Сверхширокополосная беспроводная сенсорная сеть для передачи непрерывных потоков данных / Ultra-Wide-Band Wireless Sensor Network for Transmission of Streaming Data

Андреев Ю.В. / Andreyev, Yu.V.
Московский физико-технический институт (ГУ) / RUS Московский физико-технический институт (ГУ)
Кузьмин Л.В. / Kuzmin, L.V.
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН / RUS Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Попов М.Г. / Popov, M.G.
Московский физико-технический институт (ГУ) / RUS Московский физико-технический институт (ГУ)
Рыжов А.И. / Ryshov, A.I.
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН / RUS Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Выпуск в базе РИНЦ
DOI: 10.25210/jfop-1801-091102
Андреев Ю.В., Кузьмин Л.В., Попов М.Г., Рыжов А.И. Сверхширокополосная беспроводная сенсорная сеть для передачи непрерывных потоков данных // Физические основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 1(27). С. 91–102.
Andreyev, Yu.V., Kuzmin, L.V., Popov, M.G., Ryshov, A.I. Ultra-Wide-Band Wireless Sensor Network for Transmission of Streaming Data // Physical Bases of Instrumentation. 2018. Vol. 7. No. 1(27). P. 91–102.

Аннотация: Описывается беспроводная сенсорная сеть на сверхширокополосных хаотических сигналах, в которой реализованы режимы передачи непрерывных потоков данных. Сеть относится к классу беспроводных персональных сетей связи, состоящих из приемопередатчиков малого радиуса действия: дальность связи до 100 м в свободном пространстве, средний уровень излучаемой мощности на скорости передачи данных 256 кбит/с составляет до ~0.5 мВт, скорость передачи на физическом уровне 12 Мбит/c. Показано, каким образом, применяя хаотические радиоимпульсы, можно организовать обмен данными на канальном и сетевом уровнях сети. Сверхширокополосные (СШП) хаотические радиоимпульсы дают возможность, не меняя параметры физического, канального и сетевого уровней, обеспечить работу узлов сети, как в свободном пространстве, так и в условиях многолучевого распространения СШП сигналов. СШП хаотические радиоимпульсы обеспечивают «быструю» синхронизацию состояний узлов сети за время, ограниченное длительностью пакетов. За счет этого реализуется доставка потоковых данных одновременно от нескольких узлов, что в целом сенсорным сетям не свойственно. Также применение хаотических радиоимпульсов совмещает в сети два противоречивых требования: реализацию режимов энергосбережения и быстроту реакции сети на команды управления. Процессу передачи непрерывных потоков данных предшествует этап взаимного обнаружения узлов сети (самоорганизации) и этап перевода обнаруженных узлов в синхронный режим работы, обеспечивающий передачу потоковых данных, чувствительных к задержкам.
Abstract: The design and experimental setup of Ultra-Wide-Band (UWB) wireless sensor network with chaotic carrier on physical level is described. This network belongs to the class of wireless personal area networks. It consists of short range transceivers with radio links up to 100 m in free space, average emission power ~0.5 mW, physical bitrate is 12 Mbps. A method of establishing links between nodes (self-organization) is described, as well as a method of synchronizing node’s operation. As a result, the network transfers from passive unordered state to active synchronous mode, so the network is capable to transmit data which is sensitive to packet latency. Also, it is capable of delivering packets simultaneously from several nodes to coordinator node without collisions. As is shown, applicability of our approach is essentially based on the scheme of UWB chaotic signal modulation. In particular, the existence of synchronous modes is based on possibility to rapidly synchronize the states of transmitting and receiving nodes within packet duration. The synchronization stability is enough to transmit several hundred packets. Finally, the proposed approach allows us to realize asynchronous as well as synchronous packet exchange between the nodes, which is not typical for sensor networks that are usually designed for asynchronous transmission of low rate data. Due to synchronized node operation, power saving regimes can be introduced for any type of data traffic in UWB sensor network.
Ключевые слова: беспроводная сен- сорная сеть, самоорганизующаяся беспроводная сенсор- ная сеть, сверхширокополосная беспроводная сенсорная сеть, сверхширокополосная хаотическая несущая, сверх- широкополосные хаотические радиоимпульсы, Self-organizing wireless sensor network, ultrawideband wireless sensor network, ultrawideband chaotic carrier, беспроводная сен- сорная сеть

Литература / References
  1. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2003.pdf
  2. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Amendment 1: Add Alternate PHYs. http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4a-2007.pdf
  3. Дмитриев А. С., Кяргинский Б. Е., Панас А. И., Старков С. О. Прямохаотические схемы передачи информации в сверхвысокочастотном диапазоне // Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. № 2. C. 224-233. (Dmitriev, A.S., Kyarginskii, B.E., Panas, A.I., and Starkov, S.O. Plain Scheme of Chaotic-Carrier Data Communications at Microwave Frequencies // J. of Communications Technology and Electronics. 2001. Vol. 46. No. 2. P. 207-214).
  4. Andreyev, Yu.V., Dmitriev, A.S., Efremova, E.V., Khilinsky, A.D., and Kuzmin, L. V. Qualitative Theory of Dynamical Systems, Chaos and Contemporary Communications // Int. J. Bifurcation and Chaos. 2005. Vol. 15. No. 11. P. 3639-3651.
  5. Дмитриев А. С., Ефремова Е. В., Кузьмин Л. В., Атанов Н. В. Генерация потока хаотических импульсов в динамической системе с внешним (периодическим) воздействием // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51. № 5. С. 593-604. (Dmitriev, A.S., Efremova, E.V., Kuz’Min, L.V., and Atanov, N.V. A Train of Chaotic Pulses Generated by a Dynamic System Driven by an External (Periodic) Force» // J. of Communications Technology and Electronics, 2006, Vol. 51. № 5, P. 57-567).
  6. Ефремова Е. В., Лазарев В. А. Анализ энергопотребления приемопередатчиков для сверхширокополосных беспроводных сенсорных сетей // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 3. C. 43-54.
  7. Дмитриев А. С., Захарченко К. В., Пузиков Д. Ю. Введение в теорию прямохаотической передачи информации // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 3. С. 328-338.
  8. Кузьмин Л. В. Помехоустойчивость беспроводной схемы связи на сверхширокополосных хаотических радиоимпульсах в многолучевых каналах // Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56. № 4. С. 399-416. (Kuz’Min, L.V. Noise Immunity of the Wireless Communications Scheme Based on Ultrawideband Chaotic Radio Pulses in Multipath Channels // J. of Communications Technology and Electronics. 2011. Vol. 56. No. 4. P. 367-383).
  9. Дмитриев А. С., Уразалиева Д. М. Адаптивность. Самоорганизация и сложность в сверхширокополосных беспроводных сенсорных сетях // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 3. С. 7-18.