Kangasvieri J. (2005) Virransäästömenetelmät langattomassa sensoriverkossa. Oulun yliopisto, sähkö- ja tietotekniikan osasto. Diplomityö, 68 s. TIIVISTELMÄ Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia erilaisia virransäästömenetelmiä langattomissa sensoriverkoissa ja toteuttaa paristokäyttöinen langattoman sensoriverkon laite. Langattomien sensoriverkkojen tunnusmerkkejä ovat alhainen tiedonsiirtonopeus, laitteiden yksinkertaisuus, pieni koko ja alhainen virrankulutus. Näistä lähtökohdista on kehitetty langattomiin sensoriverkkoihin soveltuva standardi IEEE 802.15.4, joka on hyväksytty lokakuussa 2003. Tässä työssä tehtyjen selvitysten perusteella on valittu kaksi virransäästömenetelmää toteutettavaksi, minkä perusteella arvioidaan niiden soveltuvuutta käytännön laitteisiin. Työssä toteutetut virransäästömenetelmät ovat lähetystehon säätäminen ja lyhyt toimintajakso. Lähetystehon säätäminen perustuu suljetun silmukan menetelmään. Menetelmässä vastaanottava solmulaite mittaa yhteyden laadun ja välittää mittaavalle laitteelle tiedon yhteyden laadusta. Tämän tiedon perusteella mittaava laite osaa muuttaa omaa lähetystehoaan tilanteen mukaan. Lyhyt toimintajakso perustuu laitteen pitkään lepojaksoon. Lepojakson aikana laitteen virrankulutus pyritään minimoimaan käyttäen laitteen kaikkia mahdollisia virransäästötiloja. Lepojakson aikana laitteessa ei ole mahdollista pitää radiovastaanotinta päällä, koska se kuluttaa laitteessa eniten virtaa. Vastaanotinta voidaan käyttää päällä lepojakson aikana hyvin lyhyitä hetkiä. Tämä rajoittaa laitteen toimintaa ja kasvattaa tiedonsiirtoviiveitä verkossa. Kokonaisvirrankulutukseen vaikuttaa myös laitteen toimintatilan pituus ja sen virrankulutus. Tästä syystä laitteen komponenttien valinnalla on hyvin suuri merkitys virrankulutuksessa. Toteutetuilla menetelmillä pystytään toteuttamaan paristokäyttöinen laite. Laitteen käyttöikään vaikuttaa muun muassa laitteen käyttötarkoitus ja laitteen suorittamien mittausten tiheys. Tyypillisessä käyttötarkoituksessaan laitteen käyttöikä on kuitenkin kolikkoparistolla useita vuosia, kun virransäästömenetelmiä hyödynnetään tehokkaasti. Avainsanat: LR-WPAN, lyhyt toimintajakso, lähetystehon hallinta, langaton sensoriverkko.
Kangasvieri J. (2005) Power saving methods in wireless sensor networks. University of Oulu, Department of Electrical and Information Engineering. Master s Thesis, 68 p. ABSTRACT The goal of this Master s Thesis was to study different power saving methods in the wireless sensor networks and to implement a wireless and battery-operated sensor network device. The characteristics of wireless sensor networks are low transmission rate, low complexity, small size and very low power consumption. These requirements were the basis for starting to develop the standard for wireless sensor networks. The IEEE 802.15.4 standard has been approved by The Institute of Electrical and Electronics Engineers in October 2003. According to the studies examined in this paper two power saving methods have been chosen to implement. Implemented methods are transmission power control and a low duty cycle. Transmission power control is based on the closed loop method. In this method the full function device measures the strength of received signal and sends the value to the reduced function device. After this the reduced function device can change its transmission power. Low duty cycle is based on the very long sleeping period in device. During the sleeping period power consumption has been minimized by using different power saving states. It is not possible to keep the radio receiver on during sleeping period because this component consumes the most power in device. Receiver may be turned on only for very short periods of time. This restricts very much operating and increases the latency in network. The length of the operating period affects the total power consumption of the devices. Therefore, choosing the components of the device is very important. We succeeded to implement the battery operated device by using the methods mentioned above. The operating time of the device depends mostly on the purpose of the device and on frequency of the measurements. A typical lifetime for a coin battery is several years, when power saving methods are used. Keywords: LR-WPAN, low duty cycle, transmission power control, wireless sensor network.
SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYSLUETTELO ALKULAUSE LYHENTEIDEN JA MERKKIEN SELITYKSET 1. JOHDANTO... 8 2. JOHDATUS LANGATTOMIIN SENSORIVERKKOIHIN... 9 2.1. LR-WPAN standardin kehittyminen... 9 2.2. Langattomat sensoriverkot... 10 2.3. Topologiat... 12 2.4. Sensoriverkot ja ad hoc... 15 3. VIRRANKULUTUKSEN HALLINTA... 17 3.1. Lähetystehon hallinta... 17 3.2. Pariston energianhallinta... 19 3.3. Laitteen virrankulutukseen vaikuttavia tekijöitä... 20 3.3.1. MAC-kerroksen vaikutus virransäästössä...20 3.3.2. Sensoriverkon synkronointimenetelmiä...21 3.4. Vaihtoehtoiset energialähteet... 24 4. LAITEARKKITEHTUURI... 26 4.1. Järjestelmäkuvaus... 26 4.2. Laitteen kehitykselle esitetyt vaatimukset... 27 4.3. Ohjelmistototeutus... 28 5. TOTEUTETTU SENSORIVERKON LAITE... 32 5.1. Verkon topologia ja laitteen liittyminen verkkoon... 32 5.2. Lähetystehon säätäminen... 35 5.3. Erittäin lyhyt toimintajakso... 37 5.4. Laitteen komponenttien vaikutus virrankulutuksessa... 39 6. MITTAUKSET... 41 6.1. Mittausmenetelmät ja mittasuureet... 41 6.2. Mittaustulosten käsittely... 46 6.3. Mittaustulosten vertailua... 52 6.4. Mittaustulosten luotettavuus... 53 7. POHDINTA... 56 7.1. Toteutettujen menetelmien arviointi... 56 7.2. Havainnot ja jatkokehitys... 58 8. YHTEENVETO... 60 9. LÄHTEET... 61 10. LIITTEET... 64
ALKULAUSE Tämä diplomityö on tehty Chydenius-instituutin - Kokkolan yliopistokeskuksen tietoliikennelaboratoriossa Kaustisella. Työ liittyy osana tietoliikennelaboratoriossa tehtävään langattomaan sensoriverkkotutkimukseen, jota rahoitetaan EU:n ja Kaustisen seutukunnan alueen kuntien toimesta. Tietoliikennelaboratorio on hieno esimerkki siitä, miten maaseudullakin voidaan tehdä korkeatasoista tutkimustyötä. Diplomityöni aiheesta ja mukavasta työympäristöstä haluan kiittää koko tietoliikennelaboratorion henkilökuntaa ja erityisesti työni ohjaajia professori Ismo Hakalaa ja FM Merja Tikkakoskea. Kiitokset kuuluvat myös työni valvojalle professori Erkki Saloselle sekä toiselle tarkastajalle professori Risto Vuohtoniemelle Oulun yliopistosta. Rakkaimmat kiitokseni osoitan vanhemmilleni Marialle ja Jarille, jotka ovat olleet tukenani koko opiskeluaikani ja jaksaneet aina kannustaa minua eteenpäin elämässäni. Haluan myös kiittää kaikkia ystäviäni saamastani taustatuesta. Lopuksi haluan kiittää tyttöystävääni Erjaa, joka on tukenut minua kaikin tavoin tämän työn valmiiksi saattamisessa. Kaustisella 02.05.2005 Jukka Kangasvieri
LYHENTEIDEN JA MERKKIEN SELITYKSET A/D Analog to Digital, Analogia-digitaalimuunnos BER Bit Error Rate, Bittivirhesuhde CAP Contention Access Period, Kilpailulle avoin jakso CFP Contention-free Period, Kilpailulta vapaa jakso CDMA Code Division Multiple Access, Koodijakoinen monikäyttö CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, Kantoaallon tunnistamiseen perustuva kanavanvaraustekniikka EEPROM Electric Eraseable Programable Read-Only Memory, Sähköisesti tyhjennettävä ohjelmoitava lukumuisti. FFD Full Function Device, Täyden toiminnon laite FPS Flexible Power Scheduling, Joustava virransäästömenetelmä GTS Guaranteed Time Slot, Taattu aikajakso IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers I/O Input / Output, Tulo / Lähtö IP Internet Protocol, Internet protokolla IPv6 Internet Protocol Version 6, Internet protokollan versio 6 LDC Low Duty Cycle, Lyhyt toimintajakso LR-WPAN Low Rate - Wireless Personal Area Network, Matalanopeuksinen langaton henkilökohtainen verkko LVIS Lämpö, Vesi, Ilma ja Sähkö MAC Medium Access Control, Siirtoyhteyskerros NAV Network Allocation Vector, Verkon varausmenetelmä OSI Open Systems Interconnection, Avointen järjestelmien yhteenliittäminen PAN Personal Area Network, Henkilökohtainen verkko PHY Physical, Fyysinen kerros RFD Reduced Function Device, Rajoitetun toiminnon laite RSS Receive Signal Strength, Vastaanotetun signaalin voimakkuus RTS/CTS Request To Send/Clear To Send, Pyyntö lähettää / Vapaa lähetykselle SLIP Serial Line Internet Protocol, Sarjaliikenne Internet protokolla S-MAC Sensor-Medium Access Control, Sensori-siirtoyhteyskerros SPI Serial Peripheral Interface, Oheislaitteiden sarjaliitäntärajapinta SRAM Static Random Access Memory, Staattinen RAM-muisti TCP Transmission Control Protocol, Siirronohjauksen yhteyskäytäntö TDMA Time Division Multiple Access, Aikajakoinen monikäyttö UDP User Datagram Protocol, UDP-yhteyskäytäntö WLAN Wireless Local Area Network, Langaton lähiverkko WPAN Wireless Personal Area Network, Langaton henkilökohtainen verkko a b B C d E E par I txon Tietopakettien määrä Kuittausviestien määrä Suhteellinen vakio Tiedonsiirtokapasiteetti Laitteiden välinen etäisyys Laitteen kuluttama energia Pariston energiakapasiteetti Laitteen virrankulutus lähettimen ollessa päällä
I rxon I stby I I avg P P avg P lepo P toim R S data S ack t T alku T kesto T loppu t lepo T rxon t toim T txon U U reg y Laitteen virrankulutus vastaanottimen ollessa päällä Laitteen virrankulutus lepotilassa Virta Keskimääräinen virrankulutus Teho Keskimääräinen jatkuva tehonkulutus Lepojakson tehonkulutus Toimintajakson tehonkulutus Resistanssi Tietopaketin pituus Kuittausviestin pituus Käyttöaika laitteelle Mittausten aloittamisajankohta Laitteen elinikä Mittausten lopetusajankohta Lepojakson pituus Vastaanottimen päälläoloajan suhteellinen osa Toimintajakson pituus Lähettimen päälläoloajan suhteellinen osa Jännite Reguloitu käyttöjännite Vakio
1. JOHDANTO Chydenius-instituutti toimii Jyväskylän, Oulun ja Vaasan yliopistojen toiminnallisesti yhteisenä yliopistokeskuksena Kokkolassa ja on hallinnollisesti Jyväskylän yliopiston erillislaitos. Chydenius-instituutin tietoliikennelaboratorio aloitti toimintansa vuonna 2001. Laboratorion toimitilat sijaitsevat Kaustisella. Laboratorion tutkimustoiminta on keskittynyt erityisesti langattomien sensoriverkkojen (Wireless Sensor Networks) tutkimukseen ja erityisesti IEEE 802.15.4 -standardin mukaisten langattomien tiedonsiirtoyhteyksien ympärille. Tutkimuksen kannalta keskeisimpiä osaalueita tässä tekniikassa ovat tiedonsiirtoon käytettävä protokollapino, verkon muodostus ja reititys sekä laitteiden paristokäyttöisyys. IEEE 802.15.4 -standardin (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) mukaisiin sensoriverkkoihin liitetään hyvin voimakkaasti ZigBee Alliance. ZigBee Alliancin muodostaa yli 160 yrityksen yhteinen liittouma, joka kehittää avointa standardia edulliselle, pienitehoiselle, langattomasti verkottuvalle laitteelle mittaus- ja ohjaustehtäviin. West Technology Research Solutions -tutkimusyhtiön tekemän ennusteen mukaan ZigBeehen perustuvia piirisarjoja tullaan toimittamaan pelkästään kotiautomaatioon yli 339 miljoonaa kappaletta vuonna 2008, jos maapallon bruttokasantuote kasvaa 4 prosenttia. Määrän ennustetaan kasvavan sen jälkeenkin edelleen nopeasti. Tutkimuksen mukaan lähitulevaisuudessa tyypillinen kodin sensoriverkko voisi koostua sadasta ZigBee-piirisarjaan perustuvasta laitteesta. Kodin langattomaan sensoriverkkoon kuuluvia laitteita tulee olemaan eri puolilla taloa ja niiden avulla käyttäjä pystyy hallitsemaan koko kotinsa pihapiireineen. ZigBee-laitteiden käyttökohteita ja sijoituspaikkoja ovat esimerkiksi valokatkaisijat, savuilmaisimet, termostaatit, keittiölaitteet, viihde-elektroniikan kauko-ohjaimet, pihapiiri ja erilaiset kodin turvajärjestelmät. Samat käyttöperiaatteet ja mallit toimivat myös teollisuusautomaatiossa, muussa rakennusautomaatiossa ja sairaalaympäristöissä. [1] Lyhyen kantaman radiopiirejä valmistava puolijohdevalmistaja Chipcon ilmoitti huhtikuun 2005 uutiskirjeessään, että se on kolminkertaistanut koti- ja rakennusautomaatioon tarkoitettujen piirien myynnin vuonna 2004. Piirejä myytiin vuonna 2003 noin neljä miljoonaa kappaletta ja vuotta myöhemmin jo 12 miljoonaa kappaletta. Lisäksi Chipcon on vahvasti mukana ZigBee Alliancissa kehittämässä ZigBeeprotokollaa, johon Chipcon toi huhtikuussa 2005 ensimmäisen käytännön esimerkkituotteen, langattoman valokatkaisijan. [2] Tällä hetkellä IEEE 802.15.4 -standardiin perustuvia radiopiirejä on tuonut markkinoille puolijohdevalmistajista Chipcon, Atmel, Motorola, CompXs ja ZMD. Nämä puolijohdevalmistajat ovat myös kaikki mukana ZigBee Alliancessa. Tämä opinnäytetyö liittyy tärkeänä osana laboratorion sensoriverkkojen tutkimustoimintaan ja työn tutkimustuloksia tullaan hyödyntämään langattomien, paristokäyttöisten sensoriverkkojen tutkimuksessa ja tuotekehityksessä lähitulevaisuudessa.
9 2. JOHDATUS LANGATTOMIIN SENSORIVERKKOIHIN Sensorit ja niitä lähellä olevat erilaiset ohjaus- ja valvontalaitteet ovat perinteisesti olleet kaapelointiin perustuvia tekniikoita. Erilaiset väyläratkaisut, kuten Profibus- ja LON-tekniikat ovat olleet esimerkiksi kiinteistöautomaatiossa vahvasti edustettuina. Näiden tekniikoiden korvaajaksi ei ole ollut tarjolla langatonta tekniikkaa, joka olisi soveltunut hyvin näiden verkkojen käyttötarkoitusten asettamiin vaatimuksiin. Esimerkiksi lähiverkoissa suuren suosion saavuttanut WLAN (Wireless Local Area Network) tarjoaa muun muassa selvästi ylimitoitetut tiedonsiirtoresurssit sensoriverkkojen tiedonsiirtotarpeisiin nähden. Tästä syystä käynnistyi IEEE 802.15.4 - standardin kehitystyö, jonka lähtökohtana oli oikean tekniikan löytäminen langattomien sensoriverkkojen tarpeisiin. 2.1. LR-WPAN standardin kehittyminen 802.15 WPAN -ryhmä (Wireless Personal Area Network) perustettiin kehittämään standardia lyhyen kantaman langattomille verkoille, joita voidaan käyttää kannettaville ja liikuteltaville verkkolaitteille kuten kannettaville tietokoneille, kämmentietokoneille, matkapuhelimille, tulostimille, kaiuttimille, mikrofoneille ja muille vastaaville kulutuselektroniikan laitteille. Toiminnalliset vaatimukset julkaistiin tammikuussa 1998. Ne perustuivat BodyLAN-projektiin ja tarkempiin vaatimusmäärittelyihin. Vaatimusmäärittelyssä määriteltiin laitteelle matala virrankulutusvaatimus, toimintasäde 0-10 metriä, tiedonsiirtonopeus 19,2-100 kbit/s, pieni koko, edullisuus, toiminta muiden verkkojen kanssa samalla alueella ja tuki vähintään 16 laitteen verkolle. [3 s. 500-501] IEEE 802.15 WPAN -standardiperhe koostuu neljästä työryhmästä, joista ryhmä neljä on hyväksytty tutkimaan äärimmäisen yksinkertaisia, halpoja, pientä virrankulutusta ja kevyttä PHY- (Physical) ja MAC-kerrosta (Medium Access Control) aina 250 kbit/s tiedonsiirtonopeuteen asti [3 s. 501]. LR-WPAN standardointi lähti liikkeelle tarpeesta standardoida tiettyjä langattomien sensoreiden ominaisuuksia niin, että mahdollisimman monien valmistajien tuotteet olisivat yhteensopivia. Tämä johtikin kahden standardin syntymiseen, IEEE 802.15.4 LR-WPAN (Low Rate - Wireless Personal Area Network) ja IEEE 1451.5 Wireless Smart Transducer Interface - standardiin. [4 s. 293] Tietoliikenneprotokollien perusmallina pidetään OSI-mallia (kuva 7 sivulla 29), joka koostuu seitsemästä eri kerroksesta: fyysisestä kerroksesta, siirtoyhteyskerroksesta, verkkokerroksesta, kuljetuskerroksesta, istuntokerroksesta, esitystapakerroksesta ja sovelluskerroksesta. IEEE 802.15.4 -standardissa määritellään fyysinen- ja siirtoyhteyskerros hajaspektritekniikkaa käyttäville matalanopeuksisille langattomille tiedonsiirtoverkoille. 2450 MHz fyysinen kerros tukee 250 kbit/s:n tiedonsiirtonopeutta langattomassa verkossa ja 915/868 MHz fyysinen kerros 40 kbit/s:n ja 20 kbit/s:n nopeuksia. Taajuusalueiden käyttö riippuu maakohtaisista säädöksistä sekä käyttäjän tarpeista. Verkon laitteille on tunnusomaista, että niiden virrankulutus on hyvin minimaalinen tai niissä ei ole paristoa lainkaan. Verkon laitteet voivat toimia tähti- (star) tai vertaisverkkotopologiassa (peer-to-peer), missä laitteiden osoitteena voidaan käyttää 16-bittisiä osoitteita tai 64-bittisiä laajennettuja osoitteita. Laitteiden
10 ominaisuuksiin kuuluvat energian tunnistus, linkin laadun tunnistus, kanavanvaraus ja törmäysten tunnistus, jotka on määritelty standardissa. [5] Sensoriverkon asetuksista riippuen LR-WPAN voi käyttää toista mahdollisista kanavanvarausmenetelmistä kerrallaan. Molemmissa menetelmissä kilpavaraus perustuu CDMA-CA-menetelmän (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) käyttämiseen. Verkossa, jossa käytetään majakkaviestejä ja ylikehystä, ylikehyksessä määritellään aikaikkuna kilpavaraukseen perustuvalle tietoliikenteelle ja aikaikkuna aikajakoiseen tiedonsiirtoon. Kilpavaraukseen varatun aikaikkunan aikana kaikki verkon laitteet voivat liikennöidä kanavalla. Aikajakoiseen tiedonsiirtoon varattu ikkuna on jaettu yhdestä seitsemään jaksoon, mitkä on varattu säännöllistä liikennöintiä vaativille laitteille. Verkoissa, joissa ei käytetä majakkaviestejä ja ylikehystä, kanavanvaraus perustuu jatkuvaan kilpavaraukseen CDMA-CA-menetelmää hyödyntäen. CDMA-CA-menetelmä perustuu kanavan vapaana olemisen kuunteluun ennen lähetystä. Mikäli kanavalla toinen laite lähettää, yrittää laite uudelleen lähetystä satunnaisen ajan kuluttua uudelleen. [5,6] Taajuusalueella 2,4 GHz toimii useita erilaisia laitteita ja sovelluksia, minkä vuoksi laitteiden tulee sietää häiriötä muilta laitteilta. Standardi IEEE 802.15.4 on yhteensopiva tämän vaatimuksen kanssa, koska siinä on alhainen palvelutaso (Quality of Service) vaatimus, ei ole tarvetta samanaikaiselle tiedonsiirrolle ja verkossa voidaan olettaa käytettäväksi monia reittejä pakettien lähetykseen. Tärkein ominaisuus LR- WPAN-standardin mukaisille laitteille on erittäin hyvä pariston kesto, mihin päästään lähes ainoastaan erittäin lyhyellä toimintajaksolla, sekä pienellä lähetysteholla. Kun LR-WPAN laitteet ovat lepotilassa yli 99,9 prosenttia ajasta ja kun laitteet käyttävät lisäksi matalatehoista hajaspektritekniikkaa, ne häiritsevät erittäin vähän muita laitteita samalla taajuusalueella. [6,7 s. 305] 2.2. Langattomat sensoriverkot Sensoreilla tarkoitetaan havaintolaitteita, joita ovat muun muassa erilaiset anturit, mittarit ja ohjauslaitteet. Useat sensorit, joissa on tavanomaisesti mikrokontrolleri ja tiedonsiirtoyhteys, muodostavat keskenään sensoriverkon, joka voi olla langallinen tai langaton. Sensoreiden muodostamassa verkossa voi myös olla erilaisia hallintalaitteita, joilla käyttäjä pystyy seuraamaan verkon sensorien toimintaa ja ohjaamaan niitä. Langattomuus tuo sensoriverkkoon lisää dynaamisuutta, se parantaa verkon toimintavarmuutta ja alentaa kustannuksia muun muassa kaapeloinnin vähenemisestä johtuen. Langattomuus parantaa verkon toimintavarmuutta, koska esimerkiksi tiedonsiirtoon voidaan käyttää dynaamisia reittejä. Näin yhden tai jopa useamman sensoriverkon laitteen tuhoutuminen ei lamauta koko verkon toimintaa. Langattomista verkoista yleisin nykyään lienee WLAN, mitä luonnollisesti voitaisiin käyttää tiedonsiirtoon sensoriverkoissa. WLAN-verkon ominaisuudet ovat kuitenkin ylimitoitettuja sensoriverkkojen tarpeisiin nähden; ainoastaan laitteiden liitettävyys verkkoon on käyttökelpoinen. Alkuperäinen käyttötarkoitus Bluetoothille oli kaapeleiden korvaaminen, mutta monimutkaisuutensa vuoksi se ei sovi pientä virrankulutusta vaativiin sovelluksiin. Monimutkainen kehityssuunta on kasvattanut kustannuksia siihen nähden mitä alun perin luvattiin tälle tekniikalle. [6] Langattomien sensoriverkkojen edut voidaan jakaa kolmeen ryhmään. Ensimmäisessä ryhmässä ovat edullisemmat asennuskustannukset, jotka koostuvat kaapeloin-
nista, työstä, materiaaleista, testaamisesta ja tarkistamisesta. Esimerkiksi pääkytkin voi maksaa vähemmän kuin euron, mutta asentaminen voi maksaa 50-100 euroa. Lisäksi kaapelointisäännöt ja käyttöympäristö voivat vaatia ylimääräisiä materiaaleja ja keinoja asennuksessa, kuten kaapelisuojia ja asentajia. Toiseen ryhmään kuuluvat kaapelit ja niiden liittimet, jotka voivat löystyä, irrota, olla yhdistämättä tai rikkoontua. Langattomuushan korvaa kaapelit ja vähentää johdinliitosten tarvetta verkossa. Vähentynyt johdinliitosten tarve ja kaapelien käyttäminen parantavat tiedonsiirron toimintavarmuutta. Kolmantena ryhmänä on langattoman sensoriverkon alemman kerroksen älykäs toiminta, joka mahdollistaa monipuolisessa sensoriympäristössä luomaan ympäristöstä riittävästi tietoa, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi tehostamaan teollista toimintaa. Langattoman sensoriverkon avulla voidaan kerätä enemmän säännöllistä tietoa koneilta ja teollisuusjärjestelmistä yleensä ottaenkin kuin vastaavanlaisella kaapelointiin perustuvalla tekniikalla. Keskitetty johdollinen sensoriverkko tuo lisää kompleksisuutta verkon toteutukseen ja sitä voi olla mahdoton käyttää monissa tapauksissa. [8 s. 7] Teollisuuslaitteissa saattaa olla esimerkiksi paljon pyöriviä osia, mistä pitää pystyä saamaan reaaliaikaista mittaustietoa. Kaapelointi edellä kuvatuissa tilanteissa useille antureille saattaa muodostua erittäin hankalaksi tai jopa mahdottomaksi toteuttaa. Langattomaan tekniikkaan perustuvat ratkaisut lisäävät näissä tapauksissa toimintavarmuutta, helpottavat kaapelointia ja alentavat kustannuksiakin. Erilaisia sensoreita käytetään koti- ja teollisuusautomaatiossa, terveydenhuollossa, kulutuselektroniikassa, maanviljelyssä, sotilaslaitteissa ja turvallisuus- ja valvontalaitteissa [4]. Näiden sovellusten tiedonsiirtotarve on yleensä hyvin rajallinen, koska mittaustulokset käsittävät vain muutamia bittejä kerrallaan [4]. Näitä mittaustapahtumia voi kuitenkin olla useita päivän aikana [4 s. 1-2]. Langattomat sensoriverkot soveltuvat tämän kaltaisiin käyttösovelluksiin erinomaisesti, koska niiden tiedonsiirtokapasiteetti soveltuu pienten ja harvoin tapahtuvien mittaustietojen siirtämiseen hyvin. Esimerkkinä langattomien sensoriverkkojen toiminnasta voidaan käyttää teollisuuden turvallisuussovellusta, jossa sensoreita voidaan käyttää erilaisten haitallisten ja myrkyllisten aineiden tunnistamiseen ja mittaamiseen [4]. Langattomien sensoriverkkojen etuja ovat muuan muassa niiden kyky ylläpitää omaa toimintaansa ja toipua ongelmatilanteista [4]. Esimerkiksi räjähdys saattaa vahingoittaa tiedonsiirron kannalta kriittisiä kaapeliyhteyksiä mutta langattomissa verkoissa voidaan käyttää erilaisia reititysalgoritmeja uusien yhteyksien etsimiseen [4 s. 2]. Kotiautomaatiossa tyypillisen sensoriverkon laajuus on 100-150 laitetta, mikä soveltuu vielä hyvin tähtitopologiaan. Kotona sensoriverkkoon liitettäviä laitteita voivat olla esimerkiksi videot, tv, tietokone, interaktiiviset lelut ja pelit sekä muut kodin valvontaan ja hallintaan liittyvät sovellukset kuten LVIS-laitteet (Lämpö, Vesi, Ilma ja Sähkö) ja turvalaitteet. [9] Sensorit ovat pian löytämässä kaupalliset markkinat koti- ja teollisuusautomaatiosovelluksissa. Älykkäitä sensoreita voidaan sisällyttää tuotteisiin kuten uuneihin, jääkaappeihin ja pölyimureihin, mikä mahdollistaa niiden olemisen vuorovaikutuksessa keskenään sekä käyttäjän etähallinnan. Sensoriverkkojen soveltamismahdollisuuksissa vain ihmisten mielikuvitus asettaa rajoja. [10 s. 648] Jokaisessa verkon solmussa on määriteltävissä kolme toiminnallista osaa, joista yksi aistii ulkoista ympäristöä, toinen käsittelee mitatun tiedon ja kolmas kommunikoi viereisten solmujen kanssa ja on vastuussa viestien välittämisestä eteenpäin. Yksittäiset laitteet, joiden havaintoalueet, mahdollisuus käsitellä tietoa ja käytettävissä 11
12 olevat energiavarat ovat rajallisia, muodostavat useammasta laitteesta koostuvan kokonaisuuden eli sensoriverkon. Useiden sensoreiden muodostama verkko kasvattaa verkon havaintoaluetta suuremmaksi, samalla kun se vahvistaa ja parantaa verkon toimintavarmuutta. Myös verkon vikasietoisuus ja mittaustulosten tarkkuus kasvavat, jos verkossa useat solmut mittaavat samaa asiaa ja tekevät yhteistyötä. Verkon kaksi tärkeintä tehtävää on tiedon välittäminen verkossa ja tiedon kerääminen tiedonkeruupisteeseen. [10 s. 647] 2.3. Topologiat Verkon topologian valintaan vaikuttaa muun muassa käyttöympäristö, verkon käyttötarkoitus ja verkolle asetetut vaatimukset. Langattomissa sensoriverkoissa voidaan käyttää perinteisiä muissakin langattomissa verkoissa käytettyjä topologioita. Verkossa käytettävä topologia voi myös muuttua laitteiden lisääntyessä verkossa ja laitteiden tulee osata tällöin mukautua uuteen ympäristöön. Käytettävä verkkotopologia vaikuttaa myös laitteiden virrankulutukseen ja virrankulutuksen hallintaan käytettävien menetelmien valintaan. a) Tähtitopologia. b) Vertaisverkkotopologia. Kuva 1. Langattoman sensoriverkon verkkotopologioita. Riippuen sovelluksen tarpeista LR-WPAN voi toimia joko tähtitopologialla (kuva 1a) tai vertaisverkkotopologialla (kuva 1b). Tähtitopologiassa laitteet muodostavat yhteyden keskuslaitteeseen, jota kutsutaan PAN-koordinaattoriksi (Personal Area Network). Laitteisiin liittyy yleensä jokin sovellus ja laite voi toimia yhteyden alkutai loppupisteenä verkossa. PAN-koordinaattoriin liittyy erityinen sovellus ja se voi toimia myös yhteyden alku- tai loppupisteenä, mutta myös reitittää liikennettä muiden verkon laitteiden välillä. PAN-koordinaattori on PAN-verkon ensisijainen kontrollilaite. Verkon laitteilla on käytössä yksilölliset 64-bittiset laajennetut osoitteet käytössä molemmissa topologioissa. Lisäksi 64-bittisillä osoitteilla voidaan liikennöidä suoraan PAN-koordinaattoriin tai ne voidaan muuttaa PAN-koordinaattorin liityttäessä lyhyempiin 16-bittisiin osoitteisiin. PAN-koordinaattorin virransaanti tulee turvata esimerkiksi kytkemällä se suoraan verkkovirtaan, kun puolestaan muut laitteet voivat olla paristokäyttöisiä. [5 s. 13-14] Nämä edellä mainitut tehtävät kuuluvat siis erityisen PAN-koordinaattorisovelluksen tehtäviin laitteessa. Lisäksi sovel-
13 luksen tehtäviin kuuluu käsitellä verkkoon liittyvien laitteiden yhteydenottopyynnöt ja hyväksyä tai hylätä ne. Kuva 2. Klusteritopologia. LR-WPAN verkot toimivat useimmiten tähtitopologialla tai tarvittaessa muodostavat laajemman verkon esimerkiksi sotku- (mesh), rengas- (token ring) tai kuvan 2 mukaisella klusteritopologialla (cluster). Tähtiverkossa verkon keskellä toimii tehokkaampi isäntälaite ja verkon muiden laitteiden tulee olla isäntälaitteen kuuluvuusalueella. Mikäli verkolle tarvitaan suurempi fyysinen toiminta-alue, se voidaan toteuttaa esimerkiksi klusteriverkolla. Suuremmissa verkoissa yksittäiset laitteet eivät pysty muodostamaan yhteyttä suoraan kaikkiin toisiin laitteisiin, vaan yhteys muodostuu toisten laitteiden kautta. Laajat klusteriverkot osaavat järjestäytyä itsestään pienemmiksi aliverkoiksi eli klustereiksi. Jokaisessa klusterissa toimii määräävä isäntälaite (cluster head). Klusteriverkossa tieto kulkee klusterin sisällä ensin laitteelta isäntälaitteelle. Isäntälaitteelta tieto kulkee yhdyskäytävän kautta toisiin ylempiin aliverkkoihin kunnes tieto saavuttaa kohdeosoitteensa, joka yleensä on verkon tiedonkeruupiste. [9] Vertaisverkkotopologiassa on myös käytössä PAN-koordinaattori, mutta topologia eroaa muuten tähtitopologiasta, koska siinä kaikki laitteet voivat muodostaa yhteyksiä toistensa välille. Vertaisverkkotopologia, kuten myös sotkutopologia, sallivat huomattavasti monimutkaisempien verkkojen toteutuksen, kun verkko muodostuu useista laitteista. Vertaisverkot voivat myös toimia ad hoc -verkkoina, missä solmu voi reitittää liikennettä miltä tahansa laitteelta toiselle. Tämän kaltaiset ominaisuudet eivät ole kuitenkaan standardissa määriteltyjä ja ne voidaan toteuttaa ylempänä olevaan verkkokerrokseen. [5 s. 14]
14 Klusteritopologiassa verkon laitteet muodostavat pieniä ryhmiä, joita hallitsee klusterin päälaite. Päälaitteen tehtävä on hallita klusterin alueella olevia muita laitteita ja kerätä niiltä tietoa ja välittää sitä muiden klusterien kautta esimerkiksi tiedonkeruupisteeseen (sink). Klusterin päälaitteet tietävät verkon muiden klustereiden päälaitteiden aikajaksot ja klusterin muut laitteet synkronoivat toimintansa päälaitteen mukaan. Päälaitteet joutuvat käsittelemään ja lähettämään huomattavasti enemmän tietoa radioteitse kuin pelkästään mittausroolissa oleva laite. Laitteiden ollessa paristokäyttöisiä laskevat klusterin päälaitteen energiavarat jossain välissä muita klusterin laitteita alemmalle tasolle ja tällöin se laite, jolla on suurempi energiavaranto ottaa klusterin hallintaan. Klusterin päälaitteen vaihtumisen jälkeen verkko muodostuu uudelleen vaihtuneen päälaitteen mukaan. [11] Kuva 3. Sensoriverkon toiminnallisuudet. Verkot muodostuvat useimmiten kahden tyyppisistä laitteista: täyden toiminnon (Full Function Device) ja rajoitetun toiminnon (Reduced Function Device) laitteista. Täyden toiminnon laitteet sisältävät kaikki toiminnallisuudet, kuten reitityksen ja PAN-koordinaattorina toimimisen. Rajoitetun toiminnon laitteet toimivat yleensä vain mittaavina laitteita ja joissa on erittäin rajallinen tietojenkäsittely mahdollisuus. Lisäksi sensoriverkkoihin liittyy kiinteästi tiedonkeruupiste, joka on tavallista sensoriverkon laitetta tehokkaampi. Tiedonkeruupisteeseen voidaan kerätä sensoriverkon mittaamaa tietoa verkosta ja sen kautta voidaan myös useimmiten hallita sensoriverkkoa ja verkon laitteiden asetuksia. Tiedonkeruupiste on usein liittyneenä muihin tietojärjestelmiin ja toimii yhdyskäytävänä sensoriverkon ja muiden verkkojen välillä. Kuvassa 3 on havainnollistettu langattoman sensoriverkon laitteiden välisiä suhteita ja verkon tavanomaista rakennetta. Verkon perustamisvaiheessa laitteiden liittämisessä verkkoon voidaan hyödyntää majakkaviestejä. Standardin mukainen MAC-kerros tukee toimintoa, jolla voidaan etsiä halutuilta kanavilta majakkaviestejä, samalla kun fyysinen kerros huolehtii energian tunnistuksesta, yhteyden laadun ilmaisemisesta ja kanavan vaihdosta. [6]
15 Verkon peittoalue riippuu hyvin pitkälle lähetystehon suuruudesta ja vastaanottimen herkkyydestä. Standardissa on määritelty se, että jokaisen laitteen tulee kyetä lähettämään vähintään 0 dbm:n lähetysteholla, mutta lähetystehon suuruus riippuu sovelluksen käyttötarkoituksesta. Tyypillisenä peittoalueena tavoitellaan 0 dbm:n lähetysteholla noin 10-20 m toimintasädettä. Hyvä vastaanottimen herkkyys pienentää luonnollisesti lähetystehon tarvetta. Sen vuoksi tähtitopologialla voidaan saavuttaa esimerkiksi kotiautomaatiossa riittävä peittoalue. Jos sovelluksissa sallitaan tiedonsiirtoviiveitä, myös vertaisverkkotopologia on hyvä vaihtoehto kotiautomaatiosovelluksissa. [6] 2.4. Sensoriverkot ja ad hoc Langattomat ad hoc -verkot ovat verkkoja, joissa verkon solmut ja laitteet voivat kommunikoida oman radiokuuluvuusalueensa toisten solmujen ja laitteiden kanssa ja siten välittää tietoa eteenpäin oman kuuluvuusalueensa ulkopuolella oleville solmuille ja laitteille. Lisäksi ad hoc -verkossa olevien laitteiden tulee pystyä tunnistamaan verkon muita laitteita, sallia yhteydenmuodostus toisiin laitteisiin ja jakaa tietoa palveluista. Ad hoc -verkot ovat itsekonfiguroituvia eli verkko voi muuttua ilman että käyttäjän tarvitsee tehdä muutoksia siihen. Verkon muutos voi johtua esimerkiksi siitä, että verkon kuuluvuusalueelle tulee uusi mobiililaite, joka pystyy reitittämään verkon kannalta liikennettä uudella tavalla. [12 s. 27-28] Liikkuvuus (mobility) ei ole ainoa hyöty langattomissa sovelluksissa, vaikka langattomissa sensoriverkoissa tätä ominaisuutta on markkinoitukin helppo asentaa - periaatteella. Toisin sanoen liikkuvuus ei tavallisesti ole vaatimuksena langattomissa sensoriverkkojen järjestelmissä, mutta liikkuvuutta voidaan hyödyntää ad hoc - verkoissa. On tärkeä ymmärtää, että liikkuvuus tässä yhteydessä viittaa laitteiden liikkuvuuteen toisiinsa nähden. Esimerkiksi langatonverkko liikkuvan laitteen sisällä ei ole mobiili, jos sensorit liikennöivät vain tämän laitteen sisällä. [8 s. 8] Langaton ad hoc -verkko voi koostua useista erilaisista laitteista, joiden ominaisuudet voivat olla hyvinkin erilaisia. Verkon laitteiden ei pelkästään tule pystyä tunnistamaan kuuluvuusalueella olevia muita laitteita vaan myös määrittämään näiden laitteiden toiminnallinen tapa ja sitä vastaavat parametrit. Mobiililaitteiden energiakapasiteetti vaihtelee hyvin paljon eri laitteiden välillä ja siksi virrankulutus nousee tärkeään rooliin verkossa. Koska verkot ovat epähomogeenisia, niin jotkut verkon laitteet voivat toimia asiakkaina ja toiset palvelimina (client-server). Laitteiden, jotka reitittävät verkon liikennettä, tulee tarkastella omaa virrankulutusta ja energiakapasiteettia ennen kuin välittävät liikennettä eteenpäin. [12 s. 27-30] Sekä langattomat verkot että langattomat sensoriverkot koostuvat langattomista solmuista, jotka keskustelevat keskenään, mutta sensoriverkoissa on tiettyjä haasteita. Sensoriverkossa voi olla huomattavasti enemmän solmuja kuin ad hoc -verkossa. Sensoriverkon solmut ovat alttiimpia virheille ja energiankulutukselle ja niiden energialähteet eivät ole yleensä vaihdettavissa tai ladattavissa. Sensoriverkon solmuilla ei ole ainutlaatuisia globaaleja tunnisteita ja näin ollen ainutkertaista osoitetta ei ole aina mahdollista käyttää. Sensoriverkot ovat tietokeskeisiä eli kyselyt välittyvät verkossa solmun osoitteeseen, jotka täyttävät kyselylle asetetut ehdot. Ad hoc -verkot ovat puolestaan osoitekeskeisiä, missä kyselyt perustuvat solmun ainutlaatuiseen osoitteeseen. Useimpia ad hoc -verkkojen reititysprotokollia ei voida sellaisenaan
16 suoraan käyttää sensoriverkoissa, koska sensoriverkon solmuissa on usein rajoitetusti muistia, virtaa ja käsittelykapasiteettia, ja koska protokollat eivät ole skaalautuvia. Sensoriverkoissa oleva tärkeä mahdollisuus on tiedon yhdistäminen eli solmussa yhdistetään paikallinen tieto ennen kuin tieto välitetään eteenpäin. Tiedon yhdistämisestä (data aggregation) saavutettuja hyötyjä ovat vähentynyt kaistanleveyden tarve sekä tiedonsiirtoviiveiden ja virrankulutuksen pieneneminen. [10 s. 648-649] Verkot voivat olla keskitettyjä tai hajautettuja. Hajautetuissa ad hoc -verkoissa monihyppymenetelmän käyttäminen on avainasemassa laitteiden virrankulutuksen vähentämisessä. Laitteiden energiantarve on erittäin riippuvainen kahden pisteen välisestä etäisyydestä. Laitteen kuluttamalle energialle voidaan esittää kaava [13] E y = B d, (1) jossa E on laitteen kuluttama energia yhdessä hypyssä bittiä kohden, B on vakio, joka riippuu käytettävästä laitteistosta, d on laitteiden välinen etäisyys ja y on vakio, joka riippuu etenemisympäristöstä. Energiankulutus on verrannollinen etäisyyteen, ja yleisesti ottaen lyhyiden välihyppyjen kautta lähetys on energiankulutuksen kannalta tehokkaampaa kuin käyttää yhtä pitkää hyppyä. Välihyppytekniikkaa ei kuitenkaan voida käyttää hyödyntäen lyhintä mahdollista reittiä energiankulutuksen kannalta tehokkaasti. Syynä tähän on hyppyjen määrän rajoittaminen alku- ja loppupisteen välillä sekä energiankulumista lähetyksen lisäksi myös vastaanottamiseen ja valmiuteen suorittaa uudelleenlähetys. [13] Lyhyellä siirtotiellä signaalin laatu on myös parempi, mikä vähentää pakettien katoamista sekä uudelleenlähetysten tarvetta [14]. Laskentaan käytettävä energia on yksi mittari laitteen energiankulutuksessa. Tekniikoiden yhteensovittamisella voidaan vähentää asteittain tiedon käsittelyyn kuluvaa energiaa laitteissa, lähetysmäärän säilyessä vakiona. Tiedon pakkauksella voidaan vähentää lähetettävän tiedon määrä ja lähetykseen käytettävää energiaa, mutta pakkaukseen kuluva laskentateho kuluttaa samalla ylimääräistä energiaa. Sensoriverkoissa vähäisen energiankulutuksen yhtenä tekijänä voidaankin pitää tasapainottelua laskentaan ja yhteyksiin käytettävän energian välillä. Hyvällä algoritmisuunnittelulla voidaan langattomissa sensoriverkoissa vähentää lähettävän tiedon määrää. Langattomissa sensoriverkoissa ei pystytä hyödyntämään hajautettuja järjestelmiä varten kehitettyjä algoritmeja, koska ne perustuvat klassiseen ajattelutapaan maksimoida suoritusnopeus. Sensoriverkot asettavatkin niissä käytettäville algoritmeille ja protokollille omat vaatimuksensa. Tavallisesti sensoriverkot ovat myös huomattavasti suurempia ja niissä on laitteita tiheämmässä kuin ad hoc -verkoissa. [11,13]
17 3. VIRRANKULUTUKSEN HALLINTA Virrankulutukseen vaikuttavia tekijöitä on monia, joiden yhteisvaikutuksesta syntyy laitteen kokonaisvirrankulutus. Eri asioiden vaikutus kokonaisuuteen on tärkeä ymmärtää jo suunnitteluvaiheessa, erityisesti jos kyseessä on paristokäyttöön tarkoitettu laite. Tässä kappaleessa tarkastellaan yleisesti eri järjestelmissä käytössä olevia virransäästömenetelmiä ja niiden soveltuvuutta sensoriverkon laitteisiin. 3.1. Lähetystehon hallinta Virrankulutuksen osatekijöitä tutkittaessa, yhdeksi merkittävimmäksi kulutuksen osatekijäksi osoittautui radiopiiri. Radion virrankulutukseen ei juuri vaikuta, onko radio vastaanottotilassa vai lähettääkö se, joten lepotilassa radio on itse asiassa sammutettava kokonaan. [14] Virrankulutus radiopiirissä koostuu useista tekijöistä, kuten toimintatilasta, lähetystehosta ja radiopiirin piiriteknologiasta. Toimintatilalla tarkoitetaan radiopiirin eri tiloja kuten lähetys-, vastaanotto- ja lepotiloja. Lähetysteho on riippuvainen verkon vaatimuksista, kuten reititysprotokollasta ja MAC-protokollan käytöstä. Radiopiirin suunnittelussa tulee turvata pieni virrankulutus kaikissa kolmessa toimintatilassa. Laitteen tulee mennä lepotilaan, kun laite ei lähetä, ja vastaanotto tulee tapahtua niin, että ulkopuolinen laite antaa ohjaussignaalin vastaanottimen herättämiseen. Virrankulutuksesta huolehtiminen kuuluu aina siirtoyhteyskerroksesta verkkokerrokseen, kuljetuskerrokseen ja sovelluskerrokseen saakka. Siirtoyhteyskerroksessa voidaan tehdä energiankulutuksen hallintaa ottamalla protokollan suunnittelussa tiettyjä asioita huomioon. Siirtoyhteyskerroksen protokollaa suunniteltaessa tulee vähentää tarpeettomia uudelleenlähetyksiä, estää törmäykset tiedonsiirtokanavassa, siirtyä valmius- tai lepotilaan aina kun mahdollista ja vähentää siirtymistä lähetys- ja vastaanottotilojen välillä. [10 s. 214-215] Radioliikenteessä energiaa kuluu moniin asioihin. On tärkeää tunnistaa nämä asiat, että niihin voidaan puuttua jo suunnitteluvaiheessa. Ensimmäinen asia on törmäykset radiokanavalla, jotka aiheuttavat lähetetyn paketin turmeltumisen ja hylkäyksen. Hylätty paketti tulee lähettää uudelleen, mihin tuhlautuu energiaa ja mikä aiheuttaa viivettä tiedonsiirrossa. Toinen asia on ylikuuluminen eli laitteet vastaanottavat paketteja, joita ei ole tarkoitettu niille, ja kolmantena kontrollipakettien lähettäminen ja vastaanottaminen. Viimeisenä suurena tekijänä on laitteen turha radioliikenteen kuuntelu (idle listening), millä tarkoitetaan, että laite kuuntelee vaikka radiokanavalla ei ole liikennettä. Tätä tapahtuu erityisesti monissa sensoriverkoissa ja laitteet voisivat olla lepotilassa, jos liikennettä ei ole. Kuitenkin monissa MAC-protokollissa kuten IEEE 802.11 ad hoc -verkoissa ja CDMA-kanavanvaraustekniikkaa (Code Division Multiple Access) käyttävissä verkoissa laitteiden tulee kuunnella radiokanavaa mahdollisen liikenteen varalta ja lepotilaan ei voida siirtyä. [15] S-MAC-protokollassa (Sensor-Medium Access Control) on käytössä samanlaisia menetelmiä kuin IEEE 802.11 -standardinkin mukaisissa laitteissa. Lisäksi S-MAC toteutus sisältää virtuaalisen ja fyysisen kantoaallon tunnistuksen ja RTS/CTSkanavanvarausmenetelmän (Request to send / Clear to send) piilolaite (hidden node) ongelman välttämiseksi. Protokollassa käytetään NAV-kenttää (Network Allocation
18 Vector), joka ilmaisee tiedonsiirron pituuden ja näin muut laitteet tietävät miten kauan heidän pitää odottaa kanavan vapautumista. Vuoroansa odottava laite käyttää ajastinta ja joka kerta kun ajastin laukeaa, vähennetään NAV-kentästä saatua muuttujaa yhdellä. Ennen lähettämistä laite tarkistaa NAV-muuttujan arvon ja mikäli se on nollasta poikkeava, laite tietää kanavan olevan varattu. Tätä kutsutaan virtuaaliseksi kanavanvarausmenetelmäksi. Fyysinen kanavanvarausmenetelmä toimii fyysisellä kerroksella, missä laite aistii kantoaallon perusteella kanavan varaustilanteen. Kanava on vapaa kun sekä fyysinen että virtuaalinen menetelmä ilmaisevat sen olevan vapaa. [15] Kuva 4. Lähetystehon säätämisestä saavutettavia etuja. Langattomassa verkossa verkon topologia on tavallisesti muutettavissa vaikka verkossa ei olisi liikkuvia laitteita. Muuttamalla lähettimen lähetystehoa ja antennin suuntaa voi verkon topologia muuttua. Lähetystehon hallinnalla saavutettavia etuja ovat muun muassa pariston energian säästäminen sekä radiotaajuuksien tehokkaampi käyttö. Laitteen liikennöidessä tarpeettoman suurella lähetysteholla, se saattaa estää kauempana olevien muiden laitteiden radioliikenteen. [16] Kuvassa 4 on havainnollistettu kuinka tarpeettoman suurella lähetysteholla liikennöivä laite estää muiden laitteiden radioliikenteen kuuluvuusalueellaan. Lähetystehon säätämisellä voidaan säästää sekä itse lähettävän laitteen energiavaroja että muiden verkon laitteiden energiavaroja. Lähetystehon säätäminen niin tukiasemassa kuin liikkuvassa asemassa on erittäin tärkeää, koska yhteyden laatuun vaikuttavat monet ilmiöt [3]. Matkapuhelinverkoissa näitä ilmiöitä ovat muun muassa monitie-etenemisestä aiheutuvat vaikutukset, liikkuvan laitteen nopeus ja etäisyys tukiaseman välillä [3]. Lähetystehon säätämisessä tulee olla tukiaseman ja laitteen välillä yhteinen mekanismi [3 s. 287]. Langattomissa sensoriverkoissa edellä mainituilla ilmiöillä ei ole niin suurta vaikutusta kuin matkapuhelinverkoissa, koska matkapuhelinverkoissa laitteen ja tukiaseman välinen etäisyys on suurempi kuin sensoriverkoissa. Sensoriverkoissa voidaan kuitenkin hyödyntää samanlaisia lähetystehon säätämiseen käytettäviä tekniikoita kuin matkapuhelinjärjestelmissäkin. Lähetystehon hallinnan toteutukseen voidaan käyttää esimerkiksi avointa tai suljetun silmukan menetelmää. Avoimessa silmukassa toteutus perustuu yleensä paluuyhteyteen, missä laite mittaa vertailuarvoa tukiaseman yhteyteen. Vertailuarvon mittauksessa voidaan mitata monenlaisia arvoja kuten RSS-arvoa (Receive Signal
19 Strength), kehystä tai BER-arvoa (Bit Error Rate). Jos RSS-arvo tai BER-arvo on kynnysrajan yläpuolella, laite vähentää automaattisesti lähetystehoa ja yhteyden ollessa huonompi lisää lähetystehoa. Tämä ei ole hyvä menetelmä, koska päätökset perustuvat paluukanavan mittaustietoihin ja lähetys tapahtuu toisella kanavalla, jonka olosuhteet saattavat olla hyvinkin erilaiset. Järjestelmästä riippuen toteutus saattaa aiheuttaa myös huomattavan viiveen lähetystehon hallinnassa. Esimerkiksi TDMAjärjestelmissä (Time Division Multiple Access) vastaanotto ja lähetys tapahtuvat eri aikaan, mistä syntyy viivettä avoimen silmukka lähetystehon hallinnan toteutuksessa. Suljetun silmukan menetelmä poistaa avoimen silmukan menetelmässä havaittuja haittoja. Suljetun silmukan menetelmä perustuu paluuviestin käyttöön, missä tukiasema mittaa laitteen lähettämän signaalin laadun ja ilmaisee laitteelle mitä toimenpiteitä sen tulee tehdä. Suljetun silmukan menetelmää voidaan käyttää myös tukiasemassa mutta se ei ole niin tärkeää, koska tukiasemalla ei ole yleensä rajoitettua paristoon perustuvaa virtalähdettä. [3 s. 287-288] 3.2. Pariston energianhallinta Pariston energianhallinnan tavoitteena on pidentää laitteessa pariston kestoikää hyväksikäyttämällä pariston kemikaalisia ominaisuuksia, purkamalla varausta mallin mukaan ja käyttämällä vikasietoisia paristoja. Viimeisimmät tulokset osoittavat, että pulssimainen pariston purkaminen antaa pidemmän käyttöiän paristolle kuin jatkuva purkaminen. On tärkeää seurata lataus- ja purkutasoa, jotta vältytään ylilataamiselta ja täydelliseltä pariston tyhjenemiseltä. Tällainen kontrolliyksikkö voidaan sisällyttää esim. akkupakettiin. Myös siirtoyhteys- ja verkkokerroksen protokollissa voidaan suunnitella hyväksikäytettäviksi purkautumismalleja. Seuraamalla pariston jännitetasoa, jäljellä olevaa kapasiteettia ja lämpötilaa voidaan ennakoida toimenpiteitä, jotka voivat olla tarpeellisia, kuten milloin laite tulee sammuttaa. [10 s. 215] Paristo on lähetin-vastaanottimen kallein osa. Paristo tarjoaa energian yhteyksiin mutta toimivuuden ja vaihdettavuuden kustannuksella. Kokonaiskuluja ei saada pieniksi, mikäli joudutaan käyttämään erikoisparistoja. Edulliset paristot puolestaan rajoittavat muita järjestelmän ominaisuuksia. Esimerkiksi täyteen ladattu energiakapasiteetti ja hetkellinen tehonantokapasiteetti liittyvät toisiinsa. Täyteen ladattu energiakapasiteetti on saavutettavissa vain jos hetkellinen tehontarve on rajoitettu. Laitteen virrankulutuksen tulee olla jatkuvasti erittäin alhainen, mikäli pariston kokonaisvaraus halutaan hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti. [8 s. 25] Kun tulevaisuudessa laitteista saadaan riittävän edullisia, niin pariston vaihdon sijasta voidaan vaihtaa koko laite [15]. Pitkä pariston käyttöikä perustuu sensorien ja lähettimen virrankulutuksen yhteisvaikutukseen [17]. Järjestelmän suunnittelussa voidaan laskea keskimääräinen sallittu virrankulutus, jos tiedetään käytettävä paristo ja toivottu pariston kestoikä. Jos tavoiteltava pariston kestoikä olisi kaksi vuotta ja käytettävä paristo AAA-kapasiteetiltaan 750 mah, niin yhden voltin käyttöjännitteellä voidaan laskea tasainen jatkuva virrankulutus seuraavasti [9]
20 E par I avg =, (2) t jossa I avg on laitteelle sallittu keskimääräinen jatkuva virrankulutus, E par on pariston energiavaraus ja t on toivottu käyttöaika laitteelle. Koska virrankulutus vaihtelee laitteessa sen toiminnallisuuden mukaan, tulee siinä huomioida lähetys-, vastaanotto- ja virransäästötilojen kestoajat. Keskimääräisen virrankulutus laskettua kaavalla [9] I avg = T I + T I + ( 1 T T ) I, (3) rxon rxon txon txon rxon txon stby jossa I avg on laitteen keskimääräinen virrankulutus T rxon on vastaanottimen päälläoloajan suhteellinen osa, I rxon on laitteen virrankulutus vastaanottimen ollessa päällä, T txon on lähettimen päälläoloajan suhteellinen osa, I txon on laitteen virrankulutus lähettimen ollessa päällä ja I stby on laitteen virrankulutus laitteen ollessa lepotilassa. Alkeellisella laskentatavalla AAA-pariston 750 mah varaus kestää parisen vuotta jos toimintajakso on pienempi kuin 0,5 prosenttia ja laitteen tyypillinen virrankulutus 10 ma aktiivitilassa. [8 s. 9] 3.3. Laitteen virrankulutukseen vaikuttavia tekijöitä Prosessorin kellonopeus ja suoritettavien käskyjen määrä aikayksikössä vaikuttavat prosessorin virrankulukseen. Prosessori voidaan myös laittaa erilaisiin virransäästötiloihin silloin, kun prosessorin kuormitus on matala tai sammuttaa täysin, mikäli laite on ollut pitkään täysin jouten. Käyttäjän tai tapahtumien aiheuttamat keskeytykset voivat käynnistää prosessorin uudelleen. [10 s. 215-216] Älykäs laitehallinta osaa vähentää virrankulutusta mobiililaitteessa merkittävästi. Käyttöjärjestelmällä voidaan ohjata laiteet erilaisiin virransäästötiloihin riippuen niiden käytöstä tai sammuttaa kokonaan, mikäli niitä ei käytetä. Laitteen tehokkaaseen hallitsemiseen vaaditaan käyttöjärjestelmän ja sovelluksen laajennettuja virranhallintaominaisuuksia. [10 s. 216] 3.3.1. MAC-kerroksen vaikutus virransäästössä Langattomien paristokäyttöisten järjestelmien suosion kasvaessa tietoliikenneprotokollien energiankulutuksesta on tullut ensisijainen mittari perinteisten kapasiteetin ja vikasietoisuuden mittaamisen rinnalle. Tiedonsiirrossa kuluvaa energiaa on usein
21 mallinnettu suhteella µj/bit, mikä ei huomioi laitteiston ja protokollan yleiskustannuksia kuten kehyksen rakennetta. Energiankulutuksen vähentäminen langattomissa mikrosensoreissa vaatii, että kaikki liikennöintiin liittyvät osapuolet kuten protokolla ja MAC-kerros ovat räätälöityjä sovellukseen. [7 s. 82] Hyvässä MAC-kerroksen toteutuksessa eräs tärkeimmistä asioista on virrankulutus, koska sensoriverkon laitteet ovat yleensä paristokäyttöisiä ja paristojen vaihtaminen on usein vaikeaa. Paristokäyttöiset laitteet ovat verkon käyttöiän kriittisin kohta. Toinen tärkeä asia MAC-kerroksen suunnittelussa on laitteiden skaalautuvuus ja mukautuvuus verkon koon, laitteiden tiheyden ja topologian mukaan. Jotkut laitteet kestävät toisia pitempään, toiset laitteet liittyvät verkkoon myöhemmin jotkut laitteet liikkuvat. Hyvä MAC-protokolla osaa sujuvasti sulautua verkon muutoksiin. Langattomia sensoriverkkoja varten on kehitetty MAC-protokolla, jossa virrankulutusasiat ovat olleet tärkein kehityskohde. Protokolla tunnetaan nimellä sensori-mac eli S- MAC. [15] Tärkein vaatimus standardin IEEE 802.15.4 mukaisille laitteille on erinomainen pariston kestävyys, mihin päästään käyttämällä alhaista lähetystehoa ja hyvin lyhyttä toimintajaksoa (low duty-cycle) [7]. Standardin mukaiset laitteet voivat olla lepotilassa enemmän kuin 99,9 prosenttia toiminta-ajastaan ja käyttävät matalatehoista hajaspektritekniikkaa tiedonsiirrossa, joten ne eivät häiritse muita 2,4 GHz:n taajuusalueella toimivia laitteita [7 s. 305-306]. Lyhyen toimintajakson menetelmästä käytetään IEEE 802.11-standardissa nimeä virransäästötila (powersave), mikä on lisäominaisuus kaikissa laitteissa ja mihin siirrytään kun laite on ollut pitkään toimettomana [15]. Koska virran saatavuus on rajoitettu saavuttaaksemme pitkän pariston käyttöiän, tulee jatkuvan energiankulutuksen olla erittäin vähäistä tai pienissä jaksoissa pieniä eriä. Virrankulutuksen seurauksena käytännön langattomissa piireissä on epätarkoituksenmukaista päästä toivottuun pariston käyttöikään jatkuvalla toiminnalla. Tätä varten standardissa on suunniteltu toiminto hyvin lyhyelle toimintajaksolle. Standardi sallii osassa laitteissa sekä lähettimen, että vastaanottimen olla yli 99 prosenttia poissa toiminnasta käytön aikana. [8 s. 25-26] 3.3.2. Sensoriverkon synkronointimenetelmiä Toteutuksesta riippuen lyhyessä toimintajaksossa vastaanotin ja lähetin ovat suurimman osan ajasta pois päältä. Lyhyttä toimintajaksoa käyttävät laitteet tulee tästä syystä synkronoida toimimaan oikeilla hetkillä, ettei laitteiden välille synny tarvetta kilpailla radiokanavasta. Synkronointi voi tapahtua esimerkiksi majakkaviestien avulla, joilla laitteet tahdistetaan toimimaan tietyin aikavälein tai niille annetaan aikajakso, milloin ne saavat liikennöidä [8 s. 100]. Ilman mitään synkronointia todennäköisyys kahden laitteen välisten lähetysten törmäyksille radiokanavassa on erittäin pieni, mikä johtuu pitkästä lepoajasta [18]. Törmäysten todennäköisyyteen vaikuttaa lepojakson pituuden lisäksi myös laitteiden määrä verkossa. Verkon laitteiden määrän ja tiedonsiirron lisääntyessä verkossa, todennäköisyys törmäyksille kasvaa verkossa. Yleisesti, kun langattomuutta esitellään, esiin nousee kysymys lähetyksen luotettavuudesta. Perinteisesti ainoana mahdollisena tapana on pidetty pollaavaa vastaanottotapaa, mutta varmistettu lähetys on kuitenkin toinen tapa hoitaa asia luotettavasti.