Данилин, Станислав Валерьевич. Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

Краткое описание

Данилин, Станислав Валерьевич. Метод повышения помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.01 / Данилин Станислав Валерьевич; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т телекоммуникаций им. М.А. Бонч-Бруевича].- Санкт-Петербург, 2013.- 248 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/741

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича»

На укописи

Данилин Станислав Валерьевич

04201451973
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ В СЕТИ ZIGBEE 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 се¬тей 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 се¬тей 17
1.2. Анализ проблем функционирования беспроводных самоорганизующихся се¬тей в условиях слабых помех 20
1.3. Анализ проблем сосуществования различных типов беспроводных самоорга-низующихся 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 раз¬мещения 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 электро¬магнитного 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 само-организующейся сети для условий преднамеренных электромагнитных воздейст¬вий 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 самоорганизую¬щаяся сеть + преднамеренные электромагнитные воздействия» для неоптимизи- рованной топологии 75
4.2. Зависимость различных целевых функций беспроводной самоорганизующей¬ся сети от параметров источника преднамеренных электромагнитных воздейст¬вий 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 само-организующейся 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 стре¬мительное развитие информационного общества. Неотъемлемой и насущно необ¬ходимой 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 сис¬темы, 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, А.В. Про¬копьев, М.Н. Терентьев и зарубежные D. Culler, D. Estrin, М. Srivastava, М. Editors.
Большой интерес к изучению таких сетей обусловлен широкими возможно¬стями их применения: мониторинг окружающей среды, сейсмический и структур¬ный мониторинг, автоматизация, пожарная безопасность, военная техника, авто¬мобилестроение, медицина и т.д. Использование в этих отраслях традиционных проводных соединений не всегда эффективно из-за высокой стоимости монтаж¬ных и пуско-наладочных работ, а также технического обслуживания. Кроме того, в некоторых ситуациях вообще невозможна прокладка кабелей по технологиче¬ским или организационным причинам, поэтому все большее применение находят БСС.
Элементы БСС взаимодействуют друг с другом и зависят друг от друга та¬ким образом, что отказы в отдельных точках сети могут снизить информацион¬ную значимость передаваемых данных, при этом работоспособность системы со¬храняется.
В реальных ситуациях существуют разнообразные естественные и техно¬генные помехи, воздействие которых приводят к отказам в отдельных точках БСС и к искажению передаваемой информации.
Особо стоит выделить такой вид техногенных воздействий, как преднаме¬ренные электромагнитные воздействия (ПД ЭМВ).
На практике ПД ЭМВ наводятся, как правило, дистанционно с использова¬нием 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 информатиза¬ции от ПД ЭМВ.
Исследованиями ПД ЭМВ занимаются российские ученые Ю.В. Парфенов, J1.H. Кечиев, JI.JI. 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 мето¬дами. Метод скачкообразной перестройки частот каналов, метод избыточного по-мехоустойчивого кодирования, метод экранирования отдельных элементов БСС. Анализ существующих методов показал, что они не решают в полной мере про¬блему 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 элемен¬тов сети с целью снижения уровня воздействия помех.
Объектом исследований диссертации являются сети ZigBee, которые предназначены для сбора и передачи информации и выгодно отличаются от дру¬гих типов сетей способностью к самоорганизации, гибкостью и универсальностью программного обеспечения, достаточно большим количеством потенциальных элементов - конечных устройств (КУ), доступностью частотных диапазонов, ав¬тономностью энергообеспечения.
Цели и задачи исследования. Целью исследования является повышение помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренного электромагнит¬ного воздействия.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- анализ зависимостей устойчивости сети ZigBee от ее параметров и от па-раметров 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 эле¬ментов 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 матема¬тики, а также методы имитационного моделирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработан новый метод целенаправленного динамического пространст¬венного 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 по-средством 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 дис¬сертации, получены автором лично.
Практическая ценность. Результаты работы могут быть применены при:
- при разработке стандартов и других нормативных документов, касаю¬щихся 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 ис-следования использованы:
- в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университе¬та телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича;
- в научно-исследовательских работах, направленных на повышение эф-фективности передачи данных в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий, выполняемых в ФГУП «ГосНИИПП»;
- в научно-исследовательских работах Военной академии связи им. Мар¬шала Советского Союза С.М. Буденого.
Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими ак¬тами внедрения.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV-м Международной научном конгрес¬се «Нейробиотелеком-2010» (Санкт-Петербург, 2010); П-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.

Список литературы

1.2. Выводы
В четвёртой главе разработана методика и проведен на ее основе анализ ре-зультатов 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 полученных формул при тех или иных упрощающих предположениях. За¬тем используя разработанный алгоритм минимизировать потери в сети и опреде¬лить показатели повышения помехоустойчивости сети при изменении исходных данных сети ZigBee и ПД ЭМВ.
По-разному сказывается на средних потерях применение метода: наиболь¬шая 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 эксперимен¬тальных значений параметров не удалось снизить потери для пакета длиной 10б бит. Подобные пакеты встречаются крайне редко, а для обычных значений экспо¬ненциального участка эффективность достигает 15 раз.
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 уст¬ройстве уже снижает целевую функцию на порядки.
Наименее эффективен алгоритм для антенн ПД ЭМВ мощностью >3.5 мВт и в случае совпадение центральных частот спектра ZigBee и спектра излучателя ПД ЭМВ. В этом случае максимальное снижение потерь составляет 11.4%. Для ан¬тенн мощности ~1 мВт и разности частот спектра и ZigBee >10 МГц алгоритм по¬зволяет 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 раз¬мещения 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 це¬левую 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 минимизи¬ровать как средние, так и максимальные потери.
4. Разработано программное обеспечение, осуществляющее минимизацию потерь в сети ZigBee в режиме реального времени.
5. Намечены пути дальнейших исследований по проблеме обеспечения функционирования беспроводных самоорганизующихся сетей в условиях ПД ЭМВ:
- разработка алгоритма предсказания электромагнитного поля на основе только данных о потерях с конечных устройств;
- создание системы подсчёта потерь с каждого конечного устройства на основе нейронных сетей.
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом БСС - беспроводная самоорганизующаяся сеть ИТ - информационные технологии КПД - коэффициент полезного действия КУ - конечное устройство
ПД ЭМВ - преднамеренные электромагнитные воздействия
ПО - программное обеспечение
РЭС - радиоэлектронное средство
СКО - среднеквадратическое отклонение
ЭВМ - электронная вычислительная машина
ЭМС - электромагнитная совместимость
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Culler, D. Overview of Sensor Networks / D. Culler, D. Estrin, M. Srivastava // Uni¬versity of California, Berkeley, University of California, Los Angeles. — 2004.
2. IEEE Standards 802.15.4. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR- WPANs) // IEEE Computer Society. — 2006.
3. Bharathidasan, Archana. Sensor Networks: An Overview / Archana Bharathidasan, Vijay Anand Sai Ponduru. — 2003.
4. IEEE Standards 802.15.4. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR- WPANs) // IEEE Computer Society. — 2006.
5. IEEE 802.15.4 WPAN-LR Task Group. IEEE 802.15 WPAN™ Task Group 4 (TG4). —2010.
6. Yue, W. Performance Analysis of CSMA/CA DFT Wireless LAN Systems with Pulse Signal Transmission for Multi-traffic / W. Yue, Y. Matsumoto // 35th Hawaii International Conference on System Sciences.
7. Lewis, F. L. Wireless Sensor Networks / F. L. Lewis // Smart Environments: Tech¬nologies, Protocols, and Applications. —New York. — 2004.
8. Raychaudhuri, D. Editors. New Architectures and Distruptive Technologies for the Future Internet: The Wireless? Mobile and Sensor Network Perspective /
D. Raychaudhuri, M. Gerla // Report of NSF Wireless Mobile Planning Group (WMPG) Workshop. — 2005.
9. Агафонов, H. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi / H. Агафонов // Беспроводные технологии. — 2006. — № 1.
10. Терентьев, М. H. Беспроводные сенсорные сети: учебное пособие / М. Н. Терентьев. — М. : Издательство МАИ, 2007.