Проблемы создания мобильных сетей
Разработка протоколов мобильных сетей для «умной пыли» представляет собой сложную задачу. При этом имеются критические ограничения:
• для работы АОЛС требуется наличие прямой видимости;
• пассивные и активные передатчики мотов обладают направленностью, которая должна быть учтена при создании системы;
• имеются заметные компромиссы между скоростью передачи данных, расходом энергии на передачу бита информации, расстоянием и направленностью АОЛС.
Требования к пути передачи сигнала
Для нормального функционирования «умной пыли» на основе АОЛС требуются ненарушаемые пути передачи сигнала. Такие линии связи не могут надежно работать вне зоны прямой видимости, так как при этом придется полагаться на отражение от одного или большего количества объектов между передатчиком и приемником. Передаваемый луч должен иметь высокую направленность, чтобы достичь высокого соотношения «сигнал — шум» при приемлемо малой энергии передатчика. Использование отражения с помощью зеркальных поверхностей может незначительно увеличить расхождение передающего луча, но вряд ли при практическом использовании можно будет выстроить систему зеркал с необходимыми свойствами. Расеянное отражение рассеивает энергию луча в широком диапазоне углов, что снижает важность точного ориентирования последнего, но при этом обычно на приемник попадает недостаточное количество энергии. Следовательно, рассеянная передача вне пределов прямой видимости, возможно, будет осуществима только когда активные передатчики используются на очень малых расстояниях (до 1 метра). И, по-видимому, невозможно применять диффузную передачу вне пределов видимости при использовании пассивных передатчиков (на основе КУО), поскольку передаваемый луч и отраженный луч будут подвержены рассеиванию в большом диапазоне углов.
Неподвижный мот без прямого пути передачи данных на КУ может связаться с ним при помощи многоскачковой маршрутизации (multihop routing), если существует подходящий вариант прохождения луча. Вероятность наличия такой траектории увеличивается с ростом плотность мотов на единицу площади. Многоскачковая маршрутизация увеличивает задержку сигнала, и при этом требуется, чтобы моты были оснащены активными оптическими передатчиками. Ограничения, связанные с размерами и энергопотреблением цифровой схемы отдельного мота, требуют минимизировать сложность алгоритмов многоскачковой произвольной маршрутизации.
Когда «умные пылинки» парят в воздухе или перемещаются любым другим способом, прямая передача данных на БТ может быть доступна спорадически. В таких случаях коммуникационный узел может непрерывно опрашивать моты. Когда «умная пылинка» находится в пределах прямой видимости, она может передать пакет данных на БТ. Если же среднее время между ожиданием «сеанса связи» превышает время передачи пакета, задержку можно минимизировать путем использования многоскачковой маршрутизации вместо прямой передачи данных.
Направленность связи
В большинстве систем «умной пыли» угловое расхождение опрашивающего луча КУ должен соответствовать полю обзора оптического сенсора КУ. Оба они должны соответствовать друг другу во всех системах, использующих пассивные передатчики мотов, а также в системах, использующих активные передатчики мотов, когда практическое применение подразумевает частую двунаправленную передачу между КУ и мотами. Естественно, не имеет смысла опрашивать те моты, от которых базовый трансивер не сможет получить информацию, и наоборот. В таких системах опрашивающий луч и оптический сенсор можно установить неподвижно на КУ, и они будут работать совместно, как одно устройство. Например, КУ можно разместить в портативном устройстве, напоминающем бинокль, которое наводится на цель оператором-человеком.
В некоторых сценариях использования, когда применяются активные передатчики, может быть предпочтительнее использовать луч передатчика КУ, угловое расхождение которого меньше, чем поле обзора приемника. При подобном использовании опрашивающий луч можно будет сфокусировать на различных точках в пределах поля обзора приемника.
Из-за ограниченного доступного пространства оптический приемник мота, вероятно, не будет оснащаться оптическим концентратором любой конструкции (как вариант, объективом — прим. Technowars), расположенным перед фотодатчиком. В результате приемник будет действительно всенаправленным, т. е. будет способен принимать практически все сигналы, попадающие в полусферу, расположенной перед мотом. Во многих сценариях использования не понадобится точно направлять приемник, интегрированный в «умную пылинку».
Если сравнивать с приемником, передатчик мота будет иметь заметно отличающиеся характеристики направленности. Пассивный передатчик будет иметь в своей основе КУО. Это устройство отражает свет обратно на источник в виде узкого луча (в качественных КУО угловой разброс отраженного луча ограничивается дифракцией порядка θ≈λ/a, где λ — длина световой волны, а — эффективный диаметр КУО) при условии, что оно подсвечивается с направления, которое лежит в пределах нескольких десятков градусов от пространственной диагонали куба. Если каждый из мотов использует только один КУО, то любой из них, находящийся в зафиксированном случайном положении с вертикальной ориентацией, сможет передавать сигнал на КУ с вероятностью около 10%. Эта вероятность может быть значительно увеличена путем оснащения каждого мота несколькими КУО, каждый из которых ориентирован в разных направлениях. В качестве альтернативы может быть использован один КУО в связке с подстроечным MEMS-механизмом. Такому устройству потребуется «нацелить» КУО с точностью порядка 10–20 градусов.
Имеются и другие решения для обхода ограничений направленности КУО. Можно, к примеру, случайно распределить избыточное количество мотов, а затем устанавливать связь с теми из них, чьи КУО направлены на коммуникационный узел. Если моты подвижны, то наилучшим решением в этом случае может быть простая задержка передачи до тех пор, пока моты не примут положение, необходимое для передачи данных на БТ.
Активные передатчики, размещаемые на мотах, можно изготовить на основе лазерного диода. Он должен использовать узкий луч, обычно не превышающий порядка нескольких градусов или меньше (см. следующий раздел 3.1.3). Вследствие этого возникает необходимость оснащения мота активным механизмом управления лучом. Пистер и его студенты в свое время работали над MEMS-механизмом, который способен направлять луч в любую точку полусферы. Алгоритмы управления лучом для систем «умной пыли» с активными передатчиками представляют собой нетривиальную задачу. Было бы желательно «научить» каждый из мотов автономно направлять луч в требуемую точку. Один из подходов состоит в том, чтобы сделать приемник направленным и разместить приемник и передатчик на одном и том же подстроечном механизме. Соответственно, нацеливая свой приемник так, чтобы довести до максимума силу принимаемого сигнала с КУ или другого мота, «умная пылинка» одновременно наведет в ту же точку и передатчик. Необходимость — для таких передатчиков — определения направления на другие моты замедляет связь, но если они остаются неподвижными, то направление на них, будучи раз определенным, может быть сохранено в памяти мота для последующего использования.
В большинстве сценариев, рассмотренных выше, передатчик и приемник имеют разные угловые диапазоны. Это приводит к не соответствующим друг другу характеристикам линии связи, при которых мот может принимать информацию с другого узла сети, но неспособен передавать на него, или наоборот. Как следствие, мот может принимать запросы от других узлов и может пытаться отвечать на них, не имея информации о том, что все сеансы связи были бесполезны. Когда моты неподвижны, другие узлы сети с целью экономии энергии должны подтверждать получение информации от того или иного мота, который, в свою очередь, не должен отвечать на дальнейшие запросы от узлов, которые не подтвердили получение.
Известно, что в оптических сетях на основе АОЛС отсутствие взаимного влияния (non-reciprocity) может привести к появлению «скрытых узлов», которые могут вызывать конфликты во время доступа. В сетях на основе «умной пыли» передача данных от мота к КУ использует мультиплексную передачу с пространственным уплотнением — никаких конфликтов в процессе передачи данных не произойдет до тех пор, пока моты находятся на значительном расстоянии друг от друга, а передача данных от них регистрируется различными пикселами в оптическом сенсоре КУ. Конфликты во время связи между узлами (peer-to-peer) являются потенциальной проблемой в сетях на основе «умной пыли». Схема устранения конфликтов при передаче «узел — узел» должна работать с динамической конфигурацией сети, не привнося дополнительную сложность или задержку при передаче данных.
Компромиссы между скоростью передачи, расстоянием и количеством энергии для передачи бита информации
Работа АОЛС (атмосферных оптических линий связи) связана с компромиссами между несколькими расчетными параметрами. Упрощая, рассмотрим случай, когда связь осуществляется с использованием активных лазерных передатчиков. Формула соотношения «сигнал — шум» для приемника (SNR) имеет вид:
Здесь C является неизменной величиной, Eb – среднее количество энергии, необходимое для передачи бита информации, Rb – скорость передачи, А – рабочая площадь приемника (при передаче с КУ на мот или передаче между мотами А соответствует площади фотодатчика пылинки; при передаче с мота на КУ А соответствует площади входной апертуры камеры БТ), N0 – спектральная плотность мощности шума приемника, d – дальность передачи данных и Ф – угловой разброс луча передатчика. Эта формула допускает, что Ф мало и что луч передатчика оптимально направлен на приемник. Величина SNR определяет вероятность ошибки на бит и должна поддерживаться на соответствующем высоком уровне с тем, чтобы обеспечить надежность передачи данных. Из формулы (1) мы видим: чтобы достичь заданного SNR при всех остальных неизменных параметрах, требуемое значение Eb пропорционально Rb-1/2, т. е. энергия, расходуемая на передачу бита информации, минимизируется при передаче коротких пакетов на высокой скорости.
Средняя мощность передатчика (во время передачи пакета) составляет Pt= Eb/Rb. Следовательно, передача на высоких скоростях требует высокой мощности передатчика. На практике Pt должно быть выбрано как можно большим в пределах ограничений, накладываемых безопасностью для зрения и ограничениями по току. Переписывая (1) для Pt, мы получаем формулу (2).
Когда все другие параметры неизменны, для поддержания требуемого SNR допустимая скорость передачи и расстояние соотносятся как Rb ∞ d-4. Следовательно, имеется возможность увеличить дальность передачи данных, значительно снизив скорость передачи. Если возможна многоскачковая маршрутизация, общая задержка может быть минимизирована путем передачи на более высоких скоростях при нескольких скачках.
Возможности мобильной сети
Метод АОЛС представляет много возможностей помимо пассивной связи при низком потреблении питания. Поскольку наиболее частым применением сети датчиков является вывод считываемых данных, основная задача протокола состоит в получении информации с большого количества датчиков, находящихся на небольшой площади. Произвольный доступ к информационной среде потребляет много энергии и неэффективен по пропускной способности. Поэтому весьма полезно применять пассивные и трансляционные (broadcast-oriented) технологии там, где это возможно. К счастью, метод АОЛС допускает несколько одновременных считываний с датчиков, сочетая активные и пассивные подходы, использующие технологии доступа по запросу, и обеспечивает эффективный ответ с низкой задержкой к областям сети датчиков, которые подвержены частым изменениям.
Параллельное считывание
Одиночный широкий луч базового трансивера может одновременно зондировать несколько мотов. Оптический сенсор, размещенный на КУ, принимает несколько отраженных от мотов лучей до тех пор, пока их будет разделять расстояние для корректного приема сигналов. Зондирующий луч сканирует трехмерное пространство, покрываемое базовой станцией, с частотой, определяемой сценарием использования и соответствующими требованиями к считыванию информации с датчиков.
Доступ по запросу
Для экономии энергии при передаче данных с применением активного передатчика лучше всего воспользоваться высокой скоростью передачи для небольших пакетов данных. Распространенные методы доступа по запросу могут использоваться для сочетания преимуществ низкой задержки, присущей активной коммуникации, с преимуществами низкого потребления питания, характерного для пассивного подхода.
Когда моту требуется передать информацию, он передает короткий импульсный сигнал на базовый трансивер. КУ, обнаружив этот сигнал, зондирует область, из которой поступил этот сигнал. Если пассивный передатчик (т. е. КУО) точно ориентирован в направлении БТ, мот может передать необходимую информацию, модулируя отраженный зондирующий луч соответствующими данными.
Логически рассуждая, структура связи, описанная выше, имеет много общего с сотовыми и спутниковыми сетями. Доступ к каналу предоставляется в режиме соперничества. Коммуникационный узел предоставляет канал узлу, который запрашивает связь. В сотовых сетях это выполняется путем присвоения узлу частоты, временного интервала и/или кода. В схеме, описанной для «умных пылинок», канал предоставляется с помощью зондирующего луча.
Заметим, что для этой технологии количество каналов (вызова или передачи данных) равно количеству отдельных пикселов на БТ. У базового трансивера нет возможности различать моты, устанавливающие связь одновременно, если сигнал от них попадает в один и тот же пиксел матрицы оптического сенсора. Единственный возможный способ преодолеть это — использовать технологии временного интервала подобно тому, как они используются в системах связи с множественным доступом с разделением по времени (TDMA). Луч с широкой апертурой, излучаемый КУТ, может быть модулирован таким образом, чтобы задать временной базис синхронизации мотов. Затем КУ может передать каждому отдельному моту информацию о назначении временного интервала для сеанса связи.
Периодичность зондирования
Периодичность применения зондирующего луча может быть определена в рамках сценария использования. Имеются хорошо известные наблюдения, связанные с управлением статистическими данными, о том, что в областях, где изменения происходят более быстро, повтор должен осуществляться чаще. Если считанные данные меняются незначительным образом на протяжении длительного времени, то достаточно случайных считываний, чтобы получить статистически значимые результаты. Поэтому лучше уделять больше времени зондированию тех датчиков, которые испытывают более быстрые изменения данных и для которых считывание с перерывами может привести к большому несоответствию, отличному от текущих значений датчика.
«Умная пыль»: сценарии использования
В зависимости от сценария применения отдельные моты могут быть прикреплены к объектам, которые требуется отслеживать. Кроме того, большое количество пылинок может быть просто рассеяно случайным образом в некотором объеме — они, к примеру, могут парить в воздухе. Моты записывают данные, получаемые с датчиков, а затем, когда они запрашиваются, передают полученную информацию при помощи оптических технологий. В некоторых вариантах использования моты будут устанавливать связь напрямую (и пассивно) с коммуникационным узлом, в других случаях будет использоваться активная коммуникация между мотами с последующей передачей данных на КУ. В зависимости от области применения моты и базовую станцию может разделять расстояние от десятков метров до километров.
КУ можно, к примеру, разместить в портативном устройстве вроде бинокля. Это позволит пользователю одновременно наблюдать обстановку и считывать информацию с мотов, которая будет отображаться поверх видимого изображения. Другой пример — КУ может находиться на небольшом БПЛА, который барражирует над областью, усеянной мотами, и периодически опрашивает их.
Предполагается большое количество вариантов применения «умной пыли» как в гражданских, так и военных системах. «Умная пыль» может быть распространена в определенном районе для получения метеорологических и геофизических данных и даже использоваться в изучении других планет. Она может применяться для выполнения сбора данных в среде, где невозможно использовать проводные датчики или их использование приводит к ошибкам. Среди примеров — камеры для технологической обработки полупроводников, вращающиеся механизмы, аэродинамические трубы, безэховые камеры.
В биологических исследованиях «умная пыль» может использоваться для отслеживания миграций и внутренних процессов у насекомых и мелких животных. Если рассматривать военную область применения, «умная пыль» может быть развернута для скрытого мониторинга территории противника — например, для проверки выполнения тех или иных договоренностей. Акустические, вибрационные датчики или датчики магнитного поля могут определять прохождение машин и других объектов. «Умная пыль» может использоваться для наблюдения за периметром или для определения наличия химического или биологического оружия на поле боя.
Основная проблема использования «умной пыли» — с точки зрения обработки данных и систем связи — состоит в том, как осуществить комплексное поведение большого количества отдельных, относительно простых датчиков. Иногда это называют поведением пчелиного улья или роя, иногда — непредсказуемым или неочевидным поведением. Критически важной технологией в этом случае является возможность датчиков передавать свои данные друг другу, а также центральному процессору, находящемуся на базовой станции. Но ключевое значение, пожалуй, имеет правильная организация сети.
Сценарий «Непредсказуемое поведение системы, состоящей из большого количества датчиков»
Датчикам лучше работать совместно. Вместо интеграции большого количества датчиков в одиночную интегрированную схему можно просто развернуть большое количество различных датчиков в определенном географическом районе и позволить им самостоятельно организоваться.
Датчики обычно специализируются на обнаружении определенных сигнатур. Одни регистрируют движение, другие — тепло, третьи — звук. Когда один датчик обнаруживает критическое значение соответствующей сигнатуры, он информирует соседние датчики. Те, в свою очередь, включаются в работу в зависимости от типа сенсорных возможностей. Например, простой датчик определения движения может подать сигнал более сложным датчикам, чтобы они определили температурные или другие характеристики теплопередачи. Массив датчиков, работающих как единая сеть, не только обнаруживает нарушителя, но и демонстрирует более интеллектуальную обработку данных путем поиска отличий. Как определить, кто проник на контролируемую территорию, человек или небольшое животное? Один из вариантов — сверить тепловые сигнатуры. Так, тепловое излучение человеческого тела будет иметь больший объем.
Более сложные датчики могут затем увеличить скорость сканирования, чтобы получить сигнатуру более высокого разрешения, или перераспределить запас энергии на работу в узкополосном или сверхнаправленном режиме. Подобные режимы значительно влияют на потребление питания. Основной вопрос оптимизации — максимальные возможности направленной работы и повышения разрешения при минимальном потреблении электроэнергии.