Принципы построения сенсорных самоорганизующихся систем

Современный уровень развития измерительной техники, телекоммуникационных технологий и вычислительной техники позволяет приступить к реализации новейшей сетевой парадигмы еще более масштабной, чем даже Веб – парадигмы сенсорных самоорганизующихся сетей. Сотки млрд микроскопичных детекторов, интегрированных практически во все предметы, от брелоков для ключей до систем экологического мониторинга среды, сумеют держать под контролем состояние самых различных объектов, собирать,обрабатывать и передавать по предназначению нужную измерительную информацию (в том числе, беспроводным образом с внедрением ad hoc сетей), решая при всем этом массу нужных задач.

Перевод словосочетания ad hoc – «специальный, предназначенный для данной цели» — отражает сущность сенсорных сетей, которые создаются всякий раз поновой для решения определенных задач и одномоментно после их выполнения распадаются на отдельные элементы, готовые образовать новые сети, как в том возникнет необходимость. Крохотные (размером с пылинку) микроустройства, выполняющие сразу вычислительные и коммуникационные функции и способные хорошим образом автоматом изменяться в самоорганизующиеся сети, являются основой новейшей сетевой парадигмы, повышающей производительность и безопасность сетевых вычислений.

В текущее время в качестве более тривиальных областей внедрения ad hoc сетей специалисты именуют экологиюи службы спасения. К примеру, крохотные пылинки-сенсоры, разбросанные с самолетов над большенными лесными массивами, зависимо от данных характеристик могут выслеживать появление лесных пожаров, маршрут заблудившейся туристской группы, передавая в диспетчерский центр по самоорганизованной беспроводной сети мониторинг состояния «зеленого океана». Сенсорные сети могут смотреть за созреванием урожая, информируя фермеров о необходимости полива всходов, за состоянием климата в производственных и публичных помещениях и т.п.

В концепции сенсорных сетей значительно меняется роль человека, так как их элементы – сенсорные микрокомпьютеры — становятся еще более самостоятельными, часто предвосхищающими задания, генерируемые человеком, за длительное время до их поступления. «Гомоцентрическая» модель сетевых вычислений с человеком в качестве центрального звена в сети уходит в прошедшее — человек «смещается» из центра вычислений на его периферию, концентрируясь на управлении процессом, становясь типичным посредником меж реальным миром и компьютерами.

Естественно, для того, чтоб воплотить заманчивые мечты о сенсорных беспроводных сетях в жизнь, предстоит еще почти все сделать. Сенсорные устройства, либо «моты» (от англ. mote – «пылинка») должны представлять собой интегрированную платформу, сочетающую способности детекторов (наружных датчиков, регистрирующих определенные характеристики либо их совокупа), компов и коммуникационных устройств. Крохотные компы должны не только лишь «различать» мир вокруг нас, да и действовать зависимо от его состояния. И они все должны быть соединены в единую беспроводную сеть, чтоб иметь возможность передавать регистрируемую информацию «по цепи». В конце концов, они должны владеть впечатляющим припасом энергии для автономной работы и стоить так не достаточно, чтоб их было дешевле выкинуть, чем зарядить.

Кое-кто из профессионалов считает, что распространение маленьких сенсорных устройств может сделать эффект в сотки и тыщи раз более мощнейший, чем распространение Веба. Быстрое уменьшение размеров современных детекторов совместно с их удешевлением и понижением энергопотребления приближает время прихода сенсорных сетей, а означает, пришествие эры новейшей сетевой парадигмы.

Возрос энтузиазм к разработке и исследованию беспроводных самоорганизующихся сенсорных сетей – сетей, состоящих из огромного количества обычных маленьких устройств (узлов), каждое из которых содержит микроконтроллер, радиотрансивер, детектор и автономный источник питания. Узлы способны регистрировать информацию о параметрах среды и передавать её по многозвенной цепочке (от узла к узлу) на базисную станцию. Предусмотрены такие сети для решения задач мониторинга, контроля и охраны огромных территорий либо больших инженерных сооружений. Очень нередко объем инфы, который должен быть передан с узла сети на базисную станцию, ограничивается несколькими кб в денек, потому трансиверы узлов должны обеспечивать только довольно низкие скорости передачи (~30 кбит/с). Отсутствие необходимости в больших скоростях передачи данных и маленький требуемый радиус связи (равный расстоянию до примыкающего узла) позволяют значительно упростить конструкцию узлов сети, повысить их надежность и понизить цена всей сети. Одним из главных требований, предъявляемых к узлам сенсорной сети, является долгое время их автономной работы. Задачка уменьшения энергопотребления может решаться за счет оптимизации конструкции и режимов работы аналоговых и цифровых схем узлов, также за счет извлечения энергии, нужной для работы этих схем, из среды. В текущее время для целей извлечения энергии из среды употребляются солнечные батареи, преобразователи механических вибраций в напряжение, термоэлементы, ректены и пр. Низкий к.п.д. схожих источников питания и необходимость дополнительного преобразования получаемых напряжений и токов до уровней, требуемых для обычной работы радиосхем узла, не всегда позволяют достигнуть хотимых результатов. Одним из основных потребителей энергии в автономных узлах является радиопередающее устройство, потому задачку уменьшения энергопотребления передатчика можно считать одним из приоритетных направлений исследовательских работ в данной области. Если потребление энергии цифровыми схемами, нужное на обработку бита инфы, повсевременно миниатюризируется с совершенствованием технологий их производства, то энергия, затрачиваемая на передачу бита, не может быть меньше нужной для сотворения обнаружимого уровня сигнала в месте приема, и задается расстоянием источник-приемник, также уровнем шума. Большая часть имеющихся технологий установления радиоконтакта базируются на использовании активных (потребляющих энергию источника питания) передающих устройств. Симпатичной кандидатурой использованию активных передающих устройств для поддержания радиосвязи на маленькие расстояния является применение в качестве источников радиосигналов пассивных рассеивателей, переизлучающих электрические поля, создаваемые наружными источниками (базисными станциями). При всем этом передаваемая информация может записываться в переизлученное поле методом модуляции характеристик нагрузок, включенных в рассеиватель. В сопоставлении с активными устройствами, системы, использующие для радиосвязи пассивные рассеиватели, потребляют значительно меньше энергии от источника питания, конструктивно проще, надежнее и дешевле. При всем этом пассивные радиопередающие устройства могут обеспечивать очень высочайший уровень стабильности частоты и фазы несущей, определяемый стабильностью излучения базисной станции.