MIMO Virtual în rețele de senzori wireless [305973]

Universitatea “Politehnica” [anonimizat]: [anonimizat]

2016

Cuprins

Lista figurilor

Figura 1.1

Figura 1.2

Figura 1.3

Figura 1.4 http://www.ni.com/white-paper/14931/

Figura 1.5

Figura 1.6

Figura 1.9 http://www.evercom.com.tw/proimages/image001.[anonimizat] – [anonimizat] – [anonimizat] – [anonimizat]-[anonimizat] – [anonimizat] – [anonimizat] (Multiple Input Multiple Output) [anonimizat] 3[anonimizat]-A si IEEE 802.11ac (WIFI), pentru ca ofera o eficienta spectrala ridicata si o [anonimizat] (Single Input Single Output). [anonimizat]-un singur dispozitiv. Din acest motiv s-a [anonimizat]-se sisteme de tip MIMO virtual (sau cooperativ), la care terminalele mobile sunt grupate fizic pentru a se realiza transmisia si receptia datelor.

[anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat] o cooperare eficienta a nodurilor din retea. [anonimizat] o interfata de interconectare hardware intre platforma de dezvoltare si transceiver.

1. Retele de senzori wireless

1.1 Notiuni introductive

Senzorii sunt folositi pentru a detecta si monitoriza fenomene fizice si a le transforma intr-o forma ce permite sa fie prelucrate si stocate. [anonimizat]-[anonimizat] a fi prelucrat sau stocat in alta locatie. Senzorii care au ca iesire un semnal electric sunt denumiti traductori. Acestia sunt integrati intr-o [anonimizat] a securitatii, [anonimizat], temperaturii si a presiunii. [1] [2]

Fenomenele observate de catre senzori si transformate in semnal electric nu sunt in starea necesara pentru a [anonimizat]. [anonimizat] necesara amplificarea sau atenuarea semnalului pentru a fi posibila conversia semnalului analogic intr-un semnal digital sau aplicarea unui filtru pentru a elimina zgomotul. In continuare, semnalul poate fi convertit folosind un convertor analogic-numeric si vizualizat sau stocat. Dispozitivele ce au in componenta senzori pot avea si actuatori ce le ofera posibilitatea sa controleze mediul inconjurator. [1]

O retea de senzori wireless este formata din noduri ce au in componenta senzori autonomi, care monitorizeaza fenomene fizice si transmit informatiile preluate, printr-o retea wireless, la un nod principal, unde pot fi analizate si stocate. Pot fi realizate retele de mii de noduri in functie de aria geografica pe care dorim sa o monitorizam, fiecare nod realizand operatiile de colectare, procesare si transmitere a informatiei. Din acest motiv, este necesar ca un nod sa aiba integrate componente ce realizeaza procesarea si transmiterea informatiei. [3]

In functie de structura fizica a unui nod, putem clasifica retele de senzori wireless in doua categorii: retele omogene, la care toate nodurile sunt la fel si retele eterogene, la care nodurile sunt diferite. Luand in considerare ca in ambele cazuri nodurile vor fi, in general, alimentate cu baterii care nu pot fi schimbate sau reincarcate, consumul de energie reprezita factorul cel mai important in proiectarea unei retele de senori wireless.

Complexitatea unei retele de senzori wireless variaza de la caz la caz. In anumite situatii pot detecta un singur fenomen fizic, in timp ce in alte cazuri putem avea dispozitive mai complexe ce monitorieaza mai multe fenomene. Acestea mai pot varia si prin modul in care transmit datele, de exemplu, prin intermediul undelor radio, radiatiei infrarosii sau microundelor. In plus, se pot adauga o mare varietate de componente, cum ar fi un receptor GPS pentru a-si putea determina locatia, dar aceste sisteme nu sunt fezabile in cazul in care dorim crearea unei retele de senzori cu un consum redus de energie. Cel mai cunoscut standard pentru comunicatii wireless este IEEE 802.11 si este folosit in anumite retele de senzori, dar consumul de energie crescut nu permite folosirea acestuia in majoritatea aplicatiilor. Acest lucru a dus la crearea mai multor protocoale, cum ar fi standardul IEEE 802.15.4, folosit in cazul in care este necesara comunicarea pe distante scurte (10-30 m), la un cost scazut si cu viteze de transfer reduse. [1] [4]

In tabelul 1.1 este realizata o comparatie intre retele traditionale si cele de senzori wireless.

Tabel 1.1 [1]

1.2 Caracteristici și constrângeri

Desi au multe similaritati cu alte sisteme distribuite, retelele de senzori au constrangeri si provocari specifice. Urmatoarele caracteristici sunt comune la majoritatea retelelor de acest tip.

– Consumul de energie

Nodurile dintr-o retea trebuie, in general, sa aiba un consum redus de energie. In mod uzual, acestea sunt alimentate cu baterii ce trebuie inlocuite sau reincarcate cand s-au descarcat, dar in anumite cazuri nu este posibil. In functie de posibilitatea de a reincarca sau schimba o baterie, trebuie alese strategii diferite pentru a limita consumul. Trebuie tinut cont ca in foarte multe cazuri nu pot fi schimbate sursele de energie, ceea ce inseamna ca acest factor este unul dintre cei mai importanti de tinut cont atunci cand proiectam o retea de senzori. Nefunctionarea unor noduri poate duce la schimbari semnificative in topologia unei retele, ceea ce poate afecta semnificativ consumul. [1] [2] [4]

– Autoorganizarea retelei

Anumite aplicatii necesita ca o retea sa functioneze in locatii greu accesibile unde nu exista infrastructura necesara pentru a se realiza mentenanta sau repararea nodurilor, asa ca este necesar ca reteaua sa aiba capacitatea de a se auto-organiza, adica trebuie sa existe mecanisme automate pentru cazurile in care anumite noduri se strica sau au loc schimbari in mediul inconjurator. [1] [4]

– Administrarea

Din cauza dimensiunii mari a retelei si a necesitatii de a avea un consum cat mai mic de energie, nu se apeleaza in general la algoritmi de administrare a retelei controlati de un nod central. Putem considera cazul in care avem un nod de baza care centralizeaza datele de la restul nodurilor, alege rutele in functie de costul energetic si informeaza fiecare nod de ruta ce trebuie sa o urmeze, dar acesta poate creste mult consumul, in special daca se schimba des topologia. In cazul in care nu avem un nod coordonator, nodurile trebuie sa colaboreze cu vecinii din jur pentru a face decizii. In acest mod, este posibila cresterea eficientei energetice. [1]

– Transmisie multihop

Transmisia pe distante lungi necesita o putere prea mare pentru a avea un consum redus de energie. Relatia intre puterea la receptie si cea de la transmie a unui semnal RF poate fi exprimata folosind formula

asadar cresterea distantei necesita o putere mult mai mare la transmisie, deci este mai eficient sa folosim noduri intermediare, ce vor functiona ca relee. Aceasta transmisie creste complexitatea retelei, pentru ca este preferabil ca un nod sa inchida aparatul de emisie-receptie cand nu este folosit pentru a conserva energie. [1] [2] [9]

Figura 1.1 [1]

– Securitatea

Anumite retele de senzori colecteaza date ce trebuie tinute secret, dar acest lucru este dificil pentru ca transmisia wireless usureaza supravegherea comunicatiilor. Unul dintre cele mai mari probleme il reprezinta atacul de tip denial-of-service, care ingreuneaza comunicatia in retea. In cazul altor tipuri de retele, riscul este mai mic pentru ca acestea au o sursa constanta de energie, dar in cazul curent trebuie create si folosite solutii diferite pentru a spori securitatea. [1]

– Dimensiunea unui nod

Este esential ca in proiectarea unei retele de senzori sa fie folosite noduri cu dimensiuni mici. Acest lucru nu permite utilizarea multor componente, dar implica si constrangeri legate de performantele unitatii de procesare folosita sau de capacitatea memoriei utilizate. Aceste limitari afecteaza si software-ul, care trebuie sa utilizeze mai putine resurse. De exemplu, daca dorim sa realizam o retea in care un nod are in tabelul de rutarte toate destinatiile posibile, s-ar putea sa nu avem memoria necesara si singura solutie sa fie doar cunoasterea nodurilor vecine. [1]

– Colaborare intre noduri

In multe situatii, un senzor nu poate decide daca un eveniment a avut loc si este necesar ca mai multi senzori sa colaboreze si sa realizeze o agregare a datelor, realizandu-se procesarea necesara local. [2]

– Scalabilitatea

Numarul de senzori utilizati pentru a studia un fenomen poate sa ajunga la valori foarte mari (de ordinul milioanelor in situatii extreme), deci trebuie folositi algortimi si protocoale ce permit astfel de configuratii. [3]

– Fiabilitatea

O parte din senzori se pot strica sau nu pot functiona datorita puterii de transmisie redusa. Aceste defecte nu ar trebui sa afecteze misiunea retelei de senzori, adica este necesara o fiablitate crescuta. In [5] fiabilitatea unui sensor indivdual a fost modelata cu o distributie Poisson care arata probabilitatea de a nu a avea un defect in intervalul (0, t):

unde este rata de defectare a nodului (presupusa a fi constanta) si perioada de timp.

– Densitatea

Numarul de noduri pe o unitate de suprafata, denumita densitatea retelei, poate varia destul de mult in functie de scopul retelei. Aceasta poate varia connsiderabil in timp si spatiu chiar si intr-o retea, deci este necesar ca aceaasta sa se poata adapta. In [6] densitatea este exprimata prin:

unde reprezinta numarul de noduri, este aria regiunii si distanta transmisiunii radio. Pentru anumite fenomene, daca depasim un prag al densitatii, nu vom avea imbunatari ale preciziei masuratorilor. Putem modifica densitatea in cazul in care schimbam puterea transmisiunii. In [7] s-a aratat ca utlizarea unui numar foarte mic sau foarte mare de noduri este ineficient si ca numarul optim descreste odata cu puterea consumata pentru detectie.

1.3 Arhitectura unui nod

Elementul central in proiectarea unei retele de senzori wireless il reprezinta arhitectura unui nod, deoarece acesta realizeaza functiile de detectare, procesare si comunicare. Acesta are stocat in memorie protocoalele de comunicatie si de procesare a datelor folosite.. In plus fata de cerintele hardware mentionate anterior, trebuie tinut cont si de software-ul utilizat. [1] [2]

In alegerea componentelor hardware este esential sa tinem cont de aplicatia in care va fi folosita reteaua de senzori. Exista cazuri in care nodul trebuie sa aiba greutatea mai mica decat 100g, sa disipe mai putina putere decat 100 sau chiar sa aiba dimensiunea unui graunte de praf daca este folosit in domeniul militar. Totusi exista posibilitatea ca un nod sa fie folosit ca o statie meteorologica, ceea ce implica dimensiuni mult mai mari, dar tendinta generala este de a minaturiza componetele utilizate. [2] [8]

Un senzor este alcatuit din 6 componente principale:

– Controller: folosit pentru a procesa datele si a executa codul necesar

– Memorie: necesara pentru a stoca programele utilizate si datele intermediare

– Senzor si actuator: pentru interfatarea intre hardware si fenomenele fizice

– Dispozitiv pentru comunicatie: pentru a putea crea o reteaua intre noduri

– Sursa de alimentare: pentru a alimenta sistemul, in general fiind posibila doar utilizarea unei baterii.

Figura 1.2 [2]

Toate aceste componente trebuie sa functioneze altfel incat sa consume cat mai putina energie, ceea ce implica inchiderea controllerului si a dispozitivului de comunicatie in marea majoritate a timpului. Daca este necesar, senzorul poate trimite un semnal de intrerupere catre controller in momentul in care detecteaza depasirea unui prag. Utilizarea unor operatii de intrerupere duce la posibilitatea ca controllerul sa fie pornit numai daca senzorul a detectat un eveniment, de exemplu in cazul in care monitorizeaza miscarea unui obiect. [2]

Controllerul este unitatea care proceseaza toate informatiile necesare si decide modul in care un nod isi indeplineste sarcinile. Poate fi ales un procesor de uz general, dar acestea au in general prea multa putere de procesare pentru aplicatiile folosite si un consum de energie excesiv. Din aceste motive sunt mai convenabile microcontrollere. Acestea au in general si memorie integrata, dar si posibilitatea de a intra in moduri de operare in care consumul de energie scade semnificativ pentru ca anumite parti sunt inactive. Exista si posibilitatea folosirii procesoarelor de semnal digital, dar operatiile de procesoare a semnalului in retele de senzori nu implica, in general, necesitatea unor astfel de dispozitive. In cazul in care reteaua va fi folosita pentru anumite aplicatii ce nu implica multa flexibilitate, pot fi folosite procesoare specializate ca ASIC-uri, dar usurinta folosirii microcontrollerelor a dus la utilizarea lor in majoritatea retelelor de senzori wireless. [2]

Pentru a putea realiza operatiile necesare este nevoie ca un nod sa aiba memorie de tip Random Access Memory (RAM), utilizata datorita vitezelor de transfer foarte mari. Dezavantajul este ca datele sunt pierdute daca nu mai este alimentata. In general, codul programului este stocat in memoria EEPROM, dar este posibila stocarea si in memoria flash sau ROM. Memoria flash poate fi folosita si in cazul in care nu avem destul RAM, dar trebuie sa tinem cont de consumul de energie crescut. [2]

In unele cazuri cea mai buna alegere pentru conectarea nodurilor este cu fire, dar, in foarte multe aplicatii, nu este o optiune viabila, deoarece componentele se afla la mare distanta unele fata de altele, dar si pentru ca acestea pot fi mobile, de aceea se utilizeaza comunicatia fara fire. In acest caz, trebuie sa incepem prin a alege mediul de transmisie, cele mai des utilizate fiind: undele radio, undele infrarosii sau microundele. Dintre acestea cea mai convenabila pentru retele de senzori wireless este transmisia prin unde radio pentru ca permite transmiterea la distante relativ mari, cu rate de transfer mari, la un cost energetic redus si nu necesita ca transmitatorul si receptorul sa fie in acelasi camp vizual. [2]

Nodurile trebuie sa poata realiza comunicatii bi-directionale, din acest motiv este nevoie sa aiba un dispozitiv de transmisie, dar si unul de receptie, acestea realizand conversia dintr-un sir de biti in unde radio si invers. In general, acestea sunt integrate intr-un singur dispozitiv, numit transceiver. [2]

In alegerea unui transceiver ar trebui sa tinem cont de urmatoarele caracteristici principale:

– Consumul de energie, fiind necesara reducerea cat mai multa este esentiala comutarea, preferabil rapida, intre starea activa de functionare si cea inactiva, dar trebuie tinut cont si de faptul ca in multe cazuri aceasta comutare poate consuma mai multa energie decat starea activa. In cazul retelelor de senzori wireless, unde avem o putere mica la transmisie (in mod uzual 0 dBm, adica 1mW), se observa ca transmisia si receptia consuma aproximativ aceeasi putere si ca in anumite arhitecturi starea de asteptare consuma la fel de mult, asa ca este necesar ca transceiver-ul sa fie inactiv in cea mai mare perioada de timp. [2] [15]

– Freceventa purtatoarei: pentru evitarea congestei este necesar ca un transceiver sa-si poata schimba frecventa purtatoarei.

– Rata de transfer: determinata in principal de lungimea de banda, tipul de modulatie folosita si de frecventa purtatoarei. Valorile tipice sunt de cateva sute de kb/s, considerabil mai putin fata de sistemele de comunicatii mobile, dar suficient pentru majoritatea aplicatiilor. Se poate modifica schimband rata de simboluri sau prin schimbarea tipului de modulatie.

– Castigul: reprezinta raportul dintre puterea semnalului la iesire si puterea semnalului la intrare, fiind uzual exprimat in decibeli (dB). Este preferabil un castig mare la amplificare pentru a avea o eficienta energetica ridicata.

– Sensibilitatea receptorului: reprezinta puterea minima de intrare a unui semnal pentru care obtinem la iesire un coeficient de distingere a semnalului util fata de zgomot, fiind exprimat in dBm sau in frecventa bitilor eronati la receptoarele digitale. Acesta trebuie stabilit in functie de cerintele aplicatiei, dar este utila o sensibilitate cat mai mare.

– Selectivitatea: reprezinta abilitatea de a respinge semnalele nedorite din canalele adiacente.

– Stabilitatea frecventei: este reprezentata ca raportul dintre variatia relativa a frecventei si variatia relativa a fenomenului care cauzeaza aceasta variatie la un oscilator. Variatia urmatorilor factori determina instabilitati: temperatura, presiunea, umiditatea, tensiunea de alimentare, impedanta de sarcina sau deformatiile mecanice.

– Tensiunea de alimentare: pentru a nu fi necesare stabilizatoare de tensiune, este de dorit ca transceiverul sa functioneze la diferite valori de alimentare.

Ca sursa de alimentare se folosesc baterii, care pot fi de doua tipuri: primare (de unica folosinta) sau secundare (reincarcabile). La descarcarea acesteia, energia chimica se transforma in energie electrica prin intermediul unei reactii electrochimice. Acestea ar trebui sa aiba o capacitate mare la un pret redus si un volum mic.

1.4 Nivelul Fizic

Retelele de senzori wireless folosesc o arhitectura stratificata bazata pe modelul Interconectarea Sistemelor Deschise (OSI), in care avem urmatoarele niveluri:

1. Nivelul Fizic – responsabil de codarea sursei si a canalului, detectarea semnalelor si modulatia semnalului transmis.

2. Nivelul Legatura de Date – se ocupa cu cooperarea intre nodurile retelei, fiind responsabil de detectarea erorilor, multiplexare, prevenirea coliziunilor pachetelor.

3. Nivelul Retea – raspunzator pentru gasirea celei mai eficiente rute astfel incat sa fie utilizate cat mai putine resurse. Este esential ca toate nodurile sa poata functiona ca un router pentru cazurile in care unele se defecteaza.

4. Nivelul Transport – folosit in momentul in care este necesara stabilirea unei conexiuni cu o alta retea.

5. Nivelul Aplicatie – care realizeaza o interfata intre utilizator si aplicatiile folosite si coordoneaza comunicatia intre aplicatii. In lucrarea [12] sunt descrise protocoale folosite pentru a asigura confidentialitatea datelor si autentificare, care pot fi implementate folosind componente cu o complexitate redusa si care pot fi folosite pentru a crea protocoale de nivel superior. [11]

Nivelul fizic realizeaza conversia sirurlui de biti in semnale a fi realizata comunicatia intre noduri. O mare parte din avantajele folosirii retelelor de senzori wireless se datoreaza comunicatiei wireless, dar introduce si o multitudine de provocari. Transmisia pe distante mari implica costuri ridicate si o crestere a complexitatii circuitelor necesare. In figura 1.3 sunt ilustrate componentele si modul de transmisie intr-o comunicatie wireless.[9]

Figura 1.3 [1]

Initial, senzorul produce un semnal analogic care trebuie convertit intr-un semnal digital in timp si amplitudine. Rata de esantionare trebuie sa fie cel putin cat rata Nyquist pentru a nu se pierde informatii. Semnalul este convertit intr-un flux binar, adica este realizata codarea sursei. Urmatorul pas este codarea canalului pentru a rezolva problemele aparute din cauza zgomotului si interferentei prezente in canalul de comunicatie, fiind posibila utilizarea a doua metode: folosirea simbolulilor redundante sau prin transmiterea de cuvinte de cod. In continuare, este realizata modulatia, necesara pentru ca sunt folosite antene mici. In final, semnalul trebuie amplificat si convertit din energie electrica in energie electromagnetica de catre antena si trimis catre destinatie. Receptorul realizeaza aceleasi operatii in sens invers si sunt stocate in memorie [1] [9]

Codarea sursei implica esantionarea, cuantizare si, final, codarea. Senzorul produce un semnal analogic , care va fi esantionat si cuantizat de catre ADC, din care va rezulta o secventa de esantioane . Vom avea o eroare de cuantizare care va fi modelata ca o variabila aleatore. Folosind simbolurile rezultate vom forma cuvinte de cod. Totalitatea cuvintelor de cod pot fi decodate in mod unic daca este respectata relatia:

unde reprezinta lungimea cuvantului de cod i. Cele mai folosite metode pentru codarea sursei sunt Pulse code modulation (PCM) si delta modulation (DM). In PCM[1]

Pentru a putea transmite date prin canal cu o probabilitate de eroare mica este necesar sa fie respectata teorema lui Shannon:

[b/s]

unde C este capacitatea canalului, B este largimea de banda a canalului (masurata in hertz) si SNR reprezinta raportul semnal-zgomot.

Din teorema lui Shannon se poate deduce ca putem avea erori daca transmisia are loc la o rata mai mare decat capacitatea canalului sau daca zgomotul este prea mare fata de semnalul util. [1]

In timpul parcurgerii canalului de comunicatie, undele sunt distorsionate, sursele acestor deformari putand fi clasificate in urmatoarele categorii:

– Atenuare, puterea semnalului fiind atenuata proportional cu distanta parcursa in timpul propagarii prin aer

– Reflexie si refractie, prima consta in schimbarea directiei de propagare a unei parti a unei unde la intalnirea unui obiect cu o dimensiune mai mare ca lungimea de unda (cladiri, suprafata pamantului, pereti), astfel incat unda sa se intoarca in mediul din care a provenit. In functie de caracteristicile celor doua obiecte o parte din unda se propaga prin mediul intalnit, fenomen numit refractie.

– Difractie, fenomen prin care unda electromagnetica isi schimba directia de propagare la intalnirea unor varfuri ascutite sau muchii.

– Scattering, fenomen care presupune schimbarea directiei undei de propagare la intalnirea mai multor obiecte care sunt mici comparabile cu lungimea de unda. [9]

In figura 1.4 sunt ilustratele fenomenele descrise mai sus.

Figura 1.4 Ilustrarea fenomenului de propagare a undelor [2]

Undele electromagnetice emise de o antena se pot propaga uniform in toate directiile, in acest caz fiind o antena omnidirectioanala, sau poti fi directionate spre o anumita directie. In ambele cazuri este de asteptat ca mai multe copii ale aceluiasi semnal sa ajunga la receptie prin difierite cai si cu diferite atenuari, fenomen numit propagare multicale. In momentul in care doua unde ajung la receptor pe diferite cai, vom avea un defajaz intre ele, care depinde de diferenta dintre drumurile parcurse, iar amplitudinea semnalului la receptie va depinde de acest defazaj. In acest caz putem avea o interferenta constructiva sau destructiva. [9]

Figura 1.5 Propagare multicale

Pentru a combate efectele propagarii multicale se utilizeaza tehnici de corectie a erorilor.

In retele de senzori wireless sunt preferate codurile bloc pentru a realiza codarea canalului pentru ca sunt usor de implementat si necesita putina memorie. Un cod bloc transforma un mesaj de intrare de k biti intr-un mesaj de n biti, unde n > k si la care putem corecta pana la t biti la care avem erori. Cele mai folosite metode sunt:

1. Coduri BCH – coduri ciclice binare corectoare de erori multiple la care cuvintele de cod se exprima polinomial.

2. Coduri Reed-Solomon – care adauga biti redundanti la mesaj. Pentru a face un cuvant de cod de n simboluri, se iau k simboluri de date si m biti, la care adaugam r simboluri de paritate redundanti. Poate realiza corectia a t = r/2 erori.

3. Coduri Cyclic Redundancy Check (CRC) – folosite in aproape toate sistemele de comuncatie. Acestea realizeaza doar detectia erorilor, dar nu le pot corecta. [9]

Modulatia este procesul prin care se modifica parametrii unui semnal numit semnal purtator de catre semnalul de baza, numit semnal modulator, din care rezulta semnalul modulat. Semnalul purtator este un semnal cosinusoidal in cazul modulatiei analogice si este de forma:

unde reprezinta amplitudinea, frecventa si faza semnalului. Informatia este transmisa prin modificarea unuia dintre acesti parametrii. De aici rezulta 3 tipuri de modulatie:

– Modulatie in amplitudine, la care avem semnalul modulat descris de relatia:

Daca consideram cele doua semnale in faza, adica , vom avea:

unde putem aplica formula lui Euler si va rezulta:

– Modulatie in faza, la care avem semnalul purtator:

in care relatia dintre si pulsatia este:

relatia 123

In continuare, modulatia de faza este:

in care , iar deviatia este proportionala cu semnalul modulator:

din care rezulta:

unde vom avea semnalul modulat in faza:

– Modulatie in frecventa, caracterizata de expresia:

in care deviatia este proportionala cu semnalul modulator:

unde vom folosi relatia 123 si , din care vom avea:

iar semnalul modulat in frecventa va fi:

Pana acum s-a considerat cazul in care semnalul modulator este analogic, dar in cazul nostru semnalul transmis este digital, la care parametrii sunt amplitudinea, perioada , faza initiala (data de) si durata . In cazul acesta vom avea:

– Amplitude shift keying (ASK), cea mai simpla forma a acesteia fiind varianta in care atunci cand este transmis un semnal avem valorea 1 si in rest 0. La receptor este comparata amplitudinea pentru a detecta ce bit a fost trimis.

– Frequency shift keying (FSK), una dintre cele mai utilizate metode folosita si care necesita pentru demodulare doua oscilatoare locale, doua module care realizeaza PSK si un comparator.

– Phase shift keying (PSK), care necesita pentru demodulare un oscilator local, un inversor si un amplificator. [9]

Figura 1.6 [9]

In anumite cazuri nu este de ajuns sa folosim un singur mesaj modulator pentru a utiliza eficient largimea de banda. QAM (Quadrature Amplitude Modulation) implica folosirea a doua semnale purtatoare, la care avem diferenta de faza de 90 grade, fiecare fiind modulate cu un semnal diferit. In cazul semnalelor digitale, fluxul de biti este impartit in doua, fiind folosite separat pentru modularea celor doua semnale purtatoare. [1] [14]

Pentru a avea o eficienta energetica crescuta, este necesar ca transceiver-ul sa stea cat mai mult timp inactiv, ceea ce implica minimizarea timpului de transmisie. Unul din factorii care influenteaza timpul de transmisie il reprezinta rata de transfer, care depinde de modulatia folosita. Alt factor important este faptul ca puterea consumata depinde mai mult de viteza de simboluri (masurata in baud) decat de rata de transfer a bitilor (bit rate, masurat in bit/s), ceea ce inseamna ca este preferabila folosirea unei modulatii ca 64-QAM. Totusi acestea sunt mai putin reziliente la zgomot si interferente, iar in cazul in care pachetele sunt de dimensiuni reduse (de ordinul zecilor sau sutelor de biti), mai important este timpul necesar pentru reactivarea transceiver-ului.[2] [13]

1.5 Sincronizarea in timp

Retelele de senzori wireless sunt sisteme distribuite la care fiecare nod are propriul ceas intern. Deoarece fiecare nod functioneaza independent de celelalte noduri din retea, valorea timpului inregistrat de un nod, la un moment dat, va fi diferita de cea a altor noduri.Timpul are un rol important datorita interactiunii realizate intre reteaua de senzori si mediul inconjurator. Putem considera cazul in care este folosita o retea de senzori pentru a detecta obiecte si pentru a stoca momentul de timp la care au trecut pe langa senzorii respectivi. Daca ceasurile nodurilor nu sunt sincronizate, nu putem stabili pe baza datelor stocate ordinea temporala a acestor evenimente. [2] [9]

Ceasurile gasite in majoritatea componentelor hardware se bazeaza pe efectul piezoelectric, care reprezinta proprietatea unui cristal (de cuart) de a genera un potential electric, atunci cand este supus stresului mecanic, dar si de a se contracta sau extinde atunci cand este aplicat un potential electric intre fetele opuse (efectul invers). Acestea au un contor care este decrementat la fiecare oscilatie, fiind resetat si generand o intrerupere atunci cand ajunge la 0. Fiecare intrerupere incrementeaza un contor ce poate fi folosit de aplicatiile software. Acest contor reprezinta timpul local al nodului din RSZ si va fi notat cu C(t), unde t este timpul real. [1]

Consideram cazul in care avem doua noduri. Acestea vor avea fiecare un timp local propriu, iar diferenta dintre ele va fi offset-ul. Este necesar sa le sincronizam astfel incat offset-ul sa fie 0. Un ceas perfect respecta relatia dC/dt = 1 in orice moment, dar in functie de temperatura, umiditate si uzura cristalului de cuart, acesta are o abatere fata de timpul real. Abaterea dintre doua ceasuri poate fi exprimata prin: dC/dt – 1. In general, producatorii specifica valoarea maxima pentru aceasta abatere, astfel incat sa respecte relatia:

unde reprezinta abaterea maxima, masurata in parti per milion (1 ppm = ), avand valori cuprinse intre 1 ppm – 100 ppm pentru ceasurile cu cuart. Din cauza acestui fenomen, este necesar ca ceasurile nodurilor sa fie sincronizate periodic. [1] [2]

Putem distinge doua tipuri de sincronizari: externa si interna. Sincronizarea externa presupune ca toate ceasurile nodurilor sunt sincronizate cu o sursa externa, cum ar fi Coordinated Universal Time (UTC). Cea interna nu necesita o sursa externa, nodurile fiind sincronizate intre ele.

In figura 1.7 se poate observa cum abatarea influenteaza valorea inregistrata de ceasul unui nod. Daca folosim ceasuri identice, oricare doua ceasuri sincronizate pot avea o variatie maxima de . Pentru a limita offset-ul la ∆ secunde, este necesar ca intervalul de resincronizare sa fie:

. [1]

Exista cazuri in care nu este necesar ca ceasurile sa fie sincronizate des, cum ar fi cel in care reteaua monitorieaza evenimente ce au loc rar. In acest caz, nodurile sunt nesincronizate in majoritatea timpului. Cand un eveniment este observat la momentul de timp , nodul isi inregistreaza timpul local si initializeaza protocolul de sincronizare, care poate implica, de exemplu, sincronizarea cu UTC. Dupa ce este realizata sincronizarea la momentul , nodul afla offset-ul ∆ pe care il are fata de UTC, tinand cont de faptul ca . Nodul poate folosi aceaste date pentru a afla cand a avut loc evenimentul observat, relativ la UTC. Dupa ce a transmis informatiile procesate, nodul poate reveni la un consum de energie redus, nemaifiind necesara sincronizarea. [1] [2] [9]

Figura 1.7 [1]

Luand in considerare caracteristicile WSN, unele dintre cele mai uzuale metode propuse pentru a realiza sincronizarea in timp nu sunt viabile:

1. Adaugarea unui modul GPS (Global Positioning System) la fiecare nod – un modul GPS necesita o antena separata, alimentare continua pentru a ramane sincronizat (iar sincronizarea initiala poate dura pana la cateva minute) si are o dimensiune mare, ceea ce nu permite realizarea unor noduri de dimensiuni reduse. In plus, este necesar ca modulul sa aiba in vizibiltiate directa cel putin 4 sateliti. Alt impediment este si pretul ridicat. [1] [2]

2. Adaugarea unui receptor pentru UTC (ex. receptor DCF77) – prezinta aceleasi dezavantaje ca in cazul folosirii modulelor GPS. [2]

3. Transmiterea unor mesaje de sincronizare de catre nodurile din extremitatea retelei – poate fi folosita in interior sau in locatii care au terenul plat, dar implica comunicarea pe o frecventa separata, prin urmare, necesita un transceiver separat pentru fiecare nod, astfel incat sincronizarea sa nu afecteze transmisia datelor preluate de noduri. [1] [2]

In general, este necesar ca sincronizarea sa fie realizata prin comunicarea intre noduri, asadar trebuie examinate intarzierile datorate transmiterii informatiei prin canalul wireless. Prin urmare, intre doua noduri avem urmatoarele patru componente care formeaza intarzierea:

– Intarzierea la trimitere – timpul necesar pentru ca transmitatorul sa creeze mesajul de sincronizare si sa-l trimita catre interfata de retea;

– Intarzierea la accesul canalului – timpul necesar pentru a accesa canalul. Este determinat de protocolul folosit la subnivelul MAC. Daca este folsit un protocol ca CSMA poate fi introdusa o intarziere semnificativa;

– Intarzierea cauzata de timpul de propagare – neglijabila daca transmisia este prin aer si daca distanta nu este foarte mare;

– Intarzierea la receptie – implica timpul necesar pentru a primi, procesa si notifica sistemul de operare. [9]

Cea mai simpla forma de sincronizare implica trimiterea mesajului , in care este stocat timpul local, de la nodul , catre nodul . Acesta din urma va calcula diferenta dintre timpul primit si cel propriu, , pentru a afla offset-ul . Putem exprima diferenta intre cele doua momente de timp ca:

unde D reprezinta timpul de propagare (necunoscut). Timpul de propagare este de obicei neglijat, avand valori foarte mici (cateva microsecunde) sau considerat o valoare constanta. Putem avea o precizie mai mare daca nodul trimite inapoi un mesaj in care introduce mesajul primit, , timpul la care a primit mesajul initial si timpul , cand nodul transmite mesajul. In plus, nodul va memora timpul la care a primit mesajul. Cu aceste valori va determina offset-ul:

[1]

In acest caz este necesar ca nodul sa primeasca valoarea offset-ului de la nodul.

Au fost dezvoltate mai multe protocoale pentru WSN bazate pe cele doua metode descrise mai sus:

1. Lightweight Tree-Based Synchronization (LTS) – este un protocol care se bazeaza pe o structura de arbore pentru a realiza sincronizarea. Exista doua abordari prin care este implementat protocolul. [1] [2]

In prima varianta este construit un arbore pornind de la un nod radacina in asa fel incat restul nodurilor se vor sincroniza cu nodul referinta. Precizia fata de nodul radacina va fi mai mica cu cat un nod este mai indepartat in structura arborelui, din acest motiv trebuie minimizata adancimea. Initial este construit arborele si nodul radacina realizeaza sincronizarea cu nodurile descendente, acestea la randul lor facand acelasi lucru cu nodurile subordonate. Algoritmul are loc in felul urmator: nodul transmite un mesaj , care contine timpul inregistrat inainte de a fi trimis, catre nodul ; mesajul ajunge la momentul , dupa care este inregistrat momentul de timp si trimis inapoi la nodul , care va primi mesajul la momentul de timp . Folosind aceste valori, offset-ul poate fi calculat in felul urmator:

unde am presupus ca timpul de propagare este acelasi in ambele directii. Procedeul este ilustrat in figura 1.8. [1] [2] [9]

Figura 1.8 Protocolul LTS centralizat [1]

A doua abordare nu implica construirea unei structuri de arbore, iar sincronizarea nu va fi fata de un nod principal, ci fata de mai multe noduri considerate ca referinta. In plus, sincronizarea nu este initata de un singur nod ci de oricare nod din retea, care isi va stabili perioada de sincronizarea in functie de precizia dorita, de distanta fata de referinta si de valorea abaterii ceasului. Deoarece precizia sincronizarii este invers proportionala cu distanta, cu cat un nod este mai indepartat de refererinta, cu atat este necesar ca sincronizarea sa fie realizata mai frecvent. [1] [2] [9]

2. Adaptive Clock Synchronization (ACS) – Initial, un transmitator difuzeaza m pachete de sincronizare. Receptoarele calculeaza abaterea relativa prin regresie liniara si transmit rezultatele trasmitatorului cu o intarziere aleasa la intamplare pentru a evita coliziunea cu celelalte noduri. In momentul in care receptorul primeste mesajele va calcula offset-ul intre ceasul propriu si cel al vecinilor. [9]

Figura 1.9 Protocolul ACS [9]

3. Protocoalele Mini-sync si Tiny-sync – sunt usor de implementat si au un consum redus de resurse hardware. Ambele se bazeaza pe o structura ierarhica a retelei de senzori, in care fiecare nod este sincronizat cu nodul parinte. Relatia dintre ceasurile a doua noduri poate fi exprimata ca:

unde reprezinta abaterea relativa si offset-ul relativ dintre nodurile 1 si 2. Pentru a determina parametrii din relatia de mai sus trebuie ca nodul 1 sa trimita un mesaj cu timpul, nodul 2 sa raspunda cu un mesaj care va fi receptionat de nodul 1 la momentul de timp , care va forma un tuplu cu aceste valori ce vor respecta relatiile:

Acest procedeu va fi repetat de mai multe ori pentru a obtine o serie de tupluri care vor creste precizia metodei. Algoritmul Tiny-sync pastreaza patru tupluri si le va compara cu cele rezultate din urmatorul tuplu disponibil pentru a decide care trebuie pastrate. Pentru a imbunatatii precizia, algoritmul Mini-sync renunta la un punct numai daca acesta nu ajuta. In cazul in care nodurile retelei de senzori au o memorie redusa, estimarea trebuie realizata cu un numar redus de tupluri si este preferat algoritmul Tiny-sync. Dezavantajul acestora este ca nu sunt potrivite pentru sincronizarea in cazul in care nodurile sunt mobile. [1] [2] [9]

2. MIMO in retele de senzori wireless

2.1 Caracteristici MIMO

Tehnologiile conventionale in comunicatile wireless implica folosirea unei antene la transmisie si a unei antene la receptie. Primele idei legate de folosirea mai multor antene la emisie si la receptie au fost avansate de catre A. R. Kaye si D.A. George (1970) si W. van Etten (1975, 1976). Arogyaswami Paulraj si Thomas Kailath au fost primii care au propus in anul 1993 folosirea multiplexarii spatiale utilizand retele de tip MIMO (Multiple Input Multiple Output), iar primul prototip de acest fel a fost creat in anul 1998 la Bell Labs. Aceste tehnologii ofera o eficienta spectrala ridicata si o crestere considerabila a fiabilitatii. [17]

In timpul comunicatiei wireless un semnal poate ajunge la receptor prin mai multe cai, acest fenomen fiind numit propagare multicale. Acesta duce la fluctuatii ale parametrilor semnalului (ampltitudine, faza), care pot afecta negativ semnalul. In cazul sistemelor de tip MIMO, aceaste variatii ale canalului radio sunt valorificate. In plus, folosirea mai multor antene permite cresterea capacitatii canalului.[18] [19]

Exista mai multe tehnici de diversitate, printre care:

– Diversitate spatiala, care implica folosirea mai mulor antene localizate in diferite pozitii pentru a avea copii necorelate ale aceluiasi semnal la receptie. Mai poate fi folosita si pentru a creste rata de transfer, in loc de a imbunatatii fiabilitatea canalului. [18]

– Diversitate in timp, in care transmitem un mesaj la momente de timp diferite. Intervalul de timp alocat unui transmitator ar trebui sa fie gandit in asa fel incat intarzierea intre copiile unui semnal sa fie mai mare ca timpul de coerenta al canalului. Acest fapt va duce la crearea de canale necorelate in intervalele de timp alocate. Timpul de coerenta este intervalul de timp in care doua semnale aflate la receptie sunt puternic corelate, relativ la amplitudine. [18]

– Diversitate in frecventa, care presupune trimitrea mai multor copii ale unui semnal la frecvente diferite, separate intrele ele de o largime de banda cel putin egala cu banda de coerenta. Banda de coerenta a unui canal este gama de frecvente in care doua componente spectrale ale semnalului sunt puternic corelate in privinta amplitudinii. [18]

– Diversitatea in polarizare, la care receptia este realizata in acelasi timp cu antene care au polarizari diferite. Astfel, modificarile de polarizare ale semnalelor nu afecteaza negativ sistemul. Aceasta tehnica duce la scaderea sensibilitatii fata de orientarea antenelor de la emisie. [18] [19]

Toate aceste tehnici pot fi folosite individual sau pot fi combinate pentru a avea performante ridicate in diferite situatii.

Pornind de la MIMO, putem clasifica sistemele in functie de numarul de antene in cazurile urmatoare (figura 2.1):

– Single Input Single Output (SISO): 1 antena Tx, 1 antena Rx.

Este cazul standard al uui canal radio. Avantajul acestuia este dat de simplitatea sistemului, dar este mai puternic afectat de fenomene de interferenta in comparatie cu un sistem MIMO. [19]

– Single Input Multiple Output (SIMO): 1 antena Tx, N antene Rx.

Folosit in mod obisnuit pentru a contracara fenomenul de fading.

– Multiple Input Single Output (MISO): N antene Tx, 1 antena Rx

Receptorul poate alege semnalul optim dintre cele trimise.

– MIMO: N antene Rx, N antene Tx.

In continuare, daca tinem cont de numarul de antene si de dispozitive, putem clasifica sistemele MIMO in:

1. Single user MIMO – la care un dispozitiv cu mai multe antene comunica cu un receptor, care are in componenta mai multe antene.

2. Multi user MIMO – la care un dispozitiv cu mai multe antene comunica simultan cu mai multe dispozitive, care la randul lor au una sau mai multe antene.

3. MIMO cooperativ (sau virtual) – la care avem mai multe dispozitive cu o singura antena, care coopereaza intre ele pentru a forma un sistem cu performante foarte apropiate cu cele ale unui sistem MIMO clasic. [17]

Figura 2.1

Intr-un sistem MIMO avem semnalul transmis exprimat ca vectorul:

unde reprezinta fluxul de date transmis de antena i si transpusa matricei. In acest caz, vom avea vectorul semnalului receptionat , exprimat ca:

unde reprezinta fluxul de date receptionat de antena j. Daca nu este luata in considerare intarzierea datorata transmisiunii, functia sistemului poate fi exprimata ca:

unde este zgomotul aditiv gaussian alb si matricea de raspuns a canalului, care poate fi exprimata ca:

unde descrie castigul canalului intre transmitatorul i si receptorul j (castigul asociat canalului de la antena de emisie i la antena de receptie j). In cazul in care avem un sistem MIMO 3×3 va fi necesar rezolvarea urmatoarelor ecuatii pentru a afla ce s-a transmis: [17] [22] [30]

Putem afla vectorul x folosind:

unde reprezinta vectorul receptionat afectat de zgomotul . Pentru a putea reconstitui fluxul de date transmis, este necesar ca matricea canalului sa fie inversabila, adica este necesar ca matricea sa nu fie singulara si sa fie bine conditionata. O matrice este bine conditionata atunci cand pentru un apropiat ca valoare de vom avea apropiat ca valoare de Pentru a putea indica daca o matrice este bine conditionata, este foloseste notiunea de numar de conditionare, care indica sensibilitatea unui sistem de ecuatii liniare fata de perturbatii, dat de relatia:

unde reprezinta norma unei matrice. O matrice rau conditionata va duce la un rezultat asemanator ca in cazul unei matrice nesingulare, ceea ce nu va permite rezolvarea sistemului de ecuatii liniare, adica nu va putea fi aflat vectorul . Prin urmare, nu vom putea realiza transmisia MIMO. [27]

Figura 2.2

Prin implementarea unor tehnici care maresc diversitatea spatiala, in care trimitem acelasi flux date prin mai multe cai, marim fiabilitatea, dar mai exista si posibilitatea implementarii unor tehnici de multiplexare spatiala, in care transmitem mai multe fluxuri de date in paralel, care au o rata de simbol mai mica fata de semnalul initial, pentru a creste rata de transfer. Pentru a putea folosi tehnici de multiplexare spatiala este necesar ca antenele sa aiba un raspuns al canalului diferit de la una la alta. In figura 2.3 putem observa ilustrarea celor doua tehnici utilizate in sistemele de tip MIMO. [18] [30]

Figura 2.3 a) Diversitate b) Multiplexare spatiala

Folosind teoria transmisiunii informatiei, putem afla limitele de performanta unui sistem de tip SISO. Acesta are o capacitate:

[b/s]

care poate fi scrisa ca:

[b/s/Hz]

unde reprezinta castigul canalului. Informatiile despre starea canalului (Channel State information) nu variaza in cazul acesta. In cazul sistemelor de tip MIMO, CSI influenteaza capacitatea canalului intr-o masura considerabila.

Consideram cazul in care este cunoscut CSI la receptie (CSIR), si vom avea doua cazuri in functie de informatiile despre starea canalului la emisie (CSIT): [17] [22] [24]

1. cu CSIT – cu capacitatea:

C =

unde reprezinta matricea identitate de dimensiuni , Q matricea de covarianta asociata intrarii (in cazul nostru, un vector aleator -dimensional), tr(Q) urma matricei (puterea totala emisa), limitata de puterea P. Pentru a avea o capacitate maxima in acest caz, este necesara alegerea unei matrice de corelatie optima.

2. fara CSIT – cu capacitatea:

In acest caz, vom putea maximiza capacitatea daca toate antenele vor transmite cu o putere egala, matricea de covarianta devenind matricea identitate. [17]

2.2 MIMO Virtual

Luand in considerare ca tehnica MIMO ofera posibilitatea de a creste capacitatea unui canal, dar si de a reduce consumul de energie necesar in comunicatiile wireless, s-au realizat numeroase cercetari in ultimii ani pentru a dezvoltate retele de senzori wireless folosind aceasta tehnica. Totusi, nodurile unei WSN trebuie sa aiba o dimensiune redusa, ceea ce nu permite plasarea mai multor antene pe un singur nod, din acest motiv pentru a forma o WSN de tip MIMO, nodurile trebuie sa coopereze la transmiterea si receptia informatiei, formand un sistem MIMO virtual. Nodurile apropiate vor fi grupate astfel incat comunicarea intr-un grup sa aiba un consum de energie redus, fata de comunicarea intre grupuri. Pentru ca avem o cooperare intre noduri, trebuie sa consideram si consumul de energie al acestui proces. Daca este considerata numai energia necesara pentru realizarea transmisiunii, s-a observat ca in multe cazuri, o distanta mai scurta este preferabila, dar, considerand consumul energetic total, adica incluzand si circuitele sistemului, distanta minima pentru a avea un consum optim nu este mica.[17] [25] [29]

In lucrarea [28] s-a analizat presupunerea des intalnita in lucrarile care analizeaza consumul de energie in WSN, si anume, ca sistemele de tip MIMO sunt mai eficiente energetic decat sistemele SISO in canale cu fading Rayleigh. Folosind ca tip de modulatie BPSK, se arata ca in aplicatiile care au transmisii pe distante scurte, sistemele SISO sunt mai eficiente, dar poate fi imbunatatita performanta sistemelor MIMO semnificativ daca se alege o dimensiune a constelatiei corespunzatoare. Este analizat si cazul in care este folosita cooperarea intre noduri si se arata ca de la o distanta suficient de mare (in cazul acesta, o distanta mai mare de 100 m), sistemul este viabil.

In lucrarea [30] s-a analizat consumul energetic total al WSN care utilizeaza coduri bloc spatio-temporale si s-a indicat ca in cazul sistemelor fara transmisie multi-hop este preferabila cresterea numarului de noduri transmitatoare fata de cele receptoare, din cauza consumul de energie redus necesar pentru cooperare. S-a mai aratat ca sistemele MISO si MIMO cooperative sunt mai eficiente decat sistemele SISO, chiar si in cazul in care se utilizeaza o transmisie SISO multi-hop, atat timp cat distanta este foarte mare. In particular, un sistem cooperativ multi-hop MIMO 2 x 2 este preferabil.

3. Realizarea practica

3.1 Descriere Componente

Proiectul a constant in realizarea unei transmisiuni de tip MIMO cooperativ pentru a obtine un consum redus de energie si in proiectarea unei interfatari hardware intre componentele utilizate.

Nodurile retelei de senzori dezvoltata sunt formate din urmatoarele componente: o placa de dezvoltare Arduino Pro Mini si un transceiver nRF24l01(+). Unul dintre noduri are, in plus, semzorul Sensirion SHT75.

Placa de dezvoltare folosita este cea mai mica placa Arduino bazata pe microcontrolerul ATmega328, fiind preferabila fata de alte modele, ca Arduino Uno, pentru a putea crea noduri cu dimensiuni cat mai mici. Pentru a reduce consumul de energie si a micsora dispozitivul, dezvoltatorii au eliminat convertorul serial-USB (care consuma constant pana la 15 mA), fiind necesar un cablu FTDI pentru a-l programa. A fost ales modelul cu cristalul care functioneaza la frecventa de 8 MHz cu o tensiune de operare de 3.3 V (celalalt functionand la 16 MHz/5V) pentru a micsora consumul de energie. Placa are un LED care nu poate fi oprit prin software, dar poate fi folosita o pompa de dezlipit pentru a elimina fludorul. Exista mai multe moduri de functionare la ATmega328, printre care, modul power-down, care salveaza registrii, opreste oscilatorul si dezactiveaza toate functiile, cu exceptia WDT (watchdog timer), pana cand are loc o intrerupere sau un reset.

Transceiverul utilizat opereaza in banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2.4 GHz si a fost dezvoltat in mod special pentru aplicatii care necesita un consum redus de energie. Modulul poate transmite date pana la o distanta de 80 m, trebuie alimentat la o tensiune de 3.3 V, comunica cu microcontroler prin interfata SPI si are o latime de banda de 1 Mhz. Consumul de curent poate fi redus pana la 900 nA in modul de functionare power down, cand dispozitivul nu poate receptiona sau transmite date. In modul de asteptare are un consum de 26 uA, 13.1 mA cand este in modul de receptionare cu 1 Mbps si 11.3 mA la emisie cu puterea de 0 dBm.

Senzorul este folosit pentru a afla temperatura si umiditatea. Are un consum redus de energie, poate masura temperatura in intervalul si are o acuratete de masurare a temperaturii de si pentru umiditate. Poate realiza o masuratoare cu o precizie de 12/14 biti pentru temperatura si 8/12 biti pentru umiditate. Acestea dureaza 20/80/320 ms in functie de precizie. Pentru a reduce timpul necesar unei masuratori, a fost redusa precizia.

3.2 Implementare

Tehnicile MIMO de tip cooperativ sunt folosite in WSN datorita faptului ca ajuta la reducerea consumului de energie la emisie, acesta fiind, in general, procesul care necesita cea mai mare cantitate de energie. Avem nevoie de astfel de tehnologii pentru ca nu putem adauga mai multe antene intr-un nod, din cauza constrangerilor de spatiu si pentru a creste rata de transmisie utilizand tehnici de multiplexare spatiala, dar si fiabilitatea transmisiei. In figura 3.1 este ilustrata transmisiunea MIMO cooperativa implementata in aceasta lucrare.

Figura 3.1 Transmisie MIMO cooperativa

In prima faza, nodul sursa S (echipat cu senzorul de umiditate si temperatura) transmite un mesaj de tip broadcast catre nodurile si . In continuare, semnalul este demultiplexat in doua fluxuri de date de rata inferioara, fiecare nod transmitand mai departe doar unul dintre cele doua fluxuri. Mai departe, si vor transmite datele catre nodurile si . In final, fluxurile vor fi multiplexate de fiecare nod in parte si vor transmite mesajul catre nodul destinatie D.

Pentru a reduce consumul de energie, este necesar ca toate nodurile, cu exceptia nodului D, care va fi conectat la un calculator pentru a prelua masuratorile luate, sa nu fie active in modul clasic de operare pe toata durata functionarii. Nodul S va prelua datele de la senzori si va trimite mesajul, urmand ca microcontroller sa fie pus in modul power-down pentru 2 secunde folosind WDT. Nodurile si asculta initial pana cand primesc un mesaj de la S, il transmit mai departe, intre ele fiind fixat un interval scurt pentru a evita coliziuniile, dupa care intra in modul power-down pentru 1.5 secunde. Nodurile si primesc pachetele si le transmit lui D, urmand sa fie dezactivate un interval de 1.5 secunde. Transceiver-ele vor fi si ele dezactivate cat timp microcontrollere stau in modul power-down.

Se poate observa in figurile 3.2 – 3.8 din subcapitolul 3.3 consumul rezultat in urma implementarii algoritmului prezentat. Folosind rezultatele obtinute putem calcula consumul fiecarui nod:

1. nodul – modul activ :

modul power-down :

2. nodul – modul activ :

modul power-down :

3. nodul – modul activ :

modul power-down :

In continuare am folosit urmatoarele relatii:

Capacitate consumata in power-down [mAs] = Consum power-down [mA] * durata power-down [s]

Capacitate consumata in modul activ [mAs] = Consum activ [mA] * durata activ [s]

Capacitate consumata total [mAs] = Capacitate consumata power-down [mAs] + Capacitate consumata in modul activ [mAs]

Capacitate consumata [mA] = Capacitate Consumata total [mAs] / 3600

Durata [zile] = Capacitate baterie [mAh] / Capacitate consumata [mA] / 24

Utilizand o baterie Li-ion de 3.7 V cu o capacitate de 1200 mAh vom avea:

Durata viata nod = 127.38 zile

Durata viata nod = 4.542 zile

Durata viata nod = 4.497 zile

Luand in calcul ca in modul power-down nodurile ar trebui sa consume aproximativ la fel, putem presupune ca masuratorile la nodurile si sunt gresite si ca au aproximativ acelasi consum de energie. Deci vom avea:

Durata viata nod = 5.689 zile

Durata viata nod = 5.785 zile

Diferenta mare comparativ cu nodul S este data de durata mult mai mare in care nodurile sunt in modul de receptionare.

Trebuie luat in considerare faptul ca s-au transmis foarte putine date, mesajul initial fiind numai un pachet. Daca s-ar testa si o transmitere de tip SISO (multi-hop) cel mai probabil am vedea ca este mai eficienta energetic, dar eficienta crescuta fata de SISO o vom observa daca vom transmite mult mai multe date, ca de exemplu, imagini cu o rezolutie mare, continut video etc. .

3.3 Rezultate masuratori

Figura 3.2 Nod S Activ

Figura 3.3 Nod S – Power down

Figura 3.4 Nod S – Puls transmisie

Figura 3.5 Nod – Activ

Figura 3.6 Nod – Power-down

Figura 3.7 Nod – Activ

Figura 3.8 Nod – Power-down

3.4 Proiectarea interfetei de interconectare hardware

Concluzii

Bibliografie

1. Waltenegus Dargie and Christian Poellabauer. 2010. Fundamentals of Wireless Sensor Networks: Theory and Practice. Wiley Publishing.

2. Karl, H., & Willig, A. (2005). Protocols and architectures for wireless sensor networks. Wiley.

3. I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci, “A Survey on Sensor Networks,” Computer Networks, 2002, pp. 393-422

4. http://people.eecs.berkeley.edu/~prabal/teaching/cs294-11-f05/slides/day21.pdf

5. G. Hoblos, M. Staroswiecki, A. Aitouche, Optimal design of fault tolerant sensor networks, IEEE International Conference on Control Applications, Anchorage, AK, September 2000, pp. 467–472.

6. N. Bulusu, D. Estrin, L. Girod, J. Heidemann, Scalable coordination for wireless sensor networks: self-configuring localization systems, International Symposium on Communication Theory and Applications (ISCTA 2001), Ambleside, UK, July 2001.

7. Yunxia Chen, Chen-Nee Chuah and Qing Zhao, "Sensor placement for maximizing lifetime per unit cost in wireless sensor networks," MILCOM 2005 – 2005 IEEE Military Communications Conference, Atlantic City, NJ, 2005, pp. 1097-1102 Vol. 2.

8. K. Romer and F. Mattern, "The design space of wireless sensor networks," in IEEE Wireless Communications, vol. 11, no. 6, pp. 54-61, Dec. 2004. doi: 10.1109/MWC.2004.1368897

9. Akyildiz, I. F., & Vuran, M. C. (2010). Wireless sensor networks. Wiley.

10. WSN technology protocols and applications

11. http://vixra.org/pdf/1208.0129v1.pdf

12. Adrian Perrig, Robert Szewczyk, J. D. Tygar, Victor Wen, and David E. Culler. 2002. SPINS: security protocols for sensor networks. Wirel. Netw. 8, 5 (September 2002), 521-534.

13. http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/quadrature-amplitude-modulation-qam/8qam-16qam-32qam-64qam-128qam-256qam.php

14. http://89.46.161.13/glosarweb/termeni/qam,%20modulatie.htm

15. V. Raghunathan, C. Schurgers, S. Park, and M. B. Srivastava. Energy-Aware Wireless Microsensor Networks. IEEE Signal Processing Magazine, 19: 40–50, 2002.

16. Bharath Sundararaman, Ugo Buy, Ajay D. Kshemkalyani, Clock synchronization for wireless sensor networks: a survey, Ad Hoc Networks, Volume 3, Issue 3, May 2005, Pages 281-323, ISSN 1570-8705, http://dx.doi.org/10.1016/j.adhoc.2005.01.002.

17. https://www.era.lib.ed.ac.uk/bitstream/handle/1842/5749/Wen2011.pdf

18. http://www.gaussianwaves.com/2014/08/introduction-to-multiple-antenna-systems/

19. http://www.radio-electronics.com/info/antennas/mimo/multiple-input-multiple-output-technology-tutorial.php

20 . http://www.gaussianwaves.com/2014/08/mimo-diversity-and-spatial-multiplexing

21. http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/45873.pdf

22. http://www.gaussianwaves.com/2014/11/capacity-of-a-mimo-system-over-fading-channels/

23. http://web.cs.ucdavis.edu/~liu/289I/Material/book-goldsmith.pdf

24. http://www.gaussianwaves.com/2014/08/characterizing-a-mimo-channel/

25. Cooperative MIMO communications in wireless sensor networks pdf

26. http://people.rennes.inria.fr/Olivier.Sentieys/publications/2007/NBS07.pdf

27. http://www.utgjiu.ro/math/mbuneci/book/mn2007/c06.pdf

28. Energy-Efficiency of MIMO and Cooperative MIMO Techniques in Sensor Networks

29. Top Five Myths about the Energy Consumption of Wireless Communication

30. http://web.stanford.edu/group/sarg/sandhu062503.pdf

31. Cooperative mimo schemes optima selection for wsn

Anexe