Диссертация (1137248), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Для упрощения обмена внутри сети координатор может назначать устройствам более короткие 16-разрядные адреса. Информационный обмен в сети происходит посредством последовательности так называемых суперфреймов (superframe).15В общем случае суперфрейм включает управляющий интервал (beacon), заним следует интервал конкурентного доступа в соответствии с механизмомCSMA/CA (случайный множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий) [51] и период назначенного доступа. Последний содержит набор временных интервалов, назначенных определенным устройствам,чувствительным к задержкам, для передачи данных (гарантированные таймслоты, GTS).Каждое устройство передает информацию посредством фреймов (пакетов).
Они могут быть четырех типов – управляющие, фреймы данных, фреймы подтверждения приема данных и фреймы команд MAC-уровня. Болееподробно форматы фреймов рассматриваются во второй главе диссертации сточки зрения расчета потребляемой мощности устройств.ZigBee/ZigBee ProСтандарт ZigBee [83] дополняет верхние уровни эталонной модели OSI,используя IEEE 802.15.4 в качестве своей основы.
В частности, спецификацияопределяет алгоритмы маршрутизации в ячеистой сети, когда между паройузлов может быть несколько маршрутов.Учитывая сильную ограниченность в ресурсах сенсорных узлов и небольшую пропускную способность канала связи, исключающие возможность регулярного обмена служебной информацией, используется специальный протокол маршрутизации AODV [59] с вычислением маршрута по требованию.Согласно данному протоколу, перед тем, как отправить данные удаленномуузлу, происходит обнаружение наилучшего пути через рассылку специального запроса на передачу. Это позволяет избежать постоянного хранения больших по объему таблиц маршрутизации в памяти узлов.Другой спецификой стандарта ZigBee является детальное описание сер16висов пользовательского уровня, направленное на обеспечение совместимостиоборудования разных производителей.
С этой целью под конкретные целевые приложения были разработаны профили, например Smart Energy, HomeAutomation, Healthcare и другие.EnOceanПоявлению стандарта EnOcean[84] способствовали два основных фактора:1. Создание микроконтроллеров и приемопередатчиков с очень малой потребляемой мощностью, измеряемой нановаттами.2. Создание преобразователей альтернативной энергии малых размеров(Micro Energy Harvesters, MEH) [75]. На настоящий момент наиболееэффективными являются конверторы на основе пьезомеханических генераторов, фотоэлементов, термоэлектрических преобразователей Пелетье.Как следствие, стало возможным создание полностью автономных устройствсбора данных. На рис.
1.2 показан пример полностью автономного приемопередатчика, работающего от миниатюрной солнечной батареи.Устройства на базе стандарта EnOcean могут работать на разных частотах, наибольшее распространение получили те из них, которые используютнелицензируемый в Европе диапазон 868 МГц.Цифровой пакет данных стандарта EnOcean представляет собой телеграмму размером 14 байт и передаваемую со скоростью 120 кбит/с. Случайный алгоритм доступа к среде, затрачивающий на непосредственную передачу данных менее 5 мс, характеризуется низкой вероятностью возникновенияколлизий. Однако несмотря на все преимущества автономной работы данныйстандарт пока не получил широкого распространения из-за ряда причин:17Рис.
1.2. Приемопередатчик стандарта EnOcean∙ Более высокая стоимость оборудования из-за использования преобразователей альтернативной энергии.∙ Малые размеры сетей.∙ Низкая скорость и небольшая дальность передачи (типовые значения до 30 м в помещениях и 300 м на открытой местности).Проведенный анализ стандартов показывает, что сенсорные сети по базовым алгоритмам работы идентичны другим цифровым беспроводным сетям сразделяемым доступом к среде передачи. Таким образом, при моделированиипроцесса передачи данных можно применять разработанные ранее модели.В то же время БСС рассчитаны на передачу небольших объемов данныхс малой частотой - это позволяет переводить устройства в режим низкогоэнергопотребления для увеличения времени их автономной работы. Поэтомуактуальной задачей является исследование и разработка моделей, описывающих сеть с точки зрения мощности, потребляемой устройствами.1.1.3.
Модели передачи данных в БССПринято выделять четыре базовых модели сбора данных в БСС:181. Cобытийная модель используется в сетях, фиксирующих некоторыесобытия в определенной области, например срабатывание тревожногодатчика, выход физического параметра за допустимый диапазон, близость разряда аккумулятора и ряд других. Важной особенностью является то, что в общем случае точное время наступления событий никакнельзя предсказать, поэтому при исследовании сетей используются вероятностные характеристики возникновения событий как случайногопроцесса. Как правило, к самой сети предъявляются некоторые требования по максимальной задержке передачи информации о событии вцентр сбора данных.2.
При передаче по расписанию, так же как и в событийной модели,процесс отправки сообщений инициируется элементами системы, а нецентром сбора данных, однако он привязан к некоторому расписанию,что дает возможность синхронизировать работу узлов сети.3. Сбор данных по запросу применяется в системах, накапливающих информацию о некотором явлении, чтобы затем по требованию передатьее в центр. Примерами могут служить система экологического мониторинга, система мониторинга строительных конструкций и подобные им.Задержки передачи данных, как правило, некритичны.4. Часто применяется гибридная модель, сочетающая в себе особенностипервых трех.
Например, тестовые сообщения о состоянии сети могут передаваться через фиксированные интервалы, в то же время информация о возникающих событиях передается согласно событийной модели.Далее в диссертационной работе рассматриваются сети, работающие попервым двум моделям, то есть любая передача данных инициируется элементами системы, а не центром сбора данных.191.2. Понятие времени жизни сетиКонцепция сенсорных сетей предполагает, что любой узел работает отавтономного источника питания. Если таким источником является обычныйаккумулятор (типоразмеры AA, AAA и подобные) с непополняемой в процессе работы энергией, то в определенный момент времени он разряжается иавтономное устройство перестает работать.
Так как любой элемент сети выполняет некоторый набор задач, изначально возложенный на него, выход изстроя может означать следующее:∙ В случае, если набор задач, выполняемый узлом некритичен, то можноговорить о падении качества обслуживания сети (временном или окончательном). Понятие качества обслуживания (QoS), в том числе применительно к БСС, подробно исследуется в работе [28]. Временное падениекачества обслуживания предполагает, что через некоторое время задачи вышедшего из строя узла будут переложены на другие устройствасети.
При окончательном падении качества обслуживания сеть перестает выполнять одну или несколько функций.∙ Если узел является ключевым звеном системы, например, выполняязадачи маршрутизации большого числа потоков, то его отказ и невозможность динамической замены означает отказ всей сети.Так как в общем случае все элементы БСС являются автономными, обязательно наступает момент, когда сеть более не может решать возложенныена нее задачи.
Время от начала работы сети до данного момента называется временем жизни или временем автономной работы сети (network lifetime).Проблема заключается в том, что в каждом отдельном случае момент выходасети из строя может определяться по-разному, в зависимости от требованийк качеству обслуживания.20В связи с вышеописанным важно также сказать о двух ключевых функциях сенсорных сетей - самоорганизации и самовосстановлении. Самоорганизация представляет собой процесс самостоятельного образования, настройкии поддержания работы беспроводной сети с динамическим регулированиемпараметров и логики ее работы в зависимости от внешних факторов [16].Целью самоорганизации является создание автономной, автоматически настраиваемой сети, которая после развертывания может функционировать безвмешательства оператора.Самовосстановление тесно связано с самоорганизацией и предполагает,что при выходе из строя отдельных узлов сети через определенный интервалвремени сеть перестраивается и снова начинает выполнять возложенные нанее функции.Функции самоорганизации и самовосстановления, как правило, описываются в стандартах сетевого уровня эталонной модели OSI.При решении практических задач на базе автономных БСС возникаютдве основные задачи, связанные в показателем времени жизни:1.
Оценка предполагаемого времени жизни сети при заданных характеристиках аппаратных средств и алгоритмах ее работы.2. Увеличение времени жизни за счет применения ряда методов и алгоритмов.Исследование понятия времени жизни сети и связанных с ним задач является одним из основных вопросов настоящей диссертационной работы. Такво второй главе описывается методика расчета времени жизни отдельных элементов сети и даются подходы к определению времени жизни сети в целом,предлагается новое определение, учитывающее способность БСС к самовосстановлению (см. раздел 2.4.5).
В данном же разделе остановимся на рядесмежных вопросов.21В частности, следует упомянуть о связи понятия времени жизни с понятием энергоэффективности (energy efficiency) для сенсорных сетей. Энергоэффективность часто употребляется в качестве характеристики стандартов,алгоритмов и протоколов, а ее достижение или повышение ставится в качестве одной из задач технических проектов в самых разных областях.На сегодняшний день универсального определения понятия энергоэффективности нет - оно зависит от конкретной предметной области, тем неменее часто используется следующий подход: энергоэффективность определяется тем, насколько рационально в некоторой системе используется предоставляемая ей извне энергия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
