|
2.1.2 Основные стандарты в области БСС
Изначально возникнув в качестве обобщенной концепции умной пыли (Smart Dust) [1], сенсорные сети постепенно обретали конкретные очертания и на сегодняшний день являются достаточно хорошо стандартизованными. Рассмотрим основные из существующих стандартов.
Стандарт IEEE 802.15.4 [1] является сегодня основным в области сенсорных сетей. Он описывает физический и канальный уровни эталонной модели OSI [15]. Более высокие уровни дополняются в других стандартах, например, ZigBee [3]. Стандарт предусматривает работу в трех частотных диапазонах: один канал 868,0 - 868,6 МГц, 10 каналов в диапазоне 902 - 928 МГц и 16 каналов в диапазоне 2400 - 2483,5 МГц.
Сеть стандарта IEEE 802.15.4 содержит два типа устройств – полнофункциональные (FFD - Full Function Device) и устройства с уменьшенной функциональностью (RFD - Reduced Function Device). По принципу FFD работают координатор и маршрутизаторы сети, по принципу RFD - оконечные устройства. Каждая сеть имеет свой идентификатор (PAN ID - personal area network ID).
Сеть, состоящая из одного FFD и нескольких RFD, образует топологию типа «звезда» (рисунок 2.1, а). Если в сети несколько FFD, топология может быть более сложной. В общем случае она имеет вид одноранговой сети P2P (peer-to-peer) или «каждый с каждым» (рисунок 2.1, б). Последний вид топологии также возможен в виде объединения нескольких звездообразных кластеров.
На практике часто применяется древовидная топология.
Рисунок 2.1 - Виды топологий сетей стандарта IEEE 802.15.4
У каждого устройства сети есть уникальный 64-разрядный MAC-адрес, который, как правило, записывается в ПЗУ производителем. 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).
В общем случае суперфрейм включает управляющий интервал (beacon), за ним следует интервал конкурентного доступа в соответствии с механизмом CSMA/CA (случайный множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий) [4] 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. Более подробно форматы фреймов рассматриваются во второй главе диссертации с точки зрения расчета потребляемой мощности устройств.
Стандарт ZigBee [5] дополняет верхние уровни эталонной модели OSI, используя IEEE 802.15.4 в качестве своей основы. В частности, спецификация определяет алгоритмы маршрутизации в ячеистой сети, когда между парой узлов может быть несколько маршрутов [20].
Учитывая сильную ограниченность в ресурсах сенсорных узлов и небольшую пропускную способность канала связи, исключающие возможность регулярного обмена служебной информацией, используется специальный протокол маршрутизации AODV [9] с вычислением маршрута по требованию.
Согласно данному протоколу, перед тем, как отправить данные удаленному узлу, 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 сервисов пользовательского уровня, направленное на обеспечение совместимости оборудования разных производителей. С этой целью под конкретные целевые приложения были разработаны профили, например Smart Energy, Home Automation, Healthcare и другие [20].
Появлению стандарта EnOcean[8] способствовали два основных фактора:
а) создание микроконтроллеров и приемопередатчиков с очень малой
потребляемой мощностью, измеряемой нановаттами;
б) создание преобразователей альтернативной энергии малых размеров (Micro Energy Harvesters, MEH) [9]. На настоящий момент наиболее эффективными являются конверторы на основе пьезомеханических генераторов, фотоэлементов, термоэлектрических преобразователей Пелетье.
Как следствие, стало возможным создание полностью автономных устройств сбора данных. На рисунке 2.2 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 используют нелицензируемый 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 возникновения коллизий. Однако несмотря на все преимущества автономной работы данный стандарт пока не получил широкого распространения из-за ряда причин:
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).
Рисунок 2.2 - Приемопередатчик стандарта EnOcean
Проведенный анализ стандартов показывает, что сенсорные сети по базовым алгоритмам работы идентичны другим цифровым беспроводным сетям с разделяемым доступом к среде передачи. Таким образом, при моделировании процесса передачи данных можно применять разработанные ранее модели.
В то же время БСС рассчитаны на передачу небольших объемов данных с малой частотой - это позволяет переводить устройства в режим низкого энергопотребления для увеличения времени их автономной работы. Поэтому актуальной задачей является исследование и разработка моделей, описывающих сеть с точки зрения мощности, потребляемой устройствами.
Do'stlaringiz bilan baham: |
