Анализ технологий сенсорных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего

профессионального образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Анализ технологий сенсорных сетей

Студент: Русаков Григорий Александрович

Новосибирск 2014 г

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. История развития сенсорных сетей

1.1 Период до 2003 года

1.2 Рабочая группа IEEE 802.15

1.3 Реализация стандарта IEEE 802.15.4

2. Обзор и анализ существующих технологий сенсорных сетей

2.1 Сетевая модель взаимосвязи открытых систем

2.2 Общий анализ технологий БСС

2.3 Технология Z-Wave

2.4 Технология BLE

2.5 Технология ZigBee / IEEE 802.15.4

3. Обзор оборудования для построения сенсорных сетей

3.1 Общая информация о модулях XBee Series 2

3.2 Запуск простейшей ZigBee-сети

3.3 Спящие узлы в ZigBee-сети

3.4 Спящий датчик температуры

4. Проблемы и перспективы развития сенсорных сетей

Заключение

Список литературы

Введение

сенсорный сеть модуль датчик

На протяжении всей истории развития человечества прослеживается четкая тенденция - сделать окружающую среду комфортнее и безопаснее.

Чтобы этого добиться, во многих областях жизнедеятельности требуется решение задач по сбору данных, поступающих от большого числа датчиков, для обеспечения реакции на выявленные и/или зафиксированные события. Например, для создания комфортных условий в квартире или офисе необходимо фиксировать присутствие человека, контролировать температуру, влажность воздуха, содержание кислорода, освещенность и, оперируя этими данными, изменять мощность обогревателя, включать/выключать освещение, регулировать его интенсивность, управлять увлажнителем воздуха и т.д.

Чтобы этот и подобные ему процессы происходили автоматически, необходимо обеспечить обмен информацией между всеми участвующими в нем устройствами. Для этого требуется создать единую сеть датчиков (чувствительных элементов, сенсоров) и исполнительных устройств, зачастую произвольным образом рассредоточенных в пространстве. Очевидно, что традиционная проводная сеть может быть использована для решения только узкого круга подобных задач в ограниченном пространстве. Например, для интеллектуализации дворовых территорий с меняющейся обстановкой она практически неприемлема в силу очевидных причин: такая сеть будет слишком затратной, энергоемкой, потребует трудоемкого обслуживания, станет мало пригодной для миниатюризации и будет иметь зафиксированную на стадии проектирования и монтажа топологию.

Беспроводная сеть позволяет снять эти ограничения. Таким образом, в конце ХХ века К. Пистером (Kristofer Pister), профессором электромеханики из калифорнийского университета Беркли, США была сформулирована концепция «умной пыли» (smart dust) - системы, состоящей из произвольного конечного множества электромеханических пылинок или мотов (mote), способных обмениваться информацией в произвольной пространственной конфигурации. Воплощение этой концепции на практике привело в дальнейшем к появлению беспроводных сенсорных сетей (БСС), которые часто называют просто сенсорными сетями.

Беспроводная сенсорная сеть (WSN - Wireless Sensor Network) - это распределенная самоорганизующаяся устойчивая к отказам отдельных элементов сеть, состоящая из множества необслуживаемых и не требующих специальной установки мотов, объединенных посредством радиоканала.

В настоящее время существует большое разнообразие беспроводных сетей, которые нашли свое применение в той или иной области. По прогнозам ведущих экспертов в области телекоммуникаций до 7 триллионов мотов будет эксплуатироваться в мире к 2017-2020 годам.

Выйдя из академических лабораторий, сенсорные сети стали объектом интереса множества разработчиков, что привело к появлению нескольких промышленных стандартов, не обеспечивающих взаимодействия между оборудованием различных производителей.

Основные работы в области стандартизации протоколов, используемых в сенсорных сетях, проводятся Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), Международным союзом электросвязи (ITU), Инженерным советом Интернета (IETF) и Международной организацией по стандартизации (ISO).

Результатом работ по стандартизации БСС стало семейство беспроводных стандартов IEEE 802.15.4, регламентирующих в рамках сетевой 7-уровневой модели OSI только физический (PHY) и канальный (DLL) уровни. Сетевой и прикладной уровни оставлены неопределенными.

Стандарт IEEE 802.15.4 ориентирован на создание сетей для управления и мониторинга автономных устройств с низким энергопотреблением. На его основе могут быть построены самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также различными уровнями и параметрами безопасности.

Для поддержки и развития стандарта IEEE 802.15.4, а также обеспечения взаимной совместимости устройств в полном наборе семи сетевых уровней (сетевом, транспортном, сеансовом, а также на уровнях представления и приложений) был образован корпоративный консорциум ZigBee. Его целью стало создание и развертывание мониторинговых и управленческих сетей на базе стандарта IEEE 802.15.4 в рамках коммерческого альянса.

Как показывает опыт развития информационно-коммуникационных технологий и Интернет, по настоящему массовое развитие и внедрение технологий возможно только на основе открытых стандартов.

Процесс развития IP-сетей привел к формированию в Инженерном совете Интернета (IETF) рабочей группы 6LoWPAN для решения проблемы передачи поверх каналов IEEE 802.15.4 пакетов IPv6 способом, удовлетворяющим открытым стандартам и предоставляющим взаимодействие с другими IP-каналами и устройствами.

Появление рабочей группы 6LoWPAN стало откликом на концепцию «Интернет вещей» (Internet of Things) - концепцию создания сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом и внешней средой. Эта концепция была сформулирована в результате осмысления перспектив массового применения средств радиочастотной идентификации (RFID). Она рассматривает организацию «сетей вещей» как явление, способное перестроить в XXI веке социально-экономические процессы путем исключения участия человека в рутинных процессах обеспечения жизнедеятельности.

В последние годы ZigBee были разработаны IP-спецификация, а также спецификация RF4CE и целый ряд предметно-ориентированных прикладных решений. Однако проблема ZigBee-сертификации по-прежнему носит сдерживающий характер.

Вместе с тем существующий уровень стоимости БСС порядка 150 $/узел пока далек от предсказанного К. Пистером значения 0,1 $/узел. А энергопотребление - от 10 нДж/бит.

Не решен до конца целый ряд других проблем.

Так традиционные методы сетевой временной синхронизации неприемлемы в БСС, где существует только один критерий качества алгоритма временной синхронизации - наименьшее энергопотребление мота.

Выбор алгоритма маршрутизации - один из самых сложных вопросов, решаемых при проектировании сенсорной сети. Традиционные протоколы не подходят для самоорганизующихся пакетных радиосетей, поскольку сильно зависят от периодических служебных сообщений. С ростом размера сети экспоненциально увеличивается число возможных маршрутов, что требует частых и значительных обновлений служебной информации.

Необходимость самоорганизации БСС требует разработки эффективных алгоритмов моделирования сетей перед их развертыванием.

Поэтому проходят многие годы, прежде чем удивительные технологии, поразившие воображение и наделавшие много шума в СМИ, входят в нашу повседневную жизнь. Некоторые из них так и уходят в небытие, не найдя свой путь на массовый рынок. Известная исследовательская и консалтинговая компания Gartner в своем последнем ежегодном отчете «Цикл зрелости технологий - 2013» (Emerging Technologies Hype Cycle), известном также как «Цикл шумихи», прогнозирует выход технологий «умной пыли» и «Интернет вещей» на «плато продуктивности», т.е. на уровень массового применения в течение 5-10 лет.

Целью настоящей дипломной работы является раскрытие проблем развития и массового применения беспроводных сенсорных сетей, а также поиск путей их решения.



1. История развития сенсорных сетей

Вопросы создания беспроводных сенсорных сетей являются сравнительно новым и пока еще формирующимся комплексным исследовательско-технологическим направлением. Как и для любого другого комплексного направления научно-технического прогресса в основе создания БСС лежит несколько предпосылок. Некоторые из них упомянуты во введении. Это - концепции «умной пыли» (Smart dust), «Интернета вещей» (Internet of Things), сюда же можно отнести вопросы создания беспроводных персональных вычислительных сетей (WPAN - Wireless Personal Network), систем радиочастотной идентификации (RFID - Radio Frequency IDentification), микроэлектромеханических систем (MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems).

Прототипами современных БСС можно считать также некоторые распределенные военно-технические системы, созданные в 1970-1980 г.г., например, систему СОСУС (SOSUS - SOund SUrveillance System). Эта глобальная система звукового наблюдения предназначалась для обнаружения и идентификации советских подводных лодок и наряду со стационарными подсистемами включала в себя гидроакустические буи, сбрасывавшихся в районе поиска с противолодочных вертолетов НАТО и передававших данные наблюдений в центр обработки информации по радиоканалам.

Своеобразным рубежом в истории создания БСС стал 2003 г., когда была опубликована первая версия стандарта IEEE 802.15.4. Поэтому историю БСС можно разбить на два больших этапа:

первый - до появления первой версии стандарта IEEE 802.15.4;

второй - реализация и модификация стандарта IEEE 802.15.4 и беспроводных систем на его основе.



1.1 Период до 2003 года

С начала 1990-х годов Управление перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) начало финансирование ряда программ, целью которых являлась разработка микроминиатюрных датчиков, снабженных радиоволновыми устройствами связи. Результаты, полученные при выполнении одной из этих программ «Маломощные беспроводные интегральные микродатчики» (Low Power Wireless Integrated Microsensors), послужили основой для развертывания последующей программы «Беспроводные интегральные сетевые датчики» (Wireless Integrated Network Sensors). Эта программа также финансировалась по линии Исследовательской лаборатории Армии США и выполнялась Калифорнийским университетом (г. Лос-Анджелес) совместно с научным центром американской фирмы Rockwell.

На основе обобщения ранее полученных результатов в 1998 г. управлением DARPA была начата программа «Tactical Sensor Program», направленная на создание микроминиатюрных автономных датчиков (Micro Unattended Ground Sensors) для систем военно-тактического назначения. Для повышения эффективности внедрения технологии MEMS в новые разработки в конце 1999 г. Отдел электронных технологий (Electronic Office) DARPA был реорганизован в Отдел технологий микросистем (MEMS Office).

В 1999 г. управление DARPA начало финансирование четырехлетней программы «Беспроводной датчик со сверхнизкой потребляемой энергией» (Ultra Low Power Sensor). Программа выполнялась группой исследователей Массачусетского технологического института под руководством Ч. Содини. Аппаратурную реализацию сконструированных устройств на технологической базе радиоэлектронных интегральных схем осуществляла всемирно известная фирма Analog Devices (г Норвуд, шт. Массачусетс). Эта программа была ориентирована на разработку комбинированного устройства, состоящего из кремниевого матричного преобразователя изображения, интегрированного с микроминиатюрным радиопередатчиком. Скорость потока передаваемой информации по радиоканалу этого устройства была задана в диапазоне от 1 бит/с до 1 Мбит/с. Мощность, потребляемая устройством в целом, была ограничена диапазоном значений от 10 мкВт до 10 мВт. Микроминиатюризация этого устройства столкнулась с рядом трудностей. В первую очередь, ограничивающим фактором стали габариты приемопередающих радиоантенн. Для достижения приемлемых размеров антенн потребовался миллиметровый диапазон радиоволн. Однако при этом мощность радиопередатчика и устройства преобразования сигнала выходила за рамки допустимых ограничений.

Альтернативной концепцией связи датчиков MEMS на расстояниях прямой видимости стало использование лазерной пространственной коммуникационной оптики, работающей в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах излучения. Предпочтение оптической связи при создании микроминиатюрных автономных датчиков было отдано в программе «Умная пыль» (Smart Dust), выполнявшейся по заказу DARPA в Калифорнийском университете г. Беркли, США.

В этих разработках, несмотря на зависимость качества оптической связи от состояния атмосферы (запыленности, задымленности, тумана и т.д.) и ограничений, связанных с условием обеспечения прямой видимости между абонентами, приоритет был отдан исследованию возможности предельного уменьшения размеров датчиков MEMS. В начале 1999 г. исследователи Калифорнийского университета в г. Беркли под руководством профессора Кристофера Пистера создали датчик в виде таблетки диаметром около 5 мм. Конструкция этого датчика показана на рисунке 1.1. Применение полупроводниковых лазерных источников, снабженных коллиматорной оптикой, позволило добиться узконаправленного потока излучения и тем самым снизило требования к мощности выходного сигнала передатчика. Следующим шагом стало уменьшение габаритов до 1-2 мм. Именно тогда для будущих датчиков с еще меньшими размерами К. Пистером был использован термин «умная пыль».

Рисунок 1.1 - Конструкция датчика проекта «Умная пыль» [5]

В качестве общей подложки датчика используется аккумулятор, выполненный по толстопленочной технологии. На нем размещаются первичный преобразователь неэлектрической величины в электрическую, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор совместно с запоминающим устройством, вторичный источник питания и солнечная батарея, изготовленные в виде отдельных кремниевых кристаллов. Вычислительные возможности датчика на тот момент времени должны были соответствовать микропроцессору «Intel 8086». Внешняя связь обеспечивалась блоками фотоприемника, лазерного передатчика и уголкового отражателя. Блок лазерного передатчика состоял из полупроводникового лазера, коллиматорной линзы Френеля и зеркала. Зеркало размещалось на отклоняющем устройстве, которое позволяло направлять излучение передатчика в любом направлении в пределах воображаемой полусферы, опирающейся на плоскость основания датчика. Информация о положениях отклоняющего устройства при проведении сеансов связи датчика с различными внешними абонентами хранится в запоминающем устройстве для воспроизведения этих положений при последующих сеансах связи с абонентами.

Внешним абонентом, которому передается полученная датчиком информация, служит центральная станция. Устройствами дуплексной связи этой станции являются фотоприемник модулированного оптического излучения, поступающего от датчика, демодулятор и дешифратор полученного сигнала, а также лазерный источник излучения. Передача информации от датчика на центральную станцию осуществляется в активном или пассивном режимах.

В случае активного режима используется лазерный блок датчика. Этим блоком генерируется импульсно-модулированное излучение в соответствии с сигналами первичного преобразователя. Лазерный передатчик потребляет относительно большую мощность, значение которой составляет около 1 мВт. Поэтому сеанс связи в таком режиме может продолжаться в течение короткого промежутка времени. Передача информации при этом осуществляется, как указывают разработчики датчика, либо на расстояние нескольких километров при низких скоростях потока передаваемой информации, либо на значительно меньшие расстояния, но при высоких скоростях этого потока, достигающих нескольких мегабит в секунду.

При пассивном режиме используется уголковый отражатель. Конструктивно он состоит из трех взаимно перпендикулярных плоскостей, выполненных из поликристаллического кремния с пленочным покрытием из золота. Одна из плоскостей отражателя сопряжена с электростатическим приводом (актюатором), который может отклонять эту плоскость от ее исходного положения, что позволяет осуществлять импульсную модуляцию отраженного излучения лазера центральной станции.

Отраженное лазерное излучение направляется уголковым отражателем строго обратно к центральной станции и одновременно модулируется в соответствии с сигналами первичного преобразователя датчика. Угол падения исходного оптического излучения на уголковый отражатель должен совпадать с осью симметрии, проходящей через точку сопряжения плоскостей отражателя, и выдерживаться с допуском в несколько десятков градусов. С целью снижения требований со стороны устройств внешней связи к ориентации датчика его конструкция может содержать несколько уголковых отражателей разной направленности. В этом случае размеры датчика увеличиваются. Таким же образом в пассивном и активном режимах может осуществляться связь между двумя датчиками.

С целью экономии мощности, потребляемой датчиком, предусмотрена возможность его работы при отключенных устройствах внешней связи и накапливании информации, зарегистрированной первичным преобразователем, в запоминающем устройстве. Последующая передача этой информации на центральную станцию осуществляется в определенные промежутки времени в пассивном режиме. Эта передача информации может производиться в некоторых случаях по программе центральной станции, когда ее лазерное излучение включается в определенное время суток, или через определенные промежутки времени в зависимости от специфических особенностей регистрируемых датчиком событий. В других случаях лазерное излучение центральной станции включается в ответ на короткие сигналы запроса самого датчика, передаваемые в активном режиме.

При экспериментальном исследовании датчика была успешно осуществлена пассивная передача информации в пассивном режиме от датчика на центральную станцию, удаленную на 150 м (при выходной мощности лазера базовой станции - 5 мВт и скорости потока передаваемой информации - 1 кбит/с).

В дальнейшем свободный доступ к материалам программы «Умная пыль» был закрыт. Это означает, что результаты дальнейших исследований используются в целях создания реальных военных разведывательных систем.

Следующей предпосылкой появления БСС стало решение задачи использование радиоканалов для передачи пакетов данных и организации беспроводных вычислительных сетей. Одной из основных технических проблем, возникающих при реализации таких сетей, была разработка средств управления доступом к общему радиоканалу связи.

Первая сеть пакетной радиосвязи, известная как ALOHANet, была разработана в 1968-1971 г.г. в Гавайском университете США под руководством профессора Н. Абрамсона. Она предназначалась для использования дешевого коммерческого радиооборудования для подключения пользователей на о. Оаху и других Гавайских островах к центральному компьютеру в режиме разделения времени. Компьютер был расположен в главном кампусе университета на острове Оаху. В этой сети впервые был использован метод случайного доступа к общей среде передачи. Скорость передачи данных составляла 9600 бод. Передача информации осуществлялась на ультравысоких частотах (УВЧ).

Первая версия протокола, который сейчас называется «Чистая Алоха» (Pure ALOHA) была довольно проста:

если у вас готовы данные для передачи, отправляйте данные;

если ваше сообщение сталкивается с другой передачей, попробуйте отправить его позже. Для этого отправитель ждет случайное время, прежде чем повторяет попытку.

Следует подчеркнуть, что первый шаг протокола подразумевает, что не производится проверки занятости канала перед началом отправки сообщения. Критическим фактором этого протокола является концепция «потом»: случайная отсрочка значительно влияет на эффективность протокола, и, в конечном итоге, определяет пропускную способность канала и предсказуемость его поведения.

Основываясь на результатах проекта ALOHA, управление DARPA начало в 1973 г. финансирование ряда проектов по созданию сетей пакетной радиосвязи. В 1975 г. Р. Маклаф разработал протокол CSMA (Carrier Sense Multiple Access - множественный доступ с контролем несущей). В 1977 г. в Лос-Анжелесе была создана пакетная радиосеть PRNet и проведен ряд экспериментов по передаче IP-пакетов между фиксированными и мобильными сетевыми узлами. При этом сеть PRNet позволяла реализовывать «многоскачковый» режим передачи, при котором данные передаются конечному получателю не сразу, а несколькими «скачками» по узлам сети. Другими особенностями PRNet были возможность дистанционной отладки и удаленной загрузки кода доступа к узлам сети. Сеть PRNet эксплуатировалась в экспериментальном режиме ежедневно, в течении, по меньшей мере, десяти лет.

В 1983 году управление DARPA начало финансирование проекта SURAN (Survivable Radio Network) по разработке набора мобильных одноранговых сетей, устойчивых к электронным атакам. Первоначальными целями проекта были:

разработка малогабаритного и недорогого радиоканала с низким энергопотреблением, способного работать с более сложными протоколами передачи радиопакетов, чем проекты DARPA 1970-х годов;

разработка и демонстрация алгоритмов, способных к масштабированию до десятков тысяч узлов;

разработка и демонстрация методов обеспечения устойчивости и живучести пакетных радиосетей при сложных электронных атаках.

Следующим расширением этой программы стало начало создания в 1987 г. мобильных протоколов дешевой пакетной радиосвязи (LPR - Low-cost Packet Radio). Основными проектными задачами стали:

масштабируемость на основе методов динамической кластеризации;

радиоуправление кодами расширения для обеспечения безопасности и увеличения емкости сети.

Для проекта SURAN были разработаны многочисленные алгоритмы маршрутизации, программный лабораторный эмулятор и реальный демонстратор, выполненный на изготовленных на заказ аппаратных средствах. Этот демонстратор представлял собой радиосеть из 180 узлов. Наиболее сложный эксперимент проводился одновременно на 22 узлах, некоторые из которых были установлены на движущиеся автомобили.

Реализация проекта SURAN привела к появлению концепции MANET (Mobile Ad hoc Network) - беспроводных децентрализованных самоорганизующихся сетей, состоящих из мобильных устройств. Каждое такое устройство может независимо передвигаться в любых направлениях, и, как следствие, часто разрывать и устанавливать соединения c соседними узлами.

Самоорганизующиеся сети MANET обладают следующими преимуществами над беспроводными сетями традиционной архитектуры:

возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика;

устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети;

возможность быстрой реконфигурации в условиях неблагоприятной помеховой обстановки;

простота и высокая скорость развертывания;

Беспроводные сети, построенные на базе мобильных устройств, обладают следующими особенностями:

мобильность узлов повышает требования к динамической топологии сети, так как к возможности обрыва связи из-за помех или включения/выключения узла добавляется возможность его пространственного перемещения;

источники питания мобильных узлов имеют ограниченную энергоемкость, в связи с чем при проектировании аппаратных средств и протоколов необходимо учитывать их энергопотребление.

Основными проблемами при создании сетей MANET являются:

обеспечение помехоустойчивости;

обеспечение безопасности передаваемых данных;

обеспечение и поддержание общей пропускной способности сетей;

увеличение эффективности применяемых методов маршрутизации.

Еще одной концепцией оказавшей и продолжающей оказывать на создание БСС большое влияние является так называемая концепция Интернета вещей (Internet of Things).

«Интернет вещей» - концепция вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными устройствами для взаимодействия друг с другом и/или с внешней средой.

Перспективы массового создания таких сетей рассматриваются как явление, способное значительно изменить социально-экономические процессы, вследствие исключения или изменения степени участия в них человека. Наполнение концепции «Интернет вещей» многообразным технологическим содержанием и внедрение практических решений по ее реализации считается одним из наиболее перспективных процессов развития информационно-коммуникационных технологий.

Концепция и термин «Интернет вещей» впервые были сформулированы К. Эштоном из Массачусетского технологического института в 1999 г. на презентации для руководства компании Procter & Gamble. В презентации рассказывалось о том, как массовое внедрение средств радиочастотной идентификации (RFID) для взаимодействия физических объектов между собой и с внешним окружением сможет видоизменить систему управления логистическими цепями в корпорации.

В 2004 году в журнале «Scientific American» была опубликована обширная статья, посвященная интернету вещей. В ней были наглядно продемонстрированы возможности бытового применения концепции. В статье приведена иллюстрация, демонстрирующая как бытовые приборы (будильник, кондиционер), домашние системы (система садового полива, охранная система, система освещения), датчики (тепловые, датчики освещённости и движения) и «вещи» (например, лекарственные препараты, снабжённые идентификационной меткой) взаимодействуют друг с другом посредством коммуникационных сетей (инфракрасных, беспроводных, силовых и слаботочных сетей) и обеспечивают полностью автоматическое выполнение процессов (включают кофеварку, изменяют освещённость, напоминают о приёме лекарств, поддерживают температуру, обеспечивают полив сада, сберегают электроэнергию). Сами по себе представленные варианты домашней автоматизации не новы, но упор в публикации на объединении устройств и «вещей» в единую вычислительную сеть, обслуживаемую интернет-протоколами, и рассмотрение интернета вещей как особого феномена, стали причинами резкого роста популярности концепции.

Уже в отчете Национального разведывательного совета США 2008 г. «Интернет вещей» фигурирует как одна из шести потенциально разрушительных технологий, указывается, что повсеместное и незаметное для потребителей превращение в интернет-узлы таких распространённых вещей, как товарная упаковка, мебель, бумажные документы, может нанести урон национальной информационной безопасности.

По мнению аналитиков корпорации Cisco в течение 2008-2009 г.г. произошло настоящее рождение Интернета вещей, так как именно в это время количество устройств, подключённых к глобальной сети, превысило численность населения Земли. Тем самым «интернет людей» стал «интернетом вещей».

С 2009 г. при поддержке Еврокомиссии в Брюсселе ежегодно проводится конференция «Internet of Things», на которой представляют доклады еврокомиссары и депутаты Европарламента, правительственные чиновники из европейских стран, руководители таких компаний как SAP, SAS Institute, Telefуnica, ведущие учёные крупных университетов и исследовательских лабораторий.

Радиочастотная идентификация или RFID (Radio Frequency IDentification) - способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Любая RFID-система состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда применяется термин RFID-тег).

Прототипом RFID может считаться система распознавания «свой-чужой» IFF (Identification Friend or Foe), изобретённая Исследовательской лабораторией ВМС США в 1937 году. Она активно применялась союзниками во время Второй мировой войны, чтобы определить, своим или чужим является объект в небе. Подобные системы до сих пор используются как в военной, так и в гражданской авиации.

Идея использования пассивных электронных запоминающих устройств-меток привела к созданию в 1969 г. компании под названием Communications Services Corporation, или ComServ. В 1973 г. эта компания получила патент на «небольшое портативное устройство, которое легко спрятать, а в случае необходимости прикрепить или вмонтировать в различные объекты». В качестве памяти инженеры компании использовали ферритовые кольца, позволившие им создать устройство, способное запомнить до 16 бит данных. Изобретение демонстрировалось в различных транспортных и правительственных организациях. Демонстрационное устройство работало на частоте 915 МГц и использовало 12-битные метки.

В 1990-е годы началось активное применение радиосистем для оплаты дорожных сборов на скоростных магистралях США. Автомобили смогли пересекать въездные терминалы, не снижая скорости. Бесконтактные средства оплаты появились на дорогах Оклахомы, Канзаса и Джорджии, а также в районе Хьюстона. Все они базировались на единой спецификации, названной Title-21. Затем нескольких северо-восточных штатов США сформировали группу E-Z Pass Interagency Group, которая с целью автоматизации взимания платы за проезд занялась вопросами стандартизации RFID-методик.

В это же время корпорация Texas Instruments создает TIRIS - Texas Instruments Registration Identification System. И наконец, наступает переломный момент, когда приемопередатчик радиоволн впервые интегрируется в микросхему, изготовленную по стандартному КМОП-процессу. Это позволило объединить на одной подложке все компоненты, необходимые для функционирования радиометки RFID и открыло новые возможности для ее дальнейшей миниатюризации.

В 2004 г. Международная организация по стандартизации приняла единый международный стандарт ISO 18000, описывающий протоколы обмена во всех частотных диапазонах RFID от 135 кГц до 2,45 ГГц. Диапазону УВЧ (860 ч 960) МГц соответствует стандарт ISO 18000-6А/В. В настоящее время действует несколько стандартов, описывающих различные области и аспекты применения RFID.

Еще одной предпосылкой создания БСС стало развитие персональных беспроводных сетей WPAN (Wireless Personal Area Network). Эти сети обеспечивают радиообмен между персональными коммуникационными устройствами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга (порядка единиц) метров и предназначены для удовлетворения индивидуальных потребностей пользователей.

Родоначальником технологии WPAN считается компания Ericsson, которая в 1994 г. предложила технологию среднескоростной сети, которая в настоящее время известна как Bluetooth. К 1998 г. инициативной группой производителей SIG (Special Interest Group) был разработан первый стандарт WPAN, получивший название Bluetooth v.1.0.

В том же 1998 г. другая инициативная группа, впоследствии образовавшая альянс ZigBee, начала разработку спецификаций на аппаратуру для низкоскоростных WPAN.

В качестве ответа на растущие вызовы со стороны беспроводных вычислительных сетей Институт инженеров электротехники и электроники США (IEEE) в рамках комитета IEEE 802 (IEEE 802 LAN/MAN Standarts Committee) образовал рабочую группу IEEE 802.15, которая начала работу по стандартизации в области WPAN.

1.2 Рабочая группа IEEE 802.15

Комитет IEEE 802 ведет свою историю с 1980 г., когда была осознана необходимость определения стандартов локальных сетей ЭВМ для разработки сетевых интерфейсов, характеризующихся низкой стоимостью и высокой степенью унификации.

Общей особенностью стандартов этого комитета, занимающегося стандартами локальных и городских вычислительных сетей (LAN - Local Area Network и MAN - Metropolitan Area Network, соответственно), является то, что все стандарты IEEE 802 ограничены сетями с пакетами переменной длины. Службы и протоколы, определяемые в IEEE 802, находятся на двух нижних уровнях: канальном (PHY - Physical Layer) и физическом (DLL - Data Link layer) уровни) семиуровневой сетевой модели OSI. Фактически, IEEE 802 разделяет канальный уровень OSI на два подуровня - подуровень управления доступом к среде (MAC - Media Access Control) и подуровень логической передачи данных (LLC - Logical Link Control). Первый подуровень (MAC) определяет метод доступа к среде. Второй подуровень, (LLC), определяет все другие канальные функции (управление потоком данных, контроль ошибок и т. п.).

Рабочая группа IEEE 802.15 специализируется на разработке стандартов WPAN, имеющих небольшой радиус действия. На разных этапах работы она включала в себя разные целевые группы.

IEEE 802.15.1 - Блютус (Bluetooth). Этот стандарт регламентирует беспроводные среднескоростные соединения стационарных и портативных устройств в радиусе до 100 м личного или рабочего пространства, расположенного, в том числе, в разных помещениях. Как уже отмечалось выше, первая версия этого стандарта была опубликована в 1998 г, промежуточная версия 1.1 - в 2001 г. Версия 1.2, утвержденная позднее как стандарт IEEE 802.15.1-2005, была обнародована в 2003 году.

Дальнейшее развитие Блютус получил как промышленный стандарт в рамках деятельности Специальной группы по интересам (Bluetooth Special Interest Group или Bluetooth SIG), которая была создана в 1998 г. в США пятью компаниями-учредителями в качестве некоммерческой организации. В 2013 г. количество членов этой организации достигло 20 000.

Блютус версии 2.0 был опубликован 10.11.2004 г. Он имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR составила 3 Мбит/с, хотя на практике скорость передачи данных не превышала 2,1 Мбит/с.

В период 2007 - 2009 г.г. Bluetooth SIG были последовательно опубликованы спецификации Bluetooth 2.1, Bluetooth 2.1 + EDR и Bluetooth 3.0 + HS. Особо отметим спецификацию Bluetooth 4.0, утвержденную Bluetooth SIG 30.06.2010 г.

Спецификация Bluetooth 4.0 включает в себя три протокола: Классический Блютус (Classic Bluetooth), Высокоскоростной Блютус (Bluetooth High Speed) и Блютус с низким энергопотреблением (BLE - Bluetooth Low Energy). Высокоскоростной Блютус основан на Wi-Fi, а Классический Блютус состоит из протоколов предыдущих спецификаций Блютус.

Блютус с низким энергопотреблением включает спецификацию ядра цифровой беспроводной технологии Wibree, со сверхнизким энергопотреблением и малым радиусом передачи (до 10 м), основанной на применении недорогих микросхем в передающих устройствах. Главным достоинством этой технологии является управление режимами энергопотребления в режимах передачи и простоя.

В 2001 г. компания Nokia определила несколько открытых сегментов беспроводных технологий. Чтобы их закрыть, концерн Nokia начал разработку технологии, основанной на стандарте Bluetooth. Новая технология должна была обеспечить низкое энергопотребление передающих устройств и более низкую стоимость оборудования по сравнению с Bluetooth. Наработки были представлены в 2004 г. под названием Bluetooth Low End Extension («Слабая» версия Блютус). Далее к разработке этой технологии подключились партнеры Nokia, и в октябре 2006 г. новая спецификация была представлена под брендом Wibree. Аббереатура от «Wi» (wireless - беспроводной) и «bree» (от староанглийского - перекресток). После переговоров в июне 2007 г. с членами группы Bluetooth SIG было получено согласие на включение Wibree в следующую спецификацию Bluetooth в качестве Блютус-технологии ультра низкого энергопотребления (Bluetooth Ultra Low Power Technology), теперь известной как BLE.

Спецификация BLE предназначена, прежде всего, для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажерах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.). Низкое энергопотребление достигается за счет использования особого алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предусматривает скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8ч27 байт. В новой версии два Блютус-устройства могут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.

Первый чип с поддержкой Блютус 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года.

Последняя спецификация Блютус - Блютус 4.1 была представлена Bluetooth SIG в конце 2013 г. Одно из улучшений, реализованных в этой спецификации, касается совместной работы Блютус и мобильной связи четвeртого поколения. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путем автоматической координации передачи пакетов данных.

IEEE 802.15.2. Эта группа занималась разрешением конфликтов между беспроводными персональными сетями (WPAN) и другими беспроводными устройствами, работающими на нелицензируемых частотных диапазонах, такими как беспроводные локальные сети (WLAN). Стандарт IEEE 802.15.2-2003 был опубликован в 2003 г. после чего деятельность этой целевой группы была приостановлена.

IEEE 802.15.3 . Эта группа занимается разработкой стандартов для высокоскоростных (от 11 до 55 Мбит/с) WPAN. В период с 2003 по 2009 г.г. было опубликовано 4 версии этого стандарта. Последний стандарт IEEE 802.15.3c-2009 был опубликован 11.09.2009 г. Создавшая его целевая группа TG3c, образованная в марте 2005 г., разработала альтернативный физический уровень, основанный на миллиметровых волнах, для первой версии стандарта 802.15.3-2003 WPAN. Эти миллиметровые WPAN работают на нелицензируемых частотах в диапазоне 57ч63 ГГц. Такой выбор частот обеспечивает возможность бесконфликтной работы на близком расстоянии с другими микроволновыми системами, определенными в стандартах IEEE 802.15. Сети WPAN IEEE 802.15.3c-2009 обеспечивают очень большую скорость передачи данных (более 3 Гбит/c), что позволяет реализовывать доступ в интернет, потоковую передачу мультимедиа (потоковое видео, HDTV, домашний кинотеатр и т.д.) и даже замену некоторых проводных шин передачи данных беспроводным каналом.

В настоящее время развитием высокоскоростных WPAN занимается целевая группа TG3d. Последняя черновая версия спецификации IEEE P802.15-13-0522-06-0thz, опубликованная этой группой 20.03.2014 г., демонстрирует возможность передачи данных со скоростью 100 Гбит/с на дистанции 20 м и со скоростью 40 Гбит/с на расстоянии 1,1 км.

IEEE 802.15.4. Эта группа занимается спецификациями протоколов PHY и MAC для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости передачи (Low-rate WPAN).

Стандарт IEEE 802.15.4-2003, первая версия которого была опубликована в 2003 г., ориентирован на очень длительное время автономной работы (месяцы и даже годы), низкую сложность устройств и очень малую стоимость передачи одного бита информации при низкой скорости передачи.

Первоначальная версия этого стандарта определяла два варианта физического уровня, основанных на широкополосной модуляции с прямым расширением спектра. Первый работает в диапазонах 868/915 МГц со скоростью передачи в 20 и 40 кбит/с, а второй в диапазоне 2450 МГц со скоростью 250 кбит/с при дальности связи порядка 10 м.

Дальнейшее развитие этого стандарта осуществляется путем публикации поправок, разрабатываемых несколькими целевыми группами.

Целевая группа TG3а разработала поправку IEEE 802.15.4a, первый вариант которой был представлен в 2006 г., а окончательный - в 2007 г. и получил формальное название IEEE 802.15.4a-2007. Это - дополнение к IEEE 802.15.4, определяющее допустимые варианты реализации физического уровня. Поправка нацелена на достижение:

более высокой точности расположения (от 1 метра),

большей пропускной способности,

масштабируемости скорости передачи данных,

большей дальности

более низкого энергопотребления и стоимости.

В версии 2006 г. были повышены максимальные скорости передачи данных на частотах 868/915 МГц до 100 и 250 кбит/с. Кроме того, были определены четыре варианта физических уровня в зависимости от метода модуляции. Три из них сохранили подход широкополосной модуляции в диапазоне 868/915 МГц, включая двоичную и квадратурную фазовую манипуляции. Последняя является более подходящей для диапазона 2450 МГц. Четвертый вариант на частоте 868/915 МГц использует комбинацию двоичного кодирования и амплитудной манипуляции на основе параллельного, а не последовательного расширения спектра. Стало возможно динамическое переключение между поддерживаемыми вариантами 868/915 МГц физического уровня.

Версия 2007 г. расширила четыре варианта физического уровня, которые были доступны в версии 2006 г., до шести вариантов. Для реализации повышения скорости передачи были выбраны две технологии:

последовательная радиотехнология UWB Pulse Radio (нелицензируемый UWB диапозон частот);

технология частотного расширения спектра Chirp Spread Spectrum (CSS) (нелицензируемая 2,4 ГГц частота).

Технология UWB Pulse Radio основана на технологии Continuous Pulsed UWB и способна обеспечить связь с высокой точностью покрытия. Физический слой UWB выделен частотами в трtх диапазонах: ниже 1 ГГц, между 3 и 5 ГГц, и между 6 и 10 ГГц. На физический слой CSS выделен спектр в полосе 2450 МГц диапазона ISM.

Целевая группа TG4b разработала поправку IEEE 802.15.4b, которая была принята в июне 2006 г. и опубликована в сентябре 2006 как IEEE 802.15.4-2006. Она направлена на создание таких улучшений и пояснений к стандарту IEEE 802.15.4-2003, как уменьшение числа неоднозначностей, избавление от ненужных сложностей, повышение гибкости использования ключей безопасности, расширение диапазона частот и др.

Поправка IEEE 802.15.4c, разработанная целевой группой TG4c, была одобрена в 2008 г. и опубликована в январе 2009 г. Она определила новые спецификации радиочастотного спектра в связи с открытием регулирующими органами Китая для использования WPAN следующих частотных диапазонов 314ч316 МГц, 430ч434 МГц и 779ч787 МГц. При этом добавилось еще несколько вариантов физического уровня. Для частоты 780 МГц стала доступна квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature phase-shift keying, QPSK) и фазовая манипуляция высоких порядков (M-PSK).

Целевая группа TG4d была создана для внесения изменений в стандарт 802.15.4-2006. Разработанная ею поправка IEEE 802.15.4d определяет новый вариант физического уровня и некоторые изменения в MAC подуровень, необходимые для поддержки нового диапазона частот 950 МГцч956 МГц, выделенного для WPAN в Японии. Для этого были сделаны доступными гауссовская частотная манипуляция (GFSK - Gaussian Frequency-Shift Keying) и двоичная фазовая манипуляция (BPSK - Binary Phase-Shift Keying).

Целевая группа TG4e была создана для внесения поправок в MAC подуровень стандарта IEEE 802.15.4-2006. Целью поправки IEEE 802.15.4e, принятой в 2011 г., является расширение функциональности MAC стандарта IEEE 802.15.4-2006 для:

более широкого обеспечения поддержки промышленного применения,

обеспечения совместимости с изменениями, произошедшими с китайскими WPAN.

Этой же поправкой были добавлены технологии Channel Hopping и Variable Time Slot, совместимые с ISA100.11a. В итоге, с учетом сделанных к этому времени многочисленных поправок в 2011 г. была опубликована новая базовая версия стандарта IEEE 802.15.4-2011.

Целевая группа TG4f была создана для определения новых вариантов беспроводных физических уровней и улучшения MAC подуровня стандарта 802.15.4-2006 для обеспечения поддержки активных RFID систем, двунаправленных и навигационных приложений. Разработанная этой группой поправка была опубликована в 2012 г. как IEEE 802.15.4f-2012.

Целевая группа TG4g была создана для разработки поправки к физическому уровню PHY стандарта IEEE 802.15.4. Поправка IEEE 802.15.4g предназначена для поддержки сильномаштабируемых, географически разнесенных сетей с минимальной инфраструктурой и миллионами конечных узлов, таких как инженерные сети Smart Grid («умные сети»). В итоге эта поправка была принята в апреле 2012 г. как стандарт IEEE 802.15.4f-2012.

В настоящее время работы по совершенствованию стандарта IEEE 802.15.4 продолжаются в целевых группах TG4n, TG4q и TG4r, а также в группе Интересов по безопасности (Interest Group SEC), занимающейся вопросами обеспечения безопасности сетей IEEE 802.15.4.

IEEE 802.15.5. Эта группа занимается разработкой архитектурного фреймворка или сетевой топологии, позволяющей строить на основе WPAN устройств стабильные, совместимые и маcштабируемые беспроводные ячеистые сети или Mesh-сети. Стандарт IEEE 802.15.5-2009 состоит из двух частей: низкоскоростные и высокоскоростные Mesh-сети. Низкоскоростные Mesh-сети строятся на основе стандарта IEEE 802.15.4-2006 MAC, тогда как для построения высокоскоростных Mesh-сетей используется стандарт IEEE 802.15.3b-2006 MAC.

Mesh-сети образуются на основе множества соединений типа «точка-точка» из узлов, находящихся в области радиопокрытия друг друга. Наиболее часто встречающееся определение Mesh-сетей выглядит следующим образом: «Mesh - сетевая топология, в которой устройства объединяются многочисленными (часто избыточными) соединениями, вводимыми по стратегическим соображениям».

В обоих типах Mesh-сетей поддерживаются такие опции, как инициализация сети, адресация и многоскачковое распространение. Кроме того, низкоскоростная Mesh-сеть поддерживает групповую адресацию, обеспечение надежности вещания, переносимую поддержку, трассировку маршрута и функции экономии энергии, а высокоскоростная Mesh-сеть поддерживает многоскачковую ячетстую архитектуру в реальном времени.

IEEE 802.15.6. Первая целевая группа TG6 была сформирована в ноябре 2007 г. для работы над стандартом энергоэффективных беспроводных устройств низкой дальности, оптимзированных для работы на/в теле человека (или другого живого организма) и обеспечивающих работу различных медицинских, бытовых или развлекательных приложений. Затем на основании утвержденного заочным голосованием 22.07.2011 г. проекта BAN (Body Area Network) в декабре 2011 г. была создана целевая группа TG6t для разработки стандарта IEEE 802.15.6 сетей датчиков мониторинга параметров тела человека.

IEEE 802.15.7 В январе 2009 г. состоялось первое заседание целевой группы TG7, на котором обсуждалось написание стандарта IEEE 802.15.7 создания WPAN с помощью видимого света (Visible Light Communications). В декабре 2011 г. эта целевая группа завершила определение физического и MAC уровней для данного вида связи, опубликовав спецификацию IEEE 802.15.7-2011.

Кроме перечисленных направлений работ в IEEE 802.15 существует постоянный комитет IEEE P802.15, который был создан для облегчения и стимулирования презентаций и дискуссий на тему новых беспроводных технологий. Комитет может инициировать новые стандартизационные проекты и адресовывать рабочей группе 802.15 решение вопросов и исправление ошибок, связанных с технологиями и методами построения беспроводных персональных сетей.

1.3 Реализация стандарта IEEE 802.15.4

Для практической реализации WSN сетей стандарт IEEE 802.15.4 необходимо дополнить протоколами верхних уровней модели OSI. Наиболее крупным промышленным объединением, занимающимся этим вопросом, является Альянс ZigBee.

Как уже отмечалось в подразделе 1.1, история стандарта IEEE 802.15.4 началась в 1998 году, когда многие инженеры, знакомясь с новейшими на то время стандартами Bluetooth и Wi-Fi, с разочарованием поняли, что для множества нужных рынку устройств типа «умной пыли» эти стандарты энергетически затратны, слишком сложны и быстры. Тогда и был образован консорциум ZigBee Alliance, который на основе стандарта IEEE 802.15.4 разработал и 14.12.2004 г. ратифицировал спецификацию ZigBee 1.0. Последняя спецификация ZigBee 2007 была опубликована 30.10.2007 г.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только различные топологии сети «точка-точка», «дерево» и «звезда», но также самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую mesh-топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, спецификация ZigBee содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации, механизм стандартизации приложений - профили приложений, библиотеки стандартных кластеров, конечные точки и привязки, гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации. Применение сетей ZigBee в Российской Федерации в частотном диапазоне 2,405ч2,485 ГГц по Решению ГКРЧ при Мининформсвязи России от 07.05.2007 № 07-20-03-001 не требует получения частотных разрешений и дополнительных согласований.

Историю развития ZigBee хорошо иллюстрирует рисунок 1.2. Из этого рисунка следует, что Альянс ZigBee привержен концепции «Интернет вещей».

Еще одним знаковым этапом развития ZigBee было заключение 03.03.2009 г. соглашения между концерном RF4CE (Радиочастоты для бытовой электроники) и Альянсом ZigBee о сотрудничестве. В рамках этого сотрудничества была разработана стандартизированная спецификация ZigBee RF4CE, предназначенная для широкого применения в дистанционно управляемых аудио/видео продукции, такой как телевизоры и телеприставки. Это обстоятельство предоставляет ZigBee несомненные конкурентные преимущества по сравнению с другими существующими техническими решениями для дистанционного управления.

Рисунок 1.2 - История развития ZigBee Alliance [16]



Как видно из рисунка 1.2, помимо разработки основных сетевых спецификаций Альянс ZigBee также разрабатывает и публикует профили приложений, что позволяет участникам консорциума создавать совместимые продукты для различных предметных областей. Текущий список профилей приложений Альянса ZigBee, уже опубликованных или находящихся в разработке за 2006 - 2013 г.г.:

Домашняя автоматизация;

Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0);

Автоматизация коммерческого строительства;

Телекоммуникационные приложения;

Персональный, домашний и больничный уход;

Игрушки.

Последним прикладным профилем, опубликованным Альянсом ZigBee 27.01.2014 г. стала беспроводная «умная сеть» для территориальных приложений «последней мили», объединяемых в окружные сети (NAN - Neighborhood Area Network).

В целях обеспечения совместимости протокол беспроводной связи в этом профиле определен для уровней 1 ч 4 модели OSI. Это обеспечивает согласованный IP-транспорт, поддерживающий различные приложения. Уровни 1 и 2 базируются на поправке IEEE 802.15.4g к стандарту IEEE 802.15.4-2011, которая была введена для облегчения построения территориальных NAN-сетей. Протоколы 3-его и 4-ого уровней основаны на стандартах IEFT, включая IPv6, а также используют связанные схемы сетей, соответствующие транспортные протоколы и маршрутизацию (например, RPL, UDP и TCP) и соответствующие механизмы безопасности.