Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2010 №1

Оценка энергопотребления беспроводных узлов в сетях MeshLogic

Баскаков Сергей


В статье приведен обзор различных вариантов построения беспроводных сенсорных сетей на основе технологии MeshLogic. Приведена методика расчета среднего энергопотребления узлов и срока службы их элементов питания.

Введение

Относительно новым классом беспроводных сетей передачи информации являются беспроводные сенсорные сети (БСС), которые отличаются от других типов сетей тем, что представляют собой распределенные, самоорганизующиеся и устойчивые к отказу системы из большого числа (до нескольких десятков тысяч) устройств, способных обмениваться сообщениями и при необходимости ретранслировать их по беспроводному каналу связи. Для минимизации энергопотребления в БСС применяются маломощные радиочастотные приемопередатчики и специализированные сетевые протоколы, поэтому они могут быть эффективно использованы для решения различных прикладных задач сбора данных в таких областях, как автоматизация зданий, промышленная автоматика, безопасность и оборона, мониторинг окружающей среды, здравоохранение и т. п.

Беспроводная сенсорная сеть может быть создана как на базе стандартных технологий ZigBee, WirelessHART и ISA SP100.11a, так и с помощью проприетарных решений, среди которых есть и российская разработка — платформа MeshLogic, обладающая следующими основными преимуществами относительно аналогов:

  • Полностью многоячейковая топология сети.
  • Все узлы равноправны и являются маршрутизаторами.
  • Самоорганизация и автоматический поиск маршрутов.
  • Устойчивость к соканальной интерференции.
  • Высокая масштабируемость системы.
  • Возможность работы всех узлов от автономных источников питания.

Для разработки изделий по технологии MeshLogic предназначены радиочастотные модули ML-Module-Z (рис. 1) со встроенной специальной версией сетевого стека MeshLogic, оптимизированной для построения распределенных систем сбора информации, в которых множество устройств передает данные в одну или несколько точек сбора (базовых станций, шлюзов и т. п.) (рис. 2).

Ранее уже были описаны основные технические характеристики и функциональные возможности модулей ML-Module-Z [1], а также проведен обзор некоторых примеров их практического применения в законченных устройствах [2]. Настоящий материал посвящен оценке энергопотребления беспроводных узлов MeshLogic и, как следствие, срока службы их элементов питания, что крайне важно на этапе проектирования БСС для выбора архитектуры и вариантов технической реализации.

Модель энергопотребления

Как и в документации на другие аналогичные радиомодули, в технических характеристиках ML-Module-Z указаны значения тока потребления в режиме передачи и приема данных по радиоканалу, а также в «спящем» режиме. Но данные величины являются только справочными, и практический интерес представляет среднее значение потребляемой мощности, от которой зависит срок службы элемента питания — принципиально важного параметра для большинства применений БСС. Среднее энергопотребление модуля в основном определяется объемом передаваемого и принимаемого в единицу времени трафика, поэтому для беспроводных узлов MeshLogic была создана аналитическая модель энергопотребления, учитывающая особенности их аппаратной реализации и метода множественного доступа к среде. Входными ее параметрами являются исходящие и входящие потоки адресного и широковещательного трафика, а также поток принимаемого «чужого» адресного трафика. Вычислив с помощью модели среднюю мощность потребления P (мВт) при заданных потоках сетевого трафика, можно оценить срок службы элементов питания узла Т (дней) по формуле:

T = CBAT/(24P)

где CBAT — общая емкость элементов питания (мВтч).

В дальнейших расчетах мы примем CBAT = 7920 мВтч, что примерно равно емкости одной Li/SOCL2— батареи типоразмера AA. При другом количестве и/или типе батарей потребуется только пропорциональное масштабирование в соответствии с их суммарной емкостью.

Очевидно, потоки трафика будут существенно зависеть от выбранной топологии сети сбора данных, поэтому рассмотрим различные варианты по отдельности, предполагая, что БСС является распределенной системой, в которой все устройства передают пакеты данных только одной базовой станции.

Топология «звезда»

Топология «звезда» (рис. 3), при которой точка сбора имеет стационарное питание, а оконечные узлы с автономным питанием доставляют ей пакеты по прямому соединению, является наиболее простой конфигурацией сети, при этом время бесперебойной работы оконечных устройств максимально. Например, на рис. 4 показан срок службы в зависимости от периода передачи адресных сообщений при различных периодах передачи Ttxb и приема Trxb широковещательных пакетов. Недостаток данной топологии заключается в малой гибкости и ограниченной сфере применения.

Топология «шина-звезда»

Топология «шина-звезда» (рис. 5) является примером комбинированной архитектуры БСС и представляет собой последовательное соединение ряда подсетей со структурой «звезда». Такой вариант отличается высокой масштабируемостью и простотой сопровождения, так как позволяет добавлять и удалять устройства без существенного влияния на остальные элементы сети. Однако при этом выход из строя одного из звеньев шины приведет к отключению от сети всех нижестоящих узлов.

Если формирующие шину концентраторы соединены между собой проводным каналом для электропитания и, возможно, передачи данных, то срок службы оконечных устройств будет такой же, как и при топологии «звезда». Применение этой архитектуры целесообразно, например, для сбора показаний квартирных счетчиков в автоматизированных системах коммерческого учета потребления ресурсов, когда есть возможность установить ретрансляторы на лестничных площадках и проложить между ними кабель или использовать в качестве концентраторов модули, установленные в электросчетчиках, а беспроводные модули с автономным питанием подключать только к приборам учета воды и газа.

Если же все узлы сети работают от автономных источников питания, то необходимо выполнить расчет распределения потоков сетевого трафика. Допустим, что БСС состоит из NR концентраторов, к каждому из которых подключено NE оконечных устройств. Если оконечные узлы передают базовой станции адресные пакеты данных со средним периодом TE, а период передачи в сети локального широковещательного трафика TB, то потоки трафика для каждого оконечного узла будут следующими:

  • исходящий поток адресного трафика QETXU = qE (пакетов/с);
  • входящий поток адресного трафика QERXU = 0 (пакетов/с);
  • исходящий поток широковещательного трафика QETXB = qB (пакетов/с);
  • входящий поток широковещательного трафика QERXB = qB (пакетов/с), где qE = 1/TE, qB = 1/TB.
Для концентраторов, передающих собственные адресные пакеты данных с периодом TR и ретранслирующих пакеты от нижестоящих устройств, суммарные потоки определяются так:

  • исходящий поток адресного трафика QRTXU = (NR–h+1)(NEqE+qR) (пакетов/с);
  • входящий поток адресного трафика QRRXU = (NR–h+1)(NEqE+qR)–qR (пакетов/с);
  • исходящий поток широковещательного трафика QRTXB = qB (пакетов/с);
  • входящий поток широковещательного трафика QRRXB = (NE+2)qB (пакетов/с), где qR = 1/TR и h — расстояние между концентратором и базовой станцией.
В качестве примера рассмотрим БСС, предназначенную для передачи дважды в час показаний со счетчиков газа, горячей и холодной воды, в каждом из которых установлен беспроводной модуль с автономным элементом питания емкостью CBAT. В каждой из квартир два модуля являются оконечными, а третий выполняет функции ретранслятора, при этом базовая станция принимает показания в пределах одного подъезда. Тогда для 17-этажного дома исходные параметры расчета этого сегмента сети таковы: NE = 2, NR = 17 и TE = TR = TB = 30 мин. В результате получены следующие оценки времени автономной работы от одной Li/SOCL2 — батареи формата AA: концентраторов — от 16 до 35 месяцев, оконечных устройств — от 57 до 73 месяцев.

На рис. 6 показаны результаты расчетов при NR = 20, TE = TR = TB = 30 мин и набора значений NE. Соответствующие значения математического ожидания общей задержки передачи данных (латентность) приведены на рис. 7. Очевидно, что в частном случае NE = 0 сеть представляет собой линейную цепочку ретрансляторов.

Мы использовали термины «концентратор» и «оконечное устройство» только для обозначения положения узлов в топологии сети, так как в сети MeshLogic они функционально идентичны и отличаются только прикладным уровнем и объемами проходящего через них трафика. Заметим, что если к центральной базовой станции подключить несколько шин с описанной организацией, то будет получена топология «кластерное дерево», но при этом процедура расчета энергопотребления останется прежней.

Топология «многоячейковая сеть»

В наиболее общем случае сеть может иметь многоячейковую топологию, в которой все узлы являются маршрутизаторами, что позволяет строить более надежные и развитые системы. Но тогдае среднее энергопотребление узлов возрастает, и его расчет усложняется, так как необходимо рассматривать суммарный сетевой трафик, то есть учитывать как пакеты данных, источником которых является непосредственно сам модуль, так и пакеты, которые он принимает и передает, выполняя функции ретранслятора. Следовательно, срок службы элементов питания узла будет существенно зависеть от его положения в топологии сети и направлений прохождения сетевого трафика.

Для анализа характеристик многоячейковых сетей наиболее эффективны методы имитационного моделирования, поэтому в общем случае именно этот подход используется при разработке и исследовании механизмов, реализованных в платформе MeshLogic. В частности, большой объем моделирования был выполнен для следующего сценария. Множество узлов-маршрутизаторов с автономным питанием периодически передают пакеты данных одной точке сбора со стационарным питанием, при этом все устройства случайно и равномерно распределены на двумерной плоскости (рис. 8). Моделирование позволяет получить значения потоков сетевого трафика для каждого из узлов сети и, следовательно, оценить их среднее энергопотребление. Для примера на рис. 9 приведены усредненные по множеству случайных топологий результаты для сетей, включающих от 50 до 500 узлов (со средней плотностью размещения 10 узлов), при 30-минутных периодах передачи пакетов данных и локальных широковещательных пакетов.

Заключение

Энергопотребление стоит в ряду ключевых параметров качества обслуживания для БСС, поэтому вопрос о его расчете при создании подобных систем возникает одним из первых. Для платформы MeshLogic разработана аналитическая модель оценки средней потребляемой мощности узла в зависимости от объемов передаваемого и принимаемого сетевого трафика, при этом адекватность модели подтверждена экспериментально. Комплексное применение аналитических и имитационных моделей для платформы MeshLogic позволяет на этапе проектирования выполнять сравнение различных архитектур и режимов работы БСС, а также получать более точные оценки характеристик сети.

С помощью описанной модели в статье показано влияние топологии сети на энергопотребление узлов и, как следствие, на время бесперебойной работы автономных элементов питания. Для сторонних разработчиков доступен упрощенный вариант модели для модулей ML-Module-Z [3], реализованной в виде функций для среды математического моделирования MATLAB, что дает возможность самостоятельно определить пригодность радиомодулей для решения поставленных прикладных задач.

Литература

  1. Баскаков С. С. Беспроводные системы сбора данных на базе радиочастотных модулей ML-Module-Z // Беспроводные технологии. 2009. № 1.
  2. Баскаков С. С. Опыт применения радиочастотных модулей MeshLogic для разработки беспроводных систем сбора данных // Беспроводные технологии. 2009. № 3.
  3. Беспроводной модуль ML-Module-Z: модель энергопотребления. www.meshlogic.ru/data/EnergyModel_ML-Module-Z.zip.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке