Карта сайта

Беспроводные самоорганизующиеся сети


Highslide JS

Беспроводные самоорганизующиеся сети

Основная концепция

Определение

Беспроводные самоорганизующиеся сети (другие названия: беспроводные ad hoc сети, беспроводные динамические сети) — децентрализованные беспроводные сети, не имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются на лету, образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети. Это является отличием от проводных сетей и управляемых беспроводных сетей, в которых задачу управления потоками данных выполняют маршрутизаторы (в проводных сетях) или точки доступа (в управляемых беспроводных сетях).

Если в случае «традиционной» беспроводной сети мы должны разворачивать зачастую дорогостоящую инфраструктуру базовых станций, то в случае самоорганизующихся сетей достаточно одной или нескольких точек доступа. Суть самоорганизующихся сетей — предоставление абоненту возможности доступа к различным сетевым услугам посредством передачи и приема «своего» трафика через соседних абонентов.

Если говорить простыми словами, структура простейшей самоорганизующейся сети представляет из себя большое количество абонентов на некоторой площади, которую упрощенно можно назвать площадью покрытия сети, и одну или несколько точек доступа к внешним сетям. Каждое из абонентских устройств, в зависимости от его мощности, обладает своим радиусом действия. Если абонент, находясь «на периферии» посылает пакет абоненту, находящемуся в центре сети или на точку доступа, происходит так называемый многоскачковый процесс передачи пакета через узлы, находящиеся на пути заранее проложенного маршрута. Таким образом можно сказать, что каждый новый абонент за счет своих ресурсов увеличивает радиус действия сети. Следовательно, мощность каждого отдельного устройства может быть минимальной. А это предполагает как меньшие стоимости абонентских устройств, так и лучшие показатели безопасности и электромагнитной совместимости. В подобной сети нет необходимости в цент рализованной инфраструктуре, либо сетевом администраторе для обслуживания сети, так как сеть обслуживается самими узлами, что является главным отличием от проводных и управляемых беспроводных сетей.

Типы самоорганизующихся сетей

Mesh сети – радиосети ячеистой структуры, состоящие из беспроводных стационарных маршрутизаторов, которые создают беспроводную магистраль и зону обслуживания абонентов) и мобильных/стационарных абонентов, имеющих доступ (в пределах зоны радиосвязности) к одному из маршрутизаторов. Топология – звезда, со случайным соединением опорных узлов.

Ad hoc сети – радиосети со случайными стационарными абонентами, реализующие полностью децентрализованное управление при отсутствии базовых станций или опорных узлов. Топология – фиксированная со случайным соединением узлов.

MANET (Mobile Ad hoc NETworks) сети – радиосети со случайными мобильными абонентами, реализующие полностью децентрализованное управление при отсутствии базовых станций или опорных узлов. Топология – быстро меняющаяся со случайным соединением узлов. К этому надо добавить WSN (Wireless Sensor Networks) — беспроводные сенсорные (телеметрические) сети, состоящие из малогабаритных сенсорных узлов с интегрированными функциями мониторинга определенных параметров окружающей среды, обработки и передачи данных по радиоканалам. Они могут, в зависимости от задачи, строиться как топологии mesh, ad hoc так и MANET; автомобильные сети VANET (Vehicle Ad hoc NETworks) – сети связи транспортных средств; и всевозможные гибриды вышеизложенного.

На данный момент широким фронтом идут исследования и применения самоорганизующихся сетей в следующих сферах:

Совершенствование функциональных и потребительских характеристик беспроводных самоорганизующихся сетей, продолжает вызывать повышенный интерес у специалистов в области беспроводных технологий. Эти перспективные беспроводные системы, способны обеспечить мобильную связь в любое время, в любом месте и с любого устройства. Наибольшее распространение получили самоорганизующиеся сети, в приложениях используемых военными и специальным службам, а также сетям с мобильными телеметрическими датчиками. Однако существует и множество других областей применения этих сетей ориентированных на бизнес, образование, развлечения, промышленные и коммерческие задачи.

Технологии и стандарты

В настоящее время существует несколько технологий используемых для построения беспроводных самоорганизующихся сетей. Самые популярные из них (Табл. 1):

Стандарт/характеристика

802.15.4

ZigBee

802.15.1

Bluetooth

802.11b

Wi-Fi

Приложения

Мониторинг, управление,

сети датчиков, домаш-

няя/промышленная авто-

матика

 

Голос, данные, за-

мена кабелей (про-

водного на беспро-

водной канал)

Данные,

голос,

видео,

LAN

Преимущества

Цена, энергосбережение,

размеры сети, выбор час-

тотных диапазонов,

DSSS и PSSS

 

 

Цена, энергосбе-

режение, передача

голоса,  FH

Большой

диапазон

по скоро-

сти,

 DSSS

Частота

868 МГц

915 МГц

2,4 ГГц

2,4 ГГц

2,4 ГГц

Макс. скорость

20

Кбит/с

40

Кбит/с

250

Кбит/с

1 Мбит/с

1, 2 или 11 Мбит/с

Выходная мощность,

ном.

От 0 дБм (1 мВт)

0 дБм (класс 3)

4 дБм (класс 2)

–30...20 дБм

(класс 1)

20 дБм

Дальность

1−10 м (укороченный ра-

диус действия) 10−100 м

(увеличенный радиус

действия)

1−5 м

(класс 3 − укоро-

ченный радиус)

до 15 м (класс 2)

100 м (класс 1)

10 м - 100 м

Чувствительность

(спецификация)

–92

дБм

–85

дБм

–70

дБм

–75 дБм

 

Размер стека

4…32 Кбайт

Более 250 Кбайт

Более 1 Мбайт

Срок службы батареи

(энергосбережение)

100−1000+ дней

1−7дней

0,5−5 дней

Размер сети

65536 (16-битные адреса),
264 (64-битные адреса)

Мастер +7

32

Варианты топологий adhoc

Точка-точка, точка-многоточка, фиксированная mesh-сеть c ограниченными функциями маршрутизатора

Точка-точка, точка-многоточка, Piconet, Scatternet

Точка-точка, точка-многоточка (инфраструктура) 802.11s (фиксированная mesh-сеть)

WiFi – общее название для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE802.11. WiFi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T в Нидерландах. В 2009 году был утвержден стандарт IEEE802.11n в котором теоретически возможная скорость достигает 600 Мбит/сек. Основным преимуществом WiFi является широкая распространенность и низкий уровень излучения в момент передачи данных, порядка 100 мВт. Аналитическое агентство In-Stat прогнозирует, что к 2015 году их общее число устройств WiFi превысит 1 млрд, К недостаткам стоит отнести низкую скорость передачи в режиме точка-точка (не более 11 Мбит/сек), а также то, что устройства данного стандарта работают в диапазоне ISM (2.4 Ггц), который массово используется для работы множество других различных устройств, вплоть до микроволновых печей, что неблагоприятно сказывается на электромагнитной совместимости.

Bluetooth начал разрабатываться как беспроводная альтернатива для кабельного интерфейса RS-232 в компании Ericsson в 1994 году. В 2002 году был опубликован стандарт IEEE802.15.1 в который, на основании соглашения между Bluetooth SIG и IEEE, вошла спецификация Bluetooth. Bluetooth SIG была основана в 1998 году и состояла из таких крупных компаний как Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Для Bluetooth характерны те же достоинства и недостатки, что и для WiFi, с учетом того, что Bluetooth изначально разрабатывался как стандарт беспроводной передачи между двумя устройствами.

ZigBee™ работает поверх стандарта IEEE802.15.4, описывающего уровень доступа к среде и физический уровень, и является спецификацией сетевых протоколов верхнего уровня. Работы над сетями ZigBee™ начались в 1998 году, когда стало понятно, что WiFi и Bluetooth не подходят для некоторых приложений. Спецификация 1.0 была выпущена в 2004 году. ZigBee™ используется в устройствах работающих от автономных источников питания, требующих гарантированной передачи на низких скоростях, для создания самоорганизующейся сети с ячеистой топологией.

Наследуя все традиционные недостатки беспроводной связи, такие как низкая помехоустойчивость и общая пропускная способность сети, проблемы обеспечения безопасности передаваемых данных, самоорганизующиеся сети сталкиваются с новым классом проблем, связанных с эффективностью применяемых методов маршрутизации, а также организации физического и канального уровня. Вопросы построения мобильных самоорганизующихся сетей требуют решения инженерных и программно-аппаратных задач планирования сетевого трафика, и разработки протоколов его маршрутизации. При этом необходимо учитывать непрерывное изменение топологии сети из-за перемещения узлов или условий распространения сигнала, ограничения зоны радиовидимости и полосы пропускания радиоканала, лимитированный ресурс источников питания беспроводных узлов и пр. Вследствие этого реализация протоколов маршрутизации в мобильных самоорганизующихся сетях имеет ряд существенных отличий от реализации аналогичных протоколов в инфраструктурных сетях.

Не менее важным для эффективной работы беспроводных сетей является организация уровня доступа к среде (MAC) из-за его сложности и глобального сетевого влияния. Нерациональная организация множественного доступа к среде значительно влияет на скорость передачи пакетов по сети, вплоть до её неработоспособности. В WiFi, как и в ZigBee™, используется многостанционный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий — CSMA/CA. При этом среда передачи резервируется для передающей станции, но резервирование среды по методу CSMA/CA требует строгой симметричности линий и определенных элементов координированного управления, что для мобильной самоорганизующейся сети нежелательно из-за нарушения принципа однородности узлов сети.

Заключение

Тенденция дальнейшего совершенствования беспроводных самоорганизующихся сетей связанна с успехами микроэлектроники по созданию малогабаритных узлов с низким энергопотреблением, а также с ростом производительности микроконтроллеров и повышением эффективности протоколов маршрутизации.




Связь со специалистом

Вы можете задать вопрос. Для этого заполните все поля и отправьте сообщение. Ответ будет отправлен на указанный электронный адрес в ближайшее время.

  

Заказать звонок

Мы перезвоним вам в ближайшее время. Пн-Пт с 9:00 до 18:00 по Мск.