Retelele de senzori fara fir (WSN) vor constitui o parte integranta a vietii noastre in viitorul apropiat. Se pot dezvolta o larga diversitate de aplicatii, bazate pe capacitatea mecanismelor de a extrage informatii din mediul inconjurator, de a le procesa si de a le utiliza. Dincolo de motivatia proiectelor de cercetare initiale, interesul pentru retelele de senzori devine din ce in ce mai mare si varietatea domeniilor in care isi gasesc aplicatii este imensa. Un set de trasaturi cheie ale acestor retele il constituie necesitatea autoconfigurarii si autointretinerii, precum si lipsa extrema a resurselor in ceea ce priveste energia, puterea procesorului, memoria s.a.m.d. In acest context, devine destul de dificila furnizarea de solutii eficiente, datorita constrangerilor severe si rar intalnite care trebuie luate in considerare. Este, de asemenea, interesanta studierea acestor sisteme, din moment ce multe si noi compromisuri, care nu ocupa un loc important in retelele traditionale, pot fi identificate in procesul de proiectare. De asemenea, in scopul de a oferi solutii eficiente sunt necesare atat o vasta abordare interdisciplinara, o confruntare cu intrebari fundamentale asupra subiectului, cat si o punere in practica a ideilor si o testare riguroasa a acestora.
Intr-o perioada cand cercetarea retelelor de senzori este in plina dezvoltare si multe tehnici si metode noi sunt propuse si dezvoltate, acest subiect poate servi ca un punct de start pentru dorinta de cunoastere si aprofundare a oamenilor in acest domeniu, dar si ca o trecere in revista a tot ce se intampla in aceasta arie a stiintei pentru cei ce activeaza deja pe aceasta directie.
Antrenate de dezvoltarile din domeniile microsenzorilor si retelelor fara fir, retelele de senzori fara fir devin disponibile pentru foarte multe aplicatii comerciale si militare cum ar fi monitorizarea mediului si factorilor inconjuratori (trafic,securitate),detectia si diagnosticarea in domeniul industrial (fabrici, instalatii), monitorizarea infrastructurilor (retele de putere, distributia apei, deozitare de deseuri) si culegerea datelor de pe teatrele de operatiuni.
Domeniul reteleor de senzori fara fir deschide de fapt noi directii de cercetare care includ: controlul senzorilor, functiile acestora, urmarirea si localizarea, fuziunea datelor manipulate, baze de date distribuite, protocoale de comunicatie, date despre zona de acoperire, conectivitatea retelei, resursele energetice critice, capacitatea si timpul de viata a retelei, arhitectura si metodologia de proiectare hardware si software. Mai mult, trebuie luate in considerare eficienta, costul, robustetea, autoconfigurarea, toleranta la avarii, oportunitatea utilizarii, durata de exploatare a retelei. Cum foarte multe cercetari au avut ca obiect de studiu aceste subdomenii, este binevenita o abordare a acestui subiect si o prezentare a rezultatelor obtinute in cercetarea pe aceste directii.
Lucrarea de fata prezinta pe scurt cateva din aspectele retelelor de senzori fara fir: aplicatii ale acestora, arhitecturi ale retelelor, din punct de vedere hardware si software, precum si o tratare a arhitecturii protocoalelor uitilizate, din punctul de vedere al stivei OSI/ISO, directia dezvoltata pe larg fiind aceea a tehnicilor de rutare, cu accent pe necesitatea asigurarii serviciilor QoS in unele aplicatii.
In martie 2006, Agentia Europeana pentru Monitorizare, Evaluarea Structurala si Control (European Network for Structural Assessment Monitoring and Control) a organizat o intalnire in care si-a manifestat interesul in cercetarile in retelele fara fir de senzori, planificand un calendar de cercetare, cu obiective ambitioase: crearea unei retele de monitorizare structurala si a infrastructurii integrata la nivel european pana in anul 2020. S-a luat in considerare urmatoarea desfasurarea a implementarii:
- Elementele constitutive vor fi dezvoltate din sisteme izolate catre retele de senzori integrate catre sisteme complet imersate. Senzori robusti, fiabili si ieftini vor putea fi integrati oriunde;
- Metodologia se va dezvolta pornind de la metodele izolate, curente, spre metode armonizate care permit integrarea mai multor surse de informare ajungandu-se in final la metode standardizate deschise unei clase largi de utilizatori;
- Utilizarea tehnologiei, in prezent rezervata expertilor, va evolua spre utilizarea uneltelor soft comune si va ajunge la software integrat open-source in fiecare aplicatie care suporta luarea de decizii;
- Aplicatiile vor evolua de la proiecte izolate cu interese punctuale catre o integrare interdisciplinara, ajungandu-se in final la o integrare completa, sistemul SAMCO ajungand o parte a vietii cotidiene.
Prioritatile agentiei europene sunt: senzorii si retelele de senzori, cadrul computational, structuri inteligente, siguranta si securitate, monitorizarea ciclului de viata, evaluarea si analiza riscurilor.
Obiectivul de cercetare pentru retelele de senzori este realizarea de hardware standardizat, pentru a se putea obtine informatie comparabila. Proiectul va dezvolta o metodologie standard de aplicatie care va permite comparatia structurilor diferite. Bazandu-se pe hardware-ul existent, conceptii inovatoare vor fi proiectate si testate, fiind alese cele suficient de flexibile sa scaleze dezvoltarile ulterioare. Se doreste ca o unealta digitala de verificare sa inlocuiasca verificarea vizuala actuala.
In plus se doreste dezvoltarea de infrastructuri fara fir cu o durata de viata indefnita, capabila sa reziste in medii dure, de precizie mare, eventual fara necesitatea unei surse interne epuizabile de energie pentru captarea de informatii si transmiterea acestora.
In lumina interesului in crestere fata de retelele de senzori, dorim efectuarea unei prezentari a spatiului de proiectare si a variatelor sale dimensiuni. Aceasta prezentare se poate dovedi utila pentru organizarea discutiei si structurarea directiilor de cercetare (analizarea legaturilor existente intre aplicatii software si hardware, evitarea duplicarii muncii pe aceleasi directii) si pot oferi, de asemenea, o baza conceptuala pentru dezvoltarea de cadre software adaptabile la cerintele diferitelor aplicatii.
1.1 Cerintele de proiectare
Cercetarile initiale in domeniul retelelor de senzori fara fir au fost motivate, in principal de aplicatii militare. Mai recent au fost identificate aplicatii civile numeroase care pot beneficia de acestea: monitorizarea mediului inconjurator, agricultura, productia si livrarea, sanatatea. Retelele pot fi construite si din noduri eterogene si mobile; topologia poate fi la fel de simpla, asemeni topologiei stea; retelele pot folosi infrastrcturi de comunicatie deja existente. Pentru a descoperi aceasta directie generala catre diversitate discutam in sectiunile care urmeaza dimensiunile importante ale spatiului de proiectare a retelelor de senzori fara fir. Caracterizam pe scurt fiecare dimensiune si incercam sa identificam anumite proprietati, in scopul realizarii unei clasificari pe clase de aplicatii.
Ramane totusi de discutat ce proprietati sunt semnificative pentru a putea fi categorisite explicit ca fiind dimensiuni in spatiul de proiectare. Evolutiile viitoare vor schimba intr-o masura mai mica sau mai mare lista de mai jos. Am incercat ca aceste sugestii intiale sa consiste dintr-un set considerabil de dimensiuni, bazand alegerile pe doua principii: ar trebui sa existe diferente notabile intre aplicatii si o dimensiune ar trebui sa aiba un impact semnificativ asupra proiectarii si implementarii solutiilor tehnice.
Amplasarea retelei: amplasarea nodurilor senzor in spatiul fizic al mediului inconjurator poate lua cateva forme. Nodurile pot fi amplasate aleator (de ex. parasutate din avion) sau instalate deliberat in anumite puncte. Desfasurarea poate avea loc intr-o singura faza initiala, sau poate fi un proces continuu, noduri senzor fiind amplasate pe toata durata de functionare a retelei (pentru inlocuirea senzorilor defecti sau pentru imbunatatirea rezolutiei).
Tipul de amplasare afecteaza de fapt proprietati importante, cum ar fi densitatea de noduri de retea, localizarea acestora, dinamica retelei etc.
Ca o mica concluzie, putem nota cateva clase care deriva din cele prezentate mai sus: aleator vs. manual, singular vs. iterativ.
Mobilitatea: nodurile senzor isi pot schimba pozitia dupa desfasurarea initiala. Mobilitatea poate fi rezultatul influentelor mediului inconjurator, cum ar fi vantul si apa. Nodurile pot fi amplasate pe entitati mobile si chiar pot avea capacitatea de a se autodeplasa. Poate fi deci un efect accidental sau intentionat (activ - autodeplasarea sau pasiv - plasarea pe obiecte in miscare). Mobilitatea se poate aplica tuturor nodurilor sau unor subseturi din retea. Gradul de mobilitate poate varia de la o miscare ocazionala cu perioade lungi de imobilitate, la o miscare periodica sau constanta.
Mobilitatea are un puternic impact asupra gradului asteptat al dinamicii retelei, si deci proiectarea protocoalelelor si algoritmilor de repartizare.viteza efectiva a miscarii are impact asupra intervalului de timp in care nodurile sunt la o distanta la care comunicatia e fiabila.
Clasele pe care le putem extrage de mai susar fi: imobil vs. partial mobil vs. mobil; ocazional vs. continuu; activ vs. pasiv.
Cost, dimensiune, resurse si energie: in functie de cerintele particulare ale aplicatiei, forma si dimensiunea poate varia foarte mult, de la dimensiunile relative ale unei cutii de pantofi (pentru aplicatii meteo) pana la senzori MEMS, microscopici, pentru aplicatii militare. Similar, costul unui nod poate varia de la cateva sute/mii de euro, pentru retele cu numar redus de noduri extrem de capabile, pana la cativa centi pentru retele cu noduri foarte simple.
Nodurile senzor sunt dispozitive autonome, iar energia disponibila alaturi de alte resurse sunt limitate de dimensiuni si costuri. Dimensiunea variabila si constrangerile legate de costuri rezulta direct din limitele intre care variaza energia disponbila (de exemplu, dimensiunea, costul si densitatea energetica a bateriilor sau a dispozitivelor de captare a energiei din exterior), resursele computationale, de stocare si de comunicatie. Prin urmare, energia si alte resurse disponibile unui nod senzorpot varia de la un sistem la altul. Resursele energetice pot fi stocate (de exemplu in baterii), ori pot fi captate din mediul inconjurator.
Aceste constrangeri in ceea ce priveste resursele disponibile limiteaza complexitatea software-ului dezvoltat pentru nodurile de senzori. Pentru clasificarea noastra, am partitionat, in mare, nodurile senzor in patru clase in functie de dimensiunea lor fizica: "brick" (caramida), "matchbox" (cutie de chibrituri), "grain" (bob de grau), "dust" (fir de nisip).
Eterogenitatea: viziunile timpurii asupra retelelor de senzori au anticipat ca acestea se vor constitui, in general, din dispozitive omogene, identice in mare masura din punct de vedere hardware si software. Unele proiecte chiar au admis ca diferentele dintre nodurile senzor sunt absolut imperceptibile, adica ele nu aveau nici macar adrese unice sau ID-uri in implementarea lor hardware. Acest punct de vedere
JohnWiley & Sons 2005
[2] Nirupama Bulusu, Sanjay Jha "Wireless Sensor Networks", ArtechHouse 2005
[3] Ananda A., Mun Choon Chan, Wei Tsang Ooi "Mobile, Wireless and Sensor Networks - Technology, Applications and Future Directions" IEEE Press 2006
[4] Kay J., Frolik J "QoS Analysis and Control for Wireless Sensor Networks" IEEE 2004
[5] Younis Mohamed, Akkaya Kemal "Energy and QoS aware Routing in Wireless Sensor Networks"
[6] Eltoweissy Mohamed, Wadaa Ashraf, Akkaya Kemal, Younis Mohamed "On handling QoS Traffic in Wireless Sensor Networks", Proceedings of the 37th Hawaii International Conference on System Sciences, 2004
[7] J. M. Rabaey, M. J. Ammer, J. L. da Silva, D. Patel, and S. Roundy. PicoRadio Supports Ad Hoc Ultra-Low Power Wireless Networking. IEEE Computer, 33(7): 42-48, 2000.
[8] D. Snoonian. Smart Buildings. IEEE Spectrum, 40(8): 18-23, 2003.
[9] D. Estrin, L. Girod, G. Pottie, and M. Srivastava. Instrumenting the World with Wireless Sensor Networks. In Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP 2001), Salt Lake City, UT, May 2001.
[10] G. T. Huang. Casting the Wireless Sensor Net. Technology Review, pages 51-56, July 2003. www.technologyreview.com.
[11] J. M. Kahn, R. H. Katz, and K. S. J. Pister. Next Century Challenges: Mobile Networking for "Smart Dust". In Proceedings of ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom 99), Seattle, WA, August 1999.
[12] P. Bonnet, J. E. Gehrke, and P. Seshadri. Querying the Physical World. IEEE Personal Communications, 7(5): 10-15, 2000. http://lecs.cs.ucla.edu/Courses/CS213-Win02/Readings/PCM/Querying.pdf.
[13] A. Mainwaring, J. Polastre, R. Szewczyk, D. Culler, and J. Anderson. Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring. In Proceedings of the 1st ACM Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications, Atlanta, GA, September 2002.
[14] L. Schwiebert, S. K. S. Gupta, and J. Weinmann. Research Challenges in Wireless Networks of Biomedical Sensors. In Proceedings of the 7th International Conference on Mobile Computing and Networking (ACM Mobicom), pages 151-165, Rome, Italy, July 2001.
[15] A. A. Abidi, G. J. Pottie, and W. J. Kaiser. Power-Conscious Design of Wireless Circuits and Systems. Proceedings of the IEEE, 88(10): 1528-1545, 2000.
[16] A. Bogliolo, L. Benini, E. Lattanzi, and G. De Micheli. Specification and Analysis of Power-Managed Systems. Proceedings of the IEEE, 92(8): 1308-1346, 2004.
[17] C. Schurgers, V. Raghunathan, and M. B. Srivastava. Power Management for Energy-Aware Communication Systems. ACM Transactions on Embedded Computing Systems, 2(3): 431-447, 2003.
[18] V. Raghunathan, C. Schurgers, S. Park, and M. B. Srivastava. Energy-Aware Wireless Microsensor Networks. IEEE Signal Processing Magazine, 19: 40-50, 2002.
[19] D. Niculescu and B. Nath. Localized Positioning in Ad Hoc Networks. In Proceedings of the 1st IEEE International Workshop on Sensor Network Protocols and Applications (SNPA), Anchorage, AK, May 2003.
[20] S. Roundy. Energy Scavenging for Wireless Sensor Networks. Kluwer Academic Publishers, 2003.
[21] S. Roundy, D. Steingart, L. Frechette, P. Wright, and J. Rabaey. Power Sources for Wireless Sensor Networks. In H. Karl, A. Willig, and A. Wolisz, editors, Proceedings of 1st European Workshop on Wireless Sensor Networks (EWSN), pages 1-17. LNCS, Springer, Berlin, Germany, volume 2920, January 2004..
[22] A. Kansal and M.B. Srivastava. An Environmental Energy Harvesting Framework for Sensor Networks
Pentru a descărca acest document,
trebuie să te autentifici in contul tău.
