Universitatea

53 Pages·2010·2.12 MB·Romanian

Universitatea “Transilvania” din Braşov
FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ŞI ŞTIINŢA
CALCULATOARELOR
Ing. Mihai MACHEDON-PISU
OPTIMIZĂRI ENERGETICE ŞI FUNCŢIONALE ALE
SISTEMELOR DE ACHIZIŢIE PENTRU COMUNICAŢII
WIRELESS ÎN BANDA ISM
ENERGETICAL AND FUNCTIONAL OPTIMIZATIONS OF
ACQUISITION SYSTEMS FOR WIRELESS
COMMUNICATIONS IN THE ISM BAND
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
-Ph.D. Thesis Summary-
Conducător ştiinţific:
Prof.univ.dr.ing. Iuliu SZEKELY
BRAŞOV
2010
Rezumatul tezei de doctorat
MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII SI TINERETULUI
UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV
BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. [phone], FAX [phone]-
410525
RECTORAT
Către..............................................................................................................
Vă aducem la cunoştinţă că în ziua de sâmbătă, 02.10.2010, ora 14,00, în N.II.1, corp
N, la FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ŞI ŞTIINŢA CALCULATOARELOR,
va avea loc susţinerea publică a tezei de doctorat intitulată:
OPTIMZĂRI ENERGETICE ŞI FUNCŢIONALE ALE SISTEMELOR
DE ACHIZIŢII PENTRU COMUNICAŢII WIRELESS ÎN BANDA ISM
elaborată de domnul ing. MACHEDON-PISU T. Mihai în vederea obţinerii titlului
ştiinţific de DOCTOR, în domeniul fundamental: STIINŢE INGINEREŞTI, domeniul:
ŞTIINŢA CALCULATOARELOR.
Comisia de doctorat, numită prin Ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din
Braşov, nr. 4155 din 23. 07. 2010, are următoarea componenţă:
PREŞEDINTE: - Conf. univ. dr. ing. Sorin MORARU
DECAN - Fac. de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor
Universitatea “Transilvania” din Braşov
CONDUCĂTOR - Prof. univ. dr. ing. Iuliu SZEKELY
ŞTIINŢIFIC: Universitatea “Transilvania” din Braşov
REFERENŢI: - Prof. univ. dr. ing. Aurel VLAICU
Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca
- Prof. univ. dr. ing. Radu VASIU
Universitatea “Politehnică” din Timişoara
- Prof. univ. dr. ing. Mihai ROMANCA
Universitatea “Transilvania” din Braşov
Vă invităm să participaţi la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.
Aprecierile Dvs. asupra rezumatului tezei de doctorat vă rugăm să le trimiteţi până cel târziu
cu o zi înainte de data susţinerii, la unul din numerele de fax:
RECTORAT UNIVERSITATE: 0040-(0)268-410525
DECANAT FACULTATEA IESC: 0040-(0)268-474718
Catedra de Electronică şi Calculatoare: 0040-(0)268-478705
Optimizări Energetice şi Funcţionale ale Sistemelor de Achiziţie pentru Comunicaţii Wireless în Banda ISM
CUVÂNT ÎNAINTE
Comunicaţiile de date, fie prin cablu fie pe unde radio, cunosc o dezvoltare continuă şi
se adresează celor mai diverse nevoi ale societăţii în care trăim, cu posibilitatea de a pătrunde
în orice mediu, atât timp cât există condiţii acceptabile de transmisie a datelor în mediile
respective. Odată cu apariţia şi implementarea tehnicilor wireless (Wi-Fi pentru internet,
Bluetooth pentru transferul de date între diferite echipamente, etc.) sau de comunicaţie mobilă
(GSM, CDMA, etc.), orizontul comunicaţiilor de date s-a lărgit în mod semnificativ, iar
reţelele mobile sau wireless vor înlocui destul de curând reţelele cablate, mai ales în medii în
care folosirea cablajului nu este oportună sau acesta nu există.
Tocmai nevoile recente ale societăţii sunt cele care dictează noile direcţii de urmat în
ceea ce priveşte dezvoltarea comunicaţiilor de date. Aşadar, se urmăreşte formarea unui
sistem cu capacitate nelimitată care să fie funcţional în orice condiţii iar datele să fie accesate
instantaneu de către oricine, de oriunde, şi oricând. Dezvoltarea internetului a condus la
formularea unei astfel de idei, iar punerea ei în practică reprezintă următorul pas în vederea
realizării unui astfel de sistem.
Orientarea industriei către arhitecturi bazate pe servicii are ca punct de plecare
evoluţia dispozitivelor mobile şi de telefonie, gama largă de reţele wireless (telefonie celulară,
Wi-Fi, etc.) şi maturizarea reţelelor ad-hoc şi de senzori, care să permită accesul nelimitat la
aceste sevicii şi să faciliteze crearea de noi servicii. Dintre acestea, reţelele ad-hoc şi de
senzori prezintă interes în ceea ce priveşte achiziţia şi diseminarea informaţiilor legate de
mediul înconjurător, cu scopul de a dezvolta sisteme de achiziţie complete, atât conştiente de
mediu (fenomene fizice, de propagare) cât şi eficiente energetic (prin reducerea puterii de
transmisie, de procesare, etc.).
Prezenta teză de doctorat este rezultatul unor studii de documentare şi experimentări
practice efectuate de autor în vederea creşterii performanţelor funcţionale (la baza cărora stau
cerinţele de aplicaţie) şi energetice (eficienţa energetică poate fi dobândită cu constrângeri
serioase ale resurselor de procesare, comunicaţie, memorie, alimentare etc., specifice reţelelor
WSN) a sistemelor de achiziţie bazate pe comunicaţii wireless.
O parte din rezultatele, observaţiile şi concluziile reieşite pe timpul efectuării
cercetărilor s-au concretizat prin dezvoltarea de modele, dispozitive şi soluţii complete pentru
sistemele de achiziţie wireless, şi au fost prezentate în articole publicate în reviste de
specialitate sau prezentate la sesiuni de comunicări ştiinţifice cu participare internaţională. În
cadrul referinţelor bibliografice am inclus 15 lucrări, din care 8 lucrări publicate în calitate de
prim autor.
Printre proiectele la care am participat, menţionez proiectul MCT contract nr. 10932/
14.09.2006: Platforma pentru dezvoltări tehnologice inovative PLADETINO.
Pentru sprijinul acordat pe parcursul elaborării prezentei teze, pentru îndrumările şi
recomandările competente, adresez cu deosebit respect şi consideraţie cele mai sincere
mulţumiri d-lui profesor Iuliu SZEKELY, în calitate de conducător ştiinţific.
De asemenea, mulţumesc colegilor şi colaboratorilor din cadrul Catedrei de
Electronică şi Calculatoare a Universităţii Transilvania din Braşov pentru sugestiile utile
pentru elaborarea lucrării, în special domnului conf.dr.ing. Gheorghe MORARIU, care mi-a
acordat sprijin substanţial în elaborarea tezei de doctorat.
Nu în ultimul rând vreau să mulţumesc familiei mele care pe tot timpul pregătirii
pentru doctorat, mi-a fost alături, m-a înţeles şi m-a sprijinit moral.
3
Rezumatul tezei de doctorat
CUPRINS
[R] [T]
INTRODUCERE 5 6
1. Reţele şi tehnologii wireless pentru achiziţia de date 7 9
1.1. Reţele ad-hoc versus reţele de senzori ............................................................................................. 7 9
1.2. Standarde şi platforme pentru reţele wireless ................................................................................... 8 10
1.3. Concluzii ………………………………........................................................................................... 9 23
2. Analiza criteriilor de performanţă şi modelarea elementelor specifice sistemelor de achiziţie wireless
10 25
2.1. Cerinţe, provocări tehnice şi obiective ale reţelelor wireless bazate pe senzori ............................. 10 25
2.2. Modelarea elementelor specifice arhitecturii nodurilor de achiziţie ............................................... 11 28
2.2.1. Dispozitive de detectare/acţionare ................................................................................................ 11 28
2.2.2. Dispozitive pentru comunicaţii ..................................................................................................... 12 30
2.2.3. Unităţi de comandă ....................................................................................................................... 12 33
2.2.4. Spaţiul de memorie ....................................................................................................................... 13 35
2.2.5. Surse de alimentare pentru nodurile cu senzori ............................................................................ 13 36
2.2.6. Relaţii între elementele specifice WSN pentru conservarea energiei ........................................... 14 37
2.3. Concluzii ......................................................................................................................................... 14 38
3. Soluţii privind modelarea energetică şi funcţională a sistemelor de achiziţie prin reţele wireless ad-hoc
15 40
3.1. Adaptarea la ciclurile de lucru eficientă din punct de vedere energetic ......................................... 15 40
3.2. Reţele wireless ad-hoc cu module WN ......................................................................…......…....... 16 42
3.2.1. Îmbunătăţirea duratei de viaţă a reţelelor WN …………….......................................................... 16 44
3.2.2. Monitorizarea tensiunii de contact pentru aşchierea prin burghiere ............................................. 19 50
3.2.3. Interfaţa reţelelor de tip WN cu structuri de achiziţie cablate ...................................................... 21 57
3.3. Sisteme de achiziţie bazate pe reţele ad-hoc de tip Wi-Fi .............................................................. 23 61
3.3.1. Monitorizarea concentraţiei pulberilor din aer …………….......................................................... 23 61
3.4. Concluzii ......................................................................................................................................... 25 65
4. Îmbunătăţirea performanţelor dispozitivelor de emisie-recepţie pentru comunicaţii wireless 26 67
4.1. Evaluarea performanţelor antenelor de dimensuni mici …………...……….................................. 26 74
4.2. Proiectarea antenelor microstrip de formă circulară cu fantă ………....…..................................... 27 75
4.2.1. Modelarea antenei microstrip ………………………………....................................................... 27 76
4.2.2. Arhitectura antenei microstrip …….............................................................................................. 28 83
4.2.3. Structura câmpului şi procesul de radiaţie la 1GHz şi 2GHz ....................................................... 28 84
4.2.4. Modelele de antene folosite în prima etapă a proiectării .............................................................. 29 85
4.2.5. Realizarea practică şi evaluarea sistemului de antene discoidale ................................................. 30 89
4.3. Proiectarea antenelor plate pentru comunicaţii de bandă largă ...................................................... 32 92
4.3.1. Metoda FDTD ............................................................................................................................... 32 93
4.3.2. Proiectarea şi performanţa de bandă a antenelor de tip L şi F ...................................................... 33 96
4.4. Concluzii ........................................................................................................................................ 34 100
5. Proiecte de dezvoltare şi optimizări ale reţelelor wireless destinate achiziţiei de date 35 101
5.1. Identificarea surselor de atenuare şi a culoarelor de propagare favorabile transmisiilor în medii
industriale ..................................................................................................................................................... 35 101
5.1.1. Propagarea undelor radio în jurul maşinilor-unelte ..................................................................... 35 103
5.1.2. Propagarea undelor radio pe suprafaţa halei industriale .............................................................. 36 109
5.1.3. Algoritmul pentru detectarea maşinilor-unelte şi ansamblelor de obstacole şi pentru detectarea
culoarelor favorabile .................................................................................................................................... 36 111
5.2. Îmbunătăţirea coexistenţei în bandă a reţelelor de tip WSN ......................................................... 37 115
5.2.1. Impactul interferenţelor asupra comunicaţiilor peer-to-peer ....................................................... 38 117
5.2.2. Reducerea impactului interferenţelor Wi-Fi asupra comunicaţiilor în reţelele WSN …............. 39 125
5.3. Localizarea adaptivă a nodurilor în reţele de tip WSN ................................................................. 40 129
5.3.1. Evaluarea algoritmilor de localizare şi a mediului de propagare ................................................ 40 132
5.3.2. Simularea aplicaţiei de localizare bazată pe comunicaţii peer-to-peer ....................................... 42 136
5.3.4. Implementarea aplicaţiei de localizare în reţele WSN ................................................................ 43 139
5.4. Concluzii ....................................................................................................................................... 43 141
6. Concluzii finale şi contribuţii originale 44 144
6.1. Contribuţii ..................................................................................................................................... 47 149
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ................................................................................................................... 49 152
Optimizări Energetice şi Funcţionale ale Sistemelor de Achiziţie pentru Comunicaţii Wireless în Banda ISM
INTRODUCERE
Lucrarea se adresează reţelelor de comunicaţie cu capacitate nelimitată care asigură
acces transparent la diferite reţele cum sunt cele fixe, mobile, wireless şi de radiodifuziune
astfel încât furnizarea de date şi servicii să aivă loc oriunde şi oricând.
Orice casă, hală industrială sau chiar mediile agricole, militare, sau care prezintă alt
interes (medii poluate, de activitate seismică etc.) pot fi atât monitorizate în timp real dar şi
controlate de la distanţă atât timp cât există o interfaţă între reţeaua de achiziţie şi reţeaua de
distribuţie (prin internet, satelit), cu observaţia că fiecare dintre aceste reţele trebuie
optimizate pentru transferul de date. Modul în care transmitem datele depinde de mediul în
care lucrăm, de anumite limitări: cost, consum energetic, impactul asupra mediului, etc.
Conceptul de transmisii necablate (wireless) există de ceva vreme, din secolul 19, dar
numai odată cu formularea ideii de comunicaţii celulare (Laboratoarele Bell – 1970) şi mai
ales datorită aplicării cu succes până în zilele nostre a comunicaţiilor mobile, putem privi
transmisiile radio ca o pe o alternativă reală la transmisiile prin cablu.
Apariţia şi implementarea comunicaţiilor fără fir în viaţa de zi cu zi a condus la
dezvoltarea de noi tehnologii wireless care să implice un grad ridicat de flexibilitate şi
portabilitate. Avantajele unor astfel de reţele sunt evidente. Utilizatorii nu mai sunt delimitaţi
de conexiunile cablate şi se pot mişca liber, având conectivitate în reţea în orice punct, în
funcţie de aria de acoperire a reţelei necablate.
Există deja o multitudine de tehnologii wireless care să răspundă necesităţilor legate
de comunicaţii de date eficiente şi să se adreseze unor aplicaţii cât mai variate. Majoritatea
acestor tehnologii de comunicaţii wireless au la baza lor standarde IEEE bine definite.
Odată cu apariţia reţelelor de senzori wireless (WSN) şi a dezvoltării internetului,
sistemele de achiziţie “tradiţionale” au intrat într-o nouă etapă. Până recent, majoritatea
senzorilor erau deja conectaţi în sisteme cablate în care puteau fi monitorizaţi şi controlaţi. S-a
ajuns aici şi datorită faptului că nu au existat soluţii wireless adecvate care să fie de încredere
şi care să prezinte costuri acceptabile. Pentru a răspunde acestor probleme, au apărut anumite
standarde wireless, cum ar fi Wi-Fi, Bluetooth şi ZigBee, care prevăd flexibilitate integrată,
sporită faţă de reţelele cablate, la care se adaugă costuri de implementare reduse. Apariţia
tehnologiei ZigBee, a condus de asemenea la îmbunătăţirea accesabilităţii şi fiabilităţii
reţelelor fără fir, păstrând costurile de implementare şi consumul energetic la un nivel cât mai
scăzut. Aceste tehnologii wireless cu rază de acţiune redusă sunt folosite pentru a forma fie
reţele ad-hoc fie plasă. Datorită caracteristicilor acestora, ele pot fi aplicate cu succes pentru
realizarea sistemelor de achiziţie bazate pe comunicaţii wireles.
Pentru proiectarea sistemelor de achiziţie bazate pe comunicaţii wireless, cele mai
importante aspecte sunt legate de: eficienţa energetică sau durata de viaţă, calitatea
comunicaţiilor, robusteţea, scalabilitatea şi flexibilitatea sistemului dar şi de rata de transfer a
datelor. Pentru îmbunătăţirea performanţelor funcţionale şi energetice ale sistemelor de
achiziţie actuale, sunt propuse următoarele soluţii bazate pe o abordare wireless:
adaptarea structurilor cablate la tehnologii wireless cu/fără consum redus;
-
dezvoltarea dispozitivelor de emisie-recepţie de dimensiuni reduse pentru
-
comunicaţii radio;
optimizări energetice/funcţionale şi proiecte de dezvoltare în reţelele de achiziţie.
-
O comparaţie a sistemelor de comunicaţie actuale şi viitoare în termeni de mobilitate
şi de rată de transmisie a datelor este ilustrată în Figura A.
5
Rezumatul tezei de doctorat
Fig. A Mobilitatea şi rata de transmisie ale sistemelor de comunicaţii mobile şi wireless
STRUCTURA TEZEI:
Capitolul 1 realizează o descriere generală şi o analiză comparativă a reţelelor ad-hoc
şi a celor cu senzori, precum şi a posibilităţilor de integrare a tehnologiilor şi platformelor
wireless destinate acestora în sisteme de achiziţie necablate.
Capitolul 2 prezintă limitările, cerinţele şi provocările tehnice impuse reţelelor WSN,
pe baza cărora sunt definite direcţiile de modelare ale sistemelor de achiziţie. Dintre acestea,
modelarea elementelor specifice de reţea necesită atenţie deosebită, mai ales din punctul de
vedere al aplicaţiei. Eficienţa energetică este modelată în principal de cele două componente:
comunicaţiile şi procesarea.
Capitolul 3 prezintă diferite soluţii privind îmbunătăţirea fiabilităţii, preciziei de
achiziţie şi reducerea complexităţii unor sisteme bazate pe reţele ad-hoc. În acest sens, a fost
demonstrat că adaptarea modurilor de operare ale componentelor de reţea la ciclurile de
putere reprezintă o soluţie pentru eficientizarea consumului energetic, şi astfel creşterea
duratei de viaţă. Pentru aplicaţii de monitorizare şi control, sunt elaborate două sisteme,
destinate fie mediilor afectate de perturbaţii: sistem de prelucrare şi transmisie a unui semnal
produs de o sculă de aşchiere în timpul prelucrării diferitelor materiale, fie mediilor poluate:
sistem de estimare a concentraţiei de praf din aer şi de control al nivelului de praf.
Pe lângă acestea, este propusă o nouă soluţie bazată pe interoperabilitatea sistemelor
wireless cu sistemele cablate, pentru comunicaţii industriale.
Capitolul 4 prevede proiectarea unui sistem de antene microstrip destinate
dispozitivelor de comunicaţie cu profil scăzut, cum ar fi reţelele Smart Dust, şi a unei antene
pliate de bandă largă, pentru comunicaţii de tip UWB. În acest sens, sunt evaluate
performanţele antenelor destinate comunicaţiilor wireless în vederea miniaturizării acestora.
Pentru proiectarea sistemului de antene, sunt testate şi evaluate mai multe modele de tip disc
cu fantă, pornind de la modelul de cavitate rezonantă. Pentru modelarea antenei pliate, sunt
testate trei tipuri de antene: ILA, IFA şi PIFA şi modelate folosind metoda FDTD.
Capitolul 5 prevede diferite optimizări funcţionale şi energetice ale reţelelor WSN.
Acestea constau în: identificarea surselor de atenuare şi culoarelor de propagare favorabile,
îmbunătăţirea coexistenţei în bandă, îmbunătăţirea preciziei de localizare cu consum redus. Pe
baza variaţiei RSSI locale obţinute în diferite condiţii de propagare, sunt dezvoltaţi algoritmi
de identificare a zonelor afectate de atenuare (obstacole, zone de umbră) şi celor prielnice
comunicaţiilor. Pentru coexistenţa în bandă, sunt evaluate întârzierile şi pachetele recepţionate
greşit în scenariile prevăzute şi propus un set de soluţii pe baza factorilor de influenţă
identificaţi. Precizia de localizare a nodurilor de mobile în reţelele WSN este îmbunătăţită
prin intermediul numărului mare de noduri-referinţă, cu resurse limitate de calcul (algoritmi
simpli, scalabili), procesare (noduri MicaZ), comunicaţii (reducerea puterii de transmisie).
Capitolul 6 prezintă concluziile finale şi contribuţiile originale.
Optimizări Energetice şi Funcţionale ale Sistemelor de Achiziţie pentru Comunicaţii Wireless în Banda ISM
1. Reţele şi tehnologii wireless pentru achiziţia de date
În cazul reţelelor wireless, absenţa standardelor industriale a încetinit procesul de
integrare a senzorilor şi a îngreunat implementarea la scară largă. Aşadar, deşi senzorii devin
tot mai inteligenţi, adesea pot rămâne ‘muţi’ neputând comunica cu sisteme aflate la distanţă.
Totuşi, datorită evoluţiei comunicaţiilor wireless şi a electronicii din ultimii ani, dezvoltarea şi
implementarea reţelelor de senzori multi-funcţionali cu costuri mici şi cu consum energetic
redus a devenit posibilă. Deşi aptitudinile unui singur dispozitiv sunt limitate, împreunarea a
sute de astfel de dispozitive conferă posibilităţi tehnologice majore.
În acest sens, este descrisă o reţea wireless mai specială, diferită de reţelele ad-hoc sau
de calculatoare, o reţea cu senzori, cunoscută ca WSN, ale cărei caracteristici o recomandă
pentru dezvoltarea de sisteme de achiziţie wireless.
Reţelele bazate pe comunicaţii wireless pot fi clasificate în mai multe moduri, fie în
funcţie de caracteristicile de bază, fie în funcţie de dimensiunea reţelei. Caracteristicile de
bază ale reţelelor de senzori wireless sunt:
- posibilitatea de re-organizare;
- comunicaţii broadcast pe distanţe
mici şi rutare multi-hop;
- densitatea mare şi efortul colaborat
ale nodurilor de senzori;
- schimbarea frecventă a topologiei
datorită efectelor de propagare şi a
căderii nodurilor;
- limitări ale energiei, puterii de
transmisie, dimensiunii memoriei,
puterii de calcul.
Fig. 1.1 Reţea cu senzori tipică
Aceste caracteristici, în special ultimele trei, diferenţiază reţelele de senzori de alte
reţele ad-hoc sau de tip plasă. Atuul de bază a acestor reţele wireless cu senzori constă în
abilitatea de a distribui un număr mare de noduri mici şi foarte mici care să se auto-organizeze
şi să se auto-configureze în reţea.
În funcţie de distanţa de transmisie, există 4 clase de bază: BAN (reţele de corp, 1 – 2
m), PAN (reţele personale, 10 – 20 m), LAN (reţele locale, până în 100 de m) şi WAN (reţele
vaste, peste 500 de m). Reţelele ad-hoc vaste sunt reţele wireless mobile multi-hop care ridică
multe provocări ce urmează a fi rezolvate în viitor. Reţele ad-hoc multi-hop mai mici, adică
LAN, PAN şi BAN prezintă interes şi pot extinde raza de acţiune a tehnologiilor de reţea ad-
hoc de-a lungul a câtorva hop-uri radio. Tehnologiile wireless destinate mediului LAN
cunosc o ascensiune rapidă (de exemplu, Wi-Fi), care conferă conexiuni mobile şi nelimitate
la serviciile de date ale Internet-ului. Totuşi, echipamentele destinate mediilor WLAN
consumă multă putere şi pot avea o rază de acţiune mai mult decât necesară. Aşadar a apărut
conceptul de PAN, care poate permite dispozitivelor vecine să comunice informaţii între ele
în mod dinamic şi cu consum minim de putere (o astfel de tehnologie este ZigBee).
1.1. Reţele ad-hoc versus reţele de senzori
Caracteristicile de bază ale celor două tipuri de reţea sunt sintetizate Tabelul 1.1 cu
scopul de a schiţa o imagine clară asupra cerinţelor diferite pe care acestea le impun
aplicaţiilor cărora li se adresează. Totuşi, există şi asemănări evidente care nu apar în tabel.
7
Rezumatul tezei de doctorat

CARACTERISTICA DE Reţele de senzori Reţele ad-hoc
BAZĂ
Număr de noduri Mare; de la sute la mii sau chiar mai multe Mic sau mediu
Densitatea nodurilor Mare Relativ mică
Redundanţa datelor Mare Mică
Alimentare cu energie Baterii de neînlocuit; ne-reîncărcabile Baterii de înlocuit şi /sau reîncărcabile
Rata de transfer Mică; 1-100 kb/s Mare
Mobilitatea nodurilor Mică Mobilitate mare
Direcţia fluxului de date Predominant unidirecţional; noduri cu senzori Bidirecţonal; flux de la un capăt la
 nod destinaţie celălalt
Expedierea pachetelor Mulţi la unul; centrată pe date Centrată pe adrese de la un capăt la
celălalt
Natura întrebărilor Bazate pe atribute Bazate pe noduri
Răspândirea întrebărilor Prin broadcast Din hop în hop sau prin broadcast
Adresarea Nu există ID global unic ID global unic
Ciclul de lucru activ Poate fi redus, până la 1% Mare
Tab. 1.1 Diferenţele dintre reţelele wireless de senzori şi ad-hoc
Majoritatea reţelelor WSN utilizează arhitectura de reţea ad-hoc, care poate fi văzută
ca o colecţie de noduri wireless, posibil mobile, care se pot auto-configura pentru a forma
reţeaua fără a necesita existenţa unei infrastructuri. Nodurile mobile deţin controlul necesar şi
participă la reţea într-o manieră distribuită. Arhitectura ad-hoc este foarte atractivă pentru
reţelele de senzori din mai multe motive: - arhitectura ad-hoc surclasează dificultăţile pe care
le implică o infrastructură predeterminată (nodurile sunt adăugate la cerere pentru a înlocui
nodurile defecte sau deconectate, nodurile se retrag din reţea fără a afecta funcţionalitatea
celorlaltor noduri); - reţelele ad-hoc pot fi integrate uşor în aplicaţii specifice; - arhitectura
este foarte robustă; - eficienţa energetică poate fi îmbunătăţită prin intermediul comunicaţiilor
realizate în mai multe salturi (deoarece propagarea respectă o lege exponenţială cu distanţa de
transmisie, puterea necesară transmisiei semnalului poate fi economisită cu câteva ordine de
mărime pentru o cale multi-salt pe distanţe mici faţă de calea cu un singur salt pentru aceeaşi
distanţă); - reţelele ad-hoc au avantajul refolosirii lărgimii de bandă, care beneficiază de
asemenea de pe urma divizării saltului singular pe distanţă mare în salturi pe distanţă mică.
Deşi reţelele de senzori se bazează pe arhitecturi ad-hoc multi-salt, totuşi datorită
cerinţelor unice ale aplicaţiilor vizate, reţelele de senzori se deosebesc de reţelele ad-hoc
obişnuite. Ca urmare a acestui fapt, arhitecturile şi protocoalele de reţea ad-hoc nu pot fi
extinse pentru reţelele de senzori. Aşadar, este necesară o nouă abordare pentru a satisface
cerinţele tipice reţelelor wireless de senzori, cerinţe care definesc noi direcţii de cercetare.
1.2. Standarde şi platforme pentru reţelele wireless
Standardele specifică regulile de comunicaţie dintre emiţător şi receptor şi permit
interoperabilitatea echipamenetelor provenite de la furnizori diferiţi. Aplicabilitatea unei
tehnologii wireless este legată de dezvoltarea de produse de reţea la preţuri competitive. Un
factor decisiv pentru atingerea acestui scop îl reprezintă disponibilitatea unor standarde de
reţea adecvate. Primele standarde dezvoltate pentru reţelele ad-hoc, care astăzi sunt
implementate la scară largă, sunt standardul IEEE 802.11 pentru reţele WLAN (Wi-Fi,
HiperLAN) şi standardul IEEE 802.15.1 pentru comunicaţii wireless pe distanţe scurte
(Bluetooth).
În funcţie de distanţa de transmisie, tehnologiile wireless bazate pe standarde pot fi
împărţite în două categorii: cele bazate pe standarde destinate reţelelor de calculatoare (reţele
locale şi reţele vaste) şi cele bazate pe standarde pentru reţelele de senzori (reţele personale şi
reţele de corp). Standardele IEEE de bază pentru mediile wireless sunt 802.11 (Wi-Fi), 802.15
(Bluetooth şi ZigBee), 802.16 (WiMax), şi sunt subiectul unor revizii continue, în funcţie de
aplicaţiile cărora li se adresează.
Optimizări Energetice şi Funcţionale ale Sistemelor de Achiziţie pentru Comunicaţii Wireless în Banda ISM
Tehnologiile Bluetooth şi Wi-Fi nu sunt adecvate pentru aplicaţii de putere mică cu
senzori şi dispozitive de control deoarece acestea necesită circuite integrate în radio-frecvenţă
(RFIC) şi protocoale complexe, care prevăd un consum mare de putere, în timp ce standardul
IEEE 802.15.4 pentru ZigBee permite dezvoltarea de aplicaţii cum ar fi controlul şi
monitorizarea industrială, automatizări în diferite incinte, reţele de senzori, şi furnizarea de
soluţii în domeniile auto şi medicale, cu consum şi costuri reduse. Tabelul 1.2 prezintă
caracteristicile principalelor tehnologii destinate reţelelor WPAN şi WLAN
CARACTERISTICI ZigBee Wi-Fi Bluetooth
Durata bateriei (zile) 100 – 1000 0.5 – 5 1 – 7
Dimensiunea reţelei 65000 32 8
(noduri)
Aplicaţii Monitorizare şi Control Web, Email, Video Înlocuirea cablajului
Dimensiunea stivei (KB) 4 – 32 1000 250
Rata de transfer (kbps) 20 – 250 11000 – 54000 720 – 1000
Spectrul de frecvenţă 868/ 915/ 2400 2400/ 5000 2400
(MHz)
Costuri MICI MEDII MICI
Puterea consumată MICĂ MEDIE MICĂ
Caracteristici de succes Fiabilitate, Putere, Cost Rată de transfer, Cost, Comoditate
efectiv Flexibilitate
Tab. 1.2 Comparaţie între tehnologiile de reţea wireless pentru distanţe mici
În reţelele de senzori wireless, cerinţele de programare eficientă au condus la apariţia
unor sisteme de operare destinate în special configurării nodurilor din reţea În acelaşi timp,
există şi platforme de reţele wireless, bazate pe standardele mai sus menţionate, care pot
folosi astfel de sisteme de operare ca interfeţe pentru comunicaţii eficiente în reţea.
Flexibilitatea software şi structura fizică a platformelor independente de tehnologie a
condus la dezvoltarea platformei Smart Dust care prevede dispozitive foarte mici cu abiltăţi
impresionante (Figura 1.2). Aceste dispozitive, cu dimensiuni de zeci sau de doar câţiva mm2,
sunt micro senzori electro-mecanici (MEMS). Arhitectura unui cub milimetric de Smart Dust
prevede următoarele componente: sistem micro electromecanic, diodă laser semiconductoare,
oglindă MEMS de direcţionare a fasciculului pentru transmisii optice
active, colţ de cub MEMS retro-reflector (CCR) pentru transmisii pasive,
receptor optic, schemă electrică de procesare a semnalelor şi de control, şi
sursă de alimentare pe baterii cu strat de lichid gros sau celule solare.
Principalul obiectiv al platformei Smart Dust îl reprezintă încorporarea
acestor funcţii, menţinând în acelaşi timp consumul de putere foarte redus
şi o durată de viaţă a bateriei cât mai ridicată pentru mote-ul de
dimensiuni milimetrice.
Fig. 1.2 Mote Smart Dust
1.3. Concluzii
Dacă reţelele ad-hoc nu necesită limitări energetice sau funcţionale în mod special,
totuşi reţelelor cu senzori li se impun restricţii severe. Dezvoltarea şi implementarea reţelelor
de senzori multi-funcţionali este posibilă cu costuri mici şi cu consum energetic redus.
O analiză a standardelor IEEE destinate reţelelor wireless, relevă posibilitatea de a
forma reţele de tip WSN folosind standardul 802.15.4 (ZigBee), care defineşte nivelul fizic şi
nivelul MAC ale unei reţele WPAN de rată mică. Posibilitatea de a dezvolta platforme
independente de standardele existente este reprezentată de Smart Dust. Totuşi, miniaturizarea
componentelor electrice fac ca transmisiile în frecvenţă radio să fie neadecvate în acest caz.
9
Rezumatul tezei de doctorat
2. Analiza criteriilor de performanţă şi modelarea elementelor specifice sistemelor
de achiziţie wireless
Progresul rapid în modelarea sistemelor micro-electromecanice (MEMS) şi în
domeniul radio frecvenţei (RF) a condus la dezvoltarea de micro-senzori de putere mică,
ieftini, ce pot fi conectaţi la reţea. Aceste noduri senzoriale pot achiziţiona atât date fizice cât
şi transforma caracteristicile fizice ale mediului din jur în măsurări cantitative.
2.1. Cerinţe, provocări tehnice şi obiective ale reţelelor wireless bazate pe senzori
O reţea wireless cu senzori (WSN) tipică constă din sute până la mii de astfel de
noduri cu senzori conectate la mediul radio. Sistemele bazate pe WSN surclasează sistemele
convenţionale de senzori, care folosesc macro-senzori de dimensiuni mari şi scumpi, care sunt
poziţionaţi fix faţă de utilizator şi conectaţi la acesta. Modelarea unei reţele WSN este
stimulată şi influenţată de una sau mai multe dintre următoarele provocări tehnice:
- dispunerea compactă şi aleatorie: Reţelele WSN dispun de un număr mare de
noduri care sunt fie răspândite în mod aleatoriu fie poziţionate în medii ostile sau
inaccesibile.
- redundanţa datelor: Împrăştierea compactă a nodurilor de senzori conduce la o
corelare la nivel înalt a datelor citite de nodurile cu senzori din vecinătate.
- resurse limitate: Patru resurse constrâng modelarea şi implementarea WSN:
energia, consumul, memoria şi lărgimea de bandă. Constrângerile energetice fac ca
bateriile să fie ne-reîncărcabile şi/sau de neînlocuit. Lărgimea de bandă a mediului
radio este foarte redusă, de asemenea şi spaţiul de memorie.
- arhitectura ad-hoc şi operaţii neasistate: Atributele unei infrastructuri în continuă
schimbare şi operaţiile neasistate de om în reţea necesită ca sistemul să stabilească
conexiuni şi să menţină legăturile în mod autonom.
- topologii şi medii dinamice: Topologia şi legăturile stabilite în reţele WSN se pot
schimba frecvent datorită nesiguranţei legate de conexiunea fiecărui nod micro-
senzor în parte. Şi mediile pe care reţelele WSN le monitorizeză pot suferi
modificări spectaculoase, ceea ce poate conduce la informaţii inutile.
- mediu radio expus erorilor: Mediul radio este supus la mai multe erori decât
mediul cablat. În anumite aplicaţii, mediul de comunicaţie poate fi expus la
zgomot intens şi astfel calitatea semnalului suferă din cauza atenuării.
- diverse aplicaţii: În funcţie de aplicaţia urmărită (monitorizarea mediului,
supraveghere militară etc.) cerinţele se pot modifica în mod dinamic.
- protecţia şi secretizarea datelor: Securitatea pare a fi o problemă greu de rezolvat
în reţelele WSN din cauza unei dileme inevitabile: reţelele WSN au resurse
limitate iar soluţiile de securitate trebuie să dispună de multe resurse.
- calitatea serviciilor (QoS): Faţă de alte sisteme, precizia în WSN se referă la
datele însumate de la toate sursele şi nu de la surse individuale. Un mod de a
aprecia precizia este volumul de date. Alt aspect al QoS îl reprezintă latenţa.
Pentru a afla cât de potrivit este un protocol sau o arhitectură de reţea pentru o
aplicaţie specifică sunt folosiţi anumiţi indici care să măsoare performanţa acestora.O
însumare a tuturor acestor indici poate crea o imagine mai largă asupra posibilităţilor şi
limitărilor reţelelor wireless, printre indicii de bază numărându-se: durata de viaţă, latenţa,
precizia, mobilitatea, mărimea reţelei (gradul de conectivitate, densitatea), puterea de
acoperire, toleranţa la erori, dispunerea în reţea, scalabilitatea, robusteţea, măsurări de QoS,