автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Топологические методы повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники

На правах рукописи

Образцов Сергей Александрович

Топологические методы повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники

Специальность 05.09.12 — Силовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ш ш

Москва 2012

005044455

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной электроники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Панфилов Дмитрий Иванович (г. Москва)

доктор технических наук, профессор, генеральный директор ЗАО «ММП-Ирбис» Лукин Анатолий Владимирович (г. Москва)

кандидат технических наук,

инженер ООО «Инфинеон текнолоджис РУС»

Обжерин Евгений Александрович (г. Москва)

Ведущая организация: ЗАО «Связь-инжиниринг» (г. Москва)

Защита состоится 31 мая 2012 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, ауд. Е-603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «2- % * апреля 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.12

к.т.н., доцент

Ремизевич Т. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные беспроводные технологии позволяют создавать принципиально новые устройства и системы, а при замене существующих проводных технологий — повышать гибкость и снижать стоимость жизненного цикла изделий. Примерами подобных устройств и систем в области промышленной электроники являются системы жизнеобеспечения зданий, включающие в себя управление электро-, тепло- и газоснабжением, вентиляцией и кондиционированием, освещением, охранно-пожарной сигнализацией, контролем доступа, автоматизированные производственные линии, системы навигации и связи маршрутного и промышленного транспорта, подвижные установки, преобразователи и датчики в труднодоступных местах, на подвижных объектах, в агрессивных средах, под высоким напряжением и т. д.

Однако внедрение беспроводных технологий в большинстве перечисленных применений сдерживается двумя основными факторами: невозможностью длительной, в течение нескольких лет, работы от автономных источников тока из-за высокого энергопотребления радиопередатчиков и пониженной надежностью доставки сообщений по сравнению с проводными технологиями. Первый фактор является ключевым для широкого класса объектов промышленной электроники (ОПЭ), особенно при размещении их в труднодоступных местах с необходимостью длительной работы без обслуживания. Основные методы снижения энергопотребления беспроводных устройств изложены в работах отечественных и зарубежных ученых: А. В. Чечендаева, A. Koubaa, P.Jurcik, R.Severino, A. Cunha и др. Анализ работ указанных ученых показал, что наибольшим потенциалом снижения энергопотребления обладают беспроводные сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией, работающие с высокой скважностью интервала активной работы узлов, причем потребляемая мощность существенно зависит от параметров и топологической структуры сети.

Технологии на основе IEEE 802.15.4 обладают относительно малыми скоростями передачи данных по сравнению с другими технологиями, однако, большинство ОПЭ характеризуется низкой интенсивностью обмена информацией, во много раз меньшей их предельной пропускной способности.

Второй фактор выступает на первый план в критических применениях, в ко- . торых недоставленное или несвоевременно доставленное сообщение может привести к нарушению работоспособности устройства или системы либо к некачественному их функционированию. Данный фактор усугубляется еще и тем, что надежность доставки сообщений в беспроводных сетях не может быть определена или оценена с помощью простых расчетных соотношений, что затрудняет принятие решения проектировщиком о применении беспроводной технологии вместо традиционной проводной.

Изложенные в работах отечественных и зарубежных ученых В.М.Вишневского, А.И.Ляхова, G. Bianichi, P. Park, A. Faridi и др. методы определения таких характеристик качества функционирования беспроводных сетей, как энергопо-

требления, надежности, времени доставки сообщений, применимы в большинстве случаев только к широко распространенным технологиям Wi-Fi и ZigBee, в то время как сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией, работающие с высокой скважностью, практически не изучены. Хотя спецификация ZigBee и основана на стандарте IEEE 802.15.4, сети с кластерной топологией в ней не описаны и не поддерживаются. Анализ работ указанных ученых показал, что надежность, также как и энергопотребление, во многом определяется топологической структурой сети и сетевыми параметрами узлов.

Следует отметить, что вышеуказанные факторы являются взаимосвязанными, так, например, снижение потребляемой мощности посредством уменьшения выходной мощности радиопередатчиков приводит к ухудшению показателей надежности.

Таким образом, разработка методов определения характеристик качества функционирования беспроводных сетей, таких как энергопотребление, надежность доставки сообщений, и основанных на них методов повышения эффективности работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией в распределенных системах управления (РСУ) ОПЭ является актуальной научной и практической задачей, поскольку позволяет повысить время непрерывной работы беспроводных устройств от автономных источников тока вплоть до нескольких лет с обеспечением требуемого уровня безотказности и качества функционирования РСУ.

Основные разделы диссертации соответствуют приоритетным направлениям «Информационно-телекоммуникационные системы» и «Энергетика и энергосбережение», критической технологии «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» из перечней приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации и критических технологий Российской Федерации.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализация топологических методов повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники. Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование выбора беспроводной технологии IEEE 802.15.4 в качестве коммуникационной подсистемы РСУ с учетом предъявляемых ОПЭ требований.

2. Создание модели сетевого взаимодействия узлов для построения на основе стандарта IEEE 802.15.4 масштабируемой беспроводной сети с кластерной топологией, на основе которой решается задача минимизации служебного трафика в РСУ ОПЭ.

3. Разработка методов управления топологической структурой беспроводных сетей IEEE 802.15.4, обеспечивающих достижение заданных характеристик энергопотребления беспроводных устройств и надежности доставки сообщений.

4. Программная реализация предложенных моделей и методов в виде стека протоколов сетевого и прикладного уровней для беспроводных сетей IEEE

802.15.4.

5. Оценка эффективности предложенных моделей и методов в сравнении с беспроводными сетями ZigBee.

6. Разработка аппаратно-программного инструментария, обеспечивающего возможность практического применения предложенных беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией в РСУ ОПЭ.

7. Разработка и исследование опытного образца автоматизированной системы управления наружным освещением, основанной на беспроводной сети с кластерной топологией с использованием реализованного программного стека протоколов.

Методы исследования: методы системного анализа, теории вероятностей, комбинаторики, теории массового обслуживания, теории графов, математического и имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования, интерактивной отладки микропроцессорных систем с использованием интегрированной среды разработки для встраиваемых систем Freescale Code Warrior.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование эффективности построения РСУ на основе беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией для ОПЭ.

2. Модель сетевого взаимодействия узлов на сетевом и прикладном уровнях беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологической структурой.

3. Математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с использованием механизма конкурентного доступа CSMA-CA.

4. Метод определения параметров кластера беспроводной сети IEEE 802.15.4, обеспечивающих минимизацию энергопотребления беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

5. Алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4 по заданным параметрам кластеров.

6. Применение имитационного моделирования работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и ZigBee в составе РСУ ОПЭ для исследования эффективности предложенных моделей и методов.

7. Экспериментальная проверка рассчитанных на предложенной в диссертации математической модели процессов передачи сообщений на физическом и канальном уровнях в беспроводных сетях IEEE 802.15.4.

Обоснованность научных результатов, полученных в диссертационной работе, основана на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении математического аппарата, согласованности новых результатов с известными теоретическими положениями.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается проведенными имитационным моделированием и экспериментальными исследованиями, результаты которых позволяют сделать вывод об адекватности разработанных моделей и методов и работоспособности созданных алгоритмов.

Научная новизна:

1. Предложена модель сетевого взаимодействия узлов беспроводной сети с

кластерной топологией, отличающаяся распределением функций опроса состояний узлов и сбора данных между координаторами сети и использованием разработанного пассивного дистанционно-векторного алгоритма маршрутизации, формирующего таблицу маршрутизации на основе анализа заголовков проходящих через координатор пакетов, что позволяет снизить объем передаваемого по сети служебного трафика, а следовательно, и потребляемую координатором мощность.

2. Разработана математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с использованием механизма конкурентного доступа к среде CSMA-CA, отличающая учетом процессов распространения и приема радиосигнала и структуры суперкадра в сетях с кластерной топологией, характеризующихся высокой скважностью интервала конкурентного доступа, позволяющая по заданным пространственной конфигурации узлов сети, параметрам физического и канального уровня и интенсивности передачи кадров вычислять потребляемую мощность, надежность и среднее время доставки сообщений.

3. Предложен алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4, отличающийся выполнением разбиения беспроводной сети на кластеры заданного размера с минимальной глубиной кластерного дерева, что позволяет формировать кластерную топологическую структуру беспроводной сети с достижением установленных характеристик энергопотребления и надежности с минимизацией времени доставки сообщений по дереву координаторов.

4. Обоснована эффективность предложенных моделей и алгоритмов в беспроводных сетях IEEE 802.15.4, применяемых в РСУ ОПЭ, по сравнению с технологией ZigBee по критерию энергопотребления.

Практическая значимость работы:

1. Разработан метод определения параметров кластера беспроводных сетей IEEE 802.15.4, обеспечивающих минимизацию энергопотребления беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

2. Разработан стек протоколов сетевого и прикладного уровней для существующей аппаратной платформы ХВее, позволяющий использовать существующую элементную базу для создания устройств с улучшенными энергетическими и надежностными характеристиками.

3. Разработана методика имитационного моделирования беспроводных сетей РСУ ОПЭ, позволяющая на этапе проектирования системы управления проводить оценку эффективности принимаемых решений по критерия энергопотребления, надежности и времени доставки сообщения.

4. Разработаны аппаратно-программные средства сопряжения беспроводных устройств, обеспечивающие возможность применения предложенного стека протоколов при создании РСУ ОПЭ.

5. Создан опытный образец энергоэффективной системы управления наружным освещением с использованием разработанной беспроводной сети.

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы реализованы в виде аппаратно-программного обеспечения, включающего программный стек протоколов сетевого и прикладного уровней беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и аппаратно-программные средства для его сопряжения с системами управления ОПЭ, использованной при создании автоматизированной системы управления наружным освещением «Рассвет». Компоненты данной системы выпускаются предприятием ООО «Энергоэффект-НН» (г. Нижний Новгород). В настоящее время система проходит опытную эксплуатацию на ул. Березовой г. Сарова Нижегородской области.

Диссертационная работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» (шифр темы 2008-62.6-31-01-004).

Апробация полученных результатов. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры промышленной электроники Национального исследовательского университета «Москвоский энергетический институт»; на XVI, XVII и XVIII Международных научно-технической конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2010-2012 гг.; на VII Межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика», Смоленск, 2010 г.; на V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», Казань, 2010 г.; на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ», Белгород, 2010 г.; на итоговой научно-практической конференции по результатам выполнения мероприятий ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» за 2009 год, приоритетное направление «Энергетика и энергосбережение», г. Москва, 2009 г.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации отражены в 10 публикациях, в том числе в 3 статьях в ведущих рецензируемых изданиях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 155 страницах, содержит 67 иллюстраций и 14 таблиц. Библиография включает 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научных исследований беспроводных сетей в РСУ ОПЭ. Сформулированы цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе «Особенности применения технологий беспроводной передачи данных при разработке и реализации распределенных систем управления

объектами промышленной электроники» рассмотрены структура и принципы построения автоматизированных систем управления ОПЭ. Показано, что данные системы управления имеют иерархическую структуру, каждый уровень которой представляет собой замкнутый контур управления, причем скорость управляющих процессов уменьшается при переходе на каждый вышележащий уровень. ОПЭ, как правило, включает два контура управления (рис. 1).

Первичный контур образуют система управления, силовая схема преобразователя, нагрузка и датчики первичных величин (напряжения и тока), причем управляющими сигналами в данном контуре являются входные сигналы полупроводниковых приборов. Вторичный контур охватывает взаимодействующий с РСУ через интерфейс связи контроллер, первичный контур и датчики вторичных величин, фиксирующие целевой результат работы нагрузки, например, световой поток источника света, частоту вращения вала электродвигателя и т. д. В настоящее время наметилась тенденция совмещения системы управления преобразователем и контроллера в одной микропроцессорной системы (микроконтроллере), поэтому процессы управления преобразователем, вторичным контуром управления и процессы взаимодействия с другими ОПЭ распределенной системы управления через интерфейс связи не могут быть разделены друг от друга.

Показаны преимущества коммуникационной подсистемы РСУ ОПЭ на основе беспроводных сетей. Сформулированы критерии эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления, заключающиеся в минимизации потребляемой узлами сети мощности

Рпотр -*■ min, (1)

обеспечении заданной надежности доставки сообщений р° и живучести беспроводной сети р°ив — вероятности безотказной работы узлов сети в случае выхода из строя одного из них

Рп > (2)

Ржив Ржт' (3)

а также в своевременной доставке сообщений за время -/дщах с заданной вероятностью Рдост

Р(?ь < TDnux) ^Рдосг. (4)

Рис. 1. Структура ОПЭ

На основании критериев (1)-(4), а также требований к масштабируемости сети, т. е. возможности увеличения количества узлов, проведен анализ применимости современных беспроводных технологий Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee для построения РСУ ОПЭ, результаты которого представлены в табл. 1. Данный анализ показал соответствие архитектуры технологий Wi-Fi (IEEE 802.11) и ZigBee (IEEE 802.15.4) требованиям, предъявляемым к ОПЭ. Однако по результатам дополнительно проведенной оценки энергетической эффективности физического уровня технологий Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee технология ZigBee при равной вероятности ошибки при приеме кадра Р/ и одинаковой мощности передатчика обеспечивает наилучшую дальность связи. Данное положение проиллюстрировано рис. 2, где кривая зависимости Р/ от дальности связи L для ZigBee проходит правее кривых, соответствующих Wi-Fi и Bluetooth.

Показано, что в классе беспроводных сетей IEEE 802.15.4 наименьшим энергопотреблением обладают сети с кластерной топологией, позволяющие добиться длительной работы беспроводных устройств от автономных источников тока вплоть до нескольких лет. При этом эффективность таких сетей существенно зависит от режимов работы и топологической структуры.

На основании данных положений в качестве объекта исследования в диссертационной работе выбраны беспроводные сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией, а предметом — методы повышения их эффективности за счет управления топологической структурой.

Вторая глава «Разработка методов и алгоритмов управления топологической структурой беспроводных сетей в распределенных системах управления» посвящена созданию стека протоколов сетевого и прикладного уровней беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией.

Таблица 1. Сопоставление беспроводных технологий

Критерии IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.1

Ad hoc Структур. Многоячейк. Кластерная

Энергопотребление - +/- - + +

Надежность - + - + +

Живучесть + - + +/- -

Синхронность - + - + +

Масштабируемость + + + + -

кадра от дальности связи

Поскольку кластерная топология не поддерживается технологией ZigBee1 в диссертационной работе поставлена задача создания иной модели сетевого взаимодействия узлов, минимизирующей объем передаваемого по сети служебного трафика и, как следствие, потребляемую мощность благодаря учету присущих РСУ ОПЭ видов трафика: управляющих команд, уведомлений, опроса состояний узлов и сбора данных (табл. 2), для каждого из которых используется свой способ передачи пакетов.

Пакеты управляющих команд имеют длину, сопоставимую с длиной служебных пакетов, формируемых используемым в технологии ZigBee алгоритмом дистанционно-векторной маршрутизации АСЮУ, поэтому вместо широковещательной рассылки служебных пакетов поиска маршрута и последующей пересылки пакета с данными предложено сразу широковещательно передавать пакет с данными. Во избежание загрузки сети широковещательным трафиком при повторной передачи сообщения по тому же маршруту предложен алгоритм пассивной дистанционно-векторной маршрутизации (ПДВМ). Данный алгоритм анализирует заголовки пакетов, проходящих через координатор и заносит в таблицу маршрутизации соответствующие им обратные маршруты, получаемые по адресу отправителя и адресу промежуточного узла, от которого принят пакет. В малых сетях алгоритмы АСЮУ и ПДВМ полностью заполняют таблицу маршрутизации, после чего пересылка пакетов производится по найденным маршрутам. В масштабируемых сетях переполнение таблицы маршрутизации приводит к необходимости поиска маршрута при каждой пересылке пакета, в такой ситуации алгоритм ПДВМ позволяет существенно сократить объем передаваемого по сети трафика по сравнению с АСЮУ.

При маршрутизации уведомлений используется свойство иерархичности кластерной топологии — каждый координатор является узлом вышестоящего координатора, начиная с корневого. Поэтому пакет с уведомлением переправляется всегда в направлении вышестоящего координатора.

Функции опроса состояний узлов и сбора данных распределены между координаторами беспроводной сети. Каждый координатор собирает данные внутри своего кластера, объединяет их в единый пакет и отправляет корневом координатору. При опросе состояний узлов уведомление корневому координатору отправляется лишь в случае смены состояния. Такой подход позволяет решить проблему перегрузки узлов, расположенных вблизи корневого координатора, проявляющуюся при централизованном опросе узлов и сборе данных. Эффективность

Таблица 2. Виды трафика

Вид трафика Отправитель Получатель Длина, байт

Управляющие команды Любой узел Любой узел 2-5

Уведомления Любой узел Корневой координатор 2-100

Опрос узлов Координатор Узлы кластера 2-5

Сбор данных Координатор Узлы кластера 2-100

PAN 1

Централизованный опрос

Децентрализованный опрос

подхода проиллюстрирована рис. 3, на котором незаштрихованные поля пакетов соответствуют служебным заголовкам, заштрихованные — полезным данным. В представленном примере объем передаваемого служебного трафика снижен в 3 раза.

Предложенная модель сетевого взаимодействия по сравнению с ZigBee позволяет снизить объем передаваемого по сети служебного трафика и, как следствие, потребляемую координатором мощность, а также упростить требования к аппаратным средствам координатора, в частности, к объему памяти для хранения таблицы маршрутизации.

Структуры кластера и дерева координаторов топологически различны, поэтому в диссертационной работе произведена декомпозиция задачи формирования эффективной кластерной топологии на две подзадачи: определения параметров кластера и разбиение сети на кластеры с заданными параметрами.

Первая подзадача решена с помощью разработанного метода определения параметров кластера на основе построенной математической модели процесса передачи кадра узлом кластера. Вторая подзадача решена с использованием разработанного алгоритма формирования кластерной структуры.

Математическая модель процесса передачи построена в виде трехмерной цепи Маркова со множеством состояний (s(/). c(t), r(t)\ t — nT, n E NU {0}}, двухмерная проекция которой для первой попытки передачи (r(í) = 0) представлена на рис. 4. На рисунке отмечены римскими цифрами классы состояний, в которых может находиться узел в процессе передачи кадра: отсрочка передачи (I), оценка занятости канала (II), передача кадра (III), ожидание и прием кадра-квитанции (IV), ожидание начала нового суперкадра при отложенной передачи (V). Данная модель отличается от наиболее удачной существующей модели P. Park учетом эффекта отложенной передачи, проявляющегося в сетях, работающих со скважностью выше 1.

Переход из одного состояния в другое происходит на каждом интервале отсрочки Ть = 0,32 мс в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4. В диссертационной работе определены вероятности переходов между состояниями, с исполь-

Рис. 3. Централизованный и децентрализованный опрос узлов в сети

зованием которых совместно с условием нормировки

ЕЕЕ^-1 ©

«• / к

численными методами получены стационарные вероятности нахождения узла в каждом состоянии

ЬЫА = Шп Р ({я(0 = 1, с(0 = /, г(0 = А}) . (6)

Значения стационарных вероятностей Ьц^ зависят от скважности интервала работы узлов кластера, от количества и пространственного расположения узлов в кластере, интенсивности передачи пакетов и прочих параметров.

С использованием стационарных вероятностей получены выражения для:

- потребляемой мощности оконечных узлов

»7«/ Д \

Пу = — 2Z ( Япр (2 - а) + (L • Рпд + 2РПр) (6-!,о,г + Ь_2,о,г) ■ (7)

r г=0 \ s=0 /

где г = 1с, 1/7 — скважность работы узлов кластера, Рпр и Р„я — потребляемая мощность в режиме приема и передачи соответственно, а — вероятность занятости канала при первой оценке занятости (рис. 4), L — длина сообщения в десятках байт;

- потребляемой мощности координатора

Рш = 7 {Рпр + лРпдАг), (8)

где А — интенсивность передачи кадров оконечным узлом, кадров/с;

- надежности доставки сообщений

Р. - (. - ft) (. - о ± ((. - РГ) ^ + (. ■- Pf) • (9)

где Яд — вероятность отложенной передачи, РрСК — вероятность ошибки при приеме кадра-квитанции, Рр и Рр° — вероятности возникновения ошибки при отложенной и обычной передаче кадра (рис. 4);

- среднего времени доставки сообщений

1 _ h м R h То = Tb (1 - PD) Г-1'-1''1 + TnaPD (1 - РЬ) £ £ ^ (10) 00,0,0 00,0,0

где Тпа — длительность паузы между активными интервала суперкадра.

На основе предложенной математической модели и выражений (7)—(10) разработан метод определения параметров кластера беспроводной сети, обеспечивающих достижение заданных показателей надежности и времени доставки сообщений и минимизацию потребляемой мощности. В соответствии с данным методом выделены три независимых параметра: период синхронизации, длительность интервала конкурентного доступа и количество оконечных узлов в кластере я, варьированием которых с учетом ограничений (2)-(4) методом покоординатного спуска производится минимизация потребляемой координатором мощности РПК, либо для сетей с возможностью смены роли координаторов — суммы потребляемой оконечным узлом кластера мощности и удельной потребляемой координатором мощности в расчете на один узле кластера: Рпу +P„K/(.n + 1).

После определения параметров и размеров кластеров их необходимо связать в единую беспроводную сеть. Для решения данной задачи в диссертационной работе разработан алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4. Данный алгоритм предварительно с помощью волнового метода Ли разбивает беспроводную сеть на «эшелоны», т.е. области

сети с одинаковым маршрутным расстоянием до корневого координатора. Далее в указанных областях производится поиск групп узлов, находящихся в области взаимной радиовидимости, из которых и формируются кластеры с заданными параметрами. Работоспособность алгоритма подтверждена на тестовых примерах. Минимизация времени доставки сообщений по дереву координаторов обеспечивается формированием дерева минимальной глубины с помощью волнового метода Ли.

Предложенная модель сетевого взаимодействия, метод определения параметров кластера и алгоритм формирования топологической структуры реализованы в виде программного обеспечения стека протоколов сетевого и прикладного уровней на языке С++ с использованием интегрированных средств разработки встраиваемых систем Code Warrior. Разработанный программный стек протоколов адаптирован для аппаратной платформы МС1321х Freescale Semiconductor, являющейся основой серийно выпускаемых полнофункциональных модулей ХВее и ХВее Pro. Программный стек протоколов выполнен по объектно-ориентированной архитектуре с выделением подуровней передачи данных и управления сетью каждого уровня в виде отдельных объектов.

В третьей главе «Оценка эффективности работы беспроводных сетей распределенных систем управления объектами промышленной электроники на примере установки наружного освещения» разработана методика имитационного моделирования беспроводных сетей распределенных систем управления объектами . промышленной электроники и получены результаты моделирования для ряда тестовых примеров.

Обоснован выбор среды имитационно-событийного моделирования телекоммуникационных сетей ns2 с открытым исходным текстом, позволяющую проводить моделирование беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с помощью модуля, разработанного М. Zheng и M.J. Lee. В главе проведена необходимая доработка программного обеспечения ns2 для обеспечения возможности определения характеристик качества моделируемой сети: энергопотребления и среднего времени доставки сообщений. Сформированы тестовые примеры топологий: линейная, равномерная плоскостная, прямоугольная («квартальная сеть»), радиально-кольцевая и смешанная. На языке программирования OTcl описаны поведенческие сценарии работы разработанной беспроводной сети и сети ZigBee в двух режимах работы:

Таблица 3. Результаты оценки эффективности разработанной беспроводной сети и г^Вее

Пример топологии Кол-во узлов Разработанная сеть ZigBee

Рпк, мВт Рщ, мВт мс />„к, мВт Рпу, мВт 7"д,мс

Линейная 200 22 1,4 690 178 1,3 240

Равномерная плоскостная 225 30 1,8 430 200 2,0 150

Прямоугольная 245 22 1,4 570 182 1,3 200

Радиально-кольцевая 230 25 1,5 480 186 1,5 160

Смешанная 240 26 1,5 500 190 1,4 180

Рис. 5. Теоретические и экспериментальные зависимости надежности и среднего времени доставки сообщений

передачи сообщений (управляющих команд и уведомлений) и опроса состояний узлов. Результаты имитационного моделирования представлены в табл. 3

Сопоставление полученных характеристик показывает эффективность разработанной беспроводной сети с точки зрения энергопотребления. Худшие показатели времени доставки сообщений по беспроводной сети с кластерной топологией вызваны ее высокой скважностью работы.

Для подтверждения обоснованности и адекватности разработанной во второй главе математической модели процесса передачи кадра узлом кластера поставлена задача проведения экспериментальных исследований физического и канального уровней беспроводной сети IEEE 802.15.4. Для этого проведены две серии экспериментов по исследованию свойств канала передачи данных и взаимодействия узлов внутри кластера соответственно.

При постановке эксперимента использованы отладочные модули 1321x-SRB и 1321x-NCB фирмы Freescale Semiconductor. Первая серия экспериментов проводилась с использованием двух беспроводных устройств, одно из которых последовательно передавало 10 ООО кадров, а второе подтверждало получение каждого кадра передачей сообщения с уровнем принятого сигнала. По количеству недоставленных сообщений определялась вероятность ошибки приема кадра Pj в канале связи, по уровню принятого сигнала — величина потерь при распространении радиосигнала. В результате эксперимента получены экспериментальные зависимости вероятности ошибки приема кадра от расстояния между узлами, которые соответствуют представленным в главе 1 теоретическим зависимостям с расхождением не более 10% (рис. 2).

Вторая серия экспериментов моделировала процесс взаимодействия узлов кластера в при получении доступа к среде и передаче кадра. Эксперимент проводился с одним координатором и оконечными узлами в количестве от двух до пяти. Оконечные узлы передавали кадры длиной 25 байт с заданной эффективной интенсивностью. При этом один из оконечных узлов использовался в качестве контрольного для определения количества доставленных сообщений, среднего вре-

мени доставки и энергопотребления. Получены экспериментальные зависимости надежности и среднего времени доставки сообщений от количества узлов п и интенсивности передачи пакетов Л (рис. 5, а и б), которые подтверждают адекватность предложенной математической модели.

Четвертая глава «Разработка аппаратно-программных средств сопряжения беспроводных устройств с системами управления ОПЭ» посвящена созданию инструментария, обеспечивающего возможность применения предложенных беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией при разработке систем управления объектами промышленной электроники.

Рассмотрены основные типы стандартизованных интерфейсов управления ОПЭ на примере электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА): «1-10 В», DALI, DSI и фазовое управление, для которых предложены способы сопряжения с беспроводными устройствами IEEE 802.15.4. Показано, что представленные способы сопряжения могут быть реализованы простыми средствами с использованием драйверов аппаратных интерфейсов и модификацией программного обеспечения беспроводных устройств. При этом увеличения вычислительной мощности аппаратных средств не требуется.

Разработана технология загрузки программного обеспечения в закрытую аппаратную платформу ХВее, позволяющая применять серийно выпускаемые радиомодули для создания беспроводных сетей с различными стеками протоколов на основе IEEE 802.15.4.

При внедрении и эксплуатации беспроводных сетей в РСУ ОПЭ необходимо производить их настройку: присвоение адресов, выбор режимов работы, диагностику неисправностей, а также обновление встроенного программного обеспече-

ния беспроводных устройств. Для обеспечения возможности выполнения перечисленных работ разработано специализированное сервисное устройство, позволяющее существенно повысить производительность труда персонала за счет автоматизации процесса настройки и удаленного выполнения всех операций через беспроводной интерфейс.

В пятой главе «Реализация интеллектуальной установки наружного освещения с беспроводной системой управления» представлен пример практического использования разработанной беспроводной сети для создания интегрированной автоматизированной энергосберегающей системы управления наружным освещением.

Показана возможность снижения энергопотребления установок наружного освещения в соответствии с действующими нормативными документами, устанавливающими нормы яркости дорожного покрытия в зависимости от интенсивности движения транспорта.

Классические системы управления наружным освещением такие, как TELEA (Thorn Lighting), системы на базе технологии LonWorks (Echelon), АСУНО «Горсвет» (НПП «Горизонт»), АСУНО «Аврора» (НИИ точной механики), строятся по жесткому централизованному принципу, при котором сервер диспетчерского пункта собирает информацию о режимах работы и состоянии каждого светильника, сведения об уровне яркости дорожного покрытия и интенсивности движения на улицах с соответствующих датчиков и принимает решения по установлению уровней светового потока каждого светильника в отдельности или группы светильников. Данный подход обладает известными недостатками, поэтому в работе предложен основанный на концепции многоагентных систем децентрализованный подход к построению системы управления наружным освещением, при котором часть функций управления и мониторинга передается от диспетчерского сервера в пункты питания и светильники.

Представлены результаты реализации децентрализованного подхода при построении автоматизированной системы управления наружным освещением (АСУНО) «Рассвет» (рис. 6), разработанной на кафедре промышленной электроники НИУ «МЭИ». Данная разработка представляет собой комплексное решение, включающее все необходимые элементы и оборудование для создания новых и модернизации существующих установок наружного освещения: светильники с ЭПРА, оборудование пункта питания и программно-информационное обеспечение диспетчерского

Рис. 7. Вводно-распределитель-

ный шкаф пункта питания

пункта в составе информационно-управляющего сервера и автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера.

ЭПРА имеет два канала питания источников света: нерегулируемый для ме-таллогалогенной лампы и регулируемый для светодиодных модулей. Особенностью реализации ЭПРА является интеграция функций системы управления полупроводниковым преобразователем и функций узла беспроводной сети в одном микропроцессорном модуле.

Разработанный вводно-распределительный шкаф пункта питания (рис. 7) содержит блок группового управления (БГУ), GSM-модем, счетчик электроэнергии, коммутационную аппаратуру, релейную защиту и т.п. БГУ является его центральным узлом, в котором сходятся все информационно-управляющие сигналы: управления и контроля коммутационных аппаратов, контроля состояния аппаратов релейной защиты линий питания светильников, информационного интерфейса счетчика электрической энергии, через который считывается получасовой профиль энергопотребления, потарифные суточные и месячные показания, а также текущие значения напряжения, тока и потребляемой мощности, интерфейса GSM-модема и беспроводного интерфейса IEEE 802.15.4.

В настоящее время АСУНО «Рассвет» проходит опытную эксплатацию в г. Сарове Нижегородской области.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен сравнительный анализ беспроводных технологий Wi-Fi (IEEE 802.11), Bluetooth 1.0-2.1 (IEEE 802.15.1) и ZigBee (IEEE 802.15.4) по критериям энергопотребления, надежности и времени доставки сообщений. Показано, что сети ШЕЕ 802.15.4 с кластерной топологией обладают наилучшими возможностями по минимизации потребляемой мощности.

2. Предложена модель сетевого взаимодействия узлов беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологической структурой, позволяющая снизить объем передаваемого по сети служебного трафика.

3. Разработана математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с использованием механизма конкурентного доступа CSMA-CA, позволяющая по заданным пространственной конфигурации узлов сети, параметрам физического и канального уровня и интенсивности передачи кадров определять потребляемую мощность, надежность и среднее время доставки сообщений в кластере.

4. На основе математической модели процесса передачи кадра разработан метод определения параметров кластера беспроводных сетей IEEE 802.15.4, минимизирующий энергопотребление беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

5. Предложен алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4 по заданным сетевым параметрам и конфигурации кластеров, минимизирующий время прохождения пакета по дереву координаторов.

6. Предложенная модель сетевого взаимодействия реализована в виде программного стека протоколов.

7. Разработана методика имитационного моделирования беспроводных сетей IEEE 802.15.4 при работе в распределенной системе управления. Проведено моделирование беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и ZigBee, результаты которого показывают, что энергопотребление сетей с кластерной топологией существенно ниже, чем в технологии ZigBee.

8. Проведены экспериментальные исследования процессов передачи сообщений на физическом и канальном уровнях в беспроводных сетях IEEE 802.15.4, подтверждающие обоснованность и адекватность разработанной математической модели.

9. Разработаны аппаратно-программные средства сопряжения беспроводных устройств с системами управления объектами промышленной электроники.

10. Разработан опытный образец интеллектуальной системы управления наружным освещением с использованием реализованного в диссертационной работе стека протоколов беспроводной сети.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых изданиях

1. Образцов С. А., Панфилов Д. И. Децентрализованная беспроводная система управления наружным освещением // Светотехника. 2012. №1. С. 32-36.

2. Образцов С. А., Панфилов Д. И. Реализация GSM шлюза для работы с беспроводными сетями на базе стандарта IEEE 802.15.4 // Автоматизация и современные технологии. 2011. №8. С. 14-19.

3. Образцов С. А. Навигация и связь в системах городского электрического транспорта с применением беспроводных сетей IEEE 802.15.4 // Автоматизация в промышленности. 2011. №1. С. 31-33.

В других изданиях

4. Образцов С. А. Оценка надежности беспроводных систем управления на основе сетей IEEE 802.15.4 // Тез. докладов XVIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». — Москва: Издательский дом МЭИ, 2012. Т. 1. С. 253.

5. Образцов С. А. Имитационное моделирование беспроводных управляющих сетей // Тез. докладов XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». — Москва; Издательский дом МЭИ, 2011. Т. 1. С. 261-262.

6. Образцов С. А. Разработка принципов построения интеллектуальных систем уличного освещения // Тез. докладов XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». — Москва: Издательский дом МЭИ, 2010. Т. 1. С. 257-258.

7. Образцов С. А. Реализация стека протоколов распределеннойбеспроводной промышленной сети на базе IEEE 802.15.4 // Тез. докладов XVI Междуна-

родной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». — Москва: Издательский дом МЭИ, 2010. Т. 1. С. 259-260.

8. Образцов С. А. Программная реализация стека протоколов беспроводной сети интеллектуальной системы освещения // Сб. трудов VII Межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика». Смоленск: филиал ГОУ ВПО «МЭИ(ТУ)» в г. Смоленске, 2010. Т. 2. С. 175-179.

9. Образцов С. А. Построение интеллектуальной системы наружного освещения с использованием многоагентного подхода // Тез. докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». — Казань: КГЭУ, 2010. С. 151-154.

10. Образцов С. А., Панфилов Д. И. Интеллектуальное управление распределенной системой освещения // XXIII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях — MMTT».V — Белгород, 2010. С.56-60.

• В совместно опубликованных работах Образцовым С. А. предложены: децентрализованный подход к построению интеллектуальных систем управления наружным освещением, архитектура и программная реализация программно-информационного обеспечения диспетчерского пункта [1], аппаратно-программная модель, структурные и принципиальные схемы шлюза GSM — беспроводная сеть IEEE 802.15.4 [2], подход к построению распределенной системы управления наружным освещением и метод определения ее надежности [10].

* * *

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю — д. т. н., профессору Панфилову Дмитрию Ивановичу за постоянное внимание, научно-методические консультации и поддержку.

Автор признателен доцентам кафедры промышленной электроники Московского энергетического института Ремизевич Татьяне Вячеславовне и Полякову Валерию Дмитриевичу за оказанную методическую помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы.

Автор выражает благодарность инженерно-техническим работникам ООО «Энергоэффект-НН» и ООО «Энергетическая компания Сарова» за предоставленную техническую информацию и полезные советы при разработке интеллектуальной системы управления наружным освещением и оказанное содействие при ее практической реализации и внедрении.

Подписано в печать ii'iM''Й^Зак. № Тир. fOO П.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2398

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

Образцов Сергей Александров

Топологические методы повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники

Специальность 05.09.12 — Силовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: доктор технических наук, профессор Панфилов Д. И.

Москва 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................ 6

ГЛАВА 1. Особенности применения технологий беспроводной передачи данных при разработке и реализации распределенных систем управления объектами промышленной электроники............... 14

1.1 Анализ структуры и принципов построения интеллектуальных систем управления объектами промышленной электроники ... 14

1.2 Выработка критериев эффективности работы беспроводных сетей в распределенной системе управления объектами промышленной электроники.......................... 21

1.3 Сравнительная характеристика современных технологий беспроводной передачи данных ..................... 24

1.3.1 Области применения беспроводных технологий.........24

1.3.2 Технология Wi-Fi (IEEE 802.11)....................................24

1.3.3 Технология Bluetooth (IEEE 802.15.1)..............................30

1.3.4 Технология ZigBee (IEEE 802.15.4)................................33

1.3.5 Оценка энергоэффективности физического уровня беспроводных технологий Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee........................39

1.4 Методы повышения эффективности работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 в распределенных системах управления объектами промышленной электроники...................44

1.5 Выводы.................................46

ГЛАВА 2. Разработка методов и алгоритмов управления топологической структурой беспроводных сетей в распределенных системах управления........................................................ 48

2.1 Разработка модели сетевого взаимодействия узлов беспроводной сети IEEE 802.15.4 с топологией «кластерное дерево».......48

2.1.1 Разработка модели взаимодействия на сетевом уровня.....48

2.1.2 Разработка модели взаимодействия на прикладном уровне ... 56

2.2 Разработка метода определения сетевых параметров кластера . . 62

2.2.1 Постановка задачи....................................................62

2.2.2 Анализ алгоритма множественного доступа к среде передачи данных с оценкой занятости канала CSMA/CA..................64

2.2.3 Разработка математической модели процесса взаимодействия узлов внутри кластера на основе цепи Маркова..................70

2.2.4 Исследование эффективности работы узлов внутри кластера в зависимости от сетевых параметров................................77

2.3 Разработка алгоритма формирования топологической структуры «кластерного дерева» ..................................................80

2.3.1 Постановка задачи........... ................................80

2.3.2 Разработка алгоритма................................................81

2.4 Разработка программного обеспечения стека протоколов сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией..............................83

2.5 Выводы..................................................................83

ГЛАВА 3. Оценка эффективности работы беспроводных сетей распределенных систем управления объектами промышленной электроники на примере установки наружного освещения...................... 86

3.1 Имитационные модели беспроводных сетей в распределенных

системах управления объектами промышленной электроники . . 86

3.1.1 Постановка задачи.......................... 86

3.1.2 Сравнительная характеристика пакетов прикладных программ имитационного моделирования беспроводных сетей....... 87

3.1.3 Разработка имитационной модели распределенной системы

управления на примере установки наружного освещения .... 89

3.2 Экспериментальное исследование...... ........................89

3.2.1 Постановка задачи.......... ................................89

3.2.2 Экспериментальное исследование процесса передачи данных узлом кластера........................................................92

3.3 Выводы..................................................................92

ГЛАВА 4. Разработка аппаратно-программных средств сопряжения беспроводных устройств с системами управления объектами промышленной электроники............................................... 93

4.1 Особенности практической реализации беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники ........... ................... 93

4.2 Основные типы интерфейсов систем управления объектами промышленной электроники....................... 94

4.3 Разработка методики загрузки программного обеспечения в аппаратную платформу ХВее......................101

4.4 Разработка устройства удаленной настройки беспроводной сети . 104

4.5 Выводы.................................106

ГЛАВА 5. Реализация интеллектуальной установки наружного освещения с беспроводной системой управления.......... ...............108

5.1 Краткий анализ способов энергосбережения в установках наружного освещения при регулировании светового потока.....108

5.2 Структура и принципы построения интеллектуальной системы управления наружным освещением.................111

5.3 Реализация интеллектуальной системы управления наружным освещением...............................115

5.3.1 Регулируемые источники питания световых приборов с беспроводным интерфейсом IEEE 802.15.4 .............. 115

5.3.2 Оборудование пунктов питания сетей наружного освещения . .121

5.3.3 Программно-информационное обеспечение центрального диспетчерского пункта.........................126

5.4 Внедрение, опытная эксплуатация и перспективы применения . . 136

5.5 Выводы.................................139

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ...........................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения результатов диссертационной работы в ООО «Энергоэффект-НН»...................................153

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современные беспроводные технологии позволяют создавать принципиально новые устройства и системы, а при замене существующих проводных технологий — повышать гибкость и снижать стоимость жизненного цикла изделий. Примерами подобных устройств и систем в области промышленной электроники являются системы жизнеобеспечения зданий, включающие в себя управление электро-, тепло- и газоснабжением, вентиляцией и кондиционированием, освещением, охранно-пожарной сигнализацией, контролем доступа, автоматизированные производственные линии, системы навигации и связи маршрутного и промышленного транспорта, подвижные установки, преобразователи и датчики в труднодоступных местах, на подвижных объектах, в агрессивных средах, под высоким напряжением и т. д.

Однако внедрение беспроводных технологий в большинстве перечисленных применений сдерживается двумя основными факторами: невозможностью длительной, в течение нескольких лет, работы от автономных источников тока из-за высокого энергопотребления радиопередатчиков и пониженной надежностью доставки сообщений по сравнению с проводными технологиями. Первый фактор является ключевым для широкого класса объектов промышленной электроники (ОПЭ), особенно при размещении их в труднодоступных местах с необходимостью длительной работы без обслуживания. Основные методы снижения энергопотребления беспроводных устройств изложены в работах отечественных и зарубежных ученых: А. В. Чечендаева, A. Koubaa, P. Jurcik, R. Severino, A. Cunha и др. Анализ работ указанных ученых показал, что наибольшим потенциалом снижения энергопотребления обладают беспроводные сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией, работающие с высокой скважностью интервала активной работы узлов, причем потребляемая мощность существенно зависит от па-

раметров и топологической структуры сети.

Технологии на основе IEEE 802.15.4 обладают относительно малыми скоростями передачи данных по сравнению с другими технологиями, однако, большинство ОПЭ характеризуется низкой интенсивностью обмена информацией, во много раз меньшей их предельной пропускной способности.

Второй фактор выступает на первый план в критических применениях, в которых недоставленное или несвоевременно доставленное сообщение может привести к нарушению работоспособности устройства или системы либо к некачественному их функционированию. Данный фактор усугубляется еще и тем, что надежность доставки сообщений в беспроводных сетях не может быть определена или оценена с помощью простых расчетных соотношений, что затрудняет принятие решения проектировщиком о применении беспроводной технологии вместо традиционной проводной.

Изложенные в работах отечественных и зарубежных ученых В.М.Вишневского, А.И.Ляхова, G. Bianichi, P. Park, A. Faridi и др. методы определения таких характеристик качества функционирования беспроводных сетей, как энергопотребления, надежности, времени доставки сообщений, применимы в большинстве случаев только к широко распространенным технологиям Wi-Fi и ZigBee, в то время как сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией, работающие с высокой скважностью, практически не изучены. Хотя спецификация ZigBee и основана на стандарте IEEE 802.15.4, сети с кластерной топологией в ней не описаны и не поддерживаются. Анализ работ указанных ученых показал, что надежность, также как и энергопотребление, во многом определяется топологической структурой сети и сетевыми параметрами узлов.

Следует отметить, что вышеуказанные факторы являются взаимосвязанными, так, например, снижение потребляемой мощности посредством уменьшения выходной мощности радиопередатчиков приводит к ухудше-

нию показателей надежности.

Таким образом, разработка методов определения характеристик качества

функционирования беспроводных сетей, таких как энергопотребление, надежность доставки сообщений, и основанных на них методов повышения эффективности работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией в распределенных системах управления (РСУ) ОПЭ является актуальной научной и практической задачей, поскольку позволяет повысить время непрерывной работы беспроводных устройств от автономных источников тока вплоть до нескольких лет с обеспечением требуемого уровня безотказности и качества функционирования РСУ.

Основные разделы диссертации соответствуют приоритетным направлениям «Информационно-телекоммуникационные системы» и «Энергетика и энергосбережение», критической технологии «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» из перечней приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации и критических технологий Российской Федерации.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализация топологических методов повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники. Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование выбора беспроводной технологии IEEE 802.15.4 в качестве коммуникационной подсистемы РСУ с учетом предъявляемых ОПЭ требований.

2. Создание модели сетевого взаимодействия узлов для построения на основе стандарта IEEE 802.15.4 масштабируемой беспроводной сети с кластерной топологией, на основе которой решается задача минимизации служебного трафика в РСУ ОПЭ.

3. Разработка методов управления топологической структурой беспроводных сетей IEEE 802.15.4, обеспечивающих достижение заданных характеристик энергопотребления беспроводных устройств и надежности доставки сообщений.

4. Программная реализация предложенных моделей и методов в виде стека протоколов сетевого и прикладного уровней для беспроводных сетей IEEE 802.15.4.

5. Оценка эффективности предложенных моделей и методов в сравнении с беспроводными сетями ZigBee.

6. Разработка аппаратно-программного инструментария, обеспечивающего

возможность практического применения предложенных беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией в РСУ ОПЭ.

7. Разработка и исследование опытного образца автоматизированной системы управления наружным освещением, основанной на беспроводной сети с кластерной топологией с использованием реализованного программного стека протоколов.

Методы исследования: методы системного анализа, теории вероятностей, комбинаторики, теории массового обслуживания, теории графов, математического и имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования, интерактивной отладки микропроцессорных систем с использованием интегрированной среды разработки для встраиваемых систем Freescale CodeWarrior.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование эффективности построения РСУ на основе беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией для ОПЭ.

2. Модель сетевого взаимодействия узлов на сетевом и прикладном уровнях беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологической

структурой.

3. Математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с использованием механизма конкурентного доступа CSMA-CA.

4. Метод определения параметров кластера беспроводной сети IEEE 802.15.4, обеспечивающих минимизацию энергопотребления беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

5. Алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4 по заданным параметрам кластеров.

6. Применение имитационного моделирования работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и ZigBee в составе РСУ ОПЭ

для исследования эффективности предложенных моделей и методов.

\

7. Экспериментальная проверка рассчитанных на предложенной в диссертации математической модели процессов передачи сообщений на физическом и канальном уровнях в беспроводных сетях IEEE 802.15.4.

Обоснованность научных результатов, полученных в диссертационной работе, основана на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении математического аппарата, согласованности новых результатов с известными теоретическими положениями.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается проведенными имитационным моделированием и экспериментальными исследованиями, результаты которых позволяют сделать вывод об адекватности разработанных моделей и методов и работоспособности созданных алгоритмов.

Научная новизна:

1. Предложена модель сетевого взаимодействия узлов беспроводной сети с кластерной топологией, отличающаяся распределением функций опроса состояний узлов и сбора данных между координаторами сети и исполь-

зованием разработанного пассивного дистанционно-векторного алгоритма маршрутизации, формирующего таблицу маршрутизации на основе анализа заголовков проходящих через координатор пакетов, что позволяет снизить объем передаваемого по сети служебного трафика, а следовательно, и потребляемую координатором мощность.

2. Разработана математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с использованием механизма конкурентного доступа к среде CSMA-CA, отличающая учетом процессов распространения и приема радиосигнала и структуры суперкадра в сетях с кластерной топологией, характеризующихся высокой скважностью интервала конкурентного доступа, позволяющая по заданным пространственной конфигурации узлов сети, параметрам физического и канального уровня и интенсивности передачи кадров вычислять потребляемую мощность, надежность и среднее время доставки сообщений.

3. Предложен алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4, отличающийся выполнением разбиения беспроводной сети на кластеры заданного размера с минимальной глубиной кластерного дерева, что позволяет формировать кластерную топологическую структуру беспроводной сети с достижением установленных характеристик энергопотребления и надежности с минимизацией времени доставки сообщений по дереву координаторов.

4. Обоснована эффективность предложенных моделей и алгоритмов в беспроводных сетях IEEE 802.15.4, применяемых в РСУ ОПЭ, по сравнению с технологией ZigBee по критерию энергопотребления.

Практическая значимость работы:

1. Разработан метод определения параметров кластера беспроводных сетей IEEE 802.15.4, обеспечивающих минимизацию энергопотребления беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

2. Разработан стек протоколов сетевого и прикладного уровней для существующей аппаратной платформы ХВее, позволяющий использовать существующую элементную базу для создания устройств с улучшенными энергетическими и надежностными характеристиками.

3. Разработана методика имитационного моделирования беспроводных сетей РСУ ОПЭ, позволяющая на этапе проектирования системы управления проводить оценку эффективности принимаемых решений по критерия энергопотребления, надежности и времени доставки сообщения.

4. Разработаны аппаратно-программные средства сопряжения беспроводных устройств, обеспечивающие возможность применения предложенного стека протоколов при создании РСУ ОПЭ.

5. Создан опытный образец энергоэффективной системы управления �