Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 14. -

Вып. 4. - 2015. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-48-html/TITL-48.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-48-html/cont.htm

УДК 681.3.048

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

© 2015 г. Зубарев С. С., Образцов С. А.

(zubarev-1.doc)

В работе представлен разбор технологии современных беспроводных сетей на примере сенсорной сети ZigBee, разобраны основные причины сложности повышения эфекктивности работы сети, а также методы исключения видимых осложняющих факторов.

Ключевые слова: беспроводные сенсорные сети, повышение эффективности, ZigBee, IEEE 802.15.4.

Современные беспроводные технологии позволяют создавать принципиально новые устройства и системы, а при замене существующих проводных технологий — повышать гибкость и снижать стоимость жизненного цикла изделий. Примерами подобных устройств и систем в области промышленной электроники являются системы жизнеобеспечения зданий, включающие в себя управление электро-, тепло- и газоснабжением, вентиляцией и кондиционированием, освещением, охранно-пожарной сигнализацией, контролем доступа, автоматизированные производственные линии, системы навигации и связи маршрутного и промышленного транспорта, подвижные установки, преобразователи и датчики в труднодоступных местах, на подвижных объектах, в агрессивных средах, под высоким напряжением и т.д.

Однако внедрение беспроводных технологий в большинстве перечисленных применений сдерживается двумя основными факторами: невозможностью длительной, в течение нескольких лет, работы от автономных источников тока из-за высокого энергопотребления радиопередатчиков и пониженной надежностью доставки сообщений по сравнению с проводными технологиями.

Первый фактор является ключевым для широкого класса объектов промышленной электроники (ОПЭ), особенно при размещении их в труднодоступных местах с необходимостью длительной работы без обслуживания.

Второй фактор выступает на первый план в критических применениях, в которых недоставленное или несвоевременно доставленное сообщение может привести к нарушению работоспособности устройства или системы либо к некачественному их функционированию. Данный фактор усугубляется еще и тем, что надежность доставки сообщений в беспроводных сетях не может быть определена или оценена с помощью простых расчетных соотношений, что затрудняет принятие решения проектировщиком о применении беспроводной технологии вместо традиционной проводной.

Наиболее часто применяемой в промышленных проектах является беспроводная сенсорная сеть ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee

,, данная сеть является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами.

Стандарт IEEE 802.15.4 описывает контроль доступа к беспроводному каналу и физический уровень для низкоскоростных беспроводных персональных сетей,

В отличие от технологий Bluetooth и Wi-Fi, ориентированных в первую очередь на передачу мультимедийных данных и поэтому развивающихся в направлении увеличения скорости передачи, технология ZigBee предназначена для применения в информационно-управляющих сетях, используемых для передачи управляющих команд и сбора информации с различных датчиков. В подобных сетях, применяемых, например, для управления освещением, для считывания показаний с приборов учета энергоресурсов, нет необходимости в высокой скорости передачи данных, поскольку интенсивность информационного потока узла сети, как правило, не превышает десятков–сотен байт в секунду. Напротив, в таких применениях очень важно обеспечить длительную работу узлов беспроводной сети от химических источников тока. Поэтому технология ZigBee развивается не в направлении повышения скорости передачи данных, а по пути совершенствования механизмов сетевого взаимодействия, упрощения процедуры развертывания и конфигурирования беспроводной сети, обеспечения совместимости приложений различных производителей. Так, например, в спецификации ZigBee PRO, появившейся в 2007 году, по сравнению с первой спецификацией ZigBee 2004 введены стандартные типы устройств и стандартные профили их применения, обеспечивающие совместимость датчиков и исполнительных устройств одинаковой функциональности от различных производителей, а также модифицированы алгоритмы маршрутизации с целью повышения надежности доставки сообщений и масштабируемости сети, но при этом физический и канальный уровни остались прежними.

Рисунок 1 – Сетевая модель технологии ZigBeeДва нижних уровня модели — физический и канальный — описаны стандартом IEEE 802.15.4.

Физический уровень IEEE 802.15.4 предусматривает возможность работы в трех частотных диапазонах: 868 МГц (1 канал), 915 МГц (10 каналов) и 2,4 ГГц (16 каналов), однако, наибольшее распространение получил диапазон 2,4 ГГц. Радиоканал в диапазоне 2,4 ГГц имеет ширину полосы2 МГц и несущую частоту

f_k = 2405 + 5(k − 11) МГц,k = 11, 26.

Скорость передачи данных на частоте 2,4 ГГц составляет 250 Кбит/с. Так же, как и в IEEE 802.11, на физическом уровне производится кодирование псевдослучайными кодами.

В сетях IEEE 802.15.4 выделяют два типа узлов: полнофункциональные устройства (FFD) и устройства с сокращенным набором функций (RFD) — по критерию возможности выполнения функций координатора, т. е. узла, организующего сеть и ретранслирующего сообщения. При этом устройства RFD не могут обмениваться данными друг с другом. Также подразумевается, что устройства RFD имеют автономное питание, аппаратную платформу с низкой производительностью и, как правило, выполняют функцию датчиков.

Стандарт IEEE 802.15.4 устанавливают два режима работы сети: с синхронизацией доступа путем периодической передачи координатором кадров-маяков и асинхронный. В первом случае выделяется основной координатор в области радиовидимости, который периодически передает специальные кадры-маяки с информацией о структуре суперкадра. Суперкадр разделен на 16 временных интервалов — слотов, часть из которых используется для организации конкурентного доступа с помощью механизма CSMA-CA, аналогичного применяемому в сетях IEEE 802.11, а остальные — выделяются координатором определенным узлам для обеспечения гарантированного доступа к среде передачи данных.

Рисунок 2 – Структура суперкадра.

Если к беспроводной сети не предъявляются требования по гарантированности доставки пакета данных за конечное время, применяется второй режим работы — асинхронный — с использованием лишь одного конкурентного механизма доступа к среде.

Вполне очевидно, что режим работы с синхронизацией доступа требует некоторой централизации сети, в то время как в асинхронном режиме сеть является одноранговой. Поэтому первый режим применяется в сетях с топологией «звезда» и «кластерное дерево», а второй — в многоячейковых сетях.

Топология «звезда» может использоваться лишь для создания пространственно сконцентрированных, в которых все узлы находятся в области радиовидимости координатора. Топология «кластерное дерево» расширяет область охвата сети таким образом, что вся сеть оказывается разбитой на отдельные кластеры, внутри которых все узлы находятся в области радио-видимости координатора кластера. Передача данных в сети с топологией «звезда» и внутри кластеров в большинстве случаев осуществляется через координатор сети или кластера соответственно либо напрямую между узлами FFD, между кластерами — по цепочке координаторов кластеров.

Рисунок 3 – Топологии сетей IEEE 802.15.4: а — «звезда», б — многоячейковая сеть, в — «кластерное дерево»

В топологии «многоячейковая сеть» данные передаются через промежуточные узлы от одного узла к другому по кратчайшему маршруту. Одноранговая конфигурация многоячейковой сети по сравнению с частично централизованными сетями с топологией «кластерное дерево» и «звезда» позволяет существенно упростить механизм подключения к сети новых узлов и ее перенастройки при удалении узлов. Во многом благодаря этому, именно многоячейковые сети получили применение в спецификации ZigBee, ориентированной как раз на простоту развертывания сети конечным пользователем.

Сетевой уровень технологии ZigBee определяет механизм маршрутизации пакетов в многоячейковой сети с использованием алгоритма AODV, а также порядок назначения адресов. Каждый узел хранит в памяти таблицу маршрутизации, состоящую из двух колонок — адрес узла назначения и адрес промежуточного узла, находящегося в области радиовидимости. Пакет данных, адресованный некоторому узлу, передается узлу в области радиовидимости с адресом, выбранным из соответствующей строки таблицы маршрутизации, и далее аналогично по цепочке вплоть до узла назначения. Если строки с адресом узла назначения в таблице нет, инициируется процесс поиска маршрута волновым методом с широковещательной рассылкой «волны».

Очевидным недостатком данного метода при использовании в системах сбора данных является перегрузка трафиком и переполнение таблиц маршрутизации узлов, находящихся вблизи центра сбора данных. Как следствие, каждый опрос сопровождается рассылкой широковещательных пакетов по сети, существенно ухудшающих пропускную способность и энергетическую эффективность беспроводной сети.

В спецификации ZigBee 2007 специально для централизованных систем сбора данных введены алгоритмы маршрутизации от источника и «многие-к-одному», частично решающие вышеназванную проблему, в основном, для небольших сетей с длиной маршрутов не более 10–15 промежуточных узлов.

На прикладном уровне ZigBee ключевая роль отведена библиотеке кластеров ZCL, включающей в себя описания «кластеров» — стандартных интерфейсов обмена данными между различными устройствами. Примерами таких интерфейсов являются интерфейс управления «включить-выключить», считывания температуры с датчика, управление балластом источника света и т.д.

Для конкретных применений существует ряд профилей, таких как: автоматизация зданий, интеллектуальные измерения и т.д. — устанавливающих требования к наличию определенных кластеров у различных классов устройств. Столь подробное описание протокола взаимодействия устройств на уровне выполняемых функций обеспечивает полную совместимость устройств разных производителей, что очень важно в сферах применения, охватывающих значительный класс устройств с существенно различающимися принципами работы, например, применительно к автоматизации зданий: установки освещения, системы отопления, вентиляции, электропривод, бытовая электроника и многое другое.

Таким образом, технология ZigBee ориентирована на широкий класс конкретных конечных применений, однако, подобная универсальность приводит к высоким требованиям к аппаратной платформе, в частности, к вычислительным ресурсам микроконтроллеров. Кроме того, отсутствие в ZigBee механизма синхронной передачи данных не позволяет выполнить критерий. Однако канальный уровень в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4 обладает механизмом синхронного доступа, поэтому целесообразна разработка реализующего данный механизм упрощенного стека протоколов. Следует отметить, что уменьшение глубины проработки интерфейсов конечных изделий без снижения универсальности позволит использовать в качестве аппаратной платформы простейших восьмиразрядные микроконтроллеры.

Стандарт IEEE 802.15.4 предусматривает два режима работы сети: с синхронизацией доступа к среде передачи данных и асинхронный.

В асинхронном режиме координаторы должны постоянно работать на прием в ожидании входящих сообщений от оконечных узлов и других координаторов. При этом потребляемая мощность в отсутствие сообщений

^Pпм

P_пм⁰ = P_пр,

где P_пр — потребляемая узлом мощность в режиме приема.

Средний потребляемый ток в режиме приема для радиомодуля XBee составляет 45 мА при напряжении питания 3,3 В, при питании от двух гальванических элементов типоразмера AA время непрерывной работы составит приблизительно 60 часов.

В режиме с синхронизацией доступа появляется возможность сократить время работы координаторов на прием до длительности суперкадра за счет перехода в состояние пониженного энергопотребления на остальном интервале работы. Для синхронизации работы всех узлов, логически подключенных (ассоциированных) к координатору, передается кадр-маяк с периодом T. Кадр-маяк содержит информацию о параметрах сети, а также о наличии сообщений у координатора для ассоциированных узлов. Кадр-маяк обозначает начало суперкадра.

Длительность суперкадра и период передачи кадров-маяков определяется соответственно параметрами SO и BO MAC-уровня

τ_ск = aBaseSuperframeDuration · 2^SO

T = aBaseSuperframeDuration · 2^BO

где aBaseSuperframeDuration — минимальная длительность суперкадра (константа MAC-уровня, 480 байт), соответствующая 15,36 мс при скорости 250 Кбит/с.

В течение всего суперкадра координатор находится либо в состоянии передачи (кадр-маяк, исходящие сообщения), либо в состоянии приема (ожидание и прием входящих сообщений). Поскольку информация о наличии входящих сообщений для оконечных узлов содержится в кадре-маяке, они могут находиться в активном состоянии в течение еще меньшего промежутка времени по сравнению с координатором, если они не вступают в процесс обмена данными в текущем суперкадре. Кроме того, координатор в сетях с топологией «кластерное дерево» выступает одновременно и в роли оконечного устройства, принимая данные от вышестоящего координатора. Таким образом, координаторы являются узлами с наибольшей потребляемой мощностью, поэтому продолжительность работы беспроводной сети определяется, в основном, продолжительностью работы координаторов.

Потребляемая координатором мощность в режиме работы с синхронизацией доступа определяется выражением

,

где P_пд — потребляемая мощность в режиме передачи, –длительность кадра-маяка, – суммарная длительность исходящих кадров, = 2^BO−SO – скважность суперкадров.

При отсутствии исходящих сообщений координатор потребляет мощность

Из данного выражения следует, что потребляемая координатором мощность снижается с ростом скважности. Повышение скважности приводит к сокращению временных интервалов конкурентного доступа, снижается вероятность получения доступа узла к среде передачи данных, а следовательно, ухудшается надежность доставки сообщений, а также среднее время прохождения сообщения по сети. Поскольку показатели эффективности определяются также и загрузкой сети, задача выбора скважности суперкадров является многофакторной, требующей статистического анализа процессов передачи данных в беспроводных сетях.

Другим эффективным методом снижения энергопотребления координаторов в сети с асинхронным режимом работы является динамическая передача роли координатора от одного узла к другому. Данный метод позволяет распределить потребляемую координаторами избыточную по сравнению с оконечными узлами мощность между несколькими узлами в сети, тем самым увеличивая продолжительность работы беспроводной сети. Основным недостатком метода является его низкая эффективность в малосвязных сетях, в которых выбор координатора может быть ограничен всего несколькими узлами.

Как было отмечено выше, режим синхронизации доступа возможен только сетях с топологией «звезда» и «кластерное дерево», вполне очевидно, что для создания масштабируемой сети следует использовать последнюю топологию. Хотя в спецификации ZigBee 2007 и имеется упоминание о топологии «кластерное дерево», алгоритмы и протоколы сетевого взаимодействия в ней не описаны, а из спецификации ZigBee Pro данная топология вообще исключена.

Исходя из вышесказанного, основной метод повышения эффективности работы беспроводных сетей заключается в управлении ее топологической структурой.

Литература

1. Уланов Г. М., Алиев Р. А., Кривошеев В. П. Методы разработки интегрированных АСУ промышленными предприятиями. — Энергоатомиздат, 1983. 320 с.

2. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2007. 1104 с.

3. Ицкович Э. Л. Современные беспроводные сети связи в системах автоматизации на промышленных предприятиях // Датчики и системы. 2008. № 6. С. 55–60.

4. Бойчаров С. Выбор технологии беспроводного обмена данными для решения задач автоматизации систем жизнеобеспечения офисно-производственных помещений // Беспроводные технологии. 2009. № 2. С. 58–61.

5. Агафонов Н. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi // Беспроводные технологии. 2006. № 1. С. 10–15.

6. Панфилов Д., Соколов М. Введение в беспроводную технологию ZigBee // Электронные компоненты. 2004. № 12. С. 73–79.

7. Алгоритмы оптимизации работы беспроводной сенсорной сети на базе протокола ZigBee / С.В. Трифонов, Т.Е. Истомин, А. В. Чечендаев и др. // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2008. № 56. С. 86–95.

8. Гимаров В. А., Дли М. И., Круглов В. В. Задачи распознавания нестационарных образов //Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2004. № 3. С. 92-96.

9. Дли М. И., Какатунова Т. В. Нечеткие когнитивные модели региональных инновационных систем // Интеграл. 2011. № 2. С. 16-18.

10. Бояринов Ю. Г., Борисов В. В., Мищенко В. И., Дли М.И. Метод построения нечеткой полумарковской модели функционирования сложной системы // Программные продукты и системы. 2010. № 3. С. 26.

11. Гимаров В. А., Дли М. И., Битюцкий С. Я. Нейро-нечеткий метод классификации объектов с разнотипными признаками //Системы управления и информационные технологии. 2004. Т. 16. № 4. С. 13-18.

12. Бояринов Ю. Г., Стоянова О. В., Дли М. И. Применение нейро-нечеткого метода группового учета аргументов для построения моделей социально-экономических систем // Программные продукты и системы. 2006. № 3. С. 7.

IMPROVING THE EFFICIENCY OF WIRELESS SENSOR NETWORKS

Zubarev S. S., Obrastsov S. A.

The paper presents the analysis of modern technologies of wireless networks on the example sensor network ZigBee, dismantled the main causes of difficulty increase effektive network, and how visible the exclusion of complicating factors.

Key words: wireless sensor networks, increasing efficiency, ZigBee, IEEE 802.15.4.

Филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске

Поступила в редакцию 14.12.2015.