (голоса, данных, видео) с высокой скоростью (от 1 до 200 Мбит/с). Устройства на их основе способны работать в автономном режиме (от батарей и аккумуляторов) на дальности передачи от 10 до 100 м. Эти стандарты позволяют заменить проводные соединения в устройствах, с которыми мы имеем дело каждый день (компьютеры, вычислительные сети). Однако существует огромное множество на первый взгляд незаметных систем (разнообразные датчики, системы сбора информации и т.д.), обладающих спецификой, вследствие чего в такого рода приложениях невозможно эффективно использовать упомянутые технологии. Для реализации подобных задач был разработан стандарт IEEE 802.15.4 для низкоскоростных WPAN-сетей [6].

Стандарт IEEE 802.15.4 занял ранее пустовавшую нишу радиоинтерфейсов (рисунок 2), которую заполняли либо устройства и технологии с более высокими техническими характеристиками и, соответственно, более дорогие, либо решения, базирующиеся на отдельных микросхемах радиотрансиверов различных производителей электронных компонентов, не имеющих под собой жестко стандартизированной базы [6].



Рисунок 2 Место стандарта IEEE 802.15.4 среди рассматриваемых радиоинтерфейсов [6].
Понятие и первые опытные образцы БСС появились в США. Исследования и разработка БСС проводилась несколькими университетами в США. Наиболее успешными оказались исследования профессора Кристофера Пистера (2001 г.) из университета Беркли штата Калифорния, которые привлекли внимание DARPA (Управления перспективных разработок министерства обороны США). Исследования Кристофера Пистера и спроектированный в Беркли образец БСС smart dust, обладавший на 2001 год уникальными функциональными возможностями, вызвал интерес компаний, входящих в альянс ZigBee – консорциум, образованный фирмами Ember, Freescale Semiconductor, Honeywell, Invensys, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips Electronics и Samsung с целью реализации на основе открытого стандарта беспроводных сетей мониторинга и управления с малой потребляемой мощностью [4]. Набор протоколов ZigBee является реализацией стека протоколов семиуровневой модели взаимодействия открытых систем [7]. Два нижних уровня (физический и уровень доступа к радиоканалу) являются протоколами стандарта IEEE 802.15.4–2003 для низкоскоростных персональных радиосетей [8]. Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE 802.15.4 приведены на рисунке 3.



Рисунок 3 Краткая характеристика стандарта IEEE 802.15.4 [6].
В стандарте IEEE 802.15.4 выделяется два вида узлов БСС: (1) устройства с ограниченными функциями RFD (reduced-function device), осуществляющие сбор информации в некоторой окрестности точки своего размещения; (2) полнофункциональные устройства FFD (full-function device), выполняющие как ретрансляцию пакетов, так и сбор информации. Сенсорные сети в стандарте IEEE 802.15.4 могут включать 264 сетевых устройств [9].

Сети стандарта IEEE 802.15.4 могут быть построены как по одноранговой (равноправной) структуре так и по звезде. В каждой сети должно быть, по меньшей мере, одно полнофункциональное устройство для работы в качестве координатора [10].

Одноранговые сети могут формировать произвольные топологические структуры, ограниченные только дистанцией между каждой парой узлов. Примером одноранговой или пиринговой сети (от англ. peer-to-peer, P2P — равный к равному) является кластерное дерево. Сеть типа кластерное дерево является частным случаем сети P2P, в которой большинство устройств являются FFD. Устройства RFD подключаются к кластеру в качестве оконечных узлов. Для присоединения к сети удалённых от координатора PAN новых сетевых устройств могут использоваться уже присоединённые к сети FFD в режиме координатора. В этом режиме они, как и изначально координатор PAN, «зазывают» маяками в сеть новые сетевые устройства. В результате формируется кластер из сетевых устройств, которые «слышат» своего координатора. Тем не менее, вся информация о кластере доступна координатору PAN. Подобным образом могут формироваться мультикластеры из сетевых устройств [10, 11].

Стандарт IEEE 802.15.4 является базовой основой для более высокоуровневых протоколов (ZigBee, 6loWPAN, DigiMesh и др) и позволяет строить с помощью программных надстроек на сетевом уровне и выше любую из топологий приведенных на рисунке 4.





Рисунок 4 Поддерживаемые топологии сенсорной сети [12].
Протоколы ZigBee позволяют создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся сенсорные сети. Устройства ZigBee сети благодаря встроенному программному обеспечению обладают способностью при включении питания сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов могут устанавливать новые маршруты для передачи сообщений [13].

Сеть ZigBee включает три типа логических устройств: координатор ZigBee, маршрутизатор ZigBee и оконечное устройство ZigBee. В функции координатора ZigBee входит сканирование частотных каналов для нахождения свободного канала и создания сети, формирование идентификатора сети (PAN ID), подключение новых сетевых устройств (маршрутизаторов и оконечных узлов), маршрутизация и буферизация данных для спящих оконечных узлов. В одной сети ZigBee должен присутствовать только один координатор. В функции маршрутизатора ZigBee входит ретрансляция пакетов, маршрутизация и буферизация данных для спящих оконечных узлов. Оконечные узлы ZigBee выполняют только прикладные действия (сбор информации и управление удаленным объектом) и не осуществляют ретрансляцию [13].

Протоколы ZigBee могут быть использована как для реализации простых соединений "точка-точка" и "звезда", так и для образования сложных сетей с топологиями "дерево" и "ячеистая сеть" (рисунок 4). Дальность уверенной передачи радиосигнала узлов ZigBee сети зависит от многих параметров (в первую очередь – от чувствительности приемника и мощности передатчика), но в среднем расстояние между узлами сети Zigbee на открытом пространстве составляет сотни, а в помещении – десятки метров [13].

В сети ZigBee только оконечные узлы могут переходить в сон. Невозможность перевода координатора и маршрутизаторов в режим сна является преградой на пути создания полностью автономной сенсорной сети. Эту проблему частично решает сетевой протокол DigiMesh, выпущенный компанией Digi осенью 2008 года.

Особенностью протокола DigiMesh [14] является возможность построения mesh-сети (рисунок 5) со спящими маршрутизаторами. В сети DigiMesh нет координатора с выделенной ролью — каждый из узлов сети может взять его функции на себя. Возможность режима спящих маршрутизаторов в DigiMesh позволяет всем узлам в сети синхронизировать время работы и сна. Все синхронизированные узлы входят и выходят из режима низкого энергопотребления в одно и то же время. Так формируется циклически засыпающая сеть. Узлы синхронизируются путем получения специального RF-пакета (сообщения синхронизации), который отправляется узлом, играющим роль координатора сна. Узел сети может стать координатором сна, пройдя через процесс, называемый процессом номинирования. Координатор сна отправляет одно сообщение синхронизации в начале каждого периода работы сенсорной сети периодического сбора информации. Сообщение синхронизации отправляется путем широковещательной рассылки. Время работы и сна всей сети в целом могут быть изменены локальными изменениями настроек на отдельных узлах сети [15].



Рисунок 5 — Пример DigiMesh сети [14].

В последние годы архитектура сетей связи общего пользования (ССОП) формировалась на основе двух основополагающих направлений развития сетей: конвергенции и гармонизации [16, 17]. Конвергенция обеспечила при сетевом развитии совместное использование ресурсов ССОП всевозможными технологиями: сотовыми, Интернет, фиксированной связи, - а гармонизация предоставила возможность пользователю получать услуги в любой из перечисленных сетей единообразным способом. Оба эти направления, в конечном счете, кристаллизовались в концепцию сетей связи следующего поколения NGN (Next Generation Network) [18, 19].

В соответствии с концепцией широкополосной конвергентной сети BcN (Broadband convergence Network) [20], очередной качественный скачок в области инфокоммуникационных услуг будет инициирован внедрением беспроводных сенсорных сетей, позволяющих пользователю глобальной телекоммуникационной сети получать телеметрическую информацию о различных объектах и обстановке в любой точке страны, а также отправлять команды на территориально разнесенные объекты. При этом трафик сенсорных сетей может быть передан через сеть связи общего пользования (рисунок 6). Ubiquitous (всепроникающие) сети, технологической основой которой являются сенсорные сети, открывают новые перспективы развития инфокоммуникаций, создание на их основе U-обществ [21].


Рисунок 6 Функциональные уровни всепроникающей сенсорной сети [22].
В настоящее время для сопряжения БСС с ССОП используется протокол 6LoWPAN, предложенный IETF, который позволяет интегрировать сенсорные сети в существующее семейство сетей. Данный протокол позволяет передавать IP-пакеты поверх стандарта IEEE 802.15.4 способом, удовлетворяющим открытым стандартам (протокол IPv6). При этом обеспечивается взаимодействие с другими IP-каналами и устройствами [23]. Протокол 6LoWPAN создан для маломощных беспроводных персональных сетей (LoWPANs) и описан в документах [RFC4919] и [RFC4944]. В архитектуре сети 6LoWPAN (рисунок 7) определены три типа логических устройств (оконечный узел, маршрутизатор и шлюз), а также три вида сетей: «Простая LoWPAN», «Расширенная LoWPAN» и «Ad hoc LoWPAN». Как видно из рисунка, «Ad hoc LoWPAN» не подключена к ССОП, «Простая LoWPAN» подключена к ССОП через один шлюз, а «Расширенная LoWPAN» включает в себя несколько шлюзов, связанных с ССОП и друг с другом посредством магистральной линии связи [24].


Рисунок 7 Архитектура сети 6LoWPAN [24].
Следует особо выделить следующие особенности сенсорных сетей:

- способность к самовосстановлению и самоорганизации,

- способность передавать информацию на значительные расстояния при малой мощности передатчиков (путем ретрансляции),

- низкая стоимость узлов и их малый размер,

- низкое энергопотребление и возможность электропитания от автономных источников,

- простота установки, отсутствие необходимости в прокладке кабелей (благодаря полностью беспроводной технологии и питанию от батарей) [25],

- возможность установки таких сетей на уже существующий и эксплуатирующийся объект без проведения дополнительных работ,

- возможность управления инфраструктурой БСС с помощью планшетного ПК (рисунок 8)



- низкая стоимость технического обслуживания.



Рисунок 8 Мониторинг и управление БСС с помощью планшетного ПК [26].
В целом при проектировании и построении сенсорных сетей должны учитываться множество аспектов, связанных с решением научно-технических задач, относящихся к различным областям инфокоммуникационных технологий и средств телекоммуникаций, (рисунок 9).



Рисунок 9 Открытые исследовательские проблемы в области БСС.

Литература





  1. Nitaigour, P.M. (Editor) Sensor networks and configuration fundamentals, standards, platforms, and applications / P.M. Nitaigour // Springer. — 2007. — 510 p.

  2. Кучерявый, Е.А. Принципы построения сенсоров и сенсорных сетей / Е.А. Кучерявый, С.А. Молчан, В.В. Кондратьев // Электросвязь, 2006. — №6 — С.10-15.

  3. Молчанов, Д.А. Приложения беспроводных сенсорных сетей / Д.А. Молчанов, Е.А. Кучерявый // Электросвязь, 2006. — №6 — С.20-23.

  4. Майская, В. Беспроводные сенсорные сети, малые системы — большие баксы / В. Майская // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. — 2005. — №10. — С. 18–22.

  5. Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Передача речевой информации через WPAN. URL: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2187/doc/54063/ .

  6. Панфилов, Д., Соколов, М. Введение в беспроводную технологию ZigBee стандарта 802.15.4. URL: http://www.freescale.com/files/abstract/global/s50210.pdf .

  7. Таненбаум, Э. Компьютерные сети / Э. Таненбаум — Спб. : Питер, 2003 — 992 с.

  8. Варгаузин, В.А. Сетевая технология ZigBee / В.А. Варгаузин // ТелеМультиМедиа. — 2005. — №6. — С. 29–32.

  9. Прокопьев, А.В. Перспективы использования протокола 6LoWPAN в сетях IEEE 802.15.4 / А.В. Прокопьев // Электросвязь, 2009. — №1 — С.33-36.

  10. Семенов, Ю.А. Телекоммуникационные технологии. URL: http://book.itep.ru/ (дата обращения: 22.02.2010).

  11. Варгаузин, В.А. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 / В.А. Варгаузин // ТелеМультиМедиа. — 2005. — №6.

  12. Faludi, R. Building Wireless Sensor Networks // O'Reilly Media, 2010 — 320 с.

  13. Технология ZigBee / URL: http://www.spectronvideo.ru/zigbee.html.

  14. Сетевой протокол DigiMesh / URL: http://www.digi.com/technology/digimesh/ (дата обращения: 07.07.2010).

  15. Пушкарев, О. ZigBee-модули XBee: новые возможности / О. Пушкарев // Беспроводные технологии. — 2008. — №4. — С. 22–25.

  16. Аджемов, А.С. Задачи гармонизации технологии Softswitch с особенностями построения российских сетей связи / А.С. Аджемов // Электросвязь. — 2003. — №11.

  17. Васильев, А.Б. Тестирование сетей связи следующего поколения / А.Б. Васильев, Д.В. Тарасов, Д.В. Андреев, А.Е. Кучерявый // М.: Изд-во ФГУП ЦНИИС, 2008 — 144 с.

  18. Кучерявый, А.Е. Сети связи следующего поколения / А.Е. Кучерявый, А.Л. Цуприков// М.: Изд-во ФГУП ЦНИИС, 2006 — 278 с.

  19. Аджемов, А.С. Перспективные направления развития сетей связи общего пользования / А.С. Аджемов, А.Б. Васильев, А.Е. Кучерявый // Электросвязь. — 2008. — №10. — C. 6-7.

  20. Кучерявый, А.Е. Модели трафика для сенсорных сетей в u-России / А.Е. Кучерявый, А.И. Парамонов // Электросвязь. — 2006. — № 6. — С. 15-18.

  21. Кох, Р. Эволюция и конвергенция в электросвязи / Р. Кох, Г.Г. Яновский // М.: Радио и связь, 2001 — 280 с.

  22. Ubiquitous Sensor Networks (USN). ITU-T Technology Watch Briefing Report Series, No. 4 (February 2008) / URL: http://www.itu.int/dms_pub/itu-t/oth/23/01/T23010000040001PDFE.pdf .

  23. Прокопьев, А.В. Перспективы использования протокола 6LoWPAN в сетях IEEE 802.15.4 / А.В. Прокопьев // Электросвязь, 2009. — №1 — С.33-36.

  24. Shelby, Zach. 6LoWPAN : the wireless embedded internet / Zach Shelby, Carsten Bormann // Wiley. — 2009. — 223 c.

  25. Беспроводные системы на базе сенсорных сетей для автоматизации объектов нефтяной промышленности / URL: http://www.ipmce.ru/img/release/oil.pdf.

  26. Мочалов, В.А. Навигация и мониторинг в сенсорной сети с использованием планшетных ПК / В.А. Мочалов, Е.Н. Турута, А.А. Халецкий // Материалы IX Международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации – ПТСПИ-2011». — Владимир-Суздаль, 2011. — Т. 1. — С. 85-88.


Смотрите также:
Ним «Современные и перспективные технологии построения сенсорных сетей»
112.6kb.
1 стр.
Современные и перспективные технологии построения беспроводных сенсорных сетей
274.03kb.
1 стр.
Курс «Современные технологии построения компьютерных сетей с использованием Microsoft Windows Server 2008 R2»
53.51kb.
1 стр.
Вопросы к экзамену по дисциплине : " Программное обеспечение компьютерных сетей "
33.6kb.
1 стр.
Учебная программа Дисциплины б7 «Операционные системы» по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии»
136.79kb.
1 стр.
«Современные технологии широкополосного абонентского доступа в сетях связи следующего поколения (ngn)»
12.98kb.
1 стр.
Нейрокомпьютерная обработка сигналов и изображений
238.58kb.
1 стр.
Современные маркетинговые технологии в Интернете (2009)
513.93kb.
7 стр.
Современные методы построения информационно измерительных систем мониторинга транспортных средств
72.93kb.
1 стр.
Ведущие ученые обсудили на встрече в Томске вопросы развития лабораторий мирового уровня в российских вузах 18-19 октября в Томске на базе Томского политехнического университета прошел Форум ведущих ученых «Перспективные технологии ХХI века Россия и
239.07kb.
1 стр.
Апреля 2013 года г. Днепропетровск, Украина
57.59kb.
1 стр.
Апреля 2013 года г. Днепропетровск, Украина
64.46kb.
1 стр.