Сенсорні мережі. Бездротові сенсорні мережі (БСС). Самозарядні сенсорні пристрої

Вже близький той день, коли сотні мільйонів напівпровідникових сенсорів будуть інтегруватися в усі, що тільки можливо, починаючи від брелока на ключі і закінчуючи дитячим візком. І всі вони будуть в змозі не тільки виступати в ролі інтелектуальних датчиків, а й виконувати первинну обробку інформації, а також взаємодіяти один з одним, утворюючи єдину бездротову сенсорну мережу. При цьому такі датчики практично не будуть споживати електроенергію, так як вбудованих мініатюрних акумуляторів буде вистачати на кілька років, тобто на весь термін роботи сенсорів. Це буде концептуально новий тип комп'ютерної системи, Що функціонує за допомогою бездротової сенсорної мережі. Таку мережу прийнято називати Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Термін Ad-hoc запозичений з сучасних бездротових мереж, що діють, наприклад, в стандарті IEEE 802.11b. Такі бездротові мережі мають два режими взаємодії: режим Infrastructure і Ad-hoc. У режимі Infrastructure вузли мережі взаємодіють один з одним не безпосередньо, а через точку доступу (Access Point), яка виконує в бездротової мережі роль своєрідного концентратора (аналогічно тому, як це відбувається в традиційних кабельних мережах). У режимі Ad-hoc, який також називається Peer-to-Peer ( «точка-точка»), станції безпосередньо взаємодіють один з одним. Відповідно і в бездротових сенсорних мережах режим Ad-hoc означає, що всі сенсори безпосередньо взаємодіють один з одним, створюючи своєрідну стільникову мережу

бездротові сенсорні мережі - це своєрідний крок на шляху переходу в наступну епоху - коли комп'ютери будуть безпосередньо з'єднані з фізичним світом і зможуть вгадувати бажання користувачів, а також приймати за них рішення.
Давайте трохи помріємо, що принесуть нам такі сенсорні мережі в майбутньому. Уявіть собі дитячі ліжечка, котрі слухають дихання немовлят; браслети, що стежать за станом пацієнтів в клініці; детектори диму, які можуть не тільки в разі потреби викликати пожежників, а й заздалегідь проінформують їх про вогнище загоряння і ступеня складності пожежі. Електронні пристрої зможуть розпізнавати один одного, джерела живлення будуть нагадувати про те, що їм необхідно «підкріпитися».

Уявіть сотні тисяч сенсорних датчиків, об'єднаних в загальну мережу в лісі. В такому лісі просто неможливо буде заблукати, оскільки пересування людини буде фіксуватися, і аналізуватися датчиками. Інший приклад - датчики в поле, налаштовані на контроль за станом ґрунту і в залежності від мінливих умов регулюють полив і кількість внесених добрив.
Не менш корисними будуть сенсорні мережі на дорогах. Спілкуючись один з одним, вони зможуть регулювати потік машин. Це ж мрія будь-якого водія - дороги без пробок! Такі мережі зможуть справлятися з цим завданням значно ефективніше, ніж будь-яке відомство. проблема контролю
правопорушень на дорогах вирішиться при цьому сама собою.

Використання сенсорних мереж для управління електропостачанням дозволить досягти неймовірної економії електроенергії. Уявіть собі таку керуючу мережу у вас в квартирі. Відстежуючи ваше місцезнаходження, датчики зможуть всюди вимикати за вами світло і включати його в міру необхідності. Ну а якщо використовувати такі мережі для контролю освітлення вулиць і доріг, то проблема нестачі електрики зникне сама собою. Для того, щоб сенсорні мережі стали реальністю завтрашнього дня, дослідження в цьому напрямку ведуться вже сьогодні. І лідером в цій області є корпорація Intel, яка підтримує всі передові комп'ютерні технології майбутнього. Особливу увагу, приділяючи розробці бездротових багато вузлових сенсорних мереж, здатних до самостійного автоматичного формування та налаштування в міру необхідності. Реалізація цієї технології дозволить розгорнути мережу недорогих, але при цьому вельми складних напівпровідникових сенсорних пристроїв, які зможуть самостійно встановлювати зв'язок один з одним, доповідаючи про ті чи інші зміни в навколишньому середовищі. Наприклад, сенсор Mica оснащується 128 кілобайтами програмою флеш-пам'яті, 256 кілобайтами флеш-пам'яті для зберігання даних і радіопередавачем, що працює на частоті 900 МГц.
Деякі з цих пристроїв працюють під управлінням операційної системи
TinyOS, код цієї операційної системи є відкритим і складається всього з
8.5 КБ.

Такі пристрої знайдуть застосування в принципово нових областях, наприклад в розробці інтелектуальних предметів одягу, підключених ковдр, які будуть стежити за станом здоров'я новонародженого і повідомляти найважливіші показники його життєдіяльності, інтелектуальних фермерських господарств, в яких напівпровідникові датчики, встановлені в грунті, займуться управлінням іригаційної
системою і внесенням добрив. Дослідженням сенсорних мереж в корпорації Intel займається
знаменита дослідницька лабораторія Intel Berkeley Research laboratory, розташована в штаті Каліфорнія. Існуючі сьогодні експериментальні сенсорні мережі лише частково задовольняють вищевикладеним вимогам. Так, на сьогоднішній день мережі складаються тільки з сотень сенсорів з обмеженою зоною покриття і виконують лише чітко визначені завдання. Вони здатні передавати лише певний тип інформації від одного датчика до іншого і тільки в заданій смузі пропускання. Споживання енергії також можна назвати мізерно малим
- заряду батареї вистачає всього на кілька днів. Існуючі сенсорні датчики поки ще досить інертні, а про високу надійність і непомітності в експлуатації (хоча б через розміри) і мови не йде. Ну і, звичайно ж, такі сенсори коштують досить дорого, так що мережа, що складається із сотні сенсорів, обходиться недешево. Але треба пам'ятати, що мова йде про експериментальні мережах і про розвиток технології майбутнього. У той же час експериментальні сенсорні мережі вже зараз приносять користь. Одна з таких сенсорних мереж, створена спільними зусиллями дослідницької лабораторії Intel Berkeley, інститутом Атлантики і Каліфорнійським університетом, діє на Великому качиному острові (Great Duck Island) в штаті Мен.

Завдання цієї мережі - вивчення мікросередовища проживання різних біологічних організмів що населяють острів.
Будь-яке людське втручання (навіть з метою вивчення) іноді надмірно,
ось тут-то і приходять на виручку сенсорні мережі, що дозволяють без безпосередньої участі людини збирати всі необхідну інформацію.

Сенсорна мережу використовує в якості вузлових елементів дві плати. На першій платі розташовані температурний датчик, датчики вологості і барометричного тиску і інфрачервоний датчик. На другий платі знаходяться мікропроцесор (частота 4 МГц), оперативна пам'ять об'ємом 1 Кбайт, флеш-пам'ять для зберігання програм і даних, джерело живлення (дві батарейки типорозміру АА) і радіопередавач /
приймач, що працює на частоті 900 МГц. Сенсори дозволяють реєструвати всю необхідну інформацію і передавати її в базу даних головного комп'ютера. Всі датчики попередньо проходять ретельне тестування - плату з датчиками занурюють у воду надвоє діб і стежать за її функціональністю. Всі сенсорні вузли утворюють єдину бездротову мережу і здатні обмінюватися інформацією. При цьому передача інформації від віддаленого вузла мережі до шлюзу (Gateway Sensor) відбувається по ланцюжку, тобто від одного вузла мережі до іншого, що дозволяє створювати велику зону покриття.

Через шлюз інформація досягає головного комп'ютера. Шлюз використовує спрямовану антену, що дозволяє збільшити відстань передачі до 300 м. З головного комп'ютера інформація за допомогою супутникового зв'язку передається через Інтернет в дослідницький центр, розташований в Каліфорнії.

Не менш активно співробітники лабораторії працюють над прецизійної біологією, створенням биочипов. Крім сенсорного сприйняття світу твердих речей, досліджується можливість "відчувати" рідкі середовища і біологічні, що розвиваються об'єкти. Подібні дослідження відкривають колосальні перспективи для медичних і фармацевтичних розробок, здійснення хімічних процесів і виготовлення біологічних препаратів. Оскільки головне призначення сенсорних мереж - сприйняття і передача корисної інформації, Фахівці лабораторії Intel в Берклі зайняті розробкою методики об'єднання сенсорів з предметами, моніторинг яких ставиться їм в обов'язок, а також досліджують можливість створення «актуаторов» - пристроїв на основі сенсорів, які дозволяють впливати на ситуацію, а не тільки реєструвати її стан. Сенсорні мережі очевидним чином корисні для військових додатків, одна з можливих варіацій мереж проходила "бойові" випробування в Афганістані, де збройні сили США розмістили кілька сот сенсорів з метою відстеження пересувань бойової техніки супротивника. Однак про впровадження
реальних мереж в наше життя говорити рано, мережа вразлива в відмовостійкості. Атакою в сенсорної мережі, що призводить до відмови в обслуговуванні (Denial of Service - DoS), є будь-яка подія, яка зменшує або ліквідує можливість мережі виконувати очікувану від неї функцію. Автори пропонують засновувати протоколи сенсорних мереж на багаторівневій архітектурі, що може зашкодити ефективності мережі, але підвищить її надійність. Обговорюються види DoS-атак, типові для кожного рівня, і прийнятні методи захисту. Таким чином, вже сьогодні, незважаючи на недосконалість і поки ще досить вузьке коло використання, сенсорні мережі знаходять застосування в науці, а в подальшому і в житті.

Використовувалися матеріали з сайтів:

Розмір: px

Починати показ зі сторінки:

транскрипт

1 Вступ 1 Загальні відомості про бездротових сенсорних мережах 1.1 Бездротові сенсорні мережі і стандарти Стандарт Wi-Fi стандарт WiMAX стандарт Bluetooth Стандарт HomeRF Стандарт ZigBee 1.2 Методи маршрутизації в бездротових мережах 2 Огляд і порівняльна характеристика мережевих симуляторів і вибір найбільш підходящого симулятора 2.1 Огляд засобів моделювання бездротових сенсорних мереж Симулятор NS Симулятор Cooja Симулятор TOSSIM (TinyOS Simulator) Симулятор OMNeT ++ 3 Порівняльний аналіз засобів моделювання NS-2 і OMNeT Загальні порівняльні характеристики 3.2 Висновок 3.3 Протокол маршрутизації AODV 3.4 Моделювання роботи протоколу AODV в NS-2 і OMNeT Модель AODV в NS Модель AODV в OMNeT ++ 4 Розробка і програмна реалізація моделі маршрутизації в системі бездротового зв'язку 4.1 Моделювання мережі 4.2 Установка і настройка програмного забезпечення 4.3 Програмна реалізація моделі бездротового зв'язку 5 Аналіз отриманих результатів 5.1 Аналіз затримок в мережі 5.2 Стандартне відхилення в вузлах мережі 5.3 Передача пакетів в мережі 5.4 Перешкодозахищеність при передачі 5.5 Енергоспоживання вузлів 5.6 Висновки 6 Безпека життєдіяльності 6.1Расчет системи кондиціонування 6.2 Розрахунок штучного Висвітлення ВИСНОВОК Список використаної літератури СПИСОК СКОРОЧЕНЬ ДОДАТКИ

2 ВСТУП Бездротові сенсорні мережі являють собою активно розвиваються системи автоматизації та управління, моніторингу та контролю. Взаємодіючи з керуючими пристроями, датчики створюють розподілену, самоорганізується систему збору, обробки і передачі інформації. Поняття «самоорганізована мережу» визначається як система, в якій пристрої «вміють» самі знаходити один одного і формувати мережу, а разі виходу з ладу будь-якого з вузлів можуть встановлювати нові маршрути для передачі повідомлень. Технологія сенсорних мереж не вимагає для побудови мережі дорогих кабелів разом з допоміжним обладнанням (кабельними каналами, клемами, шафами і т.д.). А так як сенсорна мережа підтримує основні інтерфейси і протоколи, які застосовуються в даний час, є можливість інтегрувати її в існуючу мережу без проведення масштабної реконструкції. Мініатюрні і тому не потребують енерговитрат датчики (термін експлуатації може досягати кілька років) забезпечують можливість їх розміщення в важкодоступних місцях і на великих територіях. Бездротові рішення незамінні, коли необхідно пов'язати в мережу постійно рухаються або часто переміщувані вузли. Однак же недоліком бездротових рішень виявляється їх менша надійність, як в сенсі гарантованої доставки даних за обмежений час, так і в сенсі захисту переданої інформації від несанкціонованого доступу. Розробка і введення сенсорних мереж в усі сфери життя надасть величезну кількість переваг людству. Тематика сенсорних бездротових мереж ще не достатньо вивчена, є на даний момент ряд невирішених проблем і обмежень, але переваги залучають компанії для розробки стандартів передачі інформації в сенсорних мережах, наприклад таких, як стандарт ZigBee. Мета даної дипломної роботи полягає в дослідженні характеристик і параметрів стаціонарних і мобільних пристроїв сенсорної мережі в системі ZigBee.

3 Глава 1. Загальні відомості про бездротових сенсорних мережах 1.1. Бездротові сенсорні мережі і стандарти бездротові сенсорні мережі (БСС) це один з найперспективніших напрямків в розвитку телекомунікаційних систем реального часу які створюють нові можливості для проведення наукових досліджень. Мініатюрні розміри вузлів (плата розміром з один кубічний дюйм), інтегрований радиоинтерфейс, низьке споживання енергії, досить невисока вартість роблять цю мережу дуже вигідною для використання в тих областях життєдіяльності, де необхідно провести побудова систем контролю і управління або стежити за безпекою. Бездротова сенсорна мережу необхідна в першу чергу в таких областях, де взагалі неможлива прокладка кабелів з технічних, економічних або організаційних причин. Вузол сенсорної мережі (мот) являє собою плату, на якій знаходяться приймач, мікроконтролер, батареї, пам'ять і датчик. Датчики можуть використовуватися найрізноманітніші, найчастіше застосовуються датчики температури, тиску, вологості, освітленості, рідше датчики вібрації або хімічних вимірювань. На марнотрати встановлюється спеціальне програмне забезпечення, за допомогою якого вони організовують мережу, обмінюються інформацією між собою. Більшість бездротових сенсорних мереж використовує TinyOS програмне забезпечення, розроблене в Університеті Берклі. Максимальна відстань, на яке можливо передати повідомлення становить не більше 100 метрів. Для того щоб отримувати і відправляти дані, кожен вузол оснащений антеною. Процес роботи сенсорної мережі представлений на малюнку 1.1. Малюнок 1.1 Процес роботи марнотратів сенсорної мережі

4 Вузли сенсорної мережі можуть бути стаціонарними, закріпленими на певному місці, можуть також кріпитися на пересувні об'єкти і вільно переміщатися, залишаючись при цьому частиною мережі. Моти передають інформацію один одному, а ті марнотрати, які опиняються поруч зі шлюзом, відправляють йому все акумульовані дані. При виході деяких марнотратів з ладу, мережа після переконфігурації продовжує працювати. На малюнку 1.2 показано внутрішній пристрій вузла сенсорної мережі. Малюнок 1.2 Вузол сенсорної мережі Безліч стандартів передачі даних такі як Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, HomeRF, ZigBee і так далі ділять між собою діапазон 2,4 ГГц, тим самим створюючи один одному перешкоди Стандарт Wi-Fi Wi-Fi торгова марка Wi -Fi Alliance для бездротових мереж на базі стандарту IEEE Ноутбук або комунікатор без підключення до мережі Інтернет сьогодні є практично марним шматком «заліза». Завдяки широкому використанню Wi-Fi для вирішення проблеми підключення до Інтернету цей термін став добре відомим. Незважаючи на те, що спочатку в деяких прес-релізах WECA фігурувало словосполучення Wireless Fidelity (бездротова точність), на даний момент від такого формулювання відмовилися, і термін Wi-Fi Ніяк не розшифровується. Продукти, що призначалися спочатку для систем касового обслуговування, були виведені на ринок під маркою WaveLAN і забезпечували швидкість передачі даних від 1 до 2 Мбіт / с. Творець Wi-Fi Вік Хейз (Vic Hayes) знаходився в команді, що брала участь в розробці таких стандартів, як IEEE b, IEEE a і IEEE g. Зазвичай схема мережі Wi-Fi містить не менше однієї точки доступу і не менше одного клієнта.

5 Також можливе підключення двох клієнтів в режимі точка-точка (Ad-hoc), коли точка доступу не використовується, а клієнти з'єднуються за допомогою мережевих адаптерів безпосередньо. Точка доступу передає свій ідентифікатор мережі (SSID) за допомогою спеціальних сигнальних пакетів на швидкості 0,1 Мбіт / с кожні 100 мс. Тому 0,1 Мбіт / с найменша швидкість передачі даних для Wi-Fi. Знаючи SSID мережі, клієнт може з'ясувати, чи можливе підключення до даної точки доступу. При попаданні в зону дії двох точок доступу з ідентичними SSID приймач може вибирати між ними на підставі даних про рівень сигналу. Стандарт Wi-Fi дає клієнтові повну свободу при виборі критеріїв для з'єднання. Пристрої Wi-Fi широко поширені на сучасному ринку. Сумісність устаткування гарантується завдяки обов'язковій його сертифікації з логотипом Wi-Fi. Випромінювання від Wi-Fi-пристроїв в момент передачі даних на два порядки (в 100 разів) менше, ніж від стільникового телефону. Технологія дозволяє розгорнути мережу без прокладки кабелю, що може зменшити вартість розгортання і / або розширення мережі. Місця, де не можна прокласти кабель, наприклад, поза приміщеннями і в будівлях, що мають історичну цінність, можуть обслуговуватися бездротовими мережами. Технологія дозволяє мобільним пристроям мати доступ до мережі. Стандарт шифрування WEP може бути відносно легко зламаний навіть при правильній конфігурації (через слабку стійкість алгоритму). Незважаючи на те, що нові пристрої підтримують досконаліший протокол шифрування даних WPA і WPA2, багато старих точки доступу не підтримують його і вимагають заміни. Прийняття стандарту IEEE i (WPA2) в червні 2004 року зробило доступною більш ефективну схему аутентифікації і шифрування, яка застосовується в новому обладнанні. Для реалізації протоколів WPA і WPA2 потрібно більш надійний пароль, ніж той, який зазвичай призначається користувачем. Стандарт IEEE визначає два режими роботи мережі Ad-hoc (BSS Basic Service Set) і інфраструктурний ESS Extended Service Set. Режим Ad-hoc (інакше званий «точка-точка») це проста мережу, в якій зв'язок між станціями (клієнтами) встановлюється безпосередньо, без використання спеціальної точки доступу. У режимі інфраструктурний ESS бездротова мережа складається, як мінімум, з однієї точки доступу, підключеної до провідної мережі, і деякого набору бездротових клієнтських станцій. Для організації бездротової мережі в замкнутому просторі застосовуються передавачі зі всеспрямованими антенами. Слід мати на увазі, що через стіни з великим вмістом металевої арматури (в залізобетонних будівлях такими є несучі стіни) радіохвилі діапазону 2,4 ГГц іноді можуть взагалі не проходити, тому в кімнатах, розділених подібної стіною, доведеться ставити свої точки доступу. Потужність, яку випромінює передавачем точки доступу або ж клієнтської станції, що працює за стандартом IEEE, не перевищує 0,1 Вт, але

6 багато виробників бездротових точок доступу обмежують потужність лише програмним шляхом, і досить просто підняти потужність до 0,2-0,5 Вт. Для порівняння потужність, яку випромінює мобільним телефоном, на порядок більше (в момент дзвінка до 2 Вт). Оскільки, на відміну від мобільного телефону, елементи мережі розташовані далеко від голови, в цілому можна вважати, що бездротові комп'ютерні мережі більш безпечні з точки зору здоров'я, ніж мобільні телефони. Продукти для бездротових мереж, що відповідають стандарту IEEE, пропонують чотири рівні засобів безпеки: фізичний, ідентифікатор набору служб (SSID Service Set Identifier), ідентифікатор управління доступом до середовища (MAC ID Media Access Control ID) і шифрування. Багато організацій використовують додаткове шифрування (наприклад, VPN) для захисту від вторгнення. На даний момент основним методом злому WPA2 є підбір пароля, тому рекомендується використовувати складні цифро-буквені паролі для того, щоб максимально ускладнити завдання підбору пароля Стандарт WiMAX WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) телекомунікаційна технологія, розроблена з метою надання універсального бездротового зв'язку на великих відстанях для широкого спектру пристроїв (від робочих станцій і портативних комп'ютерів до мобільних телефонів). Заснована на стандарті IEEE, який також називають Wireless MAN (WiMAX слід вважати жаргонним назвою, так як це не технологія, а назва форуму, на якому Wireless MAN і був узгоджений). WiMAX підходить для вирішення завдання з'єднання точок доступу Wi-Fi один з одним і іншими сегментами Інтернету, а також забезпечення бездротового широкосмугового доступу як альтернативи виділеним лініям і хDSL. WiMAX дозволяє здійснювати доступ в Інтернет на високих швидкостях, з набагато більшим покриттям, ніж у Wi-Fi-мереж. Це дозволяє використовувати технологію в якості магістральних каналів, продовженням яких виступають традиційні виділені і хDSL-лінії, а також локальні мережі. В результаті подібний підхід дозволяє створювати масштабовані високошвидкісні мережі в рамках міст. WiMAX це система далекої дії, що покриває кілометри простору, яка зазвичай використовує ліцензовані спектри частот (хоча можливо і використання неліцензованих частот) для надання з'єднання з інтернетом типу точка-точка провайдером кінцевому користувачеві. Різні стандарти сімейства забезпечують різні види доступу, від мобільного (схожий з передачею даних у мобільних телефонів) до фіксованого (альтернатива провідного доступу, при якому бездротове обладнання користувача прив'язане до місця розташування).

7 На відміну від WiMAX Wi-Fi це система більш короткої дії, зазвичай покриває десятки метрів, яка використовує неліцензовані діапазони частот для забезпечення доступу до мережі. Зазвичай Wi-Fi використовується користувачами для доступу до їх власної локальної мережі, яка може бути і не підключена до Інтернету. Якщо WiMAX можна порівняти з мобільним зв'язком, то Wi-Fi швидше схожий на стаціонарний радіотелефон (Радіотелефон). WiMAX і Wi-Fi мають абсолютно різний механізм Quality of Service (QoS). WiMAX використовує механізм, заснований на встановленні з'єднання між базовою станцією і пристроєм користувача. Кожне з'єднання засноване на спеціальному алгоритмі планування, який може гарантувати параметр QoS для кожного з'єднання. Wi-Fi, в свою чергу, використовує механізм QoS подібний до того, що використовується в Ethernet, при якому пакети отримують свої пріоритети. Такий підхід не гарантує однаковий QoS для кожного з'єднання. Набір переваг притаманний всьому сімейству WiMAX, однак його версії істотно відрізняються один від одного. Розробники стандарту шукали оптимальні рішення як для фіксованого, так і для мобільного застосування, але поєднати всі вимоги в рамках одного стандарту не вдалося. Хоча ряд базових вимог збігається, націленість технологій на різні ринкові ніші призвела до створення двох окремих версій стандарту (вірніше, їх можна вважати двома різними стандартами). Кожна з специфікацій WiMAX визначає свої робочі діапазони частот, ширину смуги пропускання, потужність випромінювання, методи передачі та доступу, способи кодування і модуляції сигналу, принципи повторного використання радіочастот та інші показники. Тому WiMAX-системи, засновані на версіях стандарту IEEE e і d, практично несумісні. Основна відмінність двох технологій полягає в тому, що фіксований WiMAX дозволяє обслуговувати тільки статичних абонентів, а мобільний орієнтований на роботу з користувачами, що пересуваються зі швидкістю до 150 км / ч. Мобільність означає наявність функцій роумінгу і "безшовного" перемикання між базовими станціями при пересуванні абонента (як відбувається в мережах стільникового зв'язку). В окремому випадку мобільний WiMAX може застосовуватися і для обслуговування фіксованих користувачів. З винаходом мобільного WiMAX все більший акцент робиться на розробці мобільних пристроїв, в тому числі, спеціальних телефонних трубок (схожих на звичайний мобільний смартфон), і комп'ютерної периферії (USB-радіомодулів і PC card). Устаткування для використання мереж WiMAX поставляється кількома виробниками і може бути встановлено як в приміщенні (пристрої розміром зі звичайний хDSL-модем), так і поза ним. Слід зауважити, що обладнання, яке розраховане на розміщення усередині приміщень і не вимагає професійних навичок при установці, звичайно, зручніше, проте здатне працювати на значно менших відстанях від базової станції, ніж професійно

8 встановлені зовнішні пристрої. Тому обладнання, встановлене всередині приміщень, вимагає набагато більших інвестицій в розвиток інфраструктури мережі. У загальному вигляді WiMAX мережі складаються з наступних основних частин: базових і абонентських станцій, а також обладнання, що зв'язує базові станції між собою, з постачальником сервісів і з Інтернетом. Структура мереж сімейства стандартів IEEE схожа з традиційними GSM-мережами (базові станції діють на відстанях до десятків кілометрів, для їх установки не обов'язково будувати вежі допускається установка на дахах будинків при дотриманні умови прямої видимості між станціями). WiMAX застосовується як для вирішення проблеми "останньої милі", так і для надання доступу в мережу офісним та районним мережам. Для з'єднання базової станції з абонентською використовується високочастотний діапазон радіохвиль від 1,5 до 11 ГГц. В ідеальних умовах швидкість обміну даними може досягати 70 Мбіт / с, при цьому не потрібно забезпечення прямої видимості між базовою станцією і приймачем. Між базовими станціями встановлюються з'єднання (прямої видимості), що використовують діапазон частот від 10 до 66 ГГц, швидкість обміну даними може досягати 140 Мбіт / c. При цьому принаймні одна базова станція підключається до мережі провайдера з використанням класичних дротових з'єднань. Однак, чим більше число БС підключено до мереж провайдера, тим вище швидкість передачі даних і надійність мережі в цілому. Стандарт Bluetooth Bluetooth забезпечує обмін інформацією між такими пристроями як персональні комп'ютери (настільні, кишенькові, ноутбуки), мобільні телефони, принтери, цифрові фотоапарати, мишки, клавіатури, джойстики, навушники, гарнітури на надійній, недорогій, повсюдно доступній радіочастоті для ближнього зв'язку. Бездротовий канал дозволяє цим пристроям повідомлятися, коли вони знаходяться в радіусі від 1 до 200 м один від одного (дальність сильно залежить від перешкод і перешкод), навіть у різних приміщеннях. Варто відзначити, що компанія AIRcable випустила Bluetooth-адаптер Host XR з радіусом дії близько 30 км. Для спільної роботи Bluetooth-пристроїв необхідно, щоб всі вони підтримували загальний профіль. Профіль набір функцій або можливостей, доступних для певного пристрою Bluetooth. Технологія Bluetooth спирається на неліцензованому (практично скрізь крім Росії) частотний діапазон 2,4 2,4835 ГГц. При цьому використовуються широкі захисні смуги: нижня межа частотного діапазону становить 2 ГГц, а верхня - 3,5 ГГц. Частота (положення центру спектра) задається з точністю ± 75 кГц. Дрейф частоти в цей інтервал не входить. Кодування сигналу здійснюється за дворівневою схемою GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Логічного 0 і 1 відповідають дві різні частоти. В обумовленої частотній смузі

9 виділяється 79 радіоканалів по 1 МГц кожен Стандарт HomeRF HomeRF бездротова технологія, спеціально орієнтована на мережі, створювані в домашніх умовах. Головна ідея HomeRF полягає в тому, що у домашніх користувачів потреби зовсім відмінні від потреб корпоративних користувачів. Це означає, що і рішення, які для них потрібні, спеціально для них і розроблені. HomeRF прагне працювати в цій ніші ринку, поставляючи пристрої, які досить легко встановлюються, прості у використанні і більш доступні, ніж сучасні бездротові рішення масштабу підприємства. HomeRF заснований на декількох існуючих стандартах передачі голосу і даних і об'єднує їх в єдине рішення. Воно працює в смузі частот ISM 2,4 ГГц з використанням FHSS. Скачки по частотах відбуваються зі швидкістю від 50 до 100 разів на секунду. Позбавлення від інтерференції відбувається за допомогою рознесення сигналів за часом і частоті. HomeRF використовує радіопередавачі низької потужності, які подібні до тих, що використовуються в персональних бездротових мережах стандарту на основі технології Bluetooth. Різниця між двома технологіями полягає в тому, що HomeRF орієнтована тільки на ринок домашніх користувачів, включаючи SWAP (Standard Wireless Access Protocol стандартний протокол бездротового доступу), який в рамках HomeRF дає можливість більш ефективно обробляти мультімедіапріложенія. Передавачі діють на відстані м від базової станції і можуть бути вбудовані в картки типу Compact Flash Стандарт ZigBee ZigBee назву набору мережевих протоколів верхнього рівня, які використовують маленькі, малопотужні радіопередавачі, засновані на стандарті IEEE Цей стандарт описує бездротові персональні обчислювальні мережі (WPAN). ZigBee націлена на додатки, яким потрібен тривалий час автономної роботи від батарей і висока безпека передачі даних при невеликих швидкостях їх передачі. Основна особливість технології ZigBee полягає в тому, що вона при відносно невисокому енергоспоживанні підтримує не тільки прості топології бездротового зв'язку ( «точка-точка» і «зірка»), а й складні бездротові мережі з комірчастою топологією з ретрансляцією і маршрутизацією повідомлень. Області застосування даної технології це побудова бездротових мереж датчиків, автоматизація житлових і споруджуваних приміщень, створення індивідуального діагностичного медичного обладнання, системи промислового моніторингу та управління, а також при розробці побутової електроніки і персональних комп'ютерів.

10 Ім'я бренду походить від поведінки медових бджіл, після повернення їх у вулик. Мережі, утворені за протоколом ZigBee почали розглядатися з 1998, коли виникла необхідність в самоорганізованих системах зв'язку ZigBee націлений на додатки, яким потрібен тривалий час автономної роботи від батарей і висока безпека передачі даних, при невеликих швидкостях передачі. ZigBee працює в промислових, наукових і медичних (ISM-діапазон) радіодіапазоні: 868 МГц в Європі, 915 МГц в США і в Австралії, і 2,4 ГГц в більшості країн в світі (під більшістю юрисдикцій країн світу). Так як ZigBee-пристрій більшу частину часу перебуває в сплячому режимі, рівень споживання енергії може бути дуже низьким, завдяки чому досягається тривала робота від батарей. ZigBee-пристрій може активуватися (тобто переходити від сплячого режиму до активного) за 15 мс або менше, затримка його відгуку може бути дуже малою, особливо в порівнянні з Bluetooth, для якого затримка, що утворюється при переході від сплячого режиму до активного, зазвичай досягає трьох секунд. Беручи до уваги такі критерії, як ціна чіпів, дешевизна і швидкість освоєння технології, низьке енергоспоживання і стійкість перед перешкодами, можна сказати, що ZigBee нерідко є зараз кращим вибором. Чіпи для реалізації ZigBee випускають такі відомі фірми, як Texas Instruments, Freescale, Atmel, STMicroelectronics, OKI і т.д. Це гарантує низькі ціни на комплектуючі для даної технології. ZigBee це технологія, що заповнює нішу низькошвидкісних бездротових мереж з низьким енергоспоживанням, призначених для систем управління з великою кількістю вузлів, таких як системи освітлення в будівлях, системи спостереження за парком промислового обладнання і т.д. В даний час досить доступними є модулі ZigBee: ETRX2, ETRX3, випущені фірмою Telegesis. Для ознайомлення з ними існують стартові набори, що включають в себе модуль-координатор, який має USB-роз'єм, і три інших модуля, які можна налаштувати на роботу роутера або кінцевого пристрою, що займає датчиками температури і освітленості, тестовими кнопками і т.п. Наведемо порівняльну таблицю основних стандартів

11 Таблиця 1.1 Порівняльна характеристика стандартів бездротових мереж Стандарт ZigBee Wi-Fi Bluetooth (IEEE) (IEEE b) (IEEE) Частотний діапазон 2, ГГц 2,4-2,483 ГГц 2,4-2,483 ГГц Пропускна здатність кбіт / с, 1 Розмір стека протоколу, кбайт більше 1000 більше 250 Час безперервно роботи від батареї, дні Максимальна кількість вузлів в мережі Діапазон дії, м Область Віддалений Передача Заміщення застосування моніторинг і мультимедійної проводового управління інформації з'єднання (Інтернет, пошта, відео) Наведені в таблиці 1.1 характеристики показують, що оптимальним стандартом для сенсорної мережі є ZigBee 1.2. Методи маршрутизації в бездротових мережах Розрізняють три види маршрутизації - просту, фіксовану і адаптивну. Принципова різниця між ними полягає в ступені обліку зміни топології і навантаження мережі при вирішенні завдання вибору маршруту. Проста маршрутизація відрізняється тим, що при виборі маршруту не враховується ні зміна топології мережі, ні зміна її стану (навантаження). Вона не забезпечує спрямованої передачі пакетів і має низьку ефективність. Її перевагами є простота реалізації алгоритму маршрутизації і забезпечення стійкої роботи мережі при виході з ладу окремих її елементів. деякий практичне застосування отримали різновиди простої маршрутизації: випадкова і лавинна. Особливість випадкової маршрутизації полягає в тому, що для передачі пакета з вузла зв'язку вибирається одне, випадково обраний вільний напрям. Пакет "блукає" по мережі і з кінцевою ймовірністю коли-небудь досягає адресата. При цьому не забезпечується ні оптимальний час доставки пакета, ні ефективне використання пропускної

12 здатності мережі. Лавинна маршрутизація (або: заповнення пакетами всіх вільних вихідних напрямків) передбачає передачу пакета з вузла в усіх напрямках, крім того звідки пакет надійшов в даний вузол. Оскільки це відбувається в кожному вузлі, має місце явище "розмноження" пакета, що різко погіршує використання пропускної здатності мережі. Щоб цього не сталося, необхідно позначати копії пакета і знищувати в кожному вузлі повторно проходять через нього дублікати. Основна перевага такого методу - гарантоване забезпечення оптимального часу доставки пакета адресату, так як з усіх напрямків, за якими передається пакет, хоча б одне забезпечує такий час. Метод може використовуватися в незавантажених мережах, коли вимоги щодо мінімізації часу і надійності доставки пакетів досить високі. Фіксована маршрутизація характеризується тим, що при виборі маршруту враховується зміна топології мережі і не враховується зміна її навантаження. Для кожного вузла призначення напрямок передачі вибирається по таблиці маршрутів (каталогу), яка визначає найкоротші шляхи. Каталоги складаються в центрі управління мережею. Вони складаються заново і модифікуються при зміні топології мережі. Відсутність адаптації до зміни навантаження призводить до затримок пакетів мережі. Розрізняють однопутевую і багатоколійні різновиди фіксованої маршрутизації. Перша будується на основі єдиного шляху передачі пакетів між двома абонентами, що пов'язане з нестійкістю до відмов і перевантажень, а друга - на основі кількох можливих шляхів між двома абонентами, з яких вибирається кращий шлях. Фіксована маршрутизація застосовується в мережах з мало що змінюється топологією і усталеними потоками пакетів. Адаптивної називається маршрутизація, при якій прийняття рішення про направлення передачі пакетів здійснюється з урахуванням зміни як топології, так і навантаження мережі. Існує кілька модифікацій адаптивної маршрутизації, що розрізняються тим, яка саме інформація використовується при виборі маршруту. Набули поширення такі модифікації як локальна, розподілена, централізована і гібридна маршрутизації. Локальна адаптивна маршрутизація заснована на використанні інформації, наявної в даному вузлі і включає: таблицю маршрутів, яка визначає всі напрямки передачі пакетів з цього вузла; дані про стан вихідних ліній зв'язку (працюють або не працюють); довжину черги пакетів, які мають бути надіслані. Інформація про стан інших вузлів зв'язку не використовується. Таблиця маршрутів визначає найкоротші маршрути, що забезпечують доставку пакета адресату за мінімальний час. Перевага такого методу полягає в тому, що прийняття рішення про вибір маршруту проводиться з використанням самих останніх даних про стан вузла. Недолік методу в його "короткозорості", оскільки вибір маршруту здійснюється без урахування глобального стану всієї мережі.

13 Отже, завжди є небезпека передачі пакета по перевантаженому маршруту. Розподілена адаптивна маршрутизація заснована на використанні інформації, зазначеної для локальної маршрутизації, і даних, одержуваних від сусідніх вузлів мережі. У кожному вузлі формується таблиця маршрутів (каталог) до всіх вузлів призначення, де вказуються маршрути з мінімальним часом затримки пакетів. До початку роботи мережі цей час оцінюється виходячи з топології мережі. В процесі роботи мережі вузли періодично обмінюються з сусідніми вузлами, так званими таблицями затримки, в яких вказується навантаження (довжина черги пакетів) вузла. Після обміну таблицями затримки кожен вузол перераховує затримки і коригує маршрути з урахуванням даних, що надійшли і довжини черг в самому вузлі. Обмін таблицями затримки може здійснюватися не тільки періодично, але і асинхронно в разі різких змін навантаження або топології мережі. Облік стану сусідніх вузлів при виборі маршруту істотно підвищує ефективність алгоритмів маршрутизації, але це досягається за рахунок збільшення завантаження мережі службовою інформацією. Крім того, відомості про зміну стану вузлів поширюються по мережі порівняно повільно, тому вибір маршруту проводиться за дещо застарілим даними. Централізована адаптивна маршрутизація характеризується тим, що завдання маршрутизації для кожного вузла мережі вирішується в центрі маршрутизації (ЦМ). Кожен вузол періодично формує повідомлення про свій стан (довжині черг і працездатності ліній зв'язку) і передає його в ЦМ. За цими даними в ЦМ для кожного вузла складається таблиця маршрутів. Природно, що передача повідомлень в ЦМ, формування та надання таблиць маршрутів - все це пов'язане з тимчасовими затримками, отже, з втратою ефективності такого методу, особливо при великій пульсації навантаження в мережі. Крім того, є небезпека втрати управління мережею при відмові ЦМ. Гібридна адаптивна маршрутизація заснована на використанні таблиць маршрутів, що розсилаються ЦМ вузлам мережі, в поєднанні з аналізом довжини черг у вузлах. Отже, тут реалізуються принципи централізованої та локальної маршрутизації. Гібридна маршрутизація компенсує недоліки централізованої маршрутизації (маршрути, що формуються центром, є дещо застарілими) і локальної ( "короткозорість" методу) і сприймає їх переваги: \u200b\u200bмаршрути центру відповідають глобальному станом мережі, а облік поточного стану вузла забезпечує своєчасність виконання завдання. .

14 Глава 2. Огляд і порівняльна характеристика мережевих симуляторів і вибір найбільш підходящого симулятора 2.1. Огляд засобів моделювання бездротових сенсорних мереж Найбільш ефективним засобом для оцінки показників якості інформаційно-комунікаційних систем є імітаційне моделювання. Для цієї мети в даний час розроблено велику кількість мережевих симуляторів. Розглянемо найбільш поширені з них Симулятор NS-2 NS-2 є програмним забезпеченням (ПЗ) з відкритим кодом (Open Source software), призначеним для дискретно-подієвого моделювання дротяних і бездротових (мобільних) систем зв'язку). Основними мовами в складі симулятора є C ++ і Tcl (Tool Command Language). Для створення симуляцій використовується OTCL (Object Tcl). Програма знаходиться у вільному доступі, її можна завантажити на сайті програми і використовувати в академічних цілях. Симулятор підтримує велику кількість протоколів, типів мереж, елементів мережі, моделей передачі даних. Для моделювання ad-hoc мереж підтримуються протоколи маршрутизації AODV, DSDV, DSR і TORA, що вимагають додаткового доопрацювання для забезпечення можливості роботи з мобільними вузлами. У симуляторі NS-2 існує модель, яка реалізує стандарт IEEE Структура компонентів моделі LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area) і основні її функції представлені на малюнку 2.1.

15 Рисунок 2.1 Структура компонентів моделі LR-WPAN NS-2 Слід згадати, що в перших версіях моделі були реалізовані базові функції мережевого рівня ZigBee, але пізніше вони були виключені з загального доступу, оскільки не в повній мірі відповідали даним стандартом. У зв'язку з цим на поточний момент можна використовувати тільки існуючі в NS-2 протоколи маршрутизації, які не до кінця враховують особливості бездротових сенсорних мереж. Документації щодо застосування симулятора трохи, мало навчальної літератури. Пропонується звертатися до списку поширених запитань і аналізувати вихідний код моделі. Симулятор Cooja cимулятор мережі, для операційної системи (ОС) Contiki, спеціально розроблений для бездротових сенсорних мереж, що дозволяє оцінити можливості розробляється мережі до її безпосередньої реалізації. Contiki портативна ОС для пристроїв з низьким енергоспоживанням, таких як сенсорні вузли. Бібліотеки Contiki завантажуються і компілюються симулятором, і за допомогою певних функцій відбувається контроль і аналіз мережі. Незважаючи на те, що симулятор розроблений для бездротових сенсорних мереж, він також підтримує стек протоколів TCP / IP. На малюнку 2.2 показано робоче вікно симулятора Сooja,

16 Рисунок 2.2 Вікно симулятора Cooja Симулятор для створення моделей використовує мову Java, проте дозволяє писати програми для мережевих пристроїв на мові С. Cooja є розширюваним симулятором, для цієї мети використовуються додаткові плагіни і інтерфейси. Інтерфейс описує властивості сенсорного вузла, плагіни дозволяють формувати симуляцію, наприклад, контролювати швидкість симуляції або спостерігати і контролювати трафік між сенсорними вузлами. Симулятор підтримує одночасне моделювання декількох мереж. Однією з особливостей симулятора Cooja є одночасне моделювання на трьох різних рівнях - мережевому рівні, рівні операційної системи і рівні інструкцій машинного коду. Спочатку Cooja розроблений для Linux і Windows / Cygwin, але пізніше з'явилася версія і під MacOs. Симулятор TOSSIM (TinyOS Simulator) TinyOS - система, спеціально розроблена для сенсорних мереж. Вона має компонентну програмну модель, описану мовою nesc. TinyOS не є операційною системою в традиційному розумінні. Це програмне середовище для вбудованих систем і набір компонентів, які

17 дозволяють створювати імітаційні моделі конкретним додатком, наприклад, таким як TOSSIM. Симулятор TOSSIM може моделювати мережі розмірністю до декількох тисяч вузлів, і аналізуючи їх, передбачати поведінку мережі з високою точністю. Моделюючи мережі з можливими перешкодами і помилками, симулятор створює просту, але в той же час ефективну модель всіляких взаємодій вузлів в мережі. Описуючи малопотужну модель пристроїв TinyOS, симулятор моделює поведінку сенсорного вузла з великою вірогідністю, описуючи його характеристики і проводячи велику кількість експериментів. Для зручності розробників, TOSSIM підтримує графічний інтерфейс користувача, забезпечуючи детальну візуалізацію і відтворення дій запущеної імітаційної моделі. Наведемо загальні характеристики емулятора TOSSIM: - маштабованість симулятор підтримує модель мережі, що складається з великої кількості вузлів, з різною конфігурацією. Найбільша з усіх розроблених мереж TinyOS складається приблизно з 850 вузлів, симулятор здатний підтримувати такі моделі; - достовірність - симулятор описує різні взаємодії вузлів, які можуть виникнути в реальній мережі; - зв'язаність симулятор пов'язує алгоритм побудови з його графічним представленням, дозволяючи розробникам тестувати програмний код, який вимагає запуску на реальному пристрої, а також виробляти візуалізації мережі. Архітектура TOSSIM (рисунок 2.3) складається з таких елементів: - дискретний потік подій; - набір програмних компонентів, які замінюють відповідні апаратні компоненти реальних марнотратів; - засоби зв'язку, що надають можливість зовнішнім програмам взаємодіяти з емулятором.

18 Малюнок 2.3 Архітектура емулятора TOSSIM Симулятор OMNeT ++ Даний симулятор являє собою систему моделювання на основі дискретних подій яка може бути використана для таких завдань як: -моделювання дротових і бездротових комунікаційних систем; - протоколів моделювання; - моделювання мереж масового обслуговування. Програма OMNeT ++ походить для моделювання будь-якої мережі, основою якої є дискретне подія. Процес зручно відображається у вигляді об'єктів, що обмінюються повідомленнями. OMNeT ++ використовує мову С ++ для імітаційних моделей. Імітаційні моделі в сукупності з мовою високого рівня NED збираються у великі компоненти і являють собою великі системи. Симулятор має графічні інструменти для створення моделей і оцінки результатів в режимі реального часу. Моделі програми збираються з компонентів множинного використання, званих модулями. Модулі можна використовувати багато разів і об'єднувати за принципом блоків LEGO. Модулі з'єднуються між собою за допомогою портів, і об'єднуються в складові модулі з використанням високорівневого мови програмування NED. Кількість вводяться модулів необмежено. Модулі зв'язуються за допомогою передачі повідомлень, які містять довільні структури даних. Модулі можуть передавати

19 повідомлення по певних портів і з'єднань сервера або безпосередньо один одному. Останнє, наприклад, корисно для моделювання бездротових мереж. Малюнок 2.4 Графічний NED редактор Процес моделювання може працювати в різних призначених для користувача інтерфейсів. графічно анімований користувальницький інтерфейс зручний для демонстрації та налагодження мережі, а інтерфейс командного рядка зручний для внесення змін. Компоненти OMNeT ++: 1) коренева бібліотека моделювання; 2) OMNeT ++ IDE на базі платформи Eclipse; 3) графічний інтерфейс виконуваного моделювання, посилання на виконуваний файл (Tkenv); 4) призначений для користувача інтерфейс командного рядка для виконання моделювання (Cmdenv); 5) документація, приклади. OMNeT ++ працює на базі найпоширеніших операційних систем: (Linux, Mac OS / X, Windows).

20 Рисунок 2.5 Редактор вихідного коду NED Глава 3. Порівняльний аналіз засобів моделювання NS-2 і OMNeT Загальні порівняльні характеристики В даному розділі проводиться порівняльний аналіз використання програмних продуктів OMNeT ++ і NS-2 для створення імітаційної моделі бездротової сенсорної мережі (БСС) і перевірки її параметрів. У даній дипломній роботі приділено велику увагу таким симуляторам, як NS-2 і OMNeT ++, в зв'язку з великою поширеністю першої (опитування MobiHoc виявив близько 45% користування даними симулятором для моделювання мереж) і простотою інтерфейсу симулятора OMNeT ++. Якщо реалізація протоколів в NS-2 доступна в публічному користуванні, то застосування того ж протоколу в OMNeT ++ має складності, так як архітектура цих симуляторів різна. Для аналізу були сформульовані і задані критерії, за якими кожна з систем досліджувалася як на можливість моделювання бездротової сенсорної мережі, так і на відповідність модельованих подій реальними подіями, що відбуваються в мережі. Моделювання бездротової сенсорної мережі дозволить приблизно оцінити теоретичні розрахунки, передбачити дії, що відбуваються в реальній мережі, описати взаємодія вузлів в мережі, провести тестування нових протоколів, описати можливі рішення по оптимізації архітектур,

21 підібрати певні топології для застосування нових мережевих рішень. У таблиці (3.1) наведені загальні порівняльні характеристики можливостей симуляторів NS-2 і OMNeT Висновок Таким чином, програма OMNeT ++ має нескладний для освоєння інтерфейс, безкоштовна для використання в академічних цілях, в ній реалізовані основні функції мережевого рівня ZigBee. Відповідно вона повністю підходить для моделювання та дослідження бездротової сенсорної мережі. Для подальшої роботи я обираю програму OMNeT ++. Бездротову сенсорну мережу будемо моделювати за допомогою протоколу маршрутизації AODV.

22 Таблиця 3.1 Порівняльні характеристики можливостей NS-2 і OMNeT ++ Параметр NS-2 OMNeT ++ Гнучкість NS-2 був розроблений в OMNeT ++ має як TCP / IP гнучку структуру симулятора, моделювання. відповідно Можна використовується для промоделювати імітації мереж з будь-яку мережу, пакетною передачею компоненти якої даних. NS-2 має взаємодіють жорсткими допомогою уявленнями про вузлах, передачі повідомлень. протоколах, засланнях, поданні пакетів, мережевих адресах, що має свої переваги, але не дає вносити будь-які зміни. Синхронізація Дискретні події Дискретні події Платформа системи Linux, FreeBSD, Solaris. Linux, Unix, моделювання Windows (Cygwin) Windows (Cygwin) Підтримка Моніторинг потоку Моніторинг потоку графічного симуляції симуляції, інтерфейсу розробка і визначення топології на C ++, результат аналізу і симуляції Документація Документація NS-2 OMNeT ++ має фрагментована, мало доступне навчальної літератури керівництво, навчальна література, відеоуроки Масшатібіруемость NS-2 не має OMNeT ++ для великих мереж масштабованість для підтримує великих мереж. моделювання симулятор не вистачає великих мереж. моделі додатків і Обмеження тільки постачання протоколів, в можливостях апаратних моделей використовуваного комп'ютера

23 3.3 Протокол маршрутизації AODV AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) протокол динамічної маршрутизації для мобільних ad-hoc мереж. Даний протокол дозволяє мобільним вузлів швидко встановити маршрут з нових напрямків, і не вимагає від вузлів зберігати в пам'яті неактивні маршрути. AODV протокол забезпечує своєчасне зміна маршруту в разі втрати зв'язку в мережі. Відмінною особливістю є присвоювання порядкового номера при оновленнях маршруту. Маршрут з високим порядковим номером найбільш прийнятний. AODV протокол визначаються наступними типами повідомлень: Запит створення маршруту (RREQ), відповідь було надіслане (RREP) і повідомлення про помилку (PERR). Можна навести наступний опис роботи протоколу. Коли вузлу потрібно передати дані, він розсилає RREQ для того, щоб створити маршрут передачі. Визначення маршруту відбувається, якщо запит досяг свого одержувача безпосередньо, або через проміжні вузли. Маршрут створюється, якщо запитувач вузол отримав відповідь було надіслане RREP. Вам відповідь приходить строго до запитувачу вузлу, а не розсилається по всій мережі (малюнок 3.1). Вузли також здійснюють контроль лінії зв'язку активного маршруту. Якщо зв'язок обривається, розсилається повідомлення про помилку RERR, для повідомлення інших вузлів про обрив зв'язку. Це повідомлення говорить про те, що передача даних в цьому напрямку неможлива, і необхідний новий маршрут. Малюнок 3.1 Встановлення маршруту AODV це протокол маршрутизації, відповідно в ньому присутня маршрутна таблиця. Така таблиця створюється і для тимчасових коротких маршрутів. У таблиці присутні наступні поля: - адреса призначення; - порядковий номер одержувача; - позначка про чинне порядковому номері;

24 -пометкі про стан маршруту (діючий, неробочий, відновлюваний, відновлений); - кількість ретрансляції (скільки було потрібно ретрансляцій для досягнення призначення); - тривалість маршруту. Протокол AODV розроблений для мобільних ad-hoc мереж розміром від десяти до тисячі вузлів, може працювати з низькими, середніми і високими швидкостями передачі даних, а також з різними рівнями трафіку даних. Протокол AODV працює на прикладному рівні, використовуючи в якості транспортного протоколу UDP. Отримання вузлом відповіді RREP без надсилання відповідного запиту є нормальною ситуацією і отримав таку відповідь вузол повинен його обробити. Переваги даного протоколу полягають в тому, що не створюється додатковий трафік при трансляції даних по вже встановленим маршрутом, також не потрібен великий обсяг пам'яті. До недоліків протоколу можна віднести той факт, що для створення маршруту на початку, йде більшу кількість часу.

25 3.4 Моделювання роботи протоколу AODV в NS-2 і OMNeT Модель AODV в NS-2. Малюнок 3.2 Архітектура NS-2 На малюнку показано, що NS-2 складається з TCL, OTCL, TCLCL, планувальника подій і компонентів мережі. TCL (від англ. Tool Command Language «командна мова інструментів) використовується для створення різних сценаріїв моделювання в NS-2. OTCL позиціонується як керуючий мову, метою якого є побудова середовища моделювання. TCLCL виступає в якості з'єднання сценаріїв моделювання, написаних на TCl і C ++. Перш за все NS2 це симулятор який координує моделі різних мережевих компонентів і планувальників подій, реалізованих в C ++. Для того, щоб створити модель мережі, OTCL використовує C ++ файли в сценарій моделювання, написаного в TCL і програми моделювання, згенеровані в OTCL. Малюнок 3.3 Процедура створення моделі

26 На малюнку показаний порядок виконання моделювання в NS-2. Перш за все створюється скрипт, який містить сценарій моделювання, а потім вводяться необхідні параметри. Скрипт моделювання це TCL файл, який включає в себе такі параметри як: використовуваний протокол, управління енергією, дані про фізичному рівні і т.д. Ці параметри створюються в NS-2 з використанням об'єктно-орієнтованого розширення в C ++. В даному випадку будемо використовувати протокол AODV як протокол маршрутизації в сценарії моделювання. Протокол AODV є С ++ файл в каталозі NS-2. У цьому C ++ файлі протокол AODV пов'язаний з нашим сценарієм моделювання за допомогою OTCL Модель AODV в OMNeT ++ OMNeT ++ має модульну структуру, архітектура якої показана на малюнку 3.4. Бібліотека компонентів моделювання складається з простих і складових модулів, написаних на С ++. Прості модулі об'єднуються в складові групами, за принципом блоків LEGO, створюючи таким чином об'єкти OMNeT ++. Це властивість дуже зручно, так як програма має готовими бібліотеками модулів для різних побудов. Малюнок 3.5 Модулі OMNeT ++ Моделювання виконується в середовищі, яка забезпечується бібліотеками призначеного для користувача інтерфейсу. (Envir, Cmdenv, Tkenv) понеділок контролює процес введення даних, виведення результатів, налагодження, візуалізації і анімації імітаційної моделі.

27 В OMNeT ++ протокол AODV реалізується в бібліотеці компонентів моделювання, NED файл створює модулі і підмодулі. Малюнок 3.6 створення моделі на NED Саме в файлі NЕD створюється моделювання, на основі нього конфигурируется файл INI, для налаштування параметрів мережі, часу симуляції і т.д. Малюнок 3.7 Детальний процес створення імітації мережі

28 Реалізація протоколу AODV в OMNeT ++ і NS2 буде оцінюватися шляхом використання однакового сценарію моделювання. Глава 4. Розробка та програмна реалізація моделі маршрутизації в системі бездротового зв'язку 4.1 Моделювання мережі Сценарій моделювання мережі містить; 1. Роутер - виконує передачу даних, маршрутизує пакети. 2. Координатор формує мережу, задає налаштування при підключенні приладу в мережу. 3. Вузли модулей- це і є кінцеві пристрої, що мають батарейне харчування. Вузли представляють собою контролери або датчики. Кількість вузлів в мережі проектується в залежності від потреби конкретного додатка. Малюнок 4.1 Візуалізація сценарію моделювання Робота роутера і координатора полягає в організації з'єднань між хостами в мережі. Імітаційне моделювання буде виконуватися для семи різних відрізків часу при постійній швидкості.

29 Таблиця 4.1 Параметри Значення Кількість вузлів 50 Відрізок часу 0, 20, 40, 80, 120, 160, 200 секунд Швидкість 20 м / сек Час симуляції 200 сек. Моделювання AODV протоколу буде проведено відповідно до параметрів, описаними в таблиці 4.1. малюнок 4.2 графічне представлення мережі За результатами проведеного моделювання, проаналізуємо отримані дані, об'єднавши їх в порівняльні графіки.

30 Малюнок 4.3 PDR для NS-2 і OMNeT ++ На малюнку 4.3 показані співвідношення доставки цілісності пакетів (PDR) отримане за допомогою двох симуляторів. Можна помітити, що співвідношення PDR схоже у всіх точках. Але якщо розглядати значення PDR на різних відрізках часу, видно, що найменше значення досягається OMNeT ++. На малюнку 4.4 відображені результати дослідження пропускної здатності отримане за допомогою двох симуляторів Малюнок 4.4 Пропускна здатність для NS-2 і OMNeT ++ При виконанні моделювання та аналізу результатів, була розглянута внутрішня структура OMNeT ++ і NS-2. Проаналізувавши симулятори, в тому числі їх вихідний код, виявлені відмінності в реалізації, т. Е. Неможливо відтворювати сценарій моделювання одного симулятора в іншому. Також показано, що навіть в разі вибору однакових параметрів, для OMNeT ++ і NS-2 отримані різні результати.

31 Це відбувається через різницю в роботі симуляторів в процесі проведення моделювання Установка і налаштування програмного забезпечення Вимоги до операційної системи Для коректної роботи OMNET ++ і MiXiM необхідно врахувати дотримуюся щие вимоги до системи: Підтримувані платформи: Windows 7, 8 і XP; Mac OS X 10.7,10.8 і 10.9; Дистрибутиви Linux. Завантаження програмного забезпечення OMNET ++ можна скачати на сайті: MiXiM можна скачати по наступне посиланням: Установка і налаштування програмного забезпечення Для установки OMNET ++ необхідно скопіювати архів omnetpp-4.5- src.tgz в потрібну директорію і розпакувати файли. В папці знайти і запустить ь файл mingwenv.cmd. Для установки OMNET ++ вводимо команду: $. / Configure Малюнок 4.5 Установка OMNET ++

32 Після завершення установки необхідно скомпілювати OMNET ++. Вводимо команду: $ make Малюнок Компіляція настановних файлів OMNET ++ Для запуску OMNET ++ вводимо в терміналі команду: $ omnetpp

33 Малюнок Робоче вікно OMNET ++ Для установки MiXiM необхідно імпортувати файли в OMNeT ++. У меню вибираємо Files\u003e Import\u003e General\u003e Existing projects into Workspace. Далі натискаємо Next. У який з'явився вибираємо директорію з установочними файлами MiXiM. Обов'язково ставимо галочку в пункті copy project into workspace. Далі натискаємо Finish. Малюнок Установка MiXiM 4.3 Програмна реалізація моделі бездротового зв'язку

34 MiXiM в OMNeT ++ - це середовище моделювання, розроблена для мобільних і фіксованих бездротових мереж (бездротові сенсорні мережі, натільні комп'ютерні мережі, ad-hoc мереж, транспортних мереж і т. Д.). В графічному редакторі OMNET ++ середу моделювання MiXiM перед ставлена \u200b\u200bв такий спосіб. Наведено опис функцій, які будуть безпосередньо застосовуватися при моделюванні сенсорної мережі. Структура API класів MiXiM: а) Modules найважливіші класи, згруповані за функціональністю: 1) appllayer модулі прикладного рівня; 2) netwlayer модулі мережевого рівня; 3) nic мережеві інтерфейси; 4) mobility модулі, що підтримують мобільність хостів; 5) utils утиліти; 6) base базові модулі MiXiM; 7) mapping математичне відображення; 8) protocols класи для різних протоколів, реалізованих в MiXiM; 9) Power consumption енергоспоживання. б) Classes: sensorappllayer тест клас прикладного рівня. Включає в себе наступні аргументи: 1) Packets: кількість посилаються пакетів в додатку; 2) traffictype: інтервал часу між генерації двох пакетів (значення періодичний, екпоненціальний); 3) trafficparam: параметри для traffictype. Малюнок 4.9 Схема для sensorappllayer в) mobility: MassMobilty опис мобільного моделі (марнотратника), що здійснює випадкові пересування

35. Для моделювання мережі необхідно створити новий проект. У меню вибираємо Files\u003e New\u003e New OMNeT ++ Project: Малюнок 4.10 Створення нового проекту Натискаємо next. У наступному вікні вибираємо папку з інструментами MiXiM. Малюнок 4.11 MiXiM інструменти Виконуємо настройки відповідно до параметрів сенсорної мережі.

36 Малюнок 4.12 Налаштування моделі сенсорної мережі Файл конфігурації починається з розділу. У ньому вказуються загальні параметри для всіх сценаріїв. Перед моделюванням мережі необхідно визначити наступні параметри: - кількість станцій (numnodes); - час симуляції (sim-time-limit); - настройки протоколу канального рівня. Моделювання буде проводитися для 10 пристроїв (numnodes \u003d 10) протягом 60 хвилин (sim-timelimit \u003d 60 min). Всі пристрої використовують в якості протоколу канального рівня протокол IEEE (mixim.modules.node.host802154a;). Так як в даному випадку моделюється пересувний датчик, вибираємо параметр Mass Mobility (додаток 1). У графічному режимі топологія мережі в початковий момент часу t \u003d 0 буде виглядати наступним чином:

37 Малюнок 4.13 Топологія мережі Рисунок Топологія мережі в початковій точці (перед запуском моделювання) У процесі проведення моделювання топологія періодично змінює ся, що пов'язано з рухом об'єктів. У різні відрізки часу датчики змінюють своє місце розташування.

38 Малюнок 4.15 Положення датчиків на 15-й хвилині Малюнок 4.16 Положення датчиків на 42-й хвилині Моделювання стаціонарних датчиків буде також проводитися для 10 пристроїв (numnodes \u003d 10) протягом 60 хвилин (sim-timelimit \u003d 60 min). Всі пристрої використовують в якості протоколу канального рівня протокол IEEE (mixim.modules.node.host802154a;). Так як в даному випадку моделюється стаціонарний датчик, вибираємо параметр "Stat ionarymobility" (додаток 2). У графічному режимі топологія мережі буде виглядати наступним чином:

39 Малюнок 4.17 Графічне представлення мережі Малюнок 4.18 Топологія мережі Таким чином, вироблено моделювання стаціонарних і мобільних датчиків. Для того щоб було зручно проводити порівняльну характеристику, датчики розташовуються в приміщенні з однаковими розмір ами. Були проведені настройки для датчиків сенсорної мережі. Всі пристрої використовують в якості протоколу канального рівня протокол IE EE Моделювання проводилося для десяти датчиків протягом однієї години. Для створення бездротової сенсорної мережі використовувалися MiXiM інструменти.

40 Схема алгоритму на малюнку 4.19 показує яким чином вироблялося моделювання бездротової мережі в середовищі MiXiM. Малюнок 4.19 Структура роботи системи Глава 5. Аналіз отриманих результатів 5.1. Аналіз затримок в мережі Отримавши результати симуляції, перейдемо до аналізу працездатності мережі. Для отримання файлу, що містить результати проведеного моделювання вибираємо File\u003e New\u003e Analysis File. Розглянемо приміром

41 тривалість затримок в вузлах (latency). Затримки в мережі ZigBee залежать від топології мережі і можуть істотно варіюватися в залежності від поточно го рівня перешкод і напруженості трафіку. У OMNeT ++ при аналізі отриманих даних, показуються мінімальні і максимальні затримки в вузлах. Таблиця 5.1 Затримки в вузлах (latency) Таблиця 5.2 Затримки в вузлах (latency) графічне відображення даних за допомогою OMNeT ++:

42 Малюнок 5.1 Мінімальні затримки в стаціонарних датчиках Малюнок 5.2 Максимальні затримки в стаціонарних датчиках

43 Малюнок 5.3 Мінімальні затримки в мобільних датчиках Малюнок 5.4 Максимальні затримки в мобільних датчиках

44 Для наочного відображення зведемо дані в порівняльний графік Малюнок 5.5 Максимальні затримки при використанні стаціонарних і мобільних датчиків Малюнок 5.6 Мінімальні затримки при використанні стаціонарних і мобільних датчиків Затримки для мобільних датчиків менше, проте їх показники менш стабільні, що пов'язано з пересуванням їх по периметру приміщення, відповідно в різні моменти часу, датчики могли перебувати дуже близько одне до одного і передавати повідомлення безперешкодно, або знаходить ься на далекій відстані і передавати повідомлення з великою затримкою. Подібний приклад можна спостерігати на малюнку 5.6.

45 5.2. Стандартне відхилення в вузлах мережі Джерелами перешкод і відхилень при передачі в неліцензованих діапазоні можуть бути пристрої, що працюють в тому ж діапазоні. Якщо використовуються радіочастотні пристрої таких типів, пропускна спроможність бездротової мережі істотно зменшується через повторні передач, а також з-за того, що пристрої конкурують між собою за право доступу до середовища. Саме тому необхідно уважно підходити до планування та розгортання мережі і враховувати інші пристрої, які можуть надавати взаємні перешкоди розгортання мережі. Проблема з ZigBee полягає в тому, що пристрої WiFi також працюють в діапазоні 2,4 Гц і трафік WiFi з трафіком ZigBee можуть надавати взаємні перешкоди. Ще одна проблема ZigBee це те, що при заявленій швидкості в 250 кбіт / с, реальна швидкість є набагато менше, незважаючи на те, що мережа має фіксовану швидкість в радіоканалі. Це відбувається при мережевій взаємодії вузлів мережі і виникають затримки на підтвердження пакетів. Крім того, обробка даних на нижніх рівнях стека також займає певний час. Розглянемо стандартне відхилення затримок в мережі (stddev). Стандарт ве (середньоквадратичне) відхилення показує розкид значень випадок ної величини щодо її середнього значення. Чим більше розкид тим складніше управляти трафіком (приймати пакети в потрібному порядку, уникати дублювання пакетів). Таблиця 5.3 Стандартне відхилення в вузлах Стаціонарні датчики Мобільні датчики node \u003d 0 0,94 node \u003d 0 0 node \u003d 1 0 node \u003d 1 0,31 node \u003d 2 0 node \u003d 2 0,46 node \u003d 3 1,58 node \u003d 3 0 , 99 node \u003d 4 0 node \u003d 4 0 node \u003d 5 1,42 node \u003d 5 0,79 node \u003d 6 1,85 node \u003d 6 0,29 node \u003d 7 1,98 node \u003d 7 0 node \u003d 8 1,24 node \u003d 8 0,35 node \u003d 9 1,58 node \u003d 9 0,41 З отриманих гістограм видно, що вузли 1,2,4 у стаціонарних датчиків і 0,4,7 у мобільних не отримали дані, отже відхилення цих вузлів становить 100%.

46 Уявімо для зручності дані графічно: Малюнок 5.7 Стандартне відхилення при використанні стаціонарних датчиків Малюнок 5.8 Стандартне відхилення при використанні мобільних датчиків

47 Малюнок 5.9 Стандартне відхилення стаціонарних і мобільних датчиків 5.3 Передача пакетів в мережі Формати переданих пакетів в мережах ZigBee: пакет даних (використовується для передачі даних); пакет підтвердження (використовується для підтвердження успішної передачі даних); пакет МАС команди (використовується для організації пересилань керуючих МАС команд); сигнальний пакет (використовується координатором для організації синхронізованого доступу). Для того, щоб контролювати послідовність передачі пакетів використовується нумерація (Data sequence number), контрольна сума послідовності кадру забезпечує безпомилкову передачу (Frame Che ck Sequence - FCS). Пакет підтвердження забезпечує зворотний зв'язок від одержувача до відправника про успішну безпомилкової передачі пакета даних. Пакет MAC команди потрібен для віддаленого управління і конфігурації мережевих пристроїв. Дозволяє координатору мережі налаштовувати окремо всі мережеві підлеглі пристрою незалежно від розмірів мережі. Сигнальний пакет потрібен для того, щоб активувати кінцеві пристрої, так як вони активні тільки в періоди прийому пакетів синхронізації.

48 Таблиця 5.4 Кількість отриманих пакетів таціонарние датчики Мобільні датчики node \u003d 0 18 node \u003d 0 0 node \u003d 1 0 node \u003d 1 9 node \u003d 2 0 node \u003d 2 9 node \u003d 3 16 node \u003d 3 6 node \u003d 4 0 node \u003d 4 0 node \u003d 5 17 node \u003d 5 6 node \u003d 6 16 node \u003d 6 9 node \u003d 7 16 node \u003d 7 1 node \u003d 8 17 node \u003d 8 3 node \u003d 9 17 node \u003d 9 9 Малюнок 5.10 Кількість отриманих пакетів стаціонарними датчиками

49 Малюнок 5.11 Кількість отриманих пакетів мобільними датчиками Як видно з отриманих даних, що в середньому кожен вузол отримав при використанні стаціонарних датчиків 15 пакетів за період (для мобільних датчиків це 8 пакетів), тобто не всі передані пакети досягли приймачів, деякі були втрачені. Малюнки показують, що вероятност втрат для мобільних датчиків в два рази вище, ніж для стаціонарних. Це пов'язано з різними чинниками, такими як зменшення пропускної здатності даних мережі, тимчасові переривання або повний розрив бездротового з'єднання, некоректна робота датчика. Щоб показати порівняльні дані наочно, з'єднаємо їх в один графік. Малюнок 5.12 Отримання пакетів при використанні стаціонарних і мобільних датчиків

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) телекомунікаційна технологія, розроблена з метою надання універсального бездротового зв'язку на великих відстанях для широкого спектру

Муніципальне бюджетне загальноосвітній заклад Середня загальноосвітня школа 7 м Павлово Нижегородської області Науково-дослідна робота по темі Бездротові протоколи зв'язку Роботу виконав:

Технології бездротового зв'язку в локальних мережах Wi-Fi Мережа Wi-Fi Wi-Fi мережу - радіомережа, що дозволяє передавати інформацію між об'єктами по радіоканалах. Розробкою стандартів займається Wi-Fi Alliance.

КОМП'ЮТЕРНІ МЕРЕЖІ Мережа - це два або більше комп'ютерів, з'єднаних каналами зв'язку. Прообразом комп'ютерної мережі на початку 60-х р XX в. став термінальний доступ до мейнфреймів, які в режимі поділу

УДК 004.735 П.В. Черепанов УПРАВЛІННЯ ДОСТУПОМ МОБІЛЬНИХ ОБ'ЄКТІВ До СТАЦІОНАРНОЇ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНОЇ СИСТЕМІ Черепанов Павло Валерійович, магістр кафедри обчислювальної техніки Московського державного

ГРУПА СТАНДАРТІВ WiMAX А.Ю. Прокопенко Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Б.А. Крилов Стаття присвячена короткому огляду групи стандартів бездротових мереж WiMAX. введення Стандарти

Сконодобов Геннадій Вікторович (Skonodobov G.V.), студент Керівник Тютякін Олександр Васильович (Tiutiakin A.V.), доцент ФГБОУ ВПО «Держуніверситет ННВК» Про реалізацію бездротової технологічної мережі

Що таке комп'ютерна мережа? 1 Комп'ютерна мережа це група комп'ютерів, з'єднаних лініями зв'язку: електричні кабелі телефонна лінія оптоволоконний кабель (оптичне волокно) радіозв'язок (бездротові

Бездротові сенсорні мережі Тема 6: Симуляція роботи бездротових сенсорних мереж МАІ каф. 609, Терентьєв М. Н., [Email protected] 1 На цій лекції Поняття симуляції Симуляція при розробці БСС Методи симуляції

Локальна мережа Комп'ютерна мережа сукупність комп'ютерів, з'єднаних за допомогою каналів зв'язку і засобів комутації в єдину систему для обміну повідомленнями та доступу користувачів до програмних, технічних,

Бездротовий зв'язок (тільки в деяких моделях) Керівництво користувача Компанія Hewlett-Packard Development (Hewlett-Packard Development Company, L.P.), 2006. Microsoft і Windows є зареєстрованими

Побудова систем, що самоорганізуються МЕРЕЖІ МОБІЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ. Казаков М.Ф. науковий керівник канд. техн. наук Казаков Ф.А. Сибірський Федеральний Університет Введення Одним з напрямків розвитку інформаційних

Інтеграційна платформа для АСУ ТП - Система Оператор Опис застосування 1. ПРИЗНАЧЕННЯ І ВЛАСТИВОСТІ Даний комплекс програм являє собою інструментальне засіб розробки прикладного програмного

КЕРІВНИЦТВО ПО НАСТРОЮВАННЯ І РОБОТІ З конвертер ІНТЕРФЕЙСУ Т-11. Версія 1.0 рік 2011 Зміст Введення ... 3 Загальні відомості ... 3 Топологія з'єднання конвертерів в СКУД «Реверс» ... 4 Зміна налаштувань

RT-N18U Високошвидкісний Wi-Fi маршрутизатор (2,4 ГГц, 600 Мбіт / с) Енергоефективний процесор і технологія TurboQAM забезпечують швидкість передачі даних до 600 Мбіт / с, що на 33% вище, ніж у традиційного

Міністерство освіти Республіки Білорусь Установа освіти Гомельський державний університет ім. Ф. Скорини Фізичний факультет «Інформаційні системи та мережі» Лекція Бездротові технології

Лекція 13 Тема: Основи мережевих технологій. еталонна модель взаємозв'язку відкритих систем. План: 1. Локальна обчислювальна мережа: Поняття та призначення 2. Семиуровневая модель організації локальної обчислювальної

Способи підключення до мережі Інтернет Найпоширенішими способами підключення до мережі Інтернет на сьогоднішній день є: Модемне з'єднання (Комутований доступ) Dial-Up, ADSL Телевізійний коаксіальний

Бездротовий зв'язок (тільки для окремих моделей) Керівництво користувача Компанія Hewlett-Packard Development (Hewlett-Packard Development Company, L.P.), 2006. Microsoft і Windows є зареєстрованими

Бездротове обладнання Wi-Fi компанії Cisco Systems Зміст 1. Сфера застосування ... 2 2. Стандарти ... 2 3. Обладнання ... 2 3.1. Устаткування для використання всередині приміщення ... 3 3.1.1. Cisco Aironet

Віддалений збір даних АСКОЕ в малоповерхових житлових комплексах по ZigBee-мереж Сучасні автоматизовані системи комерційного обліку енергоресурсів (АСКОЕ) використовують мережі стільникового зв'язку для віддаленої

Багатофункціональна мобільна система, що самоорганізується радіомережа «МСР-Мережа» Протоколи мережевого рівня: IPv6 (RFC 3513), маршрутизація DSR (RFC 4728), AODV (RFC 3561) Метод множинного доступу канального рівня:

БЕЗПРОВІДНА ЗВ'ЯЗОК cинхронизация від GPS / ГЛОНАСС і підвищення окупності інвестицій Д.Батлер (John Butler), директор по продукції Cambium Network Синхронізація за допомогою сигналів GPS / ГЛОНАСС безпосередньо впливає

ПЕРЕТВОРЕННЯ ПРОТОКОЛІВ MODBUS ЕДВАРД ЛИН EDWARD LIN [Email protected] Пристрої Modbus RTU легко впроваджувати і недорого обслуговувати, тому даний протокол став дуже популярним. Однак сьогодні все більше

УДК 621.396 Г.І. Пахомов, С.І. Головін, А.Д. Калашников, Е.С. Каширіна, М.Ю. Тонких Пермскійнаціональнийісследовательскій політехніческійуніверсітет ТЕХНОЛОГІЇ Wi-Fi І WiMAX У ГІРСЬКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ 258

СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ ТРАНСПОРТУ Система супутникового моніторингу та контролю транспорту Точка доступу ZyXEL G-202 EE Конфігурація та налаштування Зміст Автограф-WiFi: Точка доступу ZyXEL G-202 EE Конфигурирование

Цей пристрій працює з наступними операційними системами: Windows XP, Windows 2000 DWL-G650M Бездротовий Super G MIMO адаптер для ноутбука Перш ніж почати Необхідна наявність наступного обладнання:

ТЕОРІЯ І СТАН БЕЗДРОТОВИХ МЕРЕЖ Алексєєва О.М., Байрушін Ф.Т. Башкирська державний університет Уфа, Росія THEORY AND STATE WIRELESS NETWORKS Alekseevа E.N., Bairushin F.T. Bashkir State University

Налаштування терміналів Galileosky Base Block Wi-Fi з функцією Інструкція по підключенню www.7gis.ru Зміст Необхідні інструменти, прилади, матеріали ... 3 Загальна інформація... 4 Установка і підключення

Інструкція користувача по роботі з сервісом «Мобільний Клієнт-Банк» (для пристроїв під управлінням ОС Android) 2012 г. 1 Зміст 1. Вимоги до мобільного пристрою .... 3 2. Встановлення системи «Мобільний

УДК 004.75 Секція. Інформаційні системи і технології ПРОТОКОЛИ МАРШРУТИЗАЦІЇ БЕЗДРОТОВИХ СЕНСОРНИХ МЕРЕЖ Тимков А.В., Телятников А.О. Донецький національний технічний університет, кафедра автоматизованих

Даний продукт працює з наступними операційними системами: Windows XP, Windows 2000 DWL-G132 AirPlus G Бездротовий USBадаптер 802.11g / 2.4ГГц Перш ніж почати Необхідно наступне: Комп'ютер з вільним

Вступ

Бездротова сенсорна мережу - розподілена, безлічі датчиків (сенсорів) і виконавчих пристроїв, об'єднаних між собою за допомогою радіоканалу. Область покриття подібної мережі може становити від декількох метрів до декількох кілометрів за рахунок здатності ретрансляції повідомлень від одного елемента до іншого.

Основними особливостями бездротових сенсорних мереж є самоорганізація і адаптивність до змін в умовах експлуатації, Тому потрібні мінімальні витрати при розгортанні мережі на об'єкті і при подальшому її супроводі в процесі експлуатації.

коротка історія

Одним з перших прообразів сенсорної мережі можна вважати систему СОСУС, призначену для виявлення та ідентифікації підводних човнів. В середині 1990-х років технології бездротових сенсорних мереж стали активно розвиватися, на початку 2000-х років розвиток мікроелектроніки дозволило виробляти для таких пристроїв досить дешеву елементну базу. Бездротові мережі початку 2010-х років в основному базуються на стандарті.

призначення

Основне призначення полягає не тільки в обміні даними між вузлами по децентралізованої самоорганізується мережі, але і в зборі інформації, що передається (в основному, даних) від датчиків (температури, тиску, вологості, рівня радіації, акустичних коливань) в центральний вузол з метою її подальшого аналізу або обробки.

Затребуваність бездротових сенсорних мереж на ринку також тісно пов'язана з концепцією інтелектуалізації таких об'єктів як будинок, офіс і виробничі приміщення, де міська людина проводить до 90% свого часу, а також з концепцією створення кібернетичних виробництв (повністю оснащених роботами), першочерговим завданням яких є впровадження бездротових технологій на рівні АСУ ТП.

Технологія сенсорних мереж призначена для вирішення широкого кола завдань промислового моніторингу та контролю і має наступні незаперечні переваги перед іншими існуючими бездротовими і дротяними системами:

можливість установки датчиків на вже існуючий і експлуатується об'єкт без додаткових робіт по прокладці кабельної мережі;
низька вартість окремого елемента контролю;
низька вартість монтажу, пуско-налагодження і технічного обслуговування системи;
мінімальні обмеження щодо розміщення бездротових пристроїв;
висока відмовостійкість сенсорної мережі в цілому.

опис

Апаратне забезпечення бездротових вузлів і протоколи мережевої взаємодії між ними оптимізовані по енергоспоживанню для забезпечення тривалого терміну експлуатації системи при автономних джерелах живлення. Залежно від режиму роботи час життя вузла може досягати декількох років.

Кожен вузол сенсорної мережі зазвичай містить порти вводу / виводу даних з різних датчиків контролю зовнішнього середовища (або самі датчики), мікроконтролер і радіо-приймач, а також автономний або зовнішнє джерело живлення. Це дозволяє пристрою отримувати результати вимірювань, проводити початкову обробку даних, і підтримувати зв'язок із зовнішнім інформаційною системою. Мікроконтролер може бути використаний для реалізації інтелектуальної розподіленої обробки даних. В інтелектуальній бездротової сенсорної мережі пристрої здатні на локальному рівні обмінюватися інформацією, аналізувати її і передавати до певної глибини оброблену інформацію, а не "сирі" дані. Це дозволяє значно скоротити вимоги до пропускної здатності мережі, збільшити масштабованість і термін експлуатації системи. Однак додавання "інтелекту" в мережу вимагає врахування особливостей прикладної задачі, тому цей підхід, як правило, ефективний при розробці замовний вузькоспеціалізованої системи.

Таким чином ключовими особливостями сенсорних мереж є:

здатність самоорганізації мережі передачі інформації та її адаптація до чисельного складу пристроїв;
здатність ретрансляції повідомлень від одного елемента до іншого;
можливість наявності датчиків в кожному елементі;
тривалий термін автономної роботи (1 рік і більше)

Сьогодні технологія бездротових сенсорних мереж, є єдиною, за допомогою якої можна вирішити завдання моніторингу та контролю, критичних до вимог за часом роботи батареї живлення пристроїв, їх надійності, автоматичним та напівавтоматичним настройки кожного з них, можливості простого додавання або виключення пристрою з мережі, поширення сигналів через стіни і стелі при низькій вартості системи. А технологія ретранслюється ближнього радіозв'язку, відома як «Сенсорні мережі», є одним із сучасних напрямків розвитку систем, що самоорганізуються відмовостійких розподілених систем промислового моніторингу та управління ресурсами і процесами.

Корпоративна версія технології «Інтернету речей» (англ. Internet of Things, IoT) сьогодні активно використовується в промисловості. В рамках корпоративного «Інтернету речей» (англ. Enterprise Internet of Things, EIoT) застосовуються бездротові сенсорні мережі і засоби управління, що відкриває підприємствам нові можливості управління машинами і устаткуванням. Бездротові датчики, що працюють від невеликого акумулятора без підключення до дротової мережі живлення, в виробничих умовах можуть перебувати в місцях, абсолютно недоступних для елементів управління попередніх поколінь.

EIoT підвищив надійність, безпеку і комплексну сумісність систем і устаткування, що дозволило задовольнити найжорсткіші вимоги до впровадження бездротових технологій цього напрямку не тільки в промисловості, але і в сфері охорони здоров'я, фінансових послуг і т. Д. EIoT враховує потреби цих областей завдяки тому, що технічні характеристики і елементи конструктивного виконання пристроїв технології цього нового напрямку набагато перевершують аналогічні технології IoT традиційних пристроїв, призначені для менш критичних споживчих або комерційних додатків.

проблеми EIoT

Датчики і елементи управління з підтримкою EIoT можуть працювати практично в будь-якому місці індустріального середовища, але до сих пір це скоріше залежало від удачі, оскільки не кожне промислове обладнання ідеально підходить для використання в бездротових мережах. Це пов'язано з тим, що в розгортанні IoT є два взаємопов'язаних, але, на перший погляд, суперечливих елемента:

Безпосередньо сама бездротова мережа пристроїв, яка встановлюється з використанням датчиків і елементів управління, пов'язаних з технологією малого радіусу дії з низьким рівнем споживання потужності.
Мережа IoT-датчиків, що взаємодіє з іншим обладнанням, контролерами і частинами мережі вже на більшій відстані.

Мал. 1. Додатки, розташовані далеко від міських центрів і традиційних телекомунікаційних послуг, для організації глобальної мережі можуть скористатися таким енергоефективним комунікаційним протоколом, як LoRa

Саме неможливість надійного зв'язку на великих відстанях часто є найбільш суттєвою перешкодою в умовах індустріальної середовища. Ця проблема має просту причину: телекомунікаційна зв'язок, яка здійснюється по провідних кабельних лініях або шляхом використання передачі сигналів через вишки стільникового зв'язку, не завжди доступна в місцях розташування промислового обладнання. Крім того, вартість використання сервісів стільникового зв'язку тільки для доставки декількох пакетів даних від датчиків за один сеанс зв'язку не має великого сенсу як з економічної точки зору, так і з чисто технічних міркувань. Крім того, досить часто виникає проблема енергопостачання датчиків і пристроїв зв'язку, яке досить важко організувати у віддалених місцях, де обладнання або інфраструктура не живиться безпосередньо від промислової мережі.

Незважаючи на широке покриття стільниковим зв'язком населених пунктів, в деяких місцях немає надійного сервісу для організації бездротового зв'язку. Це поширена проблема для сільських районів і віддалених місць розміщення промислового обладнання, наприклад окремо розташованого обладнання нафтогазової промисловості або трубопровідного транспорту, системи водопостачання та видалення стічних вод (рис. 1) і ін. Такі вузли також часто знаходяться далеко від найближчого технічного обслуговуючого персоналу, який перевіряє належне функціонування приладів. Іноді інженеру потрібно цілий робочий день, а то і кілька, для того щоб дістатися до обладнання та оглянути його. Нерідко важко і просто знайти фахівців, що бажають працювати в таких віддалених районах. Оскільки, зважаючи на обмежений покриття зв'язком, датчики і елементи управління з підтримкою EIoT досить рідкісні в віддалених об'єктах, то тут на допомогу приходять енергоефективні мережі далекого радіусу дії (англ. Low-power wide area network, LPWAN).

BLE і LPWAN

Найбільш широко використовуваною бездротовою технологією короткого радіусу дії в системах EIoT є технологія Bluetooth з низьким енергоспоживанням - BLE (англ. Bluetooth low energy, також відома як Bluetooth Smart). Основна причина високої популярності BLE для EIoT - його енергоефективність, яка дозволяє датчикам і елементам управління працювати тривалий час з дуже малою витратою енергії батарей. BLE управляє циклами сну, черговим режимом і активними циклами. BLE також широко використовується через потужність його радіочастотного сигналу, який дозволяє цій технології ефективно працювати навіть в складних середовищах з підвищеним рівнем високочастотних шумів, що надходять цифрових сигналів від комп'ютерного обладнання і навіть при наявності фізичних перешкод для поширення радіохвиль. Але ж, як відомо, всі ці чинники є звичними для індустріального середовища.

У проектах з реалізації EIoT саме технологія BLE є базовою для організації зв'язку ближнього радіусу дії. Причому вона може використовуватися як на вже експлуатованих, так і на ще тільки проектуються комплексах промислового обладнання. Однак такий мережі пристроїв з підтримкою BLE потрібен спосіб отримання інструкцій і ретрансляції даних на більш далекі відстані. Опора на традиційну телекомунікаційну інфраструктуру, яка дозволяє використовувати двосторонню зв'язок по Wi-Fi або сигнали стільникового зв'язку, неможлива через заслону, який би можливості застосування цих сенсорних і керуючих мереж. Об'єднавши BLE зі наддалекої і енергоефективністю технології LoRa компанії змогли розгорнути EIoT в місцях, де телекомунікаційна інфраструктура і інфраструктура харчування недоступні, а це, в свою чергу, розширило географію реалізації технології «Інтернету речей».

Мал. 2. Датчики спочатку підключаються до клієнта LoRa і потім - через шлюз LoRa

Протоколом глобальної мережі LoRa часто є LPWAN, оскільки він забезпечує безпечну двосторонню передачу даних і зв'язок з мережами IoT на великих відстанях протягом багатьох років без заміни батарей. При використанні технології LoRa відкривається можливість відправляти і приймати сигнали на відстані приблизно до 16 км, а встановлені при необхідності репітери (ретранслятори) можуть збільшити цю відстань вже до сотень кілометрів. На рис. 2 показана схема роботи LoRa. Для додатків IoT LoRa має безліч переваг саме завдяки її економічними характеристиками і можливостям:

Оскільки LoRa, як і BLE, є технологією наднизького енергоспоживання, вона здатна працювати в мережах пристроїв IoT на батарейках і може забезпечити тривалу роботу від батареї, не вимагаючи при цьому частого технічного обслуговування.
Вузли на базі технології LoRa недорогі і дозволяють компаніям скоротити витрати на передачу даних по системах стільникового зв'язку, а також відмовитися від установки оптоволоконних або мідних кабелів. Це усуває основний фінансовий бар'єр для організації зв'язку віддалено розташованих датчиків і обладнання.
Технологія LoRa добре працює і з мережевими пристроями, розміщеними всередині приміщень, в тому числі в складних індустріальних середовищах.
LoRa володіє широкою масштабністю і сумісністю за рахунок підтримки мільйона вузлів, її можна поєднати з державними і приватними мережами передачі даних і системами двобічної зв'язку.

Отже, в той час як інші технології LPWAN зможуть лише у віддаленій перспективі вирішити проблему дальності зв'язку при реалізації рішень «Інтернету речей», технологія LoRa пропонує для цього двосторонню зв'язок, захист від перешкод і високу інформаційне наповнення.

У LoRa є і істотний недолік - невисока пропускна здатність. Це робить її непридатною для додатків, що вимагають передачі потокових даних. Однак це обмеження не заважає використовувати її для широкого діапазону IoT-додатків, де час від часу передаються лише невеликі пакети даних.

взаємодія

Мал. 3. Модуль RM1xx від компанії Laird, який включає в себе комунікаційні можливості для протоколів бездротової мережі LoRa і Bluetooth

Потенціал LoRa збільшується вдвічі, коли він поєднується з технологією, подібної BLE. Діючи разом, вони надають набір бездротових можливостей наднизького енергоспоживання для зв'язку малого і дальнього радіусу дії, що розширює можливості мереж EIoT. Так, наприклад, центральна частина міських районів може бути покрита лише кількома шлюзами LoRaWAN, які є основою для мереж датчиків з технологією BLE, які тепер не залежать від традиційних телекомунікаційних інфраструктур. Таким чином, симбіоз LoRa і BLE усуває ряд перешкод для розширення IoT як в мегаполісах, так і в малих містах, що мають заслони на шляху широкого впровадження «Інтернету речей». Однак найбільший виграш від об'єднання LoRA і BLE отримують бездротові датчики, засоби управління та інше обладнання, які тепер можуть встановлюватися без будь-яких обмежень буквально всюди (рис. 3). У це особлива заслуга саме BLE. BLE також дозволяє цим пристроям спільно працювати в інтегрованій мережі малого радіусу дії, керованої, наприклад, зі смартфонів або планшетів, які в даному випадку використовуються в якості віддалених бездротових дисплеїв. У цій зв'язці технологія LoRa, грунтуючись на мобільних можливості BLE, виступає в якості своєрідної радіорелейної станції, яка може відправляти і отримувати дані на великих відстанях. Причому ці відстані можуть бути збільшені простими шлюзами для передачі сигналів.

Існує вже чимало наочних прикладів, які демонструють, як поєднання LoRa і BLE дозволяє мережам EIoT вийти на абсолютно інший технічний рівень і посилити свою експансію.

Переваги технологій бездротових сенсорних мереж можуть бути ефективно використані для вирішення різних прикладних задач, пов'язаних з розподіленим збором, аналізом і передачею інформації.

Автоматизація будівель

У деяких додатках автоматизації будівель використання традиційних провідних систем передачі даних недоцільно з економічних причин.

Наприклад, потрібно впровадити нову або розширити існуючу систему в експлуатується будівлі. У цьому випадку застосування бездротових рішень є найбільш прийнятним варіантом, тому що не вимагається проведененіе додаткових монтажних робіт з порушенням внутрішнього оздоблення приміщень, практично не заподіюються незручності співробітникам або мешканцям будинку і т.д. В результаті значно знижується вартість впровадження системи.

Іншим прикладом можуть бути офісні будівлі з вільним плануванням, для яких неможливо вказати точні місця установки датчиків на етапі проектування і будівництва. При цьому планування офісів може багаторазово змінюватися в процесі функціонування будівлі, отже, витрати часу і коштів на переконфігурацію системи повинні бути мінімальні, що може бути досягнуто застосуванням бездротових рішень.

На додаток можна навести такі приклади систем на базі бездротових сенсорних мереж:

моніторинг температури, витрати повітря, присутності людей і управління обладнанням опалення, вентиляції та кондиціонування з метою підтримки мікроклімату;
управління освітленням;
управління енергопостачанням;
збір свідчень квартирних лічильників газу, води, електроенергії і т.д .;
моніторинг стану несучих конструкцій будівель і споруд.

промислова автоматизація

До теперішнього часу широке використання бездротового зв'язку в області промислової автоматизації стримувалося низькою надійністю радіоканалів в порівнянні з дротяними з'єднаннями в важких умовах промислової експлуатації, але бездротові сенсорні мережі кардинальним чином змінюють ситуацію, що склалася, тому що за своєю природою стійкі до різного роду збурень (наприклад, фізичне пошкодження вузла, поява перешкоди, зміна перешкод і т.д.). Більш того, в деяких умовах бездротова сенсорна мережа може забезпечити навіть більшу надійність, ніж дротова система зв'язку.

Рішення на основі бездротових сенсорних мереж в повній мірі відповідають пропонованим з боку промисловості вимогам:

відмовостійкість;
масштабованість;
адаптованість до умов експлуатації;
енергетична ефективність;
врахування специфіки прикладної задачі;
економічна рентабельність.

Технології бездротових сенсорних мереж можуть знайти застосування в таких завданнях промислової автоматизації:

дистанційний контроль і діагностика промислового обладнання;
технічне обслуговування обладнання по поточному стану (прогнозування запасу надійності);
моніторинг виробничих процесів;
телеметрія для досліджень і випробувань.

інші додатки

Унікальні особливості і відмінності бездротових сенсорних мереж від традиційних дротяних і бездротових систем передачі даних роблять їх застосування ефективним в самих різних областях. наприклад:

безпека і оборона:
- контроль за переміщенням людей та техніки;
- засоби оперативного зв'язку і розвідки;
- контроль периметра і віддалене спостереження;
- допомога в проведенні рятувальних операцій;
- моніторинг майна і цінностей;
- охоронно-пожежна сигналізація;
моніторинг навколишнього середовища:
- моніторинг забруднень;
- сільське господарство;
охорону здоров'я:
- моніторинг фізіологічного стану пацієнтів;
- контроль місця розташування і оповіщення медичного персоналу.