МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Д. И. Кислицын

Сенсорные инфокоммуникационные сети

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ для обучающихся по дисциплине «Сенсорные инфокоммуникационные сети»

по направлению подготовки 09.04.02 Информационные системы и технологии, профиль «Искусственный интеллект в системах и сетях передачи данных»

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

2

УДК 681.3 (075)

Кислицын Д. И. Сенсорные инфокоммуникационные сети: учебно-методическое пособие / Д. И. Кислицын; Нижегородский государственный архитектурностроительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. - 63 с. - Текст : электронный.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по дисциплине «Сенсорные инфокоммуникационные сети» по направлению подготовки 09.04.02 Информационные системы и технологии, профиль «Искусственный интеллект в системах и сетях передачи данных».

Д. И. Кислицын, 2022ННГАСУ, 2022

3

Содержание

Лабораторная работа №1……….……………………….………………………5 Лабораторная работа №2……………………………………………………….27 Лабораторная работа №3……………………………………………………….37 Лабораторная работа №4……………………………………………………….58 Лабораторная работа №5……………………………………………………….59 Лабораторная работа №6……………………………………………………….61

4

Лабораторная работа №1

«Сеть с несколькими сенсорными узлами» Что такое беспроводная сенсорная сеть?

После колоссального расширения технических возможностей в развертывании и безграничном распространении Интернета во всем мире, новый век стал свидетелем растущего интереса к беспроводным технологиям, таким как Wi-Fi (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике 802.11), Bluetooth и беспроводные сотовые сети. Многие осознают, что если 10 лет назад большинство людей даже не знали, что такое высокоскоростной интернет, кабельный и DSL, то сейчас значительное количество людей использует беспроводные маршрутизаторы в домашних условиях, для того чтобы подсоединиться к интернету через свои портативные компьютеры (ноутбуки). Портативные медиа-плейеры (иподы),

беспроводные мыши, беспроводная клавиатура и многие другие беспроводные устройства стали неотъемлемой частью нашей жизни. Несомненно, эта тенденция в использовании беспроводных технологий продолжится и будет определять будущее интернета.

В то время как люди только знакомятся с использованием беспроводных устройств, исследования в области беспроводных сетей намного опережают существующие тенденции на современном рынке. Всего несколько лет назад, в начале

2000, ученые начали исследовать возможное использование сенсорных датчиков совместно с беспроводной сетью. Это исследование привело к развитию нового вида коммуникационных сетей под названием Беспроводные сенсорные сети.

Сенсорный датчик (или сенсор) – это миниатюрное устройство, обладающее определенными свойствами. Он может зондировать окружающее его пространство и собирать информацию в виде информационных сигналов. Сенсор имеет радиопередатчик, который позволяет передавать информационные сигналы на базовую станцию через беспроводные средства связи. Но этот радиопередатчик имеет ограниченную дальность передачи до 50 м. Это означает, что сигналы, посланные сенсорным датчиком, не будут получены на расстоянии более 50 м. Этот недостаток

5

можно компенсировать за счет использования большого количества таких сенсоров,

для того чтобы сигналы смогли дойти до базовой станции, даже если она находится очень далеко. Это достаточно легко осуществимо, так как подобное использование не является дорогостоящим благодаря маленькому размеру и невысокой цене сенсорных датчиков.

Одной из привлекательных характеристик сенсоров является то, что они могут быть очень маленькими по размеру, меньше монеты, и ожидается, что в будущем они станут еще меньше. К тому же они очень дешевые. Обычный сенсорный датчик стоит примерно 5-10 долларов. Эти миниатюрные и недорогие устройства могут воспринимать различную информацию. Например, температурный сенсорный датчик сообщит о температуре окружающей среды, в которой он находится. В настоящее время на современном рынке существует множество различных сенсорных датчиков:

температурные, световые, акустические и сейсмические сенсоры, а также датчики влажности, движения, изображения и видеосенсоры.

Учитывая миниатюрные размеры и низкую себестоимость таких датчиков, они в большом количестве могут быть использованы для сбора информации и ее беспроводной передачи. Фактически, это также является хорошей возможностью использования сенсорных датчиков в различных реальных жизненных ситуациях, где вмешательство человека невозможно. Можно ожидать, что применение тысяч таких устройств размером с монету не будет представлять сложную задачу. В результате этого сенсорные сети могут быть использованы как в военной, так и в гражданской сферах.

Впервые использование сенсорных сетей началось в военной сфере для слежения за целью в боевой обстановке. Например, тысячи сенсорных датчиков могут быть заброшены вертолетом на поле военных действий, они будут зондировать и посылать информацию о вражеских танках и солдатах непосредственно с места сражения. Это очень эффективный метод, который

6

обеспечивает более точную информацию по сравнению с традиционными методами слежения за целью.

Начиная с 2000 года путем учреждения значительного количества грантов,

в США при особой поддержке Управления перспективных исследований и разработок Министерства обороны начали поощряться исследования в области сенсорных сетей. Однако позднее, принимая во внимание значительные преимущества, сенсорные сети при поддержке различных программ Национального научного фонда стали эффективно применяться и в гражданской сфере. Одним из примеров такого применения является экологический мониторинг – контроль над состоянием окружающей среды.

Сенсорные датчики могут быть использованы для наблюдения за лесом в случае возникновения пожара. Другой возможностью является применение сенсорных датчиков для наблюдения за жизнью диких животных в лесах, на островах и в океане. Они могут также применяться для наблюдения за вулканической активностью и предупреждения людей о возможном извержении вулкана. Этот список можно продолжать и продолжать – контроль рабочего состояния машин и оборудования, пограничный контроль,

обнаружение вторжения, наблюдение за фермерским хозяйством, теплицей,

детским садом, пациентами и т.д.

Можно легко представить, что в последующие 10 лет глубокие исследования и интерес к сенсорным сетям приведут к возникновению нового Интернета, состоящего из физических сенсорных датчиков, разбросанных по всему миру. Например, для того чтобы узнать, нужно ли поливать цветы в вашем саду, когда вы находитесь на работе, вы сможете проверить уровень воды или влажность почвы путем запроса, посланного датчикам, находящимся непосредственно возле этих цветов. А затем вы сможете осуществить сам процесс полива путем включения распылителей воды, которые можно контролировать на расстоянии.

Необходимо отметить, что, несмотря на отсутствие сенсорных сетей на современном рынке, для достижения имеющегося на данный момент уровня

7

их развития было проведено и проводится огромное количество исследований с целью решения теоретических аспектов сенсорных сетей. Одной из важнейших проблем, например, является проблема обеспечения энергией.

Сенсорные узлы действуют от батареи, продолжительность работы которой ограничена. После того как батарея разряжается, сенсорные датчики не могут функционировать и чаще всего их невозможно перезарядить, вследствие того,

что они часто находятся в условиях агрессивной или враждебной среды.

Поэтому сенсорные узлы вынуждены минимизировать число передач,

получения и глубокой обработки информации, так как это вызывает большое потребление энергии батареи.

Это заставило исследователей создать энергосберегающие коммуникационные протоколы для сенсорных сетей. Эти протоколы представляют собой квитирование установления связи между двумя сенсорными узлами, которые включают тип послания для передачи и получения. По существу это напоминает способ общения, используемый людьми в различных ситуациях своей повседневной жизни. Сенсорным датчикам необходимо заранее сообщить (т.е. их необходимо заранее запрограммировать) о протоколах, которые они будут использовать. Учитывая ограниченный срок жизни, а также ограниченные ресурсы, такие как память,

процессор, хранение информации и т.д., очень сложно придумать одно оригинальное решение, которое заставило бы сотни тысяч сенсорных датчиков эффективно общаться без каких-либо сбоев.

Основным имеющимися проблемами сенсорных сетей можно назвать самоорганизацию огромного числа сенсорных датчиков и сообщения им, куда и когда нужно посылать данные. Обнаружение информационных путей к базовой станции, выделение местонахождения базовой станции, определение исчерпавших себя узлов, установка путей исчерпавших себя узлов – вот некоторые задачи, которые также ждут своего решения.

8

В последнее время все больше и больше возрастает интерес к беспроводным сенсорным сетям. Появляются новые стандарты и технологии.

И хаос тому не исключение, не так давно появился новый стандарт,

работающий на основе хаотических приемопередатчиков.

С тех пор как в 2002 году федеральная комиссия по коммуникациям США

(FCC) опубликовала частотный диапазон и спектральную маску мощности для нелицензируемых сверхширокополосных (СШП) систем связи, был предложен и исследован ряд интересных подходов для коммерческих приложений в полосе 3,1 – 10,6 ГГц.

Основной областью применения сверхширокополосных (СШП) сигналов являются беспроводные персональные локальные сети (wireless personal area networks – WPAN), для которых особое значение имеют низкая стоимость аппаратуры и малое энергопотребление. Такие сети разрабатываются, в

частности, в рамках стандарта IEEE 802.15.4a, предназначенного для передачи данных со скоростями до 1-3 Мбит/сек (агрегированная по сети скорость до 10

Мбит /сек) на расстояния до 30 метров. Кроме того устройства стандарта должны иметь возможность определять свое местоположение в сети. Для реализации задач стандарта предложено использовать несколько типов сигналов: ультракороткие импульсы и последовательности таких импульсов,

сигналы с расширением спектра, хаотические радиоимпульсы и сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).

При разработке сверхширокополосных WPAN необходимо учитывать ряд серьезных ограничений на излучаемый сигнал.

Во-первых, максимальная спектральная плотность сверхширокополосных сигналов ограничена величиной -41,3 дБм/МГц, поэтому даже при

9

использовании всего разрешенного диапазона интегральная излучаемая мощность не должна превышать -2,4 дБм.

Вторым ограничением, накладываемым на параметры излучения, является ограничение на пиковую излучаемую мощность, которая не должна превышать

0 дБм в полосе 50 МГц. Таким образом, для полосы 500 МГц мы имеем ограничение в 20 дБм и для полосы 2 ГГц – 32 дБм.

Наконец, третье ограничение на параметры накладывается технологией.

Как правило, напряжение питания в СШП нелицензируемых системах связи не превышает 2 В. Поэтому и напряжение на антенне не будет превышать 1 В.

Если антенна согласована на 50 Ом, то пиковая мощность будет ограничена 10

мВт.

Исходной идеей для реализации сверхширокополосной связи была идея использования в качестве носителя информации сверхкоротких импульсов

(при полосе частот 7,5 ГГц длина импульса около 150 псек.). Согласно этой идее каждому импульсу соответствует один бит информации, что делает обработку сигнала в приемнике очень простой.

Ряд предложений по использованию этой технологии был внесен при разработке стандарта IEEE 802.15.3a. Однако расчеты показывают, что дальность передачи при технологическом ограничении на амплитуду будет не более 10 метров.

Это обстоятельство не было принципиальным при разработке стандарта для высокоскоростной передачи данных, но является очень существенным при разработке стандарта для низкоскоростной передачи данных IEEE 802.15.4a. В

этом стандарте дальность передачи должна быть, как минимум, 30 м. Для того,

чтобы реализовать такие дальности нужно иметь на входе антенны напряжение

~ 3 В, что входит в противоречие с технологическими тенденциями к снижению напряжения питания и потребляемой мощности. Еще более драматичной ситуация будет, если потребуется обеспечить дальность передачи на 50-60 и более метров.

10

Заметим, что из трех ограничений на излучаемую мощность именно третье ограничение является наиболее тяжелым для импульсных систем.

Действительно, первое ограничение можно обойти, снижая скорость передачи,

т.е. уменьшая число излучаемых в единицу времени импульсов. Второе ограничение оставляет возможность обеспечить дальность передачи до 1000 м (в полосе 2 ГГц и при скорости 1000 бит/сек). Но третье ограничение снижает максимальную дальность передачи до 10 метров.

Выходом из этого положения является переход от передачи одного бита одним импульсов к передаче одного бита серией импульсов. В этом случае, при сохранении энергии излучаемой на один бит, можно снизить энергию,

приходящуюся на один импульс, пропорционально числу импульсов в серии.

Это означает переход от сигналов с единичной базой (процессингом) к

сигналам с большой базой.

Переход к сигналам с большой базой содержится в той или иной форме в большинстве предложений по стандарту IEEE 802.15.4a. Однако при этом исходная идея простоты импульсных систем начинает размываться.

Возможной альтернативой здесь является применение принципа прямохаотической связи с использованием сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов.

Прямохаотические системы, у которых спектр мощности не зависит от длины импульса, а, следовательно, и от величины базы сигнала не имеют энергетических ограничений свойственных системам с короткими импульсами и при любой скорости передачи сохраняют в системах связи идеологию «один бит – один импульс». Это является одним из главных их естественных преимуществ по сравнению со сверхширокополосными системами,

использующими сверхкороткие импульсы, и существенно упрощает аппаратурные решения.

Хаотические сигналы обладают рядом свойств, которые делают их привлекательными для использования в локальной связи: естественная сверхширокополосность, что обеспечивает простоту генерации и модуляции

11

сигнала по сравнению с традиционными системами расширения спектра;

превосходные характеристики в средах с многолучевым распространением,

типичных для жилых помещений, офисов и индустриальных сооружений;

использование некогерентного приема, который может быть легко реализован с меньшим числом компонент (без смесителей и ФАПЧ), по сравнению с альтернативными решениями.

2. Развертывание опытной беспроводной

сверхширокополосной сенсорной сети

2.1. Прямохаотические сверхширокополосные системы связи

Прямохаотическая система связи (ПХСС) была предложена в 2000 году в

ИРЭ РАН как вариант замены приемопередатчиков традиционной структуры.

Воснову прямохаотических схем связи заложены три базовые идеи:

-источник хаоса генерирует хаотические колебания непосредственно в заданной полосе СВЧ диапазона;

-ввод информационного сигнала в хаотический осуществляется путем формирования соответствующего потока хаотических радиоимпульсов;

-извлечение информации производится из СВЧ хаотического сигнала

без промежуточного преобразования частоты.

Сигнал называется сверхширокополосным, если относительная ширина полосы спектра частот F удовлетворяет следующему неравенству :

где fн и fв – нижняя и верхняя границы полосы частот сигнала.

Структура прямохаотической сверхширокополосной системы связи показана на рис. 3.1.

12

Рис. 3.1. Структура ПХСС

Передатчик системы состоит из устройства управления генератором

(Regulator), источника хаоса (UWB Chaotic Oscilator), генерирующего сигнал непосредственно в частотном диапазоне передачи информации, т.е. в области радио или сверхвысоких частот, модулятора ключевого типа (Modulator),

антенны (A1), источника информации (Information Source), кодера источника(Source Encoder) и кодера канала(Channel Encoder).

Источник хаоса обеспечивает генерацию сигнала в полосе частот F = fв - fн, где fн и fв – нижняя и верхняя границы полосы частот хаотических колебаний.

Центральная частота и полоса генерируемого сигнала могут регулироваться управляющим устройством.

Информация, поступающая от источника информации, преобразуется кодером источника в сигнал, подаваемый на вход кодера канала, который, в

свою очередь, преобразует его в модулирующий сигнал, обеспечивающий управление модулятором. Модулятор обеспечивает формирование хаотических радиоимпульсов либо путем перемножения хаотического сигнала и модулирующих импульсов (в случае внешней модуляции), либо путем модуляции параметров генератора (в случае внутренней модуляции).

Сформированный сигнал пропускается через усилитель и излучается в пространство с помощью широкополосной антенны. Формирование

13

информационного потока может осуществляться за счет изменения расстояния между импульсами, изменения длины импульсов, изменения среднеквадратичной амплитуды импульсов или комбинации этих параметров.

Например, формирование потока может осуществляться при фиксированной частоте следования позиций для импульсов и при фиксированной длительности импульсов. При этом наличию импульса на заданной позиции в потоке соответствует передаваемый символ “1”, а отсутствию импульса -

символ “0”.

Приемник состоит из широкополосной антенны (A2), фильтра,

пропускающего сигнал в полосе частот передатчика, малошумящего усилителя и системы обработки сигнала. Поток хаотических радиоимпульсов поступает в антенну, пропускается через фильтр и усилитель. После этого система обработки сигнала осуществляет фиксацию импульсов, определение их параметров и местоположения в потоке, выделение полезной информации из сигнала. Выделение полезной информации из сигнала осуществляется путем интегрирования мощности импульсов в пределах их длительности

(некогерентный прием).

2.2. Макеты прямохаотических приемопередатчиков и их характеристики

2.2.1. Активная RFID метка

Минимальная конфигурация устройства – прямохаотический передатчик,

который состоит из генератора хаоса с модулятором, цифровой части,

формирующей пакеты данных и осуществляющей формирование хаотических радиоимпульсов, и антенны. Функции: передача фиксированного набора данных (идентификатор) в заданные моменты времени (RF метка) или по внешнему механическому сигналу (брелок).

14

2.2.2. Полнофункциональный приемопередатчик

Структура полнофункционального приемопередатчика помимо генератора хаоса с модулятором, цифровой части и антенны включает логарифмический приемник, СВЧ-ключ, осуществляющий переключение между передающим и приемным модулем в зависимости от режима работы, интерфейс между устройством и датчиком, интерфейс для работы с внешними устройствами

(COM, USB).

Функции полнофункционального устройства : передача фиксированного набора данных в заданные моменты времени (RF метка), передача актуального набора данных (от внешнего физического датчика) в заданные моменты времени, прием данных от других приемопередающих устройств,

ретрансляция пакетов данных, работа с периферийными устройствами (ПК).

Структура приемопередатчика представлена на рис. 3.2. Топология физического макета приемопередатчика показана на рис. 3.3. Условно приемопередатчик можно разделить на СВЧ часть и Цифровой блок. СВЧ часть состоит из микрополосковой сверхширокополосной антенны, СВЧ ключа,

транзисторного сверхширокополосного генератора хаоса, модулятора,

Рис. 3.2. Структура прямохаотической платформы.

15

Рис. 3.3. Внешний вид приемопередатчика прямохаотической платформы

некогерентного СВЧ приемника и коммутатора питания приемника. Цифровой блок состоит из ПЛИС, микроконтроллера и других вспомогательных блоков.

2.2.3. Работа с датчиками

Полнофункциональные устройства могут осуществлять работу с внешними датчиками и передавать потоки данных, регистрируемых этими датчиками.

Для этого в состав метки или полнофункционального устройства включен интерфейс для работы с датчиками.

2.2.4. Сетевые возможности

Прямохаотическая система работает по принципу ad-hoc сети. Активные

RFID метки могут работать только в качестве оконечных устройств, т.е. только передавать данные. Полнофункциональные устройства могут работать в качестве узлов, т.е. как передавать собственные пакеты данных, так и

16

собирать информацию от RF меток и ретранслировать ее по сети дальше, до координатора сети.

Рис. 3.4. Структура сенсорной сети (пример).

Принцип функционирования сети следующий. Сенсоры и «брелки» передают данные либо напрямую в терминал (координатор сети), либо посредством цепочки из одного или нескольких ретрансляторов. При небольшом количестве устройств и низкой скорости передачи информации вероятность одновременного излучения пакетов от различных устройств небольшая. Учитывая это, ни брелки, ни сенсоры, ни ретрансляторы не предпринимают никаких мер по избежанию столкновений в эфире, а просто передают информацию в назначенный момент времени.

Все устройства в сети обладают уникальными номерами. Помимо этого каждый ретранслятор имеет таблицу доступа устройств. Если какой-либо ретранслятор (и терминал) принимает пакет данных от устройства, чей номер не содержится в указанной таблице, то такой пакет игнорируется и не ретранслируется. Настройка сети заключается в назначении номера для каждого устройства и задании таблиц доступа для каждого ретранслятора и терминала.

17