CC BY
20ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРЯМОХАОТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ И АКТИВНЫЕ РАДИОМЕТКИ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ И ИНТЕРНЕТА РОБОТОТЕХНИКИ
Дмитриев А.С., Рыжов А.И., Попов М.Г.
Институт радиотехники и электроники им В.А.Котельникова РАН, http://www.cplire.ru Москва 125009, Российская Федерация Поступила 29.08.2018
Рассматривается использование сверхширокополосных прямохаотических средств связи и радиоидентификационных меток для организации беспроводных высокоскоростных коммуникаций в интернете вещей и интернете робототехники. Описаны и представлены экспериментальные и опытные образцы сверхширокополосных приемопередатчиков диапазона 3.0-5.0 ГГц. Отмечается, что эти приемопередатчики и узлы на их основе предназначены для использования в сенсорных и активных сетях с произвольной топологией, что снимает ряд ограничений, свойственных ряду других решений для связи и идентификации.
Ключевые слова: сверхширокополосная радиосвязь, интернет вещей, радиочастотная идентификация, прямохаотические системы связи
УДК 621.391
Содержание
1. Введение (313)
2. Интернет вещей и "умные пространства" (314)
3. Требования к беспроводным коммуникациям (315)
4. Технические коммуникационные средства (317)
5. Универсальный модуль и сетевые узлы на его основе (319)
6. Активная сверхширокополосная метка (320)
7. Заключение (321) Литература (321)
1. ВВЕДЕНИЕ
Интернет вещей (Internet of Things — IoT) стремительно развивается с точки зрения концепции, расширения сферы применений, поиска и разработки подходящих беспроводных технологий. Так, в последние несколько лет была осознана важная составляющая интернета вещей, связанная с удаленным на большие расстояния (километры и десятки километров) сбором простых данных, например, от счетчиков в ЖКХ, и простым управлением, например, электроосвещением в городах и на трассах [1, 2]. С другой стороны, продолжает рост такое направление, вписывающееся в концепцию интернета вещей как умные дома. Уже из этих двух примеров видно, что требования в ситуациях, относящихся к интернету вещей, очень сильно отличаются как по скорости передачи, так и по расстояниям, на которые должна быть доставлена
информация. В частности, в умных домах это расстояния до нескольких десятков, максимум до ста метров. А ведь есть еще и такие области интернета вещей как промышленный интернет, сельское хозяйство, транспорт, логистические центры, робототехника и др. В [3] в интернете вещей специально выделена концепция Интернета робототехники (Internet of Robotic Things - IoRT), к объектам которой относятся «.. .интеллектуальные устройства, способные отслеживать события, объединяя данные сенсоров из разных источников, используя локальный и распределенный "интеллект" для определения лучшего способа действия, а затем для самого действия, чтобы контролировать или манипулировать объектами в физическом мире, и в части случаев, физически перемещаться через этот мир.».
Яркий пример системы объектов IoRT -беспилотный автомобильный транспорт. По некоторым оценкам уже в 2020 году по дорогам мира будут разъезжать около 250 миллионов, связанных между собой автомобилей [4]. В ближайшие пять лет число автомобилей, снабженных такими средствами коммуникаций, будет расти драматическим образом, делая связанные автомобили одним из главных элементов Интернета вещей. Каждый пятый автомобиль в мире будет иметь беспроводную сетевую связь с другими аппаратами. При
этом быстро распространяется от люксовых моделей мировых брендов к старшим моделям среднего класса использование беспроводных коммуникаций внутри самих автомобилей.
В статье обсуждаются концепции IoT и IoRT, возможности, которые могут быть реализованы для интернета вещей с применением на физическом уровне беспроводных сверхширокополосных прямохаотических средств связи [5] и средств радиоидентификации (Radio Frequency
Identification — RFID) в диапазоне 2.85-10.6 ГГц; описаны и представлены экспериментальные и опытные образцы сверхширокополосных прямохаотических приемопередатчиков и активных RFID меток диапазона 3.0-5.0 ГГц с указанными выше характеристиками. Следует отметить, что эти приемопередатчики и метки предназначены для использования в сенсорных и активных сетях [6] с произвольной топологией, что снимает ряд ограничений, свойственных ряду других решений. Используя адаптивные алгоритмы можно в одной той же сети изменять скорость и дальность передачи, тем самым обеспечивая решение разных типов задач в широком диапазоне дальностей.
2. ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ И "УМНЫЕ ПРОСТРАНСТВА"
С Интернетом вещей ассоциируется ряд понятий, которые перекрываются по смыслу, но при этом имеют свои особенные черты. Чтобы избежать путаницы для начала уточним терминологию [7].
В начале 70-х годов изобретатели Интернета рисовали в воображении мир, в котором сети будут подключаться друг к другу, превращаясь в паутину взаимодействующих систем. К 1973 году стало очевидным, что главное было придумать, как заставить компьютеры обмениваться информацией. К этому времени уже были разработаны разнообразные компьютерные сети, работающие независимо друг от друга. Однако ценность всех этих систем была весьма ограничена, поскольку они не могли обмениваться информацией на одном языке. Для решения этой проблемы был изобретен протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), с помощью которого можно было соединять компьютеры и всевозможные компьютерные сети. Основа подключенного мира была заложена. Сегодня каждое подключаемое к Интернету устройство получает свой IP адрес, и это позволяет ему подключаться к другим устройствам.
В словосочетании "Интернет вещей", "вещи" буквально означают вещи, которые подключаются к Интернету и друг к другу. Каждый из этих подключенных объектов обладает уникальным идентификационным номером и 1Р адресом. Подключение может производиться с помощью проводов, кабелей или беспроводной связи. Интернет вещей подразумевает возможность перемещения данных для управления процессами на любые расстояния — как из другой комнаты, так и из другой части света.
Внутри такой обширной категории, как Интернет вещей, существуют некоторые ключевые различия и нюансы. Поэтому целесообразно ввести базовые определения.
Под термином "подключаемые устройства" понимаются такие устройства, которые обмениваются данными по обычному интернет соединению, или подсоединены к общей сети, например, через закрытые или частные сети. Подключаемое устройство необязательно подсоединяется именно к Интернету вещей, но это происходит все чаще. Кроме того, эта подключаемость распространяется все дальше и дальше, выходя за пределы компьютеров и проникая во все уголки и закоулки мира.
Существует два основных вида подключаемых устройств: в первую очередь они делятся на физические и цифровые [8]. К первой группе относятся такие объекты и процессы, которые сами по себе не генерируют и не передают цифровые данные, если для этого не производятся специальные манипуляции и не вносятся изменения, тогда как ко второй группе относятся устройства, которые по своему назначению способны генерировать данные и передавать их для дальнейшего использования. Поэтому, несмотря на то, что многим физическим объектам можно придать метки с применением цифровых технологий, таких как пассивные RFID метки, они не способны на генерацию и передачу сколько-нибудь подробных содержательных данных.
При этом радиочастотная идентификация — это основной инструмент, который позволяет физическим устройствам вступать в цифровой мир через беспроводные каналы связи. Метки могут быть активными и пассивными. И те, и другие позволяют расположенным неподалеку
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
считывателям собирать данные и обмениваться ими с компьютером.
Еще один термин, относящийся к Интернету вещей, это "Промышленный интернет", касающийся машин, оборудованных датчиками, которые делают их "умными". В сфере промышленного Интернета обмен данными обычно осуществляется тремя разными способами: машина—машина (М—М, М2М), человек—машина (Ч - М, Н2М), и человек смартфон (М - С, M2S) (или другое устройство, например, планшет).
Интернет вещей способен подключать друг к другу в первую очередь физические объекты и предметы, а также связывать (подключать) их с цифровыми устройствами, включая компьютеры и программные приложения.
Таким образом, все устройства взаимодействуют друг с другом в рамках групповой или многоточечной конфигурации и обмениваются данными в реальном времени - часто с помощью облачных технологий. Когда все эти машины подключаются к людям, использующим различные вычислительные устройства, возникает совершенно новая концептуальная основа — "Интернет всего". То есть Интернет всего представляет собой более развитую и совершенную структуру, в которой физический и цифровой миры сливаются в единое пространство.
В настоящее время большая часть данных в Интернете находится в виде текстовых файлов, сообщений, аудио-, фото- и видеофайлов. Интернет вещей собирает разные новые данные, объединяет их разными способами и дает людям и машинам боле широкое и глубокое понимание процессов. Для этого нужно дать компьютерам их собственные средства сбора информации, чтобы они могли видеть, слышать и чувствовать запахи мира самостоятельно [9]. Интернет вещей способен проникать во все закоулки и уголки, щели, норы и червоточины, существующие в недоступном восприятию и часто невидимом мире, который простирается далеко за пределами действия органов зрения, слуха, обоняния и сознания человека. Он создает новые типы сетей и систем - совершенно новые маршруты для данных, информации и знаний.
3. ТРЕБОВАНИЯ К БЕСПРОВОДНЫМ КОММУНИКАЦИЯМ
А как устроен интернет вещей с коммуникационной и сетевой точки зрения?
И что в этом смысле определяет его силу как технологии?
В [9] подчеркиваются два момента, касающиеся сетевой природы силы Интернета вещей:
• Подключение отдельного устройства повышает его мощность, а часто и ценность для пользователя. Однако способность подключать устройство к обширной сети - по сути, к Интернету вещей - заставляет технические возможности расти экспоненциально.
• Польза подключенных устройств не в том, чтобы с помощью приложения для смартфона заводить двигатель или регулировать температуру в доме. Реальная польза появится, когда целые сети устройств будут обмениваться данными и применять их на практике. В результате продукты эволюции технологий совершат революцию.
Эти свойства 1оТ полностью соответствуют законам для сетей, характеризующим их возможности. Таких законов три: закон Сарнова, закон Меркафа и закон Рида [10].
Закон Сарнова был сформулирован с появлением радио- и телесетей в начале 20 века, когда вещание на многочисленные приемники шло от небольшого числа передающих станций. Один из первопроходцев вещания Дэвид Сарнов констатировал очевидное: "Ценность вещательных сетей прямо пропорциональна числу их слушателей и зрителей".
Закон Меткафа, определяет рост ценности сети при наличии связей между ее узлами. Общая ценность сети, где каждому узлу доступны все узлы, возрастает пропорционально квадрату числа ее узлов. Если вы располагаете двумя узлами и ценность каждого равна единице, то с их объединением ценность сети становится равной четырем. Четыре взаимосвязанных узла, каждый ценностью одна единица, в составе сети обретают совокупную ценность в шестнадцать единиц, а ценность сотни таких узлов равна сто раз по сто, то есть десяти тысячам. При экспоненциальном опережении ценности сети числа ее узлов математические последствия получают экономическое выражение: соединение двух сетей дает ценность, значительно превышающую величину, получаемую при сложении их ценности как независимых сетей.
Закон Рида показывает, что ценность сети возрастает не в квадратной, а в
экспоненциальной зависимости, если внутри нее возможно образование произвольных групп, обменивающихся информацией друг с другом.
Существенно как раз то, что преобладающая ценность в обычной сети перемещается от одной категории к другой по мере расширения сети. Обусловлен ли рост постепенным добавлением потребителей или прозрачностью взаимосвязей, степень расширения такова, чтобы поддержать новые категории "захватчиков рынка", а значит, новые конкурентные игры.
Подобный, обусловленный расширением, ценностный сдвиг можно наблюдать в истории Интернета. Поначалу пользование Интернетом диктовалось его ролью как сети оконечных устройств (терминалов), предоставляющей многочисленным терминалам выборочный доступ к небольшому числу дорогостоящих главных узлов (хостов) с разделением времени. По мере роста Интернета его ценность и использование все больше сосредоточивались на парном обмене электронными сообщениями, файлами и так далее, возрастая в соответствии с законом Меткафа. А с началом 1990-х годов в Интернете стал преобладать поток данных между телеконференциями и веб-узлами, рассылок и так далее, возрастающий в соответствии с экспоненциальным законом для сетей с возможностью создания групп. Хотя преобладавшие прежде функции не утратили своей ценности и не пошли на убыль по мере роста Интернета, ценность и использование услуг, определяемые ставшими преобладающими законами соответствия, росли существенно быстрее. Поэтому многие виды контактов и сотрудничества, проводившихся вне Интернета, оказались поглощенными ширящимися функциями Интернета, ставшего новой сферой соперничества.
Естественно, что на начальных этапах развития Интернета вещей, "объекты" будут подключаться к неким центрам — узлам сети и в минимальной степени непосредственно взаимодействовать друг с другом. Этими объектами, кроме "вещей" с активными и пассивными RFID метками, будут датчики и актуаторы, которые могут собирать и передавать узлам некоторые данные (как в случае с сенсорами) или передавать команды управления "вещам" (в случае актуаторов). Задача информационного взаимодействия "вещей" друг с другом будет
возникать только тогда, когда "вещи" потребуется информация от других устройств для анализа ситуации и принятия каких-то решений. То есть, как минимум, такая "вещь" должна обладать некоторым интеллектуальным ресурсом в виде, например, процессора, с помощью которого осуществляется этот анализ.
Хотя в Интернете вещей могут использоваться различные каналы связи, в том числе кабельные и проводные, мы будем в качестве наиболее востребованных рассматривать радиоканалы и сети на основе беспроводных приемопередатчиков. Тогда можно предположить, что на первом этапе развития 1оТ наибольшее распространение получат беспроводные локальные сети типа звезда, где приемопередатчики "вещей" в локальной сети взаимодействуют с некоторым узлом, а непосредственное взаимодействие между приемопередатчиками внутри локальной сети будет минимальным. В этом случае вклад локальных сетей Интернета вещей будет расти пропорционально числу подключенных в этих сетях объектов. В общей зависимости потенциальной "силы" сети появится дополнительный линейный множитель.
При росте числа "вещей" в локальной сети неизбежно возникнет ситуация, при которой "вещи" начнут взаимодействовать. Например, это может быть интеллектуальная сенсорная сеть наблюдения за определенными параметрами территории, скажем, температуры, которая самостоятельно оценивает температурную обстановку на территории путем обмена данными между устройствами и передает результаты этого анализа на узел принятия решения. В этом случае топология локальной беспроводной сети может быть очень разной, в зависимости от расположения датчиков и дальности действия радиосредств. В общем случае было бы желательно, чтобы сеть допускала реализацию любой топологии и при этом обладала возможностями самоорганизации. В этом случае вклад локальных сетей Интернета вещей будет расти пропорционально квадрату числа подключенных в этих сетях объектов. В общей зависимости потенциальной "силы" сети появится дополнительный квадратичный множитель.
Наконец, если "вещи", как и объекты классического Интернета, смогут участвовать в образовании произвольных групп, обменивающихся информацией друг с другом,
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
то начнет работать закон Рида и сила сети будет экспоненциально расти с общим числом объектов в сети.
Есть ли какая-то специфика Интернета вещей и Интернета робототехники в зависимости мощности от числа объектов в них? Формально, как мы видим, здесь работают те же законы, что и в классическом Интернете. Однако должны же быть какие-то физические ограничения на экспоненциальный рост. Действительно, таких ограничений, как минимум, два.
Первое из них связано со стоимостью узлов в сети. Увеличение числа узлов в Интернете Всего (т.е. в объединенном классическом Интернете с Интернетом вещей) будет в основном происходить именно за счет Интернета вещей, рост числа объектов которого будет определяться экономическими и технологическими ограничениями,
вытекающими из закона Мура. Допустим, что число объектов Интернета вещей превысило число объектов классического Интернета в 10 раз. Это может случиться в ограниченное время лишь при условии, что стоимость каждого объекта 1оТ будет значительно ниже, чем стоимость оборудования в типичном узле, скажем в 5-10 раз. Если же это число увеличится еще в десять раз, то стоимость единицы должна уменьшиться еще в 5-10 раз. Если принять, что стоимость оборудования узла классического Интернета составляет $500, то увеличение числа узлов в десять раз произойдет при снижении стоимости узла до $(50-100), а в 100 раз при снижении стоимости до $(1-4).
Второе ограничение связано с физическим объемом, в котором могут размещаться узлы интернета вещей. Возьмем для определенности объем околоземного и внутриземного пространства, в котором могут размещаться всевозможные датчики — объекты Интернета вещей. Этот объем равен площади поверхности Земли, умноженной на толщину слоя, в котором могут располагаться объекты. Пусть, для определенности, она равна 100 м. Тогда общий объем, заполненного объектами Интернета, пространства будет V = 4пК2Ь = 5-107 км3 = 5-1016 м3.
Если принять, что объем обычного интернета составляет примерно 10 млрд., то при объеме Интернета всего, превышающем классический интернет в 100 раз, число объектов будет 1012.
Или один объект на 5'104 м3, т.е. на куб со стороной примерно 40 м. С учетом сильной неравномерности распределения объектов, их экстремальная плотность может достигать 1 объекта на 1 куб. м и выше.
4. ТЕХНИЧЕСКИЕ
КОММУНИКАЦИОННЫЕ СРЕДСТВА
Технические коммуникационные средства интернета вещей, Интернета робототехники и Интернета всего включают в себя приемопередатчики, сенсоры, актуаторы, метки, считыватели, базы хранения данных (в том числе облачные), программное обеспечение и аппаратные средства, на которых оно располагается. При этом возможности как отдельных точек (узлов) идентификации, так и системы идентификации в целом, будут определяться возможностями и характеристиками радиометок и считывателей информации с них.
Рассмотрим кратко основные типы радиометок и их характеристики.
Нас будут в первую очередь интересовать средства беспроводной связи и радиоидентификации, работающие в микроволновом диапазоне частот. Это связано как с потенциальной необходимостью передачи больших объемов данных, так и с требованием для большинства массовых приложений малости размеров самих приборов (меток). Кроме того, учитывается, что сверхширокополосные метки должны работать в диапазоне от 2.85 до 10.6 ГГц и поэтому важно сравнение их характеристик с узкополосными устройствами примерно в том же диапазоне частот.
В принципе в Интернете вещей могут быть использованы три типа меток: пассивные, полупассивные (полуактивные) и активные. Однако они выполняют и будут выполнять в 1оТ и IoRT разные функции в силу своих технических характеристик. В Таблице 1 дается сравнение основных свойств активных и пассивных технологий и их возможностей. Из таблицы видно, что основными ограничениями для пассивных меток являются малый радиус действия и малые объемы передаваемой информации. Последнее затрудняет использование пассивной радиоидентификации для подключения устройств второго типа — цифровых устройств, генерирующих информацию или
Таблица 1
Сравнение активных и пассивных RFID технологий
Критерий Активная Пассивная
Источник энергии для метки Внутренний на устройстве Энергия передается от считывателя по радиоканалу
Батарея на метке Да Нет
Доступность энергии в метке Постоянно Только во время излучения считывателя
Требуемая сила сигнала от считывателя в метке Низкая Высокая
Мощность получаемого сигнала считывателя от метки Высокая Низкая
Дальность связи Большая (до 100 м и больше) Короткая или очень короткая (3 м или меньше)
Количество меток в зоне Более 1000 меток для одного считывателя, позволяет обслуживать 20 меток при скорости движения более 100 км/час Сотни меток на расстоянии в пределах 3 м от считывателя, позволяет обслуживать 20 меток при скорости движения 3 км/час или ниже
Сенсорные возможности Да Ограничены
Объем памяти для записи/считывания Большой (например, 128 КБ) Малый (например 128 байт)
обрабатывающих информацию в процессе сбора данных с датчиков. С другой стороны, существенно большие возможности активных радиометок по дальности и объему передаваемых данных не бесплатны. Они обеспечиваются наличием источников питания на метках, значительно большей стоимостью устройств и ограниченным временем автономной работы.
Эти обстоятельства определяют сейчас и будут определять в дальнейшем сферу применения активной и пассивной радиоидентификации, как основы Интернета вещей. Отметим, что в настоящее время популярность активных меток связывается в основном с их возможностями по определению местоположения меток с достаточно большой точностью. Сверхширокополосные метки и технологии обеспечивают наилучшие результаты при решении таких задач и успешно развиваются.
Однако по мере развития технологий 1оТ и IoRT ситуация будет меняться в пользу систем, которые должны будут обеспечивать сбор и доставку больших объемов данных (во всяком случае при пиковых нагрузках), т.е. в качестве меток потребуются универсальные устройства, способные идентифицировать объекты, на которых они расположены, давать возможность определения их положения в пространстве,
собирать информацию (например, от датчиков), обрабатывать ее и передавать считывателю или соседним узлам. Т.е. метка из устройства узкого назначения будет превращаться в универсальный информационно-коммуникационный узел.
При этом стоимость таких устройств должна постепенно снижаться, а срок автономной работы быть достаточным для решения соответствующих задач.
Ниже в качестве кандидата на роль таких устройств рассматриваются прямохаотические сверхширокополосные универсальные
приемопередающие модули, способные, в том числе, выполнять роль активных меток.
Прямохаотические приемопередатчики
[11-13] создавались с характеристиками, ориентированными на стандарт IEEE 802.15.4a - 2007 [14], регламентирующий использование сверхширокополосных сигналов в персональных беспроводных сетях связи на физическом уровне (Ultra Wideband Personal Area Networks. Physical level). В этом стандарте прямохаотические сигналы (хаотические радиоимпульсы) используются в качестве опционального носителя информации. В последующие годы наблюдалась высокая активность в создании стандартов СШП средств связи, как по линии IEEE (IEEE 802.15.4-2011, IEEE 802.15.6-2012, IEEE 802.15.4f-2012), так и по линии Международной организации по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссии (IEC) (ISO/IEC 24730-61-2013, ISO/IEC 24730-62-2013).
Стандарт IEEE 802.15.4-2011 относится к физическому уровню персональных сетей общего назначения, объединяя и модернизируя стандарты IEEE 802.15.4-2006 и IEEE 802.15.4а -2007. Стандарт IEEE 802.15.6-2012 - к сетям медицинского и бытового назначения, располагаемым непосредственно у тела человека (нательным сетям). Стандарты IEEE 802.15.4f - 2012, ISO/IEC 24730-61-2013, ISO/ IEC 24730-62-2013 определяют требования к сверхширокополосным активным радиометкам. Интересно отметить, что если скорость передачи данных в стандарте IEEE 802.15.4a-2007 ограничивается 200 Кбит/сек, то в стандарте IEEE 802.15.4-2011, созданном на его основе, вводятся скорости передачи 110 Кбит/сек, 850 Кбит/сек, 6.8 Мбит/сек и 27.2 Мбит/сек. Такие же скорости передачи фигурируют в стандарте ISO/IEC 24730-62-2013.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
После принятия стандарта по активным меткам (IEEE 802.15.4f) на рынке появились первые устройства и средства, обеспечивающие, в том числе, и возможность высокоточного определения местоположения меток. К таким устройствам относятся СШП радиометки и считыватели компании Zebra [15] и метки компании Trackit Systems [16]. Еще одним интересным СШП продуктом является микросхема СШП приемопередатчика компании DecaWave и приемопередающий модуль на ее основе [17]. Компания поставляет также набор для разработчиков на основе микросхемы.
Отметим, что упомянутые практические зарубежные разработки СШП средств связи в основном концентрируются на задаче определения дальности между объектами и их местоположения, в то время как собственно задаче передачи данных уделяется меньшее внимание. Сверхширокополосные средства связи на хаотических радиоимпульсах, напротив, в основном разрабатываются для решения задач передачи информации и обеспечения передачи потоков данных по сетям. Поэтому и требования к этим двум направлениям развития СШП беспроводных средств связи существенно различны.
5. УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ И СЕТЕВЫЕ УЗЛЫ НА ЕГО ОСНОВЕ
С учетом тенденций развития
сверхширокополосных средств
связи, характеристик разработанных
приемопередатчиков на основе хаотических радиоимпульсов и накопленного при этом опыта в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН был создан универсальный СШП прямохаотический приемопередающий модуль (ППМ) [6], предназначенный для решения широкого круга задач в области беспроводных средств связи малого радиуса действия.
Разработанный сверхширокополосный
прямохаотический приемопередающий модуль ППМ-47 — малогабаритное устройство, к которому на специальных платах могут быть подключения датчики, актуаторы, элементы питания и другие компоненты.
Структура модуля показана на рис. 1. Он включает в себя блок сверхширокополосного передатчика (ПД), блок сверхширокополосного приемника (ПР), антенну, ключ (К), а также цифровой блок (ЦП), обеспечивающий
—► ид +
ВУ +—► ЦБ к
4- ПР ь 1
V
Рис. 1. Структура сверхтирокопояотого ириелюпередаюгцего модуля.
управление передачей и приемом, обеспечение сетевых функций и сопряжение модуля с внешними устройствами. Такими устройствами могут быть сенсоры и актуаторы, выполненные на отдельных платах. Внешние устройства могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Во втором случае для преобразования сигнала в цифровую форму может быть использован встроенный аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера. В приемопередатчике используется высокопроизводительный
32 разрядный микроконтроллер STM232L с пониженным потреблением мощности. Цифровая передача между микроконтроллером приемопередатчика и внешними устройствами осуществляется по высокоскоростному SPI интерфейсу. Модуль обеспечивает передачу информации между двумя устройствами в режиме "точка—точка", а также работу в сети. При этом все вопросы управления сетевыми уровнем обеспечиваются микроконтроллером самого устройства.
Конструктивно модуль представляет собой плату размером 50х35х6 мм3, выполненную на материале FR-4 с толщиной равной 0.6 мм. Диапазон рабочих частот приемопередающего модуля лежит в пределах 3-5 ГГц, физическая скорость передачи до 6 (12) Мбит/сек.
Модуль может быть использован самостоятельно, без специальных
дополнительных плат или устройств, например, в качестве корневого узла (базовой станции), подключаемого к компьютеру или как ретранслятор. Он также может входить в состав сенсорных и актуаторных узлов, где вместе с ним присутствуют датчики или актуаторы, соответственно.
На рис. 2а показан корневой узел на основе модуля. Он имеет форм-фактор спичечного коробка и подключается через микро-^В разъем к компьютеру, ноутбуку или смартфону. Питание устройства осуществляется также
(а) (б) (в)
Рис. 2. Узлы активной СШП беспроводной сети на основе универсального модуля: корневой узел (а); узел-ретранслятор (б);
активная ЯР.1Ю метка (в); акустический сенсорный узел (г).
через микро-^В разъем. Использование различных дополнительных блоков в виде специализированных плат позволяет реализовать широкий круг устройств. Примерами таких блоков являются: плата с аккумуляторной батареей, что обеспечивает возможность использования модуля в качестве ретранслятора (рис. 2б), плата с одноразовой батареей (рис. 2в), позволяющая использовать модуль в режиме активной сверхширокополосной активной метки и плата с акустическим модулем (рис. 2г).
Узел-ретранслятор используется при необходимости увеличения дальности связи. Наряду с универсальным модулем включает в себя плату, содержащую аккумулятор. Зарядка аккумулятора осуществляется через микро-^В разъем (рис. 2б).
Активная RFID метка — устройство, обеспечивающее идентификацию объекта, к которому она приставлена. Активная RFID метка кроме универсального приемопередающего модуля включает в себя плату электропитания с литиевой батареей емкостью 600 мАч, которая обеспечивает автономную работу метки от двух лет и более (в зависимости от режима эксплуатации). Метка, как и другие устройства на основе универсального модуля, помещена в пластмассовый корпус с форм-фактором спичечного коробка (рис 2в).
Акустический сенсорный узел устройство, которое может быть использовано для персональной голосовой связи между людьми в офисе или в домашней обстановке. Условно его можно назвать "удаленным голосом". Наряду с универсальным модулем оно включает в себя плату, содержащую микрофон, динамик, микроконтроллер и аккумулятор. Зарядка аккумулятора производится через микро-^В разъем. Акустический сенсорный узел, как и метка, помещен в пластмассовый корпус в форме спичечного коробка (рис. 2г).
6. АКТИВНАЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ МЕТКА
В качестве примера узла прямохаотической сети рассмотрим более подробно активную сверхширокополосную метку.
Метки в различных вариантах являются основой концепции Интернета вещей и Интернета всего [18, 19].
Метка на основе хаотических радиоимпульсов может работать в двух режимах:
1. Режим маячка (рис. 3а). В этом случае метка периодически излучает содержащуюся в ней информацию в виде пакетов. Периодичность посылки пакетов может меняться в пределах от 0.01 пакета в секунду до 10 пакетов в секунду.
2. Режим отклика (рис. 3б). Информация посылается в виде пакета в ответ на запрос со стороны внешнего устройства, например, считывателя.
Метка работает в паре с корневым узлом (считывателем). В считывателе используется тот же приемопередающий модуль, что и в метке. Этот модуль может работать как на внутреннюю антенну, так и на внешнюю. В первом случае дальность связи составляет до 30 метров. В случае использования в считывателе внешней направленной антенны она может быть увеличена до 100 и более метров.
Для обеспечения длительной автономной работы устройства используется система энергосберегающих режимов.
Иде нтификационная информация
Радиометка —-1 1 | Считыватель |
Запрос
-
Радиометка _I к
-н
ТЦ
Считыватель
Иде нтиф нкаци энная информация
Рис. 3. Схема взаимодействия меток и считывателей: режим маячка (а); режим отклика (Ь).
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
При малой длительности пакетов высокая скорость передачи обеспечивает возможность одновременной работы в режиме маячков без координации моментов излучения большого числа меток. Так, например, для 1000 радиометок при длительности пакета 17 мксек (размер пакета 10 Байт) и излучении пакета устройством раз в секунду, в области устойчивого приема вероятность коллизий между пакетами будет ~ 10-2.
В качестве источника питания в метке используется литиевая батарея CR2450. Батарея имеет выходное напряжение в 3В и рассчитана на малые значения выходного тока 2 мА, при превышении которого емкость батареи начинает резко падать. Питание же приемопередатчика осуществляется от напряжения 5 В, а пиковое потребление тока может составлять до 45 мА. С учетом этих факторов для энергообеспечения радиометки используется специальная электрическая схема, в которой используются конденсаторы, позволяющие накапливать заряд в паузах между отправлением данных и обеспечивающие необходимые значения выходного тока в момент передачи или приема.
При работе радиометки в режиме маячка радиометка отправляет с некоторым постоянным периодом сообщение, в которое включается идентификационная информация. Это сообщение принимается и обрабатывается на считывателе. Общий цикл работы радиометки будет выглядеть следующим образом. Основное время своего рабочего цикла устройство находится в спящем режиме, при этом периодически просыпаясь на время, необходимое для отправки пакета. Переходами между режимами управляет микроконтроллер. В спящем режиме вся периферия устройства, за исключением стабилизаторов питания, выключена. Сам микроконтроллер при этом останавливает все операции и отсчитывает время до следующего пакета. По окончании он переходит в рабочий режим и последовательно включает всю необходимую периферию. После отправки идентификационного пакета микроконтроллер отключает все остальные узлы и снова переходит в режим отсчета времени до следующего пакета.
Структуру энергопотребления при отправке идентификационных сообщений с периодом в 1 секунду в режиме маячка с разбиением потребления по блокам устройства иллюстрирует рис. 4. Расчет среднего энергопотребления дает величину порядка 30 мкА, при пиковом потреблении в непосредственный момент передачи до 45 мА.
Потребление составных частей устройства на полный цикл приема-передачи пакетов
0.035
0 03
% 0.025
° 0.02 Ф
1 0016 I 0.01
0.CÜ5 О
Lln
5-Устройство 4-Стабилнз.
ЗМК
11-Генерзтор
12 3 4 5
Блок устройства
Рис. 4. Энергопотребление устройства: 1 — генератор; 2 — ПЛИС; 3 - микроконтроллер; стабилизатор; 4 — метка в
целом.
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ перспектив развития Интернета Вещей и Интернета Всего показывает, что их сила будет определяться количеством взаимодействующих на малых расстояниях "вещей". Для того, чтобы ценность Интернета Всего возрастала как минимум пропорционально квадрату числа подключенных "вещей", необходимы беспроводные сети связи короткого радиуса действия, обеспечивающие реализацию практически любой топологии и при этом обладающие достаточно высокой скоростью передачи информации. Кроме того, они должны быть способны к длительной автономной работе, в том числе в ситуациях с изменяемой топологией сетей (как в случае группировок мобильных роботов), а также в отдельных случаях работать в условиях повышенной дальности.
Беспроводные СШП прямохаотические средства связи отвечают перечисленным требованиям, предоставляют IoT и IoRT широкий круг возможностей и могут рассматриваться для них как она из перспективных платформ как для узлов общего назначения, так и для активных меток.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-00084).
ЛИТЕРАТУРА
1. Тихвинский В, Коваль В, Бочечка Г. Технология Lora: перспективы внедрения на сетях IoT. Первая миля, 2016, 6:43-49.
2. Жданов А. «LoRa, «Стриж» или Sigfox». Телеспутник, 2017, 2(256):48-49.
3. The Internet of Robotic Things. https://www abiresearch.com/marketresearch/product/1019712-the-internet-of-robotic-things/ (accessed October 12, 2016).
4. Gartner Says By 2020, a Quarter Billion Connected Vehicles Will Enable New In-Vehicle Services and Automated Driving Capabilities. http://wwwigartner.com/newsroom/ id/2970017 (accessed October 12, 2016).
and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Amendment 1: Add Alternate PHYs», 2007.
15. Dart UWB Technology, https://www.zebra.com/ us/en/products /location-solutions/dart-uwb/dart-tag.html.
16. Trackit Systems, http://wwwithetrackit.com/RTLS.php.
17. Dw1000-product-brief.pdf, http://www.decawave. com/products/dwm1000-module
18. Gubbi J, Buyya R, Marusic S, Palaniswami M. Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions. Future Generation Computer Systems, 2013, 29:1645-1660.
19. Evans D. The Internet of Things. How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything. Cisco IBSG, White Paper, 2011:1-11.
Дмитриев Александр Сергеевич
д.ф.-м.н, проф., чл.-корр. РАЕН ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН 11/7, Моховая ул, Москва 125009, Россия [email protected] Рыжов Антон Игоревич к.ф.-м.н.
ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН 11/7, Моховая ул, Москва 125009, Россия [email protected] Попов Максим Геннадиевич
аспирант
ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН 11/7, Моховая ул, Москва 125009, Россия [email protected]
DIRECT CHAOTIC COMMUNICATIONS AND ACTIVE RFID TAGS FOR INTERNET OF THINGS AND INTERNET OF ROBOTIC THINGS Alexander S. Dmitriev, Anton I. Ryzhov, Maxim G. Popov
Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS, http://www.cplire.ru/
Moscow 125009, Russian Federation
Abstract. The use of ultra-wideband direct-chaotic communications and radio identification tags for the organization of wireless high-speed data transmissons on the Internet of things and the Internet of robotics is considered. Prototypes and models of ultra-wideband transceivers of the 3.0 - 5.0 GHz range are described and presented. It is noted that these transceivers and nodes based upon them are intended for usage in sensor and active networks with arbitrary topology. It removes some of the limitations inherent for a number of other solutions for communication and identification.
Keywords: ultrawideband communications, internet of things, radiofrequency identification, direct chaotic communications UDC 621.391
5. Дмитриев АС, Ефремова ЕВ, Герасимов МЮ. Мультимедийные сенсорные сети на основе сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов. РЭ, 2015, 60(4):1-9.
6. Дмитриев АС, Герасимов МЮ, Ицков ВВ, Лазарев ВА, Попов МГ, Рыжов АИ. Активные беспроводные сверхширокополосные сети на основе хаотических радиоимпульсов. РЭ, 2017, 62(4):354-363.
7. Greengard S. The Internet of Things (MIT Press Essential Knowledge series). Cambridge, Massachusetts, Publisher: The MIT Press, 2015, 232 pages
8. Internet of Things vs. Internet of Everything What's the Difference? ABI Research, 2014:1- 10.
9. Ashton K. That 'Internet of Things' Thing. RFID Journal, 2009, https://wwwrfidiournal.com/articles/ view?4986.
10. Rheingold H. Smart mobs: The Next Social Revolution. Cambridge, Basic Books, 2003, p. 288.
11. Дмитриев АС, Ефремова ЕВ, Клецов АВ, Кузьмин ЛВ, Лактюшкин АМ, Юркин ВЮ. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. РЭ, 2008, 53(10):1278-1289.
12. Дмитриев АС, Лазарев ВА, Герасимов МЮ, Рыжов АИ. Сверхширокополосные беспроводные нательные сенсорные сети. РЭ, 2013, 58(12):1160-1170.
13. Дмитриев АС, Ефремова ЕВ, Герасимов МЮ. Мультимедийные сенсорные сети на основе сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов. РЭ, 2015, 60(4):1-9.
14. IEEE Standards Association, «802.15.4a-2007 - IEEE Standard for Information technology-- Local and metropolitan area networks-- Specific requirements-Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC)
Bibliography - 19 references RENSIT, 2018, 10(2):313-322
Received 03.09.2018 DOI: 10.17725/rensit.2018.10.313
