Tabelul 1.1 Clasificarea Aspectelor Legate de Senzori si Comunicarea/Arhitectura de

Calcul

Senzori

Dimensiune:

Mici [de exemplu, sisteme electromecanice la scara nanometrica (MEMS)],

Medii [de exemplu, micro sisteme electromecanice (MEMS)], si

Mari (de exemplu, radare, sateliti): centimetri cubi la decimeters cubi

Mobilitate:

Stationari (de exemplu, senzori seismici), mobili (de exemplu, pe vehicule robot)

Tip: pasivi (de exemplu, acustic, video, seismic, infrarosu, magnetic) sau activi (de exemplu,

radar, ladar)

Mediu de operare

Cerinta de monitorizare: distribuit (de exemplu, monitorizare de mediu) sau localizata (de

exemplu, urmarirea tinta)

Numarul de site-uri: uneori mici, dar de obicei mari (in special pentru C1WSN)

Acoperire spatiala: dens, spars: C1WSN: low-range multihop sau C2WSN: low-range single-

hop (punct-la-punct)

Implementare: fixe si planificate (de exemplu, retele de fabrica) sau ad-hoc (de exemplu, air-

dropped)

Mediu: benigne (podea de fabrica) sau nefavorabile (campul de lupta)

Natura: cooperare (de exemplu, controlul traficului aerian) sau noncooperative (de exemplu,

obiective militare)

Compozitie: omogena (aceleasi tipuri de senzori) sau eterogene (diferite tipuri de senzori)

Disponibilitate de energie: constrans (de exemplu, in senzori mici) sau fara restrictii (de

exemplu, in senzori de mari)

Comunicare

Retea: cu fir (cu ocazia) sau fara fir (mai frecvente)

Latime de banda: mare (cu ocazia) sau scazut (mai tipic)

Arhitectura de prelucrare

Centralizata (toate datele trimise pe site-ul central), distribuita sau in retea

(situat la senzor sau alte parti), sau hibrida

Sursa: Modificat de la [1.13], cu permisiune.

Conectivitate logica are ca scop sprijinirea coordonarii si a altor sarcini de nivel inalt;

conectivitatea fizica este de obicei sustinuta printr-o legatura radio wireless [1.53].

Detectarea implica prezenta acestor capacitati intr-un mediu bine cuplat, tipic pentru

masurarea parametrilor lume-fizic. Unele dintre caracteristicile retelelor de senzori includ

urmatoarele [1.38, i.39]:

Nodurile senzor sunt lansate dens.

Nodurile senzor sunt predispuse la esecuri. Topologia unei retele de senzori se modifica foarte des. Nodurile senzor sunt limitate la putere, capacitatile de calcul si memorie. Nodurile senzor pot sa nu aiba recunoastere la nivel mondial, din cauza volumului mare de suprasarcina si de numarul mare de senzori.

Retele de senzori necesita sisteme de detectare care au durata lunga de viata si sunt rezistente

la mediul inconjurator. Sistemele nesupravegheate, auto-alimentate cu durata mica de

conectare sunt tipice.

Consumul de energie este de obicei o problema care trebuie luata in considerare ca o conditie

de design. In cele mai multe cazuri, circuitele de comunicare si antenele sunt elementele

principale care consuma cea mai mare parte a energiei [1.54-1.58]. Senzorii sunt dispozitive

pasive sau active. Senzorii pasivi sub forma de element includ dispozitive de masura seismice,

acustice, de umiditate sau de temperatura. Senzorii pasivi in serie includ dispozitive de

masura optice, si biochimice. Senzorii pasivi tind sa fie consumatoare slabe de energie.

Senzorii activi includ radar si sonar; acestea fiind consumatoare mai mari de energie.

Tendinta este spre VLSI (integrare la scara foarte mare), optoelectronice integrate, si

nanotehnologie; se munceste pentru importanta scenei biochimice. Componentele unui nod de

detectare includ urmatoarele:

O unitate de detectare si de actionare (un singur element sau serie) O unitate de procesare O unitate de comunicare O unitate de putere Alte unitati dependente de aplicatii

Figura 1.4 descrie un exemplu pe un senzor in miniatura.

In plus fata de detectarea (inclusa) exista o dorinta de a construi, implementa si administra

sistemele de control si comanda integrate, nesupravegheate sau nelegate de o baza, uneori

numite retele de control. Un astfel de sistem de control actioneaza asupra mediului, fie intr-un

mod autonom sau sub telemetrie de la o telecomanda sau un nod centralizat. Aplicatiile

principale necesita mai mult decat detectare: Au nevoie de control si de actionare. In masura

in care acoperim subiectul in aceasta carte, controlul se refera la niste activitate minora in interiorul senzorului (de exemplu, zoom, adaugarea unui filtru optic, rotirea antenei);

actionarea se refera la o activitate "majora" externa senzorului (de exemplu, deschiderea unei

supape, emit unor lichide in mediu, mutarea unui motor). Aplicatii care necesita control si /

sau actionare includ transportul, agricultura high-tech, monitorizarea medicala, productia

medicamentelor, interventiile pe campul de lupta, si asa mai departe. In plus fata de

preocuparile normale (de exemplu, fiabilitate, securitate), sisteme de actionare, de asemenea,

trebuie sa ia in considerare factori cum ar fi siguranta.

Software (Sistemele de Operare si Middleware)

Pentru a sustine operatiile nodului, este important sa se foloseasca sisteme de operare open-

source concepute special pentruWSNs.

Astfel de sisteme de operare folosesc de obicei, o arhitectura bazata pe componente, care

permite implementarea rapida si inovatia minimizand in acelasi timp dimensiunea codului asa

cum este cerut de constrangerile de memorie endemice in retele de senzori. TinyOS este un

astfel de exemplu de standard, dar nu singurul. Biblioteca de componente a TinyOS include

protocoale de retea, servicii distribuite, drivere ale senzorilor, si instrumente de achizitie de

date; acestea pot fi utilizate ca atare sau pot fi dezvoltate in continuare pentru o anumita

aplicatie. Modelul de executare determinate de evenimente a TinyOS permite administrarea

fina a puterii, dar permite flexibilitatea de programare necesara ca urmare a naturii previzibile

a comunicatiei wireless si interfetele fizice lume.

TinyOS a fost deja portat la pe multe platfome si numeroase placi senzor. O comunitate larga

foloseste TinyOS in simulare pentru a dezvolta si a testa diferiti algoritmi si protocoale, si

numeroase grupuri contribuie in mod activ cu cod pentru a stabili servicii standard

interoperabile de retea [1.90]. Acest subiect este revizuit in Capitolul 8.

Tabelul 1.2 Stiva de protocoale WSN posibila

Straturile superioare - Aplicatii in retea, incluzand procesarea aplicatiei, agregarea datelor,

procesarea interogarilor externe, si baza de date externe

Stratul 4 - Transport, incluzand acumularea si propagarea de date, cache, si depozitare

Stratul 3 - Networking, incluzand gestionarea topologiei adaptive si rutare topologica

Stratul 2 - Strat de legatura: distributia canalului (MAC), coordonarea de timp, si orientare

Stratul 1 - Mediu fizic: canal de comunicatii, de detectare, actionare, si procesare de semnal

Standarde pentru protocoale de transport

Scopul inginerilor WSN este de a dezvolta o solutie de retea wireless standard si eficienta la

cost care suporta low-to-medium data rates, are cunsumul de curent mic si garanteaza

securitate si fiabilitate [1.66-1.73]. Pozitia nodurilor senzorului nu trebuie sa fie prestabilita,

permitand desfasurarea aleatorie in terenuri inaccesibile sau situatii dinamice; cu toate

acestea, acest lucru inseamna ca, protocoalele de retea ale senzorului si algoritmii trebuie sa

posede capacitati de auto-organizare [1.38,1.39]. Pentru aplicatii militare si / sau pentru

securitatea nationala, aplicatii, dispozitivele senzor trebuie sa fie dispus la punere in actiune

rapida, desfasurarea trebuie sa fie suportabila intr-o maniera ad-hoc, si mediului este de

asteptat sa fie extrem de dinamic.

Cercetatorii au dezvoltat mai multe protocoale noi, special concepute pentru WSN, unde

constientizarea energiei este un element esential; s-a dat importanta protocoalelor de rutare,

deoarece ar putea sa difere de la retelele traditionale (depinzand de aplicatie si de arhitectura

retelei) [1.92]. Crearea de retele in sine este o componenta arhitecturala importanta a retelelor

de senzori, iar standardele joaca un rol important in acest context. Figura 1.5 descrie un model

stiva de protocoale generic care poate fi utilizat pentru a descrie aparatul de comunicatii (a se

vedea, de asemenea, Tabelul 1.2). Tabelul 1.3 prezinta unele protocoale lower-layer, care sunt

in principiu aplicabile la WSN; in general, o stiva protocol usoara este solicitata pentru WSN.

Probleme de aici se refera

la urmatoarele:

1. Conectivitate fizica si acoperire: Cum se pot interconecta senzori dispersati intr-un mod

fiabil si eficient in pret; si ce mediu ar trebui folosit (de exemplu, canale wireless)

2. Caracteristicile legaturii si capacitatea, impreuna cu compresia datelor

3. Securitatea retelelor si rezistenta comunicatiilor (incluzand fenomenele care apar in mod

natural, cum ar fi deficiente de zgomot, si aspecte daunatoare, cum ar fi atacurile,

interferentele si penetrarile)

4. Protocoale fizice, de legatura, de retea si de transport cu atentie la transport de incredere,

detectia si evitarea aglomerarii, si comunicare solida si scalabila

5. Mecanisme de comunicare in ceea ce ar putea fi un mediu cu sosiri extrem de corelate si

dependente de timp

Desi piesele senzorilor devin ieftine, observatorii vad lipsa standardelor de retea ca un

potential factor in producerea comerciala a senzorilor de retea. Pentru ca astazi inca exista

numeroase protocoale de retea brevetate, producatorii au creat produse scumpe si specifice

furnizorilor, care nu vor functiona cu produse de la alti producatori.

Lipsa de standarde deschise nu a impiedicat numai posibilitatea de interoperabilitate, dar a

limitat de asemenea, inovarea. Standarde in dezvoltare pot furniza, intr-un mod progresiv, un

cadru comun, pe care dezvoltatorii pot crea aplicatii care vor influenta avansul hardware cu

radiouri si senzori. Scopul standardelor este de a permite dezvoltatorilor sa proiecteze solutii

care vor micsora costurile de instalare si intretinere pentru o varietate de senzori folosite in

echipament industrial, comercial, si locatii rezidentiale [1.35]. Ca un exemplu de un standard

aplicabil, in special pentru C2WSNs, specificatia IEEE 802.15.4 pentru nivelurile fizice,

media si al legaturilor de date a fost ratificat formal in 2003; in momentul de presa, membrii

ZigBee Alliance defineau o specificatie globala pentru aplicatii wireless, fiabile si cost-

eficiente bazate pe standardul 802.15.4. Un alt standard de potential interes este IEEE 802.16,

cunoscut si sub numele de WiMax. Acest subiect este revizitat in capitolele 4, 5, 6, si 7.

Rutarea si Propagarea Datelor

Problemele rutarii si propagarii datelor se confrunta cu mecanisme de propagare a datelor

pentru retele wireless mari, difuzie directionate, rutare data-centric [cunoscut si sub numele de

agregare a datelor] rutare adaptiva, si alte mecanisme de rutare specializate. Protocoale de

rutare pentru WSN se impart in general in trei grupe: date-centric, ierarhice, si

bazate pe locatie. Conceptul de agregare a datelor este de a combina datele care sosesc

din diferite surse. Acest lucru permite eliminarea redundantei, reduce numarul de transmisii,

si la randul lor, sa faca economie cu consumul de energie. Aceasta abordare de rutare muta

accentul de la abordarile traditionale adress-centric (gasirea de rute scurte intre perechi de noduri adresabile), la o abordare data-centric (gasirea de rute din mai multe surse intr-o destinatie unica, care permite consolidare in retea a datelor redundante) [1.48]; a se vedea

Tabelul 1.4.

Dupa cum s-a observat deja, exista interes pentru manipularea precesarii in retea, chiar si in

timp ce datele sunt rutate. Link-uri de comunicatii pot fi costisitoare (nu numai dintr-o

perspectiva a spectrului electromagnetic, dar de asemenea, in conditiile sprijinului operational

de a infrastructurii necesare); latimea de banda poate fi limitata, iar disponibilitatea de putere

la senzor poate fi limitata si / sau costisitoare in legatura cu suportarea unei legaturi de

capacitate si gama mare (de exemplu, pentru a alimenta o antena de mare putere). Rezulta ca

cineva doreste sa efecteze prelucrarea datelor in cadrul retelei, in imediata vecinatate a sursei

de date, si apoi doar transmite rezultate pe scurt, agregate, si / sau sintetizate.

Pentru a sprijini rutarea data-centric si difuzia dirijata, este necesara numirea datelor cu

atribute relevante, cum ar fi (dar nu limitat la) tipul de date, timp, si locatie. Este nevoie de

raspandirea cererilor si raspunsurilor pe retea cu rutare pentru aplicatii, si este nevoie de

suport pentru procesarea si ingramadirea de date in-network. Unele retele de senzori sunt vazute ca fiind peer-to-peer la nivel logic, chiar daca topologia fizica de comunicare este in general, ierarhica; aici un peer este sursa de date "publica" datele (ar putea fi un nod de senzor

de baza sau un nod de agregare), iar celalalt este clientul de date care se aboneaza la o lista de

date. Acest subiect este revizuit in capitolul 6.

Tabelul 1.4 Rezumatul protocoalelor de rutare utilizate in WSN

Categorie de protocol de rutare

Data centric

Sursa negativa trimite interogari la anumite regiuni WSN si asteapta pentru datele de la WNS

situate in regiunile selectate. Deoarece datele sunt solicitate prin interogari, numirea bazata pe

atribute este necesara pentru a specifica proprietatile datelor. Datorita numarului mare de

noduri desfasurate, in multe WSN nu este practica atribuirea identificatorilor globali fiecarui

nod. Acest lucru, impreuna cu desfasurarea potentiala aleatorie a WNS, face provocatoare

selectarea unei specifice WN pentru a fi interogata. Prin urmare, datele sunt de obicei

transmise din fiecare WN din regiunea desfasurarata; aceasta da nastere, cu toate acestea, unei

redundante semnificative, impreuna cu ineficienta in ceea ce priveste cunsumul energiei.

Rezulta ca este de dorita prezenta protocoalelor de rutare capabile de a selecta un set de

senzori si de a utiliza agregarea datelor in timpul relocarii datelor. Acest lucru a condus la

dezvoltarea de rutare data-centric (in rutarea traditionala bazata pe adresa, rutele sunt create

intre noduri adresabile gestionate in mecanismul de straturi de retea).

Exemple

Protocoale senzor pentru informatii prin intermediul negocierii (SPIN)

Difuzie dirijata

Rutarea zvon

Rutarea bazata pe inclinare (GBR)

Rutarea prin difuziune anizotropa (CADR)

COUGAR

ACQUIRE

Ierarhic

O retea cu un singur nivel (gateway sau cluster-point) poate provoca supraincarcarea nodului

gateway-ului, in special cand densitatea senzorilor creste. Aceasta, la randul sau, poate

provoca intarziere la livrarea starii evenimentului.

Pentru a permite WSN sa se ocupe cu un mare numar de WN si sa acopere o mare zona de

interes, gruparea multipoint a fost propusa. Scopul rutarii ierarhice este de a gestiona

consumul de energie WN eficient, prin stabilirea comunicatiei multihop in cadrul unui grup

particular, si prin efectuarea de agregarea de date si fuziune pentru a reduce numarul de

pachete transmise la sursa negativa.

Exemple

Ierarhie grupata energic-adaptiv (Leach)

Protocol senzor de retea energic-eficient prag-senzitiv (TEEN) si protocol senzor de retea

energic-eficient si prag adaptiv - senzitiv (APTEEN)

Sisteme energic-eficiente colectoare de informatii in senzor (PEGASIS)

Bazate pe locatie

Informatiile de locatie despre WN pot fi utilizate in datele de rutare intr-o maniera energic-

eficienta. Informatiile de locatie sunt utilizate pentru a calcula distanta dintre doua noduri,

astfel incat sa poata fi determinat consumul de energie (sau, cel putin, estimat).

De exemplu, daca regiunea monitorizata este cunoscuta, interogarea poate fi raspandita numai

la regiunea respectiva, limitand si / sau eliminand numarul de transmisii din spatiul din afara

regiunii. Rutarea bazata pe locatie este ideala pentru retelele mobile ad hoc, dar poate fi

utilizata de asemenea pentru WSN generice. (Retineti ca protocoalele bazate pe locatie, non-energy-aware concepute pentru retele wireless ad hoc, cum ar fi Cartesian si rutarea bazata pe traiectorie, nu sunt ideale la WSN.)

Exemple

Retea de comunicare cu minimum de energie (MeCN) si Retea mica de comunicare cu

minimum de energie (SMECN)

Fidelitate geografica adaptiva (GAF)

Rutare geografica si constienta de energie (GEAR)

Orientate QoS

Calitatea serviciilor (QoS) protocoalele pregatite au in vedere cerintele de intarziere end-to-end la stabilirea traseelor in reteaua de senzori.

Exemple

Rutare secventiala de atribuire (SAR)

Protocol simplu pentru intarziere end-to-end (SPEED)

Organizarea si urmarirea retelei de senzori

Domeniile de interes din organizarea si urmarirea retelei includ administrarea distribuita de

grup (mentinerea organizarii in retele de senzori mari); auto-organizare, inclusiv

autentificarea, inregistrarea si constituirea sesiunilor; si urmarirea de obiecte: depistarea

tintelor, clasificare, si urmarire. Alocarea de senzori dinamici (de exemplu, cum sa se ocupe

cu senzori depreciati sau nesiguri si / sau cum sa "curate" si sa interogheze senzori cu zgomot)

este de asemenea, de interes. Unii dintre factorii care intra in actiune includ urmatoarele: zona

de acoperire (portiunea topografiei de interes care este acoperita de senzori); detectabilitatea

(probabilitatea ca senzorul va detecta un eveniment, cum ar fi o modificare de valoare sau un

obiect in miscare); si acoperirea nodurilor (partea populatiei de senzori care este acoperita, in

un sens care se suprapun, prin alti senzori care ar putea fi folositi in caz de functionare

defectuoasa a senzorului principal). In cazul controlului sau comenzii, factorii includ evaluari,

adica unde este nevoie de adaugare de noi noduri (sau sa-si reorienteze sau roteasca o sonda

de masurare) pentru acoperire optima si / sau cum se muta un senzor (autonom), intr-o noua

locatie pentru o acoperire maxima. Acest subiect este revizuit in capitolul 9.

Calculul Calculul se ocupa cu agregarea datelor, prelucrare a datelor, analiza datelor, ierarhia

calculului, grila de calcul (luarea de decizii bazate pe utilitate in retele de senzori wireless), si

procesarea semnalului. Am mentionat deja dorinta de pentru protocoale data-centric care

suporta procesarea in-network; cu toate acestea, trebuie mentionat ca procesarea pe nod nu

este suficienta: Este nevoie de interpretarea evenimentelor distribuite spatial si a datelor legate

de acele evenimente. Reteaua poate fi nevoita sa se ocupe de procesarea in retea bazata pe

locatia datelor, iar interogarile trebuie sa fie indreptate in mod automat la nodul sau nodurile

care au cea mai buna vedere asupra sistemului (mediu), in contextul datelor interogate. O arie

de cercetari recente este procesarea informatiilor de retea: cum se extrag informatii utile,

sigure si durabile de la reteaua de senzori utilizata; aceasta presupune valorificarea mediului

de calcul distribuit creat de acesti senzori pentru semnal si prelucrarea informatiilor in retea si

pentru interogarea si insarcinarea dinamica si interactiva a retelei de senzori [1.13]. Acest

subiect este revizuit la capitolul 10.

Administrarea datelor

Administrarea datelor se ocupa cu arhitecturile de date; administrarea bazelor de date, inclusiv

a mecanismelor de interogare, precum si de stocarea de date si depozitare. Intr-un mediu

traditional (chiar si intr-un mediu traditional de senzor de retea), datele sunt colectate la un

server centralizat de depozitare, impotriva caruia interogari sunt emise. Intr-un mediu mai

elaborat, in special in sprijinul unei interogari de date in timp real, un mecanism poate fi

utilizat pentru a sprijini stocarea de date distribuite (eventual se extinde la gruparea de noduri)

si sa sustina interogarea datelor distribuite [1.77-1.81]. In special, stocarea si regasirea

multiresolution / multitiered a datelor de interes. Datele trebuie sa fie indexate pentru cautarea

temporala si spatiala eficienta; in acelasi timp, se doreste sa se poata genera cu usurinta valori

globale asociate cu variabilele sau cerintele de interes. Acest subiect este revizuit in Capitolul

8.

Securitate

Securitatea se confrunta cu confidentialitate (criptare), integritate (de exemplu, administrarea

identitatii, semnaturi digitale), si disponibilitatea (protectia de la refuzul de serviciu).

Probleme de proiectare a retelei

Am remarcat deja ca, in retele de senzori, problemele referitoare la transportul de incredere

(eventual inclusiv criptarea), latime de banda si transmiterea limitata de putere, rutarea data-

centric, procesarea in retea, si auto-configurarea. Factorii de design includ mediul de operare

si constrangerile hardware cum ar fi transiile media, circuite integrate radio-frecventa,

constrangerile de putere, interfetele de retea de comunicatii, precum si protocoale si

arhitectura de retea, inclusiv topologie de retea si toleranta la erori, scalabilitate, auto-

organizare, si mobilitate [1.82,1.83].

Retele de senzori sunt in general sisteme care se auto-configura. Scopul este de a fi in masura

sa se adapteze la situatii si stari imprevizibile. Topologiile statice sau semidinamice se

imprumuta cu usurinta la preconfigurare, dar medii extrem de dinamice necesita auto-

configurare. In proiectarea unei retele de senzori, se cauta precizie acceptabila a informatiei

(chiar si in prezenta de noduri gresite si / sau link-uri, si eventual date partiale sau in conflict);

retea scazuta si latenta de calcul; si utilizarea optima a resurselor (in special, de putere si de

latime de banda). Se munceste pentru dezvoltarea unor tehnici care pot fi utilizate pentru a

face fata acestor aspecte pertinente, cum ar fi modul de a reprezenta datele senzorului, cum se

structureaza interogarile de senzor, cum sa se adapteze la schimbarea conditiilor de nod sau de

retea, si cum sa gestioneze un mare mediu de retea udne nodurile au functionalitate limitata de

management al retelei.

Retelele de senzori folosesc adesea prelucrarea datelor direct in retea. Parte din motivatie este

potentialul pentru generarea de rezerve mari de date de catre senzori. Prin utilizarea calculului

aproape de sursa de date se poate reduce comunicarea de care altfel ar fi nevoie. Intrinseca

acestui lucru este dezvoltarea de algoritmi localizati care suporta obiective globale; rezulta ca

sunt dorite forme de prelucrare a semnalului de colaborare.

Cercetatorii cauta noi arhitecturi de sistem pentru a gestiona interactiunile. In prezent, multe

sisteme de senzori sufera de a fi unice cu bucata cu bucata cu abordarile de design bucata cu

bucata. Aceasta situatie duce la economie suboptimala, longevitate, interoperabilitate,

scalabilitate, si robustete. Standardele vor merge un drum lung pentru a aborda aceste

preocupari. O serie de cercetatori [1.5] cred ca abordarea traditionala si / sau suita de

protocoale nu sunt adecvate pentru sisteme incorporate, constranse de energie, nelegate de o

baza, nesupravegheate, deoarece aceste sisteme nu pot tolera comunicatiile aeriene asociate cu

rutarea intrinseca din suita de protocoale de pe Internet. Intr-adevar, constrangerile legate de

resurse necesita un layer de comunicare mai simplificat si mai bine integrat decat acel posibil

cu un pachet TCP-IP sau ISO. Acest subiect este revizuit in capitolul 9 si 11.

1.2.2 Ancheta istorica scurta a retelelor de senzori

Istoria retelelor de senzori cuprinde patru etape, descrise mai jos pe scurt [1.13].

Faza 1: Retele de senzor de pe timpul Razboiului Rece

In timpul razboiului rece, retele acustice extinse au fost dezvoltate in Statele Unite pentru

supravegherea submarina; unuu dintre acesti senzori sunt inca utilizati de catre Administratia

Atmosferica si National Oceanografica (NOAA) pentru a monitoriza activitatea seismica in

ocean. De asemenea, retele de radare de aparare aeriana au fost trimise pentru a acoperi

America de Nord; pentru asta, un grup de avioane Sisteme aviatice de avertizare si control (AWACS) au operat ca senzori.

Faza 2: Defense Advanced Research Projects Agency Initiatives

Marele impuls de cercetare la retelele de senzori a avut loc la inceputul anilor 1980 cu

programe sponsorizate de Defense Advanced Research Projects Agency Initiatives (DARPA).

Munca retelelor de senzori distribuiti (DSN), vizeaza determinarea daca noile protocoale

TCP-IP si abordarea ARPA a comunicarii ar putea fi utilizata in cadrul retelelor de senzori.

DSN a postulat existenta a numeroase noduri de senzor distribuite spatial low-cost care au

fost concepute sa lucreze intr-un mod de colaborare, sa fie inca autonom, scopul a fost ca

reteaua sa ruteze informatii la nodul care poate utiliza cel mai bine informatiile [1.84,1.85].

Programul DSN s-a axat pe calculul distribuit, procesarea de semnal, si urmarire. Elemente de

tehnologie au inclus senzori acustici, protocoale de comunicare de nivel inalt, calculari de

procesare si algoritmi, si software distribuit [1.13]. Cercetatorii de la Carnegie Mellon

University s-au axat pe asigurarea unui sistem de operare de retea pentru accesul transparent

flexibil la resurse distribuite, iar cercetatorii de la Massachusetts Institute of Technology s-au

axat pe tehnici de procesare a semnalului. Testbeds au fost dezvoltate pentru urmarirea mai

multor tinte intr-un mediu distribuit, toate componentele din testbed fiind construite la

comanda. Lucrarile in cursul anilor 1980 au dus la dezvoltarea unui algoritm de urmarire de

mai multe ipoteze pentru a aborda problemele dificile care implica densitate mare de tinte,

detectii lipsa, si alarme false [1.86]; urmarirea cu mai multe ipotez este acum o abordare

standard a problemelor dificile de urmarire.

Faza 3: Aplicatii militare Dezvoltate sau Desfasurate in anii 1980 si 1990

(Acestea pot fi numite produse comerciale de prima generatie.)

Pe baza rezultatelor generate de cercetarea DARPA-DSN si testbeds dezvoltate, planificatorii

militari au stabilit in anii 1980 si 1990 sa adopte tehnologia retelelor de senzori,

transformand-o intr-o componenta de baza a razboiului network-centric. A fost facut un efort

la acel timp pentru a incepe intrebuintarea comerciala de pe raft (COTS) a tehnologiei si

interfetele de retea comune, reducand astfel costurile si timpul de dezvoltare. In

mediile traditionale de razboi, fiecare platforma "detine" armele sale intr-un mod destul de

autonom (platforme distincte functioneza independent). In razboiul network-centric, sistemele

de arme care nu sunt (neaparat), strans afiliate cu o anumita platforma, in schimb, prin

utilizarea de senzori distribuiti, sisteme de arme si platformele colaborareaza printr-o retea de

senzori, si informatia este transmisa la nodul corespunzator. Retele de senzori pot imbunatati

detectia si performanta de urmarire prin mai multe observatii, diversitate geometrica si

fenomenologica, gama extinsa de detectie, si timp de raspuns mai rapid [1.13]. Un exemplu

de razboi network-centric include capacitatea de angajament de cooperare, un sistem care

contine radare multiple care colecteaza date privind obiectivele aeriene. Alte retele senzor in

domeniul militar includ matrice de senzor acustic pentru razboi antisubmarin, ca sistemul fix

distribuit si sistemul avansat dislocabil, si sisteme de senzor autonome, cum ar fi sistemul de

senzori la distanta pe campul de lupta si sistemul tactic de senzor la distanta.

Faza 4: Cercetarea de retele de senzor din prezent

( Acestea pot fi numite produse comerciale de a doua generatie)

Avansuri in calcul si comunicare care au avut loc la sfarsitul anilor 1990 si inceputul anilor

2000 au dus la o noua generatie de tehnologie de retea de senzori. Evolutia retelelor senzor

reprezinta o imbunatatire semnificativa fata de senzori traditionali [1.38,1.39]. Apar senzori

ieftini compacti bazati pe o serie de tehnologii de inalta densitate, inclusiv MEMS si (in

urmatorii cativa ani), sisteme de scara nanometrica electromecanice (NEMS).

Standardizarea este cheia pentru implementarea pe scara larga a oricarei tehnologii, inclusiv

WSN (de exemplu, Internet-Web, MPEG-4 video digitale, celularefara fir, VoIP). Progresele

in retelele wireless bazate pe IEEE 802.11a/b/g si alte sisteme wireless, cum ar fi Bluetooth,

ZigBee, si WiMax faciliteaza acum conectivitate fiabila. Procesoare ieftine, care au consum

redus de energie fac posibila desfasurarea de senzori pentru o multitudine de aplicatii.

Eforturi in perspectiva comerciala sunt facute pentru definirea topologiilor retelelor cluster-

tree, mesh si peer-to-peer cu caracteristici de securitate a datelor si profile de aplicatii

interoperabile. Tabelul 1.5 rezuma aceste generatii de produse comerciale si face aluzii la o

noua generatie (a treia generatie) set de produse.

1.2.3 Provocari si obstacole

Pentru a deveni cu adevarat omniprezente, WSN trebuie sa treaca peste o serie de provocari si

obstacole. Provocarile si limitarile de retele de senzori wireless includ, dar nu se limiteaza la,

urmatoarele:

Capacitati de functionare limitate, inclusiv probleme de marime Factori de putere Costurile nodurilor Factorii de mediu Factori de canal de transmisie Complexitatea managementului de topologie si distribuirea de noduri Standarde versus solutii proprietare Preocupari de scalabilitate [1.95]

Restrictii Hardware

Un senzor poate fi necesar sa intre intr-un modul strans de ordinea de 2 x 5 x 1 cm sau chiar la

1 x 1 x 1 cm. Asa cum se arata in Figura 1.3, un nod de senzor este de obicei format din patru

componente-cheie si patru componente optionale. Componentele cheie includ o unitate de

putere (baterii si / sau celule solare), o unitate de senzor (senzori si convertoare analog-

digitale), o unitate de procesare (cu stocare), si o unitate de emisie-receptie (conecteaza nodul

la retea). Componente optionale includ un sistem de localizare-constatare, un generator de

energie, un actionator de control, precum si alte elemente dependente de aplicatii. Semnalele

de mediu intrinsec, analogice masurate de senzori sunt convertite in semnale digitale prin

convertoare analog-digitale si apoi sunt furnizate la unitatea de prelucrare. Nodurile de senzor

trebuie, de asemenea, sa fie de unica folosinta, autonom, si de adaptate la mediu. R & D

trebuie sa fie indreptata catre rezolvarea problemei de ambalare de incredere a senzorilor, in

ciuda constrangerile hardware si provocarilor.

Consumul de energie

Durata de viata a nodului senzor prezinta de obicei dependenta fata de baterie. In multe

cazuri, nodul senzor wireless are o sursa de putere limitata (

Conectivitate si Topologie

Distribuirea si gestionarea unui numar mare de noduri intr-un mediu relativ delimitat necesita

tehnici speciale. Sute spre mii de senzori apropiati pot fi desfasurati intr-un camp senzorial.

Densitatea de senzori poate fi de 27 noduri / m cub [1.88]. Aplicatiile pentru retelele de

senzori necesita tehnici de retele ad-hoc, desi mai multe protocoale si algoritmi au fost

propusi pentru traditionalele retele ad hoc wireless, nu sunt potriviti la caracteristicile unice si

cerintele de aplicatii a retelelor de senzori [1.38,1.39]. Nodurile ar putea fi dislocate in masa

sau sa fie injectate in campul senzorului individual (de exemplu, acestea ar putea fi raspandite

de elicopter, imprastiate de explozia unui obuz sau rachete, sau desfasurate in mod individual

de catre un om sau un robot). In orice moment dupa desfasurare, pot aparea schimbari de

topologie, datorita schimbarilor pozitiei nodurilor de senzor, disponibilitatea de putere,

functionari defectuoase; de bruiaj, si asa mai departe. La un moment dat in viitor, poate fi

necesara utilizarea unor noduri suplimentare pentru a inlocui nodurile cu functionare

defectuoasa; prin urmare, desi unele noduri senzor pot fi blocate din cauza lipsei de putere sau

pot avea daune fizice sau intervente de mediu, acest esec nu ar trebui sa afecteze misiunea de

ansamblu a retelei de senzori.

Standarde

Cum implica stiva de protocoale din Figura 1.4, o suita de protocoale si standarde deschise

sunt necesare la nivelurile fizice, de legatura, de retea si de tranport; in plus, alte protocoale de

management si standarde sunt necesare (de asemenea, standardele nivelului fizic sunt

cunoscute sub numele de standarde de interfata de aer). Din punct de vedere istoric, retele de

senzori au folosit protocoale specifice de retea si aplicatii. Acest lucru a avut ca efect

incetinirea desfasurarii comerciale cost-eficiente pe o scara larga. Standardele au inceput sa

fie incorporate in retele de senzori. Cel mai mare grad de standardizare a avut loc la nivelurile

inferioare. WSN din interiorul cladirilor tind sa utilizeze ZigBee/IEEE802.15.4; WSN care

sunt in aer liber (in afara cladirilor si pe o arie vasta) pot folosi alte tehnologii utile. In special,

standardele LAN wireless bazate pe IEEE au fost luate in considerare. IEEE 802.11 suporta

transmisiuni de 1 sau 2 Mbps in banda de 2,4 GHz, folosind fie spectru imprastiat frequency-

hopping sau spectru imprastiat direct-sequence. IEEE 802.11a este o extensie a 802.11, care

ofera pana la 54 Mbps in banda de 5 GHz si foloseste codare multiplexa . IEEE 802.11b este

o extensie a 802.11 care furnizeaza transmisie de l l Mbps in banda de 2,4 GHz folosind

DSSS. IEEE 802.11g ofera pana la 54 Mbps in banda de 2,4 GHz. Extensiile acestor

standarde au fost, de asemenea, in desfasurare in timpul acestui raport (de exemplu, IEEE

802.11n.). O alta metoda de transmitere este free-space optics si opereaza in lungimea de unda

1 micro m (infrarosu). Infrarosu este tehnologie gratuita care opereaza la interval scurt (300

la 3000 m). Noul standard WiMax (IEEE 802.16) poate fi, de asemenea, util pentru mediile

metropolitane, cum este aplicarea generatiei a 3a de tehnologie celulara. Mai devreme am

mentionat partea Smart Dust, care utilizeaza spectrul optic de vizibilitate pentru a comunica.

1.3 CONCLUZIE

In acest capitol am introdus conceptul de baza al WSN si tehnologiile de suport. Capitolele

care urmeaza abordeaza cu mai multe detalii problemele care au fost evidentiate aici.