Решать оперативные задачи сетевого взаимодействия

Ученые УлГТУ (г. Ульяновск) занимаются разработкой более совершенных технических средств на базе сенсорных самоорганизующихся сетей. Применение новой технологии повышает производительность элементов сети, обеспечивает целостность передаваемой информации и минимальные затраты на содержание конечных устройств. Это инновационное решение рекомендовано для промышленного интернета, коммерчески выгодных сервисов, сферы транспорта и ЖКХ

Достижения беспроводной связи и цифровой электроники открывают новые возможности для развития телекоммуникаций. Перспективы развития самоорганизующихся сетей заметно выигрывают, поскольку обладают очевидными преимуществами перед традиционными, такими как локализация, регистрация параметров, коммутация. Сенсорные самоорганизующиеся сети не требуют дополнительной инфраструктуры, характеризуются мобильностью и автоматической настройкой, меньшим потреблением энергоресурсов. Тем не менее есть ряд особенностей, которые требуют усовершенствования их работы: масштабируемость и устойчивость сети, увеличение зоны покрытия.

 Специалисты Ульяновского государственного технического университета предлагают решения, при которых эффективность самоорганизующихся сетей станет высокой и будут разрешены проблемы энергоэффективности, надежности, совместимости и безопасности.  Так, они приводят свой алгоритм взаимодействия компонент информационных систем в рамках таких сетей и предлагают авторскую разработку технологии для создания и управления множеством самоорганизующихся беспроводных сетей.

Виталий Евгеньевич Дементьев – кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Телекоммуникации» Ульяновского государственного технического университета – представил технические результаты достижений в области беспроводной связи, в частности, рассказал, в чем принцип работы и новизна авторской технологии сенсорных самоорганизующихся сетей связи и каковы ее функциональные возможности.

«Абсолютное большинство существующих технологий в области беспроводных сетей передачи данных ориентированы на использование специализированных устройств сбора данных – базовых станций. Эти базовые станции являются специализированными «точками сбора информации» с подвижных радиоустройств. Характерным примером такого решения являются современные сотовые сети с их обширной инфраструктурой базовых станций. Между тем, справедливым является вопрос о возможности прямого взаимодействия радиоустройств между собой. Такое взаимодействие потенциально может позволить решать задачи передачи данных между устройствами даже в отсутствии покрытия сетей сотовой подвижной связи. Кроме этого, подобные технологии могут позволить реализовать различные сценарии оперативного взаимодействия различных устройств на определенной территории. Например, при осуществлении того или иного события (срабатывания датчика открытия, обнаружения объекта в зоне видимости камеры, попадания объекта интереса в заданную область и т.д.) устройства в рамках подобной сенсорной сети могут самостоятельно принимать решения и формировать каскады тех или иных действий (включение света, сигнализации, открытие шлагбаума, вызов лифта и т.п.). И эти сценарии будут осуществляться вне зависимости от наличия/работоспособности инфраструктуры базовых станций или облачного программного обеспечения. Собственно, по нашему мнению, такие решения и являются основой настоящего интернета вещей. И мы считаем, что такие технологии неизбежно появятся и в ближайшее десятилетие займут важное место на телекоммуникационном рынке. Все необходимые предпосылки (в виде высокопроизводительных миниатюрных радиомодулей, необходимого расширяемого программного обеспечения, интерфейсов взаимодействия с внешними устройствами) в последние годы уже появились в широком доступе», – Виталий Дементьев определил  потребность и актуальность разработки технологии, занимающейся созданием и эксплуатацией сенсорных самоорганизующихся сетей связи.

На сегодняшний день известно несколько типов технологий беспроводных сенсорных сетей, основанных на использовании стандартов сотовых сетей или энергоэффективных сетей малого/большого радиуса действия (например, Cellular Network, Low Power Short Range Networks). Но кроме универсальности, они содержат ряд определенных недостатков, касающихся возможностей передачи данных на большие расстояния и скорости развертывания.

Инженеры УлГТУ предлагают новое техническое решение относительно развития технологии сенсорных сетей передачи данных, которое  выгодно отличается от существующих (включая такие характеристики, как доступность информации, стоимость передачи данных, затраты оператора связи).

«Любая радиосистема является своеобразным компромиссом между скоростью передачи данных, дальностью этой передачи между отдельными узлами и энергопотреблением этих узлов. Разрабатываемое нами семейство алгоритмов управления множеством радиоустройств в составе единой сенсорной сети отличается широкими возможностями по адаптации характеристик работы отдельных сегментов сети для выполнения тех или иных требований. Например, в случае периодического сбора телеметрической информации с распределенных измерительных устройств (например, бытовых счетчиков) возможно обеспечить время их автономной работы до 6-8 лет. С другой стороны, эти же устройства могут формировать высокоскоростные эстафетные системы передачи данных. Например, при решении задачи передачи фото- и видеоизображений по подобным сетям нами достигнута скорость 1.4 Мб/сек. Важно, что и в том, и другом случае, мы используем идентичные аппаратные решения (отличия только в настройках), соответствующие требованиям РФ по мощности при работе в нелицензируемых диапазонах 433Мгц и 868Мгц. При этом мы не влияем на фундаментальные характеристики радиопередачи конкретного радиомодуля, надежность и эффективность его работы подтверждаются производителем радиооборудования. Немаловажным достоинством таких решений также является отсутствие какой бы то ни было абонентской платы, поскольку владелец подобного решения является своеобразным «мини-оператором», самостоятельно решающим свою задачу», – пояснил Виталий Дементьев.

Чем оригинально программное обеспечение ТСТ (протокол передачи данных), являющееся ключевым элементом вашей технологии самоорганизующихся сенсорных сетей?

«Наше решение представляет собой полностью оригинальный программно-алгоритмический комплекс, реализованный для разных семейств радиомодулей. Ключевые элементы этого комплекса запатентованы на территории РФ и США. Важными преимуществами этого комплекса, определяющими его потребительские свойства, являются: масштабируемость и гибкость. Сеть передачи данных, построенная на протоколе ТСТ, может быть любого масштаба и конфигурации в отличие от звездообразных топологий, которые характерны для существующих LPWAN сетей (LоRа, Sigfox, Стриж и др.).

Главные параметры следующие: высокая дальность (формируемые ТСТ динамические маршруты допускают эстафетную передачу информации на почти произвольные расстояния, учитывая размер передаваемого пакета, текущую нагрузку на сеть, состояние элементов питания, прогнозируемую нагрузку и т.д. Используемые радиоустройства  позволяют передавать информацию между двумя соседними радиомодулями на расстояние до  800 м (в случае использования внешних антенн до 1.5 км) на открытом пространстве);  высокая скорость (использование виртуальных тоннелей поверх сенсорной сети позволяет достичь близкую к потенциально возможной скорость передачи данных. Так для сетей, построенных на чипах СС1101 (433Mhz), получена средняя скорость 192 кб/с. Для сетей, построенных на радиочипах CC1310 (868Mhz), пиковая фактическая скорость передачи данных между узлами достигает 1,4 Мб/сек); высокое время автономной работы (протокол ТСТ разрабатывался для взаимодействия узлов, имеющих автономное «батарейное» питание. Использование протокола в рамках типовых сценариев для многоквартирных жилых домов обеспечивает автономную работу конечных модулей в течение 4-6 лет); наличие динамических сценариев (технология предполагает независимое прямое взаимодействие узлов сети без участия «базовых станций», «коммутаторов» или программного обеспечения высокого уровня).

Кроме этого, протокол в перспективе может применяться как программное обеспечение, значительное расширяющее функционал существующих сетей за счет внедрения эстафетной передачи данных», – подробно охарактеризовал преимущества нового решения Виталий Дементьев.

Разработанная сенсорная радиосеть носит адаптивный характер, что, по словам Дементьева, «позволяет рекомендовать её для применения в следующих областях: при централизованном сборе информации с территориально распределенных устройств (например, в сфере ЖКХ); при создании интеллектуальных систем типа «Умный дом»; в сфере промышленного интернета (например, при централизованном управлении станков с ЧПУ); при организации транспортного мониторинга (сбора данных с транспортных средства даже в отсутствия покрытия сетей сотовой связи)».

Сегодня   существует необходимость в технологиях, которые позволят сократить затраты для учета потребляемых энергоресурсов (воды, электричества, газа, тепла). Один из возможных вариантов рассматривается ульяновскими специалистами.  

«В сфере ЖКХ мы предлагаем несколько решений, основанных на разработанных нами радиоустройствах, ориентированных на получение измерительной информации с подключенных по различным интерфейсам (RS232, RS485, CAN, импульсный выход) измерительных устройств (бытовых счетчиков). Нами реализованы законченные решения в корпусах водных и электрических счетчиков. В настоящее время совместно с нашими партнерами – компанией «СмартСити» и Научно-производственным предприятием завод «Искра» – ведется работа по разработке квартирных теплоизмерителей по данной технологии. Важной практической особенностью этих устройств является возможность не только централизованного сбора информации, но и передачи обратных управляющих команд на радиоустройства. Это дает возможность реализовывать различные каскадные схемы опроса подключенных устройств не самим радиомодулем (что обычно весьма затруднительно с учетом разнообразия протоколов взаимодействия измерительных устройств), а внешним сервером. В этом случае вся сенсорная сеть становится своеобразным динамическим каналом передачи данных, транслирующим информации от размещенного в сети интернет-сервера до конкретного теплосчетчика, расположенного в подвале заданного здания», – Виталий Дементьев объяснил, какой принцип работы заложен  в организацию получения информации с удаленных измерительных устройств и управление ими для ЖКХ. 

Какую зону покрытия и скорость передачи данных обеспечивает ваша технология?

«Отметим еще раз, что дальность передачи данных между отдельными узлами и скорость передачи данных являются вариативными характеристиками в рамках нашего решения. Например, проведенные фактические испытания при реализации системы транспортного мониторинга показывают максимальную дальность передачи данных на расстояниях 1.8 км. на открытом пространстве (при скорости передачи данных 4.8Кб/сек и высоте размещения всенаправленных антенн 1.5 м), а испытания системы передачи данных в промышленном интернете подтвердили возможность передачи данных между отдельными узлами 3.6 Мб/сек на расстояниях до 160 м. с теми же всенаправленными антеннами», – уточнил ученый.

Кроме того, ульяновские ученые предлагают авторский способ снижения энергопотребления сенсорных узлов в беспроводной сенсорной сети, на который выдан Патент (RUS № 2702079. Заявка № 2018120261 от 31.05.2018. Опубл. 03.10.2019). По словам инженера УлГТУ, «ключевой особенностью решения является запатентованный способ снижения энергопотребления в формируемых сенсорных сетях. Этот способ реализуется путем балансировки нагрузки на разные радиомодули в сети. Дело в том, что сеть, состоящая из сотен и тысяч элементов (что характерно, например, для многоквартирных домов) дает возможность передачи информации очень большим количеством разнообразных маршрутов. Обычно задача выбора этих маршрутов сводится к поиску маршрута, обеспечивающего минимальное время передачи информации при заданном уровне надежности. В условиях статического размещения устройств такой маршрут будет постоянно использовать одни и те же радиоустройства для ретрансляции передаваемых данных. Это неизбежно будет приводить к ускоренной деградации элементов питания этих устройств. Наше решение, предполагая такую возможность, направлено на балансировку энергопотребления в сетях со свободным размещением элементов. По сути это означает, что для передачи одной и той же информации сеть ищет новые маршруты, обеспечивая равномерную деградацию элементов питания радиоустройств».

Технология сенсорных сетей передачи данных является результатом работы коллектива Ульяновского государственного технического университета на протяжении последних 6-8 лет. Виталий Дементьев выражает признательность своим коллегам за содействие и сотрудничество: «Идейным вдохновителем этих работ и человеком, предложившим концепцию распределенного хранения и обработки информации в динамических сенсорных сетях, является д.т.н., профессор Александр Григорьевич Ташлинский, а фактическим автором большинства аппаратных решений является к.т.н., доцент кафедры «Телекоммуникации» Сергей Владимирович Елягин».

Работа ульяновских инженеров востребована и активно апробирует предлагаемые решения на практике. Потенциальными заказчиками разработки сенсорных самоорганизующихся сетей связи специалистов УлГТУ являются организации, разрабатывающие комплексные решения в сфере ЖКХ, транспортного мониторинга и промышленного интернета.  

Как подчеркнул Виталий Дементьев, «в то же время нужно отметить, что в силу специфики и новизны предлагаемого решения многие наши партнеры становятся своеобразными соучастниками нашей разработки, помогая нам адаптировать ее под собственные потребности. Так, например, группа компаний Фарватер, являющаяся лидером отечественного рынка оборудования для работы с CAN-шинами транспортных средств, на протяжении уже более одного года совместно с нами терпеливо занимается интеграцией нашей технологии в свои решения. Это потенциально позволит организовывать автоматическое взаимодействие между специальной техникой и автомобилями, оборудованными устройствами компании Фарватер, обеспечивая возможность мониторинга и управления даже в условиях отсутствия покрытия сетей сотовой связи».

Итак, найденное решение актуальной научно-технической проблемы и разработка альтернативных технологий сенсорных самоорганизующихся сетей учеными УлГТУ показывают целесообразность их использования в различных отраслях связи и телекоммуникаций.