Беспроводные сенсорные сети (БСС). Как развернуть беспроводные сенсорные сети в сложных условиях индустриальной среды Смотреть что такое "Беспроводные сенсорные сети" в других словарях

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

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;

Введение

Беспроводная сенсорная сеть - распределённая, множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.

Основными особенностями беспроводных сенсорных сетей являются самоорганизация и адаптивность к изменениям в условиях эксплуатации , поэтому требуются минимальные затраты при развертывании сети на объекте и при последующем ее сопровождении в процессе эксплуатации.

Краткая история

Одним из первых прообразов сенсорной сети можно считать систему СОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок. В середине 1990-х годов технологии беспроводных сенсорных сетей стали активно развиваться, в начале 2000-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешёвую элементную базу. Беспроводные сети начала 2010-х годов в основном базируются на стандарте .

Назначение

Основное назначение заключается не только в обмене данными между узлами по децентрализованной самоорганизующейся сети, но и в сборе передаваемой информации (в основном, данных) от датчиков (температуры, давления, влажности, уровня радиации, акустических колебаний) в центральный узел с целью ее последующего анализа или обработки.

Востребованность беспроводных сенсорных сетей на рынке также тесно связана с концепцией интеллектуализации таких объектов как дом, офис и производственные помещения, где городской человек проводит до 90% своего времени, а также с концепцией создания кибернетических производств (полностью оснащенных роботами), первоочередной задачей которых является внедрение беспроводных технологий на уровне АСУ ТП .

Технология сенсорных сетей предназначена для решения самого широкого круга задач промышленного мониторинга и контроля и имеет следующие неоспоримые преимущества перед другими существующими беспроводными и проводными системами:

• возможность установки датчиков на уже существующий и эксплуатирующийся объект без дополнительных работ по прокладке проводной сети ;
• низкая стоимость отдельного элемента контроля;
• низкая стоимость монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;
• минимальные ограничения по размещению беспроводных устройств;
• высокая отказоустойчивость сенсорной сети в целом.

Описание

Аппаратное обеспечение беспроводных узлов и протоколы сетевого взаимодействия между ними 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.

Каждый узел сенсорной сети обычно содержит порты ввода/вывода данных с различных датчиков контроля внешней среды (или сами датчики), микроконтроллер и радио-приемопередатчик, а также автономный или внешний источник питания. Это позволяет устройству получать результаты измерений, проводить начальную обработку данных, и поддерживать связь с внешней информационной системой. Микроконтроллер может быть использован для реализации интеллектуальной распределенной обработки данных. В интеллектуальной беспроводной сенсорной сети устройства способны на локальном уровне обмениваться информацией, анализировать ее и передавать до определенной глубины обработанную информацию, а не "сырые" данные. Это позволяет значительно сократить требования к пропускной способности сети, увеличить масштабируемость и срок эксплуатации системы. Однако добавление "интеллекта" в сеть требует учета особенностей прикладной задачи, поэтому этот подход,как правило, эффективен при разработке заказной узкоспециализированной системы.

Таким образом ключевыми особенностями сенсорных сетей являются:

• способность самоорганизации сети передачи информации и ее адаптация к численному составу устройств;
• способность ретрансляции сообщений от одного элемента к другому;
• возможность наличия датчиков в каждом элементе;
• длительный срок автономной работы (1 год и более)

Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей, является единственной , с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля, критичных к требованиям по времени работы батареи питания устройств, их надежности, автоматической или полуавтоматической настройки каждого из них, возможности простого добавления или исключения устройства из сети, распространения сигналов через стены и потолки при низкой стоимости системы. А технология ретранслируемой ближней радиосвязи , известная как «Сенсорные сети», является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем промышленного мониторинга и управления ресурсами и процессами.

Корпоративная версия технологии «Интернета вещей» (англ. Internet of Things, IoT) сегодня активно используется в промышленности. В рамках корпоративного «Интернета вещей» (англ. Enterprise Internet of Things, EIoT) применяются беспроводные сенсорные сети и средства управления, что открывает предприятиям новые возможности управления машинами и оборудованием. Беспроводные датчики, работающие от небольшого аккумулятора без подключения к проводной сети питания, в производственных условиях могут находиться в местах, совершенно недоступных для элементов управления предыдущих поколений.

EIoT повысил надежность, безопасность и комплексную совместимость систем и оборудования, что позволило удовлетворить самые жесткие требования к внедрению беспроводных технологий этого направления не только в промышленности, но и в сфере здравоохранения, финансовых услуг и т. д. EIoT учитывает потребности этих областей благодаря тому, что технические характеристики и элементы конструктивного исполнения устройств технологии этого нового направления намного превосходят аналогичные технологии IoT традиционных устройств, предназначенные для менее критических потребительских или коммерческих приложений.

Проблемы EIoT

Датчики и элементы управления с поддержкой EIoT могут работать практически в любом месте индустриальной среды, но до сих пор это скорее зависело от удачи, поскольку не каждое промышленное оборудование идеально подходит для использования в беспроводных сетях. Это связано с тем, что в развертывании IoT имеются два взаимосвязанных, но, на первый взгляд, противоречивых элемента:

1. Непосредственно сама беспроводная сеть устройств, которая устанавливается с использованием датчиков и элементов управления, связанных с технологией малого радиуса действия с низким уровнем потребления мощности.
2. Сеть IoT-датчиков, взаимодействующая с другим оборудованием, контроллерами и частями сети уже на большем расстоянии.

Рис. 1. Приложения, расположенные вдали от городских центров и традиционных телекоммуникационных услуг, для организации глобальной сети могут воспользоваться таким энергоэффективным коммуникационным протоколом, как LoRa

Именно невозможность надежной связи на больших расстояниях зачастую является наиболее существенным препятствием в условиях индустриальной среды. Эта проблема имеет простую причину: телекоммуникационная связь, которая осуществляется по проводным кабельным линиям или путем использования передачи сигналов через вышки сотовой связи, не всегда доступна в местах расположения промышленного оборудования. Кроме того, стоимость использования сервисов сотовой связи только для доставки нескольких пакетов данных от датчиков за один сеанс связи не имеет большого смысла как с экономической точки зрения, так и из чисто технических соображений. Кроме того, довольно часто возникает проблема энергоснабжения датчиков и устройств связи, которое весьма затруднительно организовать в отдаленных местах, где оборудование или инфраструктура не запитывается непосредственно от промышленной сети.

Несмотря на широкое покрытие сотовой связью населенных пунктов, в некоторых местах нет надежного сервиса для организации беспроводной связи. Это распространенная проблема для сельских районов и удаленных мест размещения промышленного оборудования, например отдельно расположенного оборудования нефтегазовой промышленности или трубо­проводного транспорта, системы водоснабжения и удаления сточных вод (рис. 1) и др. Такие узлы также зачастую находятся далеко от ближайшего технического обслуживающего персонала, который проверяет надлежащее функционирование приборов. Иногда инженеру требуется целый рабочий день, а то и несколько, для того чтобы добраться до оборудования и осмотреть его. Нередко затруднительно и просто найти специалистов, желающих работать в таких отдаленных районах. Поскольку, ввиду ограниченного покрытия связью, датчики и элементы управления с поддержкой EIoT достаточно редки в удаленных объектах, то здесь на помощь приходят энергоэффективные сети дальнего радиуса действия (англ. low-power wide area network, LPWAN).

BLE и LPWAN

Наиболее широко используемой беспроводной технологией короткого радиуса действия в системах EIoT является технология Bluetooth с низким энергопотреблением - BLE (англ. Bluetooth low energy, также известная как Bluetooth Smart). Основная причина высокой популярности BLE для EIoT - его энергоэффективность, которая позволяет датчикам и элементам управления работать длительное время с очень малым расходом энергии батарей. BLE управляет циклами сна, дежурным режимом и активными циклами. BLE также широко используется из-за мощности его радиочастотного сигнала, который позволяет этой технологии эффективно работать даже в сложных средах с повышенным уровнем высокочастотных шумов, поступающих цифровых сигналов от компьютерного оборудования и даже при наличии физических препятствий для распространения радиоволн. А ведь, как известно, все эти факторы являются привычными для индустриальной среды.

В проектах по реализации EIoT именно технология BLE является базовой для организации связи ближнего радиуса действия. Причем она может использоваться как на уже эксплуатируемых, так и на еще только проектируемых комплексах промышленного оборудования. Однако такой сети устройств с поддержкой BLE нужен способ получения инструкций и ретрансляции данных на более дальние расстояния. Опора на традиционную телекоммуникационную инфраструктуру, которая позволяет использовать двунаправленную связь по Wi-Fi или сигналы сотовой связи, невозможна из-за заслона, ограничивающего возможности применения этих сенсорных и управляющих сетей. Объединив BLE со сверхдальностью и энергоэффективностью технологии LoRa компании смогли развернуть EIoT в местах, где телекоммуникационная инфраструктура и инфраструктура питания недоступны, а это, в свою очередь, расширило географию реализации технологии «Интернета вещей».

Рис. 2. Датчики сначала подключаются к клиенту LoRa и затем – через шлюз LoRa

Протоколом глобальной сети LoRa часто является LPWAN, поскольку он обеспечивает безопасную двунаправленную передачу данных и связь с сетями IoT на больших расстояниях в течение многих лет без замены батарей. При использовании технологии LoRa открывается возможность отправлять и принимать сигналы на расстоянии примерно до 16 км, а установленные при необходимости репитеры (ретрансляторы) могут увеличить это расстояние уже до сотен километров. На рис. 2 показана схема работы LoRa. Для приложений IoT LoRa имеет множество преимуществ именно благодаря ее экономическим характеристикам и возможностям:

• Поскольку LoRa, как и BLE, является технологией сверхнизкого энергопотребления, она способна работать в сетях устройств IoT с батарейным питанием и может обеспечить длительную работу от батареи, не требуя при этом частого технического обслуживания.
• Узлы на базе технологии LoRa недорогие и позволяют компаниям сократить расходы на передачу данных по системам сотовой связи, а также отказаться от установки оптоволоконных или медных кабелей. Это устраняет основной финансовый барьер для организации связи удаленно расположенных датчиков и оборудования.
• Технология LoRa хорошо работает и с сетевыми устройствами, размещенными внутри помещений, в том числе в сложных индустриальных средах.
• LoRa обладает широкой масштабируемостью и совместимостью за счет поддержки миллиона узлов, ее можно соединить с государственными и частными сетями передачи данных и системами двунаправленной связи.

Итак, в то время как другие технологии LPWAN смогут лишь в отдаленной перспективе решить проблему дальности связи при реализации решений «Интернета вещей», технология LoRa предлагает для этого двунаправленную связь, защиту от помех и высокое информационное наполнение.

У LoRa есть и существенный недостаток - невысокая пропускная способность. Это делает ее непригодной для приложений, требующих передачи потоковых данных. Однако это ограничение не мешает использовать ее для широкого диапазона IoT-приложений, где время от времени передаются лишь небольшие пакеты данных.

Взаимодействие

Рис. 3. Модуль RM1xx от компании Laird, который включает в себя коммуникационные возможности для протоколов беспроводной сети LoRa и Bluetooth

Потенциал LoRa увеличивается вдвое, когда он сочетается с технологией, подобной BLE. Действуя вместе, они предоставляют набор беспроводных возможностей сверхнизкого энергопотребления для связи малого и дальнего радиуса действия, что расширяет возможности сетей EIoT. Так, например, центральная часть городских районов может быть покрыта всего лишь несколькими шлюзами LoRaWAN, являющимися основой для сетей датчиков с технологией BLE, которые теперь не зависят от традиционных телекоммуникационных инфраструктур. Таким образом, симбиоз LoRa и BLE устраняет ряд препятствий для расширения IoT как в мегаполисах, так и в малых городах, имеющих заслоны на пути широкого внедрения «Интернета вещей». Однако наибольший выигрыш от объединения LoRA и BLE получают беспроводные датчики, средства управления и другое оборудование, которые теперь могут устанавливаться без каких-либо ограничений буквально везде (рис. 3). В это особая заслуга именно BLE. BLE также позволяет этим устройствам совместно работать в интегрированной сети малого радиуса действия, управляемой, например, со смартфонов или планшетов, которые в данном случае используются в качестве удаленных беспроводных дисплеев. В этой связке технология LoRa, основываясь на мобильных возможностях BLE, выступает в качестве своеобразной радиорелейной станции, которая может отправлять и получать данные на больших расстояниях. Причем эти расстояния могут быть увеличены простыми шлюзами для передачи сигналов.

Существует уже немало наглядных примеров, демонстрирующих, как сопряжение LoRa и BLE позволяет сетям EIoT выйти на абсолютно иной технический уровень и усилить свою экспансию.

Максим Сергиевский

Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем - сенсорных сетей.

Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств - мотов (от англ. motes - пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память - флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Датчики могут быть самыми разнообразными; они подключаются через цифровые и аналоговые коннекторы. Чаще других используются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации, реже - магнитоэлектрические, химические (например, измеряющие содержание CO, CO2), звуковые и некоторые другие. Набор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных. Внешний вид мотов, выпускаемых различными производителями, приведен на рис. 1.

Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер. Но для того, чтобы обработать данные, их нужно сначала получить. Для этой цели узел обязательно оснащается антенной. Но в любом случае доступными для узла оказываются только моты, находящиеся достаточно близко от него; другими словами, узел не получает информацию непосредственно от каждого мота. Проблема получения сенсорной информации, собираемой мотами, решается следующим образом. Моты могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. Это, во-первых, сенсорная информация, считываемая с датчиков, а во-вторых, информация о состоянии устройств и результатах процесса передачи данных. Информация передается от одних мотов другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников информации.

Для выполнения функций на каждый мот устанавливается специализированная операционная система. В настоящее время в большинстве беспроводных сенсорных сетей используется TinyOS - ОС, разработанная в Университете Беркли. TinyOS относится к программному обеспечению с открытым кодом; оно доступно по адресу: www.tinyos.net. TinyOS - это управляемая событиями операционная система реального времени, рассчитанная на работу в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. Эта ОС позволяет мотам автоматически устанавливать связи с соседями и формировать сенсорную сеть заданной топологии. Последний релиз TinyOS 2.0 появился в 2006 году.

Важнейшим фактором при работе беспроводных сенсорных сетей является ограниченная емкость батарей, устанавливаемых на моты. Следует учитывать, что заменить батареи чаще всего невозможно. В связи с этим необходимо выполнять на мотах только простейшую первичную обработку, ориентированную на уменьшение объема передаваемой информации, и, что самое главное, минимизировать число циклов приема и передачи данных. Для решения этой задачи разработаны специальные коммуникационные протоколы, наиболее известными из которых являются протоколы альянса ZigBee. Данный альянс (сайт www.zigbee.org) был создан в 2002 году именно для координации работ в области беспроводных сенсорных сетей. В него вошли крупнейшие разработчики аппаратных и программных средств: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI и многие другие (всего более 200 членов). Корпорация Intel в альянс не входит, хотя и поддерживает его деятельность.

В принципе, для выработки стандарта, в том числе стека протоколов для беспроводных сенсорных сетей, ZigBee использовал разработанный ранее стандарт IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных сетей передачи данных на небольшие расстояния (до 75 м) с низким энергопотреблением, но с высокой степенью надежности. Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE 802.15.4 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики радиопередачи данных для IEEE 802.15.4

Полоса частот, МГц	Нужна ли лицензия	Географический регион	Скорость передачи данных, Кбит/с	Число каналов

На данный момент ZigBee разработал единственный в этой области стандарт, который подкреплен наличием производства полностью совместимых аппаратных и программных продуктов. Протоколы ZigBee позволяют устройствам находиться в спящем режиме бо льшую часть времени, что значительно продлевает срок службы батареи.

Очевидно, что разработать схемы обмена данными между сотнями и даже тысячами мотов не так-то просто. Наряду с прочим необходимо учесть тот факт, что сенсорные сети работают в нелицензированных частотных диапазонах, поэтому в ряде случаев могут возникать помехи, создаваемые посторонними источниками радиосигналов. Желательно также избегать повторной передачи одних и тех же данных, а кроме того, учитывать, что из-за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий моты будут выходить из строя навсегда или на какое-то время. Во всех таких случаях схемы обмена данными должны модифицироваться. Поскольку одной из важнейших функций TinyOS является автоматический выбор схемы организации сети и маршрутов передачи данных, беспроводные сенсорные сети по существу являются самонастраиваемыми.

Чаще всего мот должен иметь возможность самостоятельно определить свое местоположение, по крайней мере по отношению к тому другому моту, которому он будет передавать данные. То есть сначала происходит идентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще все моты - устройства стандарта ZigBee - по уровню сложности разбиваются на три класса. Высший из них - координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. В сенсорных сетях обычно используется один координатор. Средний по сложности мот является маршрутизатором, то есть может принимать и передавать данные, а также определять направления передачи. И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис. 2). Кластер образуют маршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координатор обычно имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.

В России тоже проводятся разработки, связанные с созданием беспроводных сенсорных сетей. Так, компания «Высокотехнологичные системы» предлагает свою аппаратно-программную платформу MeshLogic для построения беспроводных сенсорных сетей (сайт www.meshlogic.ru). Основным отличием этой платформы от ZigBee является ориентация на построение одноранговых ячеистых сетей (рис. 3). В таких сетях функциональные возможности каждого мота одинаковы. Возможность самоорганизации и самовосстановления сетей ячеистой топологии позволяет в случае выхода части мотов из строя спонтанно формировать новую структуру сети. Правда, в любом случае необходим центральный функциональный узел, принимающий и обрабатывающий все данные, или шлюз для передачи данных на обработку узлу. Спонтанно создаваемые сети часто называют латинским термином Ad Hoc, что означает «для конкретного случая».

В сетях MeshLogic каждый мот может выполнять ретрансляцию пакетов, то есть по своим функциям напоминает маршрутизатор ZigBee. Сети MeshLogic являются в полной мере самоорганизуемыми: никакого узла-координатора не предусмотрено. В качестве радиочастотных приемопередатчиков в MeshLogic могут использоваться различные устройства, в частности Cypress WirelessUSB, которые так же, как и устройства стандарта ZigBee, работают в диапазоне частот 2,4... 2,4835 ГГц. Следует отметить, что для платформы MeshLogic существуют только нижние уровни стека протоколов. Считается, что верхние уровни, в частности сетевой и прикладной, будут создаваться под конкретные приложения. Конфигурации и основные параметры двух мотов MeshLogic и одного мота стандарта ZigBee приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные характеристики мотов различных производителей

Параметры
Микроконтроллер
Процессор	Texas Instruments MSP430
Тактовая частота	От 32,768 кГц до 8 МГц
Оперативная память
Flash-память
Приемопередатчик
		Cypress WirelessUSBTM LP
Диапазон частот	2400-2483,5 МГц		2400-2483,5 МГц
Скорость передачи данных		От 15,625 до 250 Кбит/с
Выходная мощность	От –24 до 0 дБм	От –35 до 4 дБм	От –28 до 3 дБм
Чувствительность
			1 или 2 чипа
Внешние интерфейсы
	12-разрядный, 7 каналов		10-разрядный, 3 канала
Цифровые интерфейсы	I2C/SPI/UART/USB		I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Другие параметры
Напряжение питания	От 0,9 до 6,5 В		От 1,8 до 3,6 В
Температурный диапазон	От –40 до 85 °C	От 0 до 70 °C	От 0 до 85 °C

Отметим, что интегрированных сенсорных датчиков на этих платах нет.

Укажем, что в первую очередь отличает беспроводные сенсорные сети от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей:

• полное отсутствие каких бы то ни было кабелей - электрических, коммуникационных и т.д.;
• возможность компактного размещения или даже интеграции мотов в объекты окружающей среды;
• надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом; в ряде случаев сеть может функционировать при исправности только 10-20% сенсоров (мотов);
• отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.

Сенсорные сети могут быть использованы во многих прикладных областях. Беспроводные сенсорные сети - это новая перспективная технология, и все связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. Укажем основные области применения данной технологии:

• системы обороны и обеспечение безопасности;
• контроль окружающей среды;
• мониторинг промышленного оборудования;
• охранные системы;
• мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;
• управление энергоснабжением;
• контроль систем вентиляции, кондиционирования и освещения;
• пожарная сигнализация;
• складской учет;
• слежение за транспортировкой грузов;
• мониторинг физиологического состояния человека;
• контроль персонала.

Из достаточно большого числа примеров использования беспроводных сенсорных сетей выделим два. Наиболее известным является, пожалуй, развертывание сети на борту нефтяного танкера компании ВР. Там с помощью сети, построенной на основе оборудования Intel, осуществлялся мониторинг состояния судна с целью организации его профилактического обслуживания. Компания BP проанализировала, может ли сенсорная сеть работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех, имеющихся в некоторых помещениях судна. Эксперимент прошел успешно, несколько раз автоматически осуществлялись реконфигурация и восстановление работоспособности сети.

Примером еще одного реализованного пилотного проекта является развертывание сенсорной сети на базе военно-воздушных сил США во Флориде. Система продемонстрировала хорошие возможности по распознаванию различных металлических объектов, в том числе движущихся. Применение сенсорной сети позволило обнаруживать проникновение людей и автомобилей в контролируемую зону и отслеживать их перемещения. Для решения этих задач использовались моты, оснащенные магнитоэлектрическими и температурными датчиками. В настоящее время масштабы проекта расширяются, и беспроводная сенсорная сеть устанавливается уже на полигоне размером 10 000x500 м. Соответствующее прикладное программное обеспечение разрабатывается несколькими американскими университетами.