Технология SmartMesh
Встраиваемые 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
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.
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.
