Оценка энергопотребления беспроводных узлов в сетях MeshLogic

Введение

Относительно новым классом беспроводных сетей передачи информации являются беспроводные сенсорные сети (БСС), которые отличаются от других типов сетей тем, что представляют собой распределенные, самоорганизующиеся и устойчивые к отказу системы из большого числа (до нескольких десятков тысяч) устройств, способных обмениваться сообщениями и при необходимости ретранслировать их по беспроводному каналу связи. Для минимизации энергопотребления в БСС применяются маломощные радиочастотные приемопередатчики и специализированные сетевые протоколы, поэтому они могут быть эффективно использованы для решения различных прикладных задач сбора данных в таких областях, как автоматизация зданий, промышленная автоматика, безопасность и оборона, мониторинг окружающей среды, здравоохранение и т. п.

Беспроводная сенсорная сеть может быть создана как на базе стандартных технологий ZigBee, WirelessHART и ISA SP100.11a, так и с помощью проприетарных решений, среди которых есть и российская разработка — платформа MeshLogic, обладающая следующими основными преимуществами относительно аналогов:

• Полностью многоячейковая топология сети.
• Все узлы равноправны и являются маршрутизаторами.
• Самоорганизация и автоматический поиск маршрутов.
• Устойчивость к соканальной интерференции.
• Высокая масштабируемость системы.
• Возможность работы всех узлов от автономных источников питания.

Для разработки изделий по технологии MeshLogic предназначены радиочастотные модули ML-Module-Z (рис. 1) со встроенной специальной версией сетевого стека MeshLogic, оптимизированной для построения распределенных систем сбора информации, в которых множество устройств передает данные в одну или несколько точек сбора (базовых станций, шлюзов и т. п.) (рис. 2).

Ранее уже были описаны основные технические характеристики и функциональные возможности модулей ML-Module-Z [1], а также проведен обзор некоторых примеров их практического применения в законченных устройствах [2]. Настоящий материал посвящен оценке энергопотребления беспроводных узлов MeshLogic и, как следствие, срока службы их элементов питания, что крайне важно на этапе проектирования БСС для выбора архитектуры и вариантов технической реализации.

Модель энергопотребления

Как и в документации на другие аналогичные радиомодули, в технических характеристиках ML-Module-Z указаны значения тока потребления в режиме передачи и приема данных по радиоканалу, а также в «спящем» режиме. Но данные величины являются только справочными, и практический интерес представляет среднее значение потребляемой мощности, от которой зависит срок службы элемента питания — принципиально важного параметра для большинства применений БСС. Среднее энергопотребление модуля в основном определяется объемом передаваемого и принимаемого в единицу времени трафика, поэтому для беспроводных узлов MeshLogic была создана аналитическая модель энергопотребления, учитывающая особенности их аппаратной реализации и метода множественного доступа к среде. Входными ее параметрами являются исходящие и входящие потоки адресного и широковещательного трафика, а также поток принимаемого «чужого» адресного трафика. Вычислив с помощью модели среднюю мощность потребления P (мВт) при заданных потоках сетевого трафика, можно оценить срок службы элементов питания узла Т (дней) по формуле:

В дальнейших расчетах мы примем CBAT = 7920 мВтч, что примерно равно емкости одной Li/SOCL₂— батареи типоразмера AA. При другом количестве и/или типе батарей потребуется только пропорциональное масштабирование в соответствии с их суммарной емкостью.

Очевидно, потоки трафика будут существенно зависеть от выбранной топологии сети сбора данных, поэтому рассмотрим различные варианты по отдельности, предполагая, что БСС является распределенной системой, в которой все устройства передают пакеты данных только одной базовой станции.

Топология «звезда»

Топология «звезда» (рис. 3), при которой точка сбора имеет стационарное питание, а оконечные узлы с автономным питанием доставляют ей пакеты по прямому соединению, является наиболее простой конфигурацией сети, при этом время бесперебойной работы оконечных устройств максимально.

Например, на рис. 4 показан срок службы в зависимости от периода передачи адресных сообщений при различных периодах передачи Ttxb и приема Trxb широковещательных пакетов. Недостаток данной топологии заключается в малой гибкости и ограниченной сфере применения.

Топология «шина-звезда»

Топология «шина-звезда» (рис. 5) является примером комбинированной архитектуры БСС и представляет собой последовательное соединение ряда подсетей со структурой «звезда». Такой вариант отличается высокой масштабируемостью и простотой сопровождения, так как позволяет добавлять и удалять устройства без существенного влияния на остальные элементы сети. Однако при этом выход из строя одного из звеньев шины приведет к отключению от сети всех нижестоящих узлов.

Если формирующие шину концентраторы соединены между собой проводным каналом для электропитания и, возможно, передачи данных, то срок службы оконечных устройств будет такой же, как и при топологии «звезда». Применение этой архитектуры целесообразно, например, для сбора показаний квартирных счетчиков в автоматизированных системах коммерческого учета потребления ресурсов, когда есть возможность установить ретрансляторы на лестничных площадках и проложить между ними кабель или использовать в качестве концентраторов модули, установленные в электросчетчиках, а беспроводные модули с автономным питанием подключать только к приборам учета воды и газа.

Если же все узлы сети работают от автономных источников питания, то необходимо выполнить расчет распределения потоков сетевого трафика. Допустим, что БСС состоит из N_R концентраторов, к каждому из которых подключено N_E оконечных устройств. Если оконечные узлы передают базовой станции адресные пакеты данных со средним периодом T_E, а период передачи в сети локального широковещательного трафика T_B, то потоки трафика для каждого оконечного узла будут следующими:

• исходящий поток адресного трафика Q_ETXU = q_E (пакетов/с);
• входящий поток адресного трафика Q_ERXU = 0 (пакетов/с);
• исходящий поток широковещательного трафика Q_ETXB = q_B (пакетов/с);
• входящий поток широковещательного трафика Q_ERXB = q_B (пакетов/с), где q_E = 1/T_E, q_B = 1/T_B.

Для концентраторов, передающих собственные адресные пакеты данных с периодом T_R и ретранслирующих пакеты от нижестоящих устройств, суммарные потоки определяются так:

• исходящий поток адресного трафика Q_RTXU = (N_R–h+1)(N_EqE+q_R) (пакетов/с);
• входящий поток адресного трафика Q_RRXU = (N_R–h+1)(N_EqE+q_R)–q_R (пакетов/с);
• исходящий поток широковещательного трафика Q_RTXB = q_B (пакетов/с);
• входящий поток широковещательного трафика Q_RRXB = (N_E+2)q_B (пакетов/с), где q_R = 1/T_R и h — расстояние между концентратором и базовой станцией.

В качестве примера рассмотрим БСС, предназначенную для передачи дважды в час показаний со счетчиков газа, горячей и холодной воды, в каждом из которых установлен беспроводной модуль с автономным элементом питания емкостью CBAT. В каждой из квартир два модуля являются оконечными, а третий выполняет функции ретранслятора, при этом базовая станция принимает показания в пределах одного подъезда. Тогда для 17-этажного дома исходные параметры расчета этого сегмента сети таковы: N_E = 2, N_R = 17 и T_E = T_R = T_B = 30 мин. В результате получены следующие оценки времени автономной работы от одной Li/SOCL₂ — батареи формата AA: концентраторов — от 16 до 35 месяцев, оконечных устройств — от 57 до 73 месяцев.

На рис. 6 показаны результаты расчетов при N_R = 20, T_E = T_R = T_B = 30 мин и набора значений N_E. Соответствующие значения математического ожидания общей задержки передачи данных (латентность) приведены на рис. 7. Очевидно, что в частном случае N_E = 0 сеть представляет собой линейную цепочку ретрансляторов.

Мы использовали термины «концентратор» и «оконечное устройство» только для обозначения положения узлов в топологии сети, так как в сети MeshLogic они функционально идентичны и отличаются только прикладным уровнем и объемами проходящего через них трафика. Заметим, что если к центральной базовой станции подключить несколько шин с описанной организацией, то будет получена топология «кластерное дерево», но при этом процедура расчета энергопотребления останется прежней.

Топология «многоячейковая сеть»

В наиболее общем случае сеть может иметь многоячейковую топологию, в которой все узлы являются маршрутизаторами, что позволяет строить более надежные и развитые системы. Но тогдае среднее энергопотребление узлов возрастает, и его расчет усложняется, так как необходимо рассматривать суммарный сетевой трафик, то есть учитывать как пакеты данных, источником которых является непосредственно сам модуль, так и пакеты, которые он принимает и передает, выполняя функции ретранслятора. Следовательно, срок службы элементов питания узла будет существенно зависеть от его положения в топологии сети и направлений прохождения сетевого трафика.

Для анализа характеристик многоячейковых сетей наиболее эффективны методы имитационного моделирования, поэтому в общем случае именно этот подход используется при разработке и исследовании механизмов, реализованных в платформе MeshLogic. В частности, большой объем моделирования был выполнен для следующего сценария. Множество узлов-маршрутизаторов с автономным питанием периодически передают пакеты данных одной точке сбора со стационарным питанием, при этом все устройства случайно и равномерно распределены на двумерной плоскости (рис. 8). Моделирование позволяет получить значения потоков сетевого трафика для каждого из узлов сети и, следовательно, оценить их среднее энергопотребление. Для примера на рис. 9 приведены усредненные по множеству случайных топологий результаты для сетей, включающих от 50 до 500 узлов (со средней плотностью размещения 10 узлов), при 30-минутных периодах передачи пакетов данных и локальных широковещательных пакетов.

Заключение

Энергопотребление стоит в ряду ключевых параметров качества обслуживания для БСС, поэтому вопрос о его расчете при создании подобных систем возникает одним из первых. Для платформы MeshLogic разработана аналитическая модель оценки средней потребляемой мощности узла в зависимости от объемов передаваемого и принимаемого сетевого трафика, при этом адекватность модели подтверждена экспериментально. Комплексное применение аналитических и имитационных моделей для платформы MeshLogic позволяет на этапе проектирования выполнять сравнение различных архитектур и режимов работы БСС, а также получать более точные оценки характеристик сети.

С помощью описанной модели в статье показано влияние топологии сети на энергопотребление узлов и, как следствие, на время бесперебойной работы автономных элементов питания. Для сторонних разработчиков доступен упрощенный вариант модели для модулей ML-Module-Z [3], реализованной в виде функций для среды математического моделирования MATLAB, что дает возможность самостоятельно определить пригодность радиомодулей для решения поставленных прикладных задач.