Беспроводные сенсорные сети



1. Введение

Беспроводная сенсорная сеть (англ. WSN, wireless sensor network) — это распределённая, самоорганизующуюся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «Сенсорные сети» (англ. WSN − Wireless Sensor Network), является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами. Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля, которые критичны к времени работы датчиков. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров физических сред и объектов.

Рис. 1. Архитектура типичной беспроводной сенсорной сети

1. Стандартный протокол беспроводной сети

IEEE802.15.4 — это стандартный протокол беспроводной связи, разработанный для беспроводных персональных сетей (WPAN). Он определяет физический уровень и уровень канала передачи данных в OSI в семиуровневой модели и фокусируется на низких скоростях передачи данных, низком энергопотреблении и функциях передачи на короткие расстояния. Беспроводная сенсорная сеть (WSN) [2], использующая стандарт IEEE802.15.4, может применяться в множестве приложений, таких как интеллектуальные сети, интеллектуальная логистика, мониторинг окружающей среды, домашняя автоматизация и т. Д.

ZigBee [3] определяет протоколы верхнего уровня выше IEEE 802.15.4. Его хорошо известные характеристики включают низкую стоимость, низкую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Предложенный альянсом ZigBee, ZigBee можно рассматривать как одну из популярных технологий в WSN. Устройства ZigBee могут связываться друг с другом и передавать данные между устройствами в локальной сети ZigBee. Поскольку протокол ZigBee несовместим с существующим интернет-протоколом (IP), он не отправляет данные напрямую на серверы в Интернете. В случае необходимости требуется дополнительный вспомогательный механизм перевода.

В настоящее время предпринимаются многочисленные попытки внедрить Интернет-протокол (IP) в WSN. Если сенсорные устройства имеют встроенную поддержку протокола IP, им не требуются дополнительные вспомогательные механизмы трансляции, и сенсорные устройства могут напрямую отправлять данные на серверы в Интернете. Поскольку существует много приложений, разработанных на основе протокола IP, это позволило бы нам сэкономить на разработке новых приложений верхнего уровня в устройствах. Исходя из этого, Инженерная рабочая группа по Интернету (IETF) сформировала рабочую группу IPv6 по беспроводной локальной персональной сети с низким энергопотреблением (6LoWPAN) [4], чтобы изучить, как применять протокол Интернета версии 6 (IPv6) в WSN.

Однако ZigBee и 6LoWPAN — это просто протоколы сетевого уровня, которые соединяют узлы вместе. В связи с быстро растущим числом датчиков, как эффективно управлять устройствами в WSN, стало важной темой, которой в последние годы уделяется большое внимание. В настоящее время до сих пор не существует универсального стандарта протокола сетевого управления для совместного управления разнородными устройствами ZigBee и 6LoWPAN. Некоторые многообещающие кандидаты в управление WSN включают простой протокол управления сетью (SNMP) и протокол инициации сеанса (SIP) [5], которые оба являются протоколами прикладного уровня.

Поскольку пропускная способность беспроводной линии связи в WSN ограничена, WSN нестабильны, и пакеты легко теряются во время процессов передачи. Поэтому традиционная система управления сетью, которая использует SNMP поверх UDP для мониторинга интернет-маршрутизаторов, плохо работает в WSN. В этой статье рассматриваются SIP и SNMP, передаваемые по протоколу управления потоком (SCTP) [6]. SCTP предлагает высокую производительность и высокую надежность передачи, которые могут преодолеть недостатки WSN. Мы проиллюстрируем, как SIP через SCTP или SNMP через SCTP может обеспечить лучшую эффективность для управления устройствами в WSN.

2. Связанные работы.

SIP — это протокол IETF, который может устанавливать двухточечную или многоточечную связь в реальном времени. SIP широко используется в качестве протокола управления сигнализацией в протоколе Voice over Internet (VoIP). Операторы мобильной связи третьего поколения (3G) также предлагают использовать SIP в качестве основной технологии. В дополнение к базовой настройке и удалению вызовов, SIP поддерживает множество расширений, таких как регистрация, подписка, уведомления, мгновенные сообщения (IM), присутствие и так далее. Следовательно, SIP-инфраструктура подходит для разработки систем управления сетью, где существует большая связь между серверами и сетевыми устройствами. Сетевые устройства могут активно отправлять данные на серверы и наоборот.

В последние годы WSN является одной из важных новых сетевых технологий. Существует два популярных протокола WSN: ZigBee и 6LoWPAN. Различные поставщики оборудования разрабатывают свои собственные инструменты управления сетью, такие как ZigBee Sensor Monitor, который поддерживает модуль ZigBee CC2530ZDK, разработанный Texas Instruments. Каждый поставщик может предложить свой собственный инструмент управления, что-то из проприетарных протоколов управления. Отсутствие единого инструмента управления открытой сетью является препятствием для управления устройствами ZigBee и 6LoWPAN в WSN.

Для управления устройствами WSN с открытыми стандартными протоколами в некоторых предыдущих исследованиях предлагалось использовать протокол SNMP, в то время как в других предлагалось использовать протокол SIP. SIP и SNMP являются протоколами прикладного уровня, которые могут использоваться в различных базовых сетях. И SIP, и SNMP могут работать по TCP и UDP, в зависимости от того, предпочтительнее ли надежность или эффективность.

Литература:

1. Taeshik Shon, Bonhyun Koo, Kyusuk Han, парк Джеймса Джонгюка, парк Yongsuk, «Архитектура автоматической настройки WiFi с использованием ZigBee RF4CE для распространяющихся сред», Journal of Internet Technology, Vol. 12 № 2, P.337–346, март 2011 г.
2. Дженнифер Йик, Бисванат Мукерджи, Дипак Гозал, «Обзор беспроводных сенсорных сетей», Computer Networks, Vol. 52, 2008, с. 2292–2330.
3. Паоло Баронти, Прашант Пиллаи, Винс В. С. Чук, Стефано Чесса, Альберто Готта, Ю. Фу Ху, «Беспроводные сенсорные сети: обзор современного уровня техники и стандартов 802.15.4 и ZigBee», Computer Communications, Vol. 30, No. 7, pp. 1655–1695, May 2007
4. Н. Кушальнагар, Г. Черногория, С. Шумахер, «IPv6 по беспроводным персональным сетям с низким энергопотреблением (6LoWPAN): обзор, предположения, постановка проблемы и цели», IETF RFC4919, август 2007 г.
5. J. Rosenberg, H. Schulzrinne, G. Camarillo, A. Johnston, J. Peterson, R. Sparks, M. Handley, E. Schooler, «SIP: протокол инициации сеанса», IETF RFC 3261, июнь 2002 г.
6. Фу Шаоджян, М. Атикззаман, «SCTP: современное состояние в области исследований, продуктов и технических проблем», журнал IEEE Communications, Vol. 42,2004, с.64–76.