3.11 Сети передачи данных систем обработки данных. Беспроводные сенсорные сети
3.11.1 Сети передачи данных
Сеть передачи данных – совокупность оконечных устройств (терминалов) связи, объединѐнных каналами передачи данных и коммутирующими устройствами (узлами сети), обеспечивающими обмен сообщениями между всеми оконечными устройствами. В вычислительной технике существует другой взгляд на определение сети: сеть определяется как сетевая подсистема вычислительной системы, которая включает технические средства и сервисы по организации взаимодействия компонентов (компьютеров) вычислительной системы.
3.11.2 Беспроводные сенсорные сети
Сенсорная сеть (Wireless Sensor Network, WSN) – это инфраструктура, состоящая из сенсорных (измерительных), вычислительных и коммуникационных элементов, которая позволяет администратору осуществлять наблюдение за событиями и явлениями в определенной среде и реагировать на них. Под администратором понимается гражданский, правительственный, коммерческий или промышленный субъект. Средой в данном случае могут быть элементы физической природы, биологическая система или какая-нибудь информационная структура. Объединенная в сеть система сенсоров рассматривается как важная технология, которая в течение нескольких лет получит широкое распространение в многочисленных областях, в список которых будут входить не только системы безопасности. Типичными областями на сегодняшний день являются системы сбора информации (data collection), мониторинга, наблюдения и медицинской телеметрии.
В общем случае, беспроводная сенсорная сеть (БСС) – автономная самоорганизующаяся распределенная информационно-управляющая система, состоящая из малогабаритных интеллектуальных сенсорных устройств, обменивающихся информацией по беспроводным каналам связи.
У сенсорной сети есть 4 базовых компонента:
Совокупность сенсоров (пространственно распределенных либо локализованных).
Соединяющая их сеть (обычно, но не всегда, беспроводная).
Центральный узел сбора информации.
Совокупность вычислительных ресурсов для сопоставления данных, анализа событий и извлечения информации.
Следует обратить внимание на то, что в данном контексте вычислительные элементы считаются частью сенсорной сети; фактически же некоторые вычисления могут осуществляться непосредственно внутри узлов сети – самих сенсоров. Вычислительная и коммуникационная инфраструктура сенсорных сетей зачастую весьма специфична, заточена под конкретную область применения.
Сенсоры в БСС имеют большое разнообразие задач, функций и возможностей. Сегодня эта технология динамично развивается, благодаря, с одной стороны, последним научным разработкам, и, с другой стороны, появлению огромного количества потенциальных областей применения. Сенсорная сеть – это многофункциональная область, в которую, среди прочих, входят работа с сетью, обработка сигналов, работа с базами данных, искусственный интеллект и т.п. Принципы сетевой организации и сетевые протоколы для этой технологии еще только начинают разрабатываться.
БСС может включать в себя следующие типы сенсоров:
Электромагнитные.
Радиочастотные.
Оптические.
Оптоэлектронные.
Инфракрасные.
Радары. Лазеры.
Навигационные.
Сейсмические.
и другие.
Беспроводные сенсорные сети и системы разделяют на две категории:
БСС 1 категории (C1WSN) – практически без исключения это многосвязные системы с многозвенной (многоскачковой, ретрансляционной) радиосвязью внутри беспроводных узлов или между ними, использующие методы динамической маршрутизации как на беспроводных, так и на проводных участках сети. Они характеризуются большим числом узлов (сенсоров, датчиков), массивными потоками данных (информации). Находят применение в сильно распределенных системах, таких как мониторинг окружающей среды, системы национальной безопасности, военные системы, применяемые в рекогносцировке.
БСС 2 категории (C2WSN) – это обычно системы типа «точка-точка» или звезда, с прямыми (односкачковыми) связями, использующие статическую маршрутизацию внутри беспроводной сети. Для них типичным является наличие только одного пути от источника к совместимому наземному или проводному передающему узлу сети (обычно БСС состоит из подвесных (прикрепляемых) узлов). Для таких БСС характерны относительно небольшие потоки данных (информации) транзакционного типа. Обычно применяются в помещениях ограниченного размера, например: в домах, на фабриках, в других строениях. Это могут быть домашние сенсорные системы («умный дом», интеллектуальное здание), системы радиочастотного распознавания (RFID).
Традиционно сенсорные сети находили применение в контексте таких сложных областей, как системы обнаружения радиации и/или ядерной угрозы, системы наведения корабельного вооружения, биомедицинские устройства, сейсмический мониторинг. В последнее время появился интерес к их применению в качестве детекторов химической и биологической угрозы для систем национальной безопасности, а также на потребительском рынке. Ниже приведен краткий список существующих и потенциальных областей применения:
Применение в военных областях:
Наблюдение за силами противника либо за своими войсками и снаряжением.
Рекогносцировка.
Целеуказание.
Оценка нанесенного урона (повреждений).
Системы обнаружения ядерных, биологических, химических и других атак.
Применение в природной среде:
Контроль микроклимата.
Предсказание погоды (разного рода осадков).
Обнаружение лесных пожаров.
Обнаружение наводнений.
Здравоохранение:
Удаленное наблюдение за физиологическими показателями (сенсоры на теле человека либо внутри него).
Определение местонахождения врачей и пациентов внутри больницы.
Распределение лекарств.
Помощь престарелым людям, людям с ограниченной подвижностью.
Домашнее применение («умный дом»).
Снятие показаний со счетчиков.
Включение/выключение электроприборов.
Промышленные и коммерческие инфраструктуры:
Средства контроля и наблюдения в промышленных и офисных постройках.
Контроль оборудования.
Отслеживание и обнаружение средств передвижения.
Наблюдение за потоком машин.
Метрополитен.
Прежде всего, необходимо понимание того, что сенсорные сети имеют дело с пространством и временем: месторасположением, зоной покрытия и синхронизацией информации. Обычно им приходится обрабатывать большое количество информации за ограниченное время. Поэтому сенсорные сети часто поддерживают внутрисетевые вычисления и обработку. Некоторые из них используют обработку в узле-источнике, другие имеют иерархическую архитектуру. Вместо отправки необработанных данных в узлы, ответственные за общее скопление информации, узел-источник зачастую задействует собственные мощности для произведения базовых расчетов, а потом передает уже частично обработанную информацию. При использовании иерархической архитектуры обработка происходит последовательно во всех узлах, через которые проходит отправленная источником порция информации, до того, как она достигает необходимого распределительного или административного узла. Все без исключения сенсоры имеют ограниченный запас энергии и полосу пропускания для передачи сигнала. Данные ограничения в совокупности с необходимостью размещения большого количества сенсоров вызывают много трудностей в разработке и управлении БСС.
Ниже приведены ключевые понятия, относящиеся к БСС:
Сенсоры:
Внутренняя функциональность.
Обработка сигнала.
Сжатие, обнаружение и исправление ошибок, шифрование.
Контроль/приведение в действие.
Кластеризация и внутрисетевые вычисления.
Самоорганизация.
Беспроводные радио технологии: Software-defined radios.
Дальность передачи.
Искажения при передаче.
Способы модуляции сигнала.
Сетевые топологии.
Стандарты (де-юро):
IEEE 802.11 a/b/g с добавочными протоколами безопасности. IEEE 802.15.1 PAN/Bluetooth.
IEEE 802.15.3 ultrawideband (UWB).
IEEE 802.15.4/ZigBee.
IEEE 802.16 WiMax.
IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group).
Mobile IP.
Стандарты (де-факто): TinyOS (программная платформа с открытым кодом, разрабатываемая в университете Беркли, Калифорния).
TinyDB (система обработки запросов для извлечения информации из сети сенсоров, оснащенных TinyOS).