CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

SADRŽAJ

Tehnologija bežičnih senzorskih mreža (WSN) omogućava veliki broj raznovrsnih primena zasnovanih na mogućnosti prikupljanja podataka o fizičkim parametrima okruženja. Nagli razvoj WSN omogućen je uspešnim razvojem malih, jeftinih i potrošnih mutlifunkcionalnih platformi. Senzorske platforme objedinjuju obavljanje senzorske funkcije i mogućnost samostalnog formiranja ad-hoc bežičnih mreža. Ove platforme odlikuje niz hardverskih i softverskih ograničenja. Specifični saobraćajni zahtevi, primena bežičnih komunikacija u okviru WSN, kao i ograničenja senzorskih platformi, postavljaju niz uslova koje treba ispuniti pri realizaciji telekomunikacionih protokola, tehnika bežičnog prenosa i algoritama obrade signala. U ovom preglednom radu, prikazana je slojevita komunikaciona mrežna arhitektura za potrebe razvoja WSN. Opisani su osnovni uslovi koji se moraju zadovoljiti pri razvoju telekomunikacionog segmenta WSN. Osim toga, data je klasifikacija i pregled mrežnih protokola predloženih za primenu u okviru bežičnih senzorskih mreža.

1. UVOD

Primena bežičnih senzorskih mreža (Wireless Sensor Networks, WSN) zasniva se na korišćenju malih, jeftinih i potrošnih multifunkcionalnih platformi. Savremene senzorske platforme omogućavaju prikupljanje i obradu podataka o okruženju korišćenjem ugrađenih senzora. Ove platforme omogućavaju samostalno formiranje ad-hoc bežičnih mreža u cilju međusobne komunikacije i prenosa prikupljenih senzorskih podataka ka korisniku mreže. Priroda procesa komunikacije u WSN, zahtevi u smislu protoka, pouzdanosti i procesa rutiranja paketa podataka u mreži, kao i softverska i hardverska ograničenja senzorskih platformi, definišu specifične uslove pri razvoju komunikacionog segmenta WSN, odnosno procesa prenosa i obrade senzorskih podataka.

Razvoj WSN predstavlja multidisciplinaran problem. Unapređenje i primenu komunikacionih, hardverskih i softverskih rešenja nemoguće je ostvariti bez saradnje u svim ovim oblastima. U toku su brojna istraživanja u cilju daljeg razvoja u oblasti komunikacione mreže, ostvarivanje senzorskih funkcija, kontrole rada senzorskih platformi, kao i razvoja aplikacija i aplikacionog softvera za korisnike WSN.

U [1], koji predstavlja I deo ovog rada, detaljno su opisani principi rada, koncepti komunikacije, osnovna arhitektura komunikacione mreže i karakteristike WSN koje utiču na izbor ove arhitekture. Osim toga, dati su podela i pregled osnovnih primena WSN.

U ovom preglednom radu razmatra se problem razvoja specifične slojevite komunikacione mrežne arhitekture, kao i mrežnih protokola i tehnika namenjenih primeni u WSN. Pri tome je dat sažeti pregled osnovnih principa rada WSN, kao i pregled dosadašnjih rezultata u razvoju komunikacione arhitekture za primenu u WSN.

U drugom poglavlju su dati osnovni principi rada WSN. Predlog slojevite mrežne arhitekture za potrebe razvoja komunikacionog segmenta WSN dat je u trećem poglavlju. Pregled osnovnih uslova realizacije mrežnih protokola, klasifikacija i pregled predloženih rešenja po slojevima mrežne arhitekture, kao i osnovne napomene o mogućim pravcima daljeg istraživanja, dati su od četvrtog do šestog poglavlja. Konačno, u sedmom poglavlju data su zaključna razmatranja.

2. OSNOVI PRINCIPI RADA WSN

Osnovna namena WSN je prikupljanje i dostavljanje podataka i informacija o okruženju mreže, u skladu sa potrebama korisnika mreže. Pri tome, osnovni gradivni element WSN čine multifunkcionalne platforme, senzorski čvorovi (Sensor Nodes, SN). Osim ugrađenih senzora, SN poseduju i mogućnost komunikacije, kao i skladištenja i obrade prikupljenih podataka.

2.1. Osnovna komunikaciona arhitektura WSN

Na Slici 1. prikazana je osnovna komunikaciona arhitektura WSN [1,2]. U opštem slučaju SN se nalaze rasuti u okviru senzorskog polja, u cilju obavljanja diskretnih, lokalnih merenja i opservacija posmatranog fenomena. Korisnik mreže pristupa resursima WSN korišćenjem Sink/BS, najčešće lociranih u blizini ili unutar senzorskog polja. Sink/BS su znatno složeniji uređaji nego SN, većih su dimenzija i poseduju veće mogućnosti obrade podataka i komunikacije.

Slika 1. Osnovna komunikaciona arhitektura WSN

Komunikacija između SN i formiranje bežične paketske mreže ostvaruju se primenom bežičnog interfejsa. Svaki SN u okviru mreže predstavlja izvor izmerenih podataka, kao i informacija neophodnih za rad mreže, koji se u formi kratkih paketa šalju ka susednim SN u cilju njihovog dostavljanja ka Sink/BS ili drugim SN. SN osim toga obavlja i funkciju rutiranja paketa poslatih od strane drugih SN ili Sink/BS, namenjenih svim SN ili grupi SN u mreži. Podaci prikupljeni od strane SN prosleđuju se ka Sink/BS preko većeg broja SN, tj. rutiraju se putem ad-hoc multi-hop arhitekture WSN.

2.2. Hijerarhijska (klasterizovana) arhitektura WSN

U mnogim primenama WSN nije neophodno da svi SN u mreži, ili nekom delu mreže, dostave podatke ka Sink/BS. U cilju smanjivanja količine saobraćaja i potrošnje energije, dostavlja se združena informacije dobijena kombinovanjem podataka više SN, [3]. Uspešno združivanje podataka, može se ostvariti formiranjem međusobno razdvojenih grupa SN klastera, [3]. Na Slici 2, prikazana je hijerarhijska arhitektura WSN sa podelom na klastere.

Slika 2. Hijerarhijska arhitektura WSN sa klasterima

Klaster sačinjava više SN, od kojih jedan preuzima ulogu koordinatora klastera (Cluster Head, CH). Ostali SN u klasteru komuniciraju samo sa CH, dok CH koordinira proces komunikacije i prikupljanja senzorskih podataka, i obavlja agregaciju podataka. Skup svih CH u mreži, koji međusobno komuniciraju i obavljaju rutiranje podataka i paketa od i ka Sink/BS, predstavlja viši sloj dvoslojne hijerarhijske arhitekture. Niži sloj čine SN u okviru jednog klastera, bez mogućnosti međusobne komunikacije. Izbor CH obavlja se po kriterijumu što manje potrošnje energije, kao i u skladu sa primenom WSN, saobraćajnim zahtevima mreže i potrebama rutiranja podataka, [3]. Ravnomerna potrošnja energije SN u klasteru obezbeđuje se periodičnom promenom CH. Rekonfiguracija klastera vrši se primenom posebnih mrežnih protokola, prilikom promene topologije i osobina saobraćaja u mreži, [3]. Klasterizacija WSN olakšava izvođenje agregacije podataka, povećava energetsku efikasnost i vreme života mreže, a smanjuje zauzetost radio kanala i verovatnoću kolizije paketa, [3]. Dodatne prednosti ove arhitekture su povećanje skalabilnosti mrežnih protokola, olakšavanje procesa rutiranja, omogućavanje jednostavnijeg održavanja topologije mreže i smanjivanje protokolskog overhead-a, [4].

2.3. Koncepti komunikacije u WSN

Proces komunikacije troši najveći deo energije SN platforme, pa je povećanje energetske efikasnosti osnovni zahtev pri razvoju komunikacione arhitekture.

Komunikaciju između SN u okviru WSN karakteriše različita složenost, od komunikacije jednog izvora i jednog odredišta, do mesh komunikacije više izvora i više odredišta. Rutiranje, zadavanje upita i otkrivanje odredišta su osnovni elementi servisa agregacije i distribucije podataka kroz mrežu, i moraju se prilagoditi razlikama u složenosti komunikacije u njoj, [5].

Rutiranje predstavlja osnovni aspekt prenosa podataka u WSN, koji se rešava u skladu sa specifičnim zahtevima WSN. Zadavanje upita predstavlja metod za prikupljanje podataka iz mreže, ekvivalentan pretraživanju baze podataka, i usko je povezan sa procesom rutiranja. Otkrivanje odredišta podataka obavlja se unutar mreže, koordiniranim, autonomnim radom SN.

Realizacija problema rutiranja, zadavanja upita i određivanja odredišta može se posmatrati na osnovu node-centričnog, data-centričnog i position-centričnog koncepta, [1]. Proces prikupljanja podataka ima inherentan prostorni aspekt. Osim toga, ovaj proces ima i inherentan data-centričan vremenski aspekt kada mreža mora da odgovori na specifične upite. Data i position centrični pristupi obezbeđuju visoku skalabilnost postupaka rutiranja, zadavanja upita i otkrivanja odredišta, što nije slučaj kod node-centričnog pristupa. Jedan od ova dva pristupa ili njihova kombinacija, zavisno od tipa primene WSN, predstavlja znatno bolje rešenje od klasičnog node-centričnog pristupa, [1].

Osnovna arhitektura WSN, slična je arhitekturi ad-hoc WCN (Wireless Communication Network), odnosno mesh ad-hoc WCN i mobilnim ad-hoc WCN (Mobile Ad-Hoc Networks, MANET). Ipak, priroda, način primene i osobine SN i druge karakteristike WSN značajno se razlikuju od onih u drugim ad-hoc WCN, [1]. Stoga, mrežni protokoli razvijeni za potrebe ad-hoc WCN ne zadovoljavaju zahteve koji postoje u WSN i nisu direktno primenljivi u njima [1,2].

Definisanje komunikacione arhitekture i mrežnih protokola mora da se prilagodi zahtevima i karakteristikama specifične primene WSN. Osim toga, razvoj komunikacione mrežne arhitekture mora uzeti u obzir brojne specifične karakteristike i zahteve WSN, koji su detaljno obrazloženi u [1].

3. VIŠESLOJNA MREŽNA ARHITEKTURA WSN

Na Slici 3. prikazana je višeslojna mrežna komunikaciona arhitektura, [2,6], za realizaciju komunikacije u elementima WSN (SN i Sink/BS). Osnovne funkcije fizičkog sloja, sloja linka za podatke, mrežnog sloja i transportnog sloja odgovaraju standardnim funkcijama ovih slojeva u referentnom modelu OSI. U sloju aplikacije realizuje se softverska podrška za različite tipove primene WSN, kao i tehnika agregacije i fuzije (kombinovanja) podataka. Agregacija podataka ostvaruje se u senzorskim čvorovima u kojima se stiču podaci većeg broja SN pri prenosu ka Sink/BS. Proces agregacije podataka povezan je sa rutiranjem paketa u WSN, pri čemu ovi procesi značajno utiču na energetsku efikasnost i dužinu života mreže. Pregled metoda agregacije dat je u [7].

Slika 3. Višeslojna mrežna arhitektura WSN

Dodatni element arhitekture sa Slike 3. je združena optimizacija slojeva mreže (Cross-Layer Optimization). Klasična realizacija komunikacione mreže zasniva se na slojevitoj arhitekturi i nezavisnoj optimizaciji slojeva. Ovim pristupom ostvaruju se dobri rezultati optimizacije i nezavisnost rada slojeva mreže, uz prenos velikog broja parametara kroz druge slojeve mreže. Klasičan pristup optimizacije u slučaju WSN dovodi do povećanja protokolskog overhead-a i smanjivanja energetske efikasnosti. Dodatno, u WSN sa ograničenim resursima, poboljšanja ostvarena u nekom od slojeva mogu izazvati pogoršanje karakteristika drugih slojeva mreže, [8].

Iz navedenih razloga, predložena je primena združene optimizacije slojeva mreže u WSN, [2,8,9]. Združenom optimizacijom na nivou sistema, korišćenjem svog raspoloživog znanja uz prenošenje informacija o stanju mreže između susednih SN, može se smanjiti protokolski overhead. U nekim predlozima protokola za rutiranje implicitno je tretiran i problem MAC protokola, odnosno njihova združena optimizacija, [10]. Očekuje se da dalja istraživanja združene optimizacije potvrde prednosti ovog pristupa koje bi opravdale narušavanje osnovnog zahteva OSI referentnog modela, nezavisnosti slojeva mreže.

U prikazanoj višeslojnoj mrežnoj arhitekturi, Slika 3, združena optimizacija se obavlja u ravnima upravljanja potrošnjom energije, ciljevima rada, sigurnošću, mobilnošću, procesima lokalizacije, sinhronizacije i detekcije susednih SN. Neke od ovih ravni su neophodne, npr. ravan upravljanja potrošnjom energije koja upravlja potrošnjom energije pri komunikaciji, obradi podataka i radu senzora (npr. SN šalje poruku svim susednim SN da zbog smanjene energije neće obavljati rutiranje paketa). Upravljanjem mobilnošću i lokalizacijom vrši se detekcija i registrovanje pokreta/mobilnosti SN na nivou mreže i određuju lokacije SN u cilju očuvanja povratnih ruta i informacije o susednim SN, jednake potrošnje energije SN i korišćenja poznavanja stanja mreže. Upravljanjem ciljevima omogućava se kooperativan rad SN na nivou WSN ili prostornih regiona mreže. Pri tome, usklađuje se i raspoređuje aktivnost senzora u mreži, u cilju smanjivanja i ujednačavanja potrošnje energije SN. Problemi sigurnosti i sinhronizacije u WSN detaljnije su analizirani u [10,11]. Jedan pristup rešavanja ovih problema je putem združene optimizacije slojeva.

Prikazana višeslojna mrežna arhitektura sa Slike 3. omogućava integraciju rutiranja i saznanja o potrošnji i raspoloživoj energiji SN, agregaciju podataka, efikasno trošenje energije pri bežičnoj komunikaciji na nivou mreže i promovisanje kooperativnog rada SN. Karakteristike i priroda komunikacije u WSN postavljaju specifične zahteve pred protokole i tehnike za implementaciju opisane mrežne arhitekture. Pregled osnovnih zahteva za pojedine slojeve mreže dat je u narednim poglavljima dok je u nastavku ovog poglavlja dat kratak pregled karakteristika fizičkog sloja u WSN.

3.1. Karakteristike fizičkog sloja u WSN

U okviru fizičkog sloja WSN obavlja se selekcija radio kanala, generisanje signala nosioca, detekcija signala, modulacija i enkripcija podataka. Za potrebe rada WSN najčešće se predlažu ISM (Indistrial, Scientific & Medical) opsezi učestanosti sa centralnim učestanostima opsega vrednosti 433,92 MHz, 915 MHz i 2450 MHz, [2].

Osnovni zahtev pri realizaciji fizičkog sloja u WSN je ostvarivanje energetske efikasnosti na nivou multifunkcionalne platforme senzorskog čvora. Iz tog razloga komunikacija SN u okviru WSN obavlja se na malim rastojanjima (povećanje dometa zahteva značajno povećanje utroška energije). U nekim primenama WSN korišćenjem antena postavljenih veoma blizu površine tla javlja se specifična propagacija radio signala, odnosno dolazi do poništavanja radio signala na prijemu usled refleksije od tla. Multi-hop komunikacija, uslovljena malim dometima i zahtevom da se sačuva energija, omogućava zaobilaženje prepreka, prevazilaženje problema fedinga usled shadowing-a i slabljenja pri prenosu. Komunikacija se ostvaruje putem prenosa kratkih paketa, pri čemu se u opštem slučaju ne zahtevaju velike vrednosti brzine prenosa podataka. Iako propagaciono slabljenje, feding i kapacitet kanala ograničavaju pouzdanost prenosa, ovi efekti mogu se iskoristiti za potrebe prostornog ponavljanja upotrebe (reuse) radio kanala.

Izbor dobre modulacione šeme u WSN predstavlja kritičan uslov. M-arni modulacioni postupci smanjuju trajanje prenosa, ali dovode do povećanja složenosti radio interfejsa i povećane potrošnje energije. Pri dominantnom uticaju potrošnje energije, koje se javlja pri otpočinjanju komunikacije, povoljniji izbor u smislu energetske efikasnosti predstavljaju binarne modulacije, [2].

Predložena je primena modema na bazi tehnike proširenog spektra sa direktnom sekvencom male predajne snage, koju je moguće implementirati u ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) tehnologiji, [2]. Predložena je i primena UWB (Ultra Wideband) ili impulsnog radija. UWB radio u osnovnom opsegu uz primenu PPM (Pulse Position Modulation) ne zahteva generisanje radio nosioca i primenu međufrekventnog stepena. Rešenje odlikuju otpornost na multipath propagaciju, nizak nivo predajne snage i jednostavnost.

Dizajn energetski efikasnih primopredajnika i drugih hardverskih komponenata, razvoj jednostavnih postupaka modulacije za rad sa malom predajnom snagom i strategija za prevazilaženja efekata propagacije predstavljaju značajne pravce daljeg istraživanja u oblasti razvoja fizičkog sloja za WSN. Od interesa su i nove strategije upravljanja hardverom radi postizanja energetske efikasnosti, upravljanja radnim učestanostima (višekanalni rad) i smanjivanja utroška energije pri prelazu između modova rada (switching).

4. SLOJ LINKA ZA PODATKE

Sloj linka za podatke (DLL, Data Link Layer) u okviru WSN obavlja uobičajene funkcije definisane OSI referentnim modelom. Osnovni zadatak DLL je obezbeđivanje pouzdanih konekcija tipa PTP (Point-to-Point) i PTMP (Point-to-Multipoint) u okviru WSN. Specifične karakteristike komunikacionog okruženja u WSN uslovljavaju razvoj posebno prilagođenih protokola i postupaka za potrebe DLL. Ovo se posebno odnosi na protokole i postupke koji se koriste u okviru podsloja kontrole pristupa medijumu (MAC, Medium Access Control) i za kontrolu grešaka, [2,10,12,13].

4.1. Kontrola grešaka pri prenosu podataka

Najčešće razmatrane tehnike za kontrole grešaka pri prenosu podataka su FEC (Forward Error Correction) i ARQ (Automatic Repeat Request). Dodatni utrošak energije pri retransmisiji paketa i overhead u slučaju ARQ mehanizama, značajno ograničavaju mogućnost njihove primene u multi-hop okruženju WSN. Primenu FEC karakteriše velika računska složenost i značajni procesorski zahtevi za potrebe kodiranja i dekodiranja. Ograničeni hardverski resursi SN platformi, u smislu mogućnosti obrade i raspoložive energije, predstavljaju značajan problem pri primeni složenih FEC tehnika u WSN.

Većinu scenarija primene WSN karakteriše nepredvidiva i nepovoljna priroda radio kanala, [2]. Pojedine primene WSN zahtevaju prenos podataka sa izuzetnom tačnošću (praćenje ciljeva, nadgledanje industrijskih postrojenja i sl.). Stoga, pouzdanost linka za prenos podataka u WSN ima relativno veći značaj u odnosu na standardne WCN. Povećanje pouzdanosti linka, odnosno smanjivanje verovatnoće greške po bitu (BER, Bit Error Rate) pri prenosu, moguće je ostvariti povećanjem bitske energije ili primenom FEC. Povećanje bitske energije radio signala zahteva povećanje snage radio predajnika, s obzirom na to da su vrednosti protoka u WSN male. Sa druge strane, zahtevi energetske efikasnosti i ograničena energija SN platformi onemogućavaju značajnije povećanje snage predajnika. Iz tog razloga, pouzdanost linka mora se ostvariti primenom FEC, što takođe dovodi do povećanja potrošnje energije. Pokazano je, [2], da za frekvencijski neselektivan Rayleigh-ev kanal i konvoluciono kodiranje, postoji eksponencijalno povećanje srednje potrošnje energije po korisnom bitu u funkciji primenjenog koda konstantne dužine (CL, Constraint Length) nazavisno od kodnog količnika. Preporučena je primena posebnog on-board Viterbi dekodera, usled neefikasnosti primene mikroprocesora za potrebe realizacije FEC. Zaključeno je da pogodno, energetski efikasno, rešenje u WSN predstavlja primena FEC tehnika sa malom složenošću postupaka kodiranja i dekodiranja, pri čemu se mora voditi računa o obezbeđivanju zahtevane pouzdanosti linka.

4.2. MAC protokoli

U okviru bežične multi-hop WSN, MAC protokol mora da omogući stvaranje mrežne infrastrukture, tj. da uspostavi linkove za prenos podataka za veliki broj rasutih SN u okviru senzorskog polja, i time obezbedi samoorganizovanje mreže. Dodatno, neophodno je obezbediti pravično i efikasno deljenje komunikacionih resursa mreže, [2,10,12,13].

4.2.1. Osnovni zahtevi pri razvoju MAC protokola

Dizajn MAC protokola u WSN uglavnom je uslovljen ostvarivanjem energetske efikasnosti u cilju produžavanja života senzorskih čvorova, a samim tim i mreže. Osim toga, razvoj MAC protokola mora da uzme u obzir malu procesorsku snagu i memorijski kapacitet SN platformi, kao i slabe mogućnosti sinhronizacije u okviru mreže, [1,10,12]. Osim energetske efikasnosti, rešenje MAC protokola mora da obezbedi visoku pouzdanost, malo kašnjenje pri pristupu i zahtevane protoke pod prethodno navedenim uslovima. Pri razvoju MAC protokola u okviru WSN, moraju se ispuniti zahtevi skalabilnosti i adaptivnosti na promene dimenzija, gustine rasporeda SN i topologije mreže. Dodatne karakteristike dobrog MAC protokola za WSN su: smanjivanje kašnjenja (latency), povećanje kapaciteta i spektralne efikasnosti. Pošto svi SN dele isti cilj rada mreže, raspodela resursa mreže na pravičan način ne predstavlja primarni zahtev pri razvoju MAC protokola za primenu u WSN.

Osnovni razlozi povećanja potrošnje energije, tj. smanjivanja energetske efikasnosti MAC protokola su: kolizija paketa, prijem paketa koji nisu namenjeni posmatranom SN (overhearing), prenos kontrolnih paketa (control-packet overhead), osluškivanje praznog kanala (idle listening) i emitovanje paketa kada odredišni SN nije spreman da ga primi (overemitting), [10,12]. Kolizija paketa se javlja kada je SN u dometu više SN koji istovremeno emituju paket, a energija se troši na neuspešnu predaju i prijem paketa. U slučaju pojave overhearing-a energija se troši na prijem nepotrebnih paketa. Prenos kontrolnih paketa predstavlja izuzetno veliki procenat ukupnog saobraćaja (40% do 70% u slučaju kratkih paketa), tj. izaziva značajan utrošak energije. Pošto SN generalno nije upoznat sa tim kada će mu paket biti poslat, veoma često se obavlja osluškivanje praznog kanala, uz odgovarajući nepotreban utrošak energije. Iz istog razloga, SN često nema uključen prijemnik u trenutku kada mu je poslat paket, što zahteva ponovno slanje, a samim tim i dodatan utrošak energije.

4.2.2. Klasifikacija MAC protokola za WSN

U većini radova u kojima je dat pregled i poređenje MAC protokola predloženih za primenu u WSN korišćena je klasifikacija na bazi primenjenih tradicionalnih MAC tehnika, [2,10,13]. Ipak, ne postoji opšte rešenje za problem komunikacije u WSN, već se ono mora prilagođavati svakoj pojedinačnoj primeni, [1]. Iz tog razloga, klasifikacija izvedena na ovaj način ne pruža korisne i jasne naznake dizajnerima mreže o izboru odgovarajućeg MAC protokola u skladu sa scenariom komunikacije, okruženjem, primenom i drugim okolnostima.

Klasifikacija predložena u [12] izvedena je na osnovu saobraćajnih obrazaca za koje je pokazano da imaju značajan uticaj na izbor odgovarajućeg MAC protokola. Osim toga, data klasifikacija zasnovana je na pregledu specifičnih problema koji se rešavaju, a ne primenjenih varijacija tehnika. Na ovaj način, se stiče uvid u predložena rešenja i razloge njihove primene.

Klasifikacija MAC protokola za WSN data u [12] prikazana je na Slici 4. Pri tome je za svaku klasu protokola prikazana dodatna podela na osnovu funkcija/karakteristika kojima su prilagođena predložena rešenja MAC protokola. U nastavku teksta biće dat sažet pregled klasifikacije MAC protokola, a detalji, objašnjenja i opisi karakteristika pojedinih MAC protokola sa međusobnim poređenjem mogu se naći u [2,10,12,13].

4.2.3. Kanonska (canonical) rešenja

Standardni koncepti dizajna MAC protokola, stohastički (contention-based) i deterministički (reservation-based), nisu direktno primenljivi u WSN. Konvencionalni deterministički protokoli, npr. protokoli zasnovani na višestrukom pristupu sa vremenskom raspodelom (TDMA, Time Division Multiple Access), zahtevaju poznavanje topologije mreže, postojanje centralnog entiteta koji rukovodi komunikacijom, sinhronizaciju i druge uslove koji nisu ispunjeni u WSN. Na Slici 4. posebno su prikazana kanonska (canonical) rešenja MAC protokola u WSN, kao standardnih stohastičkih MAC protokola, a koji su namenjeni rešavanju pojedinih od navedenih razloga povećanja potrošnje energije u WSN.

4.2.4. Protokoli na bazi rasporeda

Protokoli na bazi rasporeda (SP, Scheduled Protocol) pogodni su u slučaju postojanja periodičnog saobraćaja sa visokim saobraćajnim zahtevima. Za WSN je generalno najpogodnija kombinacija TDMA sa FDMA (Frequency Division Multiple Access), pri čemu različiti SN koriste dodeljene RF kanale i vremenske slotove. Primena TDMA onemogućava pojavu kolizije i overhearing-a, kao i minimizaciju idle listening-a. Ovo rešenje karakterišu ograničeno kašnjenje (latency), ravnopravan pristup resursima i velike brzina prenosa pri značajnom saobraćajnom opterećenju.

Dodeljivanje vremenskog slota pri uspostavljanju i održavanju rasporeda (schedule) može se obaviti na nivou komunikacionog linka, predajnika ili prijemnika. Dodela na bazi komunikacionog linka ima najveću energetsku efikasnost pri uspostavljenom rasporedu. Ipak, javlja se značajan overhead usled zahteva za uspostavljanjem novog rasporeda pri promenljivim saobraćajnim uslovima, nepreciznoj sinhronizaciji rada SN i dinamičnim promenama mreže. Dodela na bazi predajnika minimizuje idle listening, eliminiše kolizije i delimično smanjuje overhead, ali se ne rešava problem overhearing-a. Dodela na bazi predajnika eliminiše problem overhearing-a, minimizuje idle listening, smanjuje se overhead, ali ostaje mogućnost kolizije. Prva dva rešenja pogodna su u slučaju velikog opterećenja sa periodičnim saobraćajem osetljivim na kašnjenje, dok je treće rešenje pogodno za srednja saobraćajna opterećenja.

U WSN bez centralnog pristupnog čvora udaljenog za 1 skok (hop) od SN, javlja se problem povećane složenosti i visoke cene održavanja stroge sinhronizacije i distribucije slotova bez kolizije. Problem je moguće prevazići distribuiranjem funkcije scheduling-a, ali samo u slučaju mreža sa malim brojem SN. Odnosno, ovo rešenje karakteriše problem nedovoljne skalabilnosti. Dodatni problem predstavlja mala energetska efikasnost usled ponavljanja paketa pri broadcast komunikaciji koja se često javlja u WSN, osim u slučaju rasporeda na bazi predajnika. Osim toga, rešenje odlikuje smanjena fleksibilnost zbog potrebe usklađivanja rasporeda dodele usled promena topologije i saobraćajnih zahteva karakterističnih za WSN. Za uspostavljanje rasporeda bez kolizija neophodno je čuvanje informacije o topologiji mreže na rastojanju od 2 hop-a, što uslovljava povećanje memorijskog prostora i povećanje potrošnje energije.

4.2.5. Protokoli sa zajedničkim aktivnim periodima

Kod protokola sa zajedničkim aktivnim periodom (CAP, Common Active Period) SN u mreži definišu zajedničke periode u kojima se nalaze u aktivnom modu, koji se koristi za komunikaciju, ili neaktivnom (sleep) modu, u kome se štedi energija. Ovakav pristup zahteva da SN održavaju određeni nivo sinhronizacije radi očuvanja zajedničkih aktivnih/neaktivnih perioda. Tokom perioda u kome se nalaze u aktivnom modu rada, pristup medijumu za prenos ostvaruje se primenom stohastičkih protokola (CSMA, IEEE 802.11 DCF i sl.).

Stohastički MAC protokoli ostvaruju najbolje karakteristike u slučaju primena sa periodičnim saobraćajem (npr. monitoring) i onim primenama u kojima se paketi periodično razmenjuju za obezbeđivanje pouzdanosti mreže. Ovo rešenje nije pogodno za primene u kojima se javlja nepravilan saobraćaj, sa velikim brojem kolizija u periodima intenzivnog saobraćaja.

Primena zajedničkih perioda aktivnog/nekativnog moda rada fiksnog trajanja je suviše rigidna. Duže trajanje aktivnih perioda povećava problem idle listening-a a smanjuje pojavu kolizija, i obratno, na osnovu čega se može izvršiti izbor optimalnog trajanja. Fiksno trajanje perioda aktivnog moda, proračunatog na osnovu pretpostavljenog saobraćaja, onemogućava SN da dinamički menja duty-cycle radi usklađivanja sa nestacionarnim i prostorno neujednačenim saobraćajnim zahtevima. Ovakvi saobraćajni zahtevi karakteristična su osobina WSN, pošto neki čvorovi češće preuzimaju ulogu releja (posebno oni blizu Sink/BS). Poseban problem javlja se u slučaju primene koja zahteva dojavu pojave događaja od strane SN. Neaktivan mod rada, osim uštede energije, uslovljava dodatno kašnjenje sa kraja na kraj, čime se povećava latency u multi-hop WS, pošto SN koji pripadaju jednoj ruti prenosa podataka ne moraju imati vremenski usklađene aktivne/neaktivne periode. U svakom slučaju postoji problem određivanja trajanja aktivnog perioda, kao i odnosa trajanja aktivnog i neaktivnog perioda.

4.2.6. Protokoli sa detekcijom preambule

Protokoli sa detekcijom preambule (Preambule Sampling) umesto zajedničkog rasporeda aktivnog/neaktivnog moda, koriste nezavisan raspored za svaki SN. U slučaju ovog tipa MAC protokola, SN najveći deo vremena provodi u neaktivnom modu, a budi se na vrlo kratki period vremena da proveri da li u kanalu postoji prenos. Kako bi se izbegla pojava nemogućnosti komunikacije dva SN (deafness) svakom okviru (frame) podataka prethodi preambula dovoljnog trajanja kako bi svi potencijalni prijemnici detektovali preambulu. SN karakteriše zajednički duty-cycle parametar. Trajanje premabule mora biti bar jednako periodu između dva osmatranja kanala (dva buđenja SN). Tehnika detekcije preambule kombinuje se sa ALOHA i CSMA protokolima.

Protokoli sa detekcijom preambule značajno smanjuju sinhronizacioni overhead. Na taj način, ostvaruje se značajna ušteda energije, ali na račun dugog trajanja preambule. Pošto je potrošnja energije smanjena za prijemnike a povećana za predajnike, ovi protokoli podesni su za primene sa retkim slanjem paketa (npr. nadgledanje). Veliko trajanje preambule uslovljava to da pojava kolizije izaziva značajnu potrošnju energije predajnika. U slučaju česte pojave kolizije, gubi se efekat uštede energije od strane prijemnika, tako da je neophodno uspostaviti mehanizme za izbegavanje pojave kolizija. Pri primeni ovog tipa protokola, u cilju smanjivanja potrošnje energije smanjuje se duty-cycle. Potrebno je odrediti optimalnu vrednost duty-cycle, kako se ne bi došlo u situaciju prevelikog trajanja preambule. Optimalna vrednost za duty-cycle određuje se na osnovu predajne snage, prijemne snage, količine saobraćaja i vremena potrebno za promenu modova rada.

4.2.7. Hibridni protokoli

Hibridni protokoli predstavljaju kombinaciju prethodno pomenutih tipova MAC protokola u cilju iskorišćavanja njihovih dobrih osobina u slučaju promenljivog saobraćajnog okruženja. Pri tome, kada predaju obavlja mali broj SN, bolje karakteristike pokazuju stohastički zasnovani protokoli, dok je za veća saobraćajna opterećenja pogodnije koristiti deterministički zasnovane protokole.

4.2.8. Uticaj izbora hardverskih opcija

Izbor hardverske implementacije platforme SN sa stanovišta realizacije RF (Radio Frequency) značajno utiče na performanse MAC protokola.

Jednu od bitnih karakteristika MAC protokola u WSN predstavlja rad sa malim faktorom režima (duty-cycle) i gašenjem predajnika kada nema potrebe za komunikacijom. Zbog korišćenja vrlo kratkih paketa, česti prelasci između aktivnog/neaktivnog stanja predajnika, i promene stanja multifunkcionalne SN platforme, mogu izazvati povećanje potrošnje energije, [2,14].

Postoje implementacije u kojima se radio realizuje u istom čipu (SCR, Single Chip Radio) i implementacije sa posebnim radijom za „buđenje“ (WR, Wakeup Radio) i glavnim (data) radijom. Poseban WR omogućava brzo buđenje glavnog radija po detekciji zahteva za komunikacijom. Na ovaj način minimizuje se trajanje idle listening-a za glavni radio. Mana se sastoji u tome što korišćeno jednostavno hardversko rešenje male složenosti nema mogućnost čuvanja osnovnih informacija potrebnih za komunikaciju (npr. adresa SN odredišta). Pri tome, pri predaji se često javlja istovremeno nepotrebno buđenje velikog broja susednih SN. Osim toga, WR može biti veoma osetljiv na ton za buđenje (wakeup), pa čak i šum može izazvati buđenje i bespotrebnu potrošnju energije. WR i glavni radio u ovoj realizaciji rade u različitim RF kanalima što može dovesti do toga da predajni SN ne uspe da probudi SN sa kojim želi da komunicira. Konačno, ovim pristupom se povećava ukupna cena SN platforme.

Moguća je primena radija kod koga mikrokontroler upravlja prenosom na nivou bita (bitski radio) ili paketa (paketski radio). U principu, radi se o izboru između raznovrsnosti (softverska fleksibilnost) i performansi, odnosno izboru između uskopojasnog ili širokopojasnog radija. Uskopojasni radio predstavlja fleksibilnije rešenje kod koga mikrokontroler kontroliše većinu funkcija radija, uključujući kontrolu prenosa svakog bita preko radio interfejsa. Uskopojasni radio odlikuju kratko vreme prebacivanja (switching) između aktivnog i neaktivnog moda, koje predstavlja glavni izvor gubitka energije. Cena koja se pri tom plaća je povećana verovatnoća greške pri prenosu usled primene jednostavnih postupaka modulacije bez primene kodova za širenje spektra. Širokopojasni radio je robustniji, ali manje fleksibilan i sa povećanom potrošnjom energije. U ovom slučaju primenjuju se složenije modulacije (npr. tehnika proširenog spektra sa direktnom sekvencom). Širokopojasni radio je paketski radio sa prenosom celog paketa korišćenjem hardvera (uključujući kola za sinhronizaciju, kanalsko kodovanje i sigurnosne protokole), pošto mikrokontroler ne može da preuzme ove funkcije. Radio izvršava funkcije kodiranja, fizičkog prenosa preambule, enkripcije, CRC operacija, filtriranja adrese i automatskog prenosa ACK paketa.

Pojedine realizacije radija ne omogućavaju promenljive dužine okvira, što stvara probleme pri realizaciji nekih MAC protokola. Pri izboru radija mora se voditi računa o zahtevima primene WSN kao što su: otpornost na interferenciju, vreme prebacivanja između modova rada, fleksibilnost, propusni opseg, potrošnja energije različitih modova rada, programibilnost i cena.

Dostupne implementacije radio čipova male snage omogućavaju programiranje učestanosti nosioca u opsegu od nekoliko desetina MHz, odnosno formiranje i do 150 nepreklapajućih radio kanala. U slučaju jednokanalnih MAC protokola svi SN koriste isti radio kanal, dok se u slučaju frekvencijski agilnih MAC protokola učestanost nosioca menja tokom rada. Noviji čipovi omogućavaju brzu promenu učestanosti (reda 0,1ms), što podržava realizaciju višekanalne hardverske podrške pri realizaciji MAC protokola. Ovakva realizacija ima potencijal da postane standardan postupak za smanjivanje verovatnoće pojave kolizija i povećanje protoka i pouzdanosti. Višekanalna hardverska podrška omogućava povećanje mrežnog kapaciteta uz smanjivanje nadmetanja za medijum prenosa dodavanjem dodatnih kanala u slučaju pojave zagušenja. Ova realizacija može se iskoristiti za povećanje otpornosti na dugotrajnu uskopojasnu i promenljivu interferenciju. Prednosti i mogućnost primene višekanalnih MAC protokola u WSN pokazane su u većem broju eksperimenata.

Implementacija radija sa velikom količinom RAM nije povoljna usled veće potrošnje energije za potrebe čuvanja podataka u RAM. Bolje rešenje predstavlja primena dodatne elektronike u cilju smanjivanja veličine koda (softvera) koji se čuva u RAM. Na ovaj način pravi se kompromis između performansi i fleksibilnosti. U slučaju tipične realizacije SN sa 4 kB memorije, od kojih se 3 kB troše za druge namene (npr. operativni sistem), 1 kB se može koristiti za potrebe baferisanja paketa (do 10 paketa). Na ovaj način, značajno se poboljšavaju performanse MAC protokola, odnosno moguće je povećanje intervala generisanja paketa i do 50%.

Kontrola snage na predaji u cilju poboljšanja energetske efikasnosti WSN predložena je u brojnim radovima, [10]. Iako je kontrola snage veoma korisna u smislu kontrole tokova saobraćaja, kontrole zagušenja (congestion) i smanjivanja nivoa interferencije, ušteda energije smanjivanjem predajne snage je veoma mala, pošto je potrošnja energije radija u opsegu tipičnih predajnih nivoa snage koji se koriste u embedded SN.

5. MREŽNI SLOJ

Mrežni sloj (NL, Network Layer) u WSN obavlja standardne funkcije definisane OSI referentnim modelom. Pri razvoju mrežnog sloja za WSN mora se prvenstveno voditi računa o efikasnom korišćenju energije, kao i data-centričnoj prirodi komunikacije. Rutiranje predstavlja najbitniju funkciju NL, pa je u daljem tekstu detaljnije opisan proces rutiranje u WSN. Treba naglasiti da mrežni sloj omogućava internetworking sa drugim WSN, sistemima za komandu i kontrolu, i sa spoljnjim mrežama, najčešće baziranim na IP (Internet Protocol).

5.1. Uslovi rutiranja u WSN

Protokol rutiranja mora da omogući prenos podataka uz istovremeno produžavanje života mreže i sprečavanje degradacije konektivnosti mreže. Dizajn protokola rutiranja mora uzeti u obzir veoma veliki broj faktora i problema tipičnih za WSN, [2,15,16].

Iako scenario komunikacije u WSN zavisi od primene mreže, ograničenje energije napajanja, procesorske snage i kapaciteta radio kanala su karakteristični za najveći broj primena. Dizajn protokola rutiranja u WSN, kao i celokupne komunikacione arhitekture, mora pod navedenim uslovima da obezbedi uspešan prenos prikupljenih podataka, uz što duže vreme života mreže. U tom cilju primenjuju se agresivne tehnike upravljanja potrošnjom energije.

Rutiranje po predefinisanim putanjama moguće je samo u slučaju manuelnog postavljanja SN u okviru WSN polja, ali i tada dolazi do promene topologije usled otkaza SN. Slučajan raspored SN u okviru senzorskog polja rezultuje ad-hoc infrastrukturom u procesu rutiranja. Pri tome, za obezbeđivanje konektivnosti i energetske efikasnosti veliki značaj imaju metodi klasterizacije mreže. Kratak domet linka, usled zahteva za uštedom energije pri prenosu, kao i mali kapacitet radio linkova uslovljavaju primenu multi-hop rutiranja. U multi-hop WSN, svaki SN ima ulogu izvora i rutera paketa, pri čemu otkaz SN, usled kvara ili prelaza u neaktivno stanje radi uštede energije, izaziva promenu topologije mreže. U slučaju promene topologije neophodno je izvršiti rerutiranje i reorganizaciju mreže.

Zavisno od primene WSN, SN dostavljaju podatke merenja u zadatom trenutku ili periodično, na osnovu detekcije događaja ili na osnovu upita. Samim tim, proces dostavljanja podataka ostvaruje se primenom time-driven, event-driven ili query-driven metoda, respektivno. U slučaju poslednja dva metoda, brzina reakcije SN i vreme prenosa podataka često su kritični za uspešnu primenu WSN (npr. detekciju opasnosti). U primenama u kojima se zahteva što brže dostavljanje podataka nakon detekcije pojave koja se osmatra, maksimalni latency predstavlja osnovni zahtev za kvalitetom (QoS, Quality of Service) o kome se mora voditi računa pri razvoju protokola rutiranja. Metod dostavljanja podataka značajno utiče na proračun ruta i potrošnju energije pri rutiranju. U svakom slučaju, rutiranje se mora prilagoditi QoS zahtevima određenim primenom mreže, pa i promeni QoS zahteva u vremenu usled dinamičkih osobina WSN. Ipak, u većini primena osnovni zahtev je konzervacija energije SN. Iz tog razloga, najčešće se razmatra razvoj energetski efikasnih protokola.

WSN karakterišu veliki broj i gustina SN, kao i mogućnost brze promene broja komunikaciono aktivnih SN. Iz tog razloga, mrežu najčešće odlikuje visoka konektivnost. Slučajan raspored SN u senzorskom polju uslovljava različit nivo konektivnosti. WSN karakteriše česta pojava otkaza, prelasci u neaktivno stanje ili blokiranje rada pojedinih SN, usled čega dolazi do promene topologije i konektivnosti. Pri tome MAC protokoli i protokoli rutiranja moraju da omoguće uspostavljanje novih linkova i ruta do izvora podataka. Rutiranje u mreži mora se prilagođavati promenama uz obezbeđivanje energetski efikasnog rerutiranja, korišćenjem regiona sa većim rezervama energije, odnosno mora postojati ugrađena redundansa u cilju tolerancije otkaza. U svakom slučaju, dizajn protokola rutiranja mora uzeti u obzir visoku konektivnost i pokrivanje u WSN, kao i promenu ovih karakteristika u vremenu.

Agregacija i fuzija podataka u WSN izuzetno je korisna, kako za potrebe efikasnijeg ostvarivanja senzorske funkcije tako i u smislu smanjivanja količine saobraćaja u mreži. Ipak, agregacija i fuzija podataka, ne sme da ometa zajednički napor SN u ostvarivanju cilja WSN. Rutiranje mora do obezbedi osnovu za uspešnu agregaciju i fuziju podataka, obradu podataka unutar mreže ili adekvatno prikupljanje podataka za potrebe obrade i korelacije na spoljašnjim platformama.

Ukoliko je cilj rada WSN detekcija određene pojave, veliki broj bliskih SN istovremeno detektuje pojavu, usled preklapanja senzorske funkcije (overlap), i pokušava da pošalje istu informaciju o tome susednom SN. WSN karakteriše i problem implozije (prijem više verzija iste poruke od strane jednog SN). Problemi implozije i preklapanja (overlap) delimično se rešavaju primenom agregacije podataka. Ipak, protokoli rutiranja moraju imati dobre osobine po pitanju skalabilnosti.

Proces rutiranje veoma je složen u heterogenim WSN, odnosno kada SN koji čine mrežu imaju različite karakteristike u smislu skupa senzora, procesorske snage, rezervi energije i sl. Često je potrebno ostvariti nezavisan rad različitih senzora, pri čemu WSN mora da podrži više primena sa različitim metodama dostavljanja podataka i QoS zahtevima. Ovakav način rada stvara izuzetno složene probleme pri dizajnu rutiranja u mreži.

Primene u kojima postoji mobilnost SN i/ili Sink/BS postavljaju dodatne zahteve pri rutiranju u smislu stabilnosti ruta i topologije. Pojava koja se detektuje može da bude mobilna, što zahteva periodično dostavljanje podataka ili promenu aktivnog/neaktivnog stanja SN duž trajektorije pojave koja se osmatra. Sa druge strane, osmatranje fiksnih pojava omogućava rad WSN u reaktivnom modu, dok osmatranje dinamičnih pojava u opštem slučaju zahteva periodično izveštavanje Sink-a.

5.2. Klasifikacija protokola rutiranja

Usled velikog broja primena i scenarija rada WSN, pri čemu se postavljaju različiti specifični uslovi rada, do sada je predložen izuzetno veliki broj protokola rutiranja za WSN, [2,7,15,16]. Klasifikacija protokola rutiranja u WSN može se uslovno izvršiti na osnovu strukture mreže, načina rada protokola, kao i na osnovu načina određivanja rute do odredišta, Slika 5. Ovakva klasifikacija ne obuhvata sve predložene protokole, niti je to praktično moguće jednoznačno učiniti.

Jedan od ciljeva ovog rada je definisanje osnovnih pravaca razvoja protokola rutiranja u WSN. Trenutno su aktuelni brojni novi pravci razvoja protokola rutiranja za WSN, npr. razvoj oportunističkih protokola, [17]. Detaljan opis protokola, načina njihovog rada, i međusobno poređenje izlazi van okvira ovog rada.

Moguće je navesti osnovni skup karakteristika protokola rutiranja bitnih pri izboru protokola za određenu primenu u WSN, i to: klasa na bazi strukture mreže, podrška mobilnosti SN, postojanje saznanja o poziciji u okviru mreže, potrošnja energije, mogućnost podrške agregaciji podataka, podrška za lokalizaciju, podrška QoS zahteva, složenost, skalabilnost, podrška za višestruke putanja rutiranja, podrška radu sa zadavanjem upita ili pregovaranja.

Slika 5. Klasifikacija protokola rutiranja za WSN

5.2.1. Podela protokola na osnovu strukture mreže

Flatmultihop protokoli rutiranja, pogodni su u slučaju kada svi SN imaju istu ulogu, i sarađuju u cilju izvršenja senzorske funkcije, Slika 1. Zbog velikog broja SN nemoguće je dodeliti globalni identifikator svakom SN. Usled toga usvaja se data-centic model rutiranja u kome Sink/BS šalje upit (query) ka određenom regionu mreže i čeka odgovor SN iz tog regiona. Ovakav rad zahteva primenu adresiranja zasnovanog na atributima, kako bi se specificirale zahtevane osobine traženih podataka.

Hijerarhijski protokoli rutiranja, ili metodi rutiranja na bazi klasterizacije, predstavljaju poznat koncept sa dobrom skalabilnošću i efikasnošću komunikacije. Ovaj koncept moguće je primeniti u WSN za ostvarivanje energetski efikasnog rutiranja. U hijerarhijskoj arhitekturi WSN, Slika 2, SN sa većom raspoloživom energijom obavljaju obradu i prenos informacija, dok ostali SN obavljaju senzorsku funkciju. Kreiranje klastera i dodela specijalnih zaduženja za CH značajno poboljšavaju skalabilnost, vreme života i energetsku efikasnost mreže. U okviru klastera obavlja se agregacija i fuzija podataka čime se smanjuje količina saobraćaja prosleđenog van klastera. Hijerarhijsko rutiranje sastoji se od dva sloja. U prvom se bira CH, a u drugom obavlja rutiranje. Problem formiranja klastera je poseban problem koji rešavaju protokoli za klasterizaciju WSN, [3]. Većina predloženih hijerarhijskih protokola rutiranja bavi se problemom koji SN i kada treba da vrši agregaciju/obradu informacija, obavlja alokaciju kanala i sl, [15].

U slučaju protokola rutiranja zasnovanih na lokaciji, adresiranje SN obavlja se na osnovu lokacije. Rastojanje između SN moguće je proceniti na osnovu snage signala na prijemu, a relativne koordinate se mogu pribaviti razmenom informacija o rastojanju između susednih SN. Lokacija SN može se pribaviti primenom GPS (Global Positioning System), ukoliko je to podržano, odnosno primenom posebnih tehnika lokalizacije, [18,19]. U cilju uštede energije neki protokoli ovog tipa zahtevaju prelazak SN u neaktivan mod kada nema potrebe za njihovim radom, i to za što veći broj čvorova. Pri tome, neophodno je razviti raspored prelaska u neaktivan mod za svaki SN.

5.2.2. Podela protokola po načinu rada

Klasifikacijom na osnovu načina rada protokola rutiranja moguće je izvršiti podelu na sledeće klase protokola:

· protokoli na bazi više putanja (multipath-based), kod kojih se povećavanje tolerancije (rezistentnosti) na otkaze ostvaruje uspostavljanjem alternativnih putanja između izvorišta i odredišta. Alternativne rute se održavaju aktivnim periodičnim slanjem poruka, a ovakav pristup dovodi do povećanja utroška energije i količine saobraćaja. Pouzdanost mreže se postiže po cenu povećanja overhead-a;

· protokoli na bazi upita (query-based), u kojima odredišni SN propagiraju upit za podacima (senzorski zadatak) kroz mrežu, a SN koji poseduje odgovarajuće podatke (odgovor na upit) šalje podatke nazad ka SN koji je inicirao proces. Svi SN poseduju tabele senzorskih zadataka koje primaju i šalju odgovarajuće podatke kad prime upit. Jedna moguća realizacija je da se pri propagaciji interesa (upita) uspostavlja gradijentna putanja ka izvoru upita, pa SN koji odgovara na upit šalje podatke po ovoj putanji (Directed Diffusion protokol). U cilju smanjivanja potrošnje energije duž rute se primenjuje agregacija podataka;

· protokoli na bazi pregovaranja (negotiation-based), u kojima se koriste deskriptori podataka visokog reda kako bi se eliminisao redundantan prenos podataka pri procesu pregovaranja;

· protokoli na bazi QoS (QoS-based), kod kojih mreža mora da napravi ravnotežu između zahteva za energetskom efikasnošću i kvaliteta podataka, odnosno postavljenih QoS zahteva;

· protokoli na bazi koherentnosti, koji se zasnivaju na koherentnim i nekoherentnim tehnikama obrada podataka pri prenosu kroz WSN. U nekoherentnim tehnikama SN lokalno obrađuje podatke pre slanja ka drugim SN na dalju obradu. U slučaju koherentne obrade, podaci se šalju ka čvorovima koji obavljaju agregaciju uz minimum prethodne obrade. Koherentnom obradom postiže se veća energetska efikasnost uz primenu optimalnih putanja pri rutiranju.

5.2.3. Podela protokola na osnovu određivanja odredišta

Na osnovu načina određivanja odredišta protokoli rutiranja mogu se podeliti na proaktivne, reaktivne i hibridne. U proaktivnom pristupu sve rute se određuju pre nego što se pojavi zahtev za njima. U slučaju statičnih SN poželjna je primena prokativnih protokola. U reaktivnom pristupu rute se određuju tek kada postoji zahtev. Određivanja rute i uspostavljanje reaktivnih protokola zahteva značajan utrošak energije. Hibridni protokoli predstavljaju kombinaciju prethodna dva pristupa. Posebnu klasu protokola rutiranja predstavljaju kooperativni protokoli kod kojih SN šalje podatke ka centralnom čvoru, u kome se obavlja agregacija i dalja obrada. Na ovaj način značajno se smanjuju energetski troškovi za potrebe rutiranja.

5.3. Pravci daljeg istraživanja

Moguće je definisati brojne pravce daljeg razvoja, kao što su:

· razvoj protokola rutiranja na bazi tehnika tolerancije otkaza zasnovanih na redundantnosti SN. Pri tome, moguće je razmotriti korišćenje prostornog diversitija i gustine rasporeda SN;

· razvoj tehnika klasterizacije u hijerarhijskim mrežama;

· postizanje zadatog globalnog ponašanja primenom adaptivnih algoritama lokalizacije. U sklopu ovog pravca razvoja neophodno je rešavanje problema lokalizacije i razvoj tehnika komunikacije na bazi poznavanja lokacije;

· smanjivanje potrebe za komunikacijom u mreži postavljanjem obrade podataka što bliže izvoru;

· razvoj energetski efikasnih tehnika koje povezuju vremenske i prostorne koordinate za potrebe kolaborativne obrade podataka;

· razvoj rešenja koja omogućavaju autokonfiguraciju i rekonfiguraciju, tj. adaptaciju na promene topologije;

· obezbeđivanje sigurnosti u procesu rutiranja;

· razvoj protokola rutiranja na bazi QoS, koji ispunjavaju uslov energetske efikasnosti, namenjenih WSN u kojima se koriste video senzori i zahteva rad u realnom vremenu;

· razvoj protokola koji podržavaju mobilnost.

6. TRANSPORTNI SLOJ

Osnovne funkcije transportnog sloja (TL, Transport Layer) u okviru WSN su kontrola zagušenja (congestion), smanjivanje verovatnoće gubitka paketa, obezbeđivanje ravnopravne alokacije kapaciteta sistema i obezbeđivanje pouzdanosti prenosa sa kraja na kraj.

6.1. Uslovi implementacije u WSN

Pri razvoju transportnih protokola za WSN mora se voditi računa o topologiji, raznolikosti primena, korišćenju adresiranja baziranog na atributima, potrošnji energije i drugim ograničenjima resursa mreže, skalabilnosti, primeni rutiranja u mreži zasnovanog na data-centric i position-centric modelima, kao i prirode saobraćaja u WSN, [2,20].

Transportni protokol treba da obezbedi visoku energetsku efikasnost i pouzdanost. Eventualno, potrebno je zadovoljiti dodatne zahteve za kvalitetom servisa, QoS, u smislu zahtevanog protoka, verovatnoće gubitka paketa i kašnjenja sa kraja na kraj. Osim toga, transportni protokol mora ravnomerno da rasporedi kapacitet mreže za SN u svim delovima WSN, odnosno da obezbedi ravnopravnost (fairness).

U WSN je izražena pojava zagušenja (congestion) usled konvergentne prirode saobraćaja od SN ka Sink/BS i ograničenih vrednosti protoka, što može da dovede do gubitka paketa. Pojavom zagušenja dolazi i do smanjivanja iskorišćenosti linka. Dodatno, zagušenje na nivou linka izaziva kolizije pri predaji u slučaju primene stohastičkih MAC protokola. Na ovaj način, dodatno se troši energija i produžava vreme opsluživanja paketa. Iz navedenih razloga neophodno je izvršiti kontrolu zagušenja, primenom jednog od mogućih mehanizama: detekcije zagušenja, notifikacije o zagušenju ili podešavanje brzine prenosa pri pojavi zagušenja.

Gubitak paketa, osim usled pojave zagušenja, može nastati i usled grešaka pri bežičnom prenosu između SN. Pri tome, gubitak paketa ne utiče samo na pouzdanost prenosa sa kraja na kraj i kvalitet servisa, već izaziva i dodatnu potrošnju energije. Drugi faktori koji mogu dovesti do gubitka paketa u WSN su otkaz SN, pogrešne ili zastarele informacije za potrebe rutiranja i iscrpljivanje raspoložive energije. Prevazilaženje problema može se izvršiti povećavanjem učestalosti slanja od strane SN izvorišta ili uvođenjem mehanizma za oporavak od gubitaka (loss recovery) na bazi retransmisije.

Prvo rešenje je pogodno za potrebe garantovanja pouzdanosti u slučaju tzv. event-driven primena koje ne zahtevaju pouzdanost na nivou paketa. Ipak, ovaj metod ima manju energetsku efikasnost u odnosu na primenu mehanizma za oporavak od gubitaka na bazi retransmisije. Ovaj drugi mehanizam moguće je primeniti na nivou DLL ili TL. Pri tome, primena na nivou DLL obezbeđuje oporavak od gubitaka tipa hop-by-hop, dok se primenom na TL obezbeđuje oporavak od gubitaka tipa sa kraja na kraj.

Standardni protokoli kao što su TCP (Transport Control Protocol) i UDP (Universal Datagram Protocol), ne zadovoljavaju sve zahteve primene u WSN, [2,20]. Drugim rečima, direktna implementacija ovih protokola u okviru WSN nije preporučljiva.

UDP ne obezbeđuje pouzdanost dostavljanja paketa, što je često izuzetno bitan zahtev u mnogim primenama WSN. Osim toga, UDP ne obezbeđuje kontrolu zagušenja i toka podataka što dovodi do gubitka paketa i uzaludnog trošenja energije.

Protokolski overhead svojstven uspostavljanju linka pri primeni TCP nije prihvatljiv za većinu event-driven primena WSN. Mehanizam kontrole toka i zagušenja u TCP diskriminiše SN koji se nalaze daleko od Sink/BS, što izaziva neravnopravnu raspodelu resursa. Osim toga, TCP zahteva znatno duže vreme u odnosu na druge predložene protokole za potrebe uspostavljanja kontrolnih mehanizama. Konačno, TCP garantuje pouzdan prenos paketa, što često nije neophodan zahtev u WSN.

6.2. Moguće varijante implementacije

Gubitak paketa i pojava zagušenja imaju direktan uticaj na energetsku efikasnost, pouzdanost i kvalitet servisa pri posmatranoj primeni WSN. Iz tog razloga, transportni protokol namenjen primeni u WSN, treba da poseduje komponente koje omogućavaju kontrolu zagušenja i oporavak nakon gubitka paketa (loss recovery mehanizam). Pri tome, postoje dva osnovna pristupa rešavanju ova dva problema.

U prvom pristupu, optimizacija se izvodi posebno za svaki od problema, pri čemu se projektuju posebni protokoli ili algoritmi. Većina postojećih protokola koristi ovaj pristup. Objedinjenom primenom obe vrste protokola obezbeđuje se puna funkcionalnost transportnog protokola za potrebe WSN.

U drugom pristupu ostvaruje se integrisano rešenje za oba problema koja se moraju rešiti primenom transportnog protokola. Drugi pristup obezbeđuje optimalno rešenje usled izražene korelacije pojave zagušenja i gubitka paketa u WSN, [20].

Podela predloženih rešenja transportnih protokola za WSN na osnovu toga kom od dva prethodno definisana pristupa pripadaju, kao i na osnovu primenjenih mehanizama kontrole zagušenja i oporavka od gubitaka paketa, prikazana je u [20], gde je dat i detaljan opis i pregled karakteristika ovih protokola.

7. ZAKLJUČAK

Oblast WSN predstavlja izuzetno interesantnu multidisciplinarnu oblast istraživanja, koju odlikuje veoma veliki broj mogućih primena. Razvoj komunikacionih modela, tehnika prenosa i mrežnih protokola za potrebe umrežavanja SN u okviru WSN predstavlja specifičan problem u slučaju WSN. Iako su topologija i osnovna komunikaciona arhitektura WSN veoma slične standardnim tipovima ad-hoc WCN, brojne specifične karakteristike i zahtevi, ograničenja senzorskih platformi, kao i sami principi i zahtevi primene WSN, onemogućavaju korišćenje postojećih rešenja iz ad-hoc WCN. Stoga je neophodan razvoj novih rešenja, na svim nivoima višeslojne mrežne arhitekture bežične mreže koja se primenjuje za potrebe komunikacije u WSN. Razvijena rešenja moraju da budu posebno prilagođena karakteristikama i zahtevima primene u WSN, pri čemu je često neophodno razvijati posebno rešenje za određenu primenu.

U ovom radu razmotren je problem razvoja specifične slojevite telekomunikacione mrežne arhitekture, kao i mrežnih protokola i tehnika namenjenih primeni u WSN. Pri tome, dat je sažet pregled osnovnih principa rada i koncepata komunikacije u WSN, kao i pregled dosadašnjih rezultata razvoja komunikacione arhitekture za primenu u WSN.

Posebno su prikazani osnovni uslovi realizacije, klasifikacija predloženih rešenja, osnovni pravci razvoja i problemi definisanja mrežnih protokola na sloju linka za podatke, kao i na mrežnom i transportnom sloju. Date su i osnovne napomene vezane za uticaj hardverske realizacije i fizički sloj prenosa u okviru komunikacionog segmenta WSN.

Literatura

[1] Goran B. Marković, Miroslav L. Dukić, "Bežične senzorske mreže I deo: Osnovna arhitektura, karakteristike i primene," Telekomunikacije, No 3, jun 2009, pp.35-48, Beograd.

[2] Ian F. Akylidiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, and Erdal Cayirci, "A Survey on Sensor Networks," IEEE Communications Magazine, Vol.40, No.10, August 2002.

[3] Ameer Ahmed Abbasi, Mohamed Younis, "A Survey on Clustering Algorithms for Wireless Sensor Networks," Computer Communications 30 (2007), pp.2826-2841, Ellsevier B.V., 2007.

[4] Ossama Younis at al., "Node Clustering in Wireless Sensor Networks: Recent Developments and Deployment Challenges," IEEE Network, Vol.20, No.3, May/June 2006.

[5] Dragos Niculescu, "Communications Paradigms for Wireless Sensor Networks," IEEE Communications Magazine, Vol.43, No.3, March 2005.

[6] Anelia Mitseva at al., "CRUISE Research Activities Toward Ubiquious Intelligent Sensing Environment," IEEE Wireless Communications, Vol.15, No.4, August 2008.

[7] R. Rajagopalan, P.K. Varshney, "Data-Aggregation Techniques in Sensor Networks: A Survey," IEEE Communications Surveys&Tutorials, Vol.8, No.4, 4-th Quarter 2006.

[8] Lodewijk Van Hoesel at al., "Prolonging the Lifetime of Wirelless Sensor Networks by Cross-Layer Optimization," IEEE Wirelless Communications, Vol.11, No.6, December 2004.

[9] Eiko Yoneki, Jean Bacon, "A Survey of Wireless Sensor Networks Technologies: Research Trends and Middleware's Role," Technical Report No. 646, UCAM-CL-TR-646, ISSN 1476-2986, University of Cambridge, September 2005.

[10] Ilker Demirkol, Cem Ersoy, and Fatih Alagöz, "MAC Protocols for Wireless Sensor Networks: A Survey," IEEE Communications Magazine, Vol.44, No.4, April 2006.

[11] Yong Wang at al., "A Survey of Security Issues in Sensor Networks: A Survey," IEEE Communications Surveys&Tutorials, Vol.8, No.2, 2-nd Quarter 2006.

[12] Abdelmalik Bachir, Mischa Dohler, Thomas Watteyne and Kin K. Leung, "MAC Essentials for Wireless Sensor Networks: A Survey," IEEE Communications Surveys&Tutorials,Vol.12, No.2, Second Quarter 2010.

[13] Yalinevren Sagduyu and Anthony Ephremides, "The Problem of Medium Access Control in Wireles Sensor Networks," IEEE Wireless Communications,Vol.11, No.6, December 2004.

[14] Vijauy Rangunathan at al., "Emmerging Techniques for Log Lived Wireless Sensor Networks," IEEE Communications Magazine, Vol.44, No.4, April 2006.

[15] Jamal N. Al-Kamaki at al., "Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey," IEEE Wirelless Communications, Vol.11, No.6, December 2004.

[16] Kemal Akkaya, Mohamed Younis, "A Survey on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks," Ellsevier Journal on Ad-Hoc Networks 3 (2005), pp.325-349, 2005.

[17] Haitao Liu at al., "Opportunistic Routing for Wireless Ad Hoc and Sensor Networks:Present and Future Directions," IEEE Communications Magazine, Vol.47, No.12, December 2009.

[18] Azzedine Boukerche at al., "Localization Systems for Wirelless Sensor Networks," IEEE Wirelless Communications, Vol.14, No.6, December 2007.

[19] Radu Stoleru, John A. Stankovic and Sang H. Son, "On Composability of Localization Protocolsfor Wireless Sensor Networks," IEEE Network, Vol.22, No.4, July/August 2008.

[20] Chonggang Wang Sohraby, K. Bo Li Daneshmand, M. Yueming Huat, "A Survey of Transport Protocols for Wireless Sensor Networks," IEEE Network, Vol.20, No.3, May/June 2006.

Zahvalnica

Ovaj rad je delimično finansiran od strane Ministarstva za nauku i tehnološki razvoj Republike Srbije, u okviru projekata tehnološkog razvoja TR32028 i TR32307.

Autor
Goran B. Marković diplomirao je u februaru 1998. godine na odseku ETA, smer Telekomunikacije, Elektrotehničkog fakulteta u Beogradu. Magistrirao je 2005. godine na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu sa radom iz oblasti telekomunikacija. Od aprila 1998. godine, zaposlen je na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu, najpre kao saradnik, a trenutno se nalazi u zvanju asistenta na Katedri za telekomunikacije, pri čemu učestvuje u izvođenju nastave iz većeg broja predmeta iz oblasti telekomunikacija na osnovnim i M.Sc. studijama. Mr Marković je u svom dosadašnjem radu bio angažovan u velikom broju projekata iz oblasti telekomunikacionih sistema i mreža i radio-komunikacija, a učestvovao je i u više projekata koji je finansiralo Ministarstvo za nauku. Objavio je više radova na domaćim naučnim skupovima i u domaćim časopisima.