Умная пыль 

Технология создания сетей беспроводных датчиков на основе микророботов  27 Октябрь 2015, 15:39
Роман Станислава Лема «Непобедимый», описывающий драматическое противостояние землян и кибернетического квази-организма, созданного инопланетным разумом, давно уже стал классикой научной фантастики. Считается, что именно в этой книге польский писатель-футуролог впервые описал концепцию «умной пыли» — мириадов мельчайших механизмов, способных к самоорганизации. Сегодня ученые вплотную подошли к созданию микроботов, умеющих образовывать мобильные сети. Этим миниатюрным устройствам еще далеко до инопланетных «мушек», описанных Лемом. Но даже на современном уровне развития технологий «умная пыль» может найти немало интересных (и опасных) применений.
Следует отметить, что научные работы по нижеописанному проекту Smart Dust были изъяты из открытого доступа начиная где-то с 1999 г. По данным из открытых источников, на рубеже веков ученые США продолжали миниатюризацию «пылинок», проводя натурные испытания. В 2003 году К. С. Дж. Пистер, соавтор приведенной здесь работы, опубликовал статью под названием „Smart Dust — Hardware Limits to Wireless Sensor Networks” («Умная пыль — аппаратные ограничения для беспроводных сетей»), полный текст которой недоступен. С тех пор миниатюризация электронных устройств продолжалась, уменьшалось их энергопотребление. И неизвестно, во что превратился этот интереснейший проект сегодня. К слову, давно ли вы вытирали в своей квартире пыль из самых укромных уголков?

Крупные сети беспроводных датчиков становятся актуальной темой научных исследований. Успехи в области технологии создания аппаратных средств и инженерного проектирования привели к значительному снижению размеров, потребления питания и стоимости цифровых схем, беспроводных коммуникаций и микроэлектромеханических систем (MEMS). Это позволило создать очень компактные, автономные и мобильные узлы, каждый из которых содержит один или более датчиков, вычислительные и коммуникационные средства, а также источник питания. Полноценно использовать эти революционные технологии невозможно, прежде всего, в силу отсутствия соответствующих сетевых технологий. В научной работе, подготовленной исследователями факультета электротехники и информатики Калифорнийского университета в Беркли (Дж.М.Кан (J.M.Kahn), Р.Х.Кац (R.H.Katz), К.С.Дж.Пистер (K.S.J. Pister)), рассматриваются основные элементы технологии «умной пыли» (smart dust) и описываются исследовательские задачи, которые придется решить представителям сообществ, занимающихся мобильными сетями и системами — необходимо обеспечить согласованное соединение большого количества узлов мобильных сетей, расположенных в крайне ограниченном пространстве.
Рис. 1. Мот («умная пылинка») содержит микродатчики, оптический приемник, пассивный и активный оптические передатчики, схему обработки сигнала и управления, а также источник питания
Одним из наиболее заметных проектов, связанных с построением мобильной сети, состоящей из узлов-микродатчиков, является проект Smart Dust («Умная пыль»), реализованный в свое время в Калифорнийском университете в Беркли под руководством профессоров Пистера и Кана. Основной задача проекта состояла в исследовании предельно возможных размеров и потребления питания автономными узлами-датчиками. Снижение габаритов являлось первоочередной задачей — узлы такой сети должны быть максимально дешевыми и простыми в развертывании. Исследователи исходили из того, что они смогут разместить необходимые датчики, средства связи и обработки данных, а также источник питания, в объеме не превышающем нескольких кубических миллиметров. При этом, такие элементы должны демонстрировать высокую производительность, связанную с функциональностью датчиков и средств связи. Эти устройства миллиметровых масштабов и были названы «умной пылью» (smart dust). Возможно, будущие образцы «умной пыли» будут достаточно малыми по размерам, чтобы парить в воздухе, поддерживаемые его потоками, собирать информацию и осуществлять связь на протяжении нескольких часов или даже дней. Как минимум, в научной фантастике такая идея уже упоминалась (роман Нила Стивенсона «Алмазный век»).

Исследование систем на основе «умной пыли» началось буквально вчера. Основная задача этой статьи состоит в представлении некоторых технологических возможностей и вопросов с тем, чтобы привлечь большее количество серьезных исследователей, интересующихся этим чрезвычайно важным направлением.

«Умная пыль»: технологии

Как это обычно бывает в новых научных областях, терминология, связанная с «умной пылью», с одной стороны еще не устоялась, с другой — в обиход научного сообщества, нередко, входят термины, предложенные первопроходцами. На сегодняшний день наиболее часто в англоязычной научной литературе при описании «умной пыли» ее базовые элементы называют mote («пылинка»). В отечественных статьях можно встретить морфологическую передачу термина — «мот» (мн. ч. — «моты»). В этой статье мы будем применять этот вариант, а в качестве синонима — «умная пылинка» (smart dust mote).


На рисунке ниже изображена отдельная «умная пылинка» — мот. В единый корпус интегрированы MEMS-датчики, полупроводниковый лазерный диод и зеркало управления лучом на основе MEMS для активной оптической передачи, кубический уголковый MEMS-отражатель для пассивной оптической передачи, оптический приемник, схема обработки сигнала и управления, а также источник питания на базе толстопленочных аккумуляторов и солнечных элементов. Это устройство замечательно тем, что оно может собирать информацию, коммуницировать и при этом не имеет внешних источников питания.

Основная задача состоит в интеграции всех этих функций при очень низком потреблении питания, а следовательно, максимальном продлении срока службы при ограниченном объеме, предназначенном для хранения энергии. С учетом того, что объем такого устройства должен ориентировочно равняться 1 куб. мм, а в наличии имеются наилучшие на сегодня аккумуляторные технологии, количество хранимой энергии составляет порядка 1 Дж. Если эта энергия используется непрерывно в течение дня, то при грубом расчете потребляемая мотом мощность не может превышать 10 мкВт.

Прогнозируемая функциональность «умной пыли» может быть достигнута только если общая потребляемая мощность мота не превышает нескольких микроватт и при этом используется стратегия бережного потребления энергии (т.е. различные элементы мота потребляют питание только когда оно им необходимо). Если же «умным пылинкам» придется работать в течение нескольких дней, могут быть применены солнечные элементы: подобное решение позволит получать до 1 Дж в день при использовании солнечных лучей, либо около 1 мДж — при работе от источников искусственного освещения.
Исследование Джозефа М. Кана и Кристофера С. Дж. Пистера выполнено в рамках проекта Smart Dust (DARPA). Исследование Пистера и Рэнди Говарда Каца выполнено в рамках контракта Endeavour Expedition to the Information Technology Future (DARPA).
Методы работы датчиков и реализацию обработки данных при низком потреблении питания можно считать хорошо проработанными. Более сложная инженерная проблема — разработка коммуникационной архитектуры, работающей при сверхнизком энергопотреблении. На сегодня наиболее подходящими технологиями для осуществления этой задачи является использование радиоволн или оптической передачи, причем у обеих технологий есть свои преимущества и недостатки. В первом случае проблемой является очень ограниченное пространство для размещения антенн, вследствие чего возможна передача только на очень коротких волнах (т.е. очень больших частотах), а связь в этом режиме не позволяет работать при низком потреблении питания. Кроме того, РЧ-трансиверы являются относительно сложными схемами, что затрудняет снижение энергопотребления до требуемого уровня (несколько микроватт) — потребуются схемы модуляции, полосовой фильтрации и демодуляции, а также дополнительный модуль, в случае если передача сигналов от большого количества мотов должна быть мультиплексирована с разделением по времени, частоте или с использованием кодирования.

Привлекательная альтернатива состоит в использовании оптической передачи (т.н. атмосферная оптическая линия связи, АОЛС). Исследования Кана и Пистера, описанные в статье «Беспроводная связь для “умной пыли”» (V. S. Hsu, J. M. Kahn, and K. S. J. Pister, “Wireless Communications for Smart Dust”, Electronics Research Laboratory Memorandum Number M98/2, 1998), показали, что при использовании АОЛС для передачи одного бита информации требуется значительно меньше энергии, чем в случае применения радиочастотных аналогов. Оптические линии имеют несколько преимуществ, связанных с энергопотреблением. Оптическим приемопередатчикам требуется только одна простая схема аналоговой и цифровой безмодуляционной передачи — и никаких модуляторов, активных полосовых фильтров или демодуляторов. Использование волн короткой длины видимого или ближнего ИК-излучения (порядка 1 микрон) позволяют устройству миллиметрового размера излучать узкий луч (т.е. может быть достигнут высокий коэффициент усиления антенны). Еще одна выгода в использовании таких волн состоит в том, что базовый трансивер (БТ), оснащенный компактным приемником-формирователем изображения, сможет декодировать сигналы, одновременно передаваемые с большого количества мотов, находящихся в «поле зрения» приемника, что, по сути, представляет собой вид мультиплексной передачи с пространственным уплотнением.
Для успешного декодирования одновременных передач требуется, чтобы «умные пылинки» не находились на линии прямой видимости между другими мотами и КУ. Впрочем, такое блокирование маловероятно
из-за малых размеров устройств. Второе требование к декодированию одновременно принятых сигналов состоит в том, чтобы изображения разных мотов регистрировалось разными пикселями фотоприемника КУ.

Чтобы получить представление о требуемом разрешении приемника, рассмотрим следующий пример. Предположим, что трансивер КУ следит за содержащей «умную пыль» зоной размером 17х17 м. При этом он использует высокоскоростную видеокамеру с очень скромной матрицей 256х256 пикселов. Каждый пиксел регистрирует изменения области размером около 6,6 кв. см. Поэтому одновременные передачи могут быть декодированы только в том случае, если «умные пылинки» разделяет расстояние не меньше размеров пачки сигарет.
Рис. 3. Конструкция оптической сети на основе АОЛС, в которой базовый трансивер связывается одновременно с несколькими «умными пылинками» (показан только один мот). Лазер на базовой станции имеет достаточную оптическую мощность для прямой и обратной передачи данных.
Еще одно преимущество использования АОЛС состоит в том, что один из элементов MEMS делает возможным использование технологии пассивной оптической передачи сигнала, т. е. для передачи модулированных оптических сигналов не потребуется какой-либо излучатель. Этим элементом является кубический уголковый отражатель (КУО, рис. 2). Он состоит из трех взаимно перпендикулярных зеркал из покрытого золотом поликремния. КУО имеет свойство возвращать любой попадающий на него луч света обратно к источнику (при условии, что луч света падает в пределах определенного диапазона углов от пространственной диагонали куба). Если одно из зеркал смещается, свойства световозвращающей системы ухудшаются. Микроскопический КУО содержит электростатический привод, который может отклонять одно из зеркал с частотой около 1 кГц. На сегодняшний день получены результаты, свидетельствующие о возможности передачи модулированного сигнал на скорости порядка нескольких килобит в секунду. Поскольку сама «умная пылинка» не излучает в этом случае свет, а отражает его, пассивный передатчик потребляет небольшое количество энергии. Используя КУО, Чу и Пистер продемонстрировали передачу данных на скорости до 1 килобита в секунду на расстояние до 150 метров, применяя 5-милливаттный лазер (P. B. Chu, N. R. Lo, E. C. Berg, K. S. J. Pister, „Optical Communication Using Micro Corner Cube Reflectors”, Proc. of IEEE MEMS Workshop, Nagoya, Japan, January 1997, стр. 350–355). 

Стоит подчеркнуть, что в случае использования пассивных оптический линий связи на основе КУО линия прямой видимости не должна перекрываться. Кроме того, пассивный передатчик на основе КУО является направленным по своей природе, и кубический уголковый отражатель может передавать сигнал на базовый трансивер только в случае, если пространственная диагональ КУО направлена непосредственно на КУ — допустимо отклонение в пределах нескольких десятков градусов. Пассивный передатчик может отражать излучение в нескольких направлениях при использовании нескольких разнонаправленных КУО, но при этом неизбежно увеличение размеров мота. Даже если мот оснащается несколькими КУО, отсутствие всенаправленной передачи довольно сильно влияет на осуществимость стратегии сетевой маршрутизации.

На рис. 3 изображена оптическая сеть на основе АОЛС, использующая пассивную передачу информации с применением КУО. Базовый трансивер оснащен лазером, луч которого освещает область, содержащую «умные пылинки». Этот луч может быть модулирован передаваемыми данными, включая команды на включение и запрос информации от мота. Когда луч не модулируется, моты могут использовать КУО для передачи данных обратно на базовую станцию. Высокоскоростная видеокамера с ПЗС-матрицей, размещенная на КУ, «видит» эти сигналы КУО как вспышки света. Затем коммуникационный узел декодирует эти мигающие изображения в данные. Эксперимент Кана и Пистера показал, что такая схема позволяет достичь скорости передачи данных в несколько килобит в секунду на расстоянии нескольких сотен метров при ярком солнечном освещении (V. S. Hsu, J. M. Kahn, and K. S. J. Pister, „Wireless Communications for Smart Dust”, Electronics Research Laboratory Memorandum Number M98/2, 1998). Ночью в условиях чистого неподвижного воздуха диапазон дальности действия увеличивается до нескольких километров. Поскольку камера использует процесс формирования изображения для разделения одновременных передач от различных мотов, можно сказать, что она использует мультиплексную передачу с пространственным уплотнением. Возможность выделять отдельные каналы в процессе передачи данных, является следствием использования коротких волн видимого или ближнего ИК-излучения. Это не требует какой-либо координации между мотами, а значит, не требует усложнения их конструкции.

Когда сценарий применения требует, чтоб моты использовали активные оптические передатчики, MEMS-технология может быть использована для сборки полупроводникового лазера, конденсорной линзы и микрозеркала, управляющего лучом, как показано на рис. 1. Активные передатчики делают возможной связь между «умными пылинками» при условии наличия прямой видимости между ними. Энергопотребление предполагает компромисс между пропускной способностью и дальностью действия. Моты могут осуществлять обмен данными на больших расстояниях (десятки километров) при низких скоростях передачи данных или более высоких скоростях (мегабиты в секунду) на более коротких расстояниях. Относительно высокое потребление питания полупроводниковыми лазерами (порядка 1 мВт) приводит к тому, что активные передатчики могут использоваться только для краткосрочных обменов в пакетном режиме. В случае использования сети датчиков на основе мотов с активными передатчиками потребуется использование специального протокола, фокусирующего их лучи на приемных устройствах.

Проблемы создания мобильных сетей

Разработка протоколов мобильных сетей для «умной пыли» представляет собой сложную задачу. При этом имеются критические ограничения:
• для работы АОЛС требуется наличие прямой видимости;
• пассивные и активные передатчики мотов обладают направленностью, которая должна быть учтена при создании системы;
• имеются заметные компромиссы между скоростью передачи данных, расходом энергии на передачу бита информации, расстоянием и направленностью АОЛС.

Требования к пути передачи сигнала

Для нормального функционирования «умной пыли» на основе АОЛС требуются ненарушаемые пути передачи сигнала. Такие линии связи не могут надежно работать вне зоны прямой видимости, так как при этом придется полагаться на отражение от одного или большего количества объектов между передатчиком и приемником. Передаваемый луч должен иметь высокую направленность, чтобы достичь высокого соотношения «сигнал — шум» при приемлемо малой энергии передатчика. Использование отражения с помощью зеркальных поверхностей может незначительно увеличить расхождение передающего луча, но вряд ли при практическом использовании можно будет выстроить систему зеркал с необходимыми свойствами. Расеянное отражение рассеивает энергию луча в широком диапазоне углов, что снижает важность точного ориентирования последнего, но при этом обычно на приемник попадает недостаточное количество энергии. Следовательно, рассеянная передача вне пределов прямой видимости, возможно, будет осуществима только когда активные передатчики используются на очень малых расстояниях (до 1 метра). И, по-видимому, невозможно применять диффузную передачу вне пределов видимости при использовании пассивных передатчиков (на основе КУО), поскольку передаваемый луч и отраженный луч будут подвержены рассеиванию в большом диапазоне углов.

Неподвижный мот без прямого пути передачи данных на КУ может связаться с ним при помощи многоскачковой маршрутизации (multihop routing), если существует подходящий вариант прохождения луча. Вероятность наличия такой траектории увеличивается с ростом плотность мотов на единицу площади. Многоскачковая маршрутизация увеличивает задержку сигнала, и при этом требуется, чтобы моты были оснащены активными оптическими передатчиками. Ограничения, связанные с размерами и энергопотреблением цифровой схемы отдельного мота, требуют минимизировать сложность алгоритмов многоскачковой произвольной маршрутизации.

Когда «умные пылинки» парят в воздухе или перемещаются любым другим способом, прямая передача данных на БТ может быть доступна спорадически. В таких случаях коммуникационный узел может непрерывно опрашивать моты. Когда «умная пылинка» находится в пределах прямой видимости, она может передать пакет данных на БТ. Если же среднее время между ожиданием «сеанса связи» превышает время передачи пакета, задержку можно минимизировать путем использования многоскачковой маршрутизации вместо прямой передачи данных.

Направленность связи

В большинстве систем «умной пыли» угловое расхождение опрашивающего луча КУ должен соответствовать полю обзора оптического сенсора КУ. Оба они должны соответствовать друг другу во всех системах, использующих пассивные передатчики мотов, а также в системах, использующих активные передатчики мотов, когда практическое применение подразумевает частую двунаправленную передачу между КУ и мотами. Естественно, не имеет смысла опрашивать те моты, от которых базовый трансивер не сможет получить информацию, и наоборот. В таких системах опрашивающий луч и оптический сенсор можно установить неподвижно на КУ, и они будут работать совместно, как одно устройство. Например, КУ можно разместить в портативном устройстве, напоминающем бинокль, которое наводится на цель оператором-человеком.

В некоторых сценариях использования, когда применяются активные передатчики, может быть предпочтительнее использовать луч передатчика КУ, угловое расхождение которого меньше, чем поле обзора приемника. При подобном использовании опрашивающий луч можно будет сфокусировать на различных точках в пределах поля обзора приемника.

Из-за ограниченного доступного пространства оптический приемник мота, вероятно, не будет оснащаться оптическим концентратором любой конструкции (как вариант, объективом — прим. Technowars), расположенным перед фотодатчиком. В результате приемник будет действительно всенаправленным, т. е. будет способен принимать практически все сигналы, попадающие в полусферу, расположенной перед мотом. Во многих сценариях использования не понадобится точно направлять приемник, интегрированный в «умную пылинку».

Если сравнивать с приемником, передатчик мота будет иметь заметно отличающиеся характеристики направленности. Пассивный передатчик будет иметь в своей основе КУО. Это устройство отражает свет обратно на источник в виде узкого луча (в качественных КУО угловой разброс отраженного луча ограничивается дифракцией порядка θ≈λ/a, где λ — длина световой волны, а — эффективный диаметр КУО) при условии, что оно подсвечивается с направления, которое лежит в пределах нескольких десятков градусов от пространственной диагонали куба. Если каждый из мотов использует только один КУО, то любой из них, находящийся в зафиксированном случайном положении с вертикальной ориентацией, сможет передавать сигнал на КУ с вероятностью около 10%. Эта вероятность может быть значительно увеличена путем оснащения каждого мота несколькими КУО, каждый из которых ориентирован в разных направлениях. В качестве альтернативы может быть использован один КУО в связке с подстроечным MEMS-механизмом. Такому устройству потребуется «нацелить» КУО с точностью порядка 10–20 градусов.

Имеются и другие решения для обхода ограничений направленности КУО. Можно, к примеру, случайно распределить избыточное количество мотов, а затем устанавливать связь с теми из них, чьи КУО направлены на коммуникационный узел. Если моты подвижны, то наилучшим решением в этом случае может быть простая задержка передачи до тех пор, пока моты не примут положение, необходимое для передачи данных на БТ.

Активные передатчики, размещаемые на мотах, можно изготовить на основе лазерного диода. Он должен использовать узкий луч, обычно не превышающий порядка нескольких градусов или меньше (см. следующий раздел 3.1.3). Вследствие этого возникает необходимость оснащения мота активным механизмом управления лучом. Пистер и его студенты в свое время работали над MEMS-механизмом, который способен направлять луч в любую точку полусферы. Алгоритмы управления лучом для систем «умной пыли» с активными передатчиками представляют собой нетривиальную задачу. Было бы желательно «научить» каждый из мотов автономно направлять луч в требуемую точку. Один из подходов состоит в том, чтобы сделать приемник направленным и разместить приемник и передатчик на одном и том же подстроечном механизме. Соответственно, нацеливая свой приемник так, чтобы довести до максимума силу принимаемого сигнала с КУ или другого мота, «умная пылинка» одновременно наведет в ту же точку и передатчик. Необходимость — для таких передатчиков — определения направления на другие моты замедляет связь, но если они остаются неподвижными, то направление на них, будучи раз определенным, может быть сохранено в памяти мота для последующего использования.

В большинстве сценариев, рассмотренных выше, передатчик и приемник имеют разные угловые диапазоны. Это приводит к не соответствующим друг другу характеристикам линии связи, при которых мот может принимать информацию с другого узла сети, но неспособен передавать на него, или наоборот. Как следствие, мот может принимать запросы от других узлов и может пытаться отвечать на них, не имея информации о том, что все сеансы связи были бесполезны. Когда моты неподвижны, другие узлы сети с целью экономии энергии должны подтверждать получение информации от того или иного мота, который, в свою очередь, не должен отвечать на дальнейшие запросы от узлов, которые не подтвердили получение.
Известно, что в оптических сетях на основе АОЛС отсутствие взаимного влияния (non-reciprocity) может привести к появлению «скрытых узлов», которые могут вызывать конфликты во время доступа. В сетях на основе «умной пыли» передача данных от мота к КУ использует мультиплексную передачу с пространственным уплотнением — никаких конфликтов в процессе передачи данных не произойдет до тех пор, пока моты находятся на значительном расстоянии друг от друга, а передача данных от них регистрируется различными пикселами в оптическом сенсоре КУ. Конфликты во время связи между узлами (peer-to-peer) являются потенциальной проблемой в сетях на основе «умной пыли». Схема устранения конфликтов при передаче «узел — узел» должна работать с динамической конфигурацией сети, не привнося дополнительную сложность или задержку при передаче данных.

Компромиссы между скоростью передачи, расстоянием и количеством энергии для передачи бита информации

Работа АОЛС (атмосферных оптических линий связи) связана с компромиссами между несколькими расчетными параметрами. Упрощая, рассмотрим случай, когда связь осуществляется с использованием активных лазерных передатчиков. Формула соотношения «сигнал — шум» для приемника (SNR) имеет вид:
(1)
Здесь C является неизменной величиной, Eb – среднее количество энергии, необходимое для передачи бита информации, Rb – скорость передачи, А – рабочая площадь приемника (при передаче с КУ на мот или передаче между мотами А соответствует площади фотодатчика пылинки; при передаче с мота на КУ А соответствует площади входной апертуры камеры БТ), N0 – спектральная плотность мощности шума приемника, d – дальность передачи данных и Ф – угловой разброс луча передатчика. Эта формула допускает, что Ф мало и что луч передатчика оптимально направлен на приемник. Величина SNR определяет вероятность ошибки на бит и должна поддерживаться на соответствующем высоком уровне с тем, чтобы обеспечить надежность передачи данных. Из формулы (1) мы видим: чтобы достичь заданного SNR при всех остальных неизменных параметрах, требуемое значение Eb пропорционально Rb-1/2, т. е. энергия, расходуемая на передачу бита информации, минимизируется при передаче коротких пакетов на высокой скорости.

Средняя мощность передатчика (во время передачи пакета) составляет Pt= Eb/Rb. Следовательно, передача на высоких скоростях требует высокой мощности передатчика. На практике Pt должно быть выбрано как можно большим в пределах ограничений, накладываемых безопасностью для зрения и ограничениями по току. Переписывая (1) для Pt, мы получаем формулу (2).
 (2)
Имея ограничение Pt, для максимального увеличения скорости передачи Rb и расстояния d мы должны максимально увеличить площадь приемника А и уменьшить Ф, т. е. использовать максимально направленный передатчик.

Когда все другие параметры неизменны, для поддержания требуемого SNR допустимая скорость передачи и расстояние соотносятся как Rb ∞ d-4. Следовательно, имеется возможность увеличить дальность передачи данных, значительно снизив скорость передачи. Если возможна многоскачковая маршрутизация, общая задержка может быть минимизирована путем передачи на более высоких скоростях при нескольких скачках.

Возможности мобильной сети

Метод АОЛС представляет много возможностей помимо пассивной связи при низком потреблении питания. Поскольку наиболее частым применением сети датчиков является вывод считываемых данных, основная задача протокола состоит в получении информации с большого количества датчиков, находящихся на небольшой площади. Произвольный доступ к информационной среде потребляет много энергии и неэффективен по пропускной способности. Поэтому весьма полезно применять пассивные и трансляционные (broadcast-oriented) технологии там, где это возможно. К счастью, метод АОЛС допускает несколько одновременных считываний с датчиков, сочетая активные и пассивные подходы, использующие технологии доступа по запросу, и обеспечивает эффективный ответ с низкой задержкой к областям сети датчиков, которые подвержены частым изменениям.

Параллельное считывание

Одиночный широкий луч базового трансивера может одновременно зондировать несколько мотов. Оптический сенсор, размещенный на КУ, принимает несколько отраженных от мотов лучей до тех пор, пока их будет разделять расстояние для корректного приема сигналов. Зондирующий луч сканирует трехмерное пространство, покрываемое базовой станцией, с частотой, определяемой сценарием использования и соответствующими требованиями к считыванию информации с датчиков.

Доступ по запросу

Для экономии энергии при передаче данных с применением активного передатчика лучше всего воспользоваться высокой скоростью передачи для небольших пакетов данных. Распространенные методы доступа по запросу могут использоваться для сочетания преимуществ низкой задержки, присущей активной коммуникации, с преимуществами низкого потребления питания, характерного для пассивного подхода.
Когда моту требуется передать информацию, он передает короткий импульсный сигнал на базовый трансивер. КУ, обнаружив этот сигнал, зондирует область, из которой поступил этот сигнал. Если пассивный передатчик (т. е. КУО) точно ориентирован в направлении БТ, мот может передать необходимую информацию, модулируя отраженный зондирующий луч соответствующими данными.

Логически рассуждая, структура связи, описанная выше, имеет много общего с сотовыми и спутниковыми сетями. Доступ к каналу предоставляется в режиме соперничества. Коммуникационный узел предоставляет канал узлу, который запрашивает связь. В сотовых сетях это выполняется путем присвоения узлу частоты, временного интервала и/или кода. В схеме, описанной для «умных пылинок», канал предоставляется с помощью зондирующего луча.

Заметим, что для этой технологии количество каналов (вызова или передачи данных) равно количеству отдельных пикселов на БТ. У базового трансивера нет возможности различать моты, устанавливающие связь одновременно, если сигнал от них попадает в один и тот же пиксел матрицы оптического сенсора. Единственный возможный способ преодолеть это — использовать технологии временного интервала подобно тому, как они используются в системах связи с множественным доступом с разделением по времени (TDMA). Луч с широкой апертурой, излучаемый КУТ, может быть модулирован таким образом, чтобы задать временной базис синхронизации мотов. Затем КУ может передать каждому отдельному моту информацию о назначении временного интервала для сеанса связи.

Периодичность зондирования

Периодичность применения зондирующего луча может быть определена в рамках сценария использования. Имеются хорошо известные наблюдения, связанные с управлением статистическими данными, о том, что в областях, где изменения происходят более быстро, повтор должен осуществляться чаще. Если считанные данные меняются незначительным образом на протяжении длительного времени, то достаточно случайных считываний, чтобы получить статистически значимые результаты. Поэтому лучше уделять больше времени зондированию тех датчиков, которые испытывают более быстрые изменения данных и для которых считывание с перерывами может привести к большому несоответствию, отличному от текущих значений датчика.

«Умная пыль»: сценарии использования

В зависимости от сценария применения отдельные моты могут быть прикреплены к объектам, которые требуется отслеживать. Кроме того, большое количество пылинок может быть просто рассеяно случайным образом в некотором объеме — они, к примеру, могут парить в воздухе. Моты записывают данные, получаемые с датчиков, а затем, когда они запрашиваются, передают полученную информацию при помощи оптических технологий. В некоторых вариантах использования моты будут устанавливать связь напрямую (и пассивно) с коммуникационным узлом, в других случаях будет использоваться активная коммуникация между мотами с последующей передачей данных на КУ. В зависимости от области применения моты и базовую станцию может разделять расстояние от десятков метров до километров.

КУ можно, к примеру, разместить в портативном устройстве вроде бинокля. Это позволит пользователю одновременно наблюдать обстановку и считывать информацию с мотов, которая будет отображаться поверх видимого изображения. Другой пример — КУ может находиться на небольшом БПЛА, который барражирует над областью, усеянной мотами, и периодически опрашивает их.

Предполагается большое количество вариантов применения «умной пыли» как в гражданских, так и военных системах. «Умная пыль» может быть распространена в определенном районе для получения метеорологических и геофизических данных и даже использоваться в изучении других планет. Она может применяться для выполнения сбора данных в среде, где невозможно использовать проводные датчики или их использование приводит к ошибкам. Среди примеров — камеры для технологической обработки полупроводников, вращающиеся механизмы, аэродинамические трубы, безэховые камеры.

В биологических исследованиях «умная пыль» может использоваться для отслеживания миграций и внутренних процессов у насекомых и мелких животных. Если рассматривать военную область применения, «умная пыль» может быть развернута для скрытого мониторинга территории противника — например, для проверки выполнения тех или иных договоренностей. Акустические, вибрационные датчики или датчики магнитного поля могут определять прохождение машин и других объектов. «Умная пыль» может использоваться для наблюдения за периметром или для определения наличия химического или биологического оружия на поле боя.

Основная проблема использования «умной пыли» — с точки зрения обработки данных и систем связи — состоит в том, как осуществить комплексное поведение большого количества отдельных, относительно простых датчиков. Иногда это называют поведением пчелиного улья или роя, иногда — непредсказуемым или неочевидным поведением. Критически важной технологией в этом случае является возможность датчиков передавать свои данные друг другу, а также центральному процессору, находящемуся на базовой станции. Но ключевое значение, пожалуй, имеет правильная организация сети.

Сценарий «Непредсказуемое поведение системы, состоящей из большого количества датчиков»

Датчикам лучше работать совместно. Вместо интеграции большого количества датчиков в одиночную интегрированную схему можно просто развернуть большое количество различных датчиков в определенном географическом районе и позволить им самостоятельно организоваться.

Датчики обычно специализируются на обнаружении определенных сигнатур. Одни регистрируют движение, другие — тепло, третьи — звук. Когда один датчик обнаруживает критическое значение соответствующей сигнатуры, он информирует соседние датчики. Те, в свою очередь, включаются в работу в зависимости от типа сенсорных возможностей. Например, простой датчик определения движения может подать сигнал более сложным датчикам, чтобы они определили температурные или другие характеристики теплопередачи. Массив датчиков, работающих как единая сеть, не только обнаруживает нарушителя, но и демонстрирует более интеллектуальную обработку данных путем поиска отличий. Как определить, кто проник на контролируемую территорию, человек или небольшое животное? Один из вариантов — сверить тепловые сигнатуры. Так, тепловое излучение человеческого тела будет иметь больший объем.

Более сложные датчики могут затем увеличить скорость сканирования, чтобы получить сигнатуру более высокого разрешения, или перераспределить запас энергии на работу в узкополосном или сверхнаправленном режиме. Подобные режимы значительно влияют на потребление питания. Основной вопрос оптимизации — максимальные возможности направленной работы и повышения разрешения при минимальном потреблении электроэнергии.

Технологические подходы для реализации сценария

Имеются два способа создания такой системы обнаружения. Первый — централизованная схема. Датчик движения устанавливает связь с базовым трансивером, который в свою очередь устанавливает связь с находящимся рядом датчиком тепла. В случае использования пассивной коммуникации, это будет наиболее энергоэффективный способ распространения информации.

Централизованные/пассивные схемы не могут использоваться, если отсутствует возможность прямой передачи данных (нахождение вне зоны прямой видимости) или периодичность опроса слишком низка и не позволяет преодолеть ограничение, связанное с задержкой обнаружения. В таких случаях мот, отслеживающий обстановку, должен использовать активный передатчик. Если прямая передача данных невозможна, моту придется ситуативно использовать многоскачковые технологии для связи с коммуникационным узлом или соседними узлами сети.

Определение невозможности прямой передачи данных между мотом и КУ не представляет сложности (стоит обратить внимание, что блокирование линии связи и неисправность КУ могут быть определены одни и тем же способом). Можно задать некий максимальный дежурный цикл между отдельными зондирования. Если со времени предыдущего «сеанса» прошло определенное количество времени, мот может предположить, что линия связи заблокирована. Оценив важность обнаруженной информации, мот может перейти в активное состояние.

Создание многоскачковой маршрутизации в этой среде довольно затруднительно. Из-за направленности встроенного лазера активная передача по всем направлениям невозможна. Также невозможно определить, сможем ли мы получить информацию от следующего узла, даже если он принимает данные от предыдущего узла.

Возможна следующая схема. Узел передает короткий пакет и ждет подтверждения от любого узла, находящегося в режиме прослушивания, чтобы определить, что его передача была принята. Определение реальной достижимости между парой мотов требует полного четырехфазного квитирования («Вы видите меня?» — «Да, я вижу вас. А вы видите меня?» — «Да» — «Хорошо. Мы можем установить связь между нами»). Это должно выполняться в контексте соответствующих лимитов времени и быть устойчивым к динамическим изменениям в позициях узлов, устанавливающих связь друг с другом, и которые, к примеру, могут парить в воздухе.

Таблицы маршрутизации могут быть созданы исходя из такого попарного установления связи. Однако стандартные алгоритмы маршрутизации, такие как RIP, OSPF и DVMP, предполагают двунаправленные и симметричные связи. Это не всегда возможно в случае с «умной пылью». К примеру, мот А может установить связь с мотом B, но не наоборот. Даже если связь двунаправленная, нет необходимости работать с той же пропускной способностью или параметрами потерь в обоих направлениях.

Следовательно, требуется разработка новых алгоритмов маршрутизации, способных работать с каналами связи, которые однонаправлены и/или ассиметричны. Специальная рабочая группа, созданная во французском институте INRIA, уже проводила соответствующие обсуждения под эгидой Инженерного совета Интернета (IETF Unidirectional Link Routing Working Group).

К сожалению, текущие усилия исследователей сосредоточены на поддержке однонаправленной связи с высокой пропускной способностью, где все узлы имеют как минимум двунаправленную связь низкой пропускной способностью (например, узлы, которые имеют доступ к спутниковой связи с высокой пропускной способностью, взаимодействуют между собой посредством медленной телефонной связи). Даже модификация существующих алгоритмов не сильно поможет, поскольку связь между парящими в воздухе мотами является динамической и работает в пределах короткой временной шкалы. Более общий случай все еще требует рассмотрения.

Другие проблемы, связанные с использованием

Одно из возможных улучшений состоит в использовании MEMS-технологии для создания инерциальных навигационных схем с тем, чтобы датчики имели больше информации о ближайших соседях, даже если они оказывается вне пределов прямой видимости для коммуникационного узла. КУ может определить относительное местоположение мотов в пределах своего поля обзора. Затем он сможет передать «информацию о ближайших соседях» мотам, которые способны отслеживать его зондирующий луч. Встроенное средство инерциальной навигации в сочетании с этими периодическими «снимками» относительного местоположения поможет мотам сориентировать их приемопередающую оптику, что расширит их коммуникационне возможности с соседними узлами.

Заключение

Научное сообщество находится в поиске новых областей, в которых его представители смогут генерировать инновационные идеи и испытывать их эффективность. Новая парадигма, выходящая за пределы настольных компьютеров, предлагает захватывающие перспективы системного проектирования — мы живем в посткомпьютерную эпоху (post-PC era). Сети беспроводных датчиков — одна из таких областей, которая обещает появление новых важных сфер практического применения и требует новых подходов к традиционным проблемам создания сетей.
«Умная пыль» представляет собой многообещающую платформу для исследования практического применения систем, состоящих из групп простых узлов с непредсказуемым/неочевидным поведением. Решение проблемы частичных разъединений при установке связи посредством динамической маршрутизации сигналов с использованием быстро изменяющихся однонаправленных каналов представляет важнейшую исследовательскую задачу для сообщества, разрабатывающего мобильные сети.