Проблемы в беспроводных сетях и способы их решения


12.04.2015

Регулировка мощности передатчика

Зачастую теоретический анализ алгоритмов функционирования беспроводных сетей датчиков подразумевает, что мощность, расходуемая узлом-датчиком при работе на передачу, регулируется в зависимости от расстояния до узла-получателя пакета. Такое регулирование можно осуществить несколькими способами.

Во-первых, можно заложить в программный код вычислительных систем узлов априорное знание о расстояниях до других узлов. Недостатком этого подхода является неудобство в обслуживании и настройке таких систем, выражающееся в необходимости предварительного замера расстояний и индивидуального программирования каждого узла.

Во-вторых, для определения расстояний можно использовать или системы глобального позиционирования, или какие-либо методы триангуляции. Этот подход чреват значительным удорожанием и усложнением сети датчиков, что может оказаться нецелесообразным.

В-третьих, можно воспользоваться встроенной в чипы приемо-пере-датчиков  возможности определять расстояние между двумя узлами на основе временной задержки распространения сигнала (на примере технологии NanoLOC, анонсированной в октябре 2006 года компанией Nanotron Technologies GmbH).

Наконец, можно вообще обойтись без определения расстояний, а вместо этого реализовать какой-либо алгоритм поиска такого минимального уровня выходной мощности, при котором связь с получателем все еще стабильна.

Приведенная на расположенном ниже рисунке ситуация иллюстрирует сказанное выше. Узел-датчик S3, находясь в пределах слышимости обоих ретрансляторов R1 и R2, выбирает R1 в качестве кратчайшего пути к узлу-стоку, основываясь либо на лучшем качестве сигнала от R1, либо на желании сэкономить электроэнергию. 

Однако (но не в случае c NanoLOC) получение априорной информации о качестве связи требует предварительной посылки множества тестовых пакетов, что может свести на нет экономию энергии, получаемую за счет того, что для передачи пакетов на более близкие узлы расходуется меньше энергии, чем для пересылки на более удаленные. Кроме того, отношение мощностей, потребляемых узлом-датчиком при максимально возможной и минимально возможной выходных мощностях, может составлять величину, не сильно превышающую единицу, поэтому усложнения, связанные с подстройкой выходной мощности, могут оказаться неразумными. Последнее рассуждение особенно верно для сетей nanoNET в условиях наличия помех в диапазоне 2.4 ГГц (ток, потребляемый передатчиком, меняется в пределах 55–78 мА, а устойчивая радиосвязь, как показал опыт, возможна только при значениях, близких к максимальным).

Истощение батарей электропитания ретрансляторов

Как уже было сказано, в сетях централизованного сбора информации ретрансляторы, находящиеся ближе (в зоне с меньшим номером) к узлу-стоку, вынуждены чаще передавать кадры данных, а следовательно, расходовать больше энергии. Для повышения эффективности использования беспроводных каналов связи ретрансляторы могут агрегировать несколько пакетов, собирая из них один для отправки далее.

На рисунке ретрансляторы R1 и R2 зоны II каждый в отведенное ему время, либо в режиме TDMA, либо CSMA, передают пакеты ретранслятору зоны I. Часто бывает, что объем полезной информации в каждом пакете составляет лишь десяток байт, в таком случае ретранслятор зоны I может объединить полученные пакеты в один, сопроводив полезные данные небольшим дополнением, например информацией об адресах узлов, приславших пакеты с данными.

Проблема скрытого узла

Условия недетерминированного по времени начала передачи (отсутствие предварительного расписания) приводят к возникновению так называемой "проблемы скрытого узла" (см. рис. 2). Ретранслятор может получить сигнал от обоих узлов-датчиков S1 и S2, однако они сами не подозревают о существовании друг друга (скрытые узлы). Причиной этого может быть либо особенность местоположения узлов, как, например, на рис. 2, либо наличие какого-либо препятствия между ними. Поскольку узлы-датчики "не слышат" друг друга, то вполне вероятно, что они начнут передавать данные ретранслятору одновременно, в результате чего он не получит данных ни от узла S1, ни от узла S2. Для уменьшения вероятности коллизий разработаны модификации алгоритма CSMA, например CSMA/CA, то есть Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance. Эта модификация подразумевает, что перед тем как начать передачу (при условии незанятости среды, разумеется), узел посылает короткий запрос (RTS, request to send) тому узлу, которому нужно передать данные. Если узел-адресат в этот момент не принимает никаких данных, то он отвечает коротким ответом (CTS, clear to send), о чем узнает узел-источник и начинает передачу данных. Для рассмотренного выше примера это означает следующее. Хотя узел S1 "не слышит" узла S2, он "услышит" ответ ретранслятора узлу S2 и отложит передачу. Безусловно, такая и ей подобные модификации CSMA не сводят вероятность коллизий до нуля. Например, узел S2 может послать ретранслятору пакет RTS в тот момент, когда тот принимает данные от узла S1. Тогда процесс текущей передачи данных нарушится и его придется повторить, что, естественно, весьма нежелательно.

Рассмотрим теперь способы, которые применяются для детектирования занятости среды на примере приемопередатчиков nanoNET в случае использования режима CSMA. Приемопередатчики, работающие по этой технологии, отслеживают состояние среды передачи двояким образом, физически и логически. При этом физическое отслеживание возможно как по уровню сигнала, так и по детектированию символов (битов), то есть сигналов, промодулированных таким образом, как это предполагается в этом стандарте (Chirp Spread Spectrum Modulation, линейно-частотное кодирование). Опыт показывает, что определение занятости среды на основе только уровня сигнала можно использовать в условиях, когда уровень помех несуществен.

Алгоритм логического определения доступности среды передачи (Network Allocation Vector, NAV) работает следующим образом. Если при прослушивании эфира узел принимает какой-либо пакет, то, исходя из информации, содержащейся в его заголовке (длина пакета), он определяет, сколько времени будет еще длиться данная передача, и устанавливает таймер. Следующее прослушивание среды будет производиться только по истечении интервала времени, отсчитанного этим таймером.


Возврат к списку




 



Адрес:

ГК "РТЛ Сервис"

111024, Россия, г. Москва,
ул. Авиамоторная, д. 12, офис 816

Тел./факс: +7 495 268-06-05


Мы в социальных сетях:

Facebook Вконтакте Twitter LinkedIn Google+ Youtube


Группа Компаний РТЛ Сервис

© ГК "РТЛ Сервис" 2006 - 2016