Материал: Анализ технологий сенсорных сетей

Домашняя автоматизация;

Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0);

Автоматизация коммерческого строительства;

Телекоммуникационные приложения;

Персональный, домашний и больничный уход;

Игрушки.

Последним прикладным профилем, опубликованным Альянсом ZigBee 27.01.2014 г. стала беспроводная «умная сеть» для территориальных приложений «последней мили», объединяемых в окружные сети (NAN - Neighborhood Area Network).

В целях обеспечения совместимости протокол беспроводной связи в этом профиле определен для уровней 1 ÷ 4 модели OSI. Это обеспечивает согласованный IP-транспорт, поддерживающий различные приложения. Уровни 1 и 2 базируются на поправке IEEE 802.15.4g к стандарту IEEE 802.15.4-2011, которая была введена для облегчения построения территориальных NAN-сетей. Протоколы 3-его и 4-ого уровней основаны на стандартах IEFT, включая IPv6, а также используют связанные схемы сетей, соответствующие транспортные протоколы и маршрутизацию (например, RPL, UDP и TCP) и соответствующие механизмы безопасности.

Такой прикладной профиль беспроводной связи обеспечивает взаимодействие между различными поставщиками интеллектуальных электросчетчиков, «умных» садовых устройств и коммуникационными устройствами при создании инфраструктуры сертифицируемых профилей связи интернет-совместимых NAN-сетей.

Появление прикладных профилей ZigBee является отражением общей тенденции развития беспроводных сенсорных сетей - сегментации и специализации по прикладным областям и решаемым задачам.

В связи с рассмотренным примером следует упомянуть опубликованный в сентябре 2007 г. стандарт 6LoWPAN (от англ. IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) - стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4, а также одноименную рабочую группу IETF, разработавшую этот стандарт. Базовая спецификация этого стандарта содержится в документе RFC 4944 [19].

Основной целью разработчиков стандарта 6LoWPAN было обеспечить взаимодействие беспроводных персональных сетей IEEE 802.15 с широко распространёнными сетями IP. 6LoWPAN ориентируется на приложения, которые требуют беспроводного подключения к интернету с низкой скоростью передачи данных для устройств с ограниченными возможностями производительности и мощности. Например, автоматизация дома, офиса и производства. Хотя такие сети могут работать автономно, обеспечение подключения к Интернету может позволить разработчикам предоставить новые возможности при управлении такой сетью.

Как и все сетевые уровни, отображаемые IP, 6LoWPAN поддерживает множество функций. Из-за различий между IPv6 и IEEE 802.15.4 при разработке стандарта потребовалась разработка адаптационного уровня, а также множество других решений.

. Обзор и анализ существующих технологий сенсорных сетей

2.1 Сетевая модель взаимосвязи открытых систем

Как уже отмечалось в основе создания WSN сетей лежит семиуровневая модель OSI. Коротко рассмотрим основное содержание этой основополагающей модели.

Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model) - базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем или сетевая модель стека протоколов OSI/ISO, регламентированная отечественным ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1-99.

На рисунке 2.1 показано схематическое изображение рассматриваемой модели.

Рисунок 2.1 - Семь уровней эталонной модели и протоколы равноправных логических объектов [17]

Обычно описание уровней модели OSI начинают с верхнего, 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Самый нижний уровень - первый, называется физическим, на нем определены стандарты, регламентирующие требования к средам передачи данных.

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже - вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню модели с некоторой долей условности можно поставить в соответствие свое сообщение - логически неделимый элемент данных, операнд, которым на данном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов. Так, на физическом уровне такой единицей является бит, который на канальном уровне объединяется с другими битами в кадры, на сетевом уровне кадры объединяются в пакеты (датаграммы), на транспортном - пакеты составляют сегменты. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней. К базовым сетевым технологиям относятся физический и канальный уровни.

Прикладной уровень (Application Layer) - верхний уровень модели, обеспечивающий взаимодействие пользовательских приложений с сетью:

позволяет приложениям использовать сетевые службы:

предоставляет удаленный доступ к файлам и базам данных,

пересылает электронную почту;

отвечает за передачу служебной информации;

предоставляет приложениям информацию об ошибках;

формирует запросы к уровню представления.

Уровень представления (Presentation Layer) обеспечивает преобразование протоколов и шифрование/дешифрование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразуются в формат приложений. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень представлений обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять прозрачный обмен между приложениями, выполняемыми в разнородных системах. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление имеющих для него смысл данных. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой.

Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень представления обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений.

Транспортный уровень (Transport Layer) предназначен для обеспечения надежной передачи данных от отправителя к получателю. При этом показатель надежности может варьироваться в широких пределах. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных. Например, протокол TCP обеспечивает надежную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления. Он может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и, наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.

Сетевой уровень (Network Layer) предназначен для определения пути передачи данных. Он отвечает за трансляцию логических адресов и имен в физические адреса, производит определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства называют маршрутизаторами. Итнернет протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6.

Канальный уровень (Data Link Layer) предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне, управления этим взаимодействием и контроля за возникающими там ошибками. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, на канальном уровне упаковываются в кадры, проверяются на целостность и, если нужно, для исправления ошибок формируются повторные запросы поврежденного кадра. Затем данные отправляются на сетевой уровень.

Спецификации IEEE 802 разделяют этот уровень на два подуровня: MAC (Media Access Control), который регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control), который обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие аналогичные устройства.

Физический уровень (Physical Layer) - нижний уровень модели, который определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства к другому. На этом уровне электрические, оптические и другие сигналы передаются в среду передачи и, соответственно, затем осуществляется их прием и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов.

Систематизированное описание уровней приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Модель OSI

В качестве иллюстрации к изложенному материалу на рисунке 2.2 приведена конфигурация стека протоколов ZigBee.

Рисунок 2.2 - Конфигурация стека протоколов ZigBee [1]

.2 Общий анализ технологий БСС

Перед началом общего анализа существующих технологий построения беспроводных сенсорных сетей (БСС) сформулируем основные критерии, которым должны удовлетворять такие сети.

. Сеть предназначена для сбора данных с различного рода датчиков (сенсоров), встроенных в радиомоты или просто моты, в центр сбора данных/управления БСС. При этом должна быть предусмотрена возможность передачи команд управления и другой исходящей информации на радиомоты.

Из этого критерия следует, что входящий и исходящий первичные трафики сети будут, как правило, несимметричными. Например, на моты, содержащие датчики температуры, влажности, освещенности команды дистанционного управления могут вообще не передаваться.

. Сеть должна иметь возможность развертывания в произвольную пространственную конфигурацию с конечным, но не фиксированным количеством мотов. При этом после развертывания возможны перемещения одних мотов относительно других.

Структура системы сбора телеметрической информации на основе БСС приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Система сбора телеметрической информации на основе БСС

. Энергоэффективность мотов должна быть максимально высокой.

Поскольку сеть - беспроводная, то моты должны иметь автономные встроенные источники питания. Энергоемкость передачи/приема одного бита первичной информации должна быть минимальной. В идеальном случае при отсутствии первичного трафика энергопотребление мотов должно быть равно нулю. Это означает, что служебный и ретрансляционный трафики в сети должны быть минимально возможными. В свою очередь, срок службы источника питания должна быть максимально возможной.

. Стоимость передачи/приема одного бита первичной информации должна быть минимальной.

С точки зрения системных требований этот критерий во многом перекликается с предыдущим. Дополнительное требование - простота устройства мотов и максимально возможный уровень их микроминиатюризации.

. Надежность сети должна быть максимально высокой.

Этот критерий означает, что каждый мот должен передавать/принимать информацию в течение всего своего жизненного цикла. При этом выход из строя отдельных мотов не должен сказываться на работоспособности сети и оставшихся работоспособными мотов.

. Сеть не должна быть частотно лицензируемой.

Для Российской Федерации это означает, что сеть должна работать в нелицензируемом частотном диапазоне 2,405÷2,485 ГГц. В данном диапазоне определены 16 каналов шириной 5 МГц с несущими частотами, вычисляемыми в соответствие с выражением (2.1):

Fc = 2405 + 5 (k - 1) МГц, k = 1,…,16.                                       (2.1)

Перечисленный перечень критериев не является исчерпывающим, и, тем более, не имеющим внутренних противоречий. В него не включены требования по скорости и дальности передачи информации, поскольку эти требования для БСС имеют технический характер. При этом подъем выше минимально необходимого порога этих параметров, т.е. увеличение потенциальных возможностей БСС по производительности и дальности, вступает в прямое противоречие с критериями 3 и 4.

Тем не менее, традиционно протоколы связи сравниваются между собой в системе координат дальность передачи - скорость передачи, что иллюстрирует рисунок 2.4.

Из этого рисунка видно, что стандарт IEEE 802.15.4 занимает обособленную нишу радиоинтерфейсов, которую до 2003 г. заполняли либо технологии с более высокими техническими характеристиками и, соответственно, более дорогие, либо частные решения, не имеющие под собой стандартизированной базы и базирующиеся на электронных компонентах различных производителей.

Рисунок 2.4 - Место стандарта IEEE 802.15.4 среди радиоинтерфейсов [6]

Важное место при создании БСС играет топология сети. По числу главных узлов все сети разделяются на две группы (см. рисунок 2.5):

с одним главным узлом (single-hop). Используется, когда мощность передатчика узла достаточна для передачи сигнала к базовой станции.

с несколькими главными узлами (multi-hop). В данной топологии некоторые узлы не только собирают информацию о наблюдаемом процессе, но и ретранслируют / собирают информацию от других узлов.

Рисунок 2.5 - Классификация БСС по количеству главных узлов

Основные варианты топологии БСС показаны на рисунке 2.6 [12]

Рисунок 2.6 - Виды топологии БСС [12]

Из рисунка 2.6 видно, что для реализации концепции «Умная пыль» со случайным пространственным расположением мотов подходит практически только одна топология - «Сеть». Это значит, что такие БСС в подавляющем большинстве случаев должны являться Mesh- сетями. Поэтому такие сети могут строиться на базе низкоскоростной части стандарта IEEE 802.15.5-2009. Как уже отмечалось в подразделе 1.2, низкоскоростные Mesh-сети строятся на основе стандарта IEEE 802.15.4-2006 MAC.