Принципы построения сенсорных самоорганизующихся систем

Современный уровень развития измерительной техники, телекоммуникационных технологий и вычислительной техники позволяет приступить к реализации новой сетевой парадигмы гораздо более масштабной, чем даже Интернет – парадигмы сенсорных самоорганизующихся сетей. Сотни миллиардов микроскопических сенсоров, встроенных буквально во все предметы, от брелоков для ключей до систем экологического мониторинга окружающей среды, смогут контролировать состояние самых разнообразных объектов, собирать,обрабатывать и передавать по назначению необходимую измерительную информацию (в том числе, беспроводным образом с использованием ad hoc сетей), решая при этом массу полезных задач.

Перевод словосочетания ad hoc – «специальный, созданный для данной цели» - отражает суть сенсорных сетей, которые создаются каждый раз заново для решения конкретных задач и мгновенно после их выполнения распадаются на отдельные элементы, готовые образовать новые сети, как только в том возникнет необходимость. Крошечные (размером с пылинку) микроустройства, выполняющие одновременно вычислительные и коммуникационные функции и способные оптимальным образом автоматически конфигурироваться в самоорганизующиеся сети, являются основой новой сетевой парадигмы, повышающей производительность и безопасность сетевых вычислений.

В настоящее время в качестве наиболее очевидных областей применения ad hoc сетей эксперты называют экологию и службы спасения. Например, крошечные пылинки-сенсоры, разбросанные с самолетов над большими лесными массивами, в зависимости от заданных параметров могут отслеживать возникновение лесных пожаров, маршрут заблудившейся туристической группы, передавая в диспетчерский центр по самоорганизованной беспроводной сети мониторинг состояния «зеленого океана». Сенсорные сети могут следить за созреванием урожая, информируя фермеров о необходимости полива всходов, за состоянием климата в производственных и общественных помещениях и т.п.

В концепции сенсорных сетей существенно изменяется роль человека, поскольку их элементы – сенсорные микрокомпьютеры - становятся гораздо более самостоятельными, зачастую предвосхищающими задания, генерируемые человеком, задолго до их поступления. «Гомоцентрическая» модель сетевых вычислений с человеком в качестве центрального звена в сети уходит в прошлое - человек «смещается» из центра вычислений на его периферию, концентрируясь на управлении процессом, становясь своеобразным посредником между реальным миром и компьютерами.

Естественно, для того, чтобы воплотить заманчивые мечты о сенсорных беспроводных сетях в жизнь, предстоит еще многое сделать. Сенсорные устройства, или «моты» (от англ. mote – «пылинка») должны представлять собой интегрированную платформу, сочетающую возможности сенсоров (внешних датчиков, регистрирующих определенные параметры или их совокупность), компьютеров и коммуникационных устройств. Крошечные компьютеры должны не только «различать» окружающий мир, но и действовать в зависимости от его состояния. И все они должны быть соединены в единую беспроводную сеть, чтобы иметь возможность передавать регистрируемую информацию «по цепи». Наконец, они должны обладать внушительным запасом энергии для автономной работы и стоить так мало, чтобы их было дешевле выбросить, чем подзарядить.

Кое-кто из экспертов полагает, что распространение небольших сенсорных устройств может создать эффект в сотни и тысячи раз более мощный, чем распространение Интернета. Стремительное уменьшение размеров современных сенсоров вместе с их удешевлением и снижением энергопотребления приближает время прихода сенсорных сетей, а значит, наступление эпохи новой сетевой парадигмы.

Возрос интерес к разработке и изучению беспроводных самоорганизующихся сенсорных сетей – сетей, состоящих из множества простых миниатюрных устройств (узлов), каждое из которых содержит микроконтроллер, радиотрансивер, сенсор и автономный источник питания. Узлы способны регистрировать информацию о параметрах окружающей среды и передавать её по многозвенной цепочке (от узла к узлу) на базовую станцию. Предназначены такие сети для решения задач мониторинга, контроля и охраны больших территорий или крупных инженерных сооружений. Очень часто объем информации, который должен быть передан с узла сети на базовую станцию, ограничивается несколькими килобайтами в день, поэтому трансиверы узлов должны обеспечивать лишь достаточно низкие скорости передачи (~30 кбит/с). Отсутствие необходимости в высоких скоростях передачи данных и небольшой требуемый радиус связи (равный расстоянию до соседнего узла) позволяют существенно упростить конструкцию узлов сети, повысить их надежность и снизить стоимость всей сети. Одним из основных требований, предъявляемых к узлам сенсорной сети, является длительное время их автономной работы. Задача уменьшения энергопотребления может решаться за счет оптимизации конструкции и режимов работы аналоговых и цифровых схем узлов, а также за счет извлечения энергии, необходимой для работы этих схем, из окружающей среды. В настоящее время для целей извлечения энергии из окружающей среды используются солнечные батареи, преобразователи механических вибраций в напряжение, термоэлементы, ректены и пр. Невысокий к.п.д. подобных источников питания и необходимость дополнительного преобразования получаемых напряжений и токов до уровней, требуемых для нормальной работы радиосхем узла, не всегда позволяют добиться желаемых результатов. Одним из главных потребителей энергии в автономных узлах является радиопередающее устройство, поэтому задачу уменьшения энергопотребления передатчика можно считать одним из приоритетных направлений исследований в данной области. Если потребление энергии цифровыми схемами, необходимое на обработку бита информации, постоянно уменьшается с совершенствованием технологий их изготовления, то энергия, затрачиваемая на передачу бита, не может быть меньше необходимой для создания обнаружимого уровня сигнала в месте приема, и задается расстоянием источник-приемник, а также уровнем шума. Большинство существующих технологий установления радиоконтакта базируются на использовании активных (потребляющих энергию источника питания) передающих устройств. Привлекательной альтернативой использованию активных передающих устройств для поддержания радиосвязи на небольшие расстояния является применение в качестве источников радиосигналов пассивных рассеивателей, переизлучающих электромагнитные поля, создаваемые внешними источниками (базовыми станциями). При этом передаваемая информация может записываться в переизлученное поле путем модуляции параметров нагрузок, включенных в рассеиватель. В сравнении с активными устройствами, системы, использующие для радиосвязи пассивные рассеиватели, потребляют существенно меньше энергии от источника питания, конструктивно проще, надежнее и дешевле. При этом пассивные радиопередающие устройства могут обеспечивать очень высокий уровень стабильности частоты и фазы несущей, определяемый стабильностью излучения базовой станции.

⇐ Предыдущая35363738394041424344Следующая ⇒

Поделиться: