Научная статья на тему 'Анализ проблем энергоэффективности беспроводных сетей передачи данных на базе стека протоколов ZigBee'

Анализ проблем энергоэффективности беспроводных сетей передачи данных на базе стека протоколов ZigBee Текст научной статьи по специальности «Связь»

CC BY
14
2
Поделиться
Ключевые слова
СЕНСОРНЫЕ СЕТИ / БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ / ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ / СТАБИЛЬНОСТЬ / САМООРГАНИЗАЦИЯ / ZIGBEE

Аннотация научной статьи по связи, автор научной работы — Зимин Д.В., Муравьёв К.А.

В статье рассматриваются особенности работы беспроводной сети на основе технологий ZigBee. Подробно исследована структура и организация топологии сети. основное внимание уделено анализу проблем энергоэффективности беспроводных сетей передачи данных. Показаны подходы к синтезу сложной структуры сети, которая реализует стабильную, самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кратко представлены примеры использования решений в ЖКХ и для мониторинга состояния локализованных пространств. Рассмотрены возможные перспективы и сферы применения данной технологии.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Анализ проблем энергоэффективности беспроводных сетей передачи данных на базе стека протоколов ZigBee»

УДК 681.142

Зимин Д.В., Муравьёв К.А,

МГТУ им.Н.Э.Баумана, Москва, Россия

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА БАЗЕ СТЕКА ПРОТОКОЛОВ ^ВЕЕ

В статье рассматриваются особенности работы беспроводной сети на основе технологий ZigBee. Подробно исследована структура и организация топологии сети. основное внимание уделено анализу проблем энергоэффективности беспроводных сетей передачи данных. Показаны подходы к синтезу сложной структуры сети, которая реализует стабильную, самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кратко представлены примеры использования решений в ЖКХ и для мониторинга состояния локализованных пространств. Рассмотрены возможные перспективы и сферы применения данной технологии.

Ключевые слова:

сенсорные сети, беспроводные сети передачи данных, энергоэффективность, стабильность, самоорганизация, ZigBee.

Введение

При развертывании автономных беспроводных сетей передачи данных без специального частотного разрешения и с низким энергорасходом возможно использовать технологию ZigBee [1]. Данный протокол может безопасно применяться при небольших скоростях и длительном сроке работы устройств от независимых источников питания. Благодаря большому количеству максимальных узлов в сети можно увеличивать количество устройств до 216. Также, спецификация протокола ZigBee, предлагает настройку алгоритма маршрутизации, в зависимости от целей и задач, которые требуется решить.

Устройства, основанные на беспроводных сенсорных сетях, позволяют упростить мониторинг и учет информационных параметров от системы жизнеобеспечения и управления компонентами ЖКХ. Актуальным является создание распределенных систем, использующих стек протоколов ZigBee, а также модификаций самих протоколов нижнего уровня.

В работе ставится задача формализовать основополагающие факторы развития систем на базе стека протоколов ZigBee, обеспечивающие стабильную, самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся работу сети ячеистой топологии с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.

Целью работы является синтез базовой топологии беспроводной сенсорной сети и методов её реконфигурации по критерию энергоэффективности.

По результатам исследований предложены рекомендации по построению распределенных беспроводных сетей передачи данных по протоколу ZigBee для перспективных сфер применения.

1 Постановка проблемы энергоэффективности беспроводной сети на основе протокола ZigBee

Технология беспроводной передачи данных ZigBee была создана для областей применения, где критичным является малое энергопотребление аппаратной части и невысокая стоимость. Это накладывает требования к конструктивной реализации и характеристикам подсистемы электропитания. Для беспроводных сенсорных сетей (БСС) ZigBee применяются автономные встроенные аккумуляторы с временем работы без замены в течении нескольких лет. Присутствующие на рынке альтернативные технологии передачи данных (BlueTooth, Wi-Fi), пока не позволяют обеспечить указанных требования в допустимых пределах [1, 2].

2 Анализ и классификация характеристик стека протоколов ZigBee

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Согласно спецификации ZigBee (ZigBee Alliance Std.,2007), регламентирующей целый стек протоколов, в котором протоколы верхних уровней используют сервисы протоколов нижних уровней, осуществляется передача информации в радиусе от 5 до 75 метров с максимальной скоростью до 250 кбит/с. За стандартом ZigBee зарезервированы 27 каналов в трех частотных диапазонах — 2.4 ГГц, 915 МГц и 868 МГц и максимальная скорость передачи данных 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с соответственно.

Стандарт IEEE 8 02.15.4 (IEEE Std. 802.15.4, 2003) определяет два нижних уровня (физического уровня PHY и доступа к среде MAC уровня) . MAC-уровень в сети ZigBee реализует механизм прослушивания несущей и устранения коллизий (CSMA-CA). Сетевой уровень (NWK) регламентирует маршрутизацию сообщений, а уровень поддержки приложений (APS) формирует интерфейс с уровнем приложения (рисунок 1) [1-6].

Уровень модели Протокол Функции

Прикладной APL (APS. ZDO в Application Obj ects) ZigBee Пдредача сообщений, обнаружение устройств, определение роли устройств

Уровень представления - -

Сеансовый - -

Транспортный - -

Сетевой NWK. ZigBee Безопасность, маршрутизация

Канальный (передачи данных) LLC IEEE 802.15.4 Механизм прослушивания несущей н устранения коллизий, передача маячков, синхронизация

SSCS IEEE 802.15.4

MAC IEEE 802.15.4

Физический PHY ШЕЕ 802.15.4 Радиоканал 2,4 ГТц

Рисунок 1 - Структурная схема связи уровней модели OSI в сети ZigBee/IEEE 802.15.4

На канальном уровне осуществляется управление доступом к радиоканалу (метод CSMA/CA), передача маячковых фреймов и синхронизация. Подуровень LLC IEEE 802.15.4 обеспечивает связь сетевого уровня с уровнем MAC. Подуровень специфических сервисов (Service Specific Convergence Sublayer - SSCS) обеспечивает интерфейс между подуровнями LLC и MAC.

Непосредственно топология Zigbee-сети поддерживается уровнем ЫИК и имеет топологию типа «звезда», «дерево» или «ячеистая сеть». В топологии типа «звезда» БСС управляется балансировщиком, который обеспечивает инициализацию и обслуживание сетевых и оконечных устройств. В ячеистой и древовидной топологии БСС балансировщик следит за ключевыми параметрами сети. Расширение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

и построение распределенной сенсорной сети осуществляется с помощью ZigBee маршрутизаторов. В БСС с древовидной топологией маршрутизаторы применяют иерархическую или маячковую стратегию маршрутизации.

Ячеистая БСС обеспечивает полную одноранговую коммуникацию устройств, т.е. при этом все устройства равноправны.

3 Анализ принципов построения БСС ZigBee При построении и организации сенсорных сетей возникает техническое противоречие: при увеличении количества узлов, уменьшается скорость и надежность передачи информации. Карта технического противоречия представлена на рисунке 2

Рисунок 2

Карта технического противоречия, возникающего при построении БСС

Возможность получения точной и детальной информации (в любой позиции и в любой момент времени) ассоциируется с увеличением количества узлов БСС. Увеличение же количества узлов ведет к увеличению объема информации, которую необходимо передать и к сложности организации маршрута передачи. Это сказывается в итоге на скорости работы БСС и приводит к рассогласованию и запаздыванию информации.

Данное противоречие можно решить, используя классический прием - принцип дробления [8, 9]. Представим, что у нас есть сетка узлов с заданным шагом !п, где h - расстояние между сенсорными узлами в сетке. Пример топологии беспроводной сенсорной сети с единичной сеткой представлен на рисунке 3.

—0—о—с ___Г\_____г\_____г >—< V____У < и ч > ч_____

V. ? !>---с ■ч_____

0 0 0с о о о <; о о -о <| )-----0— 5_____А_____

г V > о

- Координатор

- Сенсорный узел

Рисунок 3 - Пример топологии беспроводной сенсорной сети с единичной сеткой

В данной топологии заранее рассчитываются единичные шаги !п, которые необходимы для обеспечения заданной точности измеряемого параметра. Также из соотношения площади контролируемой территории и шагов единичной сетки можно рассчитать необходимое количество сенсорных узлов для обеспечения заданной точности. Если измеряемый параметр находиться в пределах нормы или не меняется, то узлы находятся в спящем состоянии и потребляют небольшое количество энергии, а также не увеличивают объем передаваемой информации.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В проектировании топологии БСС необходимо учитывать следующие принципы следующие принципы:

- принцип динамичности - изменения точности. Заданием определенного значения х можно контролировать разрешающую способность сети;

- принцип обратной связи - интеллектуальной настройки. В состав координаторов входят интеллектуальные модули по настройке беспроводной сенсорной подсети. Данный интеллектуальный модуль работает на основе нейронной сети, которая анализирует предыдущие результаты работы по времени определенных сенсорных структур, сопоставляет их с зашумленностью каналов и с накоплением статистических данных может делать вывод о наиболее выгодном варианте построения беспроводной сенсорной сети.

- принцип вынесения - путем создания приоритета. В БСС заложены особо ответственные контролируемые участки, которые имеют приоритет по получению данных. В таком случае информация о изменении измеряемого параметра в особо ответственной зоне будет выше, чем в других зонах с меньшим приоритетом.

- принцип дробления пакетов информации на несколько частей. Возможна пересылка частей пакетов посылки от сенсорных узлов по разным маршрутам. Например, у нас есть пакет А. Для быстроты его доставки в узел X и уменьшения нагрузки на сеть, пакет разбивается на части а1, а2, а3 и посылается по разным маршрутам к узел X, где после собирается в пакет А. Отправка частей пакета а1, а2, а3 происходит при помощи интеллектуального модуля.

Перспективным является применение для построения стабильной, самоорганизующейся и самовосстанавливающейся сети адаптивных и нейроадаптив-ных алгоритмов с динамическим прогнозированием загрузки каналов [10-12]. Применение ячеистой топологии сети, функций ретрансляции и маршрутизации сообщений позволяет реализовать распределенную сеть емкостью в несколько десятков тысяч активных узлов.

Заключение

Возможности сенсорных сетей с высокой энергоэффективностью находят применения в различных областях: в медицине, для создания интерактивных тренажерных комплексов с обратной связью [13], в системах автоматизированного и автоматического

управления технологическими комплексами, для ринга систем жизнеобеспечения в закрытых лока-

сбора и обработки показателей ТП в реальном вре- лизациях (на борту космических кораблей, в зонах

мени [14, 15], в робототехнике [16], в системах вредных производств, в медицинских учреждениях),

мониторинга ЖКХ [17], при транспортировке угле- везде где существуют жесткие требования и огра-

водородов и т.п. Особую актуальность применения ничения на прокладку физических линий передачи

беспроводных сетей следует отметить для монито- данных [18].

ЛИТЕРАТУРА

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Энциклопедия АСУ ТП. Электронный ресурс. Адрес обращения: [http://www.bookasutp.ru/Default.aspx]. Дата обращения: 18.02.2016.

2. Waltenegus Dargie, Christian Poelabauer «Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory and Practice» - Wiley Series on Wireless Communications and Mobile Computing, 311c, 2010 John Wiley & Sons Ltd.

3. Трифонов С. В., Холодов Я. А. Исследование и оптимизация работы беспроводной сенсорной сети на основе протокола ZigBee «Компьютерное исследование и моделирование». - 2012 Т. 4 №4 С. 855-869.

4. Лавров А.В., Муравьев К.А. и др. ИССЛЕДОВАНИЯ СЕНСОРНОЙ СЕТИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). С. 51-55.

5. Шахнов В.А., Муравьев К.А. и др. СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ // Патент на изобретение RUS 2556423 05.07.2013.

6. Азизов Р.Ф., Аминев Д.А., Увайсов С.У., Юрков Н.К. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АЛГОРИТМА КОНКУРЕНТНОГО ДОСТУПА К СРЕДЕ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2015. № 1 (29). С. 139-145.

7. Власов А.И. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИЗУАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ // Международный научно-исследовательский журнал. 2013. № 10-2 (17). С. 17-26.

8. Власов А.И., Журавлева Л.В., Тимофеев Г.Г. МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИОННОГО ВИЗУАЛЬНОГО СИНТЕЗА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В ОБЛАСТИ МИКРО-/НАНОСИСТЕМ // Научное обозрение. 2013. № 1. С. 107-111. 10

9. Журавлева Л.В., Власов А.И. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТВОРЧЕСКИХ СТРАТЕГИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕНТАЛЬНЫХ КАРТ // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. № 1 (21). С. 133-140.

10. Власов А.И. АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НЕЙРОВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 1999. № 2. С. 61-65.

11. Аминев Д.А., Увайсов С.У., Кондрашов А.В. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МНОГОПОТОКОВЫХ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 459-460.

12. Осипов П.М., Юрков Н.К. МЕТОД ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ .// Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2007. Т. 1. С. 43-46.

13. Конькова А.Ф. и др. МЕДИКО-ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ АДЕКВАТНОСТИ АДАПТИВНОЙ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ // Конверсия. 1995. № 9-10. С. 1821.

14. Власов А.И., Михненко А.Е. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАЗВЕРТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ОТРАСЛИ // Производство электроники. 2006. № 4. С. 5-12.

15. Власов А.И., Михненко А.Е. ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНИКИ // Производство электроники. 2006. № 3. С. 15-21.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

16. Yudin A., Vlasov A. DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM IN MOBILE ROBOT APPLICATION: GENERAL APPROACH, REALIZATION AND USAGE// Communications in Computer and Information Science. 2011. Т. 156 CCIS. С. 180-192.

17. Журавлева Л.В. и др. АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ОЦЕНКИ МАССОВОГО РАСХОДА В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМАХ // Тезисы докладов 2-ой Международной конференции с элементами научной школы "Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах". - Тамбов. 2015. - С. 6365.

18. Шахнов В.А. и др. ГИБРИДНЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕНСОРОВ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ // отчет о НИР № 7.6161.2011 от 01.01.2013 (Министерство образования и науки РФ).

УДК: 658.52

Адамов1 А.П., Адамова2 А.А., Юлдашев2 М.Н,

1 ФГБОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет", Махачкала, Россия

2 ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана»

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЯХ ПО КРИТЕРИЮ СЕТЕВОЙ НАГРУЗКИ

В работе рассмотрены особенности обеспечения показателей надежности беспроводных сенсорных сетей по критерию сетевой нагрузки. Основное внимание уделено оптимизации работы беспроводных сенсорных сетей, а именно уменьшению нагрузки на сеть и корректному принятию решений. Кратко рассмотрены основные задачи, решаемые беспроводными сенсорными сетями и их корреляция с задачами машинного обучения. В статье проведен анализ существующих решений и оценка эффективности внедрения методов анализа данных. В результате исследования выявлены критерии оптимизации беспроводных сенсорных сетей и предложены векторы их развития с точки зрения применения методов машинного обучения.

Ключевые слова:

беспроводные сенсорные сети, машинное обучение, принятие решений, оптимизация сетей, анализ данных, нагрузка сети.

Введение

С ростом вычислительных возможностей современных программно-управляемых устройств, а также наличие множества различных сенсоров сделало возможным построение сенсорных сетей обработки информации, обеспечивающих автоматизацию всевозможных процессов. В простейшем случае беспроводная сенсорная сеть (БСС) представляет собой совокупность взаимосвязанных по беспроводной сети сенсоров, расположенных по контролируемой среде, где сенсор - это модуль, состоящий из

чувствительного элемента, регистрирующего изменение какого-либо физического параметра среды, блока обработки данных, приемопередатчика и элемента питания [1].

Подобные системы позволяют собирать всевозможные данные из окружающей среды и затем соответствующим образом на них реагировать, при этом одна из систем может управлять поведением другой по заранее разработанным алгоритмам. Важным результатом объединения подсистем является синер-гетический эффект. На данный момент сенсорные

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.