Технология SmartMesh

HilTckg6UycВстраиваемые беспроводные сенсорные сети SmartMesh® обеспечивают надежность передачи данных >99,999% и могут работать более 10 лет без замены батареи, что делает практичным развертывание таких беспроводных сенсорных сетей в самых сложных условиях, к таким условиям относятся:

  • Жесткая среда для ВЧ-сигналов, в которой присутствует много металла и бетона. Такие среды присутствуют на промышленных предприятиях, в центрах обработки данных, системах мониторинга коммерческих зданий, мостах, туннелях.
  • Крупные по площади сети, такие как сети для парковок, интеллектуальные сети уличного освещения, охватывающие несколько городских кварталов, коммерческие системы орошения.
  • Сети с плотным размещением, где тысячи узлов работают в близком радиусе действия радиосвязи друг от друга, к таким примерам относятся центры обработки данных, солнечные фермы коммунального масштаба.
  • Сети на движущихся транспортных средствах, включая железнодорожные вагоны, грузовые контейнеры, полуприцепы или самолеты.
  • Сети, вытянутые на большую длину, например, в трубопроводах, шахтах, туннелях, на мостах, заборах и в системах интеллектуального уличного освещения.
  • Системы дистанционного мониторинга, где все узлы должны питаться от батареи или источника возобновляемой энергии. Такие сети применяются на нефтяных месторождениях, в сельском хозяйстве или для мониторинга окружающей среды.

 

Сеть SmartMesh представляет собой масштабируемую самоорганизующуюся сеть, состоящую из узлов, называемых «mote», которые собирают и ретранслируют данные, и администратора сети, который отслеживает состояние и управляет работой и безопасностью сети и обменивается данными с хост-приложением.

Узлы и администраторы SmartMesh – это комплексные решения для беспроводных сенсорных сетей. SmartMesh объединяет в себе синхронизированный по времени уровень передачи данных с переключением каналов и аппаратное обеспечение, основанное на системе-на-кристалле Eterna® компании Analog Devices, для создания полноценного беспроводного сетевого решения, которое имеет следующие особенности:

  • Надежность передачи данных >99,999% в самых суровых для высокочастотных сигналов средах
  • >10 лет автономной работы, возможность размещения датчиков в любом месте с наименьшими затратами
  • Шифрование, аутентификация и проверка целостности сообщений, защищенная сеть
  • Полноценное решение, разработка сетевого стека не требуется
LTC5800 Eterna

Система-на-кристалле стандарта IEEE 802.15.4E со сверхнизким энергопотреблением

В основе узлов и администраторов сети SmartMesh лежит система-на-кристалле (SoC) Eterna IEEE 802.15.4e, имеющая характеризующуюся сверхнизким энергопотреблением высокоинтегрированную радиосхему 2,4 ГГц, а также 32-разрядный микропроцессор ARM Cortex-M3, на котором работает сетевое программное обеспечение SmartMesh.

Сеть SmartMesh

Синхронизированная по времени связь с переключением каналов

Сети SmartMesh обмениваются данными, используя канальный уровень с синхронизацией по времени и переключением каналов (TSCH), этот метод был впервые предложен командой SmartMesh компании Analog Devices и является основополагающим блоком стандартов беспроводных ячеистых сетей, таких как WirelessHART (IEC62591) и IEEE 802.15.4e. В сети TSCH все ее узлы синхронизируются с точностью до нескольких микросекунд. Сетевая связь организована по временным интервалам, что обеспечивает эффективный обмен пакетами с обеспечением низкого энергопотребления, попарную коммутацию каналов и разнесение путей доставки сообщения.

Обмен пакетами с низким энергопотреблением

Использование TSCH позволяет устройствам SmartMesh находиться в режиме сна, при этом потребляя очень мало энергии между запланированными сеансами связи, и рабочий цикл в этом случае составляет менее 1%. Сетевой администратор использует TSCH для обеспечения того, что:

  • Узлы точно знают, когда им передавать сообщения, прослушивать сеть с целью прима сообщений или спать
  • Коллизии пакетов отсутствуют
  • Достигается сверхнизкое энергопотребление на каждом участвующем в обмене узле, узлы обычно потребляют менее 50 мкА

Попарное переключение каналов

Синхронизация по времени позволяет переключать каналы в каждой паре передатчик-приемник для разнесения частот. В сети SmartMesh:

  • Обмен каждого пакета ведется со сменой каналов, чтобы избежать влияния помех
  • Несколько передач могут выполняться одновременно, благодаря чему увеличивается пропускная способность сети
  • Плотность и масштабируемость сети может быть изменена, при этом не будут создаваться собственные радиочастотные помехи

Полный путь и частотное разнесение

Каждое устройство имеет дополнительные пути для избегания прерывания связи из-за помех, физических препятствий или замирания, обусловленного многолучевым распространением. Если при передаче пакета происходит сбой на одном пути, узел автоматически повторяет попытку на следующем доступном пути и другом радиочастотном канале. В отличие от других технологий ячеистых сетей, повторное обнаружение пути не требует много энергии и времени.

SmartMesh Full Path and Frequency Diversity
Разнесение пути передачи данных и частоты – при сбое связи на пути, обозначенным зеленой стрелкой, узел D повторяет попытку по пути, обозначенным красной стрелкой, используя другой канал.


Динамическая оптимизация сети

Сеть SmartMesh всегда проводит мониторинг радиочастотной среды, в которой работает сеть, с помощью автоматического обследования параметров радиопространства – каждый узел отслеживает соответствующую статистику работоспособности и периодически отправляет в пакетах эту статистику администратору сети, которые называются отчетами о работоспособности. Администратор сети использует эти данные для упреждающей оптимизации функционирования сети, чтобы:

  • Формировать дополнительные пути между узлами в изменяющихся радиочастотных условиях
  • Уменьшить задержку системы, изменяя маршрутизацию между узлами
  • Уменьшить количество попыток отправки, оптимизировав пути с лучшими радиочастотными характеристиками
  • Уменьшить общее энергопотребление

Защищенная сеть с 128-битным шифрованием

Сети SmartMesh являются одними из самых безопасных ячеистых сетей среди доступных на рынке. Весь трафик в сети SmartMesh защищен сквозным шифрованием, проверкой целостности сообщений и аутентификацией устройства. Кроме того, сетевой администратор SmartMesh содержит приложения, которые обеспечивают безопасное подключение к сети, установление ключей и обмен ключами. Эти функции безопасности обеспечивают следующие преимущества:

Функция Преимущество
Аутентификация устройства Выбор одного из трех надежных уровней аутентификации устройства
Шифрование 128-битное шифрование на основе AES с несколькими ключами обеспечивает конфиденциальность данных
Проверка целостности сообщения Переданные данные защищены кодами аутентификации сообщений, что гарантирует то, что они не были подделаны
Синхронизированная смена ключей Вся сеть автоматически переходит на новый ключ шифрования
Конфигурируемое изменение ключей Заказчик решает, как часто сеть должна менять ключи, варьируя между обеспечением дополнительной безопасности и снижением сетевого трафика

Стандарты и отраслевые альянсы

Analog Devices стремится развивать основанные на стандартах беспроводные сенсорные сети и участвует в различных организациях по стандартизации и альянсах для содействия разработке и использованию основанных на стандартах беспроводных сенсорных сетей. Мы поддерживаем IEEE, IETF, IEC и WirelessHART.

Standards and Industry Alliances