автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

На правах рукописи

Данилин Станислав Валерьевич

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ В СЕТИ гГСВЕЕ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (связь и информатизация)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 п'0Я 2013

Санкт-Петербург — 2013

005537877

005537877

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Бачевский Сергей Викторович

Официальные оппоненты: Сивере Мстислав Аркадьевич,

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, профессор кафедры радиопередающих устройств и средств подвижной связи

Семенов Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент, Северо-Западный филиал ОАО "ГИПРОСВЯЗЬ", заместитель генерального директора - директор

Ведущая организация Ленинградское отделение Центрального научно-исследовательского института связи, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 04 декабря 2013 года в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича», 193232, Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 22, ауд. 554.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича», Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 65.

Автореферат разослан 01 ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Важнейшей особенностью XXI века, в том числе, для России является стремительное развитие информационного общества. Неотъемлемой и насущно необходимой компонентой современной информационной инфраструктуры являются сети, построенные с использованием беспроводных технологий.

В последнее десятилетие получили большое развитие, информационные системы на основе беспроводных самоорганизующихся сетей (БСС). Такие системы, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором, сенсором, могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир.

Концепция БСС привлекает внимание многих ученых, исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечило большой поток научных работ по данной тематике. Активное участие & исследованиях БСС принимают российские ученые А. Е. Кучерявый, Е. А. Кучерявый, А. И. Парамонов, А. В. Прокопьев, М. Н. Терентьев и зарубежные D. Culler, D. Estrin, М. Srivastava, М. Editors.

Большой интерес к изучению таких сетей обусловлен широкими возможностями их применения: мониторинг окружающей среды, сейсмический и структурный мониторинг, автоматизация, пожарная безопасность, военная техника, автомобилестроение, медицина и т. д. Использование в этих отраслях традиционных проводных соединений не всегда эффективно из-за высокой стоимости монтажных и пуско-наладочных работ, а также технического обслуживания. Кроме того, в некоторых ситуациях вообще невозможна прокладка кабелей по технологическим или организационным причинам, поэтому все большее применение находят БСС.

Элементы БСС взаимодействуют друг с другом и зависят друг от друга таким образом, что отказы в отдельных точках сети могут снизить информационную значимость передаваемых данных, при этом работоспособность системы сохраняется.

В реальных ситуациях существуют разнообразные естественные и техногенные помехи, воздействие которых приводят к отказам в отдельных точках БСС и к искажению передаваемой информации.

Особо стоит выделить такой вид техногенных воздействий, как преднамеренные электромагнитные воздействия (ПД ЭМВ).

На практике ПД ЭМВ наводятся, как правило, дистанционно с использованием излучателя: специального генератора, снабженного передающей антенной. Следует отметить, что в последние годы технологии создания таких излучателей стремительно развиваются, что обусловило постоянное повышение интереса к проблеме угрозы электромагнитных нападений и защиты объектов информатизации от ПД ЭМВ.

Исследованиями ПД ЭМВ занимаются российские ученые Ю. В. Парфенов, Л. Н. Кечиев, Л. Л. Синий, Р. В. Киричек, С. А. Сухоруков, М. И. Жуковский, Т. Р. Газизов и зарубежные ученые М. Ianoz, W. Radasky, F. Sabath, D. Giri, C. Baum.

Защитить БСС от ПД ЭМВ и снизить их уровень можно различными методами. Метод скачкообразной перестройки частот каналов, метод избыточного помехоустойчивого кодирования, метод экранирования отдельных элементов БСС. Анализ существующих методов показал, что они не решают в полной мере проблему защиты БСС от ПД ЭМВ. Актуальность разработки новых методов защиты БСС от ПД ЭМВ сохраняется.

Особый интерес представляют популярные в настоящее время БСС ZigBee.

В данной работе предлагается новый метод защиты БСС ZigBee от ПД ЭМВ путем целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети с целью снижения уровня воздействия помех.

Объектом исследований диссертации являются сети ZigBee, которые предназначены для сбора и передачи информации и выгодно отличаются от других типов сетей способностью к самоорганизации, гибкостью и универсальностью программного обеспечения, достаточно большим количеством потенциальных элементов — конечных устройств, доступностью частотных диапазонов, автономностью энергообеспечения.

Предметом исследований является определение электромагнитных воздействий и их влияние на информационные процессы в сети ZigBee.

Цели и задачи исследования. Целью исследования является повышение помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ зависимостей устойчивости сети 2щйсс от ее параметров и от параметров ПД ЭМВ.

2. Разработка метода целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети 21^Вее с целью снижения уровня воздействия помех.

3. Разработка вероятностной модели возникновения ошибок в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

4. Разработка алгоритма изменения пространственной конфигурации элементов сети г1дВее, позволяющего минимизировать информационные потери.

5. Анализ алгоритма минимизации информационных потерь в сетях ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан новый метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

2. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать число потерянных пакетов на каждом конечном устройстве сети при заданной сетевой топологии.

3. Разработан алгоритм повышения помехоустойчивости в сети ZigBee посредством изменения её пространственной конфигурации.

4. Предложена методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть применены:

- при разработке стандартов и других нормативных документов, касающихся защиты автоматизированных информационных систем от ПД ЭМВ;

- при оценках устойчивости реальных объектов информатизации к ПД

ЭМВ;

- при проектировании БСС ZigBee с учётом ПД ЭМВ.

Методы исследования. В диссертационной работе используются: методы теории вероятностей, теории стохастических процессов, вычислительной математики, а также методы имитационного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Анализ зависимостей устойчивости сети ZigBee от ее параметров и от параметров ПД ЭМВ.

2. Метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия помех.

3. Алгоритм изменения пространственной конфигурации элементов сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

4. Методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Результаты исследования использованы:

- в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича;

- в научно-исследовательских работах, направленных на повышение эффективности передачи данных в сети Хг^Все в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий, выполняемых в ФГУП «ГосНИИПП»;

- в научно-исследовательских работах Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного.

Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами внедрения.

Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1У-м Международном научном конгрессе «Нейробиотелеком-2010» (Санкт-Петербург, 2010); 66-й и 67-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 2012-2013); Н-й Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы

инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации по теме диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 7 печатных и электронных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 72 наименований, 4

приложений. Общий объем работы составляет 124 страницы машинописного текста и включает в себя 29 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, рассмотрен объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены методы исследования, научная новизна, практическая ценность, даны сведения об апробации работы и публикациях.

В первой главе «Анализ технологий современных беспроводных сенсорных сетей» даётся подробный анализ наиболее распространенного на сегодняшний день стандарта в области беспроводных коммуникаций IEEE 802.15.4. Рассматриваются расширения этого стандарта и альтернативные технологии.

Анализируются аппаратные средства, включаемые в беспроводные сети.

Основными недостатками устройств, входящих в БСС, являются:

— функционирование беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях только слабых помех;

— сосуществования различных типов беспроводных самоорганизующихся сетей (появляются проблемы электромагнитной совместимости);

— интерференция сигналов от беспроводных устройств в пределах одной

сети.

При проектировании БСС необходимо учитывать особенности этих устройств.

Рассматривается протокол ZigBee как наиболее распространённый. Преимуществом протокола ZigBee по сравнению с другими беспроводными решениями является возможность создания как простых соединений («точка -точка», «звезда»), так и сложных сетей различных топологий: «кластерное дерево», «ячеистая сеть». При этом сети ZigBee обладают способностью самоорганизации, т. е. автоматического построения той или иной топологии сети и определения маршрутов транспортировки сообщений в ней.

ПД ЭМВ следует рассматривать как самостоятельный класс воздействий и разрабатывать соответствующую теорию и методологию повышения помехоустойчивости сетей ZigBee.

С одной стороны, функционирование сети 21§Вее в условиях ПД ЭМВ не сводится ни к задаче о слабых помехах, ни к задаче об интерференции. С другой стороны, ПД ЭМВ включает в себя черты как одного, так и другого. Как показано в работе, для эффективного подавления информационной составляющей сети требуется хорошее (до 1 %) совпадение центральных частот полезного сигнала и сигнала воздействующего излучателя. Ширина спектра воздействия (в отличие от интерферирующего сигнала) должна бьггь больше ширины спектра полезного сигнала Что касается мощности воздействия, то она должна быть достаточно большой, чтобы вызвать потери пакетов.

В результате анализа ПД ЭМВ на сети г1§Вее формулируется задача, решением которой должен быть получен метод рационального пространственного расположения ретрансляторов, которое в условиях внешнего электромагнитного поля достаточно устойчиво, и передача информации может быть осуществлена. Очевидно, что решение такой задачи должно производиться с учетом всех перечисленных особенностей и недостатков устройств ZigBee и того, что известно о воздействующем на сеть излучении: диаграммы направленности антенны излучателя, геометрии антенны, мощности излучения и его спектра. Кроме того, необходимо учитывать возможность перемещения излучателя в пространстве.

Метод повышения помехоустойчивости ориентирован на нахождение пространственного расположения ретрансляторов, при котором в условиях ПД ЭМВ сеть ZigBee наиболее устойчива при заданной информационной нагрузке.

Во второй главе «Метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия помех» рассматривается метод, суть которого заключается в следующем: формируется пространственная геометрическая модель (рис. 1), задаются параметры помещения, где размещены в пространстве ретрансляторы сети ZigBee, задаются параметры ретрансляторов; задаются параметры расположения источника ПД ЭМВ; задаются уровни полезных сигналов ретрансляторов и уровни сигналов ПД ЭМВ; вычисляются сигналы ретранслятора, принимаемые от конечных устройств, как алгебраическая сумма полезного сигнала и сигнала ПД ЭМВ.

Рисунок 1 - Модель взаимного расположения антенны излучателя ПД ЭМВ и элементов сети

Изменяя геометрические параметры ретрансляторов сети и уровни полезных сигналов и сигналов ПД ЭМВ, получаем возможность поиска минимального уровня воздействия помех.

Получена вероятность потери пакета на 1-м конечном устройстве V,:

ч(1)

1=1

где Р,, — вероятность потери пакета, идущего через у'-й ретранслятор с учётом повторных передач, яу, — вероятность работоспособности канала Л/. Эти величины зависят в свою очередь от вероятности искажения одного символа ру, которая связана как с расположением линии, соединяющей узлы с номерами / и у, так и с характеристиками излучателя ПД ЭМВ: расположением антенны в пространстве, её ориентацией, спектром и мощностью излучения. Точный учёт всех этих факторов чрезвычайно бы усложнил задачу. Разработанная методика, позволяет представить ПД ЭМВ как случайную помеху, распределённую по гауссову распределению с заданными параметрами. Эта методика ориентирована на сети 21§Вее. Окончательное выражение выглядит следующим образом:

где ДР - некоторый критериальный уровень мощности, Ре# — эффективная мощность, для которой в диссертации получена следующая формула:

где 5ф - спектральная плотность, г, — радиус-вектор антенны, г - текущий радиус вектор, X - длина волны, 0(в,ф) — диаграмма направленности. Частотное интегрирование в (3) производится только по области перекрывания спектров антенны и полезного сигнала.

Проведен анализ различных вариантов выбора целевой функции, их достоинства и недостатки. Обосновывается, что для достижения цели диссертации можно ограничиться двумя типами целевой функции: первый тип— сумма потерь по всем конечным устройствам, делённая на число конечных устройств и второй тип — максимум потерь. Обе величины лежат в интервале от нуля до единицы. Целевая функция первого типа используется, когда требования к скорости передачи невысоки: системы с отложенной обработкой результатов, системы, собирающую информацию о физических параметрах исследуемых объектов. Использование целевой функции второго типа оправдывает себя в мультимедийных сетях и в системах реального времени.

В третьей главе «Алгоритм изменения пространственной конфигурации элементов сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ» рассмотрены математические методы, которые могут быть эффективно применены для решения поставленной задачи. Выбраны: метод градиентного спуска и адаптивный методом Монте-Карло. Рассмотрена перспектива применения нейронных сетей.

Предложен алгоритм, который минимизирует машинное время при решении задачи повышения помехоустойчивости сети. Основная его идея -организовывать на каждом шаге блуждания ретрансляторов адаптивным методом Монте-Карло уточнение функции распределения координат сетевых устройств. Однако, когда целевая функция уже достаточно уменьшилась по сравнению с первоначальной конфигурацией, такой алгоритм начинает блуждать вокруг положения минимума и не попадает в него, несмотря на динамически подбираемый шаг. Поэтому на каждом шаге фиксируется абсолютная величина уменьшения целевой функции, и если, начиная с какого-

то шага, она становится недостаточной, применяется метод градиентного спуска.

Поэтому на каждом шаге фиксируется абсолютная величина уменьшения целевой функции, и если, начиная с какого-то шага, она становится недостаточной, применяется метод градиентного спуска.

Предложенная статистико-динамическая модель «сеть г1§Вее+ПД ЭМВ» основана на генерации и обработке множества случайных снимков сети. Каждый случайный снимок характеризуется совокупностью мгновенных значений параметров сети (координатами ретрансляторов, излучателя, конечных устройств и динамическими параметрами сети). Функция распределения адаптируется под конфигурацию сети. Очевидно, что чем больше в данной области мощность ПД ЭМВ, тем больше в ней дрлжно быть ретрансляторов. Поэтому предпочтительней ситуация, когда функция распределения повторяет картину диаграммы направленности антенны, но с учётом важности каждого конечного устройства. Весовые множители, приписываемые каждому конечному устройству, определяются в начале работы алгоритма и уточняются на каждой итерации.

После ввода исходных данных на первом шаге алгоритма производится расчёт целевых функций - среднего или максимального числа потерь по (4—9):

=£(А а-*,>+й(1-<?а)1 (4)

где п, — число потерянных пакетов, г — число конечных устройств, г — номер конечного устройства, у - номер ретранслятора, д:/ — вероятность того, что

линия 1—] работоспособна, Ру — вероятность потери пакета сообщения на участке ь/, Qj — упорядоченный набор записей в таблице маршрутизации до номера у, * - дискретное время

4 =(1-0 (5)

где к\ — число символов в информационном пакете, р^ — вероятность искажения одного символа, т — кратность передачи пакета

*,=<! (6) где Иг—число символов в служебном пакете

^ = |>„ (7)

(=1

где IV-целевая функция, Л', - число ретрансляторов

ИГ = 1»Л. (8)

IV = тахр.п,. (9)

На втором шаге принимается решение о продолжении алгоритма по двум критериям: если целевая функция меньше заданного наперёд значения (10) или если относительное уменьшение целевой функции с учетом предыдущих шагов мало по сравнению с некоторой константой (11), в этом случае становится очевидно, что дальнейшую минимизацию потерь проводить нет смысла.

1Щхы)-Щхк)1<е, (10)

где хк— значение, полученное после к-то шага оптимизации, е— наперед заданное положительное число.

Дхм) = Дхк - Л7'( )) <; /(хк)- е || Г(х1) Ц3. (11)

Третий шаг — это перестановка всех ретрансляторов, которая задаётся набором радиус-векторов перемещений, их число равно числу ретрансляторов в сети. Не рассматриваются те перемещения, которые не соответствуют сетевому маршруту до координатора сети; строится карта электромагнитного поля внутри помещения по (12); и в зависимости от мощности электромагнитного поля на каждом участке строится зона допустимых перемещений с использованием нейронной сети по (13, 14);

(12)

4л-|КГ

где А — длина волны излучения, II — вектор между источником и приемником, в к ф- азимутальный и полярный углы — угловые координаты приемника в сферической системе координат с центром в источнике, Р, — мощность передатчика. Функцию В называют диаграммой направленности излучения, симметричному случаю соответствует £> = /, со — угловая частота излучения антенны. Она связана с модулем волнового вектора соотношением со = \к\с, где с — скорость света.

где 50/ — смещение у'-го нейронного элемента выходного слоя, и1,-/ — сила связи между у-м нейроном распределительного слоя и /-м нейроном обрабатывающего слоя

5'=ГтЛГ-50, (14)

где IV— матрица размерности пхр, ¿"о— вектор-столбец смещений элементов обрабатывающего слоя.

Применяется адаптивный метод Монте-Карло с заданным максимальным шагом, с изменением области, построенной на предыдущем этапе. Для генератора случайных чисел используем (15), для изменения области (16).

атос!8 = 5;

■ М 1Ш<а<М-4М\ ¿/М» 0.21113 «1/2-1/ 6л/з, где М= 2м — разрядность целых двоичных чисел; а, Ь — целые положительные нечетные числа — параметры генератора.

N!

где п — средняя доля потерянных пакетов, а2— среднеквадратичное отклонение потерь.

Применяется метод градиентного спуска для уточнения результатов и исключения циклических траекторий: окончательное значение целевой функции вычисляется по формуле (17).

*,„=*,-^»Ч*»)- (17>

Третий шаг выполняется до удовлетворения критериев, определяемых на втором шаге, при достижении минимизации потерь и получения окончательного результата.

В четвёртой главе «Методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ» разработана методика и проведен на ее основе анализ результатов использования предложенного метода и разработанного алгоритма для различных случаев изменения входных параметров.

Методика предлагает сделать предварительные оценки потерь в системе «сеть ZigBee+ПД ЭМВ» до применения предложенного метода. Это делается на основе формул (1-3) при тех или иных упрощающих предположениях. Затем

используя разработанный алгоритм минимизировать потери в сети и определить показатели повышения помехоустойчивости сети при изменении исходных данных сети ZigBee и ПД ЭМВ.

Рассмотрим зависимость значений целевых функций от частоты излучателя ПД ЭМВ. Естественно, что есть смысл анализировать потери лишь в случае слабого отклонения частоты излучателя от центральной частоты полезного сигнала, равной 2,4 ГГц, поэтому все графики построены как зависимости от отклонения (отстройки) частоты. Зависимость средних потерь от частоты показана на рисунке 2. Обе зависимости симметричны с максимумом в нуле. Применение алгоритма позволяет снизить средние потери в 4,2 раза.

етм аг'шшыг.й Гц ,^

Рисунок 2 - Средние потери как функция отклонения от центральной частоты сигнала

На рисунке 2 приведены потери до (1) и после (2) применения метода. При больших частотах кривая потерь как функция частоты излучателя^ ведёт себя как (18)

(18)

где - центральная частота полезного сигнала, /а - центральная частота сигнала излучателя, Л[а - ширина спектра излучателя. Это подтверждается аппроксимацией на рисунке 2 неоптимизированных данных кубическим полиномом. Погрешность приближения в указанной области составляет менее 1 %.

Рассмотрим зависимости значений целевых функций от мощности излучателя Я. Во-первых, очевидно, что любая целевая функция должна

возрастать с ростом мощности 5, и при малых мощностях излучателя эта зависимость должна иметь вид Во-вторых, здесь особенно наглядно

видна роль изменения пространственной конфигурации: при начальной расстановке ретрансляторов мощность излучателя будет распределяться в основном среди ближайших к нему конечных устройств. Изменение пространственной конфигурации предусматривает, в том числе возможность переброски ретранслятора из зоны радиовидимости одного конечного устройства в зону радиовидимости другого. Поэтому в конечном итоге мощность становится распределённой равномерно среди всех конечных устройств. 1

На рисунке 3 представлены данные по зависимости средних потерь от интегральной (просуммированной по всем частотам) мощности источника &

Рисунок 3 - Средние потери как функция мощности излучателя

На рисунке 3 приведены потери до (1) и после (2) применения метода. Видно, что начиная с некоторого значения мощности, потери становятся равными единице, и все пакеты, таким образом, теряются в сети. В работе выведен критерий (19), показывающий условие для этого:

(19)

X ) 2

Здесь БУо) - спектральная мощность антенны на центральной частоте, г„ — расстояние от сети до антенны, д/ — ширина спектра антенны, ЛЕ — критериальный уровень напряжённости электрического поля полезного сигнала. Неравенство (19) подтверждается данными до применения метода, на основе которых построен график (рис. 3). Что касается применения данного критерия к данным, относящимся после применения метода, то, как уже говорилось выше, в рассматриваемой ситуации применение предложенного

алгоритма сводится к более равномерному распределению мощности, а значит, и к равномерному расположению элементов сети. При этом увеличится минимальное расстояние: величина min V(ij) в левой части станет больше и насыщение произойдёт при более высоких мощностях (кривая 2 на рис. 3).

По-разному сказывается на средних потерях применение метода: наибольшая эффективность проявляется на начальном участке, где она позволяет снизить потери практически до нуля. При длине пакета 100 бит удалось снизить средние потери в 24 раза. Эффективность алгоритма уменьшается с ростом длины пакета и на участке насыщения она становится бесполезной. Например, для экспериментальных значений параметров не удалось снизить потери для пакета длиной 106 бит. Подобные пакеты встречаются крайне редко, а для обычных значений экспоненциального участка эффективность достигает 15 раз.

На рисунке 4 приведён график средних потерь в зависимости от числа ретрансляторов в сети в логарифмическом масштабе.

*S-—....."i--—--"-"ф------у

см*

Рисунок 4 - Средние потери как функция числа ретрансляторов в сети.

Логарифмический масштаб по оси абсцисс

На графике приведены потери до (1) и после (2) применения метода. Видно, что при некотором определённом числе ретрансляторов алгоритм позволяет снизить средние потери почти до нулевых. В целом эффективность метода максимальна в области Ы,> 10, но это условие выполняется практически всегда: в реальных сетях ZigBee число шлюзов может доходить до 105.

Проведено сравнение эффективности алгоритма для максимальных и для средних потерь. В большинстве случаев максимальные потери

минимизируются быстрее, так как минимизация потерь на ближайшем к излучателю конечном устройстве уже снижает целевую функцию на порядки.

Наименее эффективен алгоритм для антенн ПД ЭМВ мощностью > 3,5 мВт и в случае совпадение центральных частот спектра г1£Вее и спектра излучателя ПД ЭМВ. В этом случае максимальное снижение потерь составляет 11,4%. Для антенн мощности ~1 мВт и разности частот спектра и ZigBee > 10 МГц алгоритм позволяет получить значительное снижение потерь: от 4,2 до 270 раз в зависимости от длины пакета и числа элементов сети. В целом эффективность алгоритма по максимальным потерям больше эффективности алгоритма по средним потерям в 1,2-3,1 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработан и исследован метод динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee, позволяющий на этапах проектирования и эксплуатации сети повысить надежность сети в условиях ПД ЭМВ.

2. Получен алгоритм минимизации потерь пакетов в сети, изменяющий целевую функцию путём расстановки ретрансляторов. Определено, что наилучшие результаты даёт сочетание адаптивного метода Монте-Карло с градиентным спуском на последнем шаге.

3. Сравнительный анализ исходных и полученных данных даёт основания считать, что предложенный алгоритм позволяет эффективно минимизировать как средние, так и максимальные потери.

4. Разработано программное обеспечение, осуществляющее минимизацию потерь в сети Z^gBee в режиме реального времени.

5. Намечены пути дальнейших исследований по проблеме обеспечения функционирования беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях ПД ЭМВ:

- создание системы подсчёта потерь с каждого конечного устройства на основе нейронных сетей.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Данилин, С. В. Вопросы устойчивости активного сетевого оборудования к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов / С. В. Данилин, Р. В. Киричек // Технологии электромагнитной совместимости (ЭМС). - 2009. - № 1. - С. 54-57. (из перечня ВАК).

2. Данилин, С. В. Оптимальное управление беспроводной сенсорной сетью Zigbee в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия по эфиру / С. В. Данилин // Телекоммуникации - 2013. - № 5 - С. 35^Ф1. (из перечня ВАК).

3. Данилин, С. В. Вопросы устойчивости активного сетевого оборудования к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов: сборник научных трудов / С. В. Данилин, Р. В. Киричек // 62-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПБГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича. — СПб.: СПбГУТ, 2010. - С. 334-335.

4. Данилин, С. В. Проблемы вероятности единичного сбоя : сборник научных трудов / С. В. Данилин, М. О. Колбанев // IV-й международный научный конгресс «Нейробиотелеком-2010». — СПб.: СПбГУТ, 2010 — С. 76-78.

5. Данилин, С. В. Электромагнитное нападение как новый вид угрозы информационной безопасности: сборник докладов / С. В. Данилин, Р. В. Киричек // 2-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные достижения европейской науки». — София, 2011. — С. 54—58.

6. Данилин, С. В. Повышение эффективности передачи данных в беспроводных сенсорных сетях, построенных по технологии ZigBee : сбоник научных трудов [Электронный ресурс] / С. В. Данилин // П-я Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». — СПб.: СПбГУТ, 2013 - С. 572-577. - Режим доступа: http://www.sut.ru/doci/nauka/sbornic_ confsut_2013_no_copy.pdf.

7. Данилин, С. В. Проблема влияния преднамеренных электромагнитных воздействий на передачу данных в беспроводных сенсорных сетях: сборник научных трудов Рлектронный ресурс] / С. В. Данилин // 67-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов

СПбГУТ. - СПб.: СПбГУТ, 2013. - С. 85-89. - Режим доступа: http ://www.sut.ru/doci/nauka/67ntk.pdf.

8. Анализ устойчивости к сильным электромагнитным воздействиям электронной инфраструктуры промышленных объектов и технических средств, анализ методов и средств их защиты, анализ и подготовка необходимой нормативной базы в области их защиты: отчет о НИР / Данилин С. В., Жуковский М. И., Лазарев Б. Н„ Сафронов Н. Б. - СПб.: СПбФ ФГУП «НТЦ «Атлас», 2009. - 207 с. - Инв. № 100.

Подписано в печать 23.10.2013. Формат 60x84 1/16. _Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз._

Отпечатано а СПбГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М. А. Бонч-Бруевича»

На правах оукописи

Данилин Станислав Валерьевич

04201451973

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ В СЕТИ гЮВЕЕ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

05.13.01 — системный анализ, управление и обработка информации

(связь и информатизация)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Бачевский Сергей Викторович

Санкт-Петербург — 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................................................5

Глава 1. Анализ технологий современных беспроводных сенсорных сетей...................................................................................................................................10

1.1. Стандарты беспроводных самоорганизующихся сетей......................................10

1.1.1. Стандарт IEEE 802.15.4.......................................................................................10

1.1.2. Семейство протоколов ZigBee...........................................................................13

1.1.3. Wibree и альтернативные технологии...............................................................15

1.1.4. Краткий анализ аппаратной части беспроводных самоорганизующихся сетей....................................................................................................................................17

1.2. Анализ проблем функционирования беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях слабых помех.......................................................................................20

1.3. Анализ проблем сосуществования различных типов беспроводных самоорганизующихся сетей. Интерференция............................................................................24

1.4. Задача проектирования конфигурации беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.......................28

1.5. Выводы....................................................................................................................29

Глава 2. Метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия по-

мех...................................................................................................................................31

2.1. Математическая формализация задачи построения метода...............................32

2.2. Связь ошибок в данных на физическом и канальном уровнях..........................35

2.3. Определения вероятности искажения одного символа......................................37

2.4. Определение нагрузки на ретранслятор в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия................................................................................................41

2.5. Выбор целевой функции........................................................................................44

2.5.1. Суммарное число ошибок как целевая функция..............................................45

2.5.2. Максимальное число ошибок как целевая функция........................................47

2.5.3. Целевая функция для динамической задачи.....................................................47

2.6. Ограничения для задачи оптимизации.................................................................49

2.7. Выводы....................................................................................................................51

Глава 3. Алгоритм изменения пространственной конфигурации элементов

сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ...............................................................................53

3.1. Анализ метода градиентного спуска....................................................................53

3.2. Анализ методов нелинейной многопараметрической оптимизации.................57

3.3. Анализ метода Монте-Карло.................................................................................64

3.4. Анализ адаптивного метода Монте-Карло...........................................................67

3.5. Алгоритм построения пространственной конфигурации беспроводной самоорганизующейся сети для условий преднамеренных электромагнитных воздействий...................................................................................................................................68

3.5.1. Обоснование выбора алгоритма.........................................................................68

3.5.2. Тестирование алгоритма.....................................................................................70

3.6. Выводы....................................................................................................................72

Глава 4. Методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ........................................................................................................75

4.1. Предварительные оценки ошибок в системе «беспроводная самоорганизующаяся сеть + преднамеренные электромагнитные воздействия» для неоптимизи-рованной топологии......................................................................................................75

4.2. Зависимость различных целевых функций беспроводной самоорганизующейся сети от параметров источника преднамеренных электромагнитных воздействий...................................................................................................................................81

4.2.1. Зависимость от частоты излучения источника и ширины спектра................82

4.2.2. Зависимость от мощности источника ПД ЭМВ...............................................85

4.3. Зависимость различных целевых функций от параметров беспроводной самоорганизующейся сети....................................................................................................88

4.3.1. Зависимость от длины пакета.............................................................................90

4.3.2. Зависимость от числа ретрансляторов и конечных устройств........................93

4.3.3. Зависимость от геометрических характеристик...............................................97

4.4. Анализ эффективности алгоритма......................................................................101

4.5. Выводы..................................................................................................................105

Заключение.................................................................................................................107

Список условных обозначений...............................................................................108

Список использованной литературы....................................................................109

Приложения................................................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Важнейшей особенностью 21 века, в том числе, для России является стремительное развитие информационного общества. Неотъемлемой и насущно необходимой компонентой современной информационной инфраструктуры являются сети, построенные с использованием беспроводных технологий.

В последнее десятилетие получили большое развитие, информационные системы на основе беспроводных самоорганизующихся сетей (БСС). Такие системы, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором, сенсором, реле могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир.

Концепция БСС привлекает внимание многих ученых, исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечило большой поток научных работ по данной тематике. Активное участие в исследованиях БСС принимают российские ученые А.Е. Кучерявый, Е.А. Кучерявый, А.И. Парамонов, A.B. Про-копьев, М.Н. Терентьев и зарубежные D. Culler, D. Estrin, М. Srivastava, М. Editors.

Большой интерес к изучению таких сетей обусловлен широкими возможностями их применения: мониторинг окружающей среды, сейсмический и структурный мониторинг, автоматизация, пожарная безопасность, военная техника, автомобилестроение, медицина и т.д. Использование в этих отраслях традиционных проводных соединений не всегда эффективно из-за высокой стоимости монтажных и пуско-наладочных работ, а также технического обслуживания. Кроме того, в некоторых ситуациях вообще невозможна прокладка кабелей по технологическим или организационным причинам, поэтому все большее применение находят БСС.

Элементы БСС взаимодействуют друг с другом и зависят друг от друга таким образом, что отказы в отдельных точках сети могут снизить информационную значимость передаваемых данных, при этом работоспособность системы сохраняется.

В реальных ситуациях существуют разнообразные естественные и техногенные помехи, воздействие которых приводят к отказам в отдельных точках БСС и к искажению передаваемой информации.

Особо стоит выделить такой вид техногенных воздействий, как преднамеренные электромагнитные воздействия (ПД ЭМВ).

На практике ПД ЭМВ наводятся, как правило, дистанционно с использованием излучателя: специального генератора, снабженного передающей антенной. Следует отметить, что в последние годы технологии создания таких излучателей стремительно развиваются, что обусловило постоянное повышение интереса к проблеме угрозы электромагнитных нападений и защиты объектов информатизации от ПД ЭМВ.

Исследованиями ПД ЭМВ занимаются российские ученые Ю.В. Парфенов, J1.H. Кечиев, JI.J1. Синий, Р. В. Киричек, С.А. Сухоруков, М.И. Жуковский, Т.Р. Газизов и зарубежные ученые М. Ianoz, W.Radasky, F. Sabath, D. Giri, C. Baum.

Защитить БСС от ПД ЭМВ и снизить их уровень можно различными методами. Метод скачкообразной перестройки частот каналов, метод избыточного помехоустойчивого кодирования, метод экранирования отдельных элементов БСС. Анализ существующих методов показал, что они не решают в полной мере проблему защиты БСС от ПД ЭМВ. Актуальность разработки новых методов защиты БСС от ПД ЭМВ сохраняется.

Особый интерес представляют популярные в настоящее время БСС ZigBee.

В данной работе предлагается новый метод защиты БСС ZigBee от ПД ЭМВ путем целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети с целью снижения уровня воздействия помех.

Объектом исследований диссертации являются сети ZigBee, которые предназначены для сбора и передачи информации и выгодно отличаются от других типов сетей способностью к самоорганизации, гибкостью и универсальностью программного обеспечения, достаточно большим количеством потенциальных элементов - конечных устройств (КУ), доступностью частотных диапазонов, автономностью энергообеспечения.

Цели и задачи исследования. Целью исследования является повышение помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- анализ зависимостей устойчивости сети ZigBee от ее параметров и от параметров ПД ЭМВ;

- разработка метода целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия помех;

- разработка вероятностной модели возникновения ошибок в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ;

- разработка алгоритма изменения пространственной конфигурации элементов сети ZigBee, позволяющего минимизировать информационные потери;

- анализ алгоритма минимизации информационных потерь в сетях ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

Методы исследования. В диссертационной работе используются: методы теории вероятностей, теории стохастических процессов, вычислительной математики, а также методы имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан новый метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ;

2. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать число потерянных пакетов на каждом конечном устройстве сети при заданной сетевой топологии;

3. Разработан алгоритм повышения помехоустойчивости в сети ZigBee посредством изменения её пространственной конфигурации;

4. Предложена методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.

Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть применены при:

- при разработке стандартов и других нормативных документов, касающихся защиты автоматизированных информационных систем от ПД ЭМВ;

- при оценках устойчивости реальных объектов информатизации к ПД ЭМВ;

- при проектировании БСС ZigBee с учётом ПД ЭМВ.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Результаты исследования использованы:

- в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича;

- в научно-исследовательских работах, направленных на повышение эффективности передачи данных в сети ^щВее в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий, выполняемых в ФГУП «ГосНИИПП»;

- в научно-исследовательских работах Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденого.

Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1У-м Международной научном конгрессе «Нейробиотелеком-2010» (Санкт-Петербург, 2010); Ы-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ им.проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 2012); П-й Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфо-телекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2013); 67-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ им.проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации по теме диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 7 печатных и электронных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

1.1. Стандарты беспроводных самоорганизующихся сетей 1.1.1. Стандарт IEEE 802.15.4

Одним из первых прототипов самоорганизующейся сети можно считать гидроакустическую противолодочную систему США, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок в Мировом океане. Технологии беспроводных самоорганизующихся сетей (БСС) стали активно развиваться в середине 1990-х годов, а в начале 2000-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешевую элементную базу. Существовавшие на тот момент стандарты в области беспроводных коммуникаций IEEE 802.1 lx (Wi-Fi) и IEEE 802.15.1 (Bluetooth) не соответствовали многим требованиям, предъявляемым к миниатюрным маломощным приемопередатчикам узлов беспроводных самоорганизующихся сетей [1]. Оборудование, построенное на основе этих стандартов, потребляет недопустимо много энергии, к тому же играет негативную роль недостаточная точность в определении координат приемопередатчиков [2]. По мнению разработчиков, скорость передачи данных можно было существенно ограничить, что, в свою очередь, позволило бы сократить энергопотребление и увеличить продолжительность работы автономных устройств [3]. По этим причинам был разработан принципиально новый стандарт 802.15.4 [4]. Действующий в настоящее время базовый вариант стандарта был представлен в 2006 году, сегодня же продолжается разработка его расширений IEEE 802.15.4х. Сети, организованные в соответствии с этим стандартом, получили название LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network) — низкоскоростные частные радиосети [5]. Сравнительные характеристики различных технологий беспроводной связи представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение технологий беспроводной связи

Частные беспроводные сети Локальные бес-

(VVPAN) проводные сети (WLAN)

Стандарт IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.1 IEEE 802.1 la/b/g

(WSN) (Bluetooth) (Wi-Fi)

Необходимый объем 4-32 кБ 250 кБ 1 МБ

памяти

Продолжительность Несколько месяцев Несколько Несколько часов

работы от батарей дней

Количество присое- 65 536 7 32

диняемых узлов

Скорость передачи 250 кБ/с 1 МБ/с 2-11 МБ/с

данных

Дальность 10-30м 10-100 м 100 м

Стандарт IEEE 802.15.4 регламентирует параметры двух нижних уровней базовой модели взаимодействия открытых систем (ISO-OSI) — физического (PHY) и подуровня управления доступом к среде (MAC) канального уровня. Преимуществами стандарта являются низкая стоимость устройств, низкое энергопотребление, короткое время подключения к сети, поддержка большого количества клиентов [6]. Стандарт оптимален для построения крупных сетей разнообразных устройств в масштабах предприятий и зданий. Возможности, реализованные на МАС-уровне, позволяют осуществлять построение соединений типа «точка — точка» и сетей с топологией «звезда» [7]. Новый стандарт предусматривает небольшую дальность действия в помещении (10-30 м) и низкую пропускную способность канала (до 250 кбит/с). Передача на этой скорости ведется в нелицензируемом ISM-диапазоне 2,4 ГГц, за которым закреплено 16 каналов с шагом 5 МГц. Доступны также диапазоны 868 МГц (1 канал) — в Европе и 902928 МГц (30 каналов с шагом 2 МГц) — в Северной Америке, эти полосы частот также свободны от лицензирования. Скорость передачи на этих частотах соответственно равны 20 и 40 кбит/с [8]. Модуляция сигнала производится сдвигом фазы, в двух нижних диапазонах — бинарным, а на 2,4 ГГц — квадратурным (OQPSK; Offset Quadrature Phase-Shift Keying). Доступ к каналу — по контролю несущей

(CSMA: Carrier Sense, Multiple Access — известный алгоритм множественного доступа к среде, применяемый в сетях Ethernet и предназначенный для разрешения коллизий) [9]. Низкая мощность и скорость обусловлены малыми энергоресурсами связываемых устройств. Значения основных параметров, регламентируемых стандартом, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры стандарта IEEE 802.15.4

Параметр Значение

Частотные диапазоны и каналы 868 МГц: 1 канал; 915 МГц: 10 каналов; 2,4 ГГц: 16 каналов

Скорость передачи данных 868 МГ�