Новый этап в развитии беспроводных сетей датчиков

      (New generation wireless mesh networks)

        1. Характеристики сетей передачи данных.

Сети передачи данных по радиоканалу, должны удовлетворять самым противоречивым требованиям в зависимости от области применения. Для решения конкретных задач вы должны определить: структуру сети передачи данных, способ доступа к каналу передачи данных, частотный диапазон, скорость передачи данных, срок службы батарей, число устройств поддерживаемых сетью, объем передаваемых данных, время реакции сети, способ конфигурирования сети, сосуществование нескольких сетей одновременно.

 Мы предлагаем стек коммуникационных протоколов D-Mesh и оборудование для низкоскоростных сетей передачи данных.  Диапазоны рабочих частот 315Мгц, 433МГц, 868МГц, 915МГц, 2,4ГГц не требуют получения лицензии для их использования.

 Самоорганизующаяся сеть построена на однотипных компонентах. Соотношение активный/пассивный режим не более 1/1000. Число уровней ретрансляции до 30. Питание устройств батарейное. Батареи 2А*ч хватает для работы в течение 6  лет. Периодичность обмена между устройствами конфигурируется и может быть от 3 с до 25 с. Время отклика сети пропорционально числу уровней сети. Поддерживается передача автоданных один раз в сутки, запросы текущих данных, аварийные сообщения. Дополнительно передаваемая информация позволяет построить структуру сети передачи данных.

        2. Структура сети передачи данных.

Фирма DJV-COM  разработала сетевую топология D-Mesh. Эту сетевую топологию поддерживают все устройства сети. Топология D-Mesh  является разновидностью топологии Кластерное Дерево (Claster Tree) (рисунок 1). 

D-Mesh топология позволяет максимально эффективно использовать выделенную полосу частот, сочетая скорость передачи данных достаточную для передачи суточных данных и надежность функционирования сети.

D-Mesh является динамической сетевой топологией, где маршруты передачи данных могут постоянно меняться, но сам узел сети установлен стационарно. При добавлении или удалении  узла сети будет происходить автоматическое переконфигурирование сети.

Сеть топологии D-Mesh  состоит из координатора сети и двух видов сетевых узлов с включенной и выключенной функцией маршрутизации (рисунок 2):

Функции координатора сети выполняет концентратор. Это устройство самого высокого уровня сетевой топологии. Оно может обмениваться данными  с любыми устройствами, находящимися в его сети.

Сетевой узел с включенной функцией маршрутизации. Это устройство, которое выступает посредником между устройствами сети для передачи данных от устройств удаленных от координатора сети. Сетевой узел может быть так же конечным получателем данных.

Сетевой узел с отключенной функцией маршрутизации. Это конечное устройство в сетевой топологии D-Mesh и является источником, либо конечным получателем данных, но с отключенной функцией маршрутизации.

Каждое устройство D-Mesh сети обладает своим уникальным  адресом.  

        3. Число устройств поддерживаемых сетью.

Важной характеристикой сетей передачи данных является число устройств поддерживаемых сетью. Так как сеть D-Mesh имеет ограничение на число  сетевых узлов с включенной функцией маршрутизации (не более 240), при большом числе устройств, для сетей имеющих регулярную, либо близкую к регулярной структуру, рекомендуется использовать топологию «Back Bone» (рис. 3).

Если в квартире производится учет нескольких типов ресурсов, для одного из сетевых устройств этой квартиры,  например для сетевого узла установленного на счетчик газа используется включенная функция маршрутизации, в то время как для сетевых устройств установленных в этой квартире для учета других видов энергоресурсов – вода, тепло, электричество, используются сетевые узлы с выключенной функцией маршрутизации.

Если в доме, как обычно не один стояк, а несколько, как например на рис. 4,

число устройств поддерживаемых одним концентратором – может быть увеличено в 4-6 раз и доведено до цифры 1200 – 1500 точек. При необходимости, у любого сетевого узла с выключенной функцией маршрутизации, эта функция может быть включена дистанционно или локально.

        4. Энергосбережение, или срок службы батареи.

Мы не рассматриваем сети, в которых узлы сети с функцией маршрутизации требуют внешнего постоянного питания. В этом случае теряются многие преимущества сетей с передачей данных по радио – это  стоимость и время  развертывания таких сетей. Для обеспечения срока службы батарей в течение 6 -10 лет, необходимо, чтобы устройство находилось в активном состоянии не более 1/1000 от суммарного времени работы. Так например, как показано на рис. 5

передача данных по уровням подсети производится последовательно, т.е. в один и тот же момент времени, в активном состоянии находится очень небольшое число устройств.

        5. Нагрузочная способность канала передачи данных и надежность функционирования сети.

Важным параметром сети передачи данных является нагрузочная способность – максимальное возможное число пакетов передаваемых данных через отдельный сетевой узел. Так для сети D-Mesh каждый сетевой узел способен передать в сутки не менее 1500 пакетов данных. Таким образом данные со всей сети – до 1500 устройств могут быть переданы на концентратор через один сетевой узел, являющийся единственным связующим звеном между концентратором и всей остальной сетью.  

Еще одним важным параметром сети является надежность ее функционирования. На рис. 6 приведен пример динамического изменения топологии сети в зависимости от загрузки каналов связи. Красным цветом обозначены устройства у которых канал связи перегружен передачей данных, зеленым цветом – устройства у которых канал связи свободен.  Из примера видно, что с течением времени устройства находят незагруженные каналы связи для передачи своих данных. Таким образом, структура сети зависит не только от условий слышимости устройств по радиоканалу, а также и от загруженности каналов связи.

        6. Способ доступа к каналу передачи данных.

Для максимально эффективного использования рабочей полосы частот, в сети топологии D-Mesh  применяется временное разделение передачи данных и временная синхронизация (рисунок 7).

Работа всех устройств D-Mesh  сети синхронизируется с помощью сигнала маяка (beacon). Этот сигнал излучается периодически cетевыми узлами с включенной функцией маршрутизации, которые могут являться мастерами  для некоторой группы устройств. Сигнал маяка содержит информацию о номере уровня сети, идентификационный номер сети, МАС – адрес мастера его формирующего, а также ряд дополнительных данных.

Сразу за сигналом маяка следует рабочее окно (Local Frame), длительность которого состоит из двух основных частей. Первая часть отводится для передачи пакетов данных входящих сообщений, вторая – исходящих. Длительность рабочего окна является переменной величиной.

В паузах между сигналами маяка, со следующими за ними рабочими окнами, устройства сети находятся в спящем режиме. Если какое-либо устройство не успевает совершить передачу/прием данных за время одного рабочего окна, то весь этот процесс распределяется на несколько рабочих окон.

Сетевые узлы могут обмениваться данными друг с другом или с координатором сети по мере возникновения такой необходимости в определенные интервалы времени (рисунок 8).

В топологии D-Mesh  реализовано два режима функционирования сети. При наличии внешнего питания  координатор сети постоянно активен  и  способен осуществлять обмен данными с максимально высокой скоростью. По сигналам координатора отдельные участки сети периодически просыпаются и обмениваются сообщениями.

При отсутствии внешнего питания  координатор сети работает в автономном режиме и питается от резервного аккумулятора. В этом режиме функционирования вся сеть с топологией D-Mesh находится в спящем режиме, включая и координатор. Обмен данными происходит в пределах отдельных сегментов сети, которые периодически просыпаются (рисунок 5).  Таким образом, удается не только экономить электроэнергию, но и избежать влияния отдельных сегментов сети друг на друга.

        7. Пример топологии работающей сети.

В качестве примера использования сети D-Mesh приведем пример системы сбора данных по учету газа в многоэтажном доме (рисунок 9) на некоторый момент времени.

Часовые и суточные данные формируются в виде пакета данных и пересылается в центр управления раз в сутки. При этом  время работы радиомодулей без замены литиевых батарей достигает 6 лет.

Отличительной чертой радиомодулей компании DJV-COM является возможность организации сетей сложной архитектуры, а также возможность покрывать расстояния, измеряемые несколькими километрами  за счет поддержания до 30 уровней ретрансляции.

        8. Одновременная работа перекрывающихся по слышимости радио сетей.

При массовой установке радиосетей передачи данных встает вопрос работоспособности сетей с частичным перекрытием слышимости и с полным перекрытием (см. рис. 10).

Сети для которых не предусмотрена возможность работы в условиях с частичным или полным перекрытием слышимости в ситуации 1 будут работать нормально, в ситуации 2 возможны частые коллизии, а также развал сетей, в ситуации 3 с полным перекрытием слышимости – такие сети работать не будут.

Технология D-Mesh – позволяет конфигурировать логический признак подсети от нуля до пятнадцати, что позволяет обеспечить нормальную работоспособность для ситуации 2 – до 16 подсетей, а в случае ситуации 3 – до 4-х подсетей с полным перекрытием. Число коллизий при этом – минимально.

        9. Область применения:

Оборудование используется для сетей сбора данных и управления. В частности для снятия показаний с газовых, водяных, электрических, тепловых счетчиков, управления освещением, подачей воды, газа, тепла, управления вентиляцией и кондиционированием, передачи аварийных сигналов и построения сенсорных сетей, не требующих постоянной передачи данных, а передающих их при выходе параметра за заданный диапазон.

        10. Параметры сети передачи данных D-Mesh.