CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

1. UVOD

U mnogobrojnim industrijskim, vojnim, medicinskim, naučnim, ekološkim i drugim primenama, zahteva se veoma intenzivno i opsežno prikupljanje podataka i informacija iz fizičkog okruženja, za potrebe nadzora i kontrole. Sistemi zasnovani na primeni složenih senzorskih uređaja, na pokretnim ili nepokretnim platformama, i sa mogućnošću point-to-point komunikacije ka pristupnim tačkama sistema, sa korišćenjem bežičnih ili žičnih kanala veze, nisu pružali potrebnu fleksibilnost, skalabilnost i zahtevali su velike troškove postavljanja i održavanja.

Primena Bluetooth (IEEE 802.15.1) tehnologije predstavljala je korak ka korišćenju ad-hoc bežičnih mreža u cilju povezivanja i umrežavanja velikog broja uređaja i/ili senzora. Dalji razvoj komunikacionih tehnologija, tehnologija izrade senzora malih dimenzija, kao i integrisanih hardversko-softverskih platformi malih dimenzija, potrošnje energije i cene, omogućila je razvoj i primenu bežičnih senzorskih mreža (Wireless Sensor Networks, WSN).

Primena WSN zasniva se na korišćenju malih, jeftinih i potrošnih multifunkcionalnih platformi. Ove senzorske platforme imaju mogućnost samostalnog formiranja ad-hoc bežičnih mreža u cilju međusobne komunikacije i dostavljanja prikupljenih podataka korisniku mreže. Priroda procesa komunikacije u WSN, zahtevi u smislu protoka, pouzdanosti i procesa rutiranja paketa podataka kroz mrežu, kao i softverska i hardverska ograničenja senzorskih platformi, postavljaju specifične uslove u razvoju arhitekture mreže, procesu obrade prikupljenih podataka i razvoju korisničkih aplikacija neophodnih za uspešnu primenu WSN.

Razvoj WSN predstavlja multidisciplinaran problem. Neophodno je ostvariti saradnju, kako u razvoju komunikacionih, hardverskih i softverskih rešenja koja se odnose na komunikacione mreže, tako i u ostvarivanju senzorskih funkcija, kontrole rada senzorskih platformi i razvoju aplikacija i aplikacionog softvera za krajnje korisnike mreže.

U ovom preglednom radu razmatran je problem razvoja komunikacionih protokola i algoritama za primenu u WSN. Izložen je pregled osnovnih principa rada i komunikacione arhitekture i dat je sažet pregled primena WSN.

U drugom poglavlju su opisani principi rada i osnovna arhitektura WSN. Postojeći standardi u ovoj oblasti prikazani su u trećem poglavlju. U četvrtom poglavlju je dat pregled osnovnih karakteristika WSN, dok su u poglavlju 5 prikazani koncepti komunikacije u WSN. Osnovne primene i njihov uticaj na razvoj komunikacione infrastrukture WSN predstavljeni su u šestom poglavlju. Konačno, u poglavlju 7 su data zaključna razmatranja.

2. PRINCIPI RADA I ARHITEKTURA WSN

Osnovna namena WSN je prikupljanje i dostavljanje podataka i informacija o okruženju mreže, u skladu sa potrebama korisnika mreže. Nasuprot tome, osnovna namena standardne bežične telekomunikacione mreže (Wireless Communication Networks, WCN), je prenos informacija i podataka, ostvarivanjem Peer-to-Peer komunikacije između čvorova mreže. Prikupljanje podataka o fizičkim fenomenima (vlažnost, pritisak, temperatura, ...) i/ili događajima (detekcija objekata, pokreta,...) u WSN, obavlja se korišćenjem odgovarajućih tipova pasivnih ili aktivnih senzora. Za potrebe prikupljanja i prenosa podataka u WSN, koriste se multifunkcionalne platforme, senzorski čvorovi (Sensor Nodes, SN). SN osim skupa senzora, zahtevaju i mogućnost komunikacije, kao i skladištenja i obrade prikupljenih podataka.

Postavljanjem velikog broja SN, raspoređenih na malim rastojanjima (tipično do 10m), u samoj blizini ili unutar oblasti koji se posmatra, formira se senzorsko polje. U zavisnosti od gustine i rasporeda SN u prostoru, kao i karakteristika korišćenih senzora, ostvaruje se potpuno ili nepotpuno pokrivanje posmatrane oblasti u smislu mogućnosti prikupljanja informacija o posmatranim fenomenima.

Na Sl.1, prikazan je osnovni princip rada WSN. Prikupljene informacije o okruženju prenose se putem međusobne komunikacije između SN, ka jednom ili većem broju pristupnih uređaja (Sink/BS). Sink/BS elementi mreže predstavljaju odredište svih paketa kojima se prenose podaci sa senzora, i omogućavaju dvosmernu komunikaciju krajnjeg korisnika mreže sa svim senzorskim čvorovima WSN. Dvosmernu komunikaciju čini prijem podataka prikupljenih od SN, i zadavanje upita ili prenos upravljačkih i drugih podataka ka njima. Komunikacija Sink/BS sa korisnikom mreže ostvaruje se korišćenjem raspoložive telekomunikacione infrastrukture u oblasti od interesa, primenom odgovarajućih mrežnih interfejsa.

Sl.1 Princip rada bežične senzorske mreže.

Interakcija Sink/BS i SN se odvija iz različitih razloga. U prvom slučaju, u skladu sa potrebama korisnika mreže, svim SN ili grupi SN se šalje zahtev za prikupljanjem podataka o okruženju. Zahtev se međusobnom komunikacijom prenosi do svih SN u mreži, nakon čega SN koji poseduju tražene podatke prosleđuju odgovarajući odgovor ka Sink/BS. U drugom tipu interakcije, senzorski čvorovi, pojedinačno ili grupno, detektuju pojavu predefinisanog događaja i informaciju o tome prosleđuju ka Sink/BS. Konačno, za potrebe upravljanja mrežom, realizacije mrežnih protokola, promene cilja rada ili reorganizacije mreže, ostvaruje se dvosmerna komunikacija između Sink/BS i SN u mreži.

U nekim primenama WSN, osim prikupljanja informacija o okruženju, zahteva se i odgovarajuće dejstvo senzorske mreže na spoljašnje okruženje u skladu sa informacijama dobijenim radom mreže. U tom slučaju, pojedini elementi mreže, najčešće Sink/BS, imaju mogućnost aktivne interakcije sa okruženjem. Takva senzorska mreža naziva se bežičnom senzorsko-aktuatorskom mrežom (Wireless Sensor-Actuator Network, WSAN).

2.1. Osnovne karakteristike SN i Sink/BS

Osnovni gradivni element WSN su senzorski čvorovi, čija je opšta struktura prikazana na Sl.2.

Multifunkcionalna platforma senzorskog čvora sastoji se od 4 osnovne komponente: senzorskog, procesorskog, komunikacionog i podsistema za napajanje energijom. U okviru senzorskog podsistema, obavljaju se senzorske funkcije korišćenjem jednog ili više senzora, kao i A/D konverzija signala dobijenih radom senzora. Procesorski podsistem upravlja kontrolom rada senzora, korišćenjem i skladištenjem dobijenih podataka. Procesorski podsistem tipične SN platforme odlikuju veoma ograničena procesorska snaga i količina memorije. Zadatak ovog podsistema je upravljanje radom svih elemenata SN, izvršavanje zahteva za prikupljanjem podataka korišćenjem skupa senzora, kao i realizacija komunikacionih protokola u cilju ostvarivanja komunikacije sa drugim elementima mreže. Podsistem za napajanje najćešće je baterijskog tipa, ograničenog kapaciteta. U nekim slučajevima moguće je korišćenje opcionog izvora energije, najčešće solarnih ćelija. Komunikacioni podsistem obezbeđuje radio interfejs, za potrebe komunikacije SN sa ostalim elementima mreže.

U nekim primenama WSN, neophodno je poznavanje lokacije SN u prostoru ili u odnosu na druge SN. U tom slučaju, za određivanje lokacije SN koristi se podsistem za lokalizaciju. U primenama WSN u kojima postoji mobilnost SN, koristi se podsistem za mobilnost koji pokreće SN u skladu sa ciljevima rada mreže.

Sl.2 Struktura mutlifunkcionalne platforme SN.

Tipične dimenzije SN kreću se od veličine kutije šibica, pa do dimenzija reda 1cm³ i manjih [2]. Sa daljim razvojem tehnologije, očekuje se smanjivanje dimenzija za određene tipove senzora (npr. SmartDust) [2]. Osnovne karakteristike SN su ograničene rezerve energije, male cene izrade, visoka integracija elektronskih komponenti i mogućnost autonomnog rada bez održavanja. Tipični SN uređaji imaju mogućnost prilagođenja okruženju, relativno malu procesorsku moć i memorijski kapacitet. SN najčešće predstavljaju potrošne uređaje [1].

Sink/BS predstavljaju znatno složenije uređaje od SN, većih su dimenzija i imaju veće mogućnosti obrade podataka i komunikacije. Osim bežičnog interfejsa za potrebe komunikacije sa senzorskim čvorovima, Sink/BS poseduju i interfejse za potrebe umrežavanja sa spoljnom telekomunikacionom infrastrukturom. Može se smatrati da pri razvoju protokola i algoritama komunikacije i obrade podataka za WSN nema značajnih hardverskih i softverskih ograničenja postavljenih zbog karakteristika Sink/BS.

2.2. Principi postavljanja i organizovanje WSN

Postavljanje SN u prostoru se obavlja u skladu sa planiranom primenom mreže. Senzorski elementi mreže postavljaju se u prostoru senzorskog polja, putem slučajnog ili planskog raspoređivanja [3,4]. Tipičan primer slučajnog postavljanja mreže predstavlja rasipanje velikog broja malih, potrošnih senzorskih elemenata korišćenjem letelica ili vozila na teritorijama velike površine, a u cilju nadgledanja i osmatranja (prikupljanja podataka o vlažnosti, temperaturi, pritisku,...), ili detekcije određenih pojava. U ovom slučaju, najčešće se pretpostavlja uniformna raspodela SN u prostoru. Plansko postavljanje SN obavlja se na unapred planirane statične lokacije, čime se omogućava održavanje i praćenje rada SN. Tipične primene sa planskim postavljanjem mreže su praćenje saobraćaja u gradovima, industrijske primene, sigurnosne primene i sl. U teorijskim analizama planskog postavljanja mreže, koristi se geometrijski raspored SN, mada to najčešće nije slučaj u praksi [1,2].

Nakon postavljanja SN u okviru senzorskog polja, neophodno je da se uspostavi i organizuje rad bežične telekomunikacione mreže. Organizacija WSN obavlja se na način tipičan za ad-hoc WCN. U ad-hoc WCN, čvorovi mreže uspostavljaju međusobne veze, organizuju topologiju mreže za potrebe rutiranja i uspostavljaju mehanizme za dodelu i kontrolu pristupa resursima mreže korišćenjem odgovarajućih protokola, bez upotrebe dodatne infrastrukture (npr. baznih stanica),. Ovaj postupak je potpuno samostalan, koristi proces međusobnog dogovaranja, i na taj način se organizuju celokupna struktura i rad mreže. Nakon uspostavljanja WSN kao ad-hoc mreže, korisnik mreže ostvaruje kontrolu rada, reorganizaciju i upravljanje mrežom, kao i ostvarivanje funkcije prikupljanja podataka iz okruženja preko Sink/BS.

Može se smatrati da, nakon postavljanja, senzorski čvorovi funkcionišu autonomno, bez održavanja i mogućnosti dopune energije [1,2]. U posebnom slučaju, naročito kada se koriste složeniji i skuplji senzorski elementi, i kada se vrši plansko postavljanje mreže, moguće je održavanje SN uz obnavljanje izvora napajanja. SN imaju ograničenu količinu energije, koja se troši tokom rada, pri čemu nakon nestanka rezervi energije, SN prestaje sa radom. Kada veći broj SN jednog dela ili celokupnog senzorskog polja ostane bez energije, preostali elementi WSN ostaju bez mogućnosti komunikacije. U tom slučaju, deo ili cela mreža gube konektivnost, i dolazi do prestanka funkcionisanja mreže, tj. kraja života mreže.

2.3. Osnovna komunikaciona arhitektura WSN

Senzorski čvorovi su rasuti u okviru senzorskog polja, sa osnovnim ciljem obavljanja diskretnih, lokalnih merenja i opservacija posmatranog fenomena u svojoj blizini. Na Sl.3, prikazana je osnovna komunikaciona arhitektura WSN [5].

Sl.3 Osnovna komunikaciona arhitektura WSN.

2.3.1. Hijerarhijska (klasterizovana) arhitektura WSN

U mnogim primenama WSN nije neophodno da svi SN u mreži, ili nekom regionu mreže, dostave zahtevane podatke ka Sink/BS. U tom slučaju dovoljno je, a i poželjno u cilju smanjivanja količine saobraćaja i potrošnje energije, dostavljanje združene informacije na osnovu kombinovanja podataka više SN [6]. Jedan od načina na koji se može obaviti uspešno združivanje (agregacija) podataka, predstavlja formiranje međusobno razdvojenih grupa SN, odnosno klastera [6,7]. Na Sl.4, prikazana je arhitektura WSN sa podelom na klastere, tzv. klasterizovana WSN.

Sl.4 Arhitektura WSN sa primenom klasterizacije.

Klaster čine jedan SN sa ulogom koordinatora klastera (Cluster Head, CH), i ostalih SN koji komuniciraju samo sa CH koordinatorom. CH koordiniše komunikaciju i prikupljanje senzorskih podataka, a obavlja i agregaciju podataka. U formiranoj dvoslojnoj hijerarhijskoj arhitekturi, viši sloj čini skup svih CH koordinatora koji međusobno komuniciraju i obavljaju rutiranje podataka/paketa od i ka Sink/BS. Niži sloj čine SN u okviru jednog klastera, koji imaju mogućnost međusobne komunikacije. Izbor CH koordinatora obavlja se na osnovu kriterijuma što manje potrošnje energije, posmatrane primene WSN, kao i potreba rutiranja podataka i saobraćajnih zahteva mreže [6,7]. Radi ravnomernog raspoređivanja potrošnje energije SN u klasteru, obavlja se periodična promena SN koji ima ulogu CH koordinatora [6]. U skladu sa promenama topologije mreže i prirode saobraćaja u mreži, moguće je obavljati rekonfiguraciju klastera, primenom odgovarajućih mrežnih protokola [6,7]. Formiranjem klastera unutar WSN, osim olakšavanja postupka agregacije podataka, povećava se energetska efikasnost i vreme života mreže, smanjuju se zauzetost kanala veze i verovatnoća kolizija paketa, a i povećava se kapacitet mreže pri velikom saobraćajnom opterećenju [6]. Osim toga, povećava se skalabilnost mrežnih protokola, olakšava proces rutiranja, omogućava jednostavnije održavanje topologije mreže uz smanjivanje protokolskog overhead-a, i jednostavnije upravljanje mrežom [7]. Klasterizacija se obavlja primenom MAC (Medium Access Control) protokola i protokola rutiranja. Pregled predloženih rešenja klasterizacije može se naći u [6,7].

2.3.2. Neke modifikacije osnovne arhitekture WSN

Dodavanjem posebnih elemenata mreže, releja (Relay Node, RN), koji ostvaruju samo funkciju komunikacije, može se formirati specifičan tip hijerarhijske arhitekture WSN [4]. RN, u poređenju sa SN, imaju znatno veću rezervu energije, ili obnovljive izvore energije, znatno veću procesorsku snagu i bolje karakteristike bežičnog interfejsa. RN releji se planski razmeštaju i mogu da preuzmu ulogu CH koordinatora u klasterizovanoj arhitekturi WSN. Drugi način primene RN releja je podela WSN na senzorski i komunikacioni sloj bez klasterizacije. Senzorski sloj, koji čine svi SN, obavlja prikupljanje informacija iz okruženja i njihovo dostavljanje ka RN. Komunikacioni sloj čini skup RN, koji formiraju multi-hop WCN mrežu preko koje se odvija komunikacija SN i Sink/BS. Primenom RN ostvaruju se poboljšanja slična onima u klasterizovanoj WSN arhitekturi, uz produžavanje života mreže, na račun povećanja troškova realizacije [4].

Još jedan predloženi koncept realizacije WSN sastoji se u korišćenju složenih platformi, kolociranih sa Sink/BS, koje imaju mogućnost primene beam-forming tehnika [8]. Realizacijom lokalizacije i vremenske sinhronizacije primenom beam-forming tehnika, moguće je ostvariti prostornu segmentaciju mreže. Primenom razvijenog protokola, [8], ostvaruje se centralizovana kontrola rutiranja, upravljanja energijom i zadavanja senzorskih zadataka. Osnovna prednost ovakvog koncepta je smanjivanje uloge SN pri realizaciji mrežnih protokola, odnosno korišćenje jednostavnijih senzorskih platformi za ostvarivanje funkcija WSN, čime se smanjuje cena SN, kao i potrošnja energije.

Obe opisane modifikacije se zasnivaju na uvođenju dodatne infrastrukture za organizovanje WSN, tj. odustaje se od koncepta ad-hoc WSN mreže sa Sl.3.

3. STANDARDI

IEEE 802.15.4 i IEEE 802.15.4a standardi, [9,10], definišu fizički i MAC sloj, za potrebe realizacije bežičnih personalnih mreža sa malim brzinama prenosa (Low Rate - Wireless Personal Area Network, LR-WPAN). Interakcija MAC sloja sa višim slojevima mreže odvija se korišćenjem standardnih IEEE 802.2 podslojeva. Standardi su namenjeni ostvarivanju komunikacije između uređaja na malim rastojanjima (do 10m), bez postojanja infrastrukture za organizaciju i upravljanje mrežom. Cilj razvoja ovih standarda bio je umrežavanje velikog broja senzora u industrijskim, naučnim i medicinskim primenama, korišćenjem uređaja znatno manje cene, manje potrošnje energije, i manjih vrednosti protoka u odnosu na IEEE 802.15.1 Bluetooth standard. Na osnovu IEEE 802.15.4, razvijeno je više industrijskih standarda, od kojih se komercijalno najviše primenjuje ZigBee standard [11].

IEEE 802.15.4 standard definiše 4 modela fizičkog sloja (PHY), čije su karakteristike prikazane u Tab.2. Standard predviđa korišćenje 3 frekvencijska opsega: 1 radio kanal u opsegu 868-868,8 MHz (Evropa), 10 radio kanala u opsegu 902-928 MHz (Severna Amerika) i/ili 16 radio kanala u opsegu 2,4-2,4835 GHz (globalno). Standardom IEEE 802.15.4a definisana su dva dodatna modela PHY sloja.

U prvom modelu se koristi DS-UWB (Direct Sequence – Ultra-Wide Band) tehnika prenosa u opsegu učestanosti ispod 1GHz, od 3 do 5 GHz i od 6 do 10 GHz. U drugom modelu se koristi C-SS (Chirp – Spread Spectrum) tehnika u ISM (Industrial, Scientific & Medical) opsegu učestanosti.

MAC sloj omogućava prenos frejmova kroz fizički kanal, upravljanje interfejsima, pristup ka PHY sloju i mrežni beaconing. Funkcije MAC sloja uključuju rezervaciju garantovanih vremenskih slotova, izbegavanje kolizija primenom CSMA-CA (Carrier Sense Medium Access – Collision Avoidance) protokola i integrisanu podršku za sigurnu komunikaciju. Uređaji uključuju i funkcije kontrole potrošnje energije. Definisana su dva tipa uređaja, RFD (Reduced-Function Device) i FFD (Full-Function Device), čijom se primenom može organizovati Peer-to-Peer mreža ili mreža sa topologijom zvezde. Ostali detalji o ovim standardima mogu se naći u [9,10].

Tabela 1. Parametri PHY sloja 802.15.4 standarda

Familija IEEE P.1451 standarda, [2], definiše skup otvorenih, zajedničkih komunikacionih interfejsa, nezavisnih od tipa mreže, za potrebe povezivanja transdjusera (senzora ili aktuatora) sa sistemima instrumentacije, mikroprocesorima i kontrolnim mrežama. Ovi standardi definišu TEDS (Transducer Electronic Data Sheets), memorijske uređaje povezane sa transdjuserom, u okviru kojih se čuvaju kalibracioni, identifikacioni i podaci za potrebe korekcije rezultata merenja, informacije o proizvođaču transdjusera, i opsezi merenja. IEEE P1451.5 standard definiše interfejs transdjusera i NCAP (Network Capable Appplication Processor), kao i TEDS za bežične transdjusere, pri čemu su razmatrani bežični interfejsi u skladu sa IEEE 802.11, 802.15.1 i 802.15.4 standardima.

4. KARAKTERISTIKE WSN ZNAČAJNE ZA RAZVOJ KOMUNKACIONE ARHITEKTURE

U okviru ovog poglavlja opisane su karakteristike WSN, tj. faktori koji utiču na razvoj komunikacione arhitekture, tj. mrežnih protokola i algoritama obrade. Ove karakteristike predstavljaju osnovu za poređenje različitih rešenja komunikacionih protokola i algoritama za WSN.

4.1. Tolerancija na otkaze i pouzdanost

Tolerancija na otkaze predstavlja sposobnost WSN da nastavi nesmetano da obavlja svoje funkcije bez obzira na prekid rada pojedinih SN [12]. Nestanak energije ili oštećenje SN, uticaj interferencije i efekata pri prenosu signala i prelaz SN u neaktivno stanje, predstavljaju osnovne uzroke otkaza. Verovatnoća da u zahtevanom vremenskom periodu ne dođe do otkaza može se modelovati Poisson-ovom raspodelom [1]. Pouzdanost u WSN se definiše u smislu pouzdanosti dostavljanja paketa i/ili informacije o događaju, kao i pouzdanosti u smislu dostavljanja paketa odgovarajućem skupu SN, zavisno od primene. Povećanje pouzdanosti može da se ostvari razvojem mehanizama za upravljanje otkazima. Upravljanje otkazima može da se podeli u tri faze: detekcija, dijagnostikovanje i oporavak od otkaza, [13], i realizuje se na osnovu centralizovanog ili distribuiranog pristupa. Osnovni nedostatak prvog pristupa je komunikacioni overhead koji izaziva trošenje rezervi energije i smanjenje vremena života mreže. Kod drugog, energetski efikasnijeg, pristupa problem predstavljaju ograničeni hardverski i softverski resursi SN. Detaljan pregled upravljanja otkazima u WSN dat je u [13].

4.2. Skalabilnost

Zavisno od primene WSN, broj SN koji se koristi u nekoj oblasti može da bude reda 100, 1000, 10000, pa i više stotina hiljada u ekstremnim slučajevima. Postavljanjem SN na malom međusobnom rastojanju ostvaruje se bolje pokrivanje teritorije senzorskim servisom, kao i smanjivanje potrošnje energije prilikom komunikacije. Pri radio prenosu, neophodna snaga signala na predaji raste sa povećanjem rastojanja između predajnika i prijemnika i to, zavisno od okruženja, sa drugim do četvrtim stepenom rastojanja. Povećanje dimenzija mreže nepovoljno utiče na pouzdanost, preciznost rada senzora i efikasnost algoritama za obradu podataka i samoorganozovanje WSN [14]. Tokom rada WSN dolazi do smanjivanja gustine SN u pojedinim regionima, usled otkaza SN zbog nestanka energije i drugih uticaja. Pri razvoju komunikacionih protokola, mehanizama upravljanja i algoritama obrade podataka u okviru WSN, mora se voditi računa o skalabilnosti razvijenih rešenja.

4.3. Ekonomičnost rešenja

Primene WSN predviđaju izuzetno veliki broj SN. Pri razvoju komunikacionih i upravljačkih protokola, algoritama obrade podataka i primena WSN, mora se voditi računa da cena pojedinačnog SN mora da bude veoma mala. Da bi upotreba WSN bila ekonomski isplativa, cena uređaja mora da bude manja od cene uređaja drugih bežičnih tehnologija, npr. IEEE 802.15.1 - Bluetooth. Zahtevi u smislu potrošnje energije, procesorske snage i komunikacionih mogućnosti moraju da se prilagode tehnologijama izrade i ceni raspoloživih rešenja.

4.4. Hardverska i softverska ograničenja

Tipična realizacija SN ima značajna hardverska i softverska ograničenja. Multifunkcionalne platforme SN odlikuju veoma ograničeni memorijski kapaciteti, male procesorske snage i ograničena energija.

4.5. Topologija i samoorganizovanje

Pri realizaciji WSN primenjuje se veliki broji SN u okviru senzorskog polja, sa velikim gustinama SN po jedinici površine, npr. 20 SN/m², a dimenzije WSN su veoma male, reda desetak metara [1]. Primena brojnih, gusto postavljenih SN, zahteva pažljivo održavanje topologije mreže.

Mogu se uočiti faze pre i za vreme postavljanja mreže, faza nakon postavljanja mreže i faza dopune/unapređenja mreže. Do promena topologije u drugoj fazi dolazi usled promene pozicije, nedostupnosti, i otkaza SN. U trećoj fazi, usled promene primene mreže ili dinamike pojave koja se nadgleda, dolazi do promena topologije dodavanjem novih ili zamenom neispravnih SN. Jedno rešenje WSN mora da sadrži mehanizme za uspostavljanje i samoorganizovanje u fazi postavljanja, kao i rekonfiguracije, održavanja ispravnog rada i željene strukture mreže pri promenama topologije. Po prestanku rada SN, mreža mora da se rekonfiguriše, pri čemu mora da se održi visok nivo konektivnosti.

4.6. Radno okruženje i medijum prenosa

Elementi WSN postavljeni su u neposrednoj blizini ili unutar oblasti u kojoj se ispoljava posmatrana pojava. Rad SN se često odvija bez mogućnosti održavanja i/ili u nedostupnim oblastima. SN mogu da se nalaze u veoma nepovoljnom radnom okruženju, hemijski i biološki zagađenom, unutar mašina ili iza neprijateljskih linija. Za potrebe komunikacije najčešće se razmatra primena radio prenosa, korišćenjem nelicenciranih opsega učestanosti. Znatno ređe razmatra se primena IR (Infra-Red) i FSO (Free Space Optics) rešenja, koja za svoj rad zahtevaju postojanje optičke vidljivosti, LOS (Line-Of-Sight) [1]. Prenos signala odvija se u složenom i nepovoljnom okruženju, uz postojanje pokretnih ili nepokretnih prepreka, interferencije, loših uslova propagacije signala i malih rastojanja antena od tla.

4.7. Energetska efikasnost i vreme života mreže

SN su malih dimenzija i raspolažu ograničenom rezervom električne energije, tipično baterijskim napajanjem (npr. 0,5Ah, 1,2V). U opštem slučaju nije moguća zamena izvora energije, već usled nestanka energije dolazi do prestanka rada SN. Otkaz pojedinih SN u okviru multi-hop ad-hoc WSN izaziva značajne promene topologije i zahteva ponovno rutiranje paketa i reorganizaciju mreže. Iz ovog razloga, očuvanje i upravljanje potrošnjom energije predstavlja jedan od osnovnih zahteva pri razvoju protokola, algoritama i uređaja za WSN.

Energija se u okviru SN troši za rad senzora, komunikaciju i obradu podataka. U svim navedenim oblastima zahteva se razvoj energetski efikasnih (Power Aware, PA) protokola i algoritama. U većini primena, izuzev pri korišćenju aktivnih senzora (radar, sonar,...),, najveći procenat energije troši se za potrebe komunikacije, pa se razvoju PA protokola i algoritama za potrebe komunikacije mora posvetiti najveća pažnja. Zavisno od primene, vreme života mreže može da bude reda veličine od nekoliko sati do nekoliko godina, čime se implicitno zadaju zahtevi u smislu energetske efikasnosti, [15].

4.8. Pokrivanje i konektivnost

Senzorske funkcije SN su ograničene po dometu i tačnosti merenja. Za svaki SN postoji oblast pokrivanja u kojoj se sa zadatom tačnošću obavlja senzorska funkcija određenog tipa. Pokrivanje (coverage) WSN predstavlja presek oblasti pokrivanja za sve SN u mreži, koja može biti promenljiva u vremenu zbog promene topologije WSN. Povećanjem gustine rasporeda SN poboljšava se pokrivanje (coverage).

Konektivnost mreže definisana je mogućnošću ostvarivanja komunikacije između svaka dva elementa mreže. Velika gustina SN u senzorskom polju obezbeđuje visoku konektivnost svih SN. Ipak, promenljivost topologije, prelasci između aktivnog i neaktivnog stanja SN i otkaz SN izazivaju promenu osobina konektivnosti u WSN. Konektivnost mreže u velikoj meri utiče na zahteve pri realizaciji komunikacionih protokola i procesa agregacije podataka u mreži [1,15].

4.9. Mobilnost

U primenama WSN javlja se aktivna ili pasivna mobilnost SN. Pasivna mobilnost SN je rezultat prirodnih činilaca (vetar, voda, ...) ili neplaniranog pomeranja objekta na kojima se nalaze SN. Aktivna, planska mobilnost se ostvaruje u cilju smeštanja SN u oblasti od interesa, radi boljeg pokrivanja, ostvarivanja energetske efikasnosti, otklanjanja nedostataka početnog rasporeda ili praćenja pojava koje predstavljaju cilj rada WSN [15]. S druge strane, mobilnost SN izaziva promenu topologije i strukture saobraćaja u mreži, i postavlja dodatne probleme protokolima MAC (Medium Access Control) sloja i rutiranja [3,15,16].

Osim mobilnosti SN, može se posmatrati i mobilnost Sink/BS [17]. Varijante mobilnosti Sink/BS prikazane su na Sl.5. Kroz SN koji su najbliži statičnoj Sink/BS platformi, prolazi celokupan saobraćaj između Sink/BS i svih SN u mreži. Ovi SN veoma brzo gube energiju i prestaju sa radom, usled čega dolazi do razdvajanja Sink/BS od ostatka mreže. Primenom mobilne Sink/BS platforme sa kretanjem po obodu mreže, potrošnja energije se ravnomernije raspoređuje na sve SN. Kako bi se postigla još veća energetska efikasnost, Sink/BS se može kretati kroz senzorsko polje i prikupljati podatke merenja koje SN čuvaju do dolaska Sink/BS u njihovu blizinu. Ako primena WSN to dozvoljava, moguće je planirati trajektorije kretanja Sink/BS, pri čemu neki SN, sabirne tačke, prikupljaju podatke iz mreže i predaju ih Sink/BS kada se ovi nađu u njihovoj blizini.

Sl.5. Primena mobilnosti Sink/BS.

4.10. Agregacija podataka

Prikupljanje senzorskih podataka u WSN predstavlja sistematski proces sakupljanja rezultata senzorskih merenja velikog broja SN, i njihovo dostavljanje ka Sink/BS. Zavisno od primene i broja senzorskih mreže, generiše se izuzetno veliki broj podataka koje treba preneti kroz mrežu korišćenjem energetski ograničenih resursa SN. Osim toga, podaci prikupljeni od strane bliskih SN često su redundantni i veoma korelisani. Zbog zahteva energetske efikasnosti i sprečavanja zagušenja mreže koje nastaje usled konvergencije prenosa ka Sink/BS, nije isplativo prenošenje podataka generisanih od strane svih SN. Ovakav zaključak pogotovo važi za podatke koji su korelisani i redundantni.

Iz navedenih razloga, nad podacima dobijenim od više SN, a pri njihovom prolasku kroz mrežu, primenjuju se metodi za agregaciju podataka, čime se dobija znatno kvalitetnija informacija. Na ovaj način se smanjuje broj paketa koji se prenose ka Sink/BS i štede energija i komunikacioni resursi mreže. Agregacija podataka ostvaruje se u senzorskim čvorovima u kojima se stiču podaci većeg broja SN pri prenosu ka Sink/BS. Realizacija procesa agregacije podataka usko je povezana sa procesom rutiranja paketa kroz WSN, pri čemu ova dva procesa imaju izuzetno veliki uticaj na energetsku efikasnost komunikacije i dužinu života mreže. Kašnjenje pri prenosu podataka merenja u određenim primenama WSN predstavlja kritičan parametar, pa se o tome mora voditi računa i u procesu agregacije podataka. Osim toga, agregacije podataka mora se obavljati na takav način da se ne izgube važne informacije o pojavi koja se nadgleda. Detaljniji pregled metoda agregacije podataka dat je u [18].

4.11. Kvalitet servisa

Pojam kvaliteta servisa (Quality of Service, QoS) u WSN ima drugačiji značaj u odnosu na klasične WCN. Specifična primena WSN određuje osnovne QoS zahteve, energetsku efikasnost pri radu, ograničenje vremena trajanja prenosa podataka (latency), verovatnoću gubitka paketa pri prenosu i sl. Pri tome, mora se obavljati usklađivanje ovih zahteva na nivou mreže, pošto se otkazima SN usled nestanka energije smanjuje mogućnost WSN da obavlja osnovnu funkciju, što je značajnije od QoS zahteva [3,15].

4.12. Lokalizacija i vremenska sinhronizacija

U mnogim procesima koji se odvijaju u okviru WSN neophodno je postojanje združenog i koordinisanog rada većeg broja SN, pri čemu sinhronizacija u vremenu ima izuzetan značaj. Na primer, uspešan proces agregacije podataka veoma je otežan bez postojanja informacije o trenutku generisanja rezultata merenja u različitim SN. Sinhronizacija rada elemenata WSN u vremenu može da se iskoristi za povećavanje energetske efikasnosti. Sinhronizovanim obavljanjem senzorske funkcije, prelazaka tipa aktivno/neaktivno stanje komunikacije i usklađenog procesa prijema i predaje čvorova, omogućava se ušteda energije pri ostvarivanju senzorske funkcije i procesa prenosa podataka u WSN. Primenom TDMA (Time Division Multiplexing Access) tehnike u okviru MAC sloja eliminišu se kolizije paketa i ostvaruje ušteda energije SN. Pregled tehnika vremenske sinhronizacije u WSN dat je u [19].

U mnogim primenama WSN, poznavanje relativne ili apsolutne lokacije SN u okviru senzorskog polja od presudnog je značaja za uspešan rad i ostavarivanje funkcije WSN. U određenim primenama WSN postavljanje SN se odvija slučajno, pa njihova pozicija nije poznata. Lokalizacija SN ima veliki značaj za procese identifikacije i korelacije prikupljenih podataka, adresiranja i rutiranja na osnovu lokacije, za upravljanje i postavljanje upita grupama SN u određenom regionu mreže, proceni gustine rasporeda SN i pokrivanja,...

Iz navedenih razloga, potrebno je razviti posebne sisteme i metode za lokalizaciju u WSN, pri čemu se mora voditi računa o energetskim i hardverskim ograničenjima. Pregled tehnika lokalizacije u WSN dat je u [20].

4.13. Sigurnost

Tehnološki razvoj WSN tekao je u pravcu razvoja otvorenih sistema za prikupljanje i korišćenje informacija o okruženju, pri čemu sigurnost rada mreže nije posmatrana kao osnovni zahtev. Ipak, u mnogim primenama WSN, npr. vojne i bezbednosne primene, mreža se koristi za nadgledanje i prikupljanje poverljivih informacija. U ovakvim i sličnim primenama WSN postoji opasnost od ometanja procesa prikupljanja i obrade podataka, procesa komunikacije u mreži, kao i ugrožavanja integriteta prenošenih podataka.

Iz navedenih razloga neophodno je uvesti sigurnosne mehanizme u okviru svih procesa koji se odvijaju u WSN. Pri razvoju sigurnosnih mehanizama i protokola, mora se imati u vidu da elemente WSN karakterišu mnoga hardverska i softverska ograničenja. Osim toga, za potrebe komunikacije u WSN, najčešće se koristi radio prenos, koji se može presretati. Osnovni sigurnosni mehanizmi koji se mogu primeniti u okviru WSN su kriptografija, upravljanje distribucijom ključeva, razvoj protokola za sigurno rutiranje i agregaciju podataka, tehnika sigurne sinhronizacije, kao i tehnika za detekciju napada na sigurnost mreže. Detaljna analiza problema sigurnosti WSN prevazilazi okvire ovog rada, a opsežna analiza i pregled ove oblasti data je u [21].

4.14. Programiranje i Middleware

Hardverska ograničenja SN platformi uslovljavaju korišćenje specijalizovanih operativnih sistema i programskih jezika. U ovom trenutku najčešće se koristi nesC programski jezik zasnovan na jeziku JAVA, u razvojnom okruženju TinyOS operativnog sistema, [15]. Po pravilu, svi SN u mreži koriste istu softversku platformu.

Razvoj tehnologije WSN bio je prvenstveno usmeren na razvoj hardverskih platformi [15]. Za svaku primenu razvijana je posebna korisnička aplikacija, u skladu sa primenom, specifičnim hardverskim platformama i komunikacionim protokolima. Ovakav razvoj rezultovao je velikom raznolikošću dobijenih rešenja.

WSN karakteriše distribuirana priroda obavljanja osnovnih funkcije mreže, [22], što je podstaklo razvoj middleware podrške za prevazilaženje raznolikosti postojećih hardverskih i softverskih rešenja, i različitih zahteva primene WSN. Middleware se u klasičnim sistemima definiše kao softverska veza između aplikacije i operativnog sistema. Pri razvoju aplikacije za korisnika WSN, middleware se može iskoristiti u cilju sakrivanja složenosti i raznolikosti hardverskih i softverskih rešenja i zahteva, obezbeđivanjem programskih apstrakcija primenljivih za širok skup aplikacija.

Middleware za WSN se definiše kao softverska platforma koja obezbeđuje mehanizme agregacije podataka, kontrole i upravljanja, koji su u stanju da se prilagođavaju potrebama razvijane aplikacije, pri čemu se podaci prikupljaju iz WSN. Osnovne funkcije middleware-a u WSN predstavljaju podrška razvoju, održavanju, primeni i izvršavanju aplikacija baziranih na senzorskim mogućnostima WSN. Za realizaciju opisanih funkcija, neophodno je obezbediti odgovarajuće apstrakcije i mehanizme za rad sa heterogenim SN platformama u mreži [15].

5. OSNOVNI KONCEPTI KOMUNIKACIJE U WSN

Ograničeni energetski resursi SN moraju se optimalno koristiti u cilju produženja njihovog života, a samim tim i cele mreže. U procesu komunikacije troši se najveći deo energije SN platforme. Iz tog razloga, značajna istraživanja u oblasti WSN posvećena su upravo realizaciji komunikacije, [23], radi poboljšanja energetske efikasnosti.

5.1. Pristupi rešavanju problema komunikacije

U zavisnosti od primene, prenos podataka kroz WSN može se odvijati sa različitom složenošću. Pri tome, najjednostavnija je komunikacija jednog izvora i jednog odredišta, a najsloženija mesh komunikacija između više izvora i više odredišta. Osim toga, komunikacija se mora ostvariti u skladu sa zadatim vrednostima protoka, QoS zahtevima i uz agregaciju podataka. Rutiranje, zadavanje upita i otkrivanje odredišta osnovni su elementi servisa agregacije i distribucije podataka kroz mrežu, i moraju se prilagoditi razlikama u složenosti komunikacije u njoj [23].

Rutiranje predstavlja osnovni aspekt prenosa podataka u WSN, i ono mora da se rešava u skladu sa specifičnim zahtevima senzorskih mreža. Zadavanje upita predstavlja metod za prikupljanje podataka iz mreže, ekvivalentan pretraživanju baze podataka. Naime, niz podataka generisan od strane SN može da se posmatra kao tabela koja podržava pretraživanje u vremenu i prostoru. Proces zadavanje upita usko je povezan sa procesom rutiranja, i osim proste procedure za pretraživanje može uključivati strategije slanja podataka od strane SN pokrenutog nekim događajem ili unapred planiranim rasporedom. Otkrivanje odredišta podataka obavlja se unutar mreže, koordiniranim, autonominim radom SN. Realizacija problema rutiranja, zadavanja upita i određivanja odredišta može se posmatrati na osnovu node-centričnog, data-centričnog i position-centričnog koncepta [15,23].

Node-centričan koncept komunikacije je tradicionalni koncept u kome se svakom elementu mreže dodeljuje jedinstvena adresa, ID, na osnovu koje se obavljaju procesi rutiranja, dok se otkrivanje odredišta i zadavanje upita rešava na aplikacionom sloju mreže.

Data-centričan koncept komunikacije predstavlja rešenje problema u kome se od mreže zahteva da pruži odgovor na upit za dostavljanjem podataka koji zadovoljavaju određeni kriterijum, recimo da je temperatura veća od 27°C. Identitet SN koji poseduju traženi podatak je nepoznat, pa se ovi čvorovi moraju pronaći zadavanjem upita i određivanjem odredišta na nivou cele mreže. Najbitniji aspekt data-centričnog koncepta sastoji se u tome da upravo podaci generisani od strane SN predstavljaju osnovu za rad viših slojeva mreže, tj. za rutiranje, zadavanje upita i otkrivanje odredišta. Agregacija podataka se u ovom slučaju odvija unutar mreže, a paketi podataka rutiraju se na osnovu njihovog sadržaja, pri čemu identitet SN ne igra nikakvu ulogu u procesu prosleđivanja paketa kroz mrežu. Adresiranje se obavlja na osnovu tipa zahtevanih podataka, odnosno imamo atributsko adresiranje.

Position-centričan koncept zasniva se na korišćenju pozicije SN za potrebe adresiranja i rutiranja paketa unutar mreže. Osnovni cilj WSN predstavlja prikupljanja podataka iz okruženja, pa je rad mreže inherentno vezan za lokaciju. Iz tog razloga, u mnogim primenama logičnije je adresirati neku grupu senzora na osnovu lokacije nego na osnovi njihovih ID-ova. Osnovni nedostatak ovog koncepta je zahtev za poznavanjem pozicije odredišta pri komunikaciji. U mnogim primenama, ovaj zahtev je implicitno ispunjen, npr. poznate su pozicije Sink/BS, ili onaj ko zahteva podatke u svom upitu zadaje i svoju poziciju.

Proces prikupljanja podataka ima inherentan prostorni aspekt, pošto se nadgleda fizičko okruženje. 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 postupka rutiranja, zadavanje upita i otkrivanje, što nije slučaj sa node-centričnim pristupom.

Analizom opisanih koncepata komunikacije, [23], a uzimajući u obzir karakteristike i zahteve u WSN, zaključeno je da su data-centričan, position-centričan ili kombinacija ova dva pristupa, zavisno od tipa primene mreže, bolja rešenja od node-centričnog pristupa.

5.2. Odnos između WSN i drugih ad-hoc WCN

Osnovna arhitektura WSN, veoma nalikuje arhitekturi ad-hoc WCN, odnosno mesh ad-hoc WCN i mobilnim ad-hoc WCN (Mobile Ad-Hoc Networks, MANET).

Pomenute bežične mreže imaju istu osnovnu topologiju i spadaju u ad-hoc klasu WCN. Konektivnost se u svim ovim mrežama ostvaruje korišćenjem multi-hop komunikacije susednih elemenata mreže, što uslovljava primenu specifičnog rutiranja paketa. Komunikacija se odvija kroz zajednički, deljeni medijum prenosa. Ipak, priroda, način primene i osobine čvorova i druge karakteristike WSN značajno se razlikuju od onih u drugim ad-hoc WCN [1,15,23]. Odnosno:

·broj i gustina čvorova u okviru WSN znatno su veći, dok je rastojanje između čvorova višestruko manje;

·čvorovi WSN predstavljaju znatno jednostavnije uređaje, koje odlikuju znatno manji kapacitet memorije, procesorska snaga i količina raspoložive energije. Samim tim, češće se javljaju otkazi čvorova ili prelazak čvora u neaktivno stanje u cilju očuvanja energije;

·zahtev za energetskom efikasnošću uzrokuje primenu znatno jednostavnijih i manje složenih komunikacionih protokola i algoritama obrade signala;

·priroda primene WSN zahteva značajno manje protoke linkova i ukupne kapacitete mreže. Dok se kod drugih tipova ad-hoc WCN komunikacija odvija kao point-to-point komunikacija, u slučaju WSN imamo broadcast komunikaciju od Sink/BS ka čvorovima mreže i konvergenciju saobraćaja koji potiče od čvorova ka Sink/BS. Iz tog razloga, u ad-hoc WCN primenjuje se node-centrično adresiranje i rutiranje paketa, a u WSN prednost ima atributsko adresiranje u skladu sa data-centričnim ili position-centričnim konceptom komunikacije.

Navedene razlike ukazuju na to da mrežni protokoli razvijeni za potrebe ad-hoc WCN ne zadovoljavaju zahteve koji postoje u WSN i nisu direktno primenjivi u njima [1,2].

6. PREGLED PRIMENA WSN

Interesovanje i izuzetno veliki obim istraživanja u oblasti WSN podstaknut je upravo mnogobrojnim mogućnostima primene ovih mreža. Očekuje se dalji razvoj tehnologije WSN, u smislu razvoja komunikacionih protokola i tehnika prenosa signala, hardverskog i softverskog razvoja senzorskih platformi, kao i programske podrške za potrebe razvoja aplikacija. Osim toga, očekuje se poboljšanje distribuirane obrade podataka i upravljanja WSN. Samim tim, očekuje se njihova sve uspešnija i ekonomski isplativija primena.

WSN se primenjuju u mnogim oblastima, [2,22], pri čemu su osnovne oblasti i tipovi primene navedeni u Tab.2.