СЕНСОРНЫЕ СЕТИ Конспект лекций
для магистрантов ОП 7М06201 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2022
Кафедра телекоммуникаций и инновационных технологий
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ ИМЕНИ
ГУМАРБЕКА ДАУКЕЕВА
Некоммерческое акционерное общество
СОСТАВИТЕЛИ: Ержан А.А., Шенер А.В. Сенсорные сети. Конспект лекций для магистрантов ОП 7М06201 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Конспект лекции содержит краткое представление о современной сенсорной сети и идеи «умной пыли», целью которых является изучение сведений сенсорных сетей и призваны дать возможность магистранту ориентироваться в научных проблемах стоящих на пути дальнейшего развития данной научной области.
Конспект лекций предназначен для магистрантов ОП 7M06201
– «Радиотехника, электроника и телекоммуникации». Они могут быть использованы и по идентичным темам аналогичных дисциплин, запланированных для других специальностей.
Рецензент:
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева» на 2021 г.
НАО «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева», 2021 г.
Содержание
Введение...4
Лекция №1. Введение и обзор беспроводных сенсорных сетей...5
Лекция №2. Назначение и классификация беспроводных сенсорных сетей...7
Лекция №3. Применение беспроводных сенсорных сетей...9
Лекция №4. Основная технология беспроводных датчиков...11
Лекция №5. Технологии и системы беспроводной передачи...16
Лекция №6. Средние протоколы управления доступом для беспроводных сенсорных сетей...18
Лекция №7. Протоколы маршрутизации для беспроводных сетей...21
Лекция №8. Промежуточное программное обеспечение для беспроводных сенсорных сетей...23
Лекция №9. Сетевое управление для беспроводных сенсорных сетей...25
Лекция №10. Высокая помехозащищенность...26
Лекция № 11. Методы построения. Модули и их разновидности...29
Лекция №12. Стек протокола ZigBee (IEEE 802.15.4-2006)...36
Лекция №13. Спецификация физического уровня...49
Лекция №14. Операционные системы для беспроводных сенсорных систем..52
Лекция №15. Вопросы связанные с управлением БСС...55
Список литературы...61
Введение
Современные исследования СС начались в первой половине 1990-х гг. В результате этих исследований была разработана концепция сенсорных сетей, получившая название «Умная пыль». Идея «умной пыли» подразумевает, что узлы сети представляют собой крошечные, беспроводные сенсоры или
«пылинки», которые в процессе функционирования должны самостоятельно находить друг друга и организовывать коммуникационную сеть для передачи информации от сенсоров в пункт управления.
Практически все сферы жизни в 21 веке зависят от информационно- коммуникационных технологий. Данными обмениваются не только люди, но и всевозможные интеллектуальные системы, мобильные телефоны, носимые устройства, банкоматы, датчики. К «Интернету вещей» уже подключены по меньшей мере 5 млрд устройств. Функционирование любых крупных комплексов — предприятий промышленности, энергетики, сельского хозяйства, торговых центров, музеев, офисов, жилых зданий — сопряжено с постоянным контролем ситуации на их территории. Чувствительные сенсоры в режиме реального времени следят за исправностью оборудования, организацией взаимодействия приборов между собой, предупреждают о необходимости их замены или о чрезвычайных ситуациях. При стремительно растущих объемах данных необходим простой и удобный способ обмена ими между устройствами и центрами обработки информации.
На первом этапе при проектировании БСС было предложено создать прототипы пылинок на основе уже имеющейся элементной базы. Эта часть задачи была решена путем создания сенсорного узла MICA-2 и его вариантов.
Для достижения конечной цели – создания крошечных устройств, способных объединяться в сеть, предстоит решить ряд серьезных технических проблем.
Среди них выбор и разработка каналов связи для передачи информации, приемопередатчик, источник питания и т.п.
Лекция №1. Введение и обзор беспроводных сенсорных сетей
Беспроводные сенсорные сети (БСС) - это инфраструктура, состоящая из датчиков (измерения), вычислительных элементов беспроводной связи, которая дает администратору возможность отслеживать, наблюдать и реагировать на события и явления в конкретной среде. Администраторами беспроводных сенсорных сетей в большинстве случаях являются государственные, гражданские, коммерческие, частные предприятия. Средой беспроводных сенсорных систем может быть физический мир, биологическая система или структура информационных технологий (ИТ). Беспроводные сенсорные системы рассматриваются наблюдателями как важная технология, которая в ближайшие несколько лет будет широко внедрена для различных приложений. Типичные области применения включают, помимо прочего, сбор данных, мониторинг, наблюдение и медицинскую телеметрию. В дополнение к зондированию, человек часто также заинтересован в контроле и активации.
Беспроводная сенсорная сеть представляет собой инфраструктуру датчиков (измерений), вычислительных элементов, которые позволяют администратору общаться, проводить и реагировать на события и функции в конкретной среде.
Беспроводная сенсорная сеть состоит из четырех основных компонентов: набор распределенных или локализованных датчиков.;
соединяющая сеть (обычная и беспроводная); центральная точка кластеризации информации; и набор вычислительных ресурсов в центральной точке (или за ее пределами) для обработки корреляции данных, отслеживания тенденций событий, запросов состояния и интеллектуального анализа данных.
Из-за потенциально большого количества собираемых данных алгоритмические методы управления данными играют важную роль в беспроводных сенсорных сетях. Вычислительная и коммуникационная инфраструктура, связанная с сенсорными сетями, часто специфична для этой среды и основана на природе этих сетей, основанной на устройствах и приложениях. Например, в отличие от большинства других настроек, в сенсорных сетях желательна внутрисетевая обработка; кроме того, мощность узла (и / или срок службы батареи) является ключевым моментом при проектировании. Информация , собранная , как правило , параметрический в природе, но с появлением видео с низким битрейтом [например, Moving Pictures Expert Group 4 (MPEG-4)] и визуализации алгоритмов, некоторые системы также поддерживают эти типы из средств массовой информации.
Фундаментальные аспекты беспроводных сенсорных сетей (WSN). Мы охватываем технологию беспроводной сенсорной сети, приложения, методы связи, сетевые протоколы, промежуточное программное обеспечение, безопасность и управление системой.
Исследователи рассматривают WSN как «захватывающую развивающуюся область глубоко объединенных в сеть систем маломощных беспроводных устройств с крошечным объемом ЦП и памяти, а также больших сетей для измерения окружающей среды с высоким разрешением»
Датчики в WSN имеют множество целей, функций и возможностей. Поле теперь опережение под толчком последних технологических достижений и тянуть из множества возможных применений. Радиолокационные сети, используемые для управления воздушным движением, национальная электросеть и общенациональные метеостанции, развернутые на регулярной топографической сетке, являются примерами сенсорных сетей на раннем этапе развертывания; все эти системы, однако, используют специализированные компьютеры и протоколы связи, следовательно, являются очень дорогими. Гораздо менее дорого стоит WSNs являются в настоящее время быть запланированы для новых приложений в физической безопасности, здравоохранения и торговли.
Ниже приводится краткий список приложений.
Экологические приложения o Микроклимат.
o Обнаружение лесных пожаров o Обнаружение наводнения.
o Точное земледелие и многое другое ...
Приложения для здоровья
o Удаленный мониторинг физиологических данных.
o Отслеживание и контроль врачей и пациентов внутри в больнице
o Drug администрация
o Помощь пожилым людям и многое другое ...
Домашние приложения
o Домашняя автоматизация.
o Инструментальная среда
o Автоматическое считывание показаний счетчиков и многое другое ...
Коммерческие приложения
o Экологический контроль в промышленных и офисных зданиях.
o Управление запасами.
o Отслеживание и обнаружение транспортных средств o Трафик с потока наблюдения и многое другое ...
Химические, физические, акустические датчики и датчики изображений могут использоваться для изучения экосистем (например, для поддержки глобальных параметров, таких как температура и популяции микроорганизмов).
«Умный» микродатчики может быть развернут на земле, в воздухе, под водой, в (или на) человеческих тел, в транспортных средствах, так и внутри зданий. Дома, здание и локально оборудованные с этой технологией имеют время называют смарт-пространство.
Беспроводные датчики могут использоваться там, где невозможно развернуть проводные системы (например, в опасном месте или в зоне, которая может быть загрязнена токсинами или подвергаться воздействию высоких температур). Быстрое развертывание, самоорганизация и характеристики отказоустойчивости WSNs сделать их универсальными для управления , включая : средства связи , наблюдения и целеуказания.
Планировщики отрасли также ожидают, что с помощью датчиков можно снизить затраты на жизненный цикл продукта. Потребительские приложения включают, помимо прочего, защиту и безопасность критически важной инфраструктуры, здравоохранение, окружающую среду, энергетику, безопасность пищевых продуктов, производственную обработку и качество жизни. Также ожидается, что WSN предоставят потребителям новый набор удобств, в том числе дистанционное управление отоплением и освещением дома, личную диагностику здоровья, автоматизированную телеметрию для технического обслуживания автомобилей и автоматизированную телеметрию с судовых двигателей в марине, и это лишь некоторые из них. В конечном итоге ожидается, что со временем технологии беспроводных сенсорных сетей позволят потребителям отслеживать свои вещи, домашних животных и маленьких детей. На горизонте также появятся повсеместные высоконадежные приложения общественной безопасности, охватывающие управление множеством угроз.
Лекция №2. Назначение и классификация беспроводных сенсорных сетей
Исследования в области беспроводных сенсорных сетей явились основой для разработки первого адаптированного для БСС стандарта беспроводной связи IEEE 802.15.4 и его промышленной версии ZigBee. С целью расширения возможностей использования персональной беспроводной связи, в том числе для сенсорных сетей, в 2007 г. был принят стандарт IEEE 802.15.4a, предусматривающий использование в качестве носителей информации сверхширокополосных (СШП - Ultra-Wide Band, сверхширокая полоса) электромагнитных сигналов.
Как известно для передачи информации в СШП системах (патент Фуллертона) используются сверхкороткие "Гауссовские" импульсы длительностью 0,20-1,5 нс либо хаотические импульсы длительностью от 2 нс до 1 мкс. Согласно определению Федеральной Комиссии Связи США (2002 г.
FCC 0248), сверхширокополосными называются сигнал или система с относительной полосой частот h более 0,25 или с шириной спектра более
500 МГц. Для простоты предложено определение СШП-передатчика: к сверхширокополосным относят передатчики, у которых полоса составляет более 25% от центральной частоты. Однако для UWB были поставлены весьма жесткие рамки: диапазон – от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц, плотность - ниже -
41 дБм/Мгц (~10-4 мВт/МГц) (в других странах, возможно, будет еще строже). Кстати, частоты ниже 3.1 ГГц запрещены для UWB из-за все-таки ощутимого влияния на точность работы системы глобального позиционирования GPS.
Таблица 2.1 - Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи
Так как ширина спектра СШПС существенно превосходит ширину спектра излучаемого сигнала существующих широкополосных систем типа Wi-Fi, WiMax и другие - все они могут считаться по отношению к СШПС – узкополосными.
Главное преимущество СШП-систем состоит в том, что спектральная плотность энергии сигнала UWB не превышает определенного значения (10- 4-10-2 мВт/МГц). В нашей технологии при увеличении дальности спектральная плотность мощности может увеличиваться в 3-5 раз, что неизмеримо ниже аналогичного показателя для классических ШПС радиоинтерфейсов (Wi-Fi, Bluetooth и так далее). По этой причине для всех остальных не-UWB-устройств сверхширокополосный сигнал просто смешивается с массой другого "электронного" шума, и возможные помехи можно считать пренебрежимо малыми.
Таким образом, на базе полученного коммерческого опыта массового производства и эксплуатации в дальнейшем уникальные возможности сверхширокополосной связи будут применяться и для решения многих других задач, ранее недоступных для узкополосных радиоинтерфейсов:
- внутриобъектовые, локальные и внутригородские сети (WLAN и WMAN), для которых особое значение имеют энергетически скрытные сверхширокополосные каналы связи со сверхвысокой пропускной способностью, в т.ч. летательные аппараты, корабли, транспорт;
- промышленные системы беспроводной связи для внутриобъектовой передачи мультимедиа информации в условиях мощных индустриальных помех (транспорт, тяжелая промышленность, нефтехимические комплексы);
- мобильные многоканальные системы телерадиоуправления технологическими процессами и оборудованием (атомная промышленность, транспорт, строительство, управление роботами при ЧС);
- специальные системы связи для управления военными силами и средствами, а также беспилотными летательными аппаратами и роботами;
- специальные системы связи для антитеррористических подразделений, в т.ч. ФСБ, ФСНК, ПВ, ВВ, ГРУ ГШ и т.д.
В настоящее время ОАО "КБОР" совместно с ОАО "Концерн
"Созвездие" разрабатывает импульсные СШП электронные модули, которые потенциально имеют следующие специальные характеристики:
Высокая скорость передачи данных. Скорость передачи информации должна быть:
- в "скоростном" режиме - до 1000 Мбит/с на расстояние до 100 м, спектральная плотность ~10-2 мВт/МГц;
- в "помехозащищенном" режиме - до 10 Мбит/с на расстояние до 1-2 км, спектральная плотность ~10-3 мВт/МГц;
- в режиме "повышенной скрытности" - до 1 Мбит/с на расстояние до 10 км, спектральная плотность ~10-4 мВт/МГц.
Скрытность и защищенность связи от перехвата. В радиосвязи с импульсными СШПС принципиально по-новому решается задача защиты информации от ее несанкционированного прослушивания и перехвата. Это достигается за счет очень низкой спектральной плотности излучаемого сигнала, что и обеспечивает очень высокий уровень их энергетической скрытности. Сегодня не известны технические средства перехвата информации импульсных линий связи СШПС.
Лекция №3. Применение беспроводных сенсорных сетей
Беспроводные сенсорные сети (WSN) - это наборы компактных, относительно недорогих вычислительных узлов, которые измеряют локальные условия окружающей среды или другие параметры и пересылают такую информацию в центральную точку для соответствующей обработки. Узлы
WSN (WN) могут определять среду, могут связываться с соседними узлами и во многих случаях могут выполнять базовые вычисления для собираемых данных. WSN поддерживают широкий спектр полезных приложений. В этой лекции идентифицируются некоторые приложения; эта глава не претендует на то, чтобы быть исчерпывающей, просто иллюстративной (Рисунок 1).
WSN категории 1 (C1WSN): почти всегда ячеистые системы с возможностью радиосвязи с множеством переключений между или между WN, использующие динамическую маршрутизацию как в беспроводной, так и в проводной частях сети. Системы военных театров обычно относятся к этой категории.
WSN категории 2 (C2WSN): системы точка-точка или много точка-точка (звезда), как правило, с односкачковой радиосвязью с WN с использованием статическая маршрутизация по беспроводной сети; как правило, будет только один маршрут от WN к сопутствующему наземному / проводному узлу пересылки (WN являются зависимыми узлами). К этой категории обычно относятся системы управления жилыми помещениями.
Рисунок 3.1 – Организация беспроводных сенсорных сетей
Как уже отмечалось, WSN поддерживают широкий спектр приложений, от контроля окружающей среды до отслеживания транспортных средств, от охраны периметра до управления запасами, от мониторинга среды обитания.
К примеру, WSNs может быть развернут на открытом воздухе в большом датчике поле для обнаружения и контроль распространения диких пожаров, чтобы обнаруживать и отслеживать транспортные средства, или для поддержки мониторинга окуржающей среды, в то числе точного земледелия.
Заинтересованные стороны сейчас сосредоточены на разработке приложений,
которые приносят измеримую ценность для бизнеса; цель состоит в том, чтобы взять обширный массив исследований в этой области и применить его к реальному миру. С помощью WSN можно отслеживать и контролировать фабрики, офисы, дома, автомобили, города, обстановку и окружающую среду.
Например, можно обнаруживать структурные дефекты (например, трещины, вызванные усталостью) на кораблях, самолетах и зданиях; Места общественных собраний могут быть оборудованы для обнаружения токсинов и отслеживания источника загрязнения. Извержения вулканов, обнаружение землетрясений и оповещение о цунами - приложения, которые обычно требуют развертывания WN в удаленных, даже труднодоступных местах, - могут быть полезными системами мониторинга окружающей среды.
Лекция №4. Основная технология беспроводных датчиков
Как уже отмечалось, WSN характеризуются тем фактом, что они должны работать в средах с ограниченными ресурсами; в свою очередь, этот факт налагает строгие правила проектирования и ограничения на WN; с этой целью мы обращаемся к функциям и компонентам датчиков, включая блок датчиков и срабатывания, блок обработки, блок связи, блок питания и другие блоки, зависящие от приложения.
Датчики, в частности, Smart Dust и частицы COTS, имеют четыре основных аппаратных подсистемы:
1. Мощность. Соответствующая энергетическая инфраструктура или питания необходимо поддерживать работу в течении нескольких часов до месяцев или лет (в зависимости от применения).
2. Вычислительная логика и память. Они используются для обработки и обработки данных на борту, временного и краткосрочного хранения, пересылки коррекция ошибок, цифровая модуляция и цифровая передача. У беспроводных сетей (WN) вычислительные требования обычно варьируются от 8-битного микроконтроллера до 64-битного микропроцессора.
Требования к хранилищу обычно варьируются от 0,01 до 100 гигабайт (ГБ).
3. Датчик-преобразователь. Интерфейс между окружающей средой и беспроводной сетью - это датчик. Основные экологические датчики включают в себя, но которые не ограничиваются ими, ускорение, влажности, света, магнитного потока, температуры, давления, и звука.
4. Общение. WN должны иметь возможность связываться либо в конфигурации категории 1WSN (ячеистые системы с возможностью радиосвязи с множеством переключений между или между WN, использующие динамическую маршрутизацию как в беспроводной, так и в проводной части) сети) и в схемах категории 2WSN (двухточечные или многоточечные системы, как правило, с односкачковой радиосвязью с WN, с использованием статической маршрутизации по беспроводной сети только с одним маршрутом от WN к сопутствующий наземный или проводной узел
переадресации). Исследователи разработали множество протоколов специально для WSN. Дальность передачи, ухудшения передачи, методы модуляции, маршрутизация и топология сети представляют интерес.
Расстояния варьируются от нескольких метров до нескольких километров;
протоколы нижнего уровня связи, как правило, из 802.11 / 802.15 / 802.16 IEEE класса, хотя другие методы, которые также были использованы.
Пропускная способность в большинстве приложений колеблется от 10 до 256 кбит / с (для некоторых видеоприложений может потребоваться большая пропускная способность).
Термины Датчик узла, беспроводный узел (WN), смарт - пыль, соринки и COTS (коммерческий вне-полки) сучок которые используются несколько взаимозаменяемы в промышленности; что наиболее общие термины, используемые здесь, являются датчик узла и WN.
Датчики обычно имеют пять основных программных подсистем:
1. Микрокод операционной системы (ОС) (также называемый промежуточным программным обеспечением). Это общий микрокод платы, который используется всеми высокоуровневыми резидентными программными модулями для поддержки различных функций. Как это обычно бывает, цель операционной системы – защитить программное обеспечение от функциональных возможностей микропроцессора на машинном уровне.
Желательно иметь операционные системы с открытым исходным кодом, разработанные специально для WSN; в этих ОС обычно используется архитектура, обеспечивающая быстрое внедрение при минимальном размере кода. TinyOS является одним из таких примеров в обычно используемой ОС.
2. Драйверы датчиков. Это программные модули, которые управляют основными функциями сенсорных трансиверов; Датчики могут возможно быть модульной / плагин типа, и в зависимости от типа и сложности, соответствующая конфигурация и параметры должны быть загружены в датчик (драйверы защитить прикладное программное обеспечение от машинного уровня функциональности от с датчика или другого периферийного устройства).
3. Коммуникационные процессоры. Этот код управляет коммуникационными функциями, включая маршрутизацию, буферизацию пакетов и пересылки, обслуживание топологии, управление доступом к среде (например, механизмы ссоры, прямая последовательность механизмы с расширенным спектром), шифрование, и ПИО, чтобы перечислить несколько (например, см рисунка 3.3).
4. Коммуникационные драйверы (кодирование и физический уровень). Эти программные модули управляют деталями линии передачи радиоканала, включая синхронизацию и синхронизацию, кодирование сигналов, восстановление битов, подсчет битов, уровни сигналов и модуляцию.
5. Мини-приложения для обработки данных. Это числовые приложения, обработка данных, хранение значений сигналов и манипуляции с
ними или другие базовые приложения, которые поддерживаются на уровне узла для обработки в сети .
В WSN физическая связь поддерживается по беспроводной радиосвязи с одним или несколькими переходами на расстоянии десятков, сотен или тысяч метров. Целью логической связи является поддержка обслуживания топологии и многозвенной маршрутизации (если таковая имеется).
Узлы датчиков должны иметь дело со следующими ограничениями ресурсов:
Потребляемая мощность. Почти всегда WN имеют ограниченный запас рабочей энергии; Отсюда следует, что энергосбережение является ключевым моментом при проектировании системы.
Коммуникация. Беспроводная сеть обычно имеет ограниченную полосу пропускания; сети могут быть вынуждены использовать зашумленный канал; и канал связи может быть переведен в незащищенную полосу частот.
Последствиями являются ограниченная надежность, низкое качество обслуживания (например, высокая задержка, высокая дисперсия, высокая потеря кадров) и уязвимость (например, отказ в обслуживании, глушение, помехи, высокие коэффициенты ошибок по битам).
Таблица 4.1 – Проектные ограничения или требования для WSN и WN
Требования WSN / WN Мотив
Совместная обработка данных Фактор который отличает WSNs от простых рекламных специальных перерабатывающих сетей является , что цель в WSNs является обнаружение или оценка конкретных событий, а не только коммуникаций. Необходимо обеспечить масштабируемый, отказоустойчивый, гибкий доступ к данным и интеллектуальное сокращение данных [3.3]. Это управляет общей архитектурой, поскольку для обнаружения и оценки часто требуется объединение данных от нескольких датчиков; слияние данных требует передачи данных и управляющих сообщений.
Также необходимо учитывать количественное определение данных сенсора, включая
пределы обнаружения,
калибровку, помехи, выборку и проверку точности [3.5].
Ограниченное использование энергии
В многих приложениях в WNS будут развернуты в пульте дистанционного управления области; в этих случаях срок службы узла может определяться сроком службы батареи; это, в свою очередь, требует минимизации энергопотребления.
Большая топологии поддержки Сеть 10000 или даже 100000 узлов предусмотрены для некоторых приложений. К счастью, большинство WSNs / WNS является стационарным ( в стороне от к развертыванию в датчиках на поверхность океана или использование мобильных, беспилотных, роботизированных датчиков в военных действиях).
Запрос возможностей Субъекту, потребляющему данные, может потребоваться запросить отдельного человека.
узел или группа узлов для информации, собранной в область. Потому что может оказаться невозможным передать большой количество данных в сети, различные локальные приемники узлам необходимо собирать данные из заданной области и создавать сводные сообщения для ответа на запрос.
Самоорганизация Обычно требуется, чтобы WSN могли самоорганизация:
учитывая большое количество узлов и их потенциальное размещение во враждебных местах, ручное
конфигурация обычно
невозможна. Также узлы могут выйти из строя (от недостатка энергии или от физического разрушения), и новые узлы могут
присоединиться к сети: сеть должна иметь возможность перенастроить себя так, чтобы он мог продолжать работать
должным образом и
поддерживать надежное соединение.
Расчет. WN обычно имеют ограниченные вычислительные мощности и ресурсы памяти. Следствием этого являются ограничения на типы алгоритмов обработки данных, которые могут выполняться на сенсорном узле. Это также ограничивает объем и объем промежуточных результатов, которые можно сохранить в WN. Исследования направлены на разработку уровня распределенного управления данными, который масштабируется по мере роста взаимосвязи датчиков и вычислительной мощности датчиков; цель состоит в том, чтобы развернуть механизмы, которые находятся непосредственно на узлах датчиков, и создать абстракцию одного узла обработки без централизации данных или вычислений.
Неопределенность измеренных параметров. Сигналы, которые часто были обнаружены или собраны, имеют различные степени внутренней неопределенности. Желаемые данные могут быть смешаны с шумом и / или помехами от окружающей среды. Неисправность узла может привести к сбору и / или пересылке неточных данных. Размещение узлов (особенно в специальных сетях без мобильности) может ухудшить работу и привести к смещению отдельных показаний.
Некоторые из внутренних факторов, которые ограничения или требования проекта должны учитывать в WSN и WN, включают следующее:
Сети WN могут быть развернуты плотно (в непосредственной близости), что подразумевает сложность связи (например, для поддержки пересылки пакетов и управления топологией)
Для приложений военной и / или национальной безопасности, WN должны поддерживать быстрое развертывание; развертывание должно иметь специальную поддержку; и окружающая среда является как ожидается, чтобы быть весьма динамичным.
WN могут быть подвержены сбоям. Типичными являются необслуживаемые, не привязанные, автономные системы с малым рабочим циклом, однако для некоторых WSN требуются долговечные и экологически устойчивые сенсорные системы.
Как только что отмечалось, WN ограничены по мощности, вычислительной мощности и памяти. Схема связи и антенны являются основными элементами, которые используют до наиболее из в энергии.
Топология, которую должны поддерживать WN, может очень часто меняться. Каналы связи могут быть дорогими (не только с точки зрения
электромагнитного спектра, но и с точки зрения оперативной поддержки необходимой инфраструктуры); пропускная способность может быть ограничена; и, как только что было отмечено, наличие питания на датчике может быть ограничено и / или дорогим в отношении поддержки с высокой пропускной способностью, связь в области высоких частот (то есть, чтобы подать на высокой мощности антенны).
WN могут не иметь глобальных адресов из-за потенциально большого количества датчиков и накладных расходов, необходимых для поддержки таких глобальных адресов (в этом контексте может применяться IPv6).
Для WN требуются специальные механизмы маршрутизации и распространения данных (например, ориентированная на данные, иерархическая и/или основанная на местоположении маршрутизация).
WN часто требуют внутрисетевой обработки, даже когда данные маршрутизируются. Кто-то хочет иметь возможность выполнять обработку данных в сети в непосредственной близости от источника данных, а затем пересылать только обобщенные, агрегированные, слитые и синтезированные результаты. Типичная функциональность включает обработку сигналов, агрегирование данных, слияние данных и анализ данных. Также есть интерес к управлению базами данных, включая механизмы запросов и хранение данных.
Массивы беспроводных узлов сверхнизкого энергопотребления могут быть включены в реконфигурируемые сети с высокоскоростным подключением к центрам обработки для принятия решений и ответных действий.
Лекция №5. Технологии и системы беспроводной передачи
Беспроводные сети WN обычно используют две полосы частот:
диапазон ISM и диапазон U-NII. Крытая и открытая интерференция возникает как из природных источников и явлений (например, потери или ослаблений, поглощение, замирание многолучевого), а также от других пользователей, в непосредственной близости с использованием этих «незащищенные групп». A WSN будет испытывать помехи независимо от того, использует ли он одну из технологий IEEE PAN / LAN / MAN или даже какую-либо другую общую радиотехнологию. Микроволновые печи, работающие на частоте 2,45 ГГц, могут подавить многие беспроводные технологии в диапазоне ISM 2,4 ГГц.
На производственных площадях неправильно отфильтрованные электродвигатели могут генерировать достаточный электрический шум, чтобы сделать беспроводную передачу ненадежной. Даже физическое размещение в передатчике может привести к значимым потерям сигнала.
Тем не менее, технологии IEEE PAN / LAN / MAN широко используются и, вероятно будет использоваться в большинстве
(коммерческих) WSN в будущем. Протоколы определяют физическое кодирование передаваемого сигнала, а также кадрирование информации на канальном уровне; разделение каналов и процедуры обработки данных и событий также определяются протоколом. Есть несколько беспроводных протоколов; наиболее широко используются (1) IEEE 802.15.1 (также известный как Bluetooth); (2) серия беспроводных локальных сетей IEEE 802.11a / b / g / n; (3) IEEE 802.15.4 (ZigBee); (4) стандарт IEEE 802.16 для MAN (также известный как WiMax); и (5) маркировка радиочастотной идентификации (RFID). Каждый стандарт имеет свои преимущества и ограничения. На рисунке 5.1 графически показаны некоторые функции этих протоколов.
Рисунок 5.1 – Графическое сравнение доступных протоколов
IEEE 802.15.4 стандарт поддерживает максимальную данные скорости от 250 кбит и низкие цены 20 кбит (медленнее, чем большинство телефонных модемов). Однако, она имеет самую низкую мощность требование о группе.
ZigBee устройство разработано, чтобы запустить несколько устройств на одном комплекте батарей, что делает их идеальными для автоматического или труднодоступного места.
Bluetooth - это протокол связи ближнего действия, широко используемый в сотовых телефонах и КПК (имеет диапазон около 10 м или максимум 100 м с усилением мощности); он работает в диапазоне ISM 2,4 ГГц и имеет пропускную способность приблизительно от 1 до 3 Мбит / с. IEEE 802.11a/b/g/n- это набор связанных технологий, которые работают в диапазоне
ISM 2,4 ГГц, диапазоне ISM 5 ГГц и диапазонах U-NII 5 ГГц ; он обеспечивает самую высокую мощность и самый большой радиус действия среди распространенных нелицензированных беспроводных технологий.
Скорости передачи данных может достигать 54 Мбит (в два раза больше от последней IEEE 802.11n протокола). Обычно аппаратная реализация некоторых или всех протоколов 802.11 предустановлена на большинстве новых портативных компьютеров; технология является часто также доступна для КПК и сотовых телефонов.
RFID технология (Radio Frequency IDentification) - это одна из форм беспроводного считывания, которая не требует питания метки; это пассивная технология, используемая для маркировки и отслеживания. RFID-метка - это датчик; датчик реагирует, когда на него подается питание через считывающее устройство. Текущие метки RFID могут содержать только 96 бит информации, но становятся доступными новые метки, поддерживающие 128 и 256 бит.
Большинство RFID - метки имеют интегральные схемы (ИС), микроэлектронные полупроводниковые приборы с более большим числом из соединенных транзисторов и других компонентов.
Лекция №6. Средние протоколы управления доступом для беспроводных сенсорных сетей
Одна из основных трудностей при разработке эффективных протоколов MAC для совместно используемой среды доступа возникает из-за пространственного распределения взаимодействующих узлов. Чтобы достичь соглашения о том, какой узел может получить доступ к каналу связи в любой момент времени, узлы должны обменяться некоторым количеством координирующей информацией. Обмен этой информацией, как правило, требует использования самого канала связи. Этот рекурсивный аспект проблемы среды множественного доступа увеличивает сложность протокола управления доступом и, следовательно, накладные расходы, необходимые для регулирования доступа между конкурирующими узлами. Более того, пространственное распределение не позволяет данному узлу в сети знать мгновенный статус других узлов в сети. Любая информация, явно собранная каким-либо узлом, устарела как минимум на столько, сколько требуется для ее распространения по каналу связи.
Два основных фактора, интеллект решения, принятого протокола доступа и в накладных расходов, участвующих, в виде распределенного многопролетного протокола доступа. Эти два фактора неизбежно взаимосвязаны. Попытка, чтобы улучшить качество принимаемых решений не обязательно приведет к снижению накладных расходов, понесенных. С другой стороны, сокращение накладных расходов может снизить качество решения.
Таким образом, компромисс между этими двумя факторами должны быть сделаны.
Определение характера и объема информации, используемой протоколом распределенного множественного доступа, - сложная, но потенциально ценная задача. Понимание того, какая именно информация необходима, может привести к пониманию ее ценности. Кроме того, информация может быть заранее определенной, динамической глобальной или локальной. Предопределенная информация известна всем узлам связи. Во время работы протокола разные узлы получают динамическую глобальную информацию.
Локальная информация известна отдельным узлам. Предопределенная и динамическая глобальная информация может привести к эффективной, потенциально идеальной координации между узлами. Однако обычно приходится платить высокую цену с точки зрения нерационального использования пропускной способности канала. Использование локальной информации может снизить накладные расходы, необходимые для координации конкурирующих узлов, но может привести к снижению общей производительности протокола.
Компромисс между эффективностью протокола MAC и накладными расходами, необходимыми для его достижения, лежит в основе большинства методов доступа для сетей с разделяемой средой.
Выбор метода MAC является основным определяющим фактором при исполнении в БСС. Несколько стратегий уже были предложены для решения в общую средах проблемы доступа. Эти стратегии пытаются с помощью различных механизмов найти баланс между принятием решения о выделении ресурсов наивысшего качества и накладными расходами, необходимыми для принятия этого решения. Эти стратегии можно разделить на три основные категории: фиксированное назначение, назначение по требованию и случайное назначение.
Потребность в экономии энергии является наиболее важной проблемой при разработке масштабируемых и стабильных протоколов уровня MAC для БСС. Несколько факторов способствуют потере энергии, включая чрезмерные накладные расходы, прослушивание в режиме ожидания, конфликты пакетов и подслушивание. Регулирование доступа к средствам массовой информации требует обмена информацией управления и синхронизации между конкурирующими узлами. Явный обмен большим количеством этих пакетов управления и синхронизации может привести к значительному потреблению энергии. Длительные периоды прослушивания в режиме ожидания также могут увеличить потребление энергии и снизить пропускную способность сети. В некоторых случаях, энергия тратится на холостом ходу прослушивания счета для более половины из общей энергии расходуется на датчике во время его время жизни. Повторная передача сталкивающихся пакетов - еще один источник значительных потерь энергии. Большое количество этих коллизий может привести к серьезному ухудшению производительности протокола уровня MAC. Точно так же чрезмерное подслушивание, которое заставляет узел принимать и декодировать пакеты,
