Моделирование беспроводных сенсорных сетей

2009

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

№ 139

УДК 621

МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

А.Н. ДЯДЮНОВ К.Н. КУЗНЕЦОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.

Проводиться обзор беспроводных сенсорных сетей, их структуры и составных частей. Также дано описание системы моделирования беспроводных сенсорных сетей.

1. Введение

В настоящее время под термином “беспроводная сенсорная сеть” подразумевают распределённую, самоорганизующуюся, устойчивую к отказам отдельных элементов сеть миниатюрных электронных устройств. Обмен информации между элементами (узлами) сети происходит по беспроводной связи. Узлы сенсорной сети являются автономными.

Возможности использования беспроводных сенсорных сетей (БСС) простираются практически во все сферы деятельности человечества: 1. Системы безопасности и военные приложения; 2. Промышленный мониторинг; 3. Автоматизация строений (системы “умный дом”); 4. Логистика; 5. Экология и чрезвычайные ситуации; 6. Здравоохранение.

Основные особенности БСС:

1. Ограниченные энергетические, вычислительные и коммуникационные ресурсы узлов сети;

2. Малые габариты и вес узлов;

3. Автономное энергоснабжение узлов;

4. Низкая стоимость отдельных узлов сети;

5. Не требуется обслуживание сети и её узлов;

6. Большие масштабы (до сотен тысяч узлов) и масштабируемость сетей;

7. Высокая надёжность и отказоустойчивость сетей;

8. Устойчивость сетей к изменению топологии и изменению условий распространения радиоволн;

9. Работа с беспроводной сенсорной сетью из вне происходит как с единым целым.

Беспроводные сенсорные сети относятся к сетям класса WPAN (Wireless Personal Access

Network - беспроводные персональные вычислительные сети, [1]) и представляют собой сеть с дальностью связи между узлами обычно не превышающей 100 м.

2. Узлы сенсорной сети

На рис. 1 показана обобщённая структура узла сенсорной сети.

Рис. 1. Узел сенсорной сети

Узел беспроводной сенсорной сети содержит: 1. Вычислительный модуль; 2. Датчики (сенсоры); 3. Модуль беспроводной связи; 4. Модуль электропитания.

Вычислительный модуль. В узлах БСС в качестве вычислительного модуля используются микроконтроллеры, имеющие следующие характеристики:

1. Низкое энергопотребление в рабочем (миллиамперы) и энергосберегающих (микроамперы) режимах, гибкое управление потреблением;

2. Наличие аппаратных ресурсов достаточных для работы узла в составе сети;

3. Низкая стоимость микроконтроллера и внешних компонентов;

4. Малые габариты, для чего микроконтроллеры выпускаются в миниатюрных корпусах.

В настоящее время эти характеристики имеют некоторые 8-ми и 16-ти разрядные микроконтроллеры.

Датчики. Датчики (сенсоры) узлов сети предназначены для сбора информации об окружающей (узлы) среде. Датчики узлов разделяют на:

1. Пассивные: температуры, инфракрасные, влажности, акустические, биохимические, давления и др.;

2. Активные: ультразвуковые, инфракрасные с подсветкой, радиолокационные и др.

Модуль беспроводной связи. Модуль служит для организации беспроводной связи между

узлами сети. В качестве модуля беспроводной связи используют высокоинтегрированные приёмники, передатчики и приёмопередатчики, имеющие следующие основные характеристики:

1. Низкое энергопотребление;

2. Низкая стоимость приёмопередатчиков и используемых внешних компонентов;

3. Высокая степень интеграции;

4. Использование помехоустойчивых методов модуляции и кодирования информации.

Для организации беспроводной передачи данных в настоящее время используются высокоинтегрированные приёмники, передатчики и приёмопередатчики, работающие в не лицензируемых (ISM - Industrial, Scientific, Medical) диапазонах частот. В настоящее время в Российской Федерации на основании постановлений правительства РФ для этих целей выделены частоты 433,92+0,2% МГц, 868-868,2 МГц, 2.45 ГГц. Эти частоты могут использоваться без оформления соответствующего разрешения ГКРЧ (Г осударственная комиссия по радиочастотам).

Приемники и передатчики для частот 434 МГц и 868 МГц используют амплитудную и частотную манипуляцию. Наиболее распространенный диапазон скоростей передачи информации -1-10 кбит/с, у некоторых типов приемопередатчиков он достигает 100 кбит/с. Для кодирования информации, как правило, используют Манчестерский или Би-фазный коды.

Приёмники и передатчики для диапазона 2.45 ГГц используют частотную или фазовую манипуляцию. Скорость передачи данных обычно превышает 100 кбит/с. Для кодирования используются Би-фазный код, коды Баркера и др.

В табл. 1 приведены характеристики частотных диапазонов.

Таблица1

Параметр 434 МГц и 868 МГц 2.45 ГГц

Радиус действия До 1000 м До 100 м

Стоимость Низкая Высокая

Требования к точности изготовления антенны, согласованию с ней и параметрам компонентов Низкие Высокие

Скорость передачи До 100 кбит/с До 2 Мбит/с

Наличие разработанных стандартных протоколов Нет Есть

Ограничения на характеристики используемых приёмопередатчиков приведены в табл. 2. Ограничения введены решением ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001.

Таблица 2

Полоса частот Технические характеристики Дополнительные условия

Наименование Значение Размерность

433,075- 434,79 МГц Максимальная мощность 10 мВт

2400- 2483,5 МГц Внутри- офисные локальные сети Максимальная ЭИИМ 100 мВт Разрешается использование только в пределах зданий, сооружений, закрытых промышленных и складских площадках

Максимальный коэффициент усиления ан- 3,5 дБ

Тип антенны Ненаправленная интегральная, штыревая Ненаправленная интегральная, штыревая

2400- 2483,5 МГц Локальные сети Максимальная ЭИИМ 10 мВт

Максимальный коэффициент усиления антенны 3,5 дБ

Тип антенны Ненаправленная интегральная, штыревая Ненаправленная интегральная, штыревая

Ограничения введены для уменьшения взаимного влияния соседних БСС, для уменьшения влияния БСС на другие беспроводные сети, на различное оборудование (критичное к внешнему излучению) и на человека (в том числе на имплантированное медицинское оборудование).

За счёт помехоустойчивого кодирования происходит расширение спектра передаваемого сигнала.

Модуль электропитания. Модуль электропитания обеспечивает длительное (несколько лет) функционирование узлов сети.

На данный момент для энергообеспечения узлов сети используются гальванические элементы, т.к. они способны отдавать достаточно большую мощность и имеют низкую стоимость.

Исполнительные устройства. Исполнительные устройства узлов сенсорной сети служат для воздействия на окружающую среду. В качестве исполнительных устройств могут служить индикаторы, приводы, различные механизмы и т. д.

Узел сенсорной сети с исполнительными устройствами называется актуатором (устройством способным влиять на окружение, на объект).

3. Архитектура беспроводных сенсорных сетей

В каждой беспроводной сенсорной сети может быть только одно устройство-координатор. Основная задача координатора заключается в установке параметров и создании сети, выборе основного радиочастотного канала, в задании уникального сетевого идентификатора. При этом

координатор является наиболее сложным устройством, обладает наибольшим объемом памяти и повышенным энергопотреблением (питание от сети).

Маршрутизаторы используются для расширения радиуса действия сети, поскольку способны выполнять функции ретрансляторов между устройствами, расположенными далеко друг от друга.

Существуют следующие топологии беспроводных сенсорных сетей:

1. Точка-точка (связь между двумя узлами сети);

2. Звезда (связь узлов сети с одним «главным» узлом);

3. Кластерное дерево;

4. Одноранговая многоячейковая сеть.

Соединения типа точка - точка и звезда подходят для самых простых приложений, обладают минимальной стоимостью, максимально низким энергопотреблением и позволяют использовать стратегию стандартного множественного доступа. В каждой сети с топологией звезда имеется один координатор сети.

Топология кластерное дерево обеспечивает масштабируемость сети и расширение зоны покрытия, не требуя дополнительных затрат на инфраструктуру. Сеть типа кластерное дерево может включать в себя несколько подсетей с топологией звезда.

При многоячейковой топологии нет выделенных маршрутизаторов и любой сетевой узел может выполнять функции маршрутизатора для других устройств в сети. Однако в многоячейковой сети срок службы узлов уменьшается за счет увеличенной вычислительной нагрузки и увеличения частоты использования приёмопередатчика.

4. Моделирование сенсорных сетей

Моделирование позволяет существенно снизить временные и финансовые затраты на разработку и отлаживание сенсорных сетей.

Обобщенная структура системы моделирования показана на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная структура системы моделирования

Компоненты системы моделирования: 1. Менеджер событий узлов сети; 2. Модель узла сети; 3. Модель канала связи; 4. Программная часть сбора и хранения событий сети, состояния узлов и т.д.; 5. Графическая оболочка.

Менеджер событий. Служит для выдачи событий (событий на датчики) узлам сети с заданной частотой и в соответствии с параметрами узлов (их датчиков).

Модель узла сети. Служит для симуляции функционирования узлов реальных сетей.

Имеет следующие свойства: координаты в пространстве (х,у) или (х,у,7), заряд батареи (в мАч), мощность передатчика Р^ашш* в Вт или в дБм, потребление при передаче данных (работает передатчик) в мА, чувствительность приёмника Р^вИоМ в дБ (минимальный уровень отношения сигнал-шум, при котором возможен приём), энергетические затраты на приём данных, период активной работы (как часто узел выходит из энергосберегающего режима в активный), длительность работы в активном режиме (с), энергозатраты в активном режиме (мА), затраты на работу в энергосберегающем режиме (мА), затраты энергии на обработку событий от датчиков (мА), уникальный адрес узла, задержка при приёме пакетов (с), задержка на передачу пакетов (с), задержка на обработку событий (с), состояние узла (режим работы, работоспособность), длина передаваемых пакетов (в битах).

Каждый узел сети может находиться в нескольких режимах работы. Режимы работы сменяются самим узлом или под воздействием внешних событий. Режимы работы и переходы между ними могут быть представлены в виде автомата как упрощенно показано ни рис 3.

Рис 3. Режимы работы узла БСС

Режимы узла:

1. Инициализация - действия, производимые узлом при включении.

2. Энергосберегающий режим - режим с минимальным энергопотреблением; наиболее энергопотребляющие элементы узла в этом режиме выключены.

3. Активный - узел сети включён, выполняет обработку данных поступающих от датчиков или поступивших по каналу связи.

4. Передача - режим передачи данных к другим узлам.

5. Приём - приём данных от других узлов сети.

6. Неработоспособное состояние узла - возникает при разряде источника питания (батареи). Режим не отображён на рис. 3.

Модель канала связи. Модель обеспечивает передачу пакетов данных между узлами с учётом затухания сигнала, внесение ошибок в пакеты данных, потерю пакетов. Модель канала связи имеет свойство занятости (по уровню сигнала).

Затухание сигнала в канале связи на стороне приёмника может быть определено как [2]:

где: Ргесе^е - мощность сигнала на стороне приёмника; Р^ш^й - мощность сигнала на стороне передатчика; ё - расстояние между передающим и принимающим узлом; у - степень затухания (типичное значение от 2 до 5); а - случайная величина с нормальным распределением и средним значением равным 0, зависящая от расстояния между узлами; Ь - случайная величина с нормальным распределением и средним значением равным 0, зависящая от времени.

Пакет данных считается принятым, если уровень сигнала на приёмнике больше уровня чувствительности приёмника: Ргесе;уе > Рлг^ма.

Программная часть сбора и хранения событий и состояния сети. Служит для сбора и сохранения информации о моделируемой сети в процессе её работы.

Графическая оболочка. Обеспечивает размещение (автоматически или вручную) узлов в пространстве, задание параметров сети, задание параметров менеджера событий, отображение состояния узлов сети, отображение событий сети и передаваемых пакетов данных.

В качестве примера можно привести графическую оболочку программы моделирования БСС Рго’^ег [3], разработанной в 1818 (Бегк1еу). Программа Рго’^ег работает в среде Ма1ЬаЬ (версия 6.5 и выше). Программа позволяет задавать параметры радиоканала, задавать параметры сетей (только фиксированных), сохраняет события, возникающие в сети, имеет графическое отображение функционирования сети.

Верификация модели сети. Важным при моделировании БСС является соответствие используемой модели реальным сетям. В наибольшей мере это относится к модели канала связи. Для разрешения этого вопроса требуется реализовать проверку результатов моделирования сети относительно результатов работы реальной беспроводной сенсорной сети. Для реализации такой проверки необходимо организовать в реальной сети сбор и сохранение параметров работы, таких как: координаты узлов сети, первоначальный заряд батарей узлов сети, мощность передатчиков Рц-а^т узлов, потребление узлов при передаче данных, чувствительность приёмников Рцш^ма узлов сети, затраты на приём данных узлами, период активной работы каждого узла, длительность работы в активном режиме, энергозатраты в активном режиме, затраты на работу в энергосберегающем режиме, затраты энергии на обработку событий от датчиков, задержка при приёме пакетов, задержка на передачу пакетов, задержка на обработку событий, длина передаваемых пакетов данных, мощность сигнала на стороне приёмника Ргесе;уе, текущий заряд батареи и др.

Параметры, не изменяющиеся во времени, сохраняются единожды при инициализации сети.

Для организации сбора изменяющихся во времени параметров сети, каждый её узел должен передавать информацию о своем состоянии базовой станции (координатору сети). Далее базовая станция может передать эту информацию за пределы сети. Для сбора информации о работе сети возможно так же использовать устройство, именуемое сниффером (анализатором трафика). Это устройство, которое работает только на приём и получает все передаваемые в сети пакеты данных, независимо от их адресов источников и адресов получателей.

Для корректировки модели канала связи необходимо набрать отсчёты для каждого узла сети с учётом времени и расстояния между узлами. Такие отсчёты должны содержать мощности передатчиков Р^^ть уровни сигнала на приёмниках Ргесе;уе, дистанцию между передающим и принимающим узлами, время при котором происходит передача пакета.

ЛИТЕРАТУРА

1. IEEE 802.15 Working Group for WPAN, http://www.ieee802.org/15/.

2. G Simon, Simulation-based optimization of communication protocols for large-scale wireless sensor networks, IIEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, March 8-15, 2003.

3. G Simon, Probabilistic wireless network simulator, 2003, http://www.isis.vanderbilt.edu/pojects/nest/prowler.

4. IEEE 802.15.4-2003 Standard, http://www.standarts.ieee.org.getieee802/download/802.15.4-2003.pdf.

REVIEW OF WIRELESS SENSOR NETWORK

Dyadunov A.N. Kuznetsov K.N.

Review of wireless sensor network, their structure and components has carried out. The description of modeling system of wireless sensor network networks is given.

Сведения об авторах

Дядюнов Александр Николаевич, 1944 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (1968), кандидат технических наук, доцент кафедры информационных систем и телекоммуникаций МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 80 научных работ, область научных интересов - теоретическая информатика, математические методы моделирования систем передачи информации.

Кузнецов Константин Николаевич, 1983 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2007), аспирант кафедры информационных систем и телекоммуникаций МГТУ им. Н.Э. Баумана, область научных интересов - система передачи информации.