CC BY
143
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
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
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.
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
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.
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
