При пассивном режиме используется уголковый отражатель. Конструктивно он состоит из трех взаимно перпендикулярных плоскостей, выполненных из поликристаллического кремния с пленочным покрытием из золота. Одна из плоскостей отражателя сопряжена с электростатическим приводом (актюатором), который может отклонять эту плоскость от ее исходного положения, что позволяет осуществлять импульсную модуляцию отраженного излучения лазера центральной станции.
Отраженное лазерное излучение направляется уголковым отражателем строго обратно к центральной станции и одновременно модулируется в соответствии с сигналами первичного преобразователя датчика. Угол падения исходного оптического излучения на уголковый отражатель должен совпадать с осью симметрии, проходящей через точку сопряжения плоскостей отражателя, и выдерживаться с допуском в несколько десятков градусов. С целью снижения требований со стороны устройств внешней связи к ориентации датчика его конструкция может содержать несколько уголковых отражателей разной направленности. В этом случае размеры датчика увеличиваются. Таким же образом в пассивном и активном режимах может осуществляться связь между двумя датчиками.
С целью экономии мощности, потребляемой датчиком, предусмотрена возможность его работы при отключенных устройствах внешней связи и накапливании информации, зарегистрированной первичным преобразователем, в запоминающем устройстве. Последующая передача этой информации на центральную станцию осуществляется в определенные промежутки времени в пассивном режиме. Эта передача информации может производиться в некоторых случаях по программе центральной станции, когда ее лазерное излучение включается в определенное время суток, или через определенные промежутки времени в зависимости от специфических особенностей регистрируемых датчиком событий. В других случаях лазерное излучение центральной станции включается в ответ на короткие сигналы запроса самого датчика, передаваемые в активном режиме.
При экспериментальном исследовании датчика была успешно осуществлена пассивная передача информации в пассивном режиме от датчика на центральную станцию, удаленную на 150 м (при выходной мощности лазера базовой станции - 5 мВт и скорости потока передаваемой информации - 1 кбит/с).
В дальнейшем свободный доступ к материалам программы «Умная пыль» был закрыт. Это означает, что результаты дальнейших исследований используются в целях создания реальных военных разведывательных систем.
Следующей предпосылкой появления БСС стало решение задачи использование радиоканалов для передачи пакетов данных и организации беспроводных вычислительных сетей. Одной из основных технических проблем, возникающих при реализации таких сетей, была разработка средств управления доступом к общему радиоканалу связи.
Первая сеть пакетной радиосвязи, известная как ALOHANet, была разработана в 1968-1971 г.г. в Гавайском университете США под руководством профессора Н. Абрамсона. Она предназначалась для использования дешевого коммерческого радиооборудования для подключения пользователей на о. Оаху и других Гавайских островах к центральному компьютеру в режиме разделения времени. Компьютер был расположен в главном кампусе университета на острове Оаху. В этой сети впервые был использован метод случайного доступа к общей среде передачи. Скорость передачи данных составляла 9600 бод. Передача информации осуществлялась на ультравысоких частотах (УВЧ).
Первая версия протокола, который сейчас называется «Чистая Алоха» (Pure ALOHA) была довольно проста:
если у вас готовы данные для передачи, отправляйте данные;
если ваше сообщение сталкивается с другой передачей, попробуйте отправить его позже. Для этого отправитель ждет случайное время, прежде чем повторяет попытку.
Следует подчеркнуть, что первый шаг протокола подразумевает, что не производится проверки занятости канала перед началом отправки сообщения. Критическим фактором этого протокола является концепция «потом»: случайная отсрочка значительно влияет на эффективность протокола, и, в конечном итоге, определяет пропускную способность канала и предсказуемость его поведения.
Основываясь на результатах проекта ALOHA, управление DARPA начало в 1973 г. финансирование ряда проектов по созданию сетей пакетной радиосвязи. В 1975 г. Р. Маклаф разработал протокол CSMA (Carrier Sense Multiple Access - множественный доступ с контролем несущей). В 1977 г. в Лос-Анжелесе была создана пакетная радиосеть PRNet и проведен ряд экспериментов по передаче IP-пакетов между фиксированными и мобильными сетевыми узлами. При этом сеть PRNet позволяла реализовывать «многоскачковый» режим передачи, при котором данные передаются конечному получателю не сразу, а несколькими «скачками» по узлам сети. Другими особенностями PRNet были возможность дистанционной отладки и удаленной загрузки кода доступа к узлам сети. Сеть PRNet эксплуатировалась в экспериментальном режиме ежедневно, в течении, по меньшей мере, десяти лет.
В 1983 году управление DARPA начало финансирование проекта SURAN (Survivable Radio Network) по разработке набора мобильных одноранговых сетей, устойчивых к электронным атакам. Первоначальными целями проекта были:
разработка малогабаритного и недорогого радиоканала с низким энергопотреблением, способного работать с более сложными протоколами передачи радиопакетов, чем проекты DARPA 1970-х годов;
разработка и демонстрация алгоритмов, способных к масштабированию до десятков тысяч узлов;
разработка и демонстрация методов обеспечения устойчивости и живучести пакетных радиосетей при сложных электронных атаках.
Следующим расширением этой программы стало начало создания в 1987 г. мобильных протоколов дешевой пакетной радиосвязи (LPR - Low-cost Packet Radio). Основными проектными задачами стали:
масштабируемость на основе методов динамической кластеризации;
радиоуправление кодами расширения для обеспечения безопасности и увеличения емкости сети.
Для проекта SURAN были разработаны многочисленные алгоритмы маршрутизации, программный лабораторный эмулятор и реальный демонстратор, выполненный на изготовленных на заказ аппаратных средствах. Этот демонстратор представлял собой радиосеть из 180 узлов. Наиболее сложный эксперимент проводился одновременно на 22 узлах, некоторые из которых были установлены на движущиеся автомобили.
Реализация проекта SURAN привела к появлению концепции MANET (Mobile Ad hoc Network) - беспроводных децентрализованных самоорганизующихся сетей, состоящих из мобильных устройств. Каждое такое устройство может независимо передвигаться в любых направлениях, и, как следствие, часто разрывать и устанавливать соединения c соседними узлами.
Самоорганизующиеся сети MANET обладают следующими преимуществами над беспроводными сетями традиционной архитектуры:
возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика;
устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети;
возможность быстрой реконфигурации в условиях неблагоприятной помеховой обстановки;
простота и высокая скорость развертывания;
Беспроводные сети, построенные на базе мобильных устройств, обладают следующими особенностями:
мобильность узлов повышает требования к динамической топологии сети, так как к возможности обрыва связи из-за помех или включения/выключения узла добавляется возможность его пространственного перемещения;
источники питания мобильных узлов имеют ограниченную энергоемкость, в связи с чем при проектировании аппаратных средств и протоколов необходимо учитывать их энергопотребление.
Основными проблемами при создании сетей MANET являются:
обеспечение помехоустойчивости;
обеспечение безопасности передаваемых данных;
обеспечение и поддержание общей пропускной способности сетей;
увеличение эффективности применяемых методов маршрутизации.
Еще одной концепцией оказавшей и продолжающей оказывать на создание БСС большое влияние является так называемая концепция Интернета вещей (Internet of Things).
«Интернет вещей» - концепция вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными устройствами для взаимодействия друг с другом и/или с внешней средой.
Перспективы массового создания таких сетей рассматриваются как явление, способное значительно изменить социально-экономические процессы, вследствие исключения или изменения степени участия в них человека. Наполнение концепции «Интернет вещей» многообразным технологическим содержанием и внедрение практических решений по ее реализации считается одним из наиболее перспективных процессов развития информационно-коммуникационных технологий.
Концепция и термин «Интернет вещей» впервые были сформулированы К. Эштоном из Массачусетского технологического института в 1999 г. на презентации для руководства компании Procter & Gamble. В презентации рассказывалось о том, как массовое внедрение средств радиочастотной идентификации (RFID) для взаимодействия физических объектов между собой и с внешним окружением сможет видоизменить систему управления логистическими цепями в корпорации.
В 2004 году в журнале «Scientific American» была опубликована обширная статья, посвященная интернету вещей. В ней были наглядно продемонстрированы возможности бытового применения концепции. В статье приведена иллюстрация, демонстрирующая как бытовые приборы (будильник, кондиционер), домашние системы (система садового полива, охранная система, система освещения), датчики (тепловые, датчики освещённости и движения) и «вещи» (например, лекарственные препараты, снабжённые идентификационной меткой) взаимодействуют друг с другом посредством коммуникационных сетей (инфракрасных, беспроводных, силовых и слаботочных сетей) и обеспечивают полностью автоматическое выполнение процессов (включают кофеварку, изменяют освещённость, напоминают о приёме лекарств, поддерживают температуру, обеспечивают полив сада, сберегают электроэнергию). Сами по себе представленные варианты домашней автоматизации не новы, но упор в публикации на объединении устройств и «вещей» в единую вычислительную сеть, обслуживаемую интернет-протоколами, и рассмотрение интернета вещей как особого феномена, стали причинами резкого роста популярности концепции.
Уже в отчете Национального разведывательного совета США 2008 г. «Интернет вещей» фигурирует как одна из шести потенциально разрушительных технологий, указывается, что повсеместное и незаметное для потребителей превращение в интернет-узлы таких распространённых вещей, как товарная упаковка, мебель, бумажные документы, может нанести урон национальной информационной безопасности.
По мнению аналитиков корпорации Cisco в течение 2008-2009 г.г. произошло настоящее рождение Интернета вещей, так как именно в это время количество устройств, подключённых к глобальной сети, превысило численность населения Земли. Тем самым «интернет людей» стал «интернетом вещей».
С 2009 г. при поддержке Еврокомиссии в Брюсселе ежегодно проводится конференция «Internet of Things», на которой представляют доклады еврокомиссары и депутаты Европарламента, правительственные чиновники из европейских стран, руководители таких компаний как SAP, SAS Institute, Telefónica, ведущие учёные крупных университетов и исследовательских лабораторий.
Радиочастотная идентификация или RFID (Radio Frequency IDentification) - способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Любая RFID-система состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда применяется термин RFID-тег).
Прототипом RFID может считаться система распознавания «свой-чужой» IFF (Identification Friend or Foe), изобретённая Исследовательской лабораторией ВМС США в 1937 году. Она активно применялась союзниками во время Второй мировой войны, чтобы определить, своим или чужим является объект в небе. Подобные системы до сих пор используются как в военной, так и в гражданской авиации.
Идея использования пассивных электронных запоминающих устройств-меток привела к созданию в 1969 г. компании под названием Communications Services Corporation, или ComServ. В 1973 г. эта компания получила патент на «небольшое портативное устройство, которое легко спрятать, а в случае необходимости прикрепить или вмонтировать в различные объекты». В качестве памяти инженеры компании использовали ферритовые кольца, позволившие им создать устройство, способное запомнить до 16 бит данных. Изобретение демонстрировалось в различных транспортных и правительственных организациях. Демонстрационное устройство работало на частоте 915 МГц и использовало 12-битные метки.
В 1990-е годы началось активное применение радиосистем для оплаты дорожных сборов на скоростных магистралях США. Автомобили смогли пересекать въездные терминалы, не снижая скорости. Бесконтактные средства оплаты появились на дорогах Оклахомы, Канзаса и Джорджии, а также в районе Хьюстона. Все они базировались на единой спецификации, названной Title-21. Затем нескольких северо-восточных штатов США сформировали группу E-Z Pass Interagency Group, которая с целью автоматизации взимания платы за проезд занялась вопросами стандартизации RFID-методик.
В это же время корпорация Texas Instruments создает TIRIS - Texas Instruments Registration Identification System. И наконец, наступает переломный момент, когда приемопередатчик радиоволн впервые интегрируется в микросхему, изготовленную по стандартному КМОП-процессу. Это позволило объединить на одной подложке все компоненты, необходимые для функционирования радиометки RFID и открыло новые возможности для ее дальнейшей миниатюризации.
В 2004 г. Международная организация по стандартизации приняла единый международный стандарт ISO 18000, описывающий протоколы обмена во всех частотных диапазонах RFID от 135 кГц до 2,45 ГГц. Диапазону УВЧ (860 ÷ 960) МГц соответствует стандарт ISO 18000-6А/В. В настоящее время действует несколько стандартов, описывающих различные области и аспекты применения RFID.
Еще одной предпосылкой создания БСС стало развитие персональных беспроводных сетей WPAN (Wireless Personal Area Network). Эти сети обеспечивают радиообмен между персональными коммуникационными устройствами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга (порядка единиц) метров и предназначены для удовлетворения индивидуальных потребностей пользователей.
Родоначальником технологии WPAN считается компания Ericsson, которая в 1994 г. предложила технологию среднескоростной сети, которая в настоящее время известна как Bluetooth. К 1998 г. инициативной группой производителей SIG (Special Interest Group) был разработан первый стандарт WPAN, получивший название Bluetooth v.1.0.
В том же 1998 г. другая инициативная группа, впоследствии образовавшая альянс ZigBee, начала разработку спецификаций на аппаратуру для низкоскоростных WPAN.
В качестве ответа на растущие вызовы со стороны
беспроводных вычислительных сетей Институт инженеров электротехники и
электроники США (IEEE) в рамках комитета IEEE 802 (IEEE 802 LAN/MAN Standarts
Committee) образовал рабочую группу IEEE 802.15, которая начала работу по
стандартизации в области WPAN.
.2 Рабочая группа IEEE 802.15
Комитет IEEE 802 ведет свою историю с 1980 г., когда была осознана необходимость определения стандартов локальных сетей ЭВМ для разработки сетевых интерфейсов, характеризующихся низкой стоимостью и высокой степенью унификации.
Общей особенностью стандартов этого комитета, занимающегося стандартами локальных и городских вычислительных сетей (LAN - Local Area Network и MAN - Metropolitan Area Network, соответственно), является то, что все стандарты IEEE 802 ограничены сетями с пакетами переменной длины. Службы и протоколы, определяемые в IEEE 802, находятся на двух нижних уровнях: канальном (PHY - Physical Layer) и физическом (DLL - Data Link layer) уровни) семиуровневой сетевой модели OSI. Фактически, IEEE 802 разделяет канальный уровень OSI на два подуровня - подуровень управления доступом к среде (MAC - Media Access Control) и подуровень логической передачи данных (LLC - Logical Link Control). Первый подуровень (MAC) определяет метод доступа к среде. Второй подуровень, (LLC), определяет все другие канальные функции (управление потоком данных, контроль ошибок и т. п.).
Рабочая группа IEEE 802.15 специализируется на разработке стандартов WPAN, имеющих небольшой радиус действия. На разных этапах работы она включала в себя разные целевые группы.802.15.1 - Блютус (Bluetooth). Этот стандарт регламентирует беспроводные среднескоростные соединения стационарных и портативных устройств в радиусе до 100 м личного или рабочего пространства, расположенного, в том числе, в разных помещениях. Как уже отмечалось выше, первая версия этого стандарта была опубликована в 1998 г, промежуточная версия 1.1 - в 2001 г. Версия 1.2, утвержденная позднее как стандарт IEEE 802.15.1-2005, была обнародована в 2003 году.