Повышение эффективности передачи пакетов информации в сенсорных и локально-региональных радиосетях

Пакетная передача информации получила широкое применение в персональных, сенсорных, локально-региональных и глобальных компьютерных сетях, независимо от типа среды передачи разнообразных данных. В свою очередь широкое применение радиосетей в промышленности, на транспорте в телемедицинских системах, в системах безопасности движения транспортных средств, видеомониторинга и дистанционного отслеживания состояний удаленных объектов требует от разработчиков информационных систем обеспечения конфиденциальной и криптостойкой передачи данных в радиоканале. Как правило, диапазоны рабочих полос радиочастот распространенных технологий построения радиосетей (ZigBee, Wi-Fi, WiMax и др.) известны многим пользователям, поэтому существует высокая вероятность доступа несанкционированных абонентов к массивам данных, передаваемых в пакетах информации, кроме того, существует высокая вероятность подмены данных и имитации работы санкционированных абонентов сети несанкционированными пользователями

Повышение эффективности функционирования перспективных и действующих пакетных радиосетей достигается за счет комплексной обработки и кодирования данных (измерительных сигналов, видеоданных, различных массивов (файлов) данных) в местах их образования, то есть непосредственно на абонентских системах (станциях) компьютерных сетей. В то же время нерешенными проблемами формирования компактных, криптонадежных и помехоустойчивых пакетов достоверных и информативных данных, которые бесконфликтно и оперативно передаются в сетях связи, остается оптимизация комплекса задач, связанных с вводом, обработкой, кодированием и передачей информации с учетом ограничения на производительность (включая быстродействие и энергопотребление) абонентских процессоров и ограниченность рабочих частотных ресурсов радиоканала

Таким образом, с учетом вышеизложенного, необходимость решения задачи организации передачи пакетов в сенсорных и локально-региональных радиосетях с учетом достижения заданного уровня защиты информации, энергоэффективности и скорости предопределила выбор темы данной статьи.     

Разработке методологии реализации быстродействующей комплексной обработки и кодирования данных на абонентских системах радиосетей в процессе формирования и передачи компактных, псевдохаотических и защищенных пакетов информации посвятили свои труды Ясинский С.А., Елисеев Д.И., Оранский С.В., Репин Б.Г., Григорчук А.Н., Крюков И.Н.

Разработкой и обоснованием последовательности операций по защите информации в радиосетях, с учетом достижения теоретической устойчивости защиты данных абонентами сети, занимаются такие авторы как: Пугач А.В., Степанова Д.С., Гаипов К.Э., Жебель В.А., Солдатов А.И., Лещинская Э.М.

Горяинов Р.И., Левко И.В., Шуваев Н.А.

Вересова А.М., Овчинников А.А.

По мнению Есмагамбетова Б.Б.С.

В то же время, несмотря на имеющиеся труды и наработки, вопросы, связанные с поддержкой высокой информационной эффективности разветвленной радиосети сбора, обработки и передачи информации в условиях изменения энергетического соотношения сигнал/шум в радиоканале в больших пределах остаются открытыми.

Таким образом, цель статьи заключается в рассмотрении возможностей повышения эффективности передачи пакетов информации в сенсорных и локально-региональных радиосетях.

Построение информационно-эффективных радиосетей широкого применения основывается на реализации в местах зарождения информации методов и алгоритмов многофункциональной обработки и кодирования данных (сигналов, видеосигналов, массивов данных) с учетом минимизации выходных потоков криптостойких и помехоустойчивых информационных пакетов

Основой для эффективного функционирования радиосетей является поддержка абонентами сети текущей скорости передачи информации Ri → Rmax в условиях изменения соотношения сигнал/шум в канале связи в больших пределах, где , Rmax – максимальная скорость передачи информации (бит/c); F – величина рабочей полосы частот радиоканала; ks>1.4-1.8 – коэффициент, учитывающий качество восстановления фронтов цифровых (импульсных) сигналов; Tb – продолжительность двоичного символа (с).

Текущая скорость передачи информации в промежуточных каналах связи с рабочей полосой  зависит от длительности каждого битового символа 

 k-го информационного пакета, где  суммарного коэффициента сжатия данных i-й абонентской системы, формирующей и передающей информационные пакеты, а также от величины базы  s-го битового символа k-го информационного пакета, где s = 1, ..., Nk, Nk – максимальное количество битовых символов k-го информационного пакета, включая символы синхропоследовательности, начала информационного пакета, поля адреса, поля управления, информационного кадра, проверочного кода и признака завершения информационного пакета.

Достижение максимальной текущей скорости передачи информации Ri в радиолинии с рабочей полосой частот F при условии поддержания необходимого энергетического соотношения  в радиоканале (Eb энергия сигнала для одного бита (удельная энергия одного бита), , где J – средняя мощность суммарных помех,  – плотность мощности шума на один бит (спектральная плотность мощности шума)) осуществляется путем адаптивного выбора минимально необходимой базы канальных сигналов B с учетом текущего соотношения сигнал/шум, максимального сжатия данных на информационном уровне и путем повышения информативности радиотехнических средств абонентских систем за счет реализации многопозиционных методов модуляции, передачи данных с использованием ортогональных поднесущих, многолучевых антенных систем

Для построения портативных сетевых средств широкого применения целесообразно использовать радиомодули ISM-диапазона известных компаний (SEMTECH (Xemics – DP1203F и др.), Chipcon, Freescale, Jen-nic и др.), дополненных микроконтроллерами (ARM7, ARM9, Cortex A8 и др.), сигнальными процессорами, например, семейства Blakfin компании Analog Devices (ADSP BF52x, 53x, 54x) и средствами формирования, передачи и приема шумоподобных сигналов с адаптивной базой (B=1, ..., Bmax). При использовании шумоподобных сигналов (ШПС) скорость передачи информации в таких радиосетях определяется выражением:

, где  – суммарный коэффициент сжатия данных;  – коэффициент сжатия данных на информационном уровне;  – коэффициент сжатия данных на радиотехническом уровне;

L – количество ортогональных ШПС, которые асинхронно передаются в общем радиоканале  (величина L согласована с количеством независимых кодовых моноканалов, находящихся в полосе частот F).

Анализ вышеприведенной формулы показывает, что при ограниченной рабочей полосе частот F радиоканала и использовании упрощенных радиотрактов абонентских систем осуществление информационно-эффективной передачи информационного пакета (Ri→Rmax,η→1) достигается за счет максимального компактного кодирования данных на информационном уровне средств абонентских систем, выбора минимально необходимой базы Bmin канальных сигналов для поддержания необходимого энергетического соотношения , реализации эффективных способов помехоустойчивого кодирования данных информационных пакетов, параллельной передачи информационных пакетов независимыми L кодовыми каналами

Комплекс требований и условий реализации информационно-эффективной передачи пакетов данных описывается такой системой выражений:

, где  – вероятность бесконфликтной передачи пакетов информации в процессе множественного доступа абонентов сети к общим ресурсам (моноканалов, абонентов);  – максимальное количество конфликтующих абонентов сети;   – количество уровней приоритетности абонентов радиосети;  – величина степени защиты информации на абонентских системах радиосети;   – длина одноразовой криптостойкой псевдослучайной последовательности, которая используется для гаммирования компактных массивов данных; S – мощность канального сигнала; J – средняя мощность суммарных помех в радиоканале;  – минимально необходимая база канальных сигналов для поддержания требуемого энергетического соотношения в точке приема для j-го пакета;   – максимальная скорость передачи информации, которую определяют как количество информации  в битах, передаваемой на протяжении продолжительности текущего интервала занятости канала связи tz;  – интервал доступа абонентов к общим ресурсам сети;  – продолжительность информационного пакета; – продолжительность пакета-квитанции.

Комплексная обработка и кодирование мониторинговых данных на абонентских системах радиосетей предусматривает выполнение последовательности алгоритмов, включая: фильтрацию и сжатие сигналов с допустимыми потерями данных; сжатие данных без потерь; защиту компактных массивов данных; помехоустойчивое кодирование информационных пакетов с учетом текущего соотношения сигнал/шум в канале связи

Таким образом, реализация надежной и высокоскоростной передачи информационных пакетов в радиосетях без существенного усложнения радиотехнического оборудования абонентских систем достигается за счет ретрансляции пакетов с учетом наличия альтернативных маршрутов передачи данных, компактного, криптостойкого и помехоустойчивого кодирования данных непосредственно в местах их возникновения. При этом в процессе установления связи соседние абоненты должны определять состояние канала и выбирать необходимую величину  

В большинстве приложений сенсорных сетей датчики размещаются в регионе для получения данных об окружающей среде. После того как данные собраны несколькими источниками (например, датчиками вблизи интересующего события), они пересылаются, возможно, через несколько переходов к одному месту назначения (стоку). Это обстоятельство, а также тот факт, что информация, собранная соседними датчиками, часто избыточна и сильно коррелирует между собой, а энергия значительно ограничена (поскольку после развертывания большинство сенсорных сетей работает в необслуживаемом режиме), обусловливает необходимость объединения данных. Вместо того чтобы передавать все данные на централизованный узел для обработки, они обрабатываются на месте и в сжатом виде передаются (возможно, через несколько переходов) на поглотители. Объединение данных позволяет сократить количество пакетов, передаваемых между датчиками, и, следовательно, снизить затраты на пропускную способность и энергию. Преимущества такого подхода становятся очевидными, особенно в крупномасштабных сетях.

В процессе сжатия данных с допустимыми потерями в наиболее быстродействующем алгоритме кодирования сигналов (видеосигналов) определяют амплитудно-временные характеристики существенных отсчетов экстремумов (СО-Э) и промежуточных СО, которые вычисляются на пологих участках сигналов через определенный интервал времени, величина которого зависит от минимально необходимого коэффициента сжатия данных Kcmin. При этом для более компактного кодирования СО-Э и промежуточных СО, в зависимости от прикладных задач и требований к точности восстановления огибающих сигналов (видеосигналов), соответствующие СО целесообразно кодировать с использованием минимального qmin или максимального qmax количества бит отсчетов СО. При наличии соседних СО-Э некоторые из них могут игнорироваться. В более точном алгоритме определяют СО-Э и точки перегиба, а также промежуточные СО.

Таким образом, резюмируя результаты проведенного исследования, отметим, что пакетная передача информации получила широкое применение в персональных, сенсорных, локально-региональных и глобальных компьютерных сетях, независимо от типа среды передачи различных данных. Средой может быть оптоволоконный или кабельный канал связи, радиоканал, лазерный канал, гидроканал, энергетические линии и др. В процессе исследования установлено, что существенное повышение эффективности передачи информации в сенсорных и локально-региональных радиосетях достигается за счет реализации информационно-эффективных методов и алгоритмов обработки сигналов, кодирования массивов данных на основе сжатия-защиты достоверных данных, с учетом предварительно заданной степени защиты информации в сети, и путем адаптивного выбора базы шумоподобных сигналов пакетов данных.

Также установлено, что достижение высокоскоростной и надежной передачи информационных пакетов в сенсорных и локально-региональных радиосетях без существенного усложнения радиотехнического оборудования абонентских систем достигается за счет ретрансляции пакетов с учетом наличия альтернативных маршрутов передачи данных, компактного, криптостойкого и помехоустойчивого кодирования данных непосредственно в местах их возникновения. Повышенная помехоустойчивость передачи информации при низком соотношении сигнал/шум в радиоканале достигается за счет реализации помехоустойчивого кодирования и перемешивания данных, путем передачи шумоподобных информационных пакетов с оперативно определенной минимально необходимой базой. Перспективным способом помехоустойчивого кодирования данных информационного пакета является применение рекурсивного кодирования последовательностей битов с использованием кодов поля Галуа и формирования сигнальных корректирующих последовательностей, которые передаются в радиоканале.

Дальнейшим направлением повышения эффективности функционирования радиосетей является реализация абонентами сети сверхвысокой сжатия-защиты данных.