Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

Данилин, Станислав Валерьевич

Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Данилин, Станислав Валерьевич

Данилин, Станислав Валерьевич
кандидат наук
2013

Специальность ВАК РФ05.13.01

Количество страниц 248

Данилин, Станислав Валерьевич. Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий: дис. кандидат наук: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям). Санкт-Петербург. 2013. 248 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Данилин, Станислав Валерьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Анализ технологий современных беспроводных сенсорных сетей

1.1. Стандарты беспроводных самоорганизующихся сетей

1.1.1. Стандарт IEEE 802.15.4

1.1.2. Семейство протоколов ZigBee

1.1.3. Wibree и альтернативные технологии

1.1.4. Краткий анализ аппаратной части беспроводных самоорганизующихся сетей

1.2. Анализ проблем функционирования беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях слабых помех

1.3. Анализ проблем сосуществования различных типов беспроводных самоорганизующихся сетей. Интерференция

1.4. Задача проектирования конфигурации беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

1.5. Выводы

Глава 2. Метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия по-

мех

2.1. Математическая формализация задачи построения метода

2.2. Связь ошибок в данных на физическом и канальном уровнях

2.3. Определения вероятности искажения одного символа

2.4. Определение нагрузки на ретранслятор в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия

2.5. Выбор целевой функции

2.5.1. Суммарное число ошибок как целевая функция

2.5.2. Максимальное число ошибок как целевая функция

2.5.3. Целевая функция для динамической задачи

2.6. Ограничения для задачи оптимизации

2.7. Выводы

Глава 3. Алгоритм изменения пространственной конфигурации элементов

сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ

3.1. Анализ метода градиентного спуска

3.2. Анализ методов нелинейной многопараметрической оптимизации

3.3. Анализ метода Монте-Карло

3.4. Анализ адаптивного метода Монте-Карло

3.5. Алгоритм построения пространственной конфигурации беспроводной самоорганизующейся сети для условий преднамеренных электромагнитных воздействий

3.5.1. Обоснование выбора алгоритма

3.5.2. Тестирование алгоритма

3.6. Выводы

Глава 4. Методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ

4.1. Предварительные оценки ошибок в системе «беспроводная самоорганизующаяся сеть + преднамеренные электромагнитные воздействия» для неоптимизи-рованной топологии

4.2. Зависимость различных целевых функций беспроводной самоорганизующейся сети от параметров источника преднамеренных электромагнитных воздействий

4.2.1. Зависимость от частоты излучения источника и ширины спектра

4.2.2. Зависимость от мощности источника ПД ЭМВ

4.3. Зависимость различных целевых функций от параметров беспроводной самоорганизующейся сети

4.3.1. Зависимость от длины пакета

4.3.2. Зависимость от числа ретрансляторов и конечных устройств

4.3.3. Зависимость от геометрических характеристик

4.4. Анализ эффективности алгоритма

4.5. Выводы

Заключение

Список условных обозначений

Список использованной литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Важнейшей особенностью 21 века, в том числе, для России является стремительное развитие информационного общества. Неотъемлемой и насущно необходимой компонентой современной информационной инфраструктуры являются сети, построенные с использованием беспроводных технологий.

В последнее десятилетие получили большое развитие, информационные системы на основе беспроводных самоорганизующихся сетей (БСС). Такие системы, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором, сенсором, реле могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир.

Концепция БСС привлекает внимание многих ученых, исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечило большой поток научных работ по данной тематике. Активное участие в исследованиях БСС принимают российские ученые А.Е. Кучерявый, Е.А. Кучерявый, А.И. Парамонов, A.B. Про-копьев, М.Н. Терентьев и зарубежные D. Culler, D. Estrin, М. Srivastava, М. Editors.

Большой интерес к изучению таких сетей обусловлен широкими возможностями их применения: мониторинг окружающей среды, сейсмический и структурный мониторинг, автоматизация, пожарная безопасность, военная техника, автомобилестроение, медицина и т.д. Использование в этих отраслях традиционных проводных соединений не всегда эффективно из-за высокой стоимости монтажных и пуско-наладочных работ, а также технического обслуживания. Кроме того, в некоторых ситуациях вообще невозможна прокладка кабелей по технологическим или организационным причинам, поэтому все большее применение находят БСС.

Элементы БСС взаимодействуют друг с другом и зависят друг от друга таким образом, что отказы в отдельных точках сети могут снизить информационную значимость передаваемых данных, при этом работоспособность системы сохраняется.

В реальных ситуациях существуют разнообразные естественные и техногенные помехи, воздействие которых приводят к отказам в отдельных точках БСС и к искажению передаваемой информации.

Особо стоит выделить такой вид техногенных воздействий, как преднамеренные электромагнитные воздействия (ПД ЭМВ).

На практике ПД ЭМВ наводятся, как правило, дистанционно с использованием излучателя: специального генератора, снабженного передающей антенной. Следует отметить, что в последние годы технологии создания таких излучателей стремительно развиваются, что обусловило постоянное повышение интереса к проблеме угрозы электромагнитных нападений и защиты объектов информатизации от ПД ЭМВ.

Исследованиями ПД ЭМВ занимаются российские ученые Ю.В. Парфенов, J1.H. Кечиев, JI.J1. Синий, Р. В. Киричек, С.А. Сухоруков, М.И. Жуковский, Т.Р. Газизов и зарубежные ученые М. Ianoz, W.Radasky, F. Sabath, D. Giri, C. Baum.

Защитить БСС от ПД ЭМВ и снизить их уровень можно различными методами. Метод скачкообразной перестройки частот каналов, метод избыточного помехоустойчивого кодирования, метод экранирования отдельных элементов БСС. Анализ существующих методов показал, что они не решают в полной мере проблему защиты БСС от ПД ЭМВ. Актуальность разработки новых методов защиты БСС от ПД ЭМВ сохраняется.

Особый интерес представляют популярные в настоящее время БСС ZigBee.

В данной работе предлагается новый метод защиты БСС ZigBee от ПД ЭМВ путем целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети с целью снижения уровня воздействия помех.

Объектом исследований диссертации являются сети ZigBee, которые предназначены для сбора и передачи информации и выгодно отличаются от других типов сетей способностью к самоорганизации, гибкостью и универсальностью программного обеспечения, достаточно большим количеством потенциальных элементов - конечных устройств (КУ), доступностью частотных диапазонов, автономностью энергообеспечения.

Цели и задачи исследования. Целью исследования является повышение помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- анализ зависимостей устойчивости сети ZigBee от ее параметров и от параметров ПД ЭМВ;

- разработка метода целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия помех;

- разработка вероятностной модели возникновения ошибок в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ;

- разработка алгоритма изменения пространственной конфигурации элементов сети ZigBee, позволяющего минимизировать информационные потери;

- анализ алгоритма минимизации информационных потерь в сетях ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

Методы исследования. В диссертационной работе используются: методы теории вероятностей, теории стохастических процессов, вычислительной математики, а также методы имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан новый метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ;

2. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать число потерянных пакетов на каждом конечном устройстве сети при заданной сетевой топологии;

3. Разработан алгоритм повышения помехоустойчивости в сети ZigBee посредством изменения её пространственной конфигурации;

4. Предложена методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть применены при:

- при разработке стандартов и других нормативных документов, касающихся защиты автоматизированных информационных систем от ПД ЭМВ;

- при оценках устойчивости реальных объектов информатизации к ПД ЭМВ;

- при проектировании БСС ZigBee с учётом ПД ЭМВ.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Результаты исследования использованы:

- в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича;

- в научно-исследовательских работах, направленных на повышение эффективности передачи данных в сети ^щВее в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий, выполняемых в ФГУП «ГосНИИПП»;

- в научно-исследовательских работах Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденого.

Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1У-м Международной научном конгрессе «Нейробиотелеком-2010» (Санкт-Петербург, 2010); Ы-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ им.проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 2012); П-й Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфо-телекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2013); 67-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ им.проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации по теме диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 7 печатных и электронных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

1.1. Стандарты беспроводных самоорганизующихся сетей 1.1.1. Стандарт IEEE 802.15.4

Одним из первых прототипов самоорганизующейся сети можно считать гидроакустическую противолодочную систему США, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок в Мировом океане. Технологии беспроводных самоорганизующихся сетей (БСС) стали активно развиваться в середине 1990-х годов, а в начале 2000-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешевую элементную базу. Существовавшие на тот момент стандарты в области беспроводных коммуникаций IEEE 802.1 lx (Wi-Fi) и IEEE 802.15.1 (Bluetooth) не соответствовали многим требованиям, предъявляемым к миниатюрным маломощным приемопередатчикам узлов беспроводных самоорганизующихся сетей [1]. Оборудование, построенное на основе этих стандартов, потребляет недопустимо много энергии, к тому же играет негативную роль недостаточная точность в определении координат приемопередатчиков [2]. По мнению разработчиков, скорость передачи данных можно было существенно ограничить, что, в свою очередь, позволило бы сократить энергопотребление и увеличить продолжительность работы автономных устройств [3]. По этим причинам был разработан принципиально новый стандарт 802.15.4 [4]. Действующий в настоящее время базовый вариант стандарта был представлен в 2006 году, сегодня же продолжается разработка его расширений IEEE 802.15.4х. Сети, организованные в соответствии с этим стандартом, получили название LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network) — низкоскоростные частные радиосети [5]. Сравнительные характеристики различных технологий беспроводной связи представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение технологий беспроводной связи

Частные беспроводные сети Локальные бес-

(VVPAN) проводные сети (WLAN)

Стандарт IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.1 IEEE 802.1 la/b/g

(WSN) (Bluetooth) (Wi-Fi)

Необходимый объем 4-32 кБ 250 кБ 1 МБ

памяти

Продолжительность Несколько месяцев Несколько Несколько часов

работы от батарей дней

Количество присое- 65 536 7 32

диняемых узлов

Скорость передачи 250 кБ/с 1 МБ/с 2-11 МБ/с

данных

Дальность 10-30м 10-100 м 100 м

Стандарт IEEE 802.15.4 регламентирует параметры двух нижних уровней базовой модели взаимодействия открытых систем (ISO-OSI) — физического (PHY) и подуровня управления доступом к среде (MAC) канального уровня. Преимуществами стандарта являются низкая стоимость устройств, низкое энергопотребление, короткое время подключения к сети, поддержка большого количества клиентов [6]. Стандарт оптимален для построения крупных сетей разнообразных устройств в масштабах предприятий и зданий. Возможности, реализованные на МАС-уровне, позволяют осуществлять построение соединений типа «точка — точка» и сетей с топологией «звезда» [7]. Новый стандарт предусматривает небольшую дальность действия в помещении (10-30 м) и низкую пропускную способность канала (до 250 кбит/с). Передача на этой скорости ведется в нелицензируемом ISM-диапазоне 2,4 ГГц, за которым закреплено 16 каналов с шагом 5 МГц. Доступны также диапазоны 868 МГц (1 канал) — в Европе и 902928 МГц (30 каналов с шагом 2 МГц) — в Северной Америке, эти полосы частот также свободны от лицензирования. Скорость передачи на этих частотах соответственно равны 20 и 40 кбит/с [8]. Модуляция сигнала производится сдвигом фазы, в двух нижних диапазонах — бинарным, а на 2,4 ГГц — квадратурным (OQPSK; Offset Quadrature Phase-Shift Keying). Доступ к каналу — по контролю несущей

(CSMA: Carrier Sense, Multiple Access — известный алгоритм множественного доступа к среде, применяемый в сетях Ethernet и предназначенный для разрешения коллизий) [9]. Низкая мощность и скорость обусловлены малыми энергоресурсами связываемых устройств. Значения основных параметров, регламентируемых стандартом, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры стандарта IEEE 802.15.4

Параметр Значение

Частотные диапазоны и каналы 868 МГц: 1 канал; 915 МГц: 10 каналов; 2,4 ГГц: 16 каналов

Скорость передачи данных 868 МГц: 20 кБ/с; 915 МГц: 40 кБ/с; 2,4 ГГц: 250 кБ/с

Дальность 10-30 м

Время на соединение ~ 30 мс

Канальное время доступа ~ 15 мс

Адресация 16-бит или 64-бит

Механизм доступа к среде Модификация CSMA/CA

Температурный диапазон -40...+85 °С

В сентябре 2006 года была утверждена и опубликована модифицированная версия описанного стандарта — IEEE 802.15.4b. Изменения в основном коснулись методов обеспечения безопасности (защита при широковещательной рассылке, упрощенный способ задания параметров защиты, возможность индивидуальной защиты каждого кадра с использованием одного ключа, оптимизация хранения данных и др.), а также упрощения протоколов, разрешения существующих в стандарте противоречий [10].

В 2004 году были начаты работы по созданию нового стандарта для низкоскоростных частных радиосетей, относящихся к подгруппе 802.15.4. Стандарт разрабатывается рядом крупных компаний под руководством Intel в рамках спецификаций IEEE 802.15.4а и предполагает использование сверхширокополосной радиосвязи (Ultra Wideband, UWB) [11].

Технология сверхширокополосной связи основана на передаче множества закодированных импульсов несинусоидальной формы очень малой мощности

(0,05 мВт) и малой длительности в широком диапазоне частот (от 3,1 до 10,6 ГГц). Передача данных на расстояние до 5 м осуществляется со скоростью от 400 до 500 Мбит/с [12, 13].

С помощью UWB-технологии можно создавать специальные сети, в которых несколько сверхширокополосных устройств смогут поддерживать связь между любыми узлами. Короткие сигналы UWB сравнительно устойчивы к многолучевому затуханию, возникающему при отражении волны от стен, потолка, зданий, транспортных средств. Высокоскоростные UWB-устройства хорошо подходят для работы с видеопотоками и приложениями, требующими быстрой пересылки больших объемов данных [14].

В 2009 году были разработаны расширения стандарта IEEE 802.15.4с и IEEE 802.15.4d. Первый из них предполагает использование частотных диапазонов 314316 МГц, 430-434 МГц и 779-787 МГц на территории Китая, а второй— поддержку нового диапазона 950-956 МГц в Японии [15].

1.1.2. Семейство протоколов ZigBee

Примерно к осени 2002 года компании — разработчики беспроводных технологий (Mitsubishi, Motorola, Honeywell, Invensys и др.) осознали необходимость обеспечить совместимость своих устройств. Тогда же по инициативе компании Philips Semiconductor был образован ZigBee Alliance. Сейчас в альянс ZigBee входит более 150 производителей оборудования и программного обеспечения для БСС из 22 стран [16].

Целью образованного консорциума является выработка единого стандарта, регламентирующего взаимодействие беспроводных устройств на всех семи уровнях базовой модели OSI (альянс также занимается сертификацией решений, образовательными программами и развитием рынка БСС). При этом ZigBee-стандарт базируется на IEEE 802.15.4, так же как Bluetooth и Wi-Fi— на IEEE 802.15.1 и IEEE 802.llx (стандартами IEEE регламентируются PHY- и МАС-подуровни

модели взаимодействия устройств) [17]. Совокупность протоколов, реализованных на различных уровнях этой модели, называют стеком протоколов ZigBee.

На каждом из уровней протоколов реализуются следующие функции:

- профили устройств ZigBee (ZigBee Device Object): библиотеки профилей, наборы сервисов устройств, типовые информационные сообщения, совместимость;

- подуровень поддержки приложений (Application Support Sublayer): безопасность устройства, трансляция и сообщения, организация сервисов устройств;

- сетевой уровень (Network Layer): безопасность сети, трансляция сообщений, формирование пакетов данных, обработка сетевых процедур, сетевой менеджмент, маршрутизация, поддержка различных топологий;

- МАС-уровень (IEEE 802.15.4): добавление/удаление устройств, доставка и контроль пакетов данных (CRC), подтверждение приема, сканирование и доступ к каналам связи (CSMA/CA), временное разделение;

- PHY-уровень (IEEE 802.15.4): модуляция, параметры сигнала, прием и передача информации через физический радиоканал [18].

Преимуществом стандарта ZigBee по сравнению с другими беспроводными решениями является возможность создания как простых соединений («точка — точка», «звезда»), так и сложных сетей различных топологий: «кластерное дерево», «ячеистая сеть». При этом сети ZigBee обладают способностью самоорганизации, т. е. автоматического построения той или иной топологии сети и определения маршрутов транспортировки сообщений в ней. Кроме упрощенной 16-битной адресации возможна расширенная 64-битная, позволяющая находиться в одной сети 65 536 устройствам. Актуальная на сегодняшний день спецификация стандарта ZigBee — ZigBee PRO — допускает существование устройств пяти основных типов:

- PAN-координатор. Узел, организующий одну беспроводную сеть, хранящий данные об ее структуре, может одновременно служить шлюзом.

- Конечные устройства. Узлы, не имеющие возможности иметь дочерние устройства в древовидных топологиях. Обычно эти узлы оснащены сенсорами или реле.

- Маршрутизаторы. Узлы, осуществляющие ретрансляцию сообщений с целью доставки результатов измерений от КУ до PAN-координатора, находящихся вне зон радиовидимости друг друга (отсутствуют в топологии «звезда»).

- Шлюзы. Узлы, предназначенные для обеспечения обмена данными между БСС и высокоскоростными проводными ЛВС.

- Мосты. Узлы, осуществляющие коммуникацию между разными БСС таким образом, что узлы этих БСС взаимодействуют так, словно принадлежат одной сети.

Протоколы ZigBee, разработанные с учетом максимального энергосбережения, позволяют своим устройствам переходить в спящий режим при отсутствии необходимости коммуникации. В таком режиме ток, потребляемый микроконтроллером и приемопередатчиком, уменьшается в десятки раз, что позволяет увеличить продолжительность работы автономных узлов до нескольких месяцев и даже лет [19].

1.1.3. Wibree и альтернативные технологии

В 2007 году корпорация Nokia представила открытую технологию Wibree, обеспечивающую соединение портативных устройств на небольших расстояниях. Эта новая технология радиосвязи, разработанная Исследовательским центром Nokia, дополняет другие технологии соединения, но требует намного меньше электроэнергии, что позволяет создавать недорогие малогабаритные устройства, легко интегрируемые с решениями на основе Bluetooth [20].

Wibree — это первая открытая технология, обеспечивающая соединение между мобильными устройствами или персональными компьютерами и малогабаритными устройствами, питающимися от батарей: часами, беспровод-

ными клавиатурами, игрушками и спортивными датчиками. Расширяя роль мобильных устройств в жизни потребителей, эта технология увеличивает потенциал роста в данных сегментах рынка.

Стремясь как можно быстрее вывести новую технологию на рынок, Nokia определяет спецификацию совместимости в сотрудничестве с лидирующими компаниями — производителями полупроводников, поставщиками устройств, а также компаниями, оказывающими услуги по лицензированию [21].

В данный момент группа, работающая над спецификацией, включает следующие компании: Broadcom Corporation, CSR, Epson и Nordic Semiconductor, лицензировавшие технологию Wibree для коммерческого использования в микросхемах, а также Suunto и Taiyo Yuden, вносящие вклад в разработку спецификации совместимости в своих областях [22].

Технология Wibree обеспечивает связь на расстоянии до 10м с производительностью, сравнимой с Bluetooth, и скоростью передачи данных 1 Мбит/с. Как и ZigBee, Wibree оптимизирована для случаев, где требуются чрезвычайно низкое энергопотребление, малые размеры и низкая стоимость. Wibree может быть реализована как автономный чип или как чип двойного режима Bluetooth-Wibree. Компактные устройства, такие как часы и спортивные датчики, будут основаны на автономном чипе, в то время как устройства, использующие Bluetooth, выиграют от использования двухрежимного решения, распространяя возможности Bluetooth-соединений на совершенно новый класс самых малых устройств [20].

К другим подобным системам, например, относятся: SmartMesh компании Dust Networks, MeshScape от MillennialNet, SensiNet от Sensicast (все компании из США).

Известны также технологии создания БСС, основанные на использовании иных регламентов физического и МАС-уровня, например разработки компании Nanotron Technologies GmbH [23]. Здесь используется уникальная технология MDMA (Multi Dimensional Multiple Access), защищенная патентом компании. Основными преимуществами технологии являются устойчивость к помехам за счет

адаптивного механизма управления параметрами приемопередатчиков устройств, их низкая стоимость в силу использования аналоговых обработчиков сигнала, возможность управления скоростью и надежностью передачи данных для более полного использования ресурсов сети в конкретной прикладной задаче.

Для передачи данных на физическом уровне в MDMA применяется технология расширения спектра CSS (Chirp Spread Spectrum), основанная на использовании пульсирующего сигнала с линейной частотной модуляцией (JI4M). Рабочий диапазон приемопередатчиков CSS — 2,45 ГГц, а максимальная скорость передачи данных составляет 2 Мбит/сек. Каждый символ информации передается посредством восходящих и нисходящих ЛЧМ-импульсов (с линейным увеличением и уменьшением частоты соответственно) фиксированной длины 1 мкс в частотной полосе шириной 80 МГц. Данная технология обеспечивает высокую скорость передачи данных и устойчивость к узкополосным и широкополосным помехам [23].

В настоящем же исследовании речь будет вестись о сетях, подчиняющихся стандарту ZigBee, так как он наиболее удобен в использовании и к тому же открыт.

1.1.4. Краткий анализ аппаратной части беспроводных самоорганизующихся сетей

Большинство производимых устройств, входящих в состав БСС, собрано по классической схеме — отдельные чипы сенсоров, реле, микроконтроллера и приемопередатчика. Для связи этих устройств между собой часто используется интерфейс обмена данными SPI. Его поддерживают ведущие производители специализированных микросхем — Chipcon, Atmel и др. Существуют и другие решения, в которых все устройства размещены в одном чипе (Intel). В большинстве случаев производители стремятся упростить протоколы взаимодействия и обеспечить наименьшую потребляемую мощность микросхем. Рассмотрим несколько известных продуктов [24].

Одним из первых производителей узлов БСС и готовых решений на их базе стала компания Crossbow Technologies. Наиболее известными ее продуктами являются миниатюрные модули М1СА2, объединяющие в себе приемопередатчик и микроконтроллер, а также узлы [25].

Компания Crossbow также предложила законченные платформы для быстрого развертывания БСС различного прикладного назначения. К таким платформам относится Mesh Works. В ее состав входят следующие средства: узлы БСС на базе модулей MICAz, XMesh (стек протоколов ZigBee и операционная система на базе TinyOS, позволяющая удаленно конфигурировать программное обеспечение на узлах), XServe (средства для передачи данных в ПК) и пользовательское приложение MoteView для удобного удаленного анализа, управления и конфигурации БСС.

Одним из известных реализованных проектов компании Intel стала система мониторинга состояния оборудования на основе БСС, развернутая компанией в Орегоне на одном из своих заводов по производству микросхем. Сеть отслеживает уровень вибрации оборудования для очистки воды, предоставляя данные о потребности в профилактическом обслуживании. Точно так же, как по вибрации двигателя автомобиля можно определить его состояние, вибрация оборудования свидетельствует о том, соответствуют ли нормальным условия его эксплуатации. По оценкам специалистов Intel, развертывание такой системы мониторинга позволяет сократить время простоя оборудования без ручного контроля, что существенно снижает затраты на производство.

Другим примером успешного применения БСС Intel является экспериментальная система поддержки профилактического обслуживания нефтеналивного танкера, принадлежащего компании British Petroleum. Проводимое тестирование должно было ответить на вопрос, может ли БСС работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех в некоторых помещениях судна [26].

БСС была установлена на борту танкера и работала более четырех месяцев. В процессе этой опытной эксплуатации система обеспечивала надежный сбор

данных и сама восстанавливалась в случае возникновения ошибок. Журнал InfoWorld включил этот проект в число 100 лучших проектов 2004 года и удостоил его награды как «инновационный новый проект, позволяющий подчеркнуть возможности ИТ-сообщества». Компания BP теперь планирует использование БСС в масштабах всей компании — на судах, в производстве и нефтеперегонных процессах [26].

Среди наиболее известных производителей законченных решений, позволяющих реализовывать различные прикладные системы, можно отметить также компании Freescale Semiconductor, Ember, Jennic. Многие из фирм, специализирующихся на производстве узлов БСС, используют в своих решениях продукты фирм Chipcon (маломощные приемопередатчики), Atmel (экономичные и функциональные контроллеры ATmega) и Microchip (микроконтроллеры семейства PIC). Известны 8- и 16-битные решения; целесообразность применения каждого из них обусловлена конкретной прикладной задачей.

Все компании, предлагающие сегодня на рынке решения для быстрого развертывания БСС, включают в производимое оборудование устройства, предназначенные для отладки и тестирования работы сети. Основой таких устройств является узел ZigBee, к которому подключено различное периферийное оборудование (датчики, индикаторы, панель управления режимами) и дополнительные коммуникационные интерфейсы для связи с ПК (RS-232, USB, Bluetooth). Такие узлы предоставляют возможность натурного моделирования работы БСС и исследования ее в различных аспектах, например: отслеживание потоков данных, проверка мощности и качества сигнала, тестирование работы приложений и т. д. Журнал наблюдаемых событий формируется в ПК и может быть проанализирован разработчиком.

Недавно компания Digi сообщила о новой версии внутреннего программного обеспечения (firmware) для модулей ХВее ZB. Firmware v.2.x.6.x предоставляет разработчику больше возможностей по созданию недорогих и надежных беспроводных приложений. ПО построено на базе стека EmberZNet 3.3.1 ZigBee-PRO и содержит ряд новых опций:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Данилин, Станислав Валерьевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Culler, D. Overview of Sensor Networks / D. Culler, D. Estrin, M. Srivastava // University of California, Berkeley, University of California, Los Angeles. — 2004.

2. IEEE Standards 802.15.4. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) // IEEE Computer Society. — 2006.

3. Bharathidasan, Archana. Sensor Networks: An Overview / Archana Bharathidasan, Vijay Anand Sai Ponduru. — 2003.

4. IEEE Standards 802.15.4. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) // IEEE Computer Society. — 2006.

5. IEEE 802.15.4 WPAN-LR Task Group. IEEE 802.15 WPAN™ Task Group 4 (TG4). —2010.

6. Yue, W. Performance Analysis of CSMA/CA DFT Wireless LAN Systems with Pulse Signal Transmission for Multi-traffic / W. Yue, Y. Matsumoto // 35th Hawaii International Conference on System Sciences.

7. Lewis, F. L. Wireless Sensor Networks / F. L. Lewis // Smart Environments: Technologies, Protocols, and Applications. —New York. — 2004.

8. Raychaudhuri, D. Editors. New Architectures and Distruptive Technologies for the Future Internet: The Wireless? Mobile and Sensor Network Perspective / D. Raychaudhuri, M. Gerla // Report of NSF Wireless Mobile Planning Group (WMPG) Workshop. — 2005.

9. Агафонов, H. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi / H. Агафонов // Беспроводные технологии. — 2006. — № 1.

10. Терентьев, M. H. Беспроводные сенсорные сети: учебное пособие / М. Н. Терентьев. — М. : Издательство МАИ, 2007.

11. IEEE 802.15.4а [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.ieee802.org/15/pub/TG4a.html, свободный. — Загл. с экрана.

12. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. — М. : Техносфера, 2005. —592 с.

13. Диксон, Р. К. Широкополосные системы : пер. с англ. / Р. К. Диксон; под ред. В. И. Журавлева. — М. : Связь, 1979. — 304 с.

14. Lee, Joon-Yong. Ranging in a Dense Multipath Environment Usingan UWB Radio Link / Joon-Yong Lee, Robert A. Scholtz, 2002.

15. IEEE 802.15.4d [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.ieee802.org/14/pub/TG4d.html, свободный. — Загл. с экрана.

16. Пушкарев, О. ZigBee в вопросах и ответах [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.wireless-e.ru/, свободный. — Загл. с экрана.

17. IEEE, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). — 2003.

18. Sinem, С. E. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary / С. E. Sinem. — Berkeley, 09.2004.

19. Соколов, M. Реализация беспроводных сетей на основе технологии ZigBee стандарта 802.15.4 / М. Соколов, О. Воробьев // Компоненты и технологии. — 2005. —№2.

20. Bluetooth rival unveiled by Nokia // BBC News. — 4 October 2006.

21. Wibree becomes Ultra low power Bluetooth technology [Электронный ресурс] / Режим доступа: electronicsweekly.com, свободный. — Загл. с экрана.

22. Wibree press release 3 October 2006.

23. NanoNET Chirp Based Wireless Networks [Электронный ресурс] // Nanotron technologies, White paper, version 1.04, 2007-02-20.— Режим доступа: http://www.nanotron.com, свободный. — Загл. с экрана.

24. Майская, В. Беспроводные сенсорные сети / В. Майская // Электроника: НТБ. — 2005. — № 2. — С. 18-22.

25. Inc. Crossbow Technology. Motes, smart dust sensors, wireless sensor networks [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.xbow.com/Products/productsdetails. aspx?sid=3, свободный. — Загл. с экрана.

26. Ежемесячный компьютерный журнал «КомпьютерПресс» [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.compress.ru/Article.aspx?id= 12695, свободный. — Загл. с экрана.

27. Коекин, В. А. Защита от помех управляющего и измерительного электрооборудования системы автоматизации жизнеобеспечения зданий / В. А. Коекин, В. А. Корчагин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. — 2009. — № 3. — Т. 5. — С. 12-18.

28. Иванов, Е. В. Оценка точности измерения расстояний между узлами распределенной радиосети стандарта IEEE 802.15.4 / Е.В.Иванов, В.Н.Козлов, В. А. Курикша // Радиотехника (журнал в журнале). — 2006.

29. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г. И. Тузов, В. А. Сивов, В. И. Прытков и др.; под ред. Г. И. Тузова. — М. : Радио и связь, 1985. —264 с.

30. Kamerman, A. Coexistence between Bluetooth and IEEE 802.11CCK: Solutions to avoid mutual interference. IEEE P802.ll Working Group Contribution. IEEE P802.1 l-00/162r0. — July 2000.

31. Lansford, J. MEHTA: A method for coexistence between co-located 802.11b and Bluetooth systems, IEEE P802.15 Working Group Contribution, IEEE P802.15-00/360r0 / J. Lansford, R. Nevo, E. Zehavi. — November 2000.

32. Волков, JI. H. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики : учебное пособие / JI. Н. Волков, М. С. Немировский, Ю. С. Шинаков. — М. : Эко-Трендз, 2005. — 392 с.

33. Тихонов, В. И. Статистическая радиотехника / В. И. Тихонов. — М. : Советское радио, 1966.

34. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е. С. Вентцель, JI. А. Овчаров. — М. : Наука, 1988. — 480 с.

35. Баскаков, С. И. Электродинамика и распространение радиоволн : учебное пособие для вузов по спец. «радиотехника» / С. И. Баскаков. — М. : Высш. шк., 1992. —416 с.

36. Тихонов, В. И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем / В. И. Тихонов, В. Н. Харисов. — М. : Радио и связь, 1991. — 608 с.

37. Данилин, С. В. Вопросы устойчивости активного сетевого оборудования к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов / С. В. Данилин, Р. В. Киричек // Технологии ЭМС (издание из списка научных журналов ВАК Минобрнауки России). — 2009. — № 1. — С. 54-57.

38. Киричек, Р. В. Электромагнитная угроза: от мифа к реальности / Р. В. Киричек // VII Межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России»: тезисы докладов. — СПИИРАН. — СПб., 2011. — С. 170.

39. Боглаев, Ю. П. Вычислительная математика и программирование / Ю. П. Боглаев, — М. : Высш. шк, 1990.

40. Демидович, Б. П. Основы вычислительной математики / Б. П. Демидович, Н. А. Марон. — М. : Наука, 1970.

41. Калиткин, Н. Н. Численные методы / Н. Н. Калиткин. — М. : Наука, 1978.

42. Глебов, Н. И. Методы оптимизации / Н. И. Глебов, Ю. А. Кочетов, А. В. Плясунов. — Новосибирск : НГУ, 2000.

43. Ахмеров, Р. Р. Методы оптимизации гладких функций // Институт вычислительных технологий Сибирского отделения РАН (ИВТ СО РАН), Новосибирск.

44. Васильев, Ф. П. Методы оптимизации / Ф. П. Васильев. — М. : Факториал Пресс, 2002.

45. Петров, И. Б. Лекции по вычислительной математике: учебное пособие / И. Б. Петров, А. И. Лобанов. — М. : Интернет-университет информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний. — 2006. — 523 с.

46. Галушкин, Л. И. Сфера применения нейрокомпьютеров расширяется / Л. И. Галушкин // Приложение к журналу «Информационные технологии». — 2001. —№ 10.

47. Стеру, О. Нейроуправление и его приложения / О. Стеру, X. Марзуки, Ю. Рубин; под ред. А. И. Галушкина. — Сер. «Нейрокомпьютеры и их применение. — Кн. 2. — М. : ИПРЖР, 2000.

48. Фролов, Ю. В. Интеллектуальные системы и управленческие решения / Ю. В. Фролов. — М. : МГЛУ, 2000.

49. Комашинский, В. И. Введение в нейроинформационные технологии / В. И. Комашинский, М. Л. Смирнов. — СПб. : Тема, 1999.

50. Круглов, В. В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика / В. В. Круглов, В. В. Борисов. — М. : Горячая линия — Телеком, 2001.

51. Галушкин, Л. И. Теория нейронных сетей / Л. И. Галушкин. — Сер. «Нейрокомпьютеры и их применение. — Кн. 1. — М. : ИПРЖР, 2000.

52. Нейрокомпьютеры и интеллектуальные роботы / Н. М. Амосов, Т. Н. Байлык, А. Д. Гольцов и др. — Киев : Наукова думка, 1991.

53. Поспелов, Д. А. Моделирование рассуждений: Опыт анализа мыслительных актов / Д. А. Поспелов. — М. : Радио и связь, 1989.

54. Hopfield, J. Neurel computation of decision in optimization problems / J. Hopfield,

D. Tank // Biol. Cybernet. — 1985. — Vol. 52.

55. Kohorten, T. Self-Organizing Maps / T. Kohorten. — Springer-Verlag, 2nd ed., 1997.

56. Головкин, Б. А. Параллельные вычислительные системы / Б. А. Головкин. — М. : Наука, 1980, —519 с.

57. Барский, Л. Б. SPMD-архитектура и параллельная обработка структур данных / Л. Б. Барский, В. В. Шилов // Приложение к журналу «Информационные технологии». — 1999. — № 6.

58. Барский, Л. Б. Параллельные процессы в вычислительных системах: Планирование и организация / Л. Б. Барский. — М. : Радио и связь, 1990.

59. Нейросетевые системы управления / В. А. Терехов, Д. В. Ефимов, И. Ю. Тюкин и др. — СПб. : СПбГУ, 1999.

60. Барский, Л. Б. SPMD-архитектура и параллельный логический вывод / Л. Б. Барский, В. В. Шилов // Приложение к журналу «Информационные технологии». — 1999. — № 12.

61. Фролов, Ю. В. Мониторинг изменений в банковском сообществе России с применением самоорганизующихся карт Кохонена / Ю. В. Фролов,

E. С. Паспухов // Банковские технологии. — 2000. — № 11.

62. Deboeck, С. Visual Exploration in Finance with Self-Organizing Maps / C. Deboeck, T. Kohonen. — Springer-Verlag, 1998.

63. Нейронные сети: История развития теории / Под ред. А. И. Галушкина, Я. 3. Цыпкина. — Науч. сер. «Нейрокомпьютеры и их применение. — Кн. 5. — М. :ИПРЖР, 2001.

64. Головко, В. JI. Нейронные сети: обучение, организация и применение / Под ред. А. И. Галушкина. — Науч. сер. «Нейрокомпьютеры и их применение». — Кн. 4. — М. : ИПРЖР, 2001.

65. Галушкин, А. И. Нейрокомпьютеры / А. И. Галушкин. — Науч. сер. «Нейрокомпьютеры и их применение». — Кн. 3. — М. : ИПРЖР, 2000.

66. Горбань, А. Н. Обучение нейронных сетей / А. Н. Горбань. — М. : СП «ParaGraf», 1990.

67. Бусленко, Н. П. Метод статистического моделирования / Н. П. Бусленко. — М. : Статистика, 1970. — 112 с.

68. Демидович, Б. П. Основы вычислительной математики / Б. П. Демидович, И. А. Марон. — М. : Наука, 1966. — 664 с.

69. Епанешников, А. М. Программирование в среде TURBO PASCAL 7.0 / A. M. Епанешников, В. А. Епанешников. — М. : Диалог-МИФИ, 1998. — 288 с.

70. Ермаков, С. М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы / С. М. Ермаков. — М. : Наука, 1975. —472 с.

71. Копченова, Н. В. Вычислительная математика в примерах и задачах / Н. В. Копченова, И. А. Марон. — М. : Наука, 1972. — 367 с.

72. Соболь, И. М. Метод Монте-Карло / И. М. Соболь. — М. : Наука, 1985. — 80 с.

1. Рабочий интерфейс программы ZigOpt

I С3 I t

¿New Variable С} Open Variable ▼

й/XCiear Workspace »

Liable

> Oanilin ► Danilin Command Window

0

Всего в* го в было еде, 100

Из них полезных:

100

Из них Бесполезных:

0

ZigBee в условиях ПД 1

Всего:

100 Всего:

Всего вагов было спи

101

Из них полезных:

100

Из них бесполезных:

1

. Г^_-п\ ПгшШшпплш I m i

¿J QI Search Documentation P

Д Zig.opt

1° - M3-J

ОПТИМИЗАЦИЯ РАССТАНОВКИ ШЛЮЗОВ ПРИ ПД эмв

размеры комнаты, м:

координаты PAN- координатора, м:

координаты антенны, м:

пглн^гтл Lj<lj □<□

файл с координатами КУ (м):

файл с координатами шлюгов (м>:

файл с диаграммой направленности

Выберите файл

Выберите файл I

направляющие косинусы антенны

Г-З X-"J'.'

[3 18:12 —S

L3 22:51 —%

¡.3 12 : 19 —%

12 22.32 —\

help axis

hF * tlgurei'Name ', 'Network sp AXIS <[0 10 10 2]) exie<[0 10 10 2])

%— 09.04.2013 11 06 —* 7.in rwir.

Рисунок 27 - Интерфейс программы, запущенной в среде Matlab 2012

Рисунок 28 - Визуализация помещения средствами среды Matlab: красными кружочками отмечены ретрансляторы, синими крестиками — конечные устройства, на каждом КУ стоит число — доля потерянных пакетов. Буквой А отмечена антенна, a PAN — PAN-координатор

2. Описание работы программы ZigOpt Предназначение

Программа используется для оптимизации работы сети ZigBee в условиях, когда существует непрерывно излучающий источник электромагнитного поля. Оптимизация происходит итеративно, пошагово: на каждом шаге снижается целевая функция — суммарное число потерь пакетов. Оптимизация осуществляется путем изменения пространственного расположения шлюзов, результатом является оптимальное расположение шлюзов, при котором потери минимальны, а также сами потери.

Краткое описание алгоритма

В ограниченной области, имеющей форму параллелепипеда, развернута БСС. Элементы сети могут быть трех видов:

1. PAN-координатор. Он один. Он только принимает сообщения.

2. КУ - конечное устройство. Он только отправляет сообщения, его нельзя передвигать. Объективной характеристикой в условиях ПД ЭМВ является доля пакетов, потерянных на каждом конечном устройстве. И целевая функция — суммарная доля пакетов. Если ничего не теряется, целевая функция равна 0, если теряется всё — то числу конечных устройств.

3. Шлюз, или ретранслятор. Его задача состоит в том, чтобы принять сообщение либо от КУ, либо от другого шлюза и отправить дальше.

Таким образом, КУ передают сообщения PAN-координатору через шлюзы. Шлюзы можно передвигать. Именно их передвижения могут уменьшить потери в условиях ПД ЭМВ. Интуитивно понятно почему: если на каком-то КУ есть по-

тери, то ретрансляторы, через которые идет пересылка сообщений, можно вывести из зоны действия ПД ЭМВ. Это один способ. Предположим теперь, что изначально шлюзы распределены равномерно по всей области, а поле распределено неравномерно. Тогда если мы переместим шлюзы из «здоровых» областей в «больные», то «здоровые» конечные устройства не сильно пострадают, а у «больных» будет больше шансов передать верные сообщения.

Используется так называемый алгоритм стохастической оптимизации: шлюзы совершают случайные блуждания с ограничениями (размеры комнаты, распределение шагов и т. д.), образуя новые конфигурации. На последнем шаге применяется метод градиентного спуска. Принимаются только те конфигурации, которые ведут к уменьшению целевой функции.

Исходные данные

Размеры комнаты — тройка чисел — декартовых координат.

Координаты РАЫ-координатора — тройка чисел — декартовых координат.

Координаты антенны — тройка чисел — декартовых координат начала рупора антенны.

Направляющие косинусы антенны — тройка чисел — косинусов углов, образуемых осью антенны с декартовыми осями собственной системы координат.

Центральная частота антенны — максимальная частота антенны.

Полуширина спектра — полуширина спектра в предположении его парабо-личности.

Мощность антенны — имеется в виду мощность на максимальной частоте.

Файл с координатами КУ — файл, состоящий из строк — троек декартовых координат каждого КУ (пример — файл епё_ёеу).

Файл с координатами шлюзов — файл, состоящий из строк — троек декартовых координат каждого шлюза (пример — файл ге^аш).

Файл с диаграммой направленности — файл, состоящий из строк типа «нормированная мощность» — азимутальный угол в сферической системе координат (пример — файл antenna).

Руководство пользования программой:

1. Перейти в папку с программой.

2. Набрать в командной строке Matlab'a "Zig_opt" и нажать ввод.

3. Ввести все исходные данные (при загрузке файлов внизу вместо «файл не выбран» появится путь к выбранному файлу).

4. Нажать «старт».

5. В командную строку будет выводиться процесс пошаговой оптимизации.

3. Пример работы программы ZigOpt

Рисунок 29 - Выбор параметров для численного эксперимента

Утверждаю

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы C.B. Данилина

«Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий»

Комиссия в составе декана факультета РТС Воробьева О.В., заведующего кафедрой РСиОС Томашевича C.B., доцента кафедры РПдУиСПС Коротина В.Е., составила акт в том, что результаты диссертационной работы C.B. Данилина «Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий» использованы при чтении лекций по следующим дисциплинам:

— Физические основы мобильной связи. Рабочая программа утверждена первым проректором — проректором по учебной работе Г.М. Машковым 17 мая 2012 года, per. № 0418-43;

— Особенности распространения радиоволн. Рабочая программа утверждена первым проректором - проректором по учебной работе Г.М. Машковым 09 апреля 2012 года, per. № 0402-18.

Декан факультета РТС

Зав кафедрой РСиОС

ФСТЭК РОССИИ

Федеральное государственное унитарное

предприятие Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем)

(ФГУП«ГосНИИГ1П>)

Обводного канала набережная, д. 29 Санкт-Петербург, 191167 тел. (812) 274-31-56, факс (812) 274-09-31

/¿/69

На №_от_

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Данилина Станислава Валерьевича

Комиссия в составе:

председатель Чихонадских А. П. - начальник центра, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник;

члены комиссии: Миночкин К.В. - начальник отдела, кандидат военных наук;

Савко A.A. - старший научный сотрудник, кандидат военных наук, составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Данилина C.B. <Мегод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий) использованы при выполнении научно-исследовательской работы «Натюрморт».

В частности, вероятностная модель передачи данных в беспроводных сенсорных сетях в условиях воздействия сверхширокополосных преднамеренных сигналов использована для верификации результатов натурного эксперимента в научно-исследовательской работе.

Результаты, полученные в диссертационной работе можно использовать в научно-исследователь^ш^заботах в области защиты и обработки информации.

npeflceJW^f.KbMHçÇ^t'âSv

\

Члены к®

m с;, ¿r^i

А.П. Чихонадских

K.B. Миночкин

A.A. Савко

—^ууВЕРЖДАЮ ВрИО'нач^ьника-Военной академии связи - пб учфпбй й^нау)шой работе

<< 6 », оёйтяб

^r В.Гель

АКТ'^V

о внедрении (использовании) результатов диссертационной работы

«Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий» Данилина Станислава Валерьевича

Комиссия в составе:

- начальника НИО НИЦ, к.т.н., доцента Лобашева А.И;

- начальника НИО НИЦ Ершова A.B.;

- ответственного исполнителя НИР, к.т.н., Михалева О.В.

составила настоящий акт, подтверждающий факт использования в работах Военной академии связи результатов диссертационной работы Данилина C.B.

Результаты использованы в научно-исследовательской работе шифр «Рулетка» Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденого, Санкт-Петербург, 2013 г.

В частности, при проведении НИР использованы следующие результаты, полученные диссертантом:

1. Математические модели, позволяющие рассчитывать число потерянных пакетов на каждом конечном устройстве сети ZigBee при заданной сетевой топологии;

2. Алгоритм повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.

3. Методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.

4. Предложения по проектированию сетей ZigBee с учетом возможных преднамеренных электромагнитных воздействий.

Натурный эксперимент, проведенный в ходе НИР «Рулетка» подтвердил результаты математического моделирования по тестированию сети специального назначения при воздействии электромагнитного поля, создаваемого генератором CK ЭМИ.

Обоснованность выводов, сделанных в диссертационной работе сомнений не вызывает.

Начальник НИО НИЦ, к.т.н., доцент s^^^^df Лобашев А.И.

Начальник НИО НИЦ Ершов A.B.

Зам. начальника НИО НИЦ, к.т.н Михалев О.В.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М. А. Бонч-Бруевича»

На правах оукописи

Данилин Станислав Валерьевич

04201451973

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ В СЕТИ ZIGBEE В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

05.13.01 — системный анализ, управление и обработка информации

(связь и информатизация)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Бачевский Сергей Викторович

Санкт-Петербург — 2013

Введение..........................................................................................................................5

Глава 1. Анализ технологий современных беспроводных сенсорных сетей...................................................................................................................................10

1.1. Стандарты беспроводных самоорганизующихся сетей......................................10

1.1.1. Стандарт IEEE 802.15.4.......................................................................................10

1.1.2. Семейство протоколов ZigBee...........................................................................13

1.1.3. Wibree и альтернативные технологии...............................................................15

1.1.4. Краткий анализ аппаратной части беспроводных самоорганизующихся сетей....................................................................................................................................17

1.2. Анализ проблем функционирования беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях слабых помех.......................................................................................20

1.3. Анализ проблем сосуществования различных типов беспроводных самоорганизующихся сетей. Интерференция............................................................................24

1.4. Задача проектирования конфигурации беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.......................28

1.5. Выводы....................................................................................................................29

Глава 2. Метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия по-

мех...................................................................................................................................31

2.1. Математическая формализация задачи построения метода...............................32

2.2. Связь ошибок в данных на физическом и канальном уровнях..........................35

2.3. Определения вероятности искажения одного символа......................................37

2.4. Определение нагрузки на ретранслятор в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия................................................................................................41

2.5. Выбор целевой функции........................................................................................44

2.5.1. Суммарное число ошибок как целевая функция..............................................45

2.5.2. Максимальное число ошибок как целевая функция........................................47

2.5.3. Целевая функция для динамической задачи.....................................................47

2.6. Ограничения для задачи оптимизации.................................................................49

2.7. Выводы....................................................................................................................51

Глава 3. Алгоритм изменения пространственной конфигурации элементов

сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ...............................................................................53

3.1. Анализ метода градиентного спуска....................................................................53

3.2. Анализ методов нелинейной многопараметрической оптимизации.................57

3.3. Анализ метода Монте-Карло.................................................................................64

3.4. Анализ адаптивного метода Монте-Карло...........................................................67

3.5. Алгоритм построения пространственной конфигурации беспроводной самоорганизующейся сети для условий преднамеренных электромагнитных воздействий...................................................................................................................................68

3.5.1. Обоснование выбора алгоритма.........................................................................68

3.5.2. Тестирование алгоритма.....................................................................................70

3.6. Выводы....................................................................................................................72

Глава 4. Методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ........................................................................................................75

4.1. Предварительные оценки ошибок в системе «беспроводная самоорганизующаяся сеть + преднамеренные электромагнитные воздействия» для неоптимизи-рованной топологии......................................................................................................75

4.2. Зависимость различных целевых функций беспроводной самоорганизующейся сети от параметров источника преднамеренных электромагнитных воздействий...................................................................................................................................81

4.2.1. Зависимость от частоты излучения источника и ширины спектра................82

4.2.2. Зависимость от мощности источника ПД ЭМВ...............................................85

4.3. Зависимость различных целевых функций от параметров беспроводной самоорганизующейся сети....................................................................................................88

4.3.1. Зависимость от длины пакета.............................................................................90

4.3.2. Зависимость от числа ретрансляторов и конечных устройств........................93

4.3.3. Зависимость от геометрических характеристик...............................................97

4.4. Анализ эффективности алгоритма......................................................................101

4.5. Выводы..................................................................................................................105

Заключение.................................................................................................................107

Список условных обозначений...............................................................................108

Список использованной литературы....................................................................109

Приложения................................................................................................................115