Топологические методы повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники

Актуальность темы

Современные беспроводные технологии позволяют создавать принципиально новые устройства и системы, а при замене существующих проводных технологий — повышать гибкость и снижать стоимость жизненного цикла изделий. Примерами подобных устройств и систем в области промышленной электроники являются системы жизнеобеспечения зданий, включающие в себя управление электро-, теплои газоснабжением, вентиляцией и кондиционированием, освещением, охранно-пожарной сигнализацией, контролем доступа, автоматизированные производственные линии, системы навигации и связи маршрутного и промышленного транспорта, подвижные установки, преобразователи и датчики в труднодоступных местах, на подвижных объектах, в агрессивных средах, под высоким напряжением и т. д.

Однако внедрение беспроводных технологий в большинстве перечисленных применений сдерживается двумя основными факторами: невозможностью длительной, в течение нескольких лет, работы от автономных источников тока из-за высокого энергопотребления радиопередатчиков и пониженной надежностью доставки сообщений по сравнению с проводными технологиями. Первый фактор является ключевым для широкого класса объектов промышленной электроники (ОПЭ), особенно при размещении их в труднодоступных местах с необходимостью длительной работы без обслуживания. Основные методы снижения энергопотребления беспроводных устройств изложены в работах отечественных и зарубежных ученых: А. В. Чечендаева, A. Koubaa, P. Jurcik, R. Severino, A. Cunha и др. Анализ работ указанных ученых показал, что наибольшим потенциалом снижения энергопотребления обладают беспроводные сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией, работающие с высокой скважностью интервала активной работы узлов, причем потребляемая мощность существенно зависит от параметров и топологической структуры сети.

Технологии на основе IEEE 802.15.4 обладают относительно малыми скоростями передачи данных по сравнению с другими технологиями, однако, большинство ОПЭ характеризуется низкой интенсивностью обмена информацией, во много раз меньшей их предельной пропускной способности.

Второй фактор выступает на первый план в критических применениях, в которых недоставленное или несвоевременно доставленное сообщение может привести к нарушению работоспособности устройства или системы либо к некачественному их функционированию. Данный фактор усугубляется еще и тем, что надежность доставки сообщений в беспроводных сетях не может быть определена или оценена с помощью простых расчетных соотношений, что затрудняет принятие решения проектировщиком о применении беспроводной технологии вместо традиционной проводной.

Изложенные в работах отечественных и зарубежных ученых В. М. Вишневского, А. И. Ляхова, G. Bianichi, P. Park, A. Faridi и др. методы определения таких характеристик качества функционирования беспроводных сетей, как энергопотребления, надежности, времени доставки сообщений, применимы в большинстве случаев только к широко распространенным технологиям Wi-Fi и ZigBee, в то время как сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией, работающие с высокой скважностью, практически не изучены. Хотя спецификация ZigBee и основана на стандарте IEEE 802.15.4, сети с кластерной топологией в ней не описаны и не поддерживаются. Анализ работ указанных ученых показал, что надежность, также как и энергопотребление, во многом определяется топологической структурой сети и сетевыми параметрами узлов.

Следует отметить, что вышеуказанные факторы являются взаимосвязанными, так, например, снижение потребляемой мощности посредством уменьшения выходной мощности радиопередатчиков приводит к ухудшению показателей надежности.

Таким образом, разработка методов определения характеристик качества функционирования беспроводных сетей, таких как энергопотребление, надежность доставки сообщений, и основанных на них методов повышения эффективности работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией в распределенных системах управления (РСУ) ОПЭ является актуальной научной и практической задачей, поскольку позволяет повысить время непрерывной работы беспроводных устройств от автономных источников тока вплоть до нескольких лет с обеспечением требуемого уровня безотказности и качества функционирования РСУ.

Основные разделы диссертации соответствуют приоритетным направлениям «Информационно-телекоммуникационные системы» и «Энергетика и энергосбережение», критической технологии «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» из перечней приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации и критических технологий Российской Федерации.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализация топологических методов повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники. Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование выбора беспроводной технологии IEEE 802.15.4 в качестве коммуникационной подсистемы РСУ с учетом предъявляемых ОПЭ требований.

2. Создание модели сетевого взаимодействия узлов для построения на основе стандарта IEEE 802.15.4 масштабируемой беспроводной сети с кластерной топологией, на основе которой решается задача минимизации служебного трафика в РСУ ОПЭ.

3. Разработка методов управления топологической структурой беспроводных сетей IEEE 802.15.4, обеспечивающих достижение заданных характеристик энергопотребления беспроводных устройств и надежности доставки сообщений.

4. Программная реализация предложенных моделей и методов в виде стека протоколов сетевого и прикладного уровней для беспроводных сетей IEEE 802.15.4.

5. Оценка эффективности предложенных моделей и методов в сравнении с беспроводными сетями ZigBee.

6. Разработка аппаратно-программного инструментария, обеспечивающего возможность практического применения предложенных беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией в РСУ ОПЭ.

7. Разработка и исследование опытного образца автоматизированной системы управления наружным освещением, основанной на беспроводной сети с кластерной топологией с использованием реализованного программного стека протоколов.

Методы исследования: методы системного анализа, теории вероятностей, комбинаторики, теории массового обслуживания, теории графов, математического и имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования, интерактивной отладки микропроцессорных систем с использованием интегрированной среды разработки для встраиваемых систем Freescale CodeWarrior.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование эффективности построения РСУ на основе беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией для ОПЭ.

2. Модель сетевого взаимодействия узлов на сетевом и прикладном уровнях беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологической структурой.

3. Математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с использованием механизма конкурентного доступа CSMA-CA.

4. Метод определения параметров кластера беспроводной сети IEEE 802.15.4, обеспечивающих минимизацию энергопотребления беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

5. Алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4 по заданным параметрам кластеров.

6. Применение имитационного моделирования работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и ZigBee в составе РСУ ОПЭ для исследования эффективности предложенных моделей и методов.

7. Экспериментальная проверка рассчитанных на предложенной в диссертации математической модели процессов передачи сообщений на физическом и канальном уровнях в беспроводных сетях IEEE 802.15.4.

Обоснованность научных результатов, полученных в диссертационной работе, основана на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении математического аппарата, согласованности новых результатов с известными теоретическими положениями.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается проведенными имитационным моделированием и экспериментальными исследованиями, результаты которых позволяют сделать вывод об адекватности разработанных моделей и методов и работоспособности созданных алгоритмов.

Научная новизна:

1. Предложена модель сетевого взаимодействия узлов беспроводной сети с кластерной топологией, отличающаяся распределением функций опроса состояний узлов и сбора данных между координаторами сети и использованием разработанного пассивного дистанционно-векторного алгоритма маршрутизации, формирующего таблицу маршрутизации на основе анализа заголовков проходящих через координатор пакетов, что позволяет снизить объем передаваемого по сети служебного трафика, а следовательно, и потребляемую координатором мощность.

2. Разработана математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с использованием механизма конкурентного доступа к среде CSMA-CA, отличающая учетом процессов распространения и приема радиосигнала и структуры суперкадра в сетях с кластерной топологией, характеризующихся высокой скважностью интервала конкурентного доступа, позволяющая по заданным пространственной конфигурации узлов сети, параметрам физического и канального уровня и интенсивности передачи кадров вычислять потребляемую мощность, надежность и среднее время доставки сообщений.

3. Предложен алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4, отличающийся выполнением разбиения беспроводной сети на кластеры заданного размера с минимальной глубиной кластерного дерева, что позволяет формировать кластерную топологическую структуру беспроводной сети с достижением установленных характеристик энергопотребления и надежности с минимизацией времени доставки сообщений по дереву координаторов.

4. Обоснована эффективность предложенных моделей и алгоритмов в беспроводных сетях IEEE 802.15.4, применяемых в РСУ ОПЭ, по сравнению с технологией ZigBee по критерию энергопотребления.

Практическая значимость работы:

1. Разработан метод определения параметров кластера беспроводных сетей IEEE 802.15.4, обеспечивающих минимизацию энергопотребления беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

2. Разработан стек протоколов сетевого и прикладного уровней для существующей аппаратной платформы ХВее, позволяющий использовать существующую элементную базу для создания устройств с улучшенными энергетическими и надежностными характеристиками.

3. Разработана методика имитационного моделирования беспроводных сетей РСУ ОПЭ, позволяющая на этапе проектирования системы управления проводить оценку эффективности принимаемых решений по критерия энергопотребления, надежности и времени доставки сообщения.

4. Разработаны аппаратно-программные средства сопряжения беспроводных устройств, обеспечивающие возможность применения предложенного стека протоколов при создании РСУ ОПЭ.

5. Создан опытный образец энергоэффективной системы управления наружным освещением с использованием разработанной беспроводной сети.

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы реализованы в виде аппаратно-программного обеспечения, включающего программный стек протоколов сетевого и прикладного уровней беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и аппаратно-программные средства для его сопряжения с системами управления ОПЭ, использованной при создании автоматизированной системы управления наружным освещением «Рассвет». Компоненты данной системы выпускаются предприятием ООО «Энергоэффект-НН» (г. Нижний Новгород). В настоящее время система проходит опытную эксплуатацию на ул. Березовой г. Сарова Нижегородской области.

Диссертационная работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007;2012 годы» шифр темы 2008;6−2.6−31−01−004).

Апробация полученных результатов. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры промышленной электроники Национального исследовательского университета «МЭИ" — на XVI, XVII и XVIII Международных научно-технической конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2010;2012 гг.- на VII Межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика», Смоленск, 2010 г.- на V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», Казань, 2010 г.- на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ», Белгород, 2010 г.- на итоговой научно-практической конференции по результатам выполнения мероприятий ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы» за 2009 год, приоритетное направление «Энергетика и энергосбережение», г. Москва, 2009 г.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Проведен сравнительный анализ беспроводных технологий Wi-Fi (IEEE 802.11), Bluetooth 1.0−2.1 (IEEE 802.15.1) и ZigBee (IEEE 802.15.4) по критериям энергопотребления, надежности и времени доставки сообщений. Показано, что сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией обладают наилучшими возможностями по минимизации потребляемой мощности.

2. Предложена модель сетевого взаимодействия узлов беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологической структурой, позволяющая снизить объем передаваемого по сети служебного трафика.

3. Разработана математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с использованием механизма конкурентного доступа CSMA-CA, позволяющая по заданным пространственной конфигурации узлов сети, параметрам физического и канального уровня и интенсивности передачи кадров определять потребляемую мощность, надежность и среднее время доставки сообщений в кластере.

4. На основе математической модели процесса передачи кадра разработан метод определения параметров кластера беспроводных сетей IEEE 802.15.4, минимизирующий энергопотребление беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

5. Предложен алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4 по заданным сетевым параметрам и конфигурации кластеров, минимизирующий время прохождения пакета по дереву координаторов.

6. Предложенная модель сетевого взаимодействия реализована в виде программного стека протоколов.

7. Разработана методика имитационного моделирования беспроводных сетей IEEE 802.15.4 при работе в распределенной системе управления. Проведено моделирование беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и ZigBee, результаты которого показывают, что энергопотребление сетей с кластерной топологией существенно ниже, чем в технологии ZigBee.

8. Проведены экспериментальные исследования процессов передачи сообщений на физическом и канальном уровнях в беспроводных сетях IEEE 802.15.4, подтверждающие обоснованность и адекватность разработанной математической модели.

9. Разработаны аппаратно-программные средства сопряжения беспроводных устройств с системами управления объектами промышленной электроники.

10. Разработан опытный образец интеллектуальной системы управления наружным освещением с использованием реализованного в диссертационной работе стека протоколов беспроводной сети.