В век коммуникационных устройств, социальных сетей и прочих сервисов сообщение на расстоянии и мгновенный обмен информацией кажутся чем-то само собой разумеющимися. Однако возможность оставаться на связи именно в те моменты, когда коммуникационная инфраструктура оказывается нарушенной, приобретает особое значение. Например, на Гаити после недавнего катастрофического землетрясения главным средством связи оказались спутниковые телефоны, предоставленные службами помощи. Но парализовать инфраструктуру сотовой связи могут не только масштабные природные катаклизмы — даже банальное отключение электропитания способны превратить наши мобильные устройства в бесполезные игрушки.
В подобных случаях все более привлекательным вариантом становится создание беспроводной самоорганизующейся (или динамической, или ad hoc) сети. Такая структура формирует сама себя всякий раз, когда специально запрограммированные мобильные телефоны или иные устройства связи оказываются в пределах прямого доступа. Каждое из них выполняет в динамической сети функции и передатчика, и приемника, а также, что очень важно, служит ретрансляционным пунктом для всех ближайших приспособлений. Устройства, расстояние между которыми превышает дальность прямой связи, могут поддерживать связь между собой, если им готовы помочь другие приспособления, находящиеся между ними, передавая сообщения по цепочке, как ведра при пожаре. Иными словами, каждый узел в сети служит и коммуникатором для собственных сообщений, и элементом инфраструктуры для сообщений других узлов.
Помощь при бедствиях — лишь одна из возможных функций самоорганизующихся сетей. Они будут полезны везде, где создание стационарной базы будет слишком долгим, трудным или дорогим. Военные вложили большие деньги в разработку самоорганизующихся систем для применения на поле боя. Динамические сети в вашем доме позволят бытовым приборам находить друг друга и устанавливать связи между собой, избавив от необходимости протягивать провода в спальню или кабинет. Удаленные поселения и малообеспеченные соседи могли бы через беспроводные ad hoc сети получить широкополосный доступ в Интернет. Ученые, исследующие экологические микросреды на верхушках деревьев или гидротермальные источники на дне океана, смогли бы размещать датчики в исследуемых точках, не заботясь о том, будут ли они «слышать» друг друга, или о том, как информация попадет в их компьютер.
Разработка таких сетей ведется уже больше трех десятилетий, но лишь в последние годы успехи теории сетей привели к созданию первых рабочих крупномасштабных систем. В Сан-Франциско новая компания Meraki Network подключила 400 тыс. жителей города к Интернету через свою систему Free the Net, созданную на основе технологии беспроводных самоорганизующихся сетей. Компоненты Bluetooth в сотовых телефонах, компьютерные игровые системы и ноутбуки обеспечивают связь между собой без проводных соединений или специального конфигурирования при помощи технологий динамических сетей. Самоорганизующиеся сети развернуты в ряде удаленных или неблагоприятных мест для сбора информации от маломощных беспроводных датчиков. Для того чтобы подобные сети получили широкое распространение, требуется еще ряд технических прорывов, но на нескольких направлениях успехи уже достигнуты.
Сотовая сеть
Беспроводные самоорганизующиеся сети пока еще редко встречаются. Чтобы понять причину их медленного внедрения, полезно рассмотреть различия между такими новыми технологиями, как сотовые телефоны и Wi-Fi. Когда вы звоните другу по мобильнику, в беспроводной связи задействован только каждый из соединяемых телефонов и ближайшая к нему вышка сотовой связи (базовая станция). Вышки неподвижны и связаны между собой обширной сетью проводов и кабелей. В беспроводных локальных сетях, в частности Wi-Fi, также используются неподвижные антенны и проводные соединения.
Такой подход имеет как достоинства, так и недостатки. Для передачи информации необходима энергия, и в классических беспроводных сетях она запасается в аккумуляторах мобильных устройств (например, телефонов и ноутбуков), а максимально возможная часть коммуникационной нагрузки возлагается на стационарную инфраструктуру, питаемую от электросети. Ширина беспроводной полосы — также фиксированный и ограниченный ресурс. В традиционных беспроводных сетях ширина полосы экономится за счет передачи большей части информации по проводным каналам. Использование стационарной инфраструктуры позволяет создавать большие и наиболее надежные телефонные и WiFi-коммуникационные ресурсы в областях, где потребность в них наиболее велика.
Однако использование фиксированной инфраструктуры делает эти сети уязвимыми: их работа нарушается в случае отключения электропитания и других сбоев даже при исправности отдельных телефонов и других мобильных устройств в зоне действия сети. Надежность динамических сетей намного выше. Если один мобильный прибор отключается, остальные видоизменяют сеть таким образом, чтобы в возможно большей степени компенсировать выбывший элемент. С подключением и отключением устройств сеть подстраивается и «вылечивается» сама.
Но такая перенастройка не дается даром. Сеть должна передавать информацию таким образом, чтобы сообщение могло быть реконструировано даже в том случае, если в ходе передачи послания какие-то звенья цепи связи между отправителем и адресатом прекратят работу. Система должна определять оптимальный путь доставки сообщения адресату даже при условии, что отправляющее устройство не имеет возможности определить местонахождение адресата. Кроме того, сеть должна справляться с неизбежными шумами от множества устройств, одновременно передающих сообщения.
29.06.2013
В последние годы постоянно нарастающий теоретический интерес к самоорганизующимся сетям постепенно перешел в практическую плоскость. Сегодня многие операторы связи и регуляторы рассматривают сети относительно нового класса VANET (Vehicular Ad Hoc Network) как целевые сети для коммуникации на транспортных средствах, HANET (Home Ad hoc Network) – целевая домашняя сеть и т.д. По всей стране имеется множество опытных зон, а также примеры успешного внедрения.
Эффективность новых сетей
Как и ожидали специалисты, основной эффект при начале внедрения самоорганизующихся сетей произвели новые услуги, доселе неизвестные в инфраструктурных сетях. Поэтому одним из важных вопросов сегодня является определение места самоорганизующихся сетей в общей структуре сетей связи и доли предоставляемых ими услуг. Рассматриваются возможности создания муниципальных самоорганизующихся сетей, что со временем приведет к смещению проводных технологий к ядру сети. При этом самоорганизующиеся сети предоставляют пользователям существенно расширенный спектр услуг. На основе существующих представлений о распределении трафика в сетях связи высказывается предположение, что к 2020 году доля услуг самоорганизующихся сетей в общем объеме услуг может составить в зависимости от емкости сети до 90 %.
Самоорганизующаяся сеть в квартире
Изначально самоорганизующиеся сети рассматриваются как сети доступа. Однако, наиболее интересным в этом плане является вопрос о том, какие территории сети доступа (самоорганизующиеся) будут охватывать – квартиру, дом, микрорайон, поселок, город и т.д. Некоторые девелоперы предлагают еще на этапе строительства оборудовать необходимой инфраструктурой жилые дома. В результате, новоселы, въезжая в свои новые квартиры, имели бы возможность практически сразу воспользоваться новыми услугами связи. Уже сегодня известно о внедрении этих и аналогичных новых инфокоммуникационных технологий при строительстве ряда жилых комплексов и целых микрорайонов в Москве и Санкт-Петербурге, Новосибирске и Самаре. Эксперты отмечают в \той связи современный жилой эко-комплекс комфорт-класса в Московском районе Санкт-Петербурга, строительство которого ведется на пересечении Дунайского проспекта и Пулковского шоссе, Здесь же стоит упомянуть московский город-парк, ряд современных хилых районов Воронежа и Сочи.
Новая концепция домашней связи
Стоит отметить, что говоря о самоорганизующейся сети связи на уровне целого микрорайона, мы имеем в виду, естественно, беспроводные коммуникации. Возможность голосового общения, видеоконференц связи. высокоскоростного доступа в интернет и другие услуги в такой сети предоставляются жителям микрорайона в едином комплексе и одним оператором. Это соответствует существующему взгляду на постепенное смещение проводных технологий к ядру сети. Таким образом, в микрорайоне организуется некое беспроводное пространство, достаточно автономное для решения многих проблем его жителей.
Самоорганизующаяся сеть – сеть, не имеющая определенной структуры, меняющаяся и распределяющая функции между узлами при подключении нового устройства, изменении характера трафика и т.д.
2. История создания и развитияИстория современных самоорганизующихся сетей начинается с 1970-х годов с момента создания PRNET (Packet Radio Networks), финансированные министерством обороны США. Цель создания самоорганизующихся сетей заключалась в возможности работать в сети, получать доступ к сети Интернет в любом месте, даже в движении, не полагаясь на инфраструктуру фиксированной сети.
С развитием всепроникающих сетей возникла необходимость в использовании нового типа сетей, без устойчивой структуры и способной адаптироваться к меняющимся характеристикам каналов связи. Такие стали называть самоорганизующимися. Первые коммерческие самоорганизующиеся мобильные сети были развернуты в США и Японии в 2009-2010 годах.
Самоорганизующиеся сети в зависимости от скорости самоорганизации, доли участия в ней людей делят на целевые (ad hoc) и ячеистые (mesh) сети. В переводе с латыни «ad hoc» буквально означает «для этого, специально для этого случая». Основное отличие между ad hoc и mesh сетями состоит в том, что, как правило, ad hoc относят к терминальным сетям, a Mesh - к транзитным, хотя это деление весьма условно, но принято в настоящее время.
3. Технические характеристикиСамоорганизующаяся сеть обладает следующими характеристиками:
Самоконфигурация – распознавание и регистрирование в сети новых подключенных устройств. При этом соседние автоматически корректируют свои технические параметры (например, мощность излучения, наклон антенны и т.д.).
Самооптимизация – адаптация параметров устройств при изменении параметров сети: количества пользователей, уровня сигнала, уровня внешних помех и др.
Самовосстановление – автоматическое обнаружение и устранение сбоев: перераспределение функций между устройствами при выходе из строя каких-либо узлов сети для повышения отказоустойчивости сети.
Алгоритмы маршрутизации самоорганизующихся сетей:
Проактивная маршрутизация – наличие постоянно обновляемых полных списков адресов назначения и маршрутов до них.
Реактивная маршрутизация – построенные маршрута по необходимости, т.е. при наличии трафика предназначенного определенному адресату, с помощью опросов соседних узлов и алгоритмов обнаружения соседей.
Гибридная маршрутизация – сочетание элементов проактивной и реактивной маршрутизации. Т.е. хранение таблицы некоторых адресатов, и последующий их опрос по требованию по мере необходимости построения иных маршрутов.
Для организации самоорганизующейся сети чаще всего используют протоколы Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, для маршрутизации – AODV, SAODV, ZRP, OLSR, LAR.
4. Кейсы примененияБыстрое развертывание сенсорных сетей в чрезвычайных ситуациях: например, для поиска пострадавших, анализа масштаба бедствия и т.д. В локальных сетях (сеть HANET), например, при создании системы автоматизации зданий, домов, систем локального позиционирования (RTLS).
В транспортной сфере для системы умного транспорта и умного трафика – сети VANET. В местах массового скопления людей для разгрузки базовых станций и обеспечения связи мобильных устройств напрямую без участия базовых станций (MANET).
5. Полезные ссылкиИсточники:
Беспроводные самоорганизующиеся сети (другие названия: беспроводные ad hoc сети , беспроводные динамические сети ) - децентрализованные беспроводные сети , не имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются на лету, образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети. Это является отличием от проводных сетей и управляемых беспроводных сетей, в которых задачу управления потоками данных выполняют маршрутизаторы (в проводных сетях) или точки доступа (в управляемых беспроводных сетях).
Первыми беспроводными самоорганизующимися сетями были сети «packet radio » начиная с 1970-ых годов, финансируемые DARPA после проекта ALOHAnet.
Применение
Минимальное конфигурирование и быстрое развёртывание позволяет применять самоорганизующиеся сети в чрезвычайных ситуациях таких как природные катастрофы и военные конфликты.
В зависимости от применения беспроводные самоорганизующиеся сети могут быть разделены на:
- мобильные самоорганизующиеся сети
- беспроводные ячеистые сети
Безопасность в беспроводных самоорганизующихся сетях
Из-за динамически меняющейся топологии сети и отсутствия централизованного управления, данный вид сетей уязвим для ряда атак. Поэтому аспект безопасности является очень важным в таких сетях.
Технологии, используемые при построении беспроводных самоорганизующихся сетей
- Bluetooth (IEEE 802.15)
- WiFi (IEEE 802.11)
- ZigBee (IEEE 802.15.4)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Беспроводные самоорганизующиеся сети" в других словарях:
Эту страницу предлагается переименовать в Беспроводная самоорганизующаяся сеть. Пояснение причин и обсуждение на странице Википедия:К переименованию/1 декабря 2012. Возможно, её текущее название не соответствует нормам современного… … Википедия
Для улучшения этой статьи желательно?: Проставить интервики в рамках проекта Интервики. Безопасность в беспроводных самоорга … Википедия
JTRS перспективная военная радиосистема связи американской армии. Программа JTRS (Joint Tactical Radio System) появилась в середине 90х. Изначально система была предназначена для замены 25 30 разных типов военных радиосистем (многие из которых не … Википедия
- (англ. Mobile Ad hoc Network) беспроводные децентрализованные самоорганизующиеся сети, состоящие из мобильных устройств. Каждое такое устройство может независимо передвигаться в любых направлениях, и, как следствие, часто разрывать и… … Википедия
Беспроводные самоорганизующиеся сети (MANET- Mobile Ad-Hoc Networks) представляют архитектуру построения мобильных радиосетей, которая предполагает отсутствие фиксированной сетевой инфраструктуры (базовых станций) и централизованного управления. Особую привлекательность эти сети приобрели с появлением беспроводных стандартов и сетевых технологий (Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). На основе уже существующих стандартов 802.11 и 802.16 можно строить беспроводные самоорганизующиеся сети городского масштаба, отличительной чертой которых можно назвать большую зону покрытия (несколько квадратных километров).
Беспроводная самоорганизующаяся сеть (БСС) характеризуется динамическими изменениями топологии, ограниченной пропускной способностью, ограниченной мощностью батарей (аккумуляторов) в узлах, неоднородностью ресурсов узлов, ограниченной безопасностью и др Однако в последнее время БСС-сети стали использовать в интеллектуальных транспортных системах и для дома (HANET - Home AdHoc Network), для сетей небольших офисов, для совместных вычислений компьютеров, расположенных на небольшой территории. Самоорганизующиеся сети (Ad-Hoc сети) могут быть классифицированы согласно их применению: - мобильные беспроводные самоорганизующиеся сети (Mobile Ad-hoc Networks, MANET); - Беспроводные mesh-сети (Wireless Mesh Networks, WMN);
Мобильная беспроводная самоорганизующаяся сеть (MANET), которую иногда называют мобильной mesh-сетью, является самонастраивающейся сетью, которая состоит из мобильных устройств. Все узлы используют для связи беспроводные соединения (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Пример архитектуры БСС-сети
Все устройства в БСС-сети постоянно перемещаются, а следовательно, в сети постоянно меняются связи. Каждый узел должен выполнять функции маршрутизатора и принимать участие в ретрансляции пакетов данных. Главная задача в создании такой сети - сделать так, чтобы все устройства могли постоянно поддерживать актуальную информацию для правильной маршрутизации трафика. БСС-сеть также можно разделить на несколько классов:
Vehicular Ad Hoc Network (VANET) - Ad-Hoc-сеть, которая используется для связи транспортных средств друг с другом, а также для их соединения с придорожным оборудованием;
Intelligent vehicular Ad-Hoc network (InVANET) - своего рода искусственный интеллект, который помогает управлять автомобилем в разных непредвиденных ситуациях;
Internet Based Mobile Ad hoc Network (iMANET) - БСС-сеть, которая соединяет мобильные узлы с фиксированными Internet-шлюзами.
Беспроводные mesh-сети - это особый вид Ad-Hoc-сетей, который имеет более спланированную конфигурацию. Mesh-сети состоят из клиентов, маршрутизаторов и шлюзов (рис. 1.9). Основное отличие состоит в том, что беспроводные узлы не перемещаются в пространстве во время работы. Основное отличие между MANET и Mesh-сетями состоит в том, что, как правило, MANET - относится к терминальной сети, т.е. к сети без транзитных функций, а Mesh-сети - к транзитной сети, хотя деление это весьма условно, но принято в настоящее время. В соответствии с более сложными функциями Mesh-сети при ее построении тоже различают родительские и дочерние сети Internet.
Рис. 1.9. Пример беспроводной mesh-сети
На данный момент наблюдается огромный научный и прикладной интерес к созданию самоорганизующихся самовосстанавливающихся сетей .
Как было упомянуто выше, одним из наиболее актуальных кандидатов для реализации когнитивных беспроводной сетей считают: беспроводные самоорганизующиеся сети.
Рамминг (Ramming) в утверждает, что для БСС-сети требуется новый тип технологии организации сети, называемый когнитивной технологией. Он в подбор утверждает, что такая сеть должна понимать задачи приложения, а приложение способно понять возможности сети в любой момент времени. Это позволило бы сети, посредством изучения основных требований приложения, использовать новые возможности и динамически выбирать удовлетворяющие этим требованиям протоколы сети.
Как основное положение когнитивной теории, когнитивный цикл применяется в сетях для распознавания образов. Степень возможности распознавания образов узлом зависит от его логического положения и уровня расположения в сети. Исходя из этого, подобно БСС-сети, когнитивная сеть может рассматриваться в качестве динамической интегрирующейся сети. Поэтому возможно применять когнитивную технологию в БСС-сетях, что, следовательно, приводит к развитию БСС-сетей.
Когнитивная беспроводная самоорганизующаяся сеть - естественная конечная точка развития современной БСС-сети. Однако когнитивные сети реагируют намного быстрее, чем самоорганизующиеся сети, поскольку они должны быть способны изучать и планировать и, следовательно, существует большая потребность в самоанализе. Можно было бы утверждать, что полностью функционирующая когнитивная сеть является естественным развитием БСС-сети.
Рассмотрим простейший пример управления маршрутизацией в когнитивной беспроводной самоорганизующейся сети. В качестве примера необходимости адаптации всей системы рассматривается сеанс передачи данных в самоорганизующейся сети между исходящим узлом S1 и узлом назначения D1, как показано на рис. 1.10. Исходящий узел S1 не имеет достаточной мощности для прямой передачи данных в D1. Поэтому он должен передать данные в узел назначения только через промежуточные узлы, такие как R1 и R2.
Рис. 1.10. Управление маршрутизацией в когнитивной Ad-Нос сети
Предполагается, что цепь из источника до назначения имеет высокую вероятность успешной передачи. Уровень маршрутизации будет определять маршруты на основе минимального количества промежуточных узлов, которые в данном случае включают в себя либо R1, либо R2. Узел S1 выполняет адаптацию канального уровня для выбора R1 или R2 на основе отношения сигнала к шуму и наименьшей вероятности нарушения связи. С точки зрения канального уровня в узле S1 это обеспечивает самую высокую вероятность того, что переданные пакеты прибудут к ретрансляционным узлам корректно. Однако без дополнительной информации этот выбор не гарантирует вероятность доставки передаваемых данных от S1 до D1 .
В отличие от адаптации отдельных элементов сети, для расчета полной вероятности нарушения связи на пути от узла S1 до D1 через узлы R1 и R2 когнитивная сеть использует информацию от всех узлов. Это показывает преимущество более глобального подхода, но у когнитивной сети есть и другое преимущество: ее способность к обучению. Предположим, что механизм познания измеряет пропускную способность от источника до пункта назначения, чтобы оценить эффективность предыдущих решений, а узлы S1 и S2 направляют свой трафик в обоих направлениях через узел R2, поскольку это удовлетворяет требованию минимальной вероятности нарушения связи. Теперь предполагается, что R2 переполняется из-за большого объема трафика, поступающего из S2. Это становится очевидным в процессе изучения пропускной способности на основании сообщений узлов S1 и S2. Механизм изучения признает, что предшествующее решение больше не оптимально, и познавательный процесс направляется на выработку другого решения. Когнитивная сеть явно не знает, что есть переполнение в узле R2, потому что мы не включали эту информацию в качестве наблюдения. Тем не менее, сеть в состоянии сделать вывод, что могут возникнуть проблемы из-за снижения пропускной способности, а затем реагировать на переполнение, возможно, перенаправлением трафика через узлы R1 и (или) R3. Этот пример иллюстрирует потенциал когнитивных сетей в оптимизации непрерывной работы и способность реагировать на непредвиденные обстоятельства. Протокол маршрутизации когнитивной сети основан не на чисто алгоритмическом подходе и способен выбрать эффективный операционный режим даже в непредвиденных ситуациях.
Библиографический список
1- Wyglinski A.M., Nekovee M., Hou Y.T. (Editors). Cognitive radio communications and networks: principles and practice, Academic Press | 2009, 736 pages.
2- Комашинский В. И. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации./ В.И. Комашинский, А.В. Максимов // СПБ.: Изд-во Лема, 2006. - 238с.
3- Cordeiro C. IEEE 802.22: the first worldwide wireless standard based on cognitive radio / С Cordeiro, K. Challapali, D. Birru, Sai Shankar // First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN 2005), Nov. 2005. P.328-337.
4- Баранов В.П. Синтез микропрограммных автоматов. М.: Нолидж, 1997.-376 с.
5- Кучерявый А. Е. Самоорганизующиеся сети и новые услуги / А.Е. Кучерявый // Электросвязь, № 1 2009. С. 19-23.
6- Ramming С. Cognitive networks. Proceedings of DARPA Tech Symposium, March 2004. pp.9-11 .
