Доклад/Технические науки – Электротехника,
радиотехника, телекоммуникации и электроника
А.С. Борисенко,
П.В. Галкин, Л.В. Головкина
БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ ДЛЯ СИСТЕМЫ
«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО» ДОМА
Харьковский
национальный университет радиоэлектроники
Беспроводные технологии с появлением нового стандарта беспроводной связи IEEE 802.15.4(ZigBee) привлекли значительное внимание из-за чрезвычайно широкого круга решаемых задач: создания сетей систем мониторинга и контроля, автоматизации и управления.
Привлекательность
таких сетей состоит в использовании большого числа сверхминиатюрных энергосберегающих
устройств в качестве объектов самоорганизующейся сети. ZigBee-устройства «умеют»
сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя
какого-либо из узлов умеют устанавливать новые маршруты для передачи сообщений.
Технология Zigbee может быть использована как для реализации простых соединений
«точка-точка» и «звезда», так и для образования сложных сетей с топологиями
«дерево» и «ячеистая сеть».
Привлекательной
явилась также возможность построения и применения сетей, не требующих
специального разрешения на использование частотного ресурса и мощности на
территории Украины решением № 914 Национальной комиссии по вопросам
регулирования связи Украины от 6 сентября 2007 года (частота 2,4 ГГц, мощность до 10 мВт).
Беспроводные
сенсорные сети имеют большой потенциал при работе с другими беспроводными
сетями, и это неоспоримое преимущество их в системе «интеллектуальный» дома.
Если в пределах досягаемости ZigBee-устройств
окажется оборудование Wi-Fi или Bluetooth, их каналы могут быть использованы
как туннель для трафика ZigBee.
В
технологии ZigBee закреплено всего 27 каналов в трех эфирных диапазонах 868 МГц,
915 МГц и 2,4 ГГц. Использование последнего, разрешенного диапазона,
предполагает 16 частотных каналов с шагом 5 МГц и исключает интерференцию сигналов между соседними узлами,
а 16(64)-битная адресация допускает построение сети практически любой сложности
с любым необходимым (до 65536 узлов) числом модулей. В этом же диапазоне
достигаются наибольшие скорости передачи данных (до 250 кбит/c) и наивысшая
помехоустойчивость. Отдельные объекты сети предназначены для передачи небольших
объемов информации с малой скоростью. Устройства, работающие именно в этом
диапазоне целесообразно применять в системе «интеллектуальный» дом. Зона
покрытия ZigBee значительно шире, чем расстояние между узлами, поскольку за
счет ретрансляции сообщений, сотовой архитектуры (гибкой) осуществляется
наращивание сети.
Последнее
условие построение сети наилучшим образом сочетается с принципом «открытой
архитектуры», предусматривающей поэтапную модернизацию системы
«интеллектуальный» дом.
Стандарт
IEEE 802.15.4 — определяет два нижних уровня стека: уровень доступа к среде
(MAC) и физический уровень передачи данных в среде распространения (PHY), то
есть нижние уровни протокола беспроводной передачи данных. Прием и передача
данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем
рабочий частотный диапазон, тип модуляции OQPSK,
максимальную скорость, число каналов. Уровень PHY осуществляет
активацию-дезактивацию приемопередатчика, детектирование энергии принимаемого
сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного канала, индикацию
качества связи при получении пакета данных и оценку свободного канала. Кроме того, на физическом уровне определены
возможности включения/выключения приемопередатчика, оценка уровня помех в
канале, прием/передача данных, оценка уровня принимаемого сигнала.
ZigBee
— это логическая сеть и программный стек, обеспечивающие функции безопасности, механизмы
маршрутизации, управление сетью.
Реализация
сети возможна и без использования ZigBee-стека. Любой собственный стек может использовать
уровни MAC и PHY стандарта 802.15.4. В
структуре стека ZigBee присутствует уровень контроля доступа к среде IEEE 802.15.4
MAC, осуществляющий вход и выход из сети устройств, организацию сети,
формирование пакетов данных, реализацию различных режимов безопасности (включая
128-битное шифрование AES), 16- и 64-битную адресацию. Уровень MAC обеспечивает
различные механизмы доступа в сеть, поддержку сетевых топологий от
«точка-точка» до «многоячейковая сеть», гарантированный обмен данными (ACK,
CRC), поддерживает потоковую и пакетную передачи данных. Для предотвращения
нежелательных взаимодействий возможно использование временного разделения на
основе протокола CSMA-CA (протокол множественного доступа к среде с контролем
несущей и предотвращением коллизий). Временное разделение ZigBee базируется на использовании
режима синхронизации, при котором подчиненные сетевые устройства, находящиеся в
«дежурном» состоянии, периодически работают на прием сигнала синхронизации от
сетевого координатора, что позволяет устройствам осуществлять передачу данных в
определенный момент времени. Механизм, основанный на определении состояния
канала связи перед началом передачи, позволяет существенно уменьшить (но не
устранить) столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими
устройствами.
Для определения основных критериев оптимизации необходимого
состава и организации сенсорной сети для системы «интеллектуальный» дом возьмем за основу четыре
основных характеристики системы:
- надежности работы и
передачи данных;
- интеграционной
способности;
- скорости взаимодействия;
- цены
и определимся с проблемными областями
постановки данной задачи.
Стандарт ZigBee определяет три
типа устройств: координаторы ZigBee, маршрутизаторы ZigBee и оконечные
устройства ZigBee. Каждая сеть должна содержать только один координатор. При
простых соединениях «точка-точка», «звезда», один координатор сети управляет
всеми потоками данных, в сложных сетях топологий «кластерное дерево»
используется маршрутизация по принципу сетевой маски, в «многоячейковой сети»
создаются таблицы маршрутизации между всеми устройствами в сети.
Первым этапом работы
является определение качественных параметров оборудования сети. Вторым –
определение факторов влияния и проведения экспериментальных исследований для
оценки общего показателя качества сенсорной сети. Лучшим является то значение вектора К, при котором
взвешенная сумма вида
показателей качества
имеет большее значение.
Такие показатели, как
чувствительность и мощность определим как общий показатель, связанный с
надежностью передачи. Его можно косвенно определить исходя из качественных
характеристик оборудования различных фирм.
На оценку параметра надежности
работы и передачи данных наибольшее влияние оказывает удаленность (расстояние)
между устройствами сети.
Интеграционная способность определяется рядом параметров, показывающих количество задействованных устройств в сети. Согласно нормативных документов максимальное число узлов 65536. Так как режим самонастраивающейся сети предполагает переменное количество узлов сети и соответственно использованного оборудования, принимая во внимание возможность случайных перемещений отдельных устройств, то отсюда можно определить лишь относительный показатель.
На интеграционную способность оказывает влияние осуществление соединения через преграды в здании, а также плотность сети (не 1-3, а до 10 соседей и более) и соответственно количество необходимых устройств в привязке к объекту (а не стационарным объектам, например мониторинга, в доме), логика построения сети (топология), режимы работы сети. Все перечисленные влияющие факторы выступают в роли отдельных задач, а для «интеллектуального» дома они должны решаться совместно. Задачи определения координат в сенсорных сетях, а также алгоритмы работы во временном энергосберегающем режиме с таблицами маршрутизации в настоящее время не дают однозначного и универсального решения. Четыре перечисленные задачи для оценки общей интегральной способности требуют своего решения.
Объявленная скорость 250 кбит/c –
максимально допустимая по стандарту. Необходим анализ влияния на этот параметр
количества промежуточных узлов в соединении (возможные задержки) и характер
передаваемого сообщения в линии (вложенность
в пакет файлов разного объема).
Основные преимущества ZigBee по надежности
и способности к самоорганизации, большому количеству узлов, обеспечению
взаимозаменяемости сетей и узлов, безопасности дают толчок для дальнейшего
широкого их применения в системе «интеллектуальный» дом.
Универсального решения, применимого в любых условиях
(при отсутствии априорной информации о топологии сети, без решения представленной
сложной оптимизационной задачи) на настоящий момент не получено, а значит
данная область актуальна для проведения дальнейших научных исследований.