Розділ 1 аналіз основних принципів побудови радіомереж asnet

Низькошвидкісна персональна радіомережа Low Rate Wireless Personal Area Network - LR WPAN (що має назву ASNET), на відміну від локальних радіомереж WLAN що не вимагає інфраструктури, пропонує реалізацію малогабаритних, енергоефективних, недорогих рішень для широкого спектру практичних завдань автоматизації і збору інформації, які вимагають контролювати стан безлічі датчиків або виконавчих пристроїв, розміщених на великих відстанях, і до яких складно або небажано підводити дротяні лінії. ASNET - це розподілена мережа, що здатна до самоорганізації, яка об'єднує між собою за допомогою радіоканалів в єдину мережу тисячі датчиків і виконавчих пристроїв, що не вимагають передач великих об'ємів інформації, - аби вони були простими, дешевими, з наднизьким споживанням енергії і з нескладним механізмом підключення до мережі. Економічна, автономна і надійна мережа ASNET зі швидкістю передачі 250 Кбіт/с на базі стандартів LR_WРAN і DQDB_R забезпечує автоматизацію виробництва і збір даних від різних типів датчиків.

Мережа ASNET використовує два типи радіомодулів на базі РМК JN5148 з радіотрансиверами, що працюють на радіоканалах 11-26 безліцензійного радіодіапазону 2.4-2.5 ГГц з модуляцією O-QPSK: вузли і сенсори. Сенсори мають інтерфейси для підключення датчиків (температури, тиску, освітленості, рівня вібрацій, місця розташування і т. п.), тоді як для вузлів ці інтерфейси не використовуються.

Технологія ASNET-радіомережі збору і передачі вимірювальних даних від датчиків орієнтована на передачу за розкладом невеликих об'ємів інформації від безлічі джерел. Вузли і сенсори мережі ASNET мають тільки акумуляторне

живлення і більше 99 % часу знаходяться в сплячому режимі з низьким рівнем споживання енергії, забезпечуючи тим самим тривалішу роботу акумуляторів. Розвиток і модернізація мережі ASNET не вимагають заміни вже створеної апаратури.

Стандарт IEEE 802.15.4 дозволяє створити LR_WPAN із швидкістю передачі даних 250 кбіт/с при радіусі дії вузлів мережі до 500 м. Стандарт орієнтований на розробку дешевих радіомодулів, що працюють від автономного енергоживлення з низьким споживанням. Використовуються короткі 16 байт контейнери, кадри ≤ 118 байт і пакети даних ≤ 240 байт. Передача коротких пакетів ─ відмінна риса систем управління, моніторингу і збору даних від сенсорів.

1.1. Проблеми розробки мережі радіодатчиків asnet і методи їх вирішення.

Мережі ASNET мають специфіку їх розгортання і технічного обслуговування порівняно з іншими мережевими технологіями. Урахування цієї специфіки спрощує інженерний процес розробки мереж. Проблеми впровадження мереж ASNET усуваються під час їх розробки з ухваленням нових технічних рішень:

• масштабування мережі. Число сенсорів мережі ASNET, що обчислюється тисячами, вимагає організації іншого управління мережею і істотно відображається на технічному обслуговуванні мережі з використанням нових засобів діагностики. Мережа ділиться на рівні, порівнянні з топологією розміщення датчиків (наприклад, це тунелі і штреки в шахтах або проспекти і вулиці в місті);

• маршрутизація. Мережа ASNET будується базі двонаправлених радіошин (радіотрактів) з протоколом DQDB_R, що об'єднуються в mesh -кластер у фазі передачі даних процедурами вибору маршрутів і векторної маршрутизації з включенням маршрутних карт в мережевий заголовок пакету; це рішення не вимагає створення таблиць маршрутизації в роутерах (замість них в кінцевих точках маршруту створюються таблиці відкриття і реєстрації маршрутів), звільняючи до 80 % пам'яті радіомодуля. Роутери мережі ретранслюють пакети з вбудованою в мережевий заголовок маршрутною картою від одного вузла до іншого, при цьому область покриття мережі ASNET досягає десятків кілометрів. Принаймні один вузол радіотракту повинен мати функцію маршрутизації, яка включається у вузлі дистанційно або локально.

У традиційних схемах вибору маршруту не враховується питання економії пам'яті радіочіпів, витрати енергії і ефективної обробки даних, і тому такі рішення не використовуються в датчиковиї мережах. Довжина маршруту має бути мінімальною і він повинен активуватися тільки при необхідності:

• асоціація. Відмова від асоціації усіх вузлів мережі під управлінням єдиного координатора кластера, а замість цього введена організація автономного радіотракту під управлінням власного координатора радіотракту з функцією генератора суперкадрів. Надалі координатор кластера мережі управляє не кожним вузлом мережі, а тільки координаторами радіотрактів, виконуючи лише функції виділення мережевих адрес і концентрації потоків даних від радіотрактів (не обов'язкова умова), що пролягають нижче. Виділення і перепризначення адрес вузлам і сенсорам під час асоціації виконується автоматично.

• фрагментація. Можливість ділення довгих повідомлень на частини (пакети, кадри, контейнери) для реалізації взаємодії з іншими протоколами і системами.

• форматування. Замість MAC-суб'єктів мережі радіомаяк і слот суперкадру згідно IEEE 802.14.5 їх функцій об'єднані в одному суб'єкті суперкадр радіотракту, що різко спрощує як протокол, так і ПЗ канального рівня. Крім того, функціональні поля MAC-маяка і більшість команд побудови радіотракту передаються не в окремих MAC-кадрах команд, а в ізохронному слоті суперкадру.

• відмовостійкість. Датчики розташовуються у відкритих і закритих місцях, і працюють в тяжких умовах експлуатації. Вони м.б. похоронені під гірськими породами, їх можуть вкрасти або зруйнувати вандали. Запропонована конфігурація, при якій мережа продовжить працювати, навіть якщо один або більше вузлів вийдуть з ладу. Вводиться динамічне управління рівнем потужності передавача, що дозволяє працювати в нормальних умовах зі зниженим рівнем, а при аварії і виході з ладу вузла-сусіда потужність збільшується до рівня, що дозволяє встановити надійну ланку зв'язку з наступним за списком вузлом. Радіотракт при його розриві може провести ділення на незалежні сегменти, які намагатимуться встановити зв'язок з іншими суміжними радіотрактами або перейти на обхідні маршрути.

• локалізація. Додатки для шахт і міського транспорту вимагають ввести функцію позиціонування датчиків (як стаціонарних, так і мобільних) один відносно одного. Ця проблема також вирішена;

Позиціонування мобільного суб'єкта в мережі ASNET c топологією "line-mesh".

• зручність розгортання. Переваги радіомереж - це їх вартість і час розгортання. У стек ASNET закладений механізм самоорганізації мережі в довільній або заздалегідь заданій топології. Можна або задати бажану примусову топологію мережі, яка зрозуміла операторові, обслуговуючому персоналу і може бути нанесена на плани об'єкту, або включити усі вузли в довільному порядку, дозволивши системі самій побудувати маршрути для ретрансляції пакетів.

• висока оперативність доставки пакетів  1 с на доставку повідомлення ALARM в межах одного радіотракту з 48 вузлів і N+1 с в межах кластера c N -рівневою ретрансляцією.

• енергоефективність з точки зору мінімізації енергоспоживання. Ефективність використання енергії дуже важлива, так як сенсори і вузли забезпечені малопотужними джерелами живлення (акумуляторами) з обмеженим ресурсом і часто немає можливості підключити радіомодуль до електромережі. Програмні рішення дозволяють оптимізувати споживання радіомодулів за рахунок економії енергії в режимі сну. Перевага цих рішень використання апаратних можливостей інтелектуальних сенсорних чіпів.

Енергоспоживання вузлів, стаціонарних і мобільних сенсорів мережі ASNET - тільки від акумуляторів, що вимагає розробки складних і ефективних протоколів синхронізації вузлів і маршрутизації пакетів, коли число вузлів в кластері досягає декількох тисяч (у проекті максимум 6000 вузлів і 30000 сенсорів).

Протоколи ASNET орієнтовані на застосування в системах з автономними сенсорами, тому велика увага при розробці протоколів приділена енергозбереженню. Це дозволить забезпечити автономну роботу сенсора (без індикації) на протязі 6 років без заряджання при 1 с циклі суперкадру з ємністю 8 А/ч акумулятора c обліком коефіцієнта утилізації. Термін служби реального датчика з частотою відгуків АЦП 20 Гц і передачею вимірів раз в 1 хв складе 6 років. Наприклад, датчик температури спить 1 хвилину, потім передає інформацію впродовж 6 мсек і знову йде в сплячий режим. Таким чином, 99.99 % часу споживання струму сенсором мінімальне (одиниці мікроампер). Акумулятор може відновити частину енергії в проміжках між роботою. Алгоритм роботи радіомережі дозволяє продовжити життя акумулятора до 10 років.

Тривалий час автономної роботи вузла радіотракту з акумуляторним живленням (до 3 років) досягається за рахунок того, що велику частину часу вузол проводить в "сплячому режимі", практично не споживаючи енергії, і лише зрідка прокидається для прийому/обробки/передачі суперкадру і слотів GTS.

Енергоспоживання вузлів, що застосовують як елементи живлення акумулятори, зменшується внаслідок циклічного режиму роботи, який забезпечується суперкадрами радіотракту.

Для забезпечення терміну служби акумуляторів впродовж 6 років необхідно, щоб вузол мав активний режим не більше 1/100 від сумарного часу роботи. Якщо передача даних по рівнях мережі проводиться за розкладом і послідовно, то в один і той же момент часу в активному стані знаходяться лише ті вузли, через які запланована передача. При циклі суперкадру 1 с і довжині слота 10 мсек (найгірший випадок) шпаруватість складе 1:100, а при циклі 30 с ─ 1:3000. Цей механізм дозволить розробникам програмних Додатків дотримувати баланс між економією електроенергії і циклом передачі суперкадрів. Для вузлів, що мають джерело постійного живлення від мережі, циклічний режим позбавлений всякого сенсу, так як. вузли-роутери постійно залишаються на зв'язку.

• вартість. У мережах для шахт і міського транспорту необхідно розміщувати тисячі датчиків в одному кластері. В результаті вартість проекту стає надмірною і її важко обґрунтувати. Мережі для управління освітленням і зчитування показників датчиків витрати води/тепла використовують також велике загальне число датчиків, але їх значно менше в окремо взятому кластері (будинок): максимум 240 вузлів і 2000 сенсорів.