Proiect tehnici de Rutare în Reţelele de Senzori Wireless

UNIVERSITATEA POLITEHNICă BUCUREşTI

FACULTATEA DE ELECTRONCă, TELECOMUNICAţII ŞI TEHNOLOGIA INFORMAţIEI

Ingineria sistemelor de calcul

PROIECT

Tehnici de Rutare în Reţelele de Senzori Wireless

Student :

Murineanu Victor

Bucureşti

- 2009 -

cuprins

1. Introducere 4

1.1 Cerinţele de proiectare 5

1.2 Exemple de aplicaţii ale reţelelor de senzori 10

1.3 Tipuri de aplicaţii în care se pot folosi reţelele de senzori 13

1.4 Probleme în reţelele de senzori fără fir 15

1.4.1 Cerinţe caracteristice 15

1.4.2 Mecanisme necesare 17

2. Arhitectura reţelelor de senzori 20

2.1 Componentele hardware ale unui nod 20

2.1.1 Controllerul 21

2.1.2 Memoria 22

2.1.3 Sistemul de comunicaţie 23

2.1.4 Senzori şi actuatori 26

2.1.5 Alimentarea nodurilor senzor 27

2.2 Sisteme de operare şi medii de execuţie 31

3 Arhitectura stivei de protocoale WSN 35

3.1 Nivelul fizic 35

3.2 Nivelul legăturii de date (protocoale MAC) 37

3.2.1 Probleme de consum la nivelul MAC 40

3.3 Nivelul de reţea 48

3.3.1 QoS în reţelele de senzori 49

3.3.2 Problemele implementării QoS în reţelele de senzori 51

3.3.3 Exemple de protocoale de rutare cu QoS 53

4. Glosar 56

5. Bibliografie 59

1. Introducere

Reţelele de senzori fără fir (WSN) vor constitui o parte integrantă a vieţii noastre în viitorul apropiat. Se pot dezvolta o largă diversitate de aplicaţii, bazate pe capacitatea mecanismelor de a extrage informaţii din mediul înconjurător, de a le procesa şi de a le utiliza. Dincolo de motivaţia proiectelor de cercetare iniţiale, interesul pentru reţelele de senzori devine din ce în ce mai mare şi varietatea domeniilor în care îşi găsesc aplicaţii este imensă. Un set de trăsături cheie ale acestor reţele îl constituie necesitatea autoconfigurării şi autoîntreţinerii, precum şi lipsa extremă a resurselor în ceea ce priveşte energia, puterea procesorului, memoria ş.a.m.d. În acest context, devine destul de dificilă furnizarea de soluţii eficiente, datorită constrângerilor severe şi rar întâlnite care trebuie luate în considerare. Este, de asemenea, interesantă studierea acestor sisteme, din moment ce multe şi noi compromisuri, care nu ocupă un loc important în reţelele tradiţionale, pot fi identificate în procesul de proiectare. De asemenea, în scopul de a oferi soluţii eficiente sunt necesare atât o vasta abordare interdisciplinară, o confruntare cu întrebări fundamentale asupra subiectului, cât şi o punere în practică a ideilor şi o testare riguroasă a acestora.

Într-o perioadă când cercetarea reţelelor de senzori este în plină dezvoltare şi multe tehnici şi metode noi sunt propuse şi dezvoltate, acest subiect poate servi ca un punct de start pentru dorinţa de cunoaştere şi aprofundare a oamenilor în acest domeniu, dar şi ca o trecere în revistă a tot ce se întâmplă în această arie a ştiinţei pentru cei ce activează deja pe această direcţie.

Antrenate de dezvoltările din domeniile microsenzorilor şi reţelelor fără fir, reţelele de senzori fără fir devin disponibile pentru foarte multe aplicaţii comerciale şi militare cum ar fi monitorizarea mediului şi factorilor înconjurători (trafic,securitate),detecţia şi diagnosticarea în domeniul industrial (fabrici, instalaţii), monitorizarea infrastructurilor (reţele de putere, distribuţia apei, deozitare de deşeuri) şi culegerea datelor de pe teatrele de operaţiuni.

Domeniul reţeleor de senzori fără fir deschide de fapt noi direcţii de cercetare care includ: controlul senzorilor, funcţiile acestora, urmărirea şi localizarea, fuziunea datelor manipulate, baze de date distribuite, protocoale de comunicaţie, date despre zona de acoperire, conectivitatea reţelei, resursele energetice critice, capacitatea şi timpul de viaţă a reţelei, arhitectura şi metodologia de proiectare hardware şi software. Mai mult, trebuie luate în considerare eficienţa, costul, robusteţea, autoconfigurarea, toleranţa la avarii, oportunitatea utilizării, durata de exploatare a reţelei. Cum foarte multe cercetări au avut ca obiect de studiu aceste subdomenii, este binevenită o abordare a acestui subiect şi o prezentare a rezultatelor obţinute în cercetarea pe aceste direcţii.

Lucrarea de faţă prezintă pe scurt câteva din aspectele reţelelor de senzori fără fir: aplicaţii ale acestora, arhitecturi ale reţelelor, din punct de vedere hardware şi software, precum şi o tratare a arhitecturii protocoalelor uitilizate, din punctul de vedere al stivei OSI/ISO, direcţia dezvoltată pe larg fiind aceea a tehnicilor de rutare, cu accent pe necesitatea asigurării serviciilor QoS în unele aplicaţii.

În martie 2006, Agenţia Europeană pentru Monitorizare, Evaluarea Structurală şi Control (European Network for Structural Assessment Monitoring and Control) a organizat o întâlnire în care şi-a manifestat interesul în cercetările în reţelele fără fir de senzori, planificând un calendar de cercetare, cu obiective ambiţioase: crearea unei reţele de monitorizare structurală şi a infrastructurii integrată la nivel european până în anul 2020. S-a luat în considerare următoarea desfăşurarea a implementării:

• 
  Elementele constitutive vor fi dezvoltate din sisteme izolate către reţele de senzori integrate către sisteme complet imersate. Senzori robuşti, fiabili şi ieftini vor putea fi integraţi oriunde;
  
• 
  Metodologia se va dezvolta pornind de la metodele izolate, curente, spre metode armonizate care permit integrarea mai multor surse de informare ajungându-se în final la metode standardizate deschise unei clase largi de utilizatori;
  
• 
  Utilizarea tehnologiei, în prezent rezervată experţilor, va evolua spre utilizarea uneltelor soft comune şi va ajunge la software integrat open-source în fiecare aplicaţie care suportă luarea de decizii;
  
• 
  Aplicaţiile vor evolua de la proiecte izolate cu interese punctuale către o integrare interdisciplinară, ajungându-se în final la o integrare completă, sistemul SAMCO ajungând o parte a vieţii cotidiene.
  

Priorităţile agenţiei europene sunt: senzorii şi reţelele de senzori, cadrul computaţional, structuri inteligente, siguranţă şi securitate, monitorizarea ciclului de viaţă, evaluarea şi analiza riscurilor.

Obiectivul de cercetare pentru reţelele de senzori este realizarea de hardware standardizat, pentru a se putea obţine informaţie comparabilă. Proiectul va dezvolta o metodologie standard de aplicaţie care va permite comparaţia structurilor diferite. Bazându-se pe hardware-ul existent, concepţii inovatoare vor fi proiectate şi testate, fiind alese cele suficient de flexibile să scaleze dezvoltările ulterioare. Se doreşte ca o unealtă digitală de verificare să înlocuiască verificarea vizuală actuală.

În plus se doreşte dezvoltarea de infrastructuri fără fir cu o durată de viaţă indefnită, capabilă să reziste în medii dure, de precizie mare, eventual fără necesitatea unei surse interne epuizabile de energie pentru captarea de informaţii şi transmiterea acestora.

În lumina interesului în creştere faţă de reţelele de senzori, dorim efectuarea unei prezentări a spaţiului de proiectare şi a variatelor sale dimensiuni. Această prezentare se poate dovedi utilă pentru organizarea discuţiei şi structurarea direcţiilor de cercetare (analizarea legăturilor existente între aplicaţii software şi hardware, evitarea duplicării muncii pe aceleaşi direcţii) şi pot oferi, de asemenea, o bază conceptuală pentru dezvoltarea de cadre software adaptabile la cerinţele diferitelor aplicaţii.