Proiect tehnici de Rutare în Reţelele de Senzori Wireless

3 Arhitectura stivei de protocoale WSN

3.1 Nivelul fizic

Nivelul fizic al nodului senzor este reprezentat de interfaţa dintre nodul senzor şi mediul de transmisiune: transceiverul şi circuitistica aferentă. Cele mai importante obiective ale proiectării la nivel fizic sunt:

• 
  consum scăzut de energie;
  
• 
  consecinţa este putere mică de emisie, deci rază mică a transmisiunii;
  
• 
  utilizare cât mai redusă posibil, majoritatea componentelor sunt închise sau funcţionând la un nivel de aşteptare în majoritatea timpului;
  
• 
  rată mica de transfer, de ordinul zecilor/sutelor de kbps;
  
• 
  complexitate de implementare şi costuri reduse;
  
• 
  grad scăzut de mobilitate;
  
• 
  dimensiuni mici.
  

În general, cea mai complicată problemă de proiectare a nivelului fizic este identificarea unei modulaţii şi a unei arhitecturi de transceiver care să fie în acelaşi timp simple şi ieftine, dar în acelaşi timp suficient de robuste pentru a putea oferi serviciul dorit.

Alegerea unei puteri mici la emisie duce la un profil energetic de consum diferit de tehnologiile radio convenţionale. Există trei diferenţe majore, pe care le vom aminti pe scurt:

În prmul rând, energia radiată este slabă (de ordinul a 1 mW). Transceiverul (blocul de RF şi componentele digitale) consumă mai multă energie decât este radiată. Studiile exeprimentale arată pentru un transceiver funcţionând la frecvenţe de 1GHz necesită între 10 şi 100 mW pentru a radia 1 mW. Date similare se obţin pentru transceiverele în banda de 2.4GHz: pentru o putere radiată de 0dBm, emiţătorul consumă 32 mW, iar receptorul 38 mW. Datele experimentale, preluate din referinţele [22, 23] coincid cu observaţia că majoritatea arhitecturilor de transceivere au un randament de sub 10% la puteri mici de emisie.

O altă observaţie este că la puteri mici de emisie, modurile de recepţie şi emisie consumă aproximativ aceeaşi putere, de multe ori puterea necesara la recepţie fiind mai mare. Pentru a reduce consumul mediu de putere într-o reţea de senzori cu trafic redus, menţinerea transceiverului în moduri de hibernare în locul funcţionării la un nivel scăzut este importantă. Pentru simulări corecte, trebuie să se ţină seama de contribuţia puterii de recepţie în modelele de disipare, deoarece conceptul tradiţional al puterii neglijabile nu mai este valabil. În plus, există problema timpului de pornire şi a energiei consumate în acest scop. Se constată că transceiverele uzual folosite în construcţia WSN nu sunt favorabile modului de hibernare când numărul de pachete primite de interfaţă este mare, deoarece costul energetic ridicat al secvenţelor de pornire/oprire duce la o consumare rapidă a sursei de alimentare.

A treia observaţie ţine de costul relativ al comunicaţiei şi al calculului într-un nod senzor, din punct de vedere energetic. Desigur, acest cost variază cu tipul de arhitectură, atât a transceiverului cât şi a zonei de control, precum şi de tipul de instrucţiuni. O comparaţie a consumului comparat se poate găsi în [12], realizată pe nodurile WIN (Rockwell), WINS NG (UCLA) şi MEDUSA2. În medie, execuţia a 1000 de instrucţiuni costă cât transmiterea unui bit. Concluzia evidentă: procesarea e mai ieftină decât comunicaţia.

Un punct crucial în proiectarea layerului fizic este alegerea tipului de modulaţie. Trebuie puşi în echilibru mai mulţi factori pentru a avea o emisie şi o recepţie eficientă: complexitatea implementării, rata de transfer şi rata de simbol (ajungerea la un compromis între o valoare suficientă şi una minim necesară), relaţia între puterea dorită şi BER ţintă, caracteristicile canalului etc.

Pentru maximizarea timpului pe care un transceiver îl petrece în stare de hibernare, trebuie minimizat timpul de transmisie. Aceasta se poate realiza utilizând o modulaţie ce oferă o rată de transfer superioară.

Puterea consumată este dependentă de rata de simbol mai degrabă decât de rata de transfer. Măsurători ale puterii consumate de o placă de reţea wireless funcţionând în standardul 802.11b au evidenţiat dependenţa consumului de tipul de modulaţie, formele mai rapide, cum ar fi CCK (Complemetary Code Keying) utilizând mai multă energie decât DBPSK şi DQPSK (la aceeaşi rată de simbol). Măsurători pe nodurile AMPS-1 evidenţiază un consum insensibil la rata de transfer.

În concluzie, pentru a avea o rată a simbolurilor cât mai scăzută, la rate de transfer mari sunt necesare tipuri de modulaţie m-ară. În continuare vom prezenta o serie de compromisuri necesare:

• 
  Modulaţia m-ară necesită circuite digitale şi analogice mai complexe decât modulaţia binară (de exemplu pentru a paraleliza biţii în semnale m-are);
  
• 
  Multe scheme m-are de modulaţie necesită, pentru creşterea m o creştere a RSZ şi prin urmare au nevoie de o putere mai mare radiată pentru a atinge acelaşi BER propus (iar unele scheme sunt ineficiente d.p.d.v. al benzii ocupate). Tabelul de mai jos reflectă această problemă pentru FSK şi PSK m-ar, eficienţa de bandă şi RSZ necesare pentru atinge un BER de 10^-6 pentru mai multe valori ale lui m. desigur, trebuie sâ ţinem cont că în cazul unei reţele de senzori, cu cerinţe relativ scăzute relativ la lăţimea de bandă, o eficienţă scăzută este preferabilă creşterii puterii radiate pentru a compensa pierderile de RSZ.
  

m		2	4	8	16	32	64
ηBW	PSK	0.5	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0
	FSK	0.40	0.57	0.55	0.42	0.29	0.18
Eb/N0	PSK	10.5	10.5	14.0	18.5	23.4	28.5
	FSK	13.5	10.8	9.3	8.2	7.5	6.9

Tabelul 3 Eficienţa şi RSZ la PSK/FSK m-ar pentru un BER de 10^-6

• 
  Se presupune că pachetele generate de aplicaţiile uzuale ale reţelelor de senzori sunt reduse ca dimensiuni, de ordinul zecilor/sutelor de biţi. Pentru astfel de pachete, timpul de start domină consumul energetic, făcând irelevante eforturile de a reduce timpul de transmisie utilizând scheme complexe de modulaţie m-ară.
  

În concluzie, alegerea schemei de modulaţie este determinată de mai multe aspecte, incluzând factori de ordin tehnologic, dimensiunea pachetului, rata erorii, modelul de eroare pe canal utilizat. Decizia optimă echilibrează avantajele schemei şi măsurile luate de îmbunătăţire a robusteţii transmisiunii (deoarece acest lucru impune un consum suplimentar de energie).