Коап рф 12 37: КоАП РФ Статья 12.37. Несоблюдение требований об обязательном страховании гражданской ответственности владельцев транспортных средств

Содержание

Административная ответственность по статье 13.37 Кодекса Российской Федерации об административных правонарушениях БАРНАУЛ :: Официальный сайт города

Порядок приема и рассмотрения обращений

Все обращения поступают в отдел по работе с обращениями граждан организационно-контрольного комитета администрации города Барнаула и рассматриваются в соответствии с Федеральным Законом от 2 мая 2006 года № 59-ФЗ «О порядке рассмотрения обращений граждан Российской Федерации», законом Алтайского края от 29.12.2006 № 152-ЗС «О рассмотрении обращений граждан Российской Федерации на территории Алтайского края», постановлением администрации города Барнаула от 21.08.2013 № 2875 «Об утверждении Порядка ведения делопроизводства по обращениям граждан, объединений граждан, в том числе юридических лиц, организации их рассмотрения в администрации города, органах администрации города, иных органах местного самоуправления, муниципальных учреждениях, предприятиях».

Прием письменных обращений граждан, объединений граждан, в том числе юридических лиц принимаются по адресу: 656043, г.Барнаул, ул.Гоголя, 48, каб.114

.

График приема документов: понедельник –четверг с 08.00 до 17.00пятница с 08.00 до 16.00, перерыв с 11.30 до 12.18. При приеме документов проводится проверка пунктов, предусмотренных ст.7 Федерального закона от 02.05.2006 № 59-ФЗ «О порядке рассмотрения обращений граждан Российской Федерации»:

1. Гражданин в своем письменном обращении в обязательном порядке указывает либо наименование государственного органа или органа местного самоуправления, в которые направляет письменное обращение, либо фамилию, имя, отчество соответствующего должностного лица, либо должность соответствующего лица, а также свои фамилию, имя, отчество (последнее — при наличии), почтовый адрес, по которому должны быть направлены ответ, уведомление о переадресации обращения, излагает суть предложения, заявления или жалобы, ставит личную подпись и дату.

2.  В случае необходимости в подтверждение своих доводов гражданин прилагает к письменному обращению документы и материалы либо их копии.

3.  Обращение, поступившее в государственный орган, орган местного самоуправления или должностному лицу в форме электронного документа, подлежит рассмотрению в порядке, установленном настоящим Федеральным законом.

В обращении гражданин в обязательном порядке указывает свои фамилию, имя, отчество (последнее — при наличии), адрес электронной почты. Гражданин вправе приложить к такому обращению необходимые документы.

В соответствии со статьей 12 Федерального закона от 2 мая 2006 года № 59-ФЗ письменное обращение, поступившее в государственный орган, орган местного самоуправления или должностному лицу рассматривается в течение 30 дней со дня его регистрации.

Ответ на электронное обращение направляется в форме электронного документа по адресу электронной почты, указанному в обращении, или в письменной форме по почтовому адресу, указанному в обращении.

Итоги работы с обращениями граждан в администрации города Барнаула размещены на интернет-странице организационно-контрольного комитета.

Обжалование постановлений

Штрафы:

Управление муниципальной милиции уведомляет всех автовладельцев, что действие части 1.3 статьи 32.2 КоАП РФ (об уплате половины суммы административного штрафа) НЕ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ на штрафы, наложенные за совершение правонарушений, предусмотренных статьей 11.10 Закона Удмуртской Республики от 13.10.2011г. № 57-РЗ «Об установлении административной ответственности за отдельные виды правонарушений» («Неисполнение требований нормативных правовых актов органов местного самоуправления»), в связи с чем оплачивать такие штрафы необходимо в полном объеме.

Возможность оплаты половины суммы административного штрафа предусмотрена лишь при уплате штрафа, наложенного за совершение некоторых правонарушений, предусмотренных главой 12 КоАП РФ.
Срок оплаты административного штрафа составляет шестьдесят дней со дня вступления постановления о наложении административного штрафа в законную силу. На основании п.1 ст.30.3 КоАП РФ жалоба на постановление по делу об административном правонарушении может быть подана в течение десяти суток со дня вручения или получения копии постановлении.

Все вопросы, касающиеся штрафов, Вы можете задать по телефону: 41-43-11, 41-43-15

Обжалование постановлений:

В соответствии с п. 2 ч.1 ст. 30.1. КоАП РФ постановление об административном правонарушении, вынесенное коллегиальным органом может быть обжаловано - в районный суд по месту нахождения коллегиального органа, а именно в Первомайский районный суд города Ижевска, расположенный по адресу: 426004, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Ленина, д.37, тел.: (3412) 68-10-77, 66-54-58(факс) e-mail:[email protected]

В соответствии с ч. 3 ст. 30.1 КоАП РФ постановление по делу об административном правонарушении, связанном с осуществлением предпринимательской или иной экономической деятельности юридическим лицом или лицом, осуществляющим предпринимательскую деятельность без образования юридического лица, обжалуется в арбитражный суд в соответствии с арбитражным процессуальным законодательством.

: Прикубанский внутригородской округ города Краснодара :: Администрации внутригородских округов :: Администрация :: Krd.ru

Противодействие коррупции является одной из приоритетных задач государственной политики и важнейшим направлением деятельности органов прокуратуры, которым отводится центральное место в реализации антикоррупционного законодательства и обеспечении его неукоснительного соблюдения.

В истекшем периоде 2019 года прокуратурой Прикубанского административного округа г. Краснодара выявлено 119 нарушений закона в данной сфере, с целью устранения которых внесено 33 представления об устранении нарушений закона, 37 лиц привлечено к дисциплинарной ответственности, 17 лиц по постановлению прокурора привлечено к административной ответственности, в порядке ч. 2 ст.37 УПК РФ направлено 2 материала в следственные органы, по которым возбуждено 2 уголовных дела по ч.3 ст.159 УК РФ.

Так, в 2019 году установлено более 30 фактов укрытия объектов недвижимости, участия в коммерческих организациях и иных нарушений, допущенных государственными и муниципальными служащими, которые по представлениям прокурора привлечены к строгой дисциплинарной ответственности.

В силу требований ст.12 Федерального закона от 25.12.2008 № 273-ФЗ «О противодействии коррупции» (далее – Закон № 273-ФЗ) работодатель в определенных данным законом случаях должен сообщать о заключении с бывшим государственным (муниципальным) служащим трудового или гражданско-правового договора.

Ответственность за неисполнение указанного требования несут лица, занимающие должность руководителя или уполномоченные подписывать трудовой (гражданско-правовой) договор со стороны работодателя, а также юридические лица.

При этом, привлечение к административной ответственности должностного лица не освобождает от нее юридическое лицо.

К ответственности могут быть привлечены и граждане (физлица). Например, частные нотариусы, адвокаты, учредившие адвокатские кабинеты, и другие лица, занимающиеся частной практикой.

Практика показывает, что в настоящее время продолжают иметь место многочисленные факты нарушения порядка направления работодателями уведомлений о заключении трудовых договоров с бывшими государственными (муниципальными) служащими по месту прохождения последними службы.

По выявленными нарушениям в 2019 году прокурором округа возбуждено 17 дел об административных правонарушениях, из них 16 - по ст.19.29
КоАП РФ (незаконное привлечение к трудовой деятельности либо к выполнению работ или оказанию услуг государственного или муниципального служащего либо бывшего государственного или муниципального служащего),    1 - по ст. 19.28 КоАП РФ (незаконное вознаграждение от имени юридического лица), в связи с передачей директором юридического лица судебному приставу-исполнителю взятки за совершение заведомо незаконных действий в рамках сводного исполнительного производства, возбужденного в отношении указанного юридического лица.

Борьба с коррупцией заключается не только в применении правовых мер, направленных на преследование за совершение коррупционных правонарушений, но и в превентивной работе по повышению уровня правосознания граждан, проведение профилактической работы, направленной на формирование антикоррупционного поведения гражданина.

Так, в силу ст. 13.3 Закона № 273-ФЗ все организации, независимо от организационно-правовой формы, обязаны разрабатывать и принимать меры по предупреждению коррупции, которые могу включать в себя определение подразделений или должностных лиц, ответственных за профилактику коррупционных и иных правонарушений; сотрудничество организации с правоохранительными органами; разработку и внедрение в практику стандартов и процедур, направленных на обеспечение добросовестной работы организации; принятие кодекса этики и служебного поведения работников организации; предотвращение и урегулирование конфликта интересов и другие меры.

Однако в текущем году прокуратурой округа выявлены факты непринятия организациями мер по противодействию и профилактике коррупции, в результате чего внесено 12 представлений об устранении нарушений, которые рассмотрены и удовлетворены, организациями разработаны и приняты соответствующие меры по предупреждению коррупции.

Читайте новости Краснодара в нашем канале Telegram

Суд назначил экспертизу по делу о пропаганде наркотиков в шоу Дудя - Газета.Ru

Прослушать новость

Остановить прослушивание

close

100%

Александр Вильф/РИА «Новости»

Зюзинский суд Москвы назначил проведение психолого-лингвистической экспертизы по административному делу в отношении блогера Юрия Дудя, сообщает ТАСС со ссылкой на пресс-службу суда.

Дудю вменяют статью о пропаганде наркотических средств с использованием интернета. «На основании определения судьи Зюзинского районного суда Москвы по делу об административном правонарушении, предусмотренном ч. 1.1 ст. 6.13 КоАП РФ, в отношении Дудя Ю. А. назначена судебная психолого-лингвистическая экспертиза», — уточнили в суде.

Дата нового судебного заседания будет назначена после возвращения дела из экспертного учреждения. «Мне нечего сказать», — цитирует Дудя, вышедшего из зала суда, Telegram-канал Life Shot.

Заседание суда проходило без прессы.

Ранее волонтеры Лиги безопасного интернета направили в Главное управление по контролю за оборотом наркотиков МВД России просьбу о проверке одного из выпусков YouTube-шоу «вДудь». Речь идет об интервью с украинским видеоблогером Иваном Рудским, известным как Ивангай. В беседе с Дудем он рассказал о своем опыте употребления наркотиков. Запись разговора была опубликована на YouTube за две недели до обращения Лиги безопасного интернета к правоохранителям.

Перед обсуждением опыта употребления запрещенных веществ на экране появилось сообщение: «Наркотики — зло. Не употребляйте их!» В ходе беседы некоторые высказывания Ивангая перематывались с отметкой «Тут идут слова, которые российское законодательство может посчитать призывом к употреблению. Поэтому мы перематываем их».

Власти назвали причину массовой драки мигрантов в Москве - Газета.Ru

Прослушать новость

Остановить прослушивание

close

100%

Максим Блинов/РИА «Новости»

Поводом для массовой драки мигрантов у метро «Кузьминки» в Москве стал бытовой конфликт. Об этом сообщает РИА «Новости»со ссылкой на городской департамент региональной безопасности и противодействия коррупции.

«Установлено, что поводом для выяснения отношений стал бытовой конфликт между приезжими, произошедший несколькими днями ранее на территории Московской области, в ходе которого за медицинской помощью обратились 3 иностранных гражданина. По факту произошедшего в отношении всех доставленных возбуждены дела об административных правонарушениях, предусмотренных частью 6.1 статьи 20.2 КоАП РФ», — сообщили в департаменте.

Сообщения об инциденте поступили в правоохранительные органы вечером 12 июля. Всего в полицию было доставлено 103 человека. При этом, подавляющее большинство правонарушителей являются приезжими из стран ближнего зарубежья.

В настоящее время устанавливаются все детали происшествия, решается вопрос о возбуждении уголовного дела, в том числе по признакам экстремисткой деятельности. В департаменте подчеркнули, что инцидент рассматривается как чрезвычайное происшествие.

Ранее муфтий Москвы Ильдар Аляутдинов в комментарии «Газете.Ru» осудил участников массовой драки, а также призвал взвешенно подходить к своей жизни. По его словам, наступил один из священных запретных месяцев Зуль-хиджа, в котором любая агрессия категорически запрещена и недопустима.

отель «Cosmos Omsk» начали строить с обмана — KVnews.ru

О наказаниях надзорные органы не сообщают. 

6 мая KVnews опубликовал фоторепортаж о нарушениях при строительстве четырёхзвездочной гостиницы «Cosmos Omsk» на набережной Тухачевского. Напомним: этот проект осуществляет ООО «Космос Отель Омск», учреждённое ООО «Космос Отель Групп» из империи миллиардера Владимира ЕВТУШЕНКОВА АФК «Система». Как выяснилось сегодня, 2 июля, в связи с этой публикацией по поручению прокуратуры Омской области органами строительного надзора была проведена «проверка, в ходе которой выявлены нарушения при строительстве гостиничного комплекса».

Пресс-релиз прокуратуры Омской области приводим полностью:

«В связи с публикациями в средствах массовой информации сведений о незаконном осуществлении строительства гостиничного комплекса на наб. Тухачевского в г. Омске прокуратурой области было направлено поручение в Госстройнадзор Омской области о проведении проверки.
В ходе проверки, проведённой указанным органом контроля, установлено, что для строительства гостиничного комплекса 18 мая 2021 года выдано разрешение.
Вместе с тем строительство объекта было начато в марте 2021 года, то есть до получения положительного заключения экспертизы проектной документации, выдачи разрешения на строительство, а также до направления в Госстройнадзор Омской области извещения о начале строительства объекта.
В связи с допущенными нарушениями органом контроля в отношении технического заказчика объекта составлены протоколы об административных правонарушениях по ст.9.4–9.5 КоАП РФ (нарушение обязательных требований в области строительства, нарушение установленного порядка строительства).
Иные нарушения в ходе проверки не установлены».

Получить более подробный ответ у надзорных органов пока не получилось. А вопросы есть. К примеру, часть 3 статьи 9.4 КоАП РФ «Нарушение обязательных требований в области строительства и применения строительных материалов (изделий)» предусматривает в наказании и остановку строительства. А часть 5 статьи 9.5 КоАП РФ «Нарушение установленного порядка строительства, реконструкции, капитального ремонта объекта капитального строительства, ввода его в эксплуатацию» предусматривает штрафы и для конкретного начальника, и для юрлица.

Кстати 3 июня — уже после того, как что-либо изменить или поправить стало невозможно — в администрации Омска все-таки состоялось заседание Архитектурно-градостроительного совета города Омска, на котором обсуждалась концепция дизайн-проекта «Гостиничный комплекс категории 4* COSMOS». Все предыдущие годы сначала проходил Архитектурно-градостроительный совет, а уж потом — через некоторое — время, поправив проект, начинали строить.

© Фото из архива «КВ»

Смолянин дважды попался пьяным за рулём иномарки

Фото: vdvbezheck.ru

Стражи порядка остановили «DAEWOO NEXIA» под управлением ранее судимого 37-летнего жителя Смоленска, который по внешним признакам находился за рулем в состоянии опьянения.

При проверке документов по информационным базам данных полицейские установили, что в мае этого года гражданин был привлечён к административной ответственности за совершение правонарушения, предусмотренного частью 3 статьи 12.8 КоАП РФ «Управление транспортным средством водителем, находящимся в состоянии опьянения и не имеющим права управления транспортными средствами либо лишенным права управления транспортными средствами».

— В настоящее время в отношении водителя отделом дознания отдела полиции № 2 УМВД России по городу Смоленску возбуждено уголовное дело по признакам преступления, предусмотренного статьей 264.1 Уголовного кодекса Российской Федерации «Нарушение правил дорожного движения лицом, подвергнутым административному наказанию». Санкцией данной статьи предусмотрено максимальное наказание в виде лишения свободы на срок до двух лет с лишением права управления транспортными средствами на срок до трех лет, — сообщили в пресс-службе УМВД России по Смоленской области.

Общество

23.07.2021, 07:58

В Смоленской области более 1 200 человек находятся в больницах из-за COVID-19

По состоянию на 23 июля в области зарегистрировали 39 934 случая заболевания COVID-19, прирост за сутки — 208 случаев. Всего…

Общество

23.07.2021, 07:20

Смолянка отметила свой 100-летний юбилей

Сегодня, 23 июля, жительница Заднепровского района Смоленска отмечает свой 100-летний юбилей. Участница Великой Отечественной войны, ветеран труда Екатерина Константиновна Юшкевич…

Общество

23.07.2021, 06:44

«Ударил и повалил на землю». В Ярцеве мужчина напал на представителя власти

15 декабря прошлого года мужчина, будучи в состоянии алкогольного опьянения, на проспекте Металлургов во дворе одного из домов начал конфликт…

Общество

23.07.2021, 06:07

Выехали 6 спасателей. В Рославле сгорела баня

Сегодня, 23 июля, в 13:58 дня спасателям сообщили, что в райцентре произошёл пожар. В пресс-службе ГУ МЧС России по Смоленской…

Общество

23.07.2021, 05:28

В Смоленской области охотникам установили лимит на добычу животных

Сегодня, 23 июля, губернатор Алексей Островский подписал Указ «О лимитах добычи охотничьих ресурсов на период с 1 августа 2021 года…

Общество

23.07.2021, 04:50

В центре Смоленска продолжается масштабный ремонт дорог

На улице Коммунистической идёт укладка нижнего слоя асфальта. Ремонтные работы выполняют специалисты ООО «Корпорация Стройиндустрия». Сегодня здесь ведут укладку нижнего…

Общество

23.07.2021, 04:14

В Смоленске продолжается санобработка автобусов в условиях третьей волны COVID-19

В регионе остаётся актуальной проблема пандемии коронавируса. Сейчас в центре внимания остаётся общая безопасность пассажиров, поэтому в третью волну, как…

Общество

23.07.2021, 03:52

Алексей Островский рассказал о работе профильного спортивно-туристского лагеря

Губернатор Алексей Островский рассказал в своём аккаунте в социальной сети, что с завтрашнего дня на территории Национального парка «Смоленское Поозерье»…

Общество

23.07.2021, 03:46

Десногорский суд признал запрещёнными сайты для заказа поддельных ковидных справок

В суд подали иск с требованием признать запрещённой информацию на сайтах для покупки поддельных медицинских документов. Сотрудники прокуратуры обнаружили несколько…

Общество

23.07.2021, 03:01

«Хранила на кухне». В Шумячах женщина лечилась марихуаной

Осенью прошлого года женщина пошла в лес собирать грибы и наткнулась на дикорастущий куст конопли. До этого она прочитала в…

Общество

23.07.2021, 02:28

Смоляне могут получать необходимые лекарства, не выходя из дома

Губернатор Алексей Островский побывал на площадке первого в Смоленске хаба, аптеке с большим помещением для хранения товаров, ориентированной, в первую…

Общество, Происшествия

23.07.2021, 02:28

В следственном комитете прокомментировали смерть мужчины после жестокого избиения в Смоленске

18 июля на улице Маршала Ерёменко с проезжей части госпитализировали мужчину с травмами головы. Как SmolDaily.ru сообщила заместитель начальника пресс-службы…

Общество

23.07.2021, 02:05

Более 1200 смолян стали жертвами СOVID-19

Всего с начала пандемии выявили 39934 случая заболевания коронавирусом, за последние сутки – 208. По данным федерального Оперштаба на 23…

Общество

23.07.2021, 01:51

Смоленский суд рассмотрит дело водителя грузовика, при попытке обгона покалечившего велосипедиста

На трассе М1 «Беларусь» водитель грузовика «ГАЗель» превысил скорость и, пытаясь обогнать велосипедиста, столкнул его. В результате ДТП пострадавший получил…

Общество

23.07.2021, 01:11

В Руднянском районе мужчина до смерти избил соседа

Мужчина выпивал алкогольные напитки в компании знакомых и своего соседа. Внезапно у них начался конфликт, во время которого хозяин квартиры…

(PDF) Модели на основе CoAP и MQTT для доставки обновлений программного обеспечения и безопасности для устройств IoT по воздуху

, отправив запрос GET. Вы можете отправить пакет данных на устройство

, а также выполнить POST на свой URL. А клиент CoAP, в свою очередь,

может отправлять пакеты другому клиенту CoAP, как только он получает,

, тем самым создавая сценарий многоадресной рассылки.

Рис. 12. Модель MQTT + CoAP

C. Только CoAP

В этой модели связь между устройствами IoT и

шлюзом происходит с CoAP.Как только шлюз получает

пакетов программного обеспечения от провайдера через HTTP,

он кэширует и загружает, чтобы пересылать его клиентам CoAP. CoAP

использует URI, в отличие от разделов в MQTT. Издатель публикует данные

в URI, а подписчик подписывается на ресурс

, указанный в URI. В CoAP, когда издатель публикует

новых данных в URI, все подписчики уведомляются

о новом значении, указанном в URI.

В некоторых случаях

, когда мы продвигаем более существенные обновления прошивки

, CoAP может использовать опцию блочной передачи [18]

, где можно передать большой объем данных, разделив

на блоки данных небольшого размера. в модели множественный запрос / ответ

. Каждый запрос / ответ может обрабатываться отдельно, что

делает сервер действительно не имеющим состояния: сервер может обрабатывать каждую передачу блока

независимо, без необходимости установки соединения

или другой серверной памяти для предыдущих передач блока

.

VII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И БУДУЩАЯ РАБОТА

В этой статье мы изучили работу двух облегченных протоколов приложений IoT

- MQTT и CoAP в различных условиях RF

с их соответствующим QoS и надежностью

для отправки сообщений между клиентами. Мы предложили модель

, использующую CoAP и MQTT вместе и по отдельности для

, отправляющего исправления безопасности и обновления программного обеспечения на устройства

в зависимости от сценариев использования.Исследование количественного моделирования

показывает, что MQTT работает быстрее и надежнее

по сравнению с CoAP, когда в качестве варианта использования используется отправка на устройства срочных обновлений

. А CoAP подходит для приложений

, которым требуется больший объем данных для передачи между клиентами в ограниченной сети

с лучшим использованием сети. Будущая работа

подтвердит наше исследование предложенных моделей с использованием сотовых сетей IoT на основе

3GPP, таких как NB-IoT и LTE-M

, с реальными условиями радиочастот (т.е., повторный заказ, дублирование, повреждение

, отбрасывание с различной задержкой). Также будет проведено исследование

, посвященное роли 5G в IoT, а

- изучение любых новых прикладных протоколов, разрабатываемых для сетей с ограничениями IoT

с сотовым IoT.

СПРАВОЧНИКИ

[1] Сотовые сети IoT - Altice http://www.alticelabs.com/content/WP-

IoT-Cel lular-Network s.pdf

[2] Данные Интернета вещей (IoT) Продолжает расти экспоненциально

https: // blogs.cisco.com/datacenter/internet-of-things-iot-data-

продолжает расти экспоненциально-экспоненциально-кто-использует-эти-данные-и-как

[3] Интернет вещей к 2025 году - GSMA https://www.gsma.com/iot/wp-

content / uploads / 2018/08 / GSMA-IoT-Infographic -2019.pdf

[4] Л. Белли и др. " Разработка и размещение испытательного стенда

, ориентированного на Io T-приложения, "Компьютер, т. 48, нет. 9, pp. 32-40, сентябрь 2015 г.

[5] Три стека программного обеспечения, необходимых для архитектур Интернета вещей - Eclipse

IoT https: // iot.eclipse.org/resources/white-papers

[6] Уведомления о безопасности Ubuntu https://usn.ubuntu.com/

[7] Бюллетень по безопасности Android https://source.android.com/security/bulletin

[8] Н. Найк, «Выбор эффективных протоколов обмена сообщениями для систем IoT:

MQTT, CoAP, AMQP и HTTP», 2017 IEEE International Systems

Engineering Symposium (ISSE), Вена, 2017, стр. 1-7 .

[9] Д. Тангавел, Х. Ма, А. Валера, Х. Тан и С.К. Тан, «Оценка производительности

MQTT и CoAP с помощью общего промежуточного программного обеспечения», 2014 г.

Девятая международная конференция IEEE по интеллектуальным датчикам, Sensor

Сети и обработка информации (ISSNIP), Сингапур, 2014 г., стр.

1-6.

[10] Протокол ограниченного приложения (CoAP)

https://tools.ietf.org/html/rfc7252

[11] Транспортная телеметрия очереди сообщений http://mqtt.org/

[12] D . Мун, М.Л. Дин и Ю. Квон, «Оценка Интернета

протоколов

вещей для приложений с ограниченными ресурсами», 2016 г., IEEE

, 40-я ежегодная конференция по компьютерному программному обеспечению и приложениям

(COMPSAC), Атланта, Джорджия, 2016 г., С. 555

560.

[13] А. Аль-Фукаха, М. Гуизани, М. Мохаммади, М. Аледхари и М.

Айяш, «Интернет вещей: обзор поддерживающих технологий,

протоколов и приложений», в IEEE Обзоры коммуникаций и учебные пособия

, том. 17, нет. 4, стр. 2347-2376, четвертый квартал 2015 г.

[14] У. Тандейл, Б. Момин и Д. П. Ситарам. Эмпирическое исследование протоколов прикладного уровня

для iot. В 2017 г. Inte

Energy, Communication, Data Analytics and Soft Computing

(ICECDS), страницы 2447–245 1, август 2017 г.

[15] Б. Х. Чорак, Ф. Ю. Окей, М. Гюзель,. Мурт и С. Оздемир,

«Сравнительный анализ коммуникационных протоколов Интернета вещей», 2018 г.

Международный симпозиум по сетям, компьютерам и

коммуникациям (ISNCC), Рим, 2018, стр. 1-6.

[16] С. Мийович, Э. Шеху и К. Буратти, «Сравнение протоколов прикладного уровня

для Интернета вещей посредством экспериментов»,

2016 IEEE

2-й Международный форум по исследованиям и технологиям для общества

и Индустрия с выгодой для лучшего будущего (RTSI), Болонья, 2016 г., стр.

1-5.

[17] Испытательный стенд IOTIFY https://iotify.io/iot-network-simulator/

[18] Блочная передача - https://tools.ietf.org/html/rfc7959

Ограниченная сеть (IoT)

CoAP

HTTP

CoAP & MQTT

Брокер

HTTP-клиент

MQTT

CoAP

1070

Коммуникационные методы и проблемы для беспроводного мониторинга качества пищевых продуктов

Philos Transi Math.2014 июн 13; 372 (2017): 20130304.

Reiner Jedermann

1 Институт микросенсоров, -приводов и -систем (IMSAS), Бременский университет, FB1, Otto-Hahn-Allee, Build. NW 1, Бремен 28359, Германия

3 Microsystems Center Bremen (MCB), Бремен, Германия

Thomas Pötsch

2 Институт сетей связи (ComNets), Университет Бремена, FB1, Отто-Хан-Аллее , Строить. NW 1, Бремен 28359, Германия

4 Бременский исследовательский кластер по динамике в логистике (LogDynamics), Бремен, Германия

Chanaka Lloyd

1 Институт микросенсоров, приводов и систем (IMSAS), Университет Бремен, FB1, Отто-Хан-Аллее, корп.NW 1, Бремен 28359, Германия

4 Бременский исследовательский кластер по динамике в логистике (LogDynamics), Бремен, Германия

1 Институт микросенсоров, приводов и систем (IMSAS), Бременский университет, FB1, Отто-Хан-Аллее, корп. NW 1, Бремен 28359, Германия

2 Институт коммуникационных сетей (ComNets), Бременский университет, FB1, Отто-Хан-Аллее, строение. NW 1, Bremen 28359, Germany

3 Microsystems Center Bremen (MCB), Bremen, Germany

4 Bremen Research Cluster for Dynamics in Logistics (LogDynamics), Bremen, Germany

Copyright © 2014 Автор (ы) Опубликовано Королевским обществом.Все права защищены.Эта статья цитировалась в других статьях в PMC.

Реферат

Дистанционное измерение внутренней температуры продукта - важная предпосылка для улучшения цепочки охлаждения пищевых продуктов и снижения потерь. В этой статье исследуются и показаны возможные решения технических проблем, которые все еще препятствуют практическому применению беспроводных сенсорных сетей в области контроля за транспортировкой пищевых продуктов. Высокое затухание сигнала продуктами, содержащими воду, ограничивает дальность связи до менее 0.5 м для обычно используемых радиочипов 2,4 ГГц. Путем теоретического анализа зависимости ослабления сигнала от рабочей частоты мы показываем, что ослабление сигнала можно в значительной степени уменьшить за счет использования устройств 433 МГц или 866 МГц, но пересылка сообщений через несколько переходов внутри сенсорной сети в большинстве случаев неизбежна. гарантия полного покрытия упакованной тары. Коммуникационные протоколы должны обеспечивать совместимость с широко принятыми стандартами интеграции в глобальный Интернет, что было достигнуто путем программирования реализации протокола ограниченного приложения для беспроводных сенсорных узлов и интеграции в сети на основе IPv6.Срок службы батареи датчика может быть увеличен за счет оптимизации протоколов связи и предварительной обработки данных датчика в сети. Возможность удаленного контроля за грузом была продемонстрирована на нашем полномасштабном прототипе «Интеллектуального контейнера».

Ключевые слова: интеллектуальный контейнер , беспроводные сенсорные сети, протокол приложений с ограничениями, отслеживание и отслеживание, ориентированное на качество, затухание сигнала

1. Введение

Согласно Gustavsson et al. [1], примерно одна треть всех продуктов питания, производимых в мире, никогда не потребляется. Значительная часть этих потерь вызвана неправильным обращением и неправильным регулированием температуры в холодовой цепи [2]. Эта доля может быть уменьшена, если информация о состоянии транспортируемого товара будет предоставлена ​​без задержки после появления проблемы. Транспортный оператор может инициировать измерения, чтобы исправить очевидные ошибки, такие как неправильные заданные значения температуры. Продукты, которые по-прежнему приемлемы для потребления с сокращенным сроком хранения, недостаточным для протяженных транспортных маршрутов, могут быть сразу же направлены на продажу в близлежащих местах [3].

Хотя в последние годы на рынке появилось несколько новых телематических и беспроводных сенсорных систем, до сих пор нет удовлетворительного решения для всей информационной цепочки. Необходимая цепочка для удаленного мониторинга начинается с набора датчиков, установленных непосредственно на пищевых продуктах внутри грузовика или контейнера, и заканчивается на удаленном сервере и отображается на столе транспортного оператора. В этом разделе мы сначала даем обзор соответствующих имеющихся на рынке и современных систем для удаленного мониторинга, а затем знакомим с наиболее серьезными техническими проблемами, которые мы обнаружили во время испытаний с нашим прототипом решения для удаленного мониторинга температуры и качества. продукты питания, которые до сих пор препятствуют широкому применению таких технологий.Раздел 2 описывает техническую основу нашего прототипа решения, так называемого «интеллектуального контейнера». В последующих разделах последовательно рассматриваются четыре выявленные проблемы.

(a) Имеющиеся на рынке сенсорные системы

События 11 сентября 2001 года послужили толчком для разработки различных систем слежения за контейнерами. На рынке существует несколько систем, ориентированных на аспекты внутренней безопасности, такие как несанкционированное открытие дверей и отклонения от предписанного маршрута транспортировки, например.г. [4]. Стандартные телематические системы для мониторинга транспорта предоставляют только информацию GPS и, в лучшем случае, показания температуры приточного и возвратного воздуха холодильной установки. Лишь некоторые из этих систем предоставляют интерфейсы для беспроводных датчиков температуры и влажности. Защитный бокс контейнера [5] предлагает возможность установки внутренних датчиков в различных местах контейнера, которые отправляют измерения температуры и влажности на основной блок, установленный на крыше контейнера. Альтернативная система от Ceebron [6] состоит из одноразовых смарт-тегов, которые можно прикрепить к элементам, чувствительным к температуре.Они отправляют свои данные в телематический блок, который пересылает их вместе с GPS-положением.

Израильская компания BT9 предлагает аналогичное решение: метки беспроводных датчиков Xsense помещаются на поддоны или в упаковку для отслеживания фактической температуры и относительной влажности скоропортящихся продуктов. Пока теги находятся в непосредственной близости от блока управления, данные передаются в режиме реального времени [7]. Традиционные компании-регистраторы данных, такие как Sensitech, оснащают свои устройства ВЧ-интерфейсами [8].Радиочастотный шлюз TempTale устанавливается на входе на склад, и он может автоматически загружать данные о температуре из логгеров, размещенных в прибывающих товарах.

Пассивная RFID-метка TMT-8500 класса 3 для контроля температуры с батарейным питанием от Intelleflex кооперация [9] обеспечивает дальность считывания в свободном пространстве до 100 м. Данные о температуре могут быть считаны стандартными считывающими устройствами RFID в соответствии с протоколом поколения 2 EPCglobal class 1. Можно использовать уже существующую инфраструктуру для отслеживания и отслеживания на основе RFID, но для этого требуются расширения программного обеспечения для интеграции данных о температуре.

Разработка сенсорных систем, оснащенных пассивным интерфейсом RFID, продолжается. Их диапазон считывания может быть расширен за счет сверхширокополосной связи и маломощных аналого-цифровых преобразователей [10], но эти технологии все еще находятся в стадии исследования.

(b) Проблемы при мониторинге пищевых продуктов

Отклонения качества фруктов могут быть выведены из данных о температуре, если дистанционный мониторинг сочетается с биологическим моделированием. Хотя такие ориентированные на качество системы отслеживания и отслеживания [11] обладают большим потенциалом для сокращения потерь продовольствия в цепочке, их доля на рынке довольно незначительна по сравнению с общим объемом транспортировки продовольствия.Отчасти это связано со структурой пищевых цепочек, состоящей из большого числа сторон с разными интересами. Розничный торговец, который больше всего выигрывает от более высокого и стабильного качества, имеет очень слабые отношения с транспортным оператором, который в конечном итоге должен платить за дополнительное техническое оборудование и сенсорные системы. Несмотря на то, что раннее обнаружение проблем приносит пользу всем партнерам в цепочке поставок, в большинстве цепочек отсутствует необходимое доверие, позволяющее выявить неисправности с помощью точного контроля датчиков.Но помимо этих структурных проблем, есть еще некоторые технические проблемы. Начнем обсуждение с вопроса о размещении сенсора.

В ходе наших полевых испытаний мы обнаружили большие различия между температурами приточного воздуха, поверхности поддонов и сердцевины продукта внутри грузовиков и контейнеров, а также колебания температуры сердцевины поддонов в разных местах одного и того же контейнера. Датчики на поверхности изделия легче установить, а радиосигнал меньше мешает самому изделию; измерения температуры поверхности могут указывать на проблемы с охлаждением и упаковкой, но для того, чтобы предсказать влияние отклонения условий охлаждения на качество продукта, необходимо знать внутреннюю температуру.В этой связи делают Nascimento Nunes et al. [12] предложил оценивать внутреннюю температуру с помощью простой тепловой модели или искусственной нейронной сети с измерениями поверхности в качестве входных данных. Но если начальная внутренняя температура неизвестна или упакованная пища сама по себе выделяет различное количество тепла, как это делают многие фрукты, такие как бананы, наилучшая точность может быть достигнута только путем прямого измерения ядра.

Необходимость измерения керна приводит к первой технической проблеме: высокое содержание воды в типичных пищевых продуктах, которое препятствует распространению радиоволн.Дальность связи может опускаться ниже 0,5 м [13]. Прямая связь между датчиками в ядре и телематическим блоком в большинстве случаев недоступна. Вместо этого требуется связь от датчика к датчику с пересылкой сообщений. Пассивные технологии RFID не могут обеспечить такую ​​многозвенную связь, потому что их принцип работы допускает только прямую связь между тегом и считывателем. Датчики, установленные на поверхности продукта, частично подвержены той же проблеме, в зависимости от продукта, упаковки и количества свободного пространства между поддонами и стенками контейнера.В § 3 мы показываем на основе модели ослабления сигнала, что связанные проблемы могут быть уменьшены за счет более низких рабочих частот.

Вторая проблема касается протоколов для связи внутри локальной сенсорной сети и с внешним миром. Системы, доступные на рынке, в основном используют проприетарные протоколы для мониторинга отдельных транспортных средств. Но сложная «сетевая» цепочка поставок требует высокого уровня совместимости между датчиками и телематическими устройствами от разных производителей.Хотя коммуникационные протоколы для пассивных RFID достигли высокого уровня стандартизации, они не поддерживают многоскачковую пересылку, что делает необходимым поиск лучшего решения для бесшовной интеграции беспроводных датчиков в глобальную сеть, такого как стек протоколов, представленный в §4.

Необходимость пересылки сообщений поднимает третью проблему для устройств с батарейным питанием. В худшем случае радиоприемник должен быть постоянно включен, чтобы слушать входящие сообщения.Энергия, необходимая для этого «прослушивания в режиме ожидания», может быть в значительной степени уменьшена с помощью таких механизмов, как прослушивание с низким энергопотреблением (LPL), но подробный анализ взаимосвязи между потреблением энергии и различными компонентами протокола в §5 показывает, что необходима дальнейшая оптимизация.

Четвертая проблема связана с ограниченными расходами на пропускную способность и объем для сетей связи. Следовательно, данные датчика должны обрабатываться непосредственно на уровне датчика или на последующем системном уровне, как описано в §6.Вместо всего набора необработанных данных следует передавать только сводки данных и предупреждающие сообщения. Биологические модели для оценки влияния отклонений от рекомендуемых условий транспортировки должны быть переведены в программный код, который может работать на аппаратном обеспечении сенсорного узла или телематического блока.

2. Система связи интеллектуального контейнера

Интеллектуальный контейнер был создан в качестве прототипа решения для демонстрации возможности удаленного контроля качества и в качестве испытательного стенда для решения связанных проблем связи.На данный момент система была протестирована на трех трансокеанских перевозках бананов [14]. Центральным элементом нашего прототипа является «блок контроля за грузом» (БСС), установленный в стандартном 40-футовом рефрижераторном контейнере. FSU предварительно обрабатывает данные датчиков и рассчитывает отклонения в оставшемся сроке хранения. Полные записи температуры передаются только по запросу; в противном случае FSU отправляет только предупреждающие сообщения о критических потерях качества.

Беспроводная сенсорная сеть (WSN), установленная в интеллектуальном контейнере, может пересылать сообщения через несколько переходов для компенсации ослабления сигнала.Узлы датчиков основаны на платформе TelosB [15], работающей на частоте 2,4 ГГц в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4. Наши узлы встроены в водозащищенный корпус и оснащены внешним датчиком температуры и влажности SHT75 [16]. Для передачи показаний датчиков протокол ограниченного приложения (CoAP) [17] был установлен на 20 узлах датчиков во время полевых испытаний в 2012 и 2013 годах. Подробности протокола описаны в §4. Второй набор из 20 сенсорных узлов был развернут для тестирования альтернативных протоколов связи во время одного и того же транспорта, таких как протокол BananaHop [13].FSU основан на безвентиляторном бортовом компьютере от Nexcom [18] и связывает различные каналы связи в качестве базовой станции для WSN ().

Принципиальная схема связи. (Онлайн-версия в цвете.)

Кроме того, FSU может напрямую обращаться к контроллеру охлаждающего устройства через последовательный интерфейс. Набор команд позволяет включать / выключать экономичный режим с пониженной скоростью вентилятора, а также считывать или изменять заданные значения температуры и выхода свежего воздуха.В будущем планируется, что FSU будет автоматически принимать решения на основе прогнозируемого оставшегося срока годности и при необходимости корректировать настройки, например выключение экономичного режима при обнаружении риска ухудшения качества продуктов. В настоящее время FSU пересылает запросы пользователей только от телематики к охлаждающему устройству.

Телематический блок использует спутниковую сеть Iridium для передачи данных о качестве, температуре и GPS. Команды конфигурации отправляются по той же сети, например для регулировки уставок или интервалов измерения для беспроводных датчиков и пороговых значений для минимального оставшегося срока хранения.Сообщения, полученные от телематики, хранятся в базе данных поставщика коммерческих услуг на берегу. Конечный пользователь может запросить сводку измеренных данных и прогнозируемого качества или зарегистрироваться для получения уведомлений по электронной почте.

Аналогичное решение было разработано для наземного транспорта на грузовиках [19]. Основным отличием от мониторинга зарубежных перевозок является использование более экономичной сотовой сети GPRS для передачи данных. Блок телематики Cargobull [20] напрямую подключен к WSN, предоставленной компанией Virtenio [21].Другие проводные датчики могут быть подключены через шину LIN. Интерфейс к охлаждающему устройству предоставляет дополнительные функции, такие как считывание информации о техническом обслуживании и уровне топлива. Накопленные данные датчиков могут быть непосредственно считаны планшетным ПК через интерфейс беспроводной локальной сети.

3. Затухание сигнала и рабочие частоты

Большинство WSN работают в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот частотный диапазон имеет преимущества высокой полосы пропускания 83 МГц, небольших антенн и наличия нескольких радиочипов на основе IEEE 802.15.4 стандарт. В то время как для наружных и внутренних применений мощности передачи 1 мВт достаточно для достижения диапазона передачи от 10 до 100 м, распространению сигнала в значительной степени препятствуют содержащие воду пищевые продукты. В наших тестах с упакованными банановыми контейнерами максимальная дальность передачи между двумя соседними узлами датчиков упала до 0,5 м. На этом расстоянии только одна треть всех каналов обеспечивала надежную связь, еще одна треть имела временные отключения, а последняя треть полностью вышла из строя [13].

Подобные проблемы наблюдались другими авторами в сельскохозяйственных приложениях, где один или оба коммуникационных узла датчиков были закопаны в почву. В тестовых приложениях таких беспроводных подземных сенсорных сетей (WUSN) максимальная глубина одного датчика в почве, обеспечивающая надежную связь с датчиком верхнего слоя почвы, составляла 9 см [22] или 6 см [23] на частоте 2,4 ГГц. . Вуран и Акылдыз [24] описали модель для прогнозирования ослабления сигнала для различных частот, типов почвы и значений содержания воды, которая основана на предыдущей модели Добсона и др. .[25].

Поскольку проблемы, обнаруженные нами при беспроводном наблюдении за транспортировкой пищевых продуктов, кажутся очень похожими на проблемы в WUSN, мы адаптировали соответствующую модель к нашему приложению. Модель [24] состоит из трех этапов: (1) вычисление комплексной диэлектрической проницаемости воды ε w + j ε ′ ′ w как функции частоты f , (2) преобразование ε w в диэлектрическую проницаемость водосодержащей среды и (3) расчет затухания сигнала как функции расстояния, частоты и коэффициента диэлектрических потерь.

Комплексная диэлектрическая проницаемость воды рассчитывается согласно релаксационной модели дебаевского типа (3.1).

3,1

со статической диэлектрической проницаемостью воды ε w0 = 80,1 при 20 ° C, его высокочастотным пределом и временем релаксации воды τ w = 9,23 × 10 −12 с.

Модель Добсона и др. [25] вычисляет комплексную диэлектрическую проницаемость почвы как функцию от объемного содержания воды. V C , ε w ( f ) и состав почвы с процентным содержанием глины и песка.Если вода поглощается поверхностью, например глиной, ее диэлектрический эффект снижается. В нашей упрощенной модели мы вычисляем диэлектрическую проницаемость упакованных бананов ε b ( f ) как взвешенную смесь воздуха ( ε r = 1) и воды. Коэффициент a W <1 описывает, насколько уменьшается влияние воды за счет поглощения. Проводимость среды σ способствует дополнительным потерям, особенно на низких частотах.Поскольку бананы содержат очень мало свободных ионов, этот эффект довольно невелик. Их проводимость, измеренная для постоянного тока, составила σ B = 0,005 См · м.

3,2

Согласно уравнению потерь на трассе в свободном пространстве, мощность принятого сигнала P R зависит от расстояния d и длины волны λ.

3,3

Следует отметить, что уравнение (3.3) действительно только для идеальных изотропных антенн. Это не должно быть неверно истолковано таким образом, что более низкие частоты имеют более высокий диапазон связи как таковой .Преимущество более низких частот достигается только в том случае, если размер антенны увеличивается пропорционально λ. Для фиксированного максимального размера антенны влияние более высокого λ компенсируется меньшим усилением антенны.

Преимущество более низких частот в диэлектрических средах дается следующим уравнением для действительной части α постоянной распространения, которая описывает затухание сигнала в среде [26]

3,4

Даже если комплексная диэлектрическая проницаемость почти не зависит от частоты, как это наблюдается для замороженных креветок [27] и смоделированных мясных эмульсий [28], затухание сигнала увеличивается с увеличением частоты, поскольку уравнение (3.4) содержит его как пропорциональный коэффициент. Более низкие скорости считывания RFID-меток на частоте 915 МГц по сравнению с 433 МГц, наблюдаемые Laniel et al. [29] в емкости с замороженным хлебом, можно объяснить этим фактором.

Напряженность электрического поля E падает согласно (3.5)

3,5

Преобразование в логарифмический масштаб и объединение с потерями на трассе в свободном пространстве приводит к уравнению (3.6) для принятой мощности. Константа P 0 содержит такие факторы, как мощность передатчика и усиление антенны, но на данный момент мы сосредоточимся только на влиянии частоты на затухание сигнала и дальность передачи.

3,6

В наших тестах каждый ящик объемом 50 л содержал 18 кг бананов с содержанием воды 0,8 л. Кг −1 , что дает объемное содержание воды V C = 0,288 относительно коробки. Остальные неизвестные параметры P 0 и a W были оценены по значениям индикатора уровня принимаемого сигнала (RSSI), считанным с радиочипа во время полевых испытаний в 2009 и 2011 годах. a показывает имитацию Модель ослабления сигнала как функции расстояния на 2.4 ГГц.

Прогнозирование модели для затухания сигнала как функции расстояния: ( a ) подгонка к измеренным значениям, ( b ) затухание на метр как функция частоты. (Онлайн-версия в цвете.)

Для расстояния 0,25 м мы измерили среднее затухание P дБ ( d = 0,25 м; f = 2,4 ГГц) = −72,5 дБ для размещенных датчиков в центре ящиков с бананами (точка А в). На расстоянии 0,5 м было получено только 52% пакетов со средним значением RSSI -83.6 дБ (точка B). Среднее значение RSSI всех пакетов, включая те, которые слишком слабы для правильного декодирования радиостанцией, было установлено равным порогу приема радиочипа CC2420, равному -94 дБ (точка C), исходя из предположения, что примерно такое же количество сообщений было RSSI выше и ниже порога приема для скорости передачи пакетов, близкой к 50%. Подгонка модели привела к ослаблению в среде -61,6 дБ м -1 . Это соответствует нашему более раннему анализу в [13] с ослаблением -52 дБ м -1 для датчиков, размещенных в углах банановых ящиков (точки D и E), где было больше свободного воздушного пространства.Модель была экстраполирована на другие частоты на основе оценочных параметров P 0 = -69,2 дБ и a W = 0,24. b показывает огромное влияние рабочей частоты на затухание сигнала, связанного с водой. Ослабление сигнала на метр на частоте 1 ГГц на 50 дБ ниже, чем на частоте 2,4 ГГц в нашем примере сценария для наблюдения за транспортировкой бананов.

(a) Дополнительные факторы, влияющие на дальность передачи

Помимо выбора более низкой рабочей частоты, улучшения в отношении усиления антенны, чувствительности приемника и мощности передачи могут помочь увеличить дальность считывания.Поскольку диапазон передачи ограничен национальными правилами, практических улучшений можно достичь только за счет лучшей конструкции антенн с печатным или керамическим чипом и новых радиочипов с более высокой чувствительностью. Однако следует также учитывать следующие два эффекта, уменьшающие диапазон считывания.

В свою модель подземных датчиков Vuran & Akyildiz [24] включили эффекты многолучевого замирания, вызванного отражением волны от поверхности, дифракцией и рассеянием на препятствиях с другой диэлектрической проницаемостью.В нашем тестовом примере изменение задержек сигнала на разных путях в смеси воздух / банан может усилить эффект многолучевого замирания.

Кроме того, нельзя пренебрегать эффектами неоптимальной ориентации антенны, если сетевой датчик требуется для связи с соседями в разных направлениях. Расстройку антенны также необходимо учитывать, если антенна соприкасается или находится в непосредственной близости от диэлектрической среды. Видал и др. [30] наблюдал, например, расстройку на максимальное смещение 70 МГц для антенны, которая была сначала оптимизирована для 403 МГц, а затем имплантирована в тело человека.

(b) Альтернативные рабочие частоты и стандарты связи

Преимущество, которое может быть достигнуто при работе на частотах ниже 1 ГГц, перевешивает эффект от более качественных антенн или более высокой мощности передачи. Выбор альтернативной рабочей частоты с учетом национальных норм является первым выбором для улучшения связи для датчиков внутри водосодержащих продуктов. В то время как диапазон 866 МГц доступен только в Европе для безлицензионных приложений, промышленный, научный и медицинский (ISM) радиодиапазон на 433 МГц предлагает полосу пропускания 1.74 МГц по всему миру. Глобальная доступность диапазона ISM 433 МГц (с небольшим изменением частоты, требуемым в Японии) является привлекательным решением для логистики пищевых продуктов из-за его повсеместного распространения.

У IEEE и DASH7 Alliance [31] есть стандарты для использования полосы 433 МГц: IEEE 802.15.4f и DASH7 Mode 2 (DM2), соответственно. DM2, однако, является предшественником проекта 0.2 новой спецификации протокола DASH7 Alliance (усовершенствованная система связи для глобальных беспроводных приложений с низким энергопотреблением и активных RFID), вступившей в силу в конце 2013 года.Эта новая спецификация доступна для оценщиков по лицензии LGPL v. 2.1. DM2 является расширением технической спецификации ISO / IEC 18000-7: 2009, которая определяет радиоинтерфейс для устройств RFID, работающих на частотах ниже 433 МГц, для обеспечения совместимости и взаимодействия [32]. Наши тесты здесь относятся только к выпуску DM2 версии 12, который доступен для всех по лицензии с открытым исходным кодом.

Реализация DM2 поддерживает многоинтервальную связь - в настоящее время разрешено максимум два скачка.Однако спецификация DASH7, включая самую последнюю, не определяет алгоритмы маршрутизации или какие-либо предполагаемые средства или правила для их реализации. Следовательно, пользователь должен написать реализацию на основе сценария своего приложения.

Оборудование DASH7 ограничено. Немногие компании предлагают комплекты для полной или полу-оценки. WizziKit от WizziLab, Франция [33], представляет собой полный оценочный комплект, основанный на системе CC430F5137 на микросхеме (SoC) от Texas Instruments (TI). Еще один полный оценочный комплект от Agaidi Oy, Финляндия, который больше не доступен для покупки, также находится в обращении.Оба этих набора протестированы для работы с программным обеспечением с открытым исходным кодом под названием OpenTag на основе DM2. TI предлагает модули приемопередатчиков, такие как CC1150EMK на 433 МГц, которые необходимо самостоятельно интегрировать в выбранный вами микроконтроллер вместе с индивидуальным программным обеспечением.

В настоящее время проведены только наружные испытания для сравнения диапазонов устройств 433 МГц и 2,4 ГГц. Tuset-Peiró et al. [34] обнаружил, что частота 433 МГц была значительно лучше в свободном воздушном пространстве путем полевых испытаний и теоретического анализа.Наши тесты на открытом воздухе с беспроводными узлами 433 МГц проводились с OpenTag, работающим на оценочных наборах Agaidi на базе SoC CC430F5137. Мы использовали типовые штыревые антенны диаметром 10 см. Базовая станция приемника была зафиксирована, а узел передатчика постепенно удалялся от передатчика с шагом 20 м. Испытания были повторены для трех аналогичных передающих узлов, установленных вертикально на рейке на высоте 2,1 м над землей, и была измерена мощность принятого сигнала. При выходной мощности РЧ -15, 0 и 10 дБм максимальная дальность связи составляла приблизительно 120, 280 и 360 м соответственно.Это немного меньше, чем указано Tuset-Peiró et al. [34] для узлов 433 МГц, закрепленных на высоте 2,1 м над землей. Основной причиной этого, согласно нашему исследованию, являются нарушения настройки ВЧ-цепи используемых беспроводных узлов. Два из трех узлов зарегистрировали гораздо меньший диапазон, чем приведенные выше цифры при тех же условиях тестирования, что подтверждает наши подозрения о неправильной настройке ВЧ-схемы. В тесте с TelosB при выходной мощности РЧ 0 дБм зарегистрированное расстояние вне помещения составляло приблизительно 100 м.

Испытания в свободном воздушном пространстве, а также модель ослабления сигнала водосодержащими продуктами показывают, что диапазон 433 МГц намного больше подходит для наблюдения за пищевыми продуктами, чем обычно используемый диапазон 2,4 ГГц, хотя прямого экспериментального сравнения для Условия перевозки бананов пока нет.

4. Протоколы связи

В логистических приложениях, таких как «Интеллектуальный контейнер», описанный ранее, локальные WSN используются для сбора информации, такой как показания температуры и влажности товаров.Выбор и реализация надежных и эффективных протоколов связи для передачи показаний нескольких датчиков через несколько переходов в FSU имеет большое значение.

В большинстве существующих решений поставщики и производители используют свои собственные протоколы для обмена информацией между подключенными устройствами. В общем, эти проприетарные протоколы не обеспечивают бесшовной интеграции в существующие, хорошо известные протоколы и не делают систему совместимой, гибкой и прозрачной для других решений.

Если рассматривать обмен данными на уровне компании, стандартизированные протоколы имеют большое преимущество для информирования партнеров о местонахождении, температуре и текущем состоянии транспортных единиц. Но если мы рассмотрим случай, когда датчики разных владельцев и производителей смешаны в мировой цепочке поставок, стандартизованные протоколы становятся почти обязательными. В противном случае телематический блок контейнера, принадлежащего транспортной компании A, может не знать, как интерпретировать и пересылать данные, полученные от датчика, принадлежащего компании по торговле продуктами питания B.Если элементы и датчики от разных производителей объединены в один грузовик, даже пересылка данных внутри сети датчиков может стать сложной задачей.

Эта совместимость может быть достигнута путем использования комбинации различных стандартов на разных уровнях на каждом устройстве. В настоящее время существует множество стандартизированных протоколов на основе Интернет-протокола (IP), которые были развернуты на миллионах устройств во всемирной паутине. Такие протоколы, как протокол передачи гипертекста (HTTP) или протокол передачи файлов, являются выдающимися примерами совместимости и гибкости и обычно используются для передачи данных через Интернет.Однако большинство протоколов демонстрируют высокую сложность синтаксического анализа и заголовков и, как следствие, создают огромные накладные расходы на пакеты. Кроме того, чтобы обеспечить надежность передаваемого сообщения, большинство протоколов полагаются на базовый протокол управления передачей (TCP), который добавляет дополнительные накладные расходы ко всему обмену сообщениями.

Однако WSN по нескольким аспектам отличаются от устройств, подключенных к Интернету. Узлы WSN обычно питаются от батареи, имеют ограниченные возможности памяти и обработки, а также базовые протоколы радиосвязи для приложений с низким энергопотреблением, такие как IEEE 802.15.4, позволяют только обмен небольшими пакетами данных. Следовательно, обычные прикладные протоколы на основе IP не подходят для типичных сетей на основе WSN.

Чтобы соответствовать этим требованиям, в следующих разделах подробно описаны протоколы, которые используются в настройке «Интеллектуального контейнера». В этом контексте мы используем комбинацию нескольких стандартизованных протоколов на разных уровнях устройств. Помимо уровня адаптации для предоставления IPv6 по маломощным и низкоскоростным сетям (6LoWPAN), мы также показываем подходящий протокол маршрутизации для сценариев с несколькими переходами (RPL) и CoAP, который обеспечивает недостающее звено между нижними уровнями и доступность через Интернет ().

Обзор уровней связи между WSN и FSU. (Онлайн-версия в цвете.)

(a) IPv6 по беспроводным персональным сетям с низким энергопотреблением

IPv6 по беспроводным персональным сетям с низким энергопотреблением (6LoWPAN) - это набор стандартов, который был определен целевой группой разработки Интернета (IETF). Путем введения уровня адаптации IP он обеспечивает эффективное использование IPv6 в маломощных и низкоскоростных беспроводных сетях для простых встроенных устройств [35]. Определяя очень простой и компактный формат заголовка, 6LoWPAN учитывает природу беспроводных сетей и обеспечивает функциональность IPv6 для устройств с ограничениями.Кроме того, дополнительные спецификации определяют дальнейшие улучшения для сжатия заголовка, подобного 6LoWPAN [36], для уменьшения размера заголовка и обнаружения соседей [37] для обнаружения соседей, если маршрутизация недоступна.

Реализация Berkeley IP для сетей с низким энергопотреблением (blip) - это реализация IPv6 / 6LoWPAN для TinyOS, операционной системы для узлов беспроводных датчиков, которая предоставляет многочисленные методы для интеграции протоколов на основе IP в WSN.

Чтобы проверить совместимость реализации блипа с другими доступными реализациями, авторы приняли участие в первом тесте ETSI 6LoWPAN Plugtest в июле 2013 года.Тестовое мероприятие было организовано и проведено Европейским институтом стандартов электросвязи (ETSI) в качестве нейтрального органа, основная задача которого заключалась в оценке функциональной совместимости продуктов для подтверждения понимания спецификации протокола и выявления пробелов и двусмысленностей в рамках Спецификация. Общий результат теста показал высокую совместимость спецификации ядра 6LoWPAN, а также соответствие спецификации сжатия заголовка.

(b) Протокол маршрутизации IPv6 для сетей с низким энергопотреблением и с потерями

Протоколы маршрутизации используются маршрутизаторами (например,г. сенсорные узлы) для пересылки пакетов внутри и между сетями. Основная цель - найти лучший (желательно самый короткий и надежный) путь между источником и местом назначения. Поскольку маршрутизация важна в сети любого типа для передачи пакетов по сети, существует несколько стандартизированных протоколов маршрутизации. Большинство протоколов разработаны с учетом предполагаемых приложений. Там, где маршрутизация в фиксированных сетях часто реализуется со статическими маршрутами, в беспроводных сетях используется динамическая маршрутизация.Из-за природы беспроводных сетей мобильность и нестабильные каналы делают статическую маршрутизацию ненадежной и неэффективной. Кроме того, размеры, например, WSN могут достигать от нескольких до нескольких тысяч узлов, что еще больше усложняет маршрутизацию. Кроме того, ограниченная память и вычислительная мощность узлов с ограниченными ресурсами требуют дополнительного рассмотрения с точки зрения сложности, размера реализации и накладных расходов на сообщения.

Аль-Караки и Камаль [38] и Ша и др. [39] дает обзор существующих протоколов маршрутизации в WSN. Однако в ответ на предстоящий интерес к подключению WSN с поддержкой IPv6 к Интернету рабочая группа IETF «Маршрутизация по сетям с низким энергопотреблением и потерями» предложила протокол маршрутизации для работы в сетях с низким энергопотреблением и потерями на основе IPv6. Он определяет протокол маршрутизации IPv6 для сетей с низким энергопотреблением и с потерями, сокращенно RPL [40]. Его основная цель - обеспечить эффективную и надежную маршрутизацию даже в крупномасштабных сетях.Он оптимизирован для трафика от одного или нескольких корней или к ним. Корень RPL действует как приемник или базовая станция и обычно подключается к магистральной сети, например Интернет. RPL использует векторы расстояния для расчета маршрутов и обеспечивает три основных потока трафика: точка-точка (от устройства к устройствам), точка-многоточка (центральная точка управления для подмножества устройств) и многоточечная связь. точка (подмножество устройств к центральной точке управления).

Протоколы маршрутизации «расстояние-вектор» выбирают наилучшие пути маршрутизации с помощью метрики (расстояние) и интерфейса (вектора).Чтобы найти лучший маршрут маршрутизации (вектор расстояния), RPL использует различные целевые функции. Целевые функции являются расширением RPL и определяют, как узлы вычисляют и выбирают пути маршрутизации [41,42]. В [43] авторы показали оценку эффективности RPL в WSN.

В отличие от протоколов маршрутизации состояния канала, узлы, использующие векторы расстояния, обмениваются данными только со своими прямыми соседями. Следовательно, все узлы в сети создают свою таблицу маршрутизации в соответствии с информацией (обновлениями) маршрутизации, полученной от их соседей.В случае, если узел обнаруживает изменение в топологии сети, он отправляет обновление своей таблицы маршрутизации, чтобы проинформировать своих соседей. В результате все узлы информируются об изменениях топологии в сети через определенное время. Чтобы обеспечить согласованность маршрутной информации без переполнения сети, особенно на этапе запуска сети, RPL использует алгоритм Trickle [44]. Этот алгоритм позволяет RPL сокращать количество пересылаемых пакетов до минимума, если узлы обнаруживают согласованность маршрутной информации.Этот механизм, особенно в плотных сетях с узлами с батарейным питанием, значительно сокращает количество передаваемых сообщений и позволяет снизить энергопотребление узлов.

В [45] авторы проанализировали алгоритм Trickle протокола маршрутизации RPL в WSN с помощью моделирования и аналитических моделей. Из полученных результатов можно найти проектные решения относительно размера сети, количества поддерживаемых узлов и компромиссов для параметров Trickle.

(c) Протокол ограниченного приложения

CoAP - это стандартизированный облегченный протокол веб-передачи, который был разработан для удовлетворения требований ограниченных сетей и узлов.Основное внимание уделяется межмашинным требованиям, таким как низкий уровень сложности заголовков и синтаксического анализа, асинхронные транзакции и простые возможности кэширования и проксирования. Кроме того, он обеспечивает поддержку как многоадресной, так и надежной одноадресной рассылки, используя протокол пользовательских дейтаграмм (UDP) в качестве транспортного уровня. Он строго следует архитектурному стилю «Репрезентативная передача состояния» [46]: ресурсы идентифицируются единым идентификатором ресурса, доступны с помощью методов GET, PUT, POST и DELETE и представлены их типами содержимого.Обеспечивая отображение HTTP без сохранения состояния с помощью прокси, обеспечивается взаимодействие с существующими веб-приложениями.

В отличие от HTTP, который использует TCP в качестве транспортного протокола, CoAP обменивается сообщениями асинхронно через UDP. Несмотря на то, что UDP является протоколом без установления соединения и, следовательно, ненадежным транспортным протоколом, CoAP обеспечивает надежность за счет использования собственной схемы повторной передачи с остановкой и ожиданием с экспоненциальным таймером задержки. Основное преимущество использования UDP вместо TCP - небольшие накладные расходы на сообщения и отсутствие дополнительных сообщений (рукопожатий) для установления и завершения соединений.Более того, UDP обеспечивает широковещательные и многоадресные соединения для групповой связи. По сути, CoAP ориентирован на клиент-серверную модель HTTP и аналогичным образом представляет его модель взаимодействия. Поскольку конечные точки обоих протоколов обычно действуют и как сервер, и как клиент одновременно, обмен сообщениями CoAP использует такие же подходы, как HTTP. CoAP реализует обнаружение повторяющихся сообщений с помощью случайно сгенерированных уникальных идентификаторов транзакций, а также встроенного обнаружения.

Базовая спецификация CoAP описывает основные функции протокола [47]. Кроме того, доступны несколько других проектов Интернета IETF для расширения CoAP с помощью, например, поблочного транспорта [48], наблюдения за ресурсами [49] или групповой связи [50].

В настоящее время существует множество реализаций CoAP для нескольких платформ [51]. Реализация, используемая в этой работе, называется CoapBlip [52] и работает на TinyOS, которая является операционной системой для WSN.CoapBlip основан на библиотеке C libcoap [53] и, следовательно, поддерживает последнюю версию CoAP (coap-18). Кроме того, он включает поддержку поблочного переноса, наблюдение за ресурсами и другие дополнительные интернет-проекты. На этапе разработки CoapBlip (который был инициирован проектом «Интеллектуальный контейнер») приложение стало приложением по умолчанию в последней версии TinyOS [52].

Помимо многих других реализаций, совместимость нашего приложения CoapBlip была протестирована в двух тестах подключаемых модулей для CoAP, также организованных ETSI в марте 2012 г. и ноябре 2012 г. (первый и второй тест ETSI CoAP Plugtest).Тестовая спецификация второго Plugtest состоит из 23 обязательных и 41 необязательного тестового примера. При общем запуске примерно 1750 тестов в 60 сеансах сопряжения (разные клиенты с разными серверами) общий результат показал успешность примерно 98% [54].

В некоторых сценариях подключение к Интернету отключено или временно доступно только на ограниченных конечных точках, например телематические устройства. Это может произойти, когда подключение к Интернету отключено по причинам энергосбережения, или когда покрытие сотовой связи не позволяет подключиться к Интернету.В таких ситуациях вместо протокола передачи можно использовать службу коротких сообщений (SMS). В [55] SMS уже был определен как транспортный протокол для небольших передач данных. Кроме того, существующие реализации используют SMS для запуска (пробуждения) устройств, а также для инициирования или включения связи через Интернет. Однако триггерные сообщения дороги и обычно не несут никакой полезной информации. Кроме того, текущие приложения M2M, которые используют SMS в качестве транспортного протокола, например телематические устройства используют различные проприетарные и закрытые бинарные протоколы с ограниченной общедоступной документацией.

Поскольку служба SMS предлагает небольшие размеры пакетов и большие задержки, она соответствует свойствам сетей с низким энергопотреблением и потерями, то есть WSN. Поскольку конструкция CoAP учитывает эти ограничения, протокол CoAP также применим для использования с услугами SMS. В [56] авторы предложили проект IETF для использования SMS в качестве альтернативного транспорта для CoAP. Это предложение определяет адаптацию CoAP к транспорту SMS и указывает, как этот транспортный механизм может быть применен к устройствам с поддержкой IP.В результате Open Mobile Alliance определил SMS как альтернативный транспорт для сообщений CoAP в своей облегченной технической спецификации M2M.

5. Энергопотребление

Снижение энергопотребления - еще одна важная задача при разработке сетевого протокола, помимо совместимости с открытыми стандартами. В более ранних исследованиях [57] мы показали, что большая часть потребления тока приходится на радиочип. Радиочип CC2420 сенсорных узлов TelosB [15] требует почти такой же ток для приема (21.8 мА) и режимы передачи (19,5 мА при 0 дБ). Потребление тока другими компонентами оборудования значительно ниже. Микроконтроллер MSP430 потребляет 2,6 мА в активном режиме, а датчик температуры и влажности SHT75 [16] также требует 2,6 мА.

Срок службы батареи более 1 года может быть достигнут, если радиостанция работает только в режиме передачи и просыпается только через длительные промежутки времени для отправки текущих измерений на базовую станцию ​​или маршрутизатор, на который постоянно подается питание, например.г. [58]. Но эти системы имеют лишь ограниченные возможности для отправки команд конфигурации узлам датчиков или запроса повторной передачи в случае сбоя первой из них. Если сообщения должны пересылаться внутри сети, радио необходимо периодически устанавливать в режим приема.

Доля времени, в течение которой радиочип должен быть включен для прослушивания новых передач, может быть уменьшена с помощью подхода LPL [43]. Радио включается с фиксированными интервалами (например, 512 мс) на короткий период (например.г. 6 мс), чтобы проверить, пытается ли другой узел отправить пакет. Отправитель должен начать свою передачу с пакетной последовательности, чтобы разбудить слушающий узел. Последовательность пакетов прерывается, как только отправитель получает подтверждение получателя.

Общее энергопотребление сетевого протокола зависит от реализации передачи данных и маршрутизации RPL. Мы проанализировали энергопотребление ранее описанного протокола CoAP в качестве примера исследования для запроса 20 датчиков внутри контейнера каждые 10 минут.Потребляемый ток измерялся как функция времени по падению напряжения на резисторе 5 Ом с помощью осциллографа. Установка испытательного стенда состояла из четырех узлов, образующих типичный сценарий линии. Первый узел действовал как базовая станция и был подключен к ПК, на котором были инициированы запросы. Второй узел был промежуточным узлом, а оставшиеся два узла действовали как узлы-приемники. Расстояния были выбраны таким образом, чтобы не было возможности прямого соединения между базовой станцией и двумя узлами-приемниками.Таким образом, топология этой установки была многозвенной сетью, в которой промежуточный узел должен был справляться в основном с двумя задачами: обрабатывать входящий запрос, выделенный для себя, и пересылать пакеты от базовой станции к узлам-приемникам и наоборот. показывает периодическое включение / выключение магнитолы на короткие периоды механизмом LPL. Если датчик пересылает либо запрос на целевой сенсорный узел, либо ответ обратно на базовую станцию, радиостанция остается включенной, чтобы посылать последовательность пакетов до тех пор, пока не будет получено подтверждение, и для передачи данных.

Измеренное общее потребление тока сенсорным узлом для LPL и пересылки пары запрос / ответ по протоколу CoAP. (Онлайн-версия в цвете.)

В среднем радиомодуль был активен в течение 1,06 с для пересылки входящего запроса и соответствующего ему ответа. Количество запросов, которые необходимо переадресовать, зависит от положения узла в сети. В случае возникновения узкого места одному датчику может потребоваться пересылка запросов всем оставшимся 19 датчикам сети. Поскольку сценария «узкого места» можно избежать за счет разумного размещения датчиков, мы ограничили количество перенаправленных соседей до 12 на датчик.

Узлы датчиков должны периодически обновлять свои таблицы маршрутизации и обмениваться ими со своими соседями. Кроме того, необходимо учитывать ток покоя микроконтроллера 11 мкА. Вклады описанных выше факторов в общее потребление тока сравниваются в.

Таблица 1.

Вклады в потребление тока для реализации многозвенного протокола.

участник требуемые ресурсы отношение (%) минут в день
LPL 6 мс каждые 512 мс 1.17 16,9
12 запросов и ответов датчика каждые 600 с 12 × 1,06 с каждые 600 с 2,11 30,4
маршрутизация без LPL 154 сообщения за 50 минут со средней длиной 236,6 мс 1,21 17,5
ток в режиме ожидания 11 мкА относительно 20 мА 0,06 0,8
всего 4,56 65.6

Всего радио активно 4,56% времени или 65,6 мин в день. Узел TelosB питается от пары батареек AA. Если две трети номинальной емкости аккумулятора 2950 мАч могут использоваться до тех пор, пока напряжение аккумулятора не упадет ниже критического порога 1,2 В, узлы датчиков могут работать по протоколу CoAP в течение примерно трех месяцев в данном примере сценария. Во время наших полевых испытаний в Dole в 2013 году напряжение батареи упало с 1,5 до 1,425 В через три недели. Дальнейшее лабораторное испытание с одним датчиком и скоростью передачи данных, эквивалентной случаю узкого места, с 20 запросами за 10 мин, привело к сроку службы батареи около трех месяцев, пока напряжение не упало ниже критического предела.

Более половины энергии требуется для поддержания функциональности сети с помощью LPL и сообщений маршрутизации. Хотя это тематическое исследование относится к нашему сценарию тестирования, наш пример расчета показал, как несколько компонентов сетевого протокола влияют на потребление энергии.

Для передачи необработанных данных требуется всего несколько миллисекунд; большую часть активного времени радиосвязи для отправки пакета данных составляет последовательность пакетов для пробуждения приемника. Дальнейшая оптимизация возможна с помощью интеллектуального механизма управления пакетами, который задерживает начало последовательности пакетов, если отправитель уже знает или оценивает интервал пробуждения принимающего узла.Аналогичный механизм реализован в протоколе Contiki [59]. Но измерения энергопотребления, предоставленные компанией Virtenio, показывают, что протокол Contiki требует больше энергии для LPL. Их сенсорный узел Preon32 [21] требует активного времени радиообмена 3,02% при потреблении тока 37 мА, включая 2,88% для LPL, 0,09% для передачи данных в соответствии с нашим тестовым сценарием, 0,05% для маршрутизации и 0,13% для в режиме ожидания, в результате чего потребление энергии лишь немного выше, чем при использовании TinyOS на оборудовании TelosB.Оптимизация возможна для обоих протоколов либо на основе LPL, либо на механизмах пакетной последовательности, а также посредством предварительной обработки данных, как показано в §6.

6. Локальная и гибкая предварительная обработка данных датчиков

Контроль пространственных отклонений температуры внутри грузовика или контейнера позволяет получать большие наборы данных. Но часть информации, которая интересует транспортного оператора, в конечном итоге может быть выражена несколькими байтами: количество и расположение поддонов с малым сроком хранения или температурными условиями, выходящими за пределы допустимого диапазона.Чтобы сократить расходы на внешнюю связь и потребление энергии внутренней WSN, наиболее полезно обрабатывать данные непосредственно на датчике или на последующем системном уровне. Даже очень простые алгоритмы приводят к колоссальному сжатию данных:

  • (1) В подходе, предложенном Усманом и др. . [60], метод сбора данных на основе модели, называемый прогнозированием на основе производной, используется для представления измеренных данных в виде приближенных моделей. Обновление модели передается только в том случае, если измеренные данные начинают отклоняться от предыдущей модели.В простейшей форме процессор проверяет после каждого измерения, изменилась ли скорость изменения температуры за единицу времени. В нашем первом тесте реализация этой техники уже показала подавление передачи данных до 90%.

  • (2) Простые модели срока хранения оценивают влияние температурных отклонений в соответствии с законом Аррениуса для кинетики реакции или простой экспоненциальной зависимостью от температуры [2].

Анализ необходимого процессорного времени и памяти [61] показал, что аппаратного обеспечения типичных узлов беспроводных датчиков, таких как TelosB с тактовой частотой 8 МГц и 48 КБ ОЗУ, вполне достаточно для размещения таких алгоритмов.Первые коммерческие регистраторы данных с беспроводным интерфейсом и встроенной моделью срока годности доступны у компаний CliniSense / Lifetrack [62] и Ambient Systems [58].

Более мощные процессоры позволяют реализовать сложные алгоритмы. Сенсорный узел Preon32 от Virtenio [21] предоставляет процессор ARM с тактовой частотой 72 МГц и флэш-памятью 256 КБ. В течение последних лет мы протестировали следующие подходы для улучшенной предварительной обработки:

  • (3) Более точные модели срока годности рассчитывают скорость роста бактерий как функцию температуры.Модель Гомпертца требует, например, вычисления трех экспоненциальных и двух логарифмических функций на интервал измерения для обновления срока годности [63].

  • (4) Тепловая модель может применяться для проверки баланса между отводом тепла при охлаждении и теплом, выделяемым при дыхании плодов. Например, модель изменения температуры внутри банановых ящиков, представленная в этом выпуске [14], требует идентификации двух параметров модели.

  • (5) Пространственная интерполяция позволяет прогнозировать температуры для положений, не оборудованных датчиком.Измерения датчика умножаются на весовой коэффициент в соответствии с методом Кригинга [64]. Для расчета весовых коэффициентов требуется инверсия матрицы с размером, эквивалентным количеству датчиков.

Дэнни и др. . [63] показали, что даже такие сложные операции могут выполняться в сенсорных узлах, оснащенных процессором ARM. Наиболее трудоемкой задачей для ЦП была инверсия матрицы 20 × 20 для расчета весов кригинга, что потребовало 2066 мс на сенсорном узле Preon32.Но даже если матрицу приходится пересчитывать после каждого кадра продолжительностью 10 мин, доля активного времени процессора составляет всего 0,34%.

Еще одной важной проблемой для реализации обработки данных датчиков является требуемая гибкость программного обеспечения. Система надзора за скоропортящимися товарами не может рассматриваться как статическая программная система. Датчики, грузовики и контейнеры используются для различных пищевых продуктов и операторов. Для разных скоропортящихся товаров требуются разные модели срока годности.Тепловая модель должна быть адаптирована к различным типам упаковки.

Чтобы обеспечить такую ​​гибкость на FSU или даже на узлах датчиков, программная среда должна содержать различные алгоритмы, которые устанавливаются только по запросу. В бывшем Советском Союзе мы реализовали фреймворк Open Source Gateway Initiative (OSGi) [65], который позволяет устанавливать, обновлять и удаленно управлять пакетами программного обеспечения Java. OSGi также включает зависимости между пакетами. Например, обновленный пакет может публиковать услугу, рассчитывающую срок хранения определенного продукта.Другой установленный пакет запрашивает эту службу и решает, когда и кому будет отправлено предупреждающее сообщение.

Динамическая установка новых программных компонентов на уровне сенсорного узла может быть обеспечена инфраструктурой Java micro edition [66], которая требует меньше ресурсов. На испытательной установке мы продемонстрировали, как новый тип модели срока годности может быть передан по мобильной сети сначала в БСС, а оттуда в сенсорный узел [63].

7. Резюме

Беспроводные датчики, подходящие для удаленного мониторинга температуры ядра груза в контейнерах, в настоящее время недоступны в готовом виде.В этой статье мы рассмотрели четыре проблемы, которые препятствуют широкому применению сенсорных сетей в логистике. Доступны единые решения, которые решают часть этих проблем, но нет единой системы, которая решает все. Технические проблемы в принципе решены, но пока не интегрированы в полное решение.

Самым большим препятствием в наших полевых испытаниях было высокое затухание сигнала на частоте 2,4 ГГц. Теоретически мы можем показать, что затухание падает ниже 11 дБ м -1 , если частота снижается до значений менее 1 ГГц.На рынке уже есть системы, которые работают на этих менее чувствительных к влажности частотах, такие как Ceebron 433 МГц [6], Sensitech на 866 МГц [8] и Intelleflex на 915 МГц [9].

Проблема ослабления сигнала часто недооценивается. Эффект можно уменьшить, ограничив размещение датчика только положением на поверхности и, таким образом, обеспечив прямую связь между биркой датчика и считывателем в качестве предварительного условия для применения пассивных систем RFID. Но в некоторых пищевых приложениях невозможно избежать необходимости компенсировать высокое затухание сигнала путем пересылки сообщений, особенно для продуктов с высоким содержанием воды, плотной упаковкой или с требованием покрытия всей площади внутри 40-футового контейнера.

Если датчики должны применяться во всемирной транспортной сети с участием нескольких компаний, протокол связи должен быть совместим с другими широко принятыми стандартами. Это может быть стандарт EPCglobal для RFID-меток, используемый Intelleflex, или стандартные Интернет-протоколы IPv6, как описано в §4.

Стандарт DASH7 на частоте 433 МГц является наиболее многообещающим кандидатом для будущих систем контроля пищевых продуктов, поскольку можно реализовать протоколы для пересылки сообщений, а более низкая рабочая частота обеспечит связь даже для датчиков, размещенных между водосодержащими пищевыми продуктами.Хотя DASH7 сам по себе не предоставляет механизмы маршрутизации, возможности многоэлементной маршрутизации могут быть обеспечены путем реализации таких протоколов, как RPL, 6LoWPAN и CoAP, поверх спецификации DASH7, что является важной задачей для будущих исследований.

Продлить срок службы батареи для многозвенных протоколов по-прежнему непросто. С нашим текущим решением мы достигаем срока службы около трех месяцев при интервале измерения 10 минут. Большая часть энергии тратится на всплески, которые посылаются, чтобы разбудить приемник.Если отправитель отслеживает период пробуждения соседних узлов, большая часть энергии может быть сэкономлена за счет реализации интеллектуального пакетного режима.

Можно сэкономить больше энергии за счет уменьшения объема связи. В частности, модели для расчета срока годности требуют лишь незначительного количества энергии для работы на сенсорном узле; Затем периодическая передача данных измерений заменяется периодическими обновлениями параметров модели.

Принимая во внимание объем мирового экспорта пищевых продуктов, превышающий 800 миллиардов долларов [67], и потери продуктов питания, иногда превышающие 30% [1], существует большой рынок сенсорных решений для улучшения качества пищевых продуктов.Следовательно, коммерциализация вышеописанных подходов и появление сенсорных систем для дистанционного наблюдения за транспортировкой пищевых продуктов - это вопрос времени, которые будут объединять такие атрибуты, как многоскачковое переключение, совместимость с открытыми стандартами, предварительная обработка данных и эксплуатация на частоты менее чувствительны к водосодержащим продуктам.

Благодарности

Мы благодарим компанию Ingersoll Rand Climate Control Technologies за предоставление охлаждающего оборудования и компанию Dole Fresh Fruit Europe за предоставление испытательного оборудования.Кроме того, мы благодарим Йенса Деде и Virtenio GmbH за предоставленные дополнительные измерения энергии.

Доступность данных

Исходный код для реализации CoAP интегрирован в основную ветку репозитория исходного кода TinyOS на GitHub Inc. 2013. Основной репозиторий разработки для TinyOS: https://github.com/tinyos/tinyos-main .

Отчет о финансировании

Исследовательский проект «Интеллектуальный контейнер» был поддержан Федеральным министерством образования и исследований Германии под номером ссылки.01IA10001. Дополнительную информацию о проекте можно найти на http://www.intelligentcontainer.com.

Ссылки

1. Густавссон Дж., Седерберг С., Сонессон Ю., Оттердейк Р.В., Мейбек А. 2011 г. Глобальные продовольственные потери и пищевые отходы: масштабы, причины и профилактика. В Interpack2011, стр. 1–38. Рим, Италия: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО). [Google Scholar] 2. Джедерманн Р., Никомето М., Уйсал И., Ланг В. 2014 г. Снижение потерь продуктов питания за счет интеллектуальной логистики продуктов питания. Фил.Пер. R. Soc. А 372, 20130302 (10.1098 / rsta.2013.0302) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 3. Hertog MLATM, Uysal I, McCarthy U, Verlinden BM, Nicolaï BM. 2014 г. Моделирование срока хранения для управления складом «первым истек - первым ушел». Фил. Пер. R. Soc. А 372, 20130306 (10.1098 / rsta.2013.0306) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Zou Z, Chen Q, Uysal I, Zheng L. 2014 г. Радиочастотная идентификация делает возможным беспроводное зондирование для интеллектуальной логистики пищевых продуктов.Фил. Пер. R. Soc. А 372, 20130313 (10.1098 / rsta.2013.0313) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Scheer FP. Оптимизация цепочек поставок с использованием систем отслеживания. В улучшении прослеживаемости при переработке и распределении пищевых продуктов (ред. Смит I, Фернесс А.), стр. 52–64. Кембридж, Великобритания: Woodhead Publishing Ltd. [Google Scholar] 12. do Nascimento Nunes MC, Nicometo M, Emond JP, Melis RB, Uysal I. 2014 г. Повышение качества логистики свежих фруктов и овощей: полевые исследования ягодной логистики. Фил. Пер.R. Soc. А 372, 20130307 (10.1098 / rsta.2013.0307) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Jedermann R, Becker M, Görg C, Lang W. 2011 г. Тестирование сетевых протоколов и затухания сигналов в пищевых упаковках. Int. J. Sens. Netw. 9, 170–181. (10.1504 / IJSNET.2011.040238) [CrossRef] [Google Scholar] 17. Куладинити К., Бергманн О., Пётч Т., Беккер М., Гёрг К. 2011 г. Внедрение CoAP и его применение в транспортной логистике. В Proc. Расширение Интернета до сетей с низким энергопотреблением и с потерями (IP + SN), Чикаго, Иллинойс, 11 апреля, стр.1–7. Балтимор, Мэриленд: Исследовательская группа по межсетевому взаимодействию Хопкинса. [Google Scholar] 19. Mack M, Dittmer P, Veigt M, Kus M, Nehmiz U, Kreyenschmidt J. 2014 г. Отслеживание качества в цепочках поставок мяса. Фил. Пер. R. Soc. А 372, 20130308 (10.1098 / rsta.2013.0308) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Шульте Н. 2013. Управление холодовой цепью с помощью телематики прицепа и взаимосвязанной холодильной установки. На 5-м международном семинаре «Управление холодовой цепью», Боннский университет, Бонн, Германия.[Google Scholar] 22. Богена Х.Р., Хейсман Дж. А., Мейер Х., Розенбаум У., Войтен А. 2009 г. Гибридные беспроводные подземные сенсорные сети: количественная оценка затухания сигнала в почве. Зона Вадосе J. 8, 755–761. (10.2136 / vzj2008.0138) [CrossRef] [Google Scholar] 23. Стунтбек EP, Помпили Д., Мелодия Т. Беспроводные подземные сенсорные сети с использованием обычных наземных пылинок. На 2-м семинаре IEEE по беспроводным ячеистым сетям (WiMesh 2006), стр. 112–114. Нью-Йорк, Нью-Йорк: публикации конференции IEEE. [Google Scholar] 24.Вуран MC, Акылдыз ИФ. 2010 г. Модель канала и анализ для беспроводных подземных сенсорных сетей в почвенной среде. Phys. Commun. 3, 245–254. (10.1016 / j.phycom.2010.07.001) [CrossRef] [Google Scholar] 25. Добсон М.С., Улаби Ф.Т., Халликайнен М.Т., Эль-Райес М.А. 1985 г. Микроволновое диэлектрическое поведение влажной почвы - часть II: модели диэлектрического перемешивания. Geosci. Remote Sens. IEEE Trans. GE-23, 35–46. (10.1109 / tgrs.1985.289498) [CrossRef] [Google Scholar] 26. Бухенхорст Д. 2005 г. Anwendung von Radiowellen zur Erwärmung von Adsorbenzien und Katalysatoren.Докторская диссертация. Мартин-Лютер-Университет Галле-Виттенберг, Галле, Германия. [Google Scholar] 27. Танака Ф., Малликарджунан П., Хунг Ю.С. 1999 г. Диэлектрические свойства креветок, связанные с микроволновыми частотами: от стадии заморозки до стадии приготовления. J. Food Process Eng. 22, 455–468. (10.1111 / j.1745-4530.1999.tb00499.x) [CrossRef] [Google Scholar] 28. Олссон Т., Энрикес М., Бенгтссон Н.Е. 1974 г. Диэлектрические свойства модельных мясных эмульсий на частотах 900 и 2800 МГц в зависимости от их состава. J. Food Sci.39, 1153–1156. (10.1111 / j.1365-2621.1974.tb07341.x) [CrossRef] [Google Scholar] 29. Ланиэль М., Эмонд Дж.П., Алтунбас А.Е. 2011 г. Влияние положения антенны на читаемость RFID-меток в морском замороженном контейнере с замороженным хлебом на частотах 433 и 915 МГц. Трансп. Res. C Emerg. Technol. 19, 1071–1077. (10.1016 / j.trc.2011.06.008) [CrossRef] [Google Scholar] 30. Видаль Н., Курто С., Лопес-Вильегас Дж. М., Сииро Дж., Рамос Ф. М.. 2012 г. Исследование расстройки имплантируемых антенн внутри человеческого тела. Прог. Электромагнит. Res.124, 265–283. (10.2528 / PIER11120515) [CrossRef] [Google Scholar] 34. Тусет-Пейро П., Англес-Васкес А., Лопес-Викарио Дж., Вилахосана-Гильен X. 2013. О пригодности полосы 433 МГц для маломощной беспроводной связи M2M: аспекты распространения. Пер. Emerging Telecommunication. Technol. (10.1002 / ett.2672) [CrossRef] [Google Scholar] 35. Черногория G, Kushalnagar N, Hui J, Culler D. 2007 г. Передача пакетов IPv6 по сетям IEEE 802.15.4. Инженерная группа Интернета. См. Http: //www.ietf.org / rfc / rfc4944.txt37. Шелби З., Чакрабарти С., Нордмарк Э., Борман К. 2012 г. Оптимизация обнаружения соседей для IPv6 по беспроводным персональным сетям с низким энергопотреблением (6LoWPAN). Инженерная группа Интернета. См. Http://www.ietf.org/rfc/rfc6775.txt.38. Аль-Караки Дж. Н., Камаль А. Э. 2004 г. Методы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях: обзор. IEEE Wireless Commun. 11, 6–28. (10.1109 / MWC.2004.1368893) [CrossRef] [Google Scholar] 39. Sha K, Gehlot J, Greve R. 2013. Методы многолучевой маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях: обзор.Wireless Pers. Commun. 70, 807–829. (10.1007 / s11277-012-0723-2) [CrossRef] [Google Scholar] 41. Тюбер П. 2012 г. Целевая функция «Ноль» для протокола маршрутизации для сетей с низким энергопотреблением и с потерями (RPL). Инженерная группа Интернета. См. Http://www.ietf.org/rfc/rfc6552.txt.42. Гнавали О, Левис П. 2012 г. Минимальный ранг с целевой функцией гистерезиса. Инженерная группа Интернета. См. Http // tools.ietf.org / html / rfc6719 [Google Scholar] 43. Пётч Т., Куладинити К., Беккер М., Тренкамп П., Гёрг К.2012 г. Оценка производительности CoAP с использованием RPL и LPL в TinyOS. В Proc. 5-й Международный Международный ИФИП. Конф. по новым технологиям, мобильности и безопасности (NTMS), Стамбул, Турция Нью-Йорк, Нью-Йорк: публикации конференции IEEE. [Google Scholar] 45. Беккер М., Куладинити К., Гёрг К. 2012 г. Моделирование и имитация алгоритма тонкой струйки. В «Мобильные сети и управление» стр. 135–144. Берлин, Германия: Springer. [Google Scholar] 46. Филдинг RT. 2000 г. REST: архитектурные стили и проектирование сетевых архитектур программного обеспечения.Докторская диссертация Ирвин, Калифорния: Калифорнийский университет. [Google Scholar] 51. Лерхе К., Хартке К., Ковач М. 2012 г. Внедрение Интернета вещей в промышленности: исследование протокола ограниченного приложения. В Proc. 7-й Int. Семинар по сервис-ориентированным архитектурам в конвергентных сетевых средах (SOCNE 2012), стр. 1–6. Краков, польша. Нью-Йорк, Нью-Йорк: публикации конференции IEEE. [Google Scholar] 55. 3GPP. 2012 г. Улучшения системы для связи машинного типа (MTC). Версия 11.0.0. Проект партнерства третьего поколения (3GPP), спецификация 3GPP TR 23.888. См. Http://www.3gpp.org/DynaReport/23888.htm.57. Джедерманн Р., Палафокс-Альбарран Дж., Джаббари А., Ланг В. 2011 г. Встроенные интеллектуальные объекты в продовольственную логистику: технические ограничения принятия решений на местном уровне. В автономном сотрудничестве и контроле в логистике (ред. Хюльсманн М., Шольц-Райтер Б., Виндт К.), стр. 207–228. Берлин, Германия: Springer. [Google Scholar] 59. Анвандер М., Вагенкнехт Дж., Браун Т., Дольфус К. 2010 г. Beam: энергосберегающий адаптивный Mac-протокол с функцией пакетной передачи данных для беспроводных сенсорных сетей.В седьмом межд. Конференция по сетевым сенсорным системам (INSS), Кассель, Германия, 15–18 июня. Нью-Йорк, Нью-Йорк: публикации конференции IEEE, стр. 195–202. [Google Scholar] 60. Усман Р., Алессандро С., Эми Л. М., Фемида П., Джан Пьетро П. 2012 г. Чего на самом деле достигается сбор данных на основе моделей в беспроводных сенсорных сетях? В Proc. IEEE Int. Конф. on Pervasive Computing and Communications (PerCom), стр. 85–94, Лугано, Швейцария. Нью-Йорк, Нью-Йорк: публикации конференции IEEE. [Google Scholar] 61. Джедерманн Р., Эдмонд Дж. П., Ланг В.Прогнозирование срока годности с помощью интеллектуальной RFID. В первой международной конференции «Динамика в логистике» LDIC 2007 (ред. Хассис Х.Д., Креовски Х. Дж., Шольц-Райтер Б.), стр. 231–238. Берлин, Германия: Springer. [Google Scholar] 62. Zweig SE. Технология LifeTrack для интеллектуального визуального контроля активных этикеток и RFID-меток. На 3-м Международном семинаре по управлению холодовой цепью (ред. Крейеншмидт Дж.), Стр. 29–36. Бонн, Германия: Боннский университет. [Google Scholar] 63. Дэнни А., Палафокс-Альбарран Дж., Ланг В. 2013.Компоненты интеллектуального динамического программного обеспечения, обеспечивающие поддержку принятия решений в межмашинных сетях. IJCSI Int. J. Comput. Sci. Проблемы 10, 540–550. [Google Scholar] 64. Джедерманн Р., Ланг В. Минимальное количество датчиков: интерполяция пространственных профилей температуры. В беспроводных сенсорных сетях, 6-я Европейская конференция, EWSN 2009, Lecture Notes in Computer Science (LNCS) (eds Rödig U, Sreenan CJ.), Стр. 232–246. Берлин, Германия: Springer. [Google Scholar] 66. Ли С., Кнудсен Дж. 2005 г. Начало платформы J2ME: от новичка до профессионала, 3-е изд.Беркли, Калифорния: Апресс. [Google Scholar]

Поставщики средств беспроводной связи и ресурсы

О мире беспроводной связи RF

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи. На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, волоконная оптика, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д.Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP. В нем также есть академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета. • Система измерения столкновений • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды. • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Умная парковка на базе Zigbee • Система умной парковки на основе LoRaWAN


Статьи о беспроводной радиосвязи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, связанные с испытаниями и измерениями, по тестированию на соответствие, используемым для тестов на соответствие устройств RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЬИ ДЛЯ ССЫЛКИ >>.


Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤


Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤


Основы и типы замирания : В этой статье рассматриваются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые замирания и т. Д., Которые используются в беспроводной связи. Читать дальше➤


Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤


Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤


5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP


Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются обучающие материалы по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ Учебников >>


Учебное пособие по 5G - В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G Частотные диапазоны руководство по миллиметровым волнам Волновая рама 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF


Этот учебник GSM охватывает основы GSM, архитектуру сети, элементы сети, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура или иерархия кадров GSM, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном, Планирование RF, нисходящая линия связи PS и восходящая линия связи PS.
➤Подробнее.

LTE ​​Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.


RF Technology Stuff

Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP от 70 МГц до диапазона C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF-фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤ОсновыWaveguide


Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования ИУ на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.ИНДЕКС испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест устройства на соответствие WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA


Волоконно-оптическая технология

Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебное пособие по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Каркасная конструкция ➤SONET против SDH


Поставщики, производители радиочастотной беспроводной связи

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, индуктор микросхемы, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор


MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR триггеры labview коды


* Общая информация о здоровье населения *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь
3. ЛИЦО: Не трогай его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.


RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц. Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤Калькулятор антенн Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR


IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB



СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ


RF Wireless Учебники



Датчики разных типов


Поделиться страницей

Перевести страницу

37 Свода федеральных правил, § 210.12 - Определения. | CFR | Закон США

§ 210.12 Определения.

Используется в этом подразделе:

(a) Ежемесячная выписка по счету или Ежемесячная выписка - это выписка, сопровождающая ежемесячные платежи роялти, указанные в 17 U.S.C. 115 (c) (2) (I), и согласно требованиям этого раздела они должны быть поданы в соответствии с принудительной лицензией на изготовление и распространение фонограмм недраматических музыкальных произведений, в том числе посредством доставки цифровой фонограммы.

(b) Годовой отчет или годовой отчет - это отчет, указанный в 17 U.S.C 115 (c) (2) (I), и в соответствии с этим разделом требуется подача в соответствии с обязательной лицензией на изготовление и распространение фонограмм недраматических музыкальных произведений, в том числе посредством доставки цифровой звукозаписи. Такой термин, когда он используется в этом правиле, включает исправленный годовой отчет по счету, поданный в соответствии с § 210.17 (d) (2) (iii).

(c) Доставка цифровой фонограммы означает каждую отдельную доставку фонограммы путем цифровой передачи звукозаписи, которая приводит к специально идентифицируемому воспроизведению фонограммы этой звукозаписи любым получателем передачи или для любого получателя передачи, независимо от того, осуществляется ли цифровая передача. также публичное исполнение звукозаписи или любого воплощенного в ней музыкального произведения.Воспроизведение фонограммы должно быть достаточно постоянным или стабильным, чтобы его можно было воспринимать, воспроизводить или иным образом передавать в течение периода, превышающего временный срок. Такая фонограмма может быть постоянной или быть доступной для получателя передачи на ограниченный период времени или на определенное количество исполнений. Поставка цифровой фонограммы включает в себя все фонограммы, предназначенные для доставки цифровой фонограммы. Доставка цифровой фонограммы не включает в себя любую передачу, которая не привела к конкретно идентифицируемому воспроизведению всего передаваемого продукта, и за которую дистрибьютор не взимал или полностью не возмещал любые деньги, которые в противном случае причитались бы за соответствующую передачу.Несмотря на вышесказанное, постоянная загрузка, ограниченная загрузка или интерактивный поток, как определено в 17 U.S.C. 115 (e), представляет собой поставку цифрового аудиомагнитофона. Доставка цифровой фонограммы не включает цифровую передачу звуков, сопровождающих кинофильм или другую аудиовизуальную работу, как это определено в 17 U.S.C. 101.

(d) Рингтон имеет значение, указанное в § 385.2 настоящего раздела.

(e) Термин «владелец авторских прав» в случае любой работы, имеющей более одного правообладателя, означает любого из совладельцев.

(f) Обязательный лицензиат - это физическое или юридическое лицо, осуществляющее принудительную лицензию на изготовление и распространение фонограмм недраматических музыкальных произведений, как это предусмотрено в соответствии с 17 U.S.C. 115, в том числе с помощью цифровой аудиосистемы.

(g) Фонограмма считается распространенной, если обязательный лицензиат добровольно и окончательно расстался с владением фонограммой, что происходит следующим образом:

(1) В случае физических фонограмм, изъятых из владения для целей, отличных от продажи, в то время, когда обязательный лицензиат фактически вступает во владение;

(2) В случае физических фонограмм, изъятых из владения для целей продажи без права возврата непроданных фонограмм в кредит или обмен, в то время, когда обязательный лицензиат фактически вступает во владение;

(3) В случае физических фонограмм, изъятых из владения для целей продажи, сопровождаемых привилегией возврата непроданных фонограмм в кредит или обмен:

(i) В то время, когда выручка от продажи фонограммы «признается» обязательным лицензиатом; или

(ii) Девять месяцев с месяца, в котором обязательный лицензиат фактически впервые расстался с владением, в зависимости от того, что наступит раньше.Для этих целей считается, что лицензиат по принудительной лицензии «признает» выручку от продажи фонограммы, если выручка от продаж будет признана в соответствии с ОПБУ.

(4) В случае поставки цифровой фонограммы - в день передачи аудиозаписи в цифровом виде.

(h) Резерв фонограммы включает количество фонограмм, сделанных по конкретной принудительной лицензии, если таковая имеется, которые были изъяты из владения для целей продажи в определенный месяц, сопровождаемые привилегией на возврат, как описано в параграфе (g) (3) настоящей статьи, и которые не считались распределенными в течение месяца, когда обязательный лицензиат фактически впервые расстался со своим владением.Первоначальное количество фонограмм, составляющих резерв фонограмм, определяется в соответствии с GAAP.

(i) Отрицательный резервный баланс включает совокупное количество фонограмм, сделанных по конкретной принудительной лицензии, если таковая имеется, которые были изъяты из владения для целей продажи, сопровождаемых привилегией на возврат, как описано в параграфе (g) (3). ) этого раздела, и которые были возвращены обязательному лицензиату, но из-за того, что все имеющиеся резервы фонограммы были исключены, не были использованы для уменьшения резерва фонограммы.

(j) GAAP означает общепринятые принципы бухгалтерского учета США, за исключением случаев, когда Комиссия по ценным бумагам и биржам США разрешает или требует от компаний, чьи ценные бумаги публично торгуются в США, применять Международные стандарты финансовой отчетности, выпущенные Советом по международным стандартам бухгалтерского учета, или как принято Комиссией по ценным бумагам и биржам, если оно отличается от принятого Советом по международным стандартам бухгалтерского учета, вместо Общепринятых принципов бухгалтерского учета, то организация может использовать Международные стандарты финансовой отчетности как «ОПБУ» для целей данного подраздела.

(k) Срок действия лицензии имеет значение, указанное в 17 U.S.C. 115 (е) (15).

(l) Термин «поставщик цифровой музыки» имеет значение, данное в 17 U.S.C. 115 (е) (8).

(m) Термин «общая лицензия» имеет значение, данное в 17 U.S.C. 115 (е) (5).

(n) Термин звукозаписывающая компания имеет значение, данное в 17 U.S.C. 115 (е) (26).

(o) Термин «индивидуальная лицензия на загрузку» имеет значение, данное в 17 США.С. 115 (е) (12).

Перестройка функциональной архитектуры мозга в результате алкогольной зависимости и воздержания

Значимость

Визуализация функциональных изменений в мозговых сетях, вызванных употреблением алкоголя и алкогольной зависимостью, является важным шагом в нашем понимании последствий употребления алкоголя. Из-за технических ограничений невозможно было визуализировать изменения во всем мозге с разрешением одной клетки. В настоящем исследовании использовался подход одноклеточной визуализации всего мозга у мышей, чтобы оценить, влияет ли воздержание от алкоголя на функциональную архитектуру мозга.По сравнению с непьющими и не употребляющими алкоголь мышами, зависимые от алкоголя, демонстрировали повсеместное увеличение скоординированной мозговой активности во время воздержания и снижение модульности. Мы также определили целевые области мозга для будущих исследований и предоставили одноклеточный атлас всего мозга, который можно использовать для лучшего понимания последствий употребления алкоголя, зависимости и воздержания.

Abstract

Злоупотребление алкоголем и алкогольная зависимость являются ключевыми факторами в развитии расстройства, связанного с употреблением алкоголя, которое является широко распространенной социальной проблемой со значительными экономическими, медицинскими и психиатрическими последствиями.Хотя наше понимание нейросхемы, лежащей в основе употребления алкоголя, улучшилось, необходимо выявить новые области мозга, которые участвуют в употреблении алкоголя, и новые биомаркеры употребления алкоголя. В настоящем исследовании использовался подход одноклеточной визуализации всего мозга, чтобы: 1) оценить, влияет ли воздержание от алкоголя на модели алкогольной зависимости на животных функциональную архитектуру активности мозга и модульность, 2) подтвердить наши текущие знания о нейросхеме воздержания от алкоголя. и 3) обнаруживать области мозга, которые могут быть вовлечены в употребление алкоголя.Воздержание от алкоголя привело к реорганизации функциональной архитектуры всего мозга у мышей и заметному снижению модульности, чего не наблюдалось у независимых умеренно пьющих. Структурирование сети воздержания от алкоголя выявило три основных модуля мозга: 1) расширенный модуль миндалины, 2) полосатый модуль среднего мозга и 3) кортико-гиппокампо-таламический модуль, что напоминает теорию трех этапов. Были выявлены многие центральные области мозга, которые контролируют эту сеть, в том числе несколько, которые ранее не учитывались в исследованиях алкоголя.Эти результаты определяют цели мозга для будущих исследований и демонстрируют, что употребление алкоголя и зависимость изменяют функциональную архитектуру мозга, уменьшая модульность. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, являются ли изменения в коактивации и модульности, которые связаны с воздержанием от алкоголя, причинными признаками алкогольной зависимости или следствием чрезмерного употребления алкоголя и воздействия алкоголя.

Злоупотребление алкоголем и алкогольная зависимость являются ключевыми факторами в развитии расстройства, связанного с употреблением алкоголя, которое является широко распространенной социальной проблемой со значительными экономическими, медицинскими и психиатрическими последствиями (1).Алкогольная зависимость может быть связана с тяжелыми заболеваниями печени и поджелудочной железы, которые требуют контроля за потреблением алкоголя, чему может значительно помочь понимание того, как умеренное употребление алкоголя в анамнезе по сравнению с алкогольной зависимостью и воздержанием меняет мозг (2). Наши знания о нейросетях, лежащих в основе употребления алкоголя, зависимости и воздержания от алкоголя, улучшились за последнее десятилетие (3, 4), но большинство доклинических исследований было сосредоточено только на нескольких областях мозга, представляющих интерес, из-за технических и концептуальных ограничений.Это серьезное препятствие для данной области, поскольку оно препятствует открытию новых областей мозга, которые могут быть вовлечены в алкогольную зависимость, ограничивает нашу способность обнаруживать биомаркеры и прогностические признаки употребления алкоголя в будущем и препятствует разработке новых подходов к лечению алкогольной зависимости. расстройство, связанное с употреблением алкоголя (5, 6). Более того, исследования заболеваний головного мозга, таких как деменция, судороги и черепно-мозговые травмы, выявили глобальную адаптацию функциональной сети всего мозга, включая более низкую модульность (7⇓⇓⇓⇓ – 12), и аналогичные эффекты могут иметь решающее значение для наше понимание алкогольной зависимости.В настоящем исследовании использовался подход одноклеточной визуализации всего мозга, чтобы: 1) оценить, влияет ли воздержание от алкоголя существенно на функциональную архитектуру мозговой активности и приводит к изменениям модульности, 2) подтвердить наши текущие знания о нейросхеме воздержания от алкоголя и 3) выявить области мозга, которые могут быть вовлечены в алкогольную зависимость и воздержание.

Из-за технических ограничений визуализация изменений во всем мозге с разрешением одной клетки у грызунов, зависимых от алкоголя, ранее была невозможна.Однако новые подходы к визуализации всего мозга, такие как CLARITY, трехмерная (3D) визуализация очищенных растворителем органов (iDISCO) с использованием иммунной метки, Ultimate DISCO (uDISCO) и другие (13⇓⇓⇓ – 17), обеспечили возможности беспристрастно расширить наши знания о функциональных нейронных схемах в моделях алкогольной зависимости на животных. Настоящее исследование создало атлас изменений в модульности и функциональной взаимосвязи, который был вызван воздержанием от алкоголя на животных моделях употребления алкоголя и алкогольной зависимости, с разрешением одной клетки, охватывающим весь мозг атласом с использованием объективных одноклеточных изображений всего мозга.Мы дополнительно охарактеризовали сеть воздержания от алкоголя, чтобы оценить центральные области мозга, которые могут управлять функцией сети, и предсказать поведение, связанное с употреблением алкоголя и воздержанием. Наконец, мы оценили модульную организацию сети воздержания от алкоголя по сравнению с областями мозга, которые, как предполагается, имеют решающее значение при алкогольной зависимости (3, 4).

Результаты

Обзор эксперимента.

Мы использовали хорошо проверенную мышиную модель алкогольной зависимости, парадигму выбора двух бутылок (2BC) / хронического прерывистого этанола (CIE) (18), чтобы изучить взаимосвязь между поведенческими и нервными эффектами воздержания от алкоголя.Мы оценили потребление алкоголя у алкогольно-зависимых (2BC / CIE) и независимых (2BC / Air) мышей, а также оценили поведение, подобное раздражительности, и поведение копания у 2BC / CIE, 2BC / Air и мышей, не употребляющих алкоголь. Мы также определили функциональные сети коактивации во время воздержания от алкоголя у мышей, зависимых от алкоголя, и сравнили их с сетями из не зависимых от алкоголя и наивных мышей. Затем мы изучили изменения в модульной структуре мозга, вызванные воздержанием от алкоголя, и определили ключевые области мозга, которые могут управлять работой сети.Схема эксперимента представлена ​​на рис. 1.

Рис. 1.

Схема эксперимента. Мыши прошли парадигму 2BC / CIE. Парадигма 2BC / CIE предполагает чередование недель 2BC (выделено синим) и CIE / Air (выделено красным и серым соответственно). Мыши прошли 2 недели базового тестирования 2BC с последующими пятью раундами чередования недель CIE или Air и недель 2BC. Затем мыши прошли шестую неделю лечения CIE / Air, а затем были протестированы на поведение, подобное раздражительности и рытью, через 7 и 10 дней до воздержания, соответственно (выделено зеленым).Затем мышей подвергали еще одну неделю CIE / воздух, и мозг собирали через 7 дней после последнего воздействия пара без промежуточного поведенческого тестирования. Мозг собирали в течение дня, когда мыши обычно проходят сеанс 2BC. Затем мозг иммуноокрашивали на Fos и очищали с помощью процедуры iDISCO +. Затем были отображены и проанализированы мозги, чтобы определить области мозга, которые потенциально способствуют поведению и функциональным сетям для каждого лечения. Затем с помощью теории графов были определены ключевые области мозга в сети воздержания от алкоголя.BBT, тест с бутылочной щеткой на поведение, подобное раздражительности; DM, копка и закапывание мрамора.

Алкогольная зависимость увеличивает добровольное потребление алкоголя.

После 2 недель базового употребления алкоголя и пяти раундов чередующихся недель воздействия 2BC / CIE у зависимых от алкоголя мышей наблюдалось увеличение потребления алкоголя по сравнению с независимыми мышами, которые имели такой же доступ к питью, но не подвергались воздействию паров алкоголя. ANOVA с повторными измерениями, с группой (зависимой от алкоголя и независимой) в качестве фактора между субъектами и неделей (исходный уровень и потребление после пара) в качестве фактора внутри субъектов, выявил значимое взаимодействие неделя × группа ( F 1, 7 = 13.9, P <0,05) и значимое влияние группы ( F 1,7 = 10,0, P <0,05). Апостериорный тест Стьюдента – Ньюмана – Кеулса (SNK) показал, что алкоголезависимые мыши значительно увеличили потребление алкоголя в течение 5-й недели после пара по сравнению с их собственным исходным уровнем (2,8 ± 0,2 г 0.2кг -1 902 ч -1 на исходном уровне по сравнению с 3,7 ± 0,3 г⋅кг -1 2 ч -1 на 5-й неделе после пара), а у мышей, зависимых от алкоголя, потребление алкоголя было значительно выше по сравнению с мышами, не зависимыми от пара на 5-й неделе после пара (3.7 ± 0,3 г⋅кг −1 2 час −1 для зависимых от алкоголя против 2,3 ± 0,2 г⋅кг −1 2 час −1 для независимых на 5-й неделе после испарения; Рис.2 A ).

Рис. 2.

Алкогольное поведение и воздержание от алкоголя у мышей, зависимых от алкоголя, по сравнению с контрольными мышами. ( A ) У мышей, зависимых от алкоголя (черные столбцы), наблюдалось значительное увеличение потребления алкоголя во время тестирования 2BC после 5-й недели после испарения по сравнению с употреблением алкоголя у независимых мышей (белые столбцы) и их собственным исходным потреблением.( B ) Поведение, подобное раздражительности. Алкогользависимые мыши (черная полоса) продемонстрировали значительное увеличение общих раздражительных реакций по сравнению с контрольными мышами (независимыми и наивными; белая полоса). ( C ) Поведение при копании. Алкогольные мыши (черная полоса) демонстрировали значительное усиление сложного поведения копания (Z-оценка поведения копания) по сравнению с контрольными мышами (независимыми и наивными; белая полоса). * P <0,05 (двусторонний), алкогольная зависимость vs.независимость от употребления алкоголя или контроль над поведением, похожим на раздражительность и копание; # P <0,05 (двусторонний), алкогольная зависимость на пятой неделе после испарения по сравнению с исходным уровнем алкогольной зависимости.

Алкогольная зависимость приводит к аффективной дисфункции во время воздержания.

Чтобы оценить аффективную дисфункцию во время воздержания от алкоголя, мы измерили поведение, подобное раздражительности, и поведение копания / закапывания мрамора. Повышенная раздражительность и рытье - ключевые симптомы воздержания от алкоголя у грызунов (19⇓ – 21).Независимые мыши и наивные мыши не различались друг от друга по общим показателям поведения, подобного раздражительности (60,8 ± 3,4 для независимых против 58,6 ± 3,2 для наивных; t = 0,47, P > 0,05). Поэтому мы объединили независимых и наивных мышей в единую контрольную группу. Мы обнаружили значительное усиление раздражительного поведения через 1 неделю воздержания у мышей, зависимых от алкоголя, по сравнению с контрольными мышами (75,3 ± 2,8 для зависимых от алкоголя по сравнению с 59,7 ± 2,2 для контроля; t = 3.92, P <0,005; Рис.2 B ). Алкогользависимые мыши также продемонстрировали значительное усиление поведения, подобного раздражительности, по сравнению как с независимыми мышами, так и с наивными мышами при анализе в отдельных группах с помощью однофакторного дисперсионного анализа ( F 2,11 = 7,3, P <0,05 ; SI Приложение , рис. S1 A ).

Подобно раздражительному поведению, независимые и наивные мыши существенно не отличались друг от друга по своему составному поведению копания (-0.70 ± 0,25 для независимых против -0,26 ± 0,14 для наивных; t = 1,5, P > 0,05). Поэтому мы объединили независимых и наивных мышей в единую контрольную группу. Алкогользависимые мыши продемонстрировали значительное усиление поведения рытья в течение 1 недели после воздержания по сравнению с контрольными мышами ( Z балл = 1,19 ± 0,20 для алкогольной зависимости против -0,48 ± 0,18 для контроля; t = 6,03, P <0,0005; Фиг.2 C ). Алкогользависимые мыши также продемонстрировали значительное усиление поведения при копании по сравнению как с независимыми, так и с наивными мышами при анализе в отдельных группах с помощью однофакторного дисперсионного анализа ( F 2,11 = 21.7, P <0,0005; SI Приложение , рис. S1 B ).

Отдельную группу мышей, зависимых от алкоголя, не зависимых и наивных мышей тестировали на предпочтение сахарина для измерения признаков ангедонии, клинически значимого признака большого депрессивного расстройства (22). Мы не обнаружили значительных различий в потреблении сахарина между группами ( SI Приложение , рис. S2), что указывает на то, что у мышей с алкогольной зависимостью не наблюдалось увеличения признаков ангедонии.

Выявление крупномасштабных изменений функциональной нейронной коактивации, вызванных отказом от алкоголя.

Чтобы выяснить, приводят ли употребление алкоголя и зависимость к изменениям в активности и организации мозга, мы исследовали изменения в нейронной коактивации мозга и модульной структуре, которые были вызваны воздержанием от алкоголя. Сначала мы визуализировали межрегиональные корреляции Fos для каждого состояния лечения (зависимого от алкоголя, независимого и наивного). Матрицы корреляции были организованы в соответствии с традиционными анатомическими группами из Атласа мозга мышей Аллена (см. Рис. 3, приложение SI, приложение , таблицу S1 и материалы и методы для порядка перечисления областей мозга).При такой визуализации наблюдались четкие различия в моделях коактивации между алкогольнозависимыми мышами и независимыми и наивными контрольными мышами (рис. 3 A - C ). В целом, алкоголезависимые мыши показали более высокий уровень взаимной корреляции между областями мозга по сравнению с контрольными условиями (независимыми и наивными). Кроме того, у независимых пьющих наблюдался умеренно более высокий уровень взаимной корреляции между областями мозга по сравнению с непьющими (наивными).Однако один кластер областей мозга, который включал боковую миндалину (LA), эндопириформное ядро ​​(EP), базолатеральное миндалевидное тело (BLA), центральное ядро ​​миндалины (CEA) и интеркалированное миндалевидное тело (IA), был примечателен, поскольку он был антикоррелирован с большинство других областей мозга (обведено на рис. 3 A - C ). Чтобы дополнительно определить способ, которым этот кластер миндалины функционально связан с остальной частью мозга, мы сравнили паттерны корреляции кластера миндалины с областями мозга, которые продемонстрировали самые высокие уровни корреляции / антикорреляции, путем вычисления средней корреляции по каждой области мозга. группа (рис.4 A и B ). Значительный эффект группы был обнаружен во всех сравнениях кластера миндалины с другими кластерами, которые были исследованы: внутрикластерная корреляция кластера миндалины (т.е. сравнение миндалины с миндалевидным телом) (за исключением самокорреляций; F 2,12 = 93.8, P <0.005), кортикальный кластер миндалины / ретрогиппокампа (задняя часть кортикального миндалины [COAp], медиальная часть энторинальной области [ENTm], латеральная часть энторинальной области [ENT1] и парапубикулум; F 2,12272 90 = 13.5, P <0,005), парасубталамическое ядро ​​/ туберальное ядро ​​(PSTN / TU; F 2,12 = 14,0, P <0,005), кортикальный кластер (орбитофронтальная кора [OFC], префронтальная кора [PFC ] и сенсорной / соматосенсорной коры; F 2,12 = 34,1, P <0,005), кластер гиппокампа (HIPP; поля CA1, CA2, CA3 и зубчатая извилина; F 2,12 = 23,2, P <0,005), таламический кластер (THAL; основные ядра таламуса; F 2,12 = 8.6, P <0,005), гипоталамический кластер (HYPO; основные ядра гипоталамуса; F 2,12 = 35,0, P <0,005), а также межпедункулярное ядро ​​(IPN) и вентральная покрытая область (VTA; F 2,12 = 4,0, P <0,05; рис.4 B ). В каждом случае эффект группы определялся алкогольной группой. Интересно, что области кортикальной миндалины / ретрогиппокампа и PSTN / TU положительно коррелировали с группой миндалины, тогда как другие области коррелировали отрицательно.Эти данные показывают, что у алкоголиков значительно увеличилась скоординированная активность всего мозга во время воздержания по сравнению с пьющими и трезвенниками, умеренно пьющими, а у лиц, пьющих умеренно, скоординированная активность немного увеличилась по сравнению с трезвенниками.

Рис. 3.

Межмозговые карты региональной корреляции Пирсона для каждого лечения, организованные анатомически на основе Атласа мозга мышей Аллена. ( A ) Корреляционная тепловая карта для наивных мышей.( B ) Корреляционная тепловая карта для мышей, не зависимых от алкоголя. ( C ) Корреляционная тепловая карта для мышей с алкогольной зависимостью. Каждая тепловая карта разделена на анатомические группы с цветовой кодировкой: темно-зеленый (кортикальная пластинка), светло-зеленый (кортикальная пластинка), темно-синий (полосатое тело), ​​светло-синий (паллидум), темно-красный (таламус), светло-красный (гипоталамус), и фиолетовый (средний мозг, задний мозг и мозжечок). Область, выделенная фиолетовым цветом на каждой тепловой карте, представляет кластер миндалины на тепловой карте, которая более подробно показана на рис.4.

Рис. 4.

Сравнение корреляций Пирсона кластера миндалины с другими регионами. ( A ) Вырезание корреляций из рис. 3 областей мозга по сравнению с кластером миндалины для каждого лечения. Названия отдельных регионов отображаются внизу, а названия групп отображаются над каждым кластером. ( B ) Средние значения R для мышей, зависимых от алкоголя (черные столбцы), не зависимых от алкоголя (белые столбцы) и наивных (серые столбцы) мышей для каждого кластера по сравнению с кластером миндалины.* P <0,05 по сравнению с наивным; # P <0,05, по сравнению с зависимостью от алкоголя.

Воздержание от алкоголя приводит к снижению модульной структуры мозга.

Существенное снижение модульности мозга наблюдалось при таких заболеваниях головного мозга, как деменция и после черепно-мозговой травмы (7⇓⇓⇓⇓ – 12), но неясно, приводит ли алкогольная зависимость к аналогичным изменениям в модульной организации мозга. Мы использовали иерархическую кластеризацию, чтобы определить модульную организацию мозга у мышей с алкогольной зависимостью и контрольных мышей.У контрольных животных мы обнаружили, что мозг был организован в 9 модулей (независимые пьющие) и 10 модулей (наивные мыши), что указывает на умеренное снижение модульности у независимых пьющих. Интересно, что отказ от алкоголя привел только к трем большим модулям, что указывает на общее снижение модульности (рис. 5). В контроле (независимом и наивном) каждый отдельный модуль состоял из меньшего подмножества областей мозга по сравнению с модулями у мышей, зависимых от алкоголя. Примечательно, что уменьшение количества модулей, вызванное воздержанием от алкоголя, по сравнению с другими группами не зависело от использованных пороговых значений кластеризации (рис.5 D ).

Рис. 5.

Иерархическая кластеризация полных матриц евклидовых расстояний для каждого лечения. Модули определяли путем разрезания каждой дендрограммы на половину максимальной высоты дерева. ( A ) Относительное расстояние каждой области мозга относительно других, которые были исследованы на наивных мышах. У наивных мышей было идентифицировано девять различных модулей коактивации. ( B ) Относительное расстояние каждой области мозга относительно других, которые были исследованы у мышей, не зависимых от алкоголя.У мышей, не зависимых от алкоголя, было идентифицировано восемь различных модулей коактивации. ( C ) Относительное расстояние каждой области мозга относительно других, которые были исследованы на алкоголезависимых мышах. У мышей, зависимых от алкоголя, были идентифицированы три различных модуля коактивации. Для всех матриц расстояний каждый модуль выделен фиолетовым цветом. ( D ) Количество модулей в каждом условии обработки после разрезания иерархической кластеризованной дендрограммы при различных процентах высоты дерева.Во всех случаях (за исключением крайних значений, например, 70–100%) в сети, зависящей от алкоголя, было меньше модулей по сравнению с сетями, не зависимыми от алкоголя и наивными.

В алкогольной сети иерархическая кластеризация выявила два модуля с противоположными паттернами коактивации и третий модуль, который показал умеренную коактивацию с каждым из других модулей. Мы назвали модули в алкогольной сети на основе преобладающих региональных компонентов в каждом модуле (например,g., регионы с самой высокой внутримодульной связностью). Один модуль представлял собой расширенный модуль миндалины (модуль A), состоящий из CEA, BLA, LA и IA. Этот модуль также содержал вкусовые области (GU), PSTN и медиальную габенулу (MH) среди других областей. Второй модуль представлял собой полосатый модуль среднего мозга (модуль B), который состоял из периакведуктального серого (PAG), паравентрикулярного таламуса (PVT), моста, ретикулярной и компактной черной субстанции (SNr и SNc), ретикулярного ядра среднего мозга (MRN) и некоторые дополнительные области миндалины, которые не были обнаружены в расширенном модуле миндалины.Третий модуль был кортико-гиппокампо-таламическим модулем (модуль C), который был сильно антикоррелирован с расширенным модулем миндалины. Кортико-гиппокампо-таламический модуль включал PFC, OFC, сенсорную и соматосенсорную коры, HIPP, THAL и HYPO. Этот модуль также содержал VTA, IPN, латеральную габенулу (LH), ядро ​​ложа терминальной полоски (BST) и прилежащее ядро ​​(ACB; рис. 5 C и полный список см. В приложении SI , таблица S1). регионов и модулей).Эти данные показывают, что у алкоголиков наблюдается снижение модульной структуры мозга, что свидетельствует о серьезной структурной реорганизации нейронной сети.

Определение ключевых областей мозга, связанных с воздержанием от алкоголя.

Чтобы дополнительно охарактеризовать функциональную сеть, которая связана с воздержанием от алкоголя, мы использовали подход теории графов для определения потенциально критических узловых областей мозга (то есть областей с наибольшей внутримодульной или межмодульной связью), которые могут стимулировать активность в сети.Мы исследовали положительную взаимосвязь (пороговую для функциональных связей с коэффициентом корреляции Пирсона> 0,75 [0,75R] для включения в качестве сетевого подключения) сети, которая связана с воздержанием от алкоголя у алкоголезависимых мышей, используя модули, которые были идентифицированы с помощью иерархической кластеризации для разделения регионов сети. Порог 0,75R был выбран потому, что все области мозга в каждой сети имели связи с другими регионами на этом пороге. Предыдущие исследования на животных моделях использовали различные пороговые значения в диапазоне от 0.От 3R до 0,85R (23, 24), чтобы проверить возможность подключения. Отрицательное сетевое соединение здесь не рассматривалось, поскольку точное значение такого соединения является спорным и поэтому не часто рассматривается в сетевых подходах (25–28).

Мы определили коэффициент участия (ПК; т. Е. Меру важности для межмодульной связи) и Z-оценку внутримодульной степени (WMDz; т. Е. Меру важности для внутримодульной связи) (29) для всех областей мозга в сеть (полный список значений см. в Приложении SI , Таблица S1).Мы сосредоточились на потенциальных участках-концентраторах из расширенного модуля миндалины и его прямых связях, учитывая важность расширенной миндалины в анализе иерархической кластеризации (Рис. 5 C ). В расширенном модуле миндалины несколько областей мозга имели как высокие значения PC, так и высокие значения WMDz (рис. 6). Эти области включали CEA, IA и сенсорную связь с верхним холмиком (SC). Кроме того, задняя кортикальная миндалины (COAp), PSTN, BLA и EP имели высокие значения WMDz. Расположенные рядом с основной группой областей с высоким WMDz расширенного модуля миндалины, ENTm, LA и TU имели высокие значения PC.Интересно, что некоторые из этих областей, включая TU, SC, CEA, LA и IA, прочно связаны с PAG, педункулопонтинным ядром (PPN) и PVT из среднего мозга-полосатого модуля, и эти области вместе выступали в качестве основного моста. связи между двумя модулями. PAG особенно выступал в качестве сильного узла между расширенным модулем миндалины и средним мозгом-полосатым телом (имеющим высокое значение ПК и несколькими связями с регионами в расширенном модуле миндалины).

Рис. 6.

Функциональная связность мышей с алкогольной зависимостью во время абстиненции порогового значения равна 0.75р. Узлы / области мозга сети представлены кружками. Размер узла соответствует ПК (меньший = меньший ПК; больший = более высокий ПК). Внутренний цвет каждого круга представляет собой Z-оценку в пределах модуля (темно-синий = самый низкий; темно-красный = самый высокий). Цвет модулей, которые обозначены на рис. 5 C , представлен разными окрашенными краями каждого круга узлов (красный = модуль A / расширенная миндалина; синий = модуль B / полосатое тело среднего мозга; зеленый = модуль C / кортико-гиппокампа. -таламический).Толщина линий представляет силу корреляции между регионами (тонкая = более низкая корреляция; толстая = более высокая корреляция). См. Условные обозначения для примеров каждого репрезентативного компонента рисунка.

Мы обнаружили, что расширенный модуль миндалины и кортико-гиппокампо-таламический модуль взаимодействуют исключительно со стриарным модулем среднего мозга, а не друг с другом. Это было неудивительно, поскольку было обнаружено, что расширенный модуль миндалины и кортико-гиппокампо-таламический модуль имеют сильные антикорреляционные связи друг с другом.Интересно, что кортико-гиппокампо-таламический модуль имел множество областей мозга, которые управляли коактивацией в его собственной сети, но ни одна из этих областей не взаимодействовала посредством положительной связи с другими модулями. Это было очевидно по тому факту, что в 43 наиболее важных областях мозга по оценке WMDz из 79 в кластере было PC ≤0,10. Вместо этого отдельный набор областей из кортико-гиппокампоталамического модуля активно участвовал во взаимодействиях со стриатальным модулем среднего мозга, включая такие области, как ACB, латеральный гипоталамус (LHA), BST и вентромедиальное ядро ​​гипоталамуса (VMH), среди прочего. другие.

Стриарный модуль среднего мозга имел несколько областей, которые имели как высокие значения PC, так и высокие значения WMDz, такие как медиальная миндалина (MEA), моторная связь верхнего бугорка (SCm), внутренняя субстанция (SI) и MRN, среди других. Кроме того, как PAG, так и PVT имели высокие значения ПК из-за их исключительной связи с расширенным модулем миндалины. PAG особенно действовал как прочный узел между расширенным модулем миндалины и полосатым телом среднего мозга (высокое значение PC связано с областями в расширенном модуле миндалины).

В расширенном модуле миндалины несколько областей мозга имели как высокие значения PC, так и высокие значения WMDz. Эти регионы включали CEA, IA и SC. Кроме того, COAp, PSTN, BLA и EP имели высокие значения WMDz. Связанные с основной группой областей с высоким WMDz расширенного модуля миндалины, ENTm, LA и TU имели высокие значения PC. Интересно, что некоторые из этих областей, в том числе TU, SC, CEA, LA и IA, прочно связаны с PAG, PPN и PVT из полосатого модуля среднего мозга, и эти области вместе выступали в качестве основного моста связи между двумя модули.

Другие области в расширенном модуле миндалины имели высокие значения PC, связанные со стриарным модулем среднего мозга, такие как PIR, клауструм (CLA), GU, вентральная часть ретроспленальной области (RSPv) и оливарное претектальное ядро ​​(OP). Эти области были связаны с отдельной группой регионов из полосатого модуля среднего мозга, которая включала вентральный агранулярный островок (AIv), боковую зрительную кору (VIS1), нижний бугорок (IC), P, POST и супрахиазматическое ядро ​​(SCH). Эти данные вместе с модульной структурой сети показали, что несколько областей мозга способствовали активности каждого модуля.Однако в случае кортико-гиппокампо-таламического модуля регионы, которые участвовали во внутримодульных и межмодульных связях, были отличны друг от друга. Напротив, в расширенных модулях миндалины и полосатого тела среднего мозга несколько областей мозга вносят вклад как в внутримодульные, так и в межмодульные сетевые соединения.

Обсуждение

В настоящем исследовании использовалась одноклеточная визуализация всего мозга, чтобы определить, перестраивается ли мозг из-за употребления алкоголя, алкогольной зависимости и воздержания.Употребление алкоголя в анамнезе привело к увеличению числа коактивационных сетей по сравнению с контрольной группой, не употребляющей алкоголь. В частности, у независимых субъектов наблюдались умеренные изменения в коактивации по сравнению с непьющими, тогда как воздержание от алкогольной зависимости привело к реорганизации функциональных сетей коактивации по сравнению как с независимыми, так и с наивными сетями. В мозговых сетях зависимых животных было меньше крупных модулей коактивированных областей мозга, что указывает на то, что воздержание связано с уменьшением модульности.Эта более низкая модульность привела к появлению новой сетевой архитектуры, которая отличалась от контрольных условий, в которых большинство областей мозга коактивировались друг с другом в кортико-гиппокампо-таламическом модуле, но антикоррелировали с расширенным модулем миндалины. Используя теорию графов, мы определили кандидатные центральные (т.е.высокие внутри- или межмодульные связи) области расширенного модуля миндалины, которые могут играть важную роль в управлении нейронной активностью, связанной с воздержанием от алкоголя.Этот беспристрастный анализ всего мозга показал, что воздержание от алкогольной зависимости привело к снижению модульности, но являются ли эти изменения причиной или следствием алкогольной зависимости, неясно и требует дальнейшего изучения.

Подобно предыдущим отчетам (18, 21, 30–32), настоящее исследование обнаружило увеличение употребления алкоголя и признаки аффективной дисфункции (т. Е. Копания и поведения, подобного раздражительности). Интересно, что мы не наблюдали признаков ангедонии у мышей с алкогольной зависимостью, измеренных по предпочтению сладкого вкуса.Предыдущие исследования на мышах C57BL / 6J также не обнаружили изменений предпочтения сладкого вкуса в моделях алкогольной зависимости или пьянства (18, 33, 34). Однако сообщалось, что другие линии мышей демонстрируют более низкое предпочтение сахарозы после воздействия CIE (35), предполагая, что конкретная линия мышей может быть фактором развития ангедонии как аспекта аффективной дисфункции.

При изучении нейронной активности в каждой группе мы обнаружили увеличение коактивации как в зависимых от алкоголя, так и в независимых сетях по сравнению с наивной сетью.Увеличение коактивации было значительным в сети, зависящей от алкоголя, но умеренное увеличение коактивации в сети, не зависимой от алкоголя, предполагает, что случайное употребление алкоголя может создать паттерн активности мозга, уязвимый для перехода к алкогольной зависимости. Действительно, на животных моделях было показано, что употребление алкоголя в анамнезе способствует переходу к алкогольной зависимости (36).

Используя иерархическую кластеризацию, мы обнаружили снижение модульности функциональной сети воздержания от алкоголя (3 модуля) по сравнению с независимыми (9 модулей) и наивными (10 модулей) сетями, что указывает на то, что употребление алкоголя и особенно воздержание от алкогольной зависимости привело к в целом менее модульный мозг.У людей подобное снижение модульности мозга наблюдалось при деменции и после черепно-мозговой травмы (7–12). Снижение модульности мозга может частично отвечать за когнитивную дисфункцию, которая наблюдается у людей и животных в моделях алкогольной зависимости (37–42). Известно, что алкоголь нейротоксичен для людей и грызунов. Интенсивное употребление может привести к деменции через синдром Вернике – Корсакова (43–52), а повторное употребление лекарств может привести к изменениям синаптической пластичности (53).Таким образом, наши результаты могут быть частично связаны с нейротоксичностью и изменениями нейропластичности, которые связаны с хроническим воздействием алкоголя. Кроме того, было показано, что употребление других наркотиков, вызывающих злоупотребление, таких как кокаин, изменяет функциональную связность и снижает модульность (24, 54–57).

Затем мы оценили, каким образом модульная организация сети воздержания от алкоголя была связана с нейробиологической организацией мозга, что предлагается в четырех основных нейробиологических теориях, которые могут объяснить чрезмерное употребление алкоголя у зависимых субъектов: рекрутирование мезолимбической дофаминовой системы ( 58⇓ – 60), рекрутирование кортико-полосатых петель (61, 62), рекрутирование расширенной миндалины (63, 64) и трехступенчатая теория (4, 65, 66) (рис.7). Мы определили три модуля, которые были связаны с воздержанием от алкоголя: 1) расширенный модуль миндалины, 2) стриарный модуль среднего мозга и 3) кортико-гиппокампо-таламический модуль. Примечательно, что в некоторых случаях области мозга, которые мы ожидали бы находиться в одном модуле, на самом деле находились в другом модуле (например, BST, VTA и ACB были частью кортико-гиппокампо-таламического модуля). Расширенные миндалевидные и кортико-гиппокампо-таламические модули имели прямо противоположные паттерны активации и включали исключительно области мозга из определенных анатомических групп.Области мозга в расширенном модуле миндалины (например, CEA, IA, BLA, LA PSTN, TU, GU, MH и т. Д.), Которые предположительно участвуют в негативном аффекте (4), напрямую совпадают с областями мозга, которые предложены расширенной миндалевидным телом и трехступенчатой ​​теорией. Кортико-гиппокампо-таламический модуль имел действия, противоположные расширенному модулю миндалины, и включал почти всю PFC, OFC, HIPP, сенсорную / соматосенсорную кору, THAL, HYPO, VTA и IPN. Некоторые из этих областей (например, PFC, OFC, островок, VTA и ACB) соответствуют областям мозга, которые предполагаются кортико-полосатыми петлями и трехэтапными теориями.Модуль полосатого тела среднего мозга содержал несколько областей, которые участвуют в передаче сигналов вознаграждения дофамина в среднем мозге и полосатом теле (например, SNr, SNc, PAG, MRN, латеральный перегородочный комплекс, SI, дно полосатого тела и т. Д.), Что позволяет предположить, что этот модуль хорошо подходит для мозга области, которые предлагаются мезолимбической дофаминовой системой и трехступенчатыми теориями. Кроме того, ACB является одной из соединительных областей между средним мозгом-полосатым телом и кортико-гиппокампо-таламическим модулями. Стриарный модуль среднего мозга имел умеренную коактивацию как с расширенным миндалевидным, так и с кортико-гиппокампо-таламическим модулями, что указывает на то, что эта группа регионов может действовать, чтобы интегрировать информацию из двух других модулей.Воздержание от алкоголя приводит к значительному сокращению модульной структуры мозга, как и при других психических расстройствах (7⇓⇓⇓⇓ – 12), а сетевая структура лучше всего соответствует областям мозга и нейробиологической организации гипотетической трехэтапной теории (4 , 65⇓ – 67). Эти данные свидетельствуют о том, что употребление алкоголя и зависимость значительно изменяют мозг, но неясно, являются ли эти изменения нейронной коактивации и модульности причиной или следствием длительного воздействия алкоголя или других факторов.

Рис. 7.

Теории областей мозга, которые участвуют в нейробиологии расстройства, связанного с употреблением алкоголя. ( A ) Области мозга мезолимбической дофаминовой системы. ( B ) Области мозга, состоящие из корково-полосатых петель. ( C ) Расширенные области миндалины мозга. ( D ) Трехступенчатая теория. Изображения изменены из исх. 4.

Расширенная миндалевидное тело в значительной степени влияет на отрицательные эффекты во время отмены наркотиков и длительного воздержания.Однако большая часть предыдущих исследований была сосредоточена на CEA и BST (4, 68, 69), а не на связях с другими областями мозга в рамках этого функционального модуля. Что касается воздержания от алкоголя, настоящие результаты показывают, что расширенная миндалевидное тело как функциональный модуль может нуждаться в переопределении, чтобы включить в него связи с дополнительными областями мозга, такими как PSTN, COAp, IA, EP и BLA.

Используя теорию графов, мы определили несколько областей мозга, не относящихся к CEA, в расширенном модуле миндалины, которые могут способствовать воздержанию от алкоголя.Было обнаружено, что TU имеет высокую межмодульную связь (высокий ПК), в основном через PAG, что позволяет предположить, что PAG и TU могут взаимодействовать для управления нейронной активностью во время воздержания. Было показано, что PAG участвует в тревоге и гипералгезии, которые связаны с воздержанием от алкоголя (69, 70), а хроническое воздействие алкоголя, как было обнаружено, изменяет передачу сигналов дофамина PAG (71). Было обнаружено, что PSTN, COAp, EP и BLA имеют высокую степень межмодульной связи (высокий WMDz), что позволяет предположить, что они могут управлять активностью в расширенном контуре миндалины.И EP, и BLA причастны к воздержанию от алкоголя (72–74), но PSTN и COAp остаются малоизученными. CEA, SC и IA представили как высокую внутримодульную, так и межмодульную связь (высокие WMDz и PC), предполагая, что эти регионы могут быть основными движущими силами симптомов абстиненции и могут быть идеальными целями для дальнейшего изучения. SC участвует в судорожных реакциях при воздержании от алкоголя (75, 76). IA, хотя и относительно мало изучен в исследованиях алкоголя, содержит дофаминовые рецепторы D 1 (77), и сообщалось об увеличении плотности рецепторов D 1 у предпочитающих алкоголь крыс после повторной алкогольной депривации (78).Многие из недостаточно изученных областей мозга могут включать, а могут и не включать транскрипцию генов, молекулярную передачу сигналов и цепные пути, которые ранее были определены как способствующие переходу к чрезмерному употреблению алкоголя и абстиненции (79–81) и могут включать новые механизмы или рецепторы, которые еще не установлены. должны быть полностью изучены (например, рецепторы, сопряженные с G-белками-сиротами) (82), что требует дальнейших исследований, имеющих функциональное значение.

Известным ограничением настоящего исследования является сосредоточение внимания на нейронных сетях воздержания (7 d).Эта временная точка была выбрана потому, что усиление симптомов алкогольной зависимости и абстиненции (см. Текущие данные) является наиболее устойчивым в мышиной модели алкогольной зависимости 2BC / CIE после 7 дней воздержания. Сетевая структура, которая была идентифицирована здесь, вероятно, была бы другой в другие моменты времени (например, интоксикация, острая абстиненция и рецидив). Последующие исследования будут иметь решающее значение для дальнейшего понимания структуры нейронной сети воздержания и ее динамики во время различных фаз употребления алкоголя.

Настоящее исследование демонстрирует, что алкогольная зависимость и воздержание значительно снижают модульность и переделывают функциональную архитектуру мозга на три основные группы (т. Е. На кортико-гиппокампо-таламический модуль и расширенный модуль миндалины с противоположными паттернами коактивации и промежуточным полосатым телом среднего мозга. модуль), что соответствует нейробиологической трехэтапной теории (4, 65, 66) лучше, чем любая отдельная теория (рекрутирование мезолимбической дофаминовой системы, рекрутирование расширенной миндалины и рекрутирование кортико-полосатых петель) для организации области мозга.Анализ иерархической кластеризации и теории графов выявил существующие и новые центральные области, которые могут приводить к нарушению работы сети во время воздержания от алкоголя. В целом, эти результаты предполагают, что воздержание от алкогольной зависимости, а не случайное употребление алкоголя, полностью реконструирует функциональную архитектуру мозга. Потребуются дальнейшие исследования, чтобы определить, являются ли изменения в коактивации и модульности, связанные с воздержанием от алкоголя, причинными признаками алкогольной зависимости или следствием чрезмерного употребления алкоголя и воздействия алкоголя.

Материалы и методы

Животные.

Для экспериментов использовали мышей-самцов C57BL / 6J того же возраста, которые были выведены в Исследовательском институте Скриппса (от 20 до 30 г). Мышей содержали в одном помещении на протяжении всего исследования. Мышей содержали при 12-часовом / 12-часовом цикле свет / темнота с неограниченным доступом к пище и воде с использованием 7090 Teklad sani-chip (Envigo) в качестве подстилки для домашних клеток и проведения экспериментов. Все процедуры проводились в строгом соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных (83) и одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Института Скриппса.

Поведенческое тестирование.

Выбор из двух бутылок / пар CIE.

Мы использовали парадигму 2BC / CIE, хорошо зарекомендовавшую себя мышиную модель алкогольной зависимости (18, 30–32), чтобы вызвать алкогольную зависимость, эскалацию употребления алкоголя и поведенческие симптомы воздержания. В парадигме 2BC / CIE недели добровольного употребления алкоголя во время сеансов 2BC с ограниченным доступом чередуются с неделями CIE.

В течение 2 недель до нашей эры мышам давали доступ к двум бутылкам, содержащим воду и спирт (15% об. / Об.), Соответственно, с понедельника по пятницу в течение 2 часов, начиная с начала темной фазы циркадного цикла.В течение недель CIE мышей подвергали четырем циклам 16-часовой интоксикации / 8-часовому воздержанию (с понедельника по пятницу) с последующим 72-часовым воздержанием (с пятницы по понедельник). Каждые 16 часов воздействия паров алкоголя начинали с внутрибрюшинной инъекции алкоголя (1,5 г / кг) для инициирования интоксикации и пиразола (ингибитор алкогольдегидрогеназы, 1 ммоль / кг) для нормализации скорости клиренса алкоголя между отдельными мышами. Средние уровни алкоголя в крови периодически измерялись в конце периодов вдыхания паров алкоголя и усреднялись (164.6 ± 17,0 мг / дл). Мышам, подвергшимся воздействию воздуха, вводили только пиразол.

Мышам сначала давали 2 недели 2BC (1-2 недели), а затем разделили на две группы с эквивалентным исходным уровнем потребления (независимые [2BC / Air], n = 5; зависимые от алкоголя [2BC / CIE] , n = 4). Затем мышей подвергали пяти циклам чередующихся недель воздействия воздуха / CIE с неделями питья 2BC (недели с 3 по 12), за которыми следовала дополнительная шестая неделя воздействия воздуха / CIE (неделя 13). Мышей тестировали на раздражительность и поведение при копании через 7 и 10 дней, соответственно, при воздержании от пара (14 неделя), а затем подвергали заключительной седьмой неделе ингаляции воздухом / CIE (неделя 15).Алкогользависимым и независимым мышам перфузировали через 7 дней после последнего воздействия пара / воздуха, без промежуточных поведенческих тестов или добровольного употребления алкоголя, в то же время дня, что и сеансы 2BC в предыдущие недели (неделя 16). Мышей удаляли прямо из их домашних клеток непосредственно перед забором тканей. Одновременно был взят мозг от мышей того же возраста, не употреблявших алкоголь в одном помещении ( n = 5).

Поведение, похожее на раздражительность.

Раздражительность - центральный признак алкогольной зависимости у людей, наряду с повышенной агрессией и разочарованием (84⇓⇓⇓ – 88).Поведение, подобное раздражительности, оценивали с помощью теста щеточки для бутылочек (BBT), проведенного, как описано Riittinen et al. (89). BBT измеряет защитные и агрессивные реакции на «атаку» механическим стимулом (например, движущейся щеткой для бутылок) (90). BBT недавно был использован у зависимых от алкоголя крыс и мышей для выявления усиления поведения, подобного раздражительности, во время воздержания от алкоголя (19 – 21). Методы были аналогичны Sidhu et al. (21). Тестирование проводилось при красном свете. Мышь «атаковали», перемещая к ней бутылочную щетку (длина 14 см × ширина 5 см, общая длина с ручкой 33 см).Нападения были совершены в домашней клетке со снятыми крышкой и подносом с едой. Каждое испытание состояло из 10 испытаний с 10-секундными интервалами между испытаниями. Вкратце, мышь начинала каждое испытание с противоположного конца клетки, а затем «атаковала» кисть. Каждая атака состояла из пяти этапов: 1) кисть, вращающаяся в направлении мыши с противоположного конца клетки, 2) кисть, вращающаяся против усов мыши, 3) кисть, вращающаяся назад к исходному положению на противоположном конце клетки. клетка, 4) щетка, вращающаяся в исходном положении, и 5) щетка в исходном положении, не вращающаяся.Каждая стадия длилась 1,5 с, за исключением стадии 5, которая при необходимости продлевалась, пока мышь не вернулась в свой конец клетки или не прошло 5 с. Ответы на приступы наблюдал наблюдатель, не обращавший внимания на группу лечения. Оценивались следующие поведенческие реакции: обоняние кисти, исследование кисти, прикусывание кисти, укладывание кисти в бокс, следование за кистью, хрип хвостом, бегство от кисти, копание, прыжки, лазание / вставание на дыбы, дефекация, вокализация и уход за шерстью.Общее количество проявлений каждого поведения во всех 10 испытаниях записывалось и суммировалось для расчета общей оценки поведения, похожего на раздражительность.

Рытье и закапывание мрамора.

Рытье и закапывание мрамора измерялись, как описано Диконом (91) и Сидху и др. (21). Тестирование проводилось при слабом освещении (20 лк). Мышь помещали в новую чистую клетку с толщиной подстилки 5 см и без крышки и давали ей свободно копать в течение 3 мин. Регистрировали количество приступов копания и общую продолжительность копания (фаза 1).Затем мышь вынимали из клетки. Подстилка была сплюснута, и 12 шариков были расположены в виде массива 4 × 3 поверх подстилки. Мышь снова помещали в клетку и позволяли закапывать шарики на 30 мин с крышкой, закрывающей клетку. Количество закопанных шариков (покрытых подстилкой на две трети или более) подсчитывалось в конце теста (фаза 2) наблюдателем, который не знал группы лечения.

Тестирование предпочтения сахарина.

Отдельная группа мышей с алкогольной зависимостью ( n = 8), независимыми ( n = 10) и наивными ( n = 8) мышей была протестирована на потребление сахарина с использованием процедуры 2BC с сахарином (1% вес / объем) и воды.Перед тестированием мышей запускали по тому же протоколу 2BC / CIE или 2BC / Air, как описано выше для паров 2BC / CIE. Наивным мышам давали две бутылки с водой на такой же срок, что и алкогольным и независимым мышам, которым давали две бутылки со спиртом и водой для сеансов 2BC. Тестирование сахарина 2BC началось через 12 дней после последнего воздействия CIE (для мышей с алкогольной зависимостью) и длилось семь дней подряд. Среднее потребление (выраженное в миллиграммах на килограмм за 24 часа) регистрировалось в течение всех 7 дней тестирования для анализа.

Сбор тканей.

У мышей с алкогольной и независимой зависимостью мозг собирали через 7 дней после последнего воздействия пара / воздуха, без промежуточных поведенческих тестов или добровольного употребления алкоголя, в то же время дня, в которое обычно проводились сеансы 2BC в предыдущие недели. Мышей удаляли прямо из их домашних клеток непосредственно перед забором тканей. Одновременно собирали мозг от мышей того же возраста, которые содержались в одном помещении и не употребляли алкоголь ( n = 5).Мышей глубоко анестезировали и перфузировали 15 мл фосфатно-солевого буфера (PBS), а затем 50 мл 4% параформальдегида. Мозг подвергали последующей фиксации в параформальдегиде в течение ночи. На следующий день мозг промывали в течение 30 мин трижды PBS и переносили в раствор PBS / 0,1% азида при 4 ° C на 2–3 дня перед обработкой с помощью iDISCO +.

iDISCO +.

Чтобы оценить рекрутирование нейронов во время воздержания от алкоголя, мы использовали одноклеточную визуализацию всего мозга с использованием iDISCO + с иммуногистохимией для обнаружения экспрессии немедленного раннего гена c- fos в качестве заместителя для активации нейронов (14, 17).c- fos был выбран среди других немедленных ранних генов, потому что его низкие базовые уровни оптимальны для обнаружения увеличения нейрональной активности и основаны на предыдущем успешном использовании Fos с техникой iDISCO + Renier et al. (14, 17). Процедура iDISCO + была выполнена, как описано Renier et al. (14, 17).

Иммуноокрашивание.

Фиксированные образцы промывали в 20% метаноле (в бидистиллированном H 2 O) в течение 1 часа, 40% метаноле в течение 1 часа, 60% метаноле в течение 1 часа, 80% метаноле в течение 1 часа и 100% метаноле. за 1 ч дважды.Затем образцы предварительно очищали инкубацией в течение ночи в 33% метаноле / 66% дихлорметане (DCM; 270997-12 X100ML; Sigma). На следующий день образцы отбеливали 5% H 2 O 2 (1 объем 30% H 2 O 2 на 5 объемов метанола, ледяной) при 4 ° C в течение ночи. После отбеливания образцы медленно повторно уравновешивали при комнатной температуре и регидратировали в 80% метаноле в бидистиллированной H 2 O в течение 1 часа, 60% метаноле в течение 1 часа, 40% метаноле в течение 1 часа, 20% метаноле в течение 1 часа. , PBS в течение 1 ч и PBS / 0.2% TritonX-100 по 1 ч дважды. Затем образцы инкубировали в PBS / 0,2% TritonX-100/20% диметилсульфоксиде (DMSO) / 0,3 M глицине при 37 ° C в течение 2 дней, а затем блокировали в PBS / 0,2% TritonX-100/10% DMSO / 6%. ослиная сыворотка при 37 ° C в течение 2 дней. Затем образцы инкубировали в кроличьем анти-c- fos (1: 500, sc-52; Santa Cruz Biotechnology) в PBS – 0,2% твин с 10 мкг / мл гепарина (PTwH) / 5% ДМСО / 3% осла. сыворотка при 37 ° C в течение 7 дней. Затем образцы промывали в PTwH в течение 24 часов (пять замен раствора PTwH за это время) и инкубировали в ослиной антикроличьей Alexa647 (1: 500, A31573; Invitrogen) в PTwH / 3% ослиной сыворотке при 37 ° C в течение 7 дн.Наконец, образцы были промыты в PTwH в течение 1 дня перед очисткой и визуализацией.

Очистка проб.

Иммуномеченый мозг очищали с использованием процедуры Renier et al. (17). Образцы дегидратировали в 20% метаноле (в бидистиллированном H 2 O) в течение 1 ч, в 40% метаноле в течение 1 ч, 60% метаноле в течение 1 ч, 80% метаноле в течение 1 ч, 100% метаноле в течение 1 ч. и снова 100% метанол в течение ночи. На следующий день образцы инкубировали в течение 3 часов в 33% метаноле / 66% DCM, пока они не опустились на дно инкубационной пробирки.Затем метанол дважды промывали в течение 20 минут в 100% DCM. Наконец, образцы инкубировали в ди-бензиловом эфире (DBE; 108014-1 кг; Sigma) до прозрачности, а затем хранили в DBE при комнатной температуре до получения изображения.

Получение изображения.

Левое полушарие очищенных образцов отображалось в сагиттальной ориентации (правая боковая сторона вверх) на световом микроскопе (Ultramicroscope II; LaVision Biotec), оборудованном дополнительной научной камерой металл-оксид-полупроводник (Andor Neo), 2 × / 0.5 (МВПЛАПО 2 ×) и колпачок для окунания с рабочим расстоянием 6 мм. Использовалось программное обеспечение контроллера микроскопа Imspector v144. Микроскоп был оснащен лазером белого света NKT Photonics SuperK EXTREME EXW-12 с тремя фиксированными линзами, генерирующими световой лист с каждой стороны. Сканирование проводилось при 0,8-кратном увеличении (1,6-кратное эффективное увеличение) с числовой апертурой светового листа 0,148. Использовались фильтры возбуждения 480/30, 560/40 и 630/30. Использовались эмиссионные фильтры 525/50, 595/40 и 680/30.Образцы сканировали с шагом 3 мкм с использованием динамического горизонтального сканирования с одной стороны (справа) для каналов 560 и 630 нм (20 захватов на плоскость с экспозицией 240 мс, объединенные в одно изображение с помощью горизонтального адаптивного алгоритм) и без горизонтального сканирования для канала 480 нм с использованием двустороннего освещения (экспозиция 100 мс для каждой стороны, объединенная в одно изображение с помощью алгоритма наложения). Для ускорения сбора данных оба канала были получены за два отдельных сканирования.Чтобы учесть микродвижения образцов, которые могут возникать между сканированиями, была выполнена аффинная регистрация трехмерного изображения для выравнивания обоих каналов с помощью ClearMap (17).

Анализ данных.

Поведенческие данные были проанализированы, и корреляции Пирсона были рассчитаны с использованием программного обеспечения Statistica (Tibco). Иерархическая кластеризация выполнялась с помощью программного обеспечения R Studio. Данные о потреблении алкоголя представлены как среднее еженедельное потребление для сеансов 2BC. Данные о потреблении алкоголя были проанализированы с использованием дисперсионного анализа ANOVA с повторными измерениями среднего исходного уровня потребления и последних 2 недель употребления алкоголя.Апостериорный анализ проводили с использованием теста SNK. Независимые мыши и наивные мыши не показали значительных различий в каких-либо показателях поведения, подобного раздражительности, или поведения копания, и поэтому были объединены в единую контрольную группу для анализа этих данных. Поведение, подобное раздражительности, и поведение при копании было проанализировано с использованием тестов t . Значения P <0,05 считались значимыми для мышей, зависимых от алкоголя, по сравнению с контрольными мышами. Поведение копания (количество заходов, продолжительность схваток и количество закопанных шариков) было объединено в единое значение копания путем вычисления Z-балла для каждого индивидуального поведения для всех животных по всем обработкам, а затем вычисления среднего Z-балла по всем три модели поведения для каждого животного.

Идентификация активированных областей мозга.

Изображения, полученные с помощью светового микроскопа, анализировали от конца обонятельных луковиц (обонятельные луковицы не включались в анализ) до начала заднего мозга и мозжечка. Подсчет Fos-положительных ядер из каждого образца был идентифицирован для каждой области мозга с помощью ClearMap (17). ClearMap использует автофлуоресценцию, полученную в канале 488, для согласования мозга с Атласом мозга мыши Аллена (92), а затем регистрирует количество Fos в областях, которые аннотированы атласом.Данные были нормализованы до значения log 10 , чтобы уменьшить вариабельность и привести области мозга с большими числами (например, тысячи) и меньшими числами (например, от десятков до сотен) подсчетов Fos к аналогичной шкале.

Идентификация коактивации в индивидуальных сетях.

Затем были рассчитаны отдельные межрегиональные корреляции Пирсона среди животных для алкогольно-зависимых, независимых и наивных групп, чтобы сравнить данные журнала 10 Fos из каждой области мозга с каждой из других областей мозга.Для всех функциональных анализов сети коактивации независимые и наивные группы анализировались отдельно, чтобы поддерживать относительно равное значение n ( n = 4 для алкогольной зависимости, n = 5 для независимой и n = 5). для наивных) для корреляционных расчетов. Вместо того, чтобы использовать алфавитное расположение каждой анатомической группы из Атласа мозга мыши Аллена (92), мы разделили зависимые от алкоголя межрегиональные корреляции Fos на отдельные анатомические группы (т.е.е., кортикальная пластинка, корковая субпластинка, полосатое тело, паллидум, таламус, гипоталамус и средний мозг плюс задний мозг). Затем мы рассчитали полное евклидово расстояние и выполнили иерархическую кластеризацию каждой отдельной группы Атласа мозга Аллена Мауса отдельно. Затем мы изменили порядок областей мозга для каждой группы на основе иерархической кластеризации. Используя этот порядок для каждой анатомической группы атласа мозга мыши Аллена, мы затем снова объединили группы вместе, в результате чего получился «упорядоченный список атласа мозга мыши Аллена», который затем был применен для построения тепловых карт корреляций для всех видов лечения (рис.3 A - C ). Такое расположение никоим образом не изменяло значения и использовалось исключительно для визуализации.

Анализ кластера миндалевидного тела по сравнению с другими основными кластерами мозга.

Для каждого условия лечения были рассчитаны средние значения R для корреляций между каждой отдельной областью мозга кластера миндалины и всеми областями мозга из каждого из других кластеров, которые были исследованы (например, среднее значение R для CEA и областей коры головного мозга). ).Затем вычисляли среднее значение и SEM для средних значений R для всех областей мозга миндалины для каждого данного сравнения. Затем был проведен однофакторный дисперсионный анализ для изучения влияния условий лечения на среднее значение R для каждой миндалины по сравнению с другим кластером сравнения (например, среднее значение R для миндалины и областей коры).

Иерархическая кластеризация.

В предыдущих исследованиях на крысах и мышах, в которых изучалась функциональная связь, использовалось от пяти до восьми животных (23, 24).Количество образцов, которые исследуются в исследованиях функциональной связности, - это количество потенциальных связей (то есть, всего 123 области мозга, все соединяющиеся друг с другом). Кроме того, иерархическая кластеризация объединяет области мозга в модули, группируя области, которые демонстрируют аналогичный профиль коактивации во всех других областях мозга. Таким образом, большее количество полных соединений сводит к минимуму влияние неточного соединения области мозга с областью мозга на организацию сети и общую структуру сети.

Иерархическая кластеризация матриц расстояний, которые были связаны с сетью коактивации каждого состояния, использовалась для определения модульной структуры мозга (93–96). Межрегиональные корреляции Fos использовались для расчета полных евклидовых расстояний между каждой парой областей мозга в каждой группе мышей. Затем матрицы расстояний были иерархически сгруппированы по строкам и столбцам с использованием полного метода для идентификации модулей коактивации в каждой группе лечения.Иерархические кластерные дендрограммы были обрезаны на половину высоты каждого данного дерева, чтобы разделить дендрограмму на определенные модули. Результат вырубки деревьев был одинаковым для нескольких пороговых значений вырубки (Рис. 5 D ).

Идентификация функциональных сетей с помощью теории графов.

Мы использовали подход, основанный на теории графов, для определения функциональной нейронной сети симптомов абстиненции, которые наблюдаются при алкогольной зависимости. Теория графов - это раздел математики, который используется для анализа сложных сетей, таких как социальные, финансовые, белковые и нейронные сети (23, 97–108).Используя теорию графов, можно очертить функциональные сети и идентифицировать ключевые области мозга в сети (23, 100, 109, 110).

Предыдущие исследования региональных профилей связности в сетях коактивации Fos были сосредоточены на глобальных показателях связности (например, степени) (26, 79). Однако в сетях, основанных на корреляции, на эти меры может сильно влиять размер подсети (модуля), в которой участвует узел (111). Для анализа теории графов нас интересовали региональные свойства, а не размер модуля как таковой.Таким образом, при изучении роли, которую каждый регион играет в сети, необходимо учитывать структуру модуля. Для этого мы использовали два широко используемых показателя центральности, которые были разработаны для применения в модульных системах. WMDz индексирует относительную важность региона в своем собственном модуле (например, внутримодульное соединение), а ПК индексирует степень, в которой регион по-разному соединяется с несколькими модулями (например, межмодульное соединение) (29).

Сначала мы взяли значения корреляции Пирсона, которые были рассчитаны для областей мозга мышей с алкогольной зависимостью.Перед построением и расчетом показателей региональной связности для сети был установлен порог, чтобы удалить все ребра, которые были слабее, чем R = 0,75. Таким образом, анализ визуализации и теории графов проводился с использованием только ребер с положительными весами. Показатели региональной связи (ПК и WMDz) были рассчитаны в соответствии с первоначальными определениями Гимера и Нунес Амарал (29), модифицированными для применения в сетях с взвешенными границами. PC и WMDz были рассчитаны с использованием настроенной версии пакета Python bctpy (https: // github.com / aestrivex / bctpy), который является производным от реализации MATLAB Brain Connectivity Toolbox (109).

Для WMDz пусть ki (степень в пределах модуля) будет суммированным весом всех ребер между областью i и другими областями в модуле si. Тогда k¯si - это средняя внутримодульная степень всех регионов в модуле si, а σksi - SD этих значений. Тогда версия внутримодульной степени (WMDz) с оценкой Z определяется как WMDz = ki − k¯siσksi.

Это дает меру степени, в которой каждый регион связан с другими регионами в том же модуле.

Для ПК, пусть kis (степень между модулями) будет суммированным весом всех ребер между областью i и областями в модуле s, и пусть ki (общая степень) будет суммированным весом всех ребер между областью i и всеми остальными областями. в сети. Тогда PC каждой области определяется как Pi = 1 − ∑s = 1NM (kiski) 2.

Это дает меру степени, в которой соединения региона распределены в основном внутри его собственного модуля (ПК приближается к 0) или равномерно распределены между всеми модулями (ПК приближается к 1).

Высокий PC считался ≥0,30, а высокий WMDz считался ≥0,70. В предыдущих исследованиях использовались диапазоны от ≥0,30 до 0,80 для высокого PC и от ≥1,5 до 2,5 для высокого WMDz (29, 108). Из-за различий в размерах / типах исследуемых сетей и используемых методах (например, Fos и функциональная магнитно-резонансная томография) наши значения WMDz в целом были значительно ниже (от -1,5 до 1,5). Поэтому мы соответствующим образом скорректировали дальность стрельбы для высокого оружия массового поражения. В результате было получено 7/20 областей для расширенного модуля миндалины, 9/24 для среднего мозга-полосатого тела и 25/79 для кортико-гиппокампо-таламического модуля, которые, как считалось, имели высокий WMDz.

Визуализация сети выполнялась с использованием комбинации программного обеспечения Gephi 0.9.2 (112) и Adobe Illustrator. Позиционирование узлов производилось с использованием алгоритма Force Atlas 2 (113).

Доступность данных.

Данные будут предоставлены по запросу.

Благодарности

Мы благодарим доктора Николаса Ренье за ​​техническое руководство, Майкла Арендса за редакционную помощь и Лорен С. Смит за помощь с иллюстрациями. Визуализация светового листа была выполнена в Калифорнийском технологическом институте Бекмана.Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения (гранты AA006420, AA026081, AA022977, AA026685, AA024198, NS79698, AA027301 и AA007456), Центром исследований алкоголизма и наркозависимости Пирсона и Фондом Арнольда и Мейбл Бекман.

Сноски

  • Автор: А.К. и О. спланированное исследование; A.K., A.C., M.K., H.S., G.C.M. и C.C. проведенное исследование; D.J.L. и M.D. предоставили новые реагенты / аналитические инструменты; A.K., D.J.L., M.D. и C.C. проанализированные данные; и А.К. и О. написал газету.

  • Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

  • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

  • Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.15117/-/DCSupplemental.

Функции, открытые проблемы и тенденции

Интернет вещей (IoT) представляет собой следующий шаг в области технологий, приносящий огромные изменения в промышленность, медицину, охрану окружающей среды и городское развитие.При формировании этого видения необходимо решить различные задачи, такие как вопросы функциональной совместимости технологий, требования безопасности и конфиденциальности данных и, наконец, что не менее важно, разработка энергоэффективных систем управления. В этой статье мы исследуем существующие сетевые коммуникационные технологии для Интернета вещей с упором на протоколы инкапсуляции и маршрутизации. Также исследуется связь между сетевыми протоколами IoT и появляющимися приложениями IoT. Приведена тщательная таксономия протоколов на основе уровней, а также показано, как сетевые протоколы подходят и работают для удовлетворения последних требований и приложений IoT.Самой особенной особенностью этой статьи по сравнению с другими исследованиями и учебными пособиями является подробное представление внутренних схем и механизмов сетевых протоколов, использующих IPv6. Вопросы совместимости, взаимодействия и конфигурации существующих и новых протоколов и схем обсуждаются на основе последних достижений IPv6. Более того, открытые сетевые проблемы, такие как безопасность, масштабируемость, мобильность и управление энергопотреблением, представлены в связи с их соответствующими функциями.Наконец, подробно обсуждаются тенденции сетевых механизмов в области Интернета вещей с указанием будущих проблем.

1. Введение

В последние годы использование Интернета стало необходимостью во многих аспектах повседневной жизни. Видение глобальной сетевой платформы, основанной на коммуникации смарт-объектов, уже сделало большой шаг вперед. Так называемая технология Интернета вещей (IoT) становится потребностью современного общества, в котором люди и вещи виртуально интегрированы, образуя информационные системы через беспроводные сенсорные узлы и сети [1].Это нововведение проложит путь к разработке новых приложений и услуг, которые смогут использовать возможности подключения физических и виртуальных объектов [2].

Парадигма Интернета вещей опирается на существующие коммуникационные технологии, такие как Bluetooth, ZigBee, WiFi и Long Term Evolution-Advanced (LTE-A), и это лишь некоторые из них. Однако создание приемлемой и желательной системы Интернета вещей на основе этих различных технологий кажется трудоемкой задачей. Стандартизация IoT имеет решающее значение для обеспечения расширенной совместимости для всех сенсорных устройств и объектов, для которых также требуется система управления идентификацией.Более того, сетевая безопасность, а также конфиденциальность данных вызывают серьезные проблемы [3]. И последнее, но не менее важное: необходимы эффективные системы управления энергией и данными с целью экологизации систем Интернета вещей [4]. Все эти проблемы необходимо решать в соответствии с принятым типом сетевых технологий. Хотя было проведено несколько исследований, касающихся коммуникационных технологий IoT [5–10], ни одно из них не касается сетевого уровня IoT, также известного как уровень передачи, и связанных с ним технологий.В частности, в [5] были представлены текущие и новые технологии для поддержки глобальных сетей Machine-to-Machine (M2M) на основе устройств IoT, а в [6] основное внимание уделялось стандартам для IoT в области передачи данных, сервисы и поддержка приложений (M2M) / IoT. Авторы в [7] представили обзор поддерживающих приложений, протоколов, технологий и недавних исследований, направленных на различные аспекты IoT. В [8] был предложен краткий обзор набора протоколов IETF для поддержки устройств и приложений IoT.Точно так же в [11] обсуждались различные стандарты, предлагаемые Инженерной группой Интернета (IETF), Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Международным союзом электросвязи (ITU) для Интернета вещей. Кроме того, [9] был сосредоточен на эволюции беспроводных сенсорных сетей (WSN) как критически важной части архитектуры IoT, при этом был сделан набросок структуры, способной гармонизировать новые установки IoT и реализацию без IP. Аналогичное исследование было проведено в [10], где была представлена ​​недавняя работа по созданию сетей с низким энергопотреблением для систем WSN и IoT.

В этом документе рассматривается задача представления сетевого уровня IoT и его проблем в качестве отдельной области исследований, которая продолжает частично и неадекватно анализироваться в других работах, касающихся конкретных вариантов использования технологии IoT или усилий по стандартизации на различных архитектурных уровнях. Вклад этой работы - полный анализ и систематизация всех подходящих сетевых коммуникационных технологий для платформы IoT независимо от топологии сети, дальности связи или предполагаемого использования приложений.В литературе термин «технология IoT» имеет тенденцию сбивать с толку, поскольку его можно использовать для определения протоколов для каждого архитектурного уровня платформы IoT. Стремясь обеспечить лучшее понимание архитектуры и использования технологий IoT, представленная таксономия способствует эффективному разделению подходящих технологий IoT на протоколы канального уровня, протоколы сетевой инкапсуляции и протоколы маршрутизации в соответствии с каждым стандартом. В этом направлении другая таксономия, касающаяся промежуточного программного обеспечения IoT, способствует представлению основных компонентов и архитектурных типов этого базового уровня IoT.Промежуточное ПО IoT обеспечивает эффективное управление услугами для разработки приложений на основе информации, предоставляемой сетевым уровнем в инфраструктуре IoT. В связи с этим предоставление знаний о реализации и технологиях этих двух уровней весьма полезно. По сравнению с [12], наша работа выходит за рамки представления основных коммуникационных технологий, их проблем и ограничений, путем компиляции, обсуждения и подробного представления роли, функциональности, преимуществ и недостатков наиболее важных стандартов, протоколов и схем. сетевого уровня IoT.В результате прилагается всестороннее обсуждение каждой технологии, при этом выделяются существующие проблемы и недостатки каждой технологии. Кроме того, особое внимание уделяется способности каждого стандарта принимать протокол IPv6, что дает множество преимуществ для разработки и инфраструктуры Интернета вещей. Кроме того, предлагаются возможные решения и способы устранения текущих пробелов и недостатков каждой технологии, ведущие к эффективному сетевому взаимодействию между объектами IoT в соответствии с последними тенденциями в области IoT.Проведенный опрос также может побудить ученых и профессионалов к разработке новых и более эффективных сетевых протоколов, основанных на текущих обсуждаемых пробелах и недостатках.

Остальная часть статьи организована следующим образом. В разделе 2 представлены концепция, компоненты, архитектура и приложения Интернета вещей. В разделе 3 представлены наиболее важные существующие технологии, протоколы и схемы, за которыми следует подробная таксономия в соответствии с архитектурой Интернета вещей и проблемами сети.Раздел 4 посвящен сравнению сетевых протоколов IoT путем разделения их на две отдельные категории: протоколы инкапсуляции и маршрутизации, поскольку они вместе образуют сетевой уровень. Проблемы открытых сетей упоминаются и обсуждаются в разделе 5, а раздел 6 посвящен обсуждению текущих тенденций в области Интернета вещей. Наконец, раздел 7 завершает этот обзор.

2. Интернет вещей
2.1. IoT Vision и смарт-объекты

IoT - это развитие Интернета, создающее огромные проблемы при сборе, анализе и распространении данных в направлении более продуктивного использования информации для повышения качества жизни [13].Концепция IoT включает в себя управление датчиками или устройствами, распределенными по сети, чтобы мгновенно распознавать и уведомлять пользователей о событиях в реальном времени [14]. Эти устройства, обладающие базовыми вычислительными навыками, называются интеллектуальными объектами. Смарт-объекты характеризуются уникальным идентификатором, т. Е. Тегом имени для описания устройства и адресом для связи. Согласно [15], существует три типа смарт-объектов: (i) Активность: осведомленные объекты, которые могут собирать данные, касающиеся рабочих действий, а также их собственного использования (ii) Политика: осведомленные объекты, которые могут преобразовывать действия и события относительно указанных организационные политики (iii) Процесс: осведомленные объекты, где процесс представляет собой набор соответствующих задач и действий, упорядоченных в зависимости от их положения в пространстве и времени

Устройства Интернета вещей в основном характеризуются ограниченными ресурсами с точки зрения мощности, обработки, память и пропускная способность.По этой причине традиционные протоколы, касающиеся сетевых операций и безопасности, не могут быть реализованы в конкретной среде IoT в их нынешнем виде [16–18]. Тем не менее, факт заключается в том, что обеспечение встроенной безопасности устройств по своей конструкции дает множество преимуществ, касающихся снижения затрат на архитектуру безопасности, повышения надежности и улучшения общей производительности [17].

2.2. Приложения IoT

Считается, что из-за использования смарт-объектов IoT оказывает огромное влияние на широкий спектр приложений, таких как WSN и узкополосная связь [19].На рисунке 1 показаны наиболее важные приложения Интернета вещей. Интернет вещей может найти свое применение практически во всех аспектах нашей повседневной жизни. Одно из самых привлекательных приложений IoT существует для концептуализации умных городов, умных домов и безопасности умных объектов. Типичными примерами практических услуг IoT в интеллектуальных средах являются (а) мониторинг трафика, (б) измерение параметров окружающей среды и (в) наблюдение за помещениями и техническое обслуживание оборудования. Например, медицинские приложения нацелены на улучшение качества жизни путем мониторинга деятельности пациента.Кроме того, Интернет вещей полезен для мониторинга процессов в промышленности и предотвращения возникновения опасных последствий, вызванных ущербом окружающей среде. Интеллектуальные системы земледелия также являются важным приложением IoT, направленным на повышение продуктивности сельского хозяйства за счет исключения условий, которые считаются неподходящими для сельского хозяйства [4]. Однако интеллектуальные системы требуют хорошо структурированной сети и интеллектуальной системы управления. В результате большое количество исследований было сосредоточено на архитектуре платформы IoT [20].


В таблице 1 представлены наиболее важные домены приложений Интернета вещей и связанные с ними приложения. Дизайн умных городов и умных домов кажется флагманом приложений Интернета вещей. Технологии Интернета вещей позволяют разрабатывать системы расширенного управления дорожным движением, контролировать качество воздуха и эффективно освещать город. Умное городское освещение стремительно развивается из-за слияния множества технологических революций. Интеллектуальное освещение развивается, чтобы визуально соединять города вместе с использованием интерактивных датчиков и цифровых дисплеев [21].Кроме того, появляются системы интеллектуальных парковочных устройств, позволяющие быстро и легко отслеживать доступные парковочные места. Кроме того, расширяется использование датчиков для обнаружения нарушений правил дорожного движения и передачи соответствующей информации в правоохранительные органы [2].


ДОМЕН ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ

914 Управление движением и умный туризм49 Управление транспортными потоками система, вывоз мусора
Платежные системы, услуги гида

Общественная безопасность и мониторинг окружающей среды Экологический и территориальный мониторинг
Видео / радар / спутниковое наблюдение
Личное слежение за участками / спасателями, план действий в чрезвычайных ситуациях

Умный дом Техническое обслуживание предприятия, управление энергопотреблением
Видеонаблюдение, управление доступом, защита детей
Развлечения, комфортное проживание

Smart Grid Управление нагрузкой , услуги хранения, развлекательные услуги
Устойчивая мобильность, резервирование слота для зарядки
Производство / распределение / хранение электроэнергии, управление энергопотреблением

Промышленная обработка Диагностика транспортного средства в реальном времени, помощь при вождении
Управление багажом, посадка , мобильные билеты
Мониторинг промышленных предприятий

Сельское хозяйство и разведение Отслеживание животных, сертификация и контроль торговли
Орошение, мониторинг сельскохозяйственного производства и кормов
Управление регистрацией хозяйств

Логистика и управление сроком службы продукта Выявление материалов / износа продукта
Управление водным хозяйством, розничная торговля, инвентарь
Покупки, быстрая оплата

Медицина и здравоохранение Удаленный мон поиск медицинских параметров, диагностика
Отслеживание медицинского оборудования, безопасная внутренняя среда.менеджмент
Услуги умной больницы, развлекательные услуги

Самостоятельная жизнь Помощь пожилым людям, помощь инвалидам
Персональная помощь на дому / мобильная связь, социальная интеграция
Индивидуальное благополучие, влияние личного поведения на общество

Интеллектуальные транспортные системы также являются привлекательным приложением IoT. Интернет вещей может предоставить набор интеллектуальных инструментов для облегчения внедрения подключенной, интегрированной и автоматизированной транспортной системы, которая может потребовать большого объема информации.С этой целью возможно более эффективное обеспечение интересов пользователей, в то время как такая система может быть дополнительно усовершенствована, чтобы она отвечала потребностям путешественников и системных операторов [22].

Системы домашней автоматизации, несомненно, привлекательны тем, что позволяют управлять всем через веб-приложения удаленно [23]. В умном доме станет возможным управление энергопотреблением. Кроме того, аварийные ситуации могут быть своевременно обнаружены, при этом может быть достигнуто взаимодействие с бытовой техникой, и может быть осуществлена ​​более совершенная система домашней безопасности.Интеллектуальные сети - еще одна интересная тема в области Интернета вещей, где может быть предусмотрена интеллектуальная система распределения электроэнергии, которая двунаправленно доставляет потоки энергии от производителей к потребителям [24]. В отличие от унаследованных электрических сетей, где только несколько электростанций централизованно вырабатывают энергию, которая «транслируется» конечным пользователям через большую сеть подстанций, трансформаторов и кабелей, в интеллектуальной сети конечные потребители также могут быть производителями [ 23]. В частности, интеллектуальная сеть использует технологии IoT для обнаружения неисправностей и обеспечения самовосстановления сети без вмешательства технических специалистов.В результате обеспечивается более надежное электроснабжение и сводится к минимуму риск стихийных бедствий и кибератак.

Технология Интернета вещей подходит для приложений мониторинга окружающей среды путем измерения природных параметров (таких как температура, влажность, осадки, ветер и высота реки). На этой основе технологии Интернета вещей могут облегчить создание новых систем поддержки принятия решений и мониторинга, обеспечивая расширенную детализацию и функции реального времени по сравнению с существующими подходами [4].

Еще одним важным приложением является разработка интеллектуальной системы обнаружения пожара. С этой целью пожарные депо своевременно получают информацию, которая, в свою очередь, используется для принятия эффективных решений и поддерживающих действий, например, описание территории, пострадавшей от пожара, и возможное присутствие легковоспламеняющихся материалов и людей. Кроме того, приложения IoT в области наблюдения и безопасности очень важны. Наблюдение за пространством стало необходимым для корпоративных зданий, таких как производственные цеха, торговые центры, автостоянки и множество других общественных мест [23].

Технологии IoT также могут быть приняты в отрасли для мониторинга доступности продукции в реальном времени и поддержания надлежащих запасов на складе [2]. Таким образом можно предотвратить возникновение опасных последствий, вызванных ущербом окружающей среде. Однако промышленный Интернет вещей не ограничивается производственными и заводскими приложениями. Зрелость технологии и ее возможности киберфизического контроля распространились за пределы традиционной производственной среды. Приложения Интернета вещей теперь составляют значительную часть критически важной инфраструктуры на многих фронтах.

Более того, разработка интеллектуальных транспортных систем улучшит управление и контроль за транспортировкой с использованием передовых технологий сбора информации, датчиков и сетей [4].

Еще одна важная область связана с медицинскими приложениями, где лучшее качество жизни пациентов обеспечивается за счет медицинских услуг IoT. Датчики, фиксированные (приближение) или носимые (например, гироскопы и акселерометры), будут использоваться для сбора информации, используемой для наблюдения за деятельностью пациентов в их жилых помещениях [2].Например, в [25] была разработана медицинская система, которая измеряет и определяет сердцебиение человека и температуру тела пациента. Более того, в [7] была представлена ​​система навигации слепых и слабовидящих людей в помещении с использованием компонентов на основе Интернета вещей.

Выгоды будут также от создания интеллектуальной системы ведения сельского хозяйства, направленной на повышение эффективности сельского хозяйства путем определения оптимальных условий ведения сельского хозяйства [4]. Как представлено в [26], концепция сельскохозяйственного Интернета вещей (AIoT) использует сетевые технологии в сельскохозяйственном производстве.Аппаратная часть этой сельскохозяйственной платформы Интернета вещей включает в себя мониторинг температуры, измерение влажности, а также датчики и процессоры света с большими возможностями обработки данных. Эти аппаратные устройства подключаются с помощью беспроводных сетевых технологий малого радиуса действия, таких как Bluetooth, ZigBee и WiFi.

2.3. Промежуточное ПО для Интернета вещей

Интернет вещей предоставляет многочисленные возможности и облегчает реализацию всех вышеупомянутых сценариев приложений. Однако эффективное управление интеллектуальными объектами в инфраструктуре остается сложной задачей, чтобы обеспечить эффективную связь между физическими компонентами при сохранении качества обслуживания в кибер-мире.Желаемый фактор совместимости, позволяющий скрыть детали различных технологий, является основополагающим, чтобы позволить разработчикам Интернета вещей не беспокоиться о программных сервисах, которые не имеют прямого отношения к конкретному приложению Интернета вещей. Эта возможность предоставляется промежуточным программным обеспечением. Считается, что использование промежуточного программного обеспечения идеально подходит для разработки приложений IoT, поскольку оно упрощает создание новых приложений и сервисов в сложных распределенных инфраструктурах IoT с многочисленными разнородными устройствами [27].Промежуточное ПО IoT позволяет разработчикам и пользователям экспериментировать с устройствами IoT. С архитектурной точки зрения промежуточное программное обеспечение IoT на основе сервисов может быть сфокусировано на обеспечении развертывания устройств в качестве сервисов [28]. С другой стороны, облачное промежуточное программное обеспечение IoT позволяет пользователям легко интерпретировать собранные данные. Однако тип и количество устройств IoT, с которыми пользователи могут экспериментировать, ограничены. Более того, в промежуточном программном обеспечении IoT на основе субъектов разработчикам могут быть предоставлены различные типы устройств IoT, разбросанных по сети, чтобы испытать возможности Plug and Play IoT.

За последние пару лет, согласно работе [29], было предложено множество платформ промежуточного программного обеспечения, которые различаются в зависимости от их архитектуры, уровня абстракций программирования и областей реализации. Хорошо известным промежуточным программным обеспечением IoT на основе сервисов, разработанным для сценариев автоматизации зданий, здравоохранения и сельского хозяйства, является Hydra [30]. Еще одна широко используемая облачная платформа промежуточного программного обеспечения IoT - Xively [31]. Xively стремится предоставить разработчикам и компаниям возможность простым способом интегрировать все свои полезные данные (собранные и произведенные с помощью физических устройств) в другие системы.Также были предприняты попытки в области автономных распределенных сенсорных сетей для обеспечения эффективных решений промежуточного программного обеспечения, как это представлено в [32]. Более того, ближе к экспериментальной реализации OpenRemote и Kaa - две хорошо известные и широко используемые платформы промежуточного программного обеспечения с открытым исходным кодом. OpenRemote [33] - это проект с открытым исходным кодом, направленный на преодоление проблем интеграции между множеством различных протоколов и решений, доступных для домашней автоматизации, и предлагает инструменты визуализации. Kaa [34] - это технология промежуточного программного обеспечения IoT, применимая для любого масштаба разработки корпоративного IoT.Он предоставляет ряд функций, которые позволяют разработчикам создавать передовые приложения для интеллектуальных продуктов, гибко управлять экосистемами своих устройств, организовывать сквозную обработку данных и многое другое. Более того, Calvin [35] является характерным примером промежуточного программного обеспечения на основе акторов с открытым исходным кодом от Ericsson. Он предоставляет легкую среду программирования на основе Python для устройств IoT с низким энергопотреблением и памятью. Кальвин представляет все сущности как действующих лиц, разделяющих одну и ту же парадигму, делая четкое различие между разработкой приложений и развертыванием.

2.3.1. Преобразование Интернета вещей с использованием API

Промежуточное программное обеспечение и интерфейсы прикладного программирования (API) являются фундаментальными факторами, способствующими развитию Интернета вещей. API-интерфейсы действуют как стандартный шлюз для связи между устройствами. Их можно использовать для регистрации и активации устройств, обеспечивая интерфейс управления датчиками и раскрывая возможности устройства. API-интерфейсы будут играть ключевую роль в расширении возможностей Интернета вещей, поскольку они обеспечивают стандартный способ связи между устройствами и датчиками.Интернет вещей определяет, что все и все будут доступны как виртуальный ресурс в Интернете. В свете этого предположения появятся новые приложения, созданные на основе существующих возможностей [41]. Это основа желаемой автоматизации, обеспечиваемой IoT, для применения в домашних и промышленных условиях. Вариант использования «умного дома» включает разработку наиболее распространенных и уже растущих программно-определяемых приложений. Muzzley [42], Insteon [43] и Indigo Domestics [44] - некоторые известные сторонние поставщики в этой области.

Muzzley предлагает возможность разрабатывать приложения на платформе Интернета вещей, включая функции, связанные с освещением, термостатами, автомобилем и здравоохранением. Muzzley REST API обеспечивает автоматизацию при подключении и управлении задействованными устройствами. Этот API также требует ключей API для аутентификации и обмена информацией в формате JSON. Кроме того, Muzzley дает советы по созданию подключенных устройств и взаимодействию с ними. На той же странице Insteon - это система домашней автоматизации, которая позволяет пользователям автоматизировать различные функции дома, такие как освещение, розетки и настенные выключатели.Insteon API обеспечивает доступ к функциям Insteon с другими приложениями и позволяет создавать новые приложения. Некоторые примеры методов API включают управление учетными записями и информацией об учетных записях, управление устройствами и настройку элементов управления для устройств. Что касается Indigo Domotics API, предусмотрены возможности мониторинга и управления устройствами умного дома в сторонних приложениях. На основе планирования и триггеров этого API пользователи могут не только управлять своими умными домами, но и автоматизировать их.Indigo Domotics поддерживает множество популярных интеллектуальных устройств, и пользователи могут настраивать графический интерфейс пользователя по своему вкусу. И последнее, но не менее важное: Zetta [45] - это платформа с открытым исходным кодом, которая объединяет REST API, WebSockets и реактивное программирование. Он лучше всего подходит для сборки нескольких устройств в приложения, работающие в режиме реального времени с большим объемом данных.

Продолжающаяся эволюция IoT и соответствующей экосистемы API оптимизирует API-интерфейсы с точки зрения инфраструктуры и обеспечит доступность контрольных точек для вновь созданных, предполагаемых и совместно используемых данных.

2.3.2. Инструменты программирования приложений IoT

Приложение IoT объединяет различные программные элементы, которые обмениваются данными друг с другом с помощью интернет-протоколов и стандартов. Эти компоненты представляют собой сенсорные или исполнительные устройства, устройство шлюза для обеспечения связи между ближней сетью и глобальной сетью, устройство пользовательского интерфейса для взаимодействия с приложением IoT и веб-компонент для обеспечения соединения с облачной инфраструктурой [46] . Поставщики приложений и новые разработчики могут использовать ряд платформ и инструментов IoT для развертывания и эксплуатации своих приложений и сервисов [46].Однако в этом разделе мы сосредоточимся только на некоторых из них.

Node-RED [47] - это инструмент программирования IBM для подключения аппаратных устройств, API и онлайн-сервисов. Он предоставляет редактор потоков на основе браузера с четко определенным визуальным представлением, которое упрощает составление IoT-устройств. Node-RED построен на Node.js, обеспечивая программирование, управляемое событиями, и неблокирующие функции. Потоки, созданные в Node-RED, хранятся с использованием JSON, который можно легко импортировать и экспортировать для совместного использования с другими.

Аналогичной интеграционной платформой для IoT является ioBroker [48], которая ориентирована на автоматизацию зданий, интеллектуальные измерения, комфортное проживание, автоматизацию процессов, визуализацию и регистрацию данных. IoBroker определяет правила обмена данными и публикуемых событий между различными системами. В свете упрощения создания эффективных и современных бессерверных функций и периферийных микросервисов был создан Project Flogo как управляемая событиями среда с открытым исходным кодом [49]. Самым важным активом Flogo является его сверхлегкий движок процессов, обеспечивающий элегантные визуальные эффекты для разработки приложений и фреймворков.Eclipse также предоставил расширяемую IoT Edge Framework с открытым исходным кодом на основе Java / OSGi под названием Kura. Kura [50] предлагает API-доступ к аппаратным интерфейсам шлюзов Интернета вещей и включает уже сформированные протоколы, такие как Modbus. Эта платформа предоставляет веб-инструмент программирования визуального потока данных, позволяющий получать данные с мест, обрабатывать их на периферии и публиковать на ведущих облачных платформах Интернета вещей через подключение MQTT.

Выбранный инструмент программирования может варьироваться в зависимости от типа приложения и использования конкретного измерительного оборудования.Некоторые из этих инструментов даже специально разработаны для экспериментов любителями, чтобы развить новаторскую идею на рынке. Тем не менее, они предлагают профессионалам полный доступ к оборудованию и расширенные возможности программирования для исследовательских целей.

2.3.3. IoT Industrial Initiatives

Инструменты программирования и платформы приложений IoT переплетаются с существующими инициативами в области промышленных устройств. На платформах разработки приложений IoT подключение устройств обеспечивается в основном через предварительно установленные API, программные агенты, библиотеки и наборы инструментов.Что касается сетевого подключения для устройств, оно может быть реализовано через сотовую или спутниковую связь с возможностью переключения при отказе. Кроме того, многие платформы поддерживают напрямую подключаемые сертифицированные устройства с соответствующей прошивкой. В настоящее время на рынке имеется широкий выбор плат для разработки оборудования и комплектов для прототипирования, которые облегчают разработку приложений IoT. Платы для разработки микроконтроллеров - это печатные платы, выполняющие обработку, хранение и сетевое соединение данных на одном кристалле.На основе этих плат смарт-объекты представлены комбинацией импортированных датчиков и исполнительных механизмов.

Arduino [51] - это аппаратная и программная платформа с открытым исходным кодом, которая разрабатывает платы разработки и инструменты для поддержки цифровых устройств. В конструкциях плат Arduino используются различные микропроцессоры и контроллеры. Arduino Uno, Espressif Systems ESP8266 [52] и Particle Electron [53] - это микроконтроллеры, совместимые с Arduino. Что касается программирования, Arduino-совместимые микроконтроллеры основаны на C или C ++ и предоставленной Arduino IDE.Однако можно использовать другие инструменты визуального программирования и языковые привязки. По желанию, Arduino-совместимые платы могут также поддерживать экраны, чтобы добавить возможность подключения к сети или Bluetooth для устройства, которое лишено этой возможности [54]. Разработка смарт-объектов также может поддерживаться одноплатными компьютерами (SBC). SBC более продвинуты, чем микроконтроллеры, предлагают больше памяти и вычислительную мощность. Они также поддерживают подключение периферийных устройств. Три самых базовых SBC - это Raspberry Pi 3 Model B [55], BeagleBone Black [56] и DragonBoard 410c [57].И последнее, но не менее важное: NXP - еще один известный поставщик плат для разработки приложений, таких как Wandboard и RIoTboard. Эти недорогие платы типа «компьютер на модулях» с операционными системами позволяют разрабатывать полностью встроенные приложения с возможностями компьютера без недостатков (стоимость, размер, надежность, шумный вентилятор и т. Д.) [58]. Также доступны все необходимые соединения: Ethernet, HDMI, USB, WiFi, SATA и PCIe.

Проекты приложений IoT охватывают огромное количество экспериментальных областей, как уже было представлено в предыдущем разделе.Для поддержки соответствующих приложений устройства Интернета вещей разрабатываются с детальными и конкретными знаниями для работы в сложных и особых условиях. Не существует универсального оборудования, подходящего для всех проектов Интернета вещей. Это основной урок прототипирования и экспериментов с микроконтроллерами и SBC для развертывания полностью настраиваемых компонентов, адаптированных к потребностям разработчиков. Промежуточное ПО - это базовый архитектурный уровень инфраструктуры Интернета вещей, реализующий интеллектуальное принятие решений и общее управление между подключенными устройствами.На рисунке 3 представлена ​​таксономия, касающаяся состава и архитектуры промежуточного программного обеспечения.

2.4. Архитектура IoT

Общая архитектура IoT включает три уровня: приложение, транспорт и зондирование [59, 60]. Однако обычно применяется более подробная архитектура, в которой определены пять уровней [4] 🙁 1) Уровень восприятия: также известный как «Уровень устройства». К нему относятся сенсорные устройства и физические объекты (2) Сетевой уровень: также известный как «уровень передачи». Он отвечает за безопасную передачу данных от сенсорных устройств в систему обработки информации. (3) Уровень промежуточного программного обеспечения: отвечает за управление услугами и обеспечение взаимодействия с базой данных системы.Он получает данные с сетевого уровня и сохраняет их в базе данных. Этот уровень обрабатывает информацию, выполняет повсеместные вычисления и принимает автоматические решения на основе выходных данных (4) Уровень приложений: обеспечивает глобальное управление предоставленными приложениями с учетом информации об объектах, которая была обработана на уровне промежуточного программного обеспечения (5) Бизнес-уровень: отвечает за управление всей системой IoT, включая сервисы и приложения

Несколько стандартов IoT были введены для облегчения и упрощения задач программирования и операций по разработке приложений и сервисов.Работа в [7] суммирует наиболее выдающиеся протоколы. В таблице 2 представлены усилия по стандартизации поддержки Интернета вещей. В свете замечаний об этих усилиях по стандартизации в нашей работе мы делаем упор на сетевые технологии IoT и представляем таксономию существующих технологий.

AN Link Network Layer 6 6L600 802.15,4

Инфраструктурные протоколы Протокол маршрутизации RPL
RPL
Физический уровень LTE ​​- A IEEE 802.15.4 EPC global Z-Wave

3. IoT Technologies

Vision может быть поддерживаются множеством интересных технологий для различных приложений. Этот раздел посвящен представлению и компиляции наиболее подходящих технологий Интернета вещей. На рисунке 2 представлены скомпилированные технологии Интернета вещей, нацеленные на представление каждого технологического аспекта и квалификации на основе архитектурной точки зрения.Протокол IPv6 предлагает множество преимуществ для разработки и инфраструктуры Интернета вещей. К ним относятся одноадресная, многоадресная рассылка, поддержка мобильности, область адреса и автоконфигурация [61]. Ниже представлены скомпилированные технологии: (i) Bluetooth Low Energy (BLE) [62]: BLE, известный как Bluetooth Smart, часть Bluetooth v4.0 и недавнего стека v4.2, является глобальной личной областью. сетевой протокол, созданный для нечастой передачи небольших фрагментов данных на низких скоростях со значительно низким энергопотреблением на бит.Он представляет собой облегченную версию классического Bluetooth, предназначенную для устройств с низким энергопотреблением и ограниченными ресурсами. BLE дает много преимуществ по сравнению с конкурентами; однако это не открытый стандарт беспроводной технологии и не поддерживает открытое микропрограммное обеспечение и оборудование. (ii) ZigBee [63]: ZigBee - это стандарт радиосвязи ближнего действия для встроенных устройств, представляющий собой протокол ячеистой локальной сети (LAN), изначально разрабатывался для управления и автоматизации зданий. Как и в случае с Bluetooth, ZigBee имеет большую установленную операционную базу, хотя, вероятно, больше в промышленных масштабах.Он демонстрирует некоторые заметные преимущества в сложных системах, предлагающих функциональность с низким энергопотреблением, улучшенную безопасность, надежность и высокую масштабируемость с большим количеством узлов, и имеет хорошие возможности для использования сенсорных сетей и беспроводного управления в приложениях IoT и M2M. Самая последняя версия ZigBee - это недавно выпущенная версия 3.0, которая на самом деле представляет собой интеграцию различных стандартов ZigBee в единый унифицированный стандарт (iii) Z-Wave [10]: Z-Wave - это низкоэнергетическая радиочастота (RF). технология для связи в диапазоне частот ниже ГГц.Это протокол ячеистой сети, часто применяемый для домашней автоматизации, систем безопасности и управления освещением. Z-Wave использует более простой протокол, чем некоторые другие альтернативы, что обеспечивает более быструю и простую разработку. Он также поддерживает полносвязную сеть, не требуя узла координатора, и обладает высокой масштабируемостью. Он работает на частоте 900 МГц со скоростью передачи данных 9,6 / 40/100 кбит / с (iv) IPv6 по беспроводной персональной сети с низким энергопотреблением (6LoWPAN) [8]: 6LoWPAN определен для устройств, совместимых с IEEE 802.15.4 и эффективно инкапсулирующих IPv6. длинные заголовки в IEEE 802.15.4 маленькие рамки. Стандарт не зависит от базового физического уровня и полосы частот, а также может использоваться на различных коммуникационных платформах, включая Ethernet, 802.15.4, Wifi и радиоканалы ISM (промышленные, научные и медицинские) с частотой менее 1 ГГц. Специально разработанный для автоматизации зданий и дома, IPv6 предлагает фундаментальную транспортную схему для создания сложных систем управления и экономичного соединения с устройствами через беспроводную сеть с низким энергопотреблением (v) WiFi-ah (HaLow) [64]: он разработан специально для маломощных датчиков и контроллеров дальнего действия.Wifi Alliance предложил Wifi HaLow в качестве обозначения для продуктов, поддерживающих технологию IEEE 802.11ah. Протокол призван быть конкурентоспособным с Bluetooth 5 с его низким энергопотреблением, но с большим диапазоном покрытия. Wifi HaLow поддерживает радиоканалы ниже одного гигагерца и расширяет Wifi до диапазона 900 МГц. Специальная технология обеспечивает взаимодействие между несколькими поставщиками, надежную безопасность государственного уровня и простое развертывание (vi) LTE-A [65]: LTE-A является стандартом для мобильной связи и является значительным усовершенствованием стандарта LTE, уделяя особое внимание более высокой пропускной способности. .Улучшения LTE-A по сравнению с LTE касаются повышения спектральной эффективности и пропускной способности сети, а также энергоэффективности и снижения затрат оператора. Основными техническими элементами, которые делают LTE и LTE-A более совершенными, чем технологии 3G, являются эффективное внедрение множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) в сочетании с интеллектуальными антеннами, поддерживающими множественный вход и множественный выход (MIMO) в восходящем и нисходящем направлениях. . Другим примечательным аспектом вышеупомянутых технологий является новая стратегия развертывания в гетерогенных сетях (vii) Глобальная система мобильной связи второго поколения (2G) [66]: GSM - это глобальная система для мобильной связи.Он используется для описания протоколов цифровых сотовых сетей 2G, используемых в мобильных телефонах. Это технология с коммутацией каналов, предназначенная для полнодуплексной голосовой телефонии. GSM основан на совместном использовании спектра множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA). GSM поддерживает пять размеров ячеек, а именно фенто-, пико-, микро-, макро- и зонтичные ячейки. Соответствующие сети работают в диапазонах 900 МГц или 1800 МГц (viii) Стандарты третьего поколения (3G) и четвертого поколения (4G) [66]: 3G была первой «высокоскоростной» сотовой сетью, в то время как она представляет собой зонтик стандарты, которые относятся к ряду технологий, соответствующих спецификациям IMT-2000.Электронная почта, просмотр веб-страниц, обмен изображениями, загрузка видео и другие технологии смартфонов появились в третьем поколении. Двумя ключевыми стандартами для мобильных сетей 3G являются Универсальная система мобильной связи (UMTS) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA2000). Сети 3G способны обеспечивать скорость около 2 мегабит в секунду (базовая версия) (ix) Четвертое поколение (4G) [66]: семейство стандартов сотовой связи, которое последовало за 3G, сформировало 4G и является самой популярной технологией, используемой в настоящее время для передачи данных мобильной сотовой связи. .Согласно соответствующим спецификациям, поддерживаемая скорость передачи данных соответствующего стандарта должна составлять не менее 100 Мбит / с и до 1 Гбит / с для соответствия требованиям 4G. Также необходимо эффективно распределять сетевые ресурсы для поддержки увеличенного количества одновременных соединений в соте. Фактический диапазон сетей 4G был ограничен крупными мегаполисами. За пределами этих областей телефоны 4G обычно регрессируют к стандартам 3G (x) Пятого поколения (5G) [66]: 5G призван стать следующим поколением стандартов сотовых сетей, нацеленных на более высокую пропускную способность и меньшую задержку.Реализация и широкое внедрение протоколов 5G намечено на 2020 год. 5G предназначен для обеспечения беспроводной связи почти без ограничений, иногда называемой «НАСТОЯЩИМ беспроводным миром». Говорят, что он содержит носимые устройства с возможностями искусственного интеллекта и системами высотной стратосферной платформы (HAPS) (xi) SigFox [10, 67]: SigFox - глобальный оператор сети IoT, который занимает промежуточное положение между Wi-Fi и сотовой связью с точки зрения покрытия. Он работает в диапазонах ISM 900 МГц и использует технологию Ultranarrow Band (UNB).Он разработан для обработки исключительно низких скоростей передачи данных от 10 до 1000 бит / с. Развертывания SigFox включают антенны на вышках (аналогично операторам сотовой связи) и принимают данные от таких устройств, как счетчики воды и датчики парковки. SigFox - очень многообещающий кандидат для приложений, в которых сети должны обрабатывать только небольшие объемы, нечастые всплески информации. Однако отправка данных обратно на датчики / устройства (возможности нисходящей линии связи) сильно ограничена, и помехи сигнала могут стать проблемой.(xii) Weightless-N [67]: Weightless-N классифицируется как стандарт UNB, поддерживающий только однонаправленную связь от оконечных устройств к базовой станции, что обеспечивает значительную экономию энергии и меньшую стоимость по сравнению с альтернативными схемами LESSLEY. Weightless-N - это нелицензированный узкополосный протокол, который очень похож на SigFox, но демонстрирует лучшую реализацию уровня MAC. Weightless-N - единственный действительно открытый стандарт, который работает в нелицензируемом спектре ниже 1 ГГц. (Xiii) Weightless-W [67]: Weightless-W предназначен для работы в диапазонах TV White Space (TVWS) в качестве открытого стандарта.Он может работать с несколькими схемами модуляции, включая дифференциальную-BPSK (DBPSK) и 16-квадратурную амплитудную модуляцию (16-QAM). Согласно бюджету канала, пакеты размером более 10 байт могут передаваться со скоростью от 1 до 10 Мбит / с. Однако возможность совместного использования сетей в пределах белого пространства телевизора разрешена только в определенных регионах; Таким образом, WEIGHTLESS-SIG устанавливает еще два стандарта в диапазонах ISM, которые широко доступны для нелицензионного использования (xiv) Weightless-P [67]: Weightless-P - новейшая технология, классифицированная как «Weightless».Он обеспечивает смешанную двустороннюю связь с двумя физическими уровнями, не являющимися собственностью. Он выполняет модуляцию сигнала с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) и гауссовой манипуляции с минимальным сдвигом (GMSK). Он работает в диапазонах ISM ниже ГГц, и каждый отдельный узкий канал 12,5 кГц обеспечивает пропускную способность от 0,2 кбит / с до 100 кбит / с. Однако он имеет ограниченную доступность оборудования и диапазон связи (xv). Поток [10]: Поток основан на протоколах 6LoWPAN и IPv6 в качестве открытого стандарта. Он предназначен для домашней автоматизации.По сути, это версия ZigBee от Google. В отличие от Bluetooth или ZigBee, Thread не является протоколом приложений IoT. В основном он разработан как дополнение к Wi-Fi, которого достаточно для многих конечных устройств, но есть недостатки при использовании для домашней автоматизации. Ячеистая сеть через радиоинтерфейсы IEEE 802.15.4 поддерживается Thread, и он может обрабатывать до 250 устройств с расширенным шифрованием и аутентификацией (xvi). NFC [10]: NFC обеспечивает радиосвязь между смартфонами и портативными устройствами, касаясь друг друга или поднося их на близкое расстояние (обычно менее 10 см).NFC работает на частоте 13,56 МГц (ISM) со скоростью передачи данных 100–420 кбит / с (xvii). RFID [12]: радиочастотная идентификация использует радиосигналы для мониторинга и идентификации в реальном времени объектов или людей без необходимости связи в пределах прямой видимости. Этот протокол был разработан с целью позволить устройствам без батарей отправлять сигнал. Система RFID включает в себя считыватель, метку и хост. Микрочип расположен в метке и обменивается данными по беспроводному соединению, используя разные частоты в диапазонах LF (низкая частота), HF (высокая частота) или UHF (сверхвысокая частота).Теги обычно представляют собой пассивные устройства, доступные только для чтения, без возможностей обработки. RFID-метки используются для целей доставки и отслеживания (xviii). LoRaWAN [67, 68]: LoRaWAN классифицируется как протокол управления доступом к среде (MAC), который создан для поддержки общедоступных сетей большого размера с одним оператором. LoRa - это физический уровень, то есть чип. Кроме того, он распределяет данные по различным радиоканалам и скоростям передачи, используя кодированные сообщения, вместо узкополосной передачи. LoRaWAN считает, что устройства имеют разные возможности в зависимости от требований их соответствующих приложений.Таким образом, LoRaWAN определяет три класса оконечных устройств, все из которых поддерживают дуплексную связь, но с различными требованиями к энергии и задержкой нисходящего канала (xix) Neul [10]: Neul похож на SigFox, но работает на частотах ниже 1 ГГц. группа. В результате ему удается использовать очень короткие полосы спектра TVWS для обеспечения высокого покрытия, высокой масштабируемости, низкой стоимости и малой мощности беспроводных сетей. Его коммуникационная технология невесома. Предоставляемая пропускная способность может варьироваться от нескольких бит / с до 100 кбит / с при использовании одного и того же соединения.Устройства могут использовать батареи 2xAA, чтобы потреблять всего 20–30 мА, что соответствует 10–15 годам автономной работы (xx). Dash7 [67]: Dash7 - это протокол с открытым исходным кодом для беспроводных сетей с огромным контрактом RFID с Министерством здравоохранения США. Оборона. Он использует двухуровневую гауссову частотную манипуляцию (GFSK) в качестве узкополосной схемы модуляции в полосах ниже ГГц. DASH7 предназначен для использования по умолчанию в виде древовидной топологии с альтернативой - звездообразной компоновкой. Он также включает в себя полный сетевой стек, который позволяет конечным устройствам и приложениям обмениваться данными друг с другом без необходимости устранять сложности нижележащего MAC или физических уровней.DASH7 также поддерживает криптографию с симметричным ключом и прямое исправление ошибок (xxi). WirelessHART [69, 70]: WirelessHART разработан на основе протокола связи HART. По сути, он представляет собой «первый в отрасли международный открытый стандарт беспроводной связи». Он использует самовосстанавливающуюся, самоорганизующуюся и синхронизированную по времени архитектуру ячеистой сети. WirelessHART использует стандартные радиомодули IEEE 802.15.4 и работает в диапазоне ISM 2,4 ГГц (xxii). EnOcean [71]: EnOcean - это протокол, созданный специально для приложений сбора энергии с чрезвычайно низким энергопотреблением.Он работает в диапазонах 315 МГц в Северной Америке и 868 МГц в Европе. Зона покрытия распространяется до 30 метров в помещении и до 300 метров на открытом воздухе (xxiii). DigiMesh [72]: DigiMesh - это собственный протокол для ячеистых систем. Он разработан Digi как решение для беспроводной ячеистой сети, которое обеспечивает работу с низким энергопотреблением и поддерживает синхронизированные по времени спящие узлы. В отличие от подобных протоколов, таких как Z-Wave и ZigBee, уникальной характеристикой DigiMesh является то, что все сетевые устройства относятся к одному типу.Каждое устройство может выполнять маршрутизацию через ячеистую сеть и находиться в спящем режиме для оптимизации энергопотребления. DigiMesh предлагает различные варианты скорости передачи: 900 МГц (10, 125, 150 Кбит / с) и 2,4 ГГц (250 Кбит / с) (xxiv). Ingenu [67]: Ingenu ранее была известна как On-Ramp Wireless и является поставщиком беспроводных сетей. Ingenu владеет множественным доступом со случайной фазой (RPMA), 32 патентами и использует его для построения всех своих сетей. Он использует бесплатные ISM-диапазоны 2,4 ГГц, сохраняя при этом низкое энергопотребление. Ingenu продавала измерительное оборудование, которое собирало данные со счетчиков электроэнергии на малой мощности.Затем он был переименован, и теперь он стал более широким игроком в соответствующем секторе рынка (например, SigFox). Кроме того, Ingenu обычно обменивается данными со скоростью в сотни тысяч бит / с, демонстрируя повышенное энергопотребление по сравнению с LoRa и SigFox (xxv) ANT & ANT + [73]: эти протоколы реализуют запатентованные беспроводные технологии с низким энергопотреблением для приложений с батарейным питанием, таких как здравоохранение мониторинг. ANT + обеспечивает обмен данными между беспроводными устройствами от разных производителей, задавая определенные поля полезной нагрузки данных и параметры сети, а также учитывая профили устройств (xxvi). Узкополосный IoT (NB-IoT) [74]: NB-IoT используется для устройств с низким энергопотреблением в сотовом M2M.Он основан на схеме модуляции Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS), аналогично старому Neul-варианту Weightless-W. NB-IoT управляет радиоканалами более 200 кГц, которые могут быть организованы в диапазонах LTE между последовательными каналами LTE. Используемая полоса пропускания составляет 180 кГц с защитной полосой 20 кГц в полудуплексном режиме со скоростью передачи данных около 200 кбит / с для нисходящей и восходящей линий связи. NB-IoT обеспечивает скорости передачи данных, аналогичные технологиям LPWA, но с более строгими гарантиями их стабильного достижения, поскольку он работает в лицензированных диапазонах частот



4.Сетевые протоколы для IoT

В этом разделе исследуется сетевой уровень домена IoT, уделяя особое внимание протоколам инкапсуляции и маршрутизации. В таблице 3 представлено сравнение характеристик протокола и их доступности.

0EE 6TiSCH9959 9095

Технология инкапсуляции 6LoWPAN
6Lo-BLE 6Lo-NFC 6Lo-MS / TP 6Lo-DECT / ULE 802.11ah - Wi-Fi HaLow

IEEE Технология канала передачи данных 90E 600 .4 IEEE 802.15.4e (TSCH) Zigbee Smart Energy - IEEE 802.15.4 ITU-T G.9959 Bluetooth LE Радиоинтерфейс ISO / IEC 18000-3 Физический уровень RS-485 DECT со сверхнизким энергопотреблением PHY IEEE 802.11ah

Использование Широкий спектр приложений Промышленная автоматизация Умные дома, дистанционное управление и системы здравоохранения Домашняя автоматизация Взаимодействие / Умный дом Здравоохранение Центральное отопление - сети автоматизации Показания счетчика Сельская связь и разгрузка трафика вышек сотовой связи

Скорость передачи данных (i) 250 Кбит / с при 2.Полоса частот 4 ГГц
(ii) 40 Кбит / с при полосе частот 915 МГц
(iii) 20 Кбит / с при полосе частот 868 МГц
То же, что и в LR-WPAN То же, что и в LR-WPAN В соответствии с профилем RF:
(i) R1: 9,6 Кбит / с
(ii) R2: 40 Кбит / с
(iii) R3: 100 Кбит / с
1 Мбит / с на частоте 2,4 ГГц Диапазон ISM От 106 Кбит / с до 424 Кбит / с на частоте 13,56 МГц Диапазон ISM 115,2 Кбит / с при экранированной витой паре Символьная скорость 1,152 Мбит / с в полосе частот 1880–1920 МГц До 347 Мбит / с в полосе частот 900 МГц

Мобильность Механизм управления мобильностью, предоставляемый в зависимости от приложения Механизм управления мобильностью, предоставляемый в зависимости от приложения Механизм управления мобильностью, предоставляемый в зависимости от приложения Нет Низкий Средний Нет

Топология Звезда, P2P и сетка Multihop Звезда, P2P и многошаговая сетка Звезда, P2P, дерево кластеров и сетка Звезда, дерево и сетка Звезда , scatternets and no mesh P2P and L2-Mesh Bus and MS / TP Star and no mesh Star and no mesh

Security High and privacy required High и требуется конфиденциальность Высокая и требуется конфиденциальность Высокая и требуется конфиденциальность Частично Высокая Высокая и требуется аутентификация Высокая и требуется конфиденциальность Высокая и требуется конфиденциальность

Буферизация Низкий Низкий Низкий Низкий Низкий Низкий Низкий Низкий Низкий

Задержка Высокий Высокий Высокий Высокий Низкий Высокий Высокий Низкий Высокий Высокий Применимые протоколы маршрутизации (i) RPL
(ii) AODV
(i) RPL
(ii) P2P RPL
(iii) AODV
RPL (i) RPL
(ii) P2P RPL
RPL Не требуется Не требуется RPL RPL

Преимущества (i) Малый размер пакета
(ii) Низкая пропускная способность
(iii) Низкое энергопотребление
(iv) Низкая стоимость
(v) Расположение устройств не определено заранее (ad-hoc)
(vi) Масштабируемость
(i) Большие возможности масштабирования
(ii) Высокая надежность против помех
(iii) Низкое энергопотребление
(i) Низкое энергопотребление
(ii) Низкая стоимость
(iii) Малая пропускная способность
(iv) Масштабируемость
(v) Снижает воздействие на окружающую среду
(vi) Простота использования
(vii) Спецификация совместимости
(i) Низкая стоимость
(ii) Низкое энергопотребление
(iii) Надежность
(iv) Приложения реального времени
(v) Механизмы предотвращения столкновений
(i) Низкое энергопотребление
(ii) Маленькая батарея
(iii) Небольшие объемы данных
(i) Простой, быстрые и безопасные транзакции с максимальной скоростью связи.
(ii) Совместимость с существующей инфраструктурой бесконтактных карт
(i) Низкая стоимость
(ii) Отсутствие ячеистых, широковещательных или фрагментационных заголовков
(iii) Остается единственным проводным 6Lo PHY
(iv) Служит шаблоном для формирования рабочая группа IETF 6Lo
(i) Низкое энергопотребление
(ii) Стабильное и большое расстояние
(iii) Двусторонняя передача голоса и видео
(iv) Высокая емкость
(v) Длительное время автономной работы
(vi) Без помех
(i) Низкое энергопотребление
(ii) Широкий диапазон покрытия

4.1. Протоколы сетевой инкапсуляции
4.1.1. 6LoWPAN

6LoWPAN - одна из наиболее важных схем в области Интернета вещей. Он отличается особым сжатием заголовка, направленным на снижение накладных расходов на передачу, и влечет за собой процесс фрагментации, чтобы покрыть ограничение на максимальный размер кадра IEEE 802.15.4 в 128 байт. В результате общие 1280 байтов кадра IPv6 [75] (минимальный максимальный размер передаваемого блока (MTU) IPv6) фрагментируются до 127 байтов, что соответствует стандарту 802.15.4 MTU [76]. Тип каждого пакета 6LoWPAN определяется первыми двумя битами пакета. В зависимости от типа и следующих 6 битов (называемых полем отправки) детали оставшейся структуры различаются.

6LoWPAN реализуется на основе определенных типов заголовков кадров. Отсутствуют заголовок 6loWPAN (00), заголовок отправки (01), заголовок сетки (10) и заголовок фрагментации (11), как показано на рисунке 4. Если заголовок no 6loWPAN отсутствует, кадры, которые не являются совместимость со спецификациями 6loWPAN исключена.Заголовок отправки используется для сжатия заголовка IPv6 и многоадресной рассылки. Широковещательная передача поддерживается с помощью заголовков сетки, тогда как разделение больших заголовков IPv6 на фрагменты размером 128 байт возможно с помощью заголовков фрагментации.


Кроме того, 6LoWPAN предлагает возможность взаимодействия между существующими IP-устройствами и устройствами с низким энергопотреблением, используя стандартные схемы маршрутизации [77]. Он также использует огромное количество средств управления, операций, коммуникационных инструментов и услуг на основе IP.

Что касается вопросов безопасности, рассматриваемые устройства могут в значительной степени полагаться на IEEE 802.15.4 механизмы канального уровня. IEEE 802.15.4 основан на 128-битном расширенном стандарте шифрования (AES) для шифрования и аутентификации. Кроме того, сквозная безопасность может быть обеспечена либо стандартом IPsec, либо режимом инкапсуляции полезной нагрузки безопасности (ESP), в котором используется усовершенствованный стандартный счетчик шифрования с кодом аутентификации сообщения цепочки блоков шифрования (AES-CCM) [76] .

4.1.2. ZigBee IP

ZigBee IP - это первый открытый стандартный протокол, который обеспечивает бесшовное подключение к Интернету для управления недорогими и маломощными недорогими устройствами через полную беспроводную ячеистую сеть на основе IPv6.ZigBee IP был разработан для поддержки ZigBee 2030.5 (ранее известного как ZigBee Smart Energy 2.0) [36]. На рисунке 5 представлен стек ZigBee IP, функциональность нижнего уровня которого основана на стандарте IEEE 802.15.4. Он использует методы сжатия заголовков 6LoWPAN для уменьшения накладных расходов на связь и повышения эффективности сети.


Zigbee IP позволяет индивидуально адресовать все сетевые узлы с использованием протокола адресации и маршрутизации IPv6. Устройство может работать как координатор ZigBee (ZC), т.е.е., либо как конечное устройство ZigBee (ZED), либо как маршрутизатор Zigbee (ZR). ZC запускает формирование сети и контролирует ее. ZR пересылают данные для ZED и при необходимости могут использоваться для масштабирования сети. ZED - это устройства других типов, участвующие в сети ZigBee, которые управляются ZR и ZC [12].

Кроме того, для управления доступом к сети используется протокол аутентификации для доступа к сети (PANA), а безопасность приложений поддерживается с помощью транспортного уровня безопасности (TLS) 1.2 и криптография на основе эллиптических кривых. Приложение включает в себя доступные для использования протоколы обмена сообщениями UDP и TCP.

Одно из основных преимуществ ZigBee IP по сравнению со схемами на основе 802.15.4 заключается в том, что он предлагает расширяемую архитектуру с использованием сквозного подключения IPv6. Таким образом, ZigBee IP считается многообещающим активом для использования приложений Интернета вещей.

4.1.3. 6TiSCH

IPv6 в режиме TSCH протокола IEEE 802.15.4e (6TiSCH) [78, 79] был создан рабочей группой IETF 6TiSCH для создания и управления расписанием переключения каналов с синхронизацией по времени (TSCH) для IEEE 802 .15.4e каналы передачи данных. IEEE 802.15.4e [80] - это современное решение для создания надежных сетей со сверхнизким энергопотреблением для сетей с низким энергопотреблением и с потерями (LLN). На рисунке 6 изображен стек 6TiSCH. В сети TSCH время делится на слоты, и отдельные ячейки связи назначаются для одноадресной или широковещательной передачи на уровне MAC. Количество кадровых интервалов составляет расписание, которое постоянно повторяется. Расписания указывают каждому узлу, что делать в каждом временном интервале, на основе следующих параметров: (а) передача, (б) прием или (в) спящий режим.Операция с временными интервалами уменьшает коллизии, позволяет использовать различные схемы планирования и экономит энергию.


Подуровень операций 6TiSCH (6top) [37] принадлежит к Logical Link Control (LLC), абстрагирует IP-канал через TSCH MAC, управляет расписанием TSCH, собирает информацию о подключении и контролирует производительность каналов (ячеек). ). Расписание обрабатывается матрицей использования распределения каналов, которая состоит из доступных временных интервалов для задач сетевого планирования в строках и доступных частот в столбцах.Ресурсы этой матрицы известны всем сетевым устройствам.

Заголовок маршрутизации 6LoWPAN (6LoRH) [81] используется для сжатия артефактов протокола маршрутизации IPv6 (RPL) в пакетах IPv6, в то время как сжатие заголовка 6LoWPAN [82] используется для сжатия заголовков UDP и IPv6. Архитектура 6TiSCH определяет четыре способа управления расписанием, которые сочетаются с тремя различными моделями пересылки [37]. Кроме того, 6TiSCH использует общее направление интерфейса управления CoAP (COMI) для управления устройствами в сочетании с безопасностью транспортного уровня дейтаграмм (DTLS) [83].Что касается безопасности, эта архитектура предполагает, что безопасность канального уровня в сочетании с вариантом счетчика с CBC-MAC (CCM) [84] будет включена в любое время между подключенными устройствами.

4.1.4. 6Lo

IPv6 в сетях узлов с ограниченными ресурсами (6Lo) Рабочая группа IETF разрабатывает набор стандартов передачи кадров IPv6 по различным каналам передачи данных [11]. Эти узлы характеризуются ограниченными ресурсами обработки, памяти и питания, строгими верхними пределами состояния, циклов обработки и кодового пространства, оптимизацией пропускной способности сети и использования энергии, а также отсутствием некоторых услуг на уровне 2, таких как полное подключение устройства и многоадресная / транслировать.Рабочая группа 6Lo была сформирована для работы с каналами передачи данных, помимо IEEE 802.15.4 и IEEE 802.15.4e, которые охватываются 6LowPAN и 6TiSCH. Некоторые из этих спецификаций 6Lo, утвержденных как RFC [85], обсуждаются далее.

4.1.5. IPv6 поверх G.9959

Стандарт RFC 7428 [86] устанавливает структуру кадра для доставки блоков данных IPv6 в сетях ITU-T G.9959 узкополосными цифровыми радиоприемопередатчиками ближнего действия. На рисунке 7 показан стек протоколов IP через G.9959. Сети G.9959 разделены на домены, что означает, что к набору узлов осуществляется доступ через одну и ту же среду.Каждый домен идентифицируется уникальным 32-битным сетевым идентификатором HomeID и содержит до 232 узлов (включая мастер домена) [87]. HomeID G.9959 соответствует подсети IPv6, которая определяется с использованием одного или нескольких префиксов IPv6. Кроме того, каждому узлу назначается 8-битный идентификатор хоста NodeID, который уникален внутри домена, вместо 16-битного короткого адреса. Идентификатор интерфейса (IID) строится из адреса канального уровня G.9959, создавая «IPv6-адрес канального уровня», так что его можно сжать в G.9959 рама. Что касается сжатия заголовка, используемый формат соответствует формату, применяемому в сетях на основе IEEE 802.15.4. Более того, G.9959 включает уровень сегментации и повторной сборки (SAR) для передачи пакетов, длина которых превышает длину блока данных протокола управления доступом к среде (MAC PDU) G.9959.


Кроме того, RFC 7428 использует общий сетевой ключ для шифрования, чтобы обеспечить определенный уровень безопасности. Тем не менее, приложения с более строгими требованиями к безопасности должны обращаться к своей аутентификации и сквозному шифрованию, используя свои собственные схемы безопасности высокого уровня.Z-Wave - это типичный протокол, основанный на ITU-G.9959 [87].

4.1.6. IPv6 через Bluetooth Low Energy

RFC 7668 [38] описывает транспортировку IPv6 через соединения Bluetooth Low Energy (LE) с использованием модели спецификации 6LoWPAN. IPv6 и служба поддержки протоколов (IPSS) в стеке Bluetooth LE изображена на рисунке 8. Согласно стандартному стеку протоколов, более высокий уровень включает протокол управления логическим каналом и адаптации (L2CAP), протокол атрибутов (ATT) и общий профиль атрибутов (GATT).Все интеллектуальные устройства Bluetooth используют GATT, который состоит из клиента, сервера, передаваемого значения данных, службы и дескриптора значения характеристики. Кроме того, между нижними уровнями находится интерфейс хост-контроллера (HCI), а подуровень L2CAP отвечает за мультиплексирование каналов данных с вышележащих уровней. Кроме того, он позволяет фрагментировать и повторно собирать длинные пакеты данных.


В Bluetooth LE прямое беспроводное соединение существует только между периферийным и центральным устройством.Устройство с центральной ролью может управлять различными одновременными соединениями с несколькими периферийными устройствами. Периферийное устройство обычно подключается к одному центральному устройству, но оно также может связываться с несколькими центрами одновременно. Два периферийных устройства могут обмениваться данными через центральный узел, используя IP-маршрутизацию в соответствии с соответствующей спецификацией.

Технология Bluetooth LE устанавливает ограничения на размер служебных данных протокола для обеспечения низкого энергопотребления. Однако методы фрагментации из стандартов 6LowPAN не принимаются, поскольку подуровень L2CAP уже позволяет сегментацию и повторную сборку более длинных блоков данных в 27-байтовые пакеты L2CAP.Еще одна заметная вариация заключается в том, что Bluetooth LE в настоящее время не может формировать сети канального уровня с несколькими переключениями. В качестве альтернативы центральный узел маршрутизирует данные между периферийными устройствами с низким энергопотреблением. Таким образом, периферийные и центральные устройства будут работать как пограничный маршрутизатор 6LoWPAN (6LBR) и узел 6LoWPAN (6LN) соответственно. Тем не менее, межпериферийный обмен данными в центральном домене реализуется за счет использования функциональных возможностей IP-маршрутизации согласно соответствующей спецификации.

Профиль поддержки интернет-протокола (IPSP), который включает IPSS, позволяет находить устройства, поддерживающие протокол IPv6, и устанавливать связь на канальном уровне для доставки дейтаграмм IPv6.Что касается соображений безопасности, Bluetooth LE обеспечивает аутентификацию и шифрование на канальном уровне, используя метод Counter with CBC-MAC (CCM) и блочный шифр AES. Эта функция, если таковая имеется, также может использоваться на более высоких уровнях.

4.1.7. IPv6 через NFC

В NFC всегда есть инициирующие устройства и целевое устройство, где инициатор активно создает радиочастотное поле, которое может питать пассивную цель. NFC расширяет функциональность систем RFID, обеспечивая двунаправленную связь между устройствами, тогда как прежние методы, такие как бесконтактные смарт-карты, были просто однонаправленными.На рисунке 9 показан стек протоколов для IPv6 через NFC [88]. На более высоких уровнях включены транспортные протоколы (UDP и TCP), протоколы приложений и другие протоколы, которые могут работать через IPv6.


Протокол управления логическим каналом (LLCP) содержит LLC и координирует механизмы мультиплексирования MAC. На основе процедур мультиплексирования существующие беспроводные протоколы интегрируются в структуру LLCP, в то время как LLC включает три отдельных компонента, то есть управление каналом связи, транспорт без установления соединения и транспорт с установлением соединения.

Стандарты 6LoWPAN обеспечивают конфигурацию адреса IPv6, обнаружение соседей и сжатие заголовков для уменьшения накладных расходов, которые могут быть применены к NFC через уровень адаптации. Для передачи данных NFC в IPv6 дейтаграмма IPv6 передается в LLCP NFC и доставляется через блок данных протокола (PDU) LLCP однорангового устройства с поддержкой NFC. LLCP передаст исходную точку доступа к службе (SSAP), то есть 6-битную идентификацию, представляющую тип адреса управления логическим каналом, и значение DSAP (LLC-адрес целевого устройства с поддержкой NFC) в IPv6 через Протокол NFC.

Из-за ограниченного радиочастотного расстояния можно организовать безопасную передачу пакетов IPv6, если каждое отдельное соединение NFC может использовать новый короткий адрес с ограниченным по продолжительности соединением. Таким образом, сканирование адресов может быть уменьшено, наряду с использованием уязвимостей конкретного устройства и отслеживанием местоположения.

4.1.8. IPv6 через MS / TP (6LoBAC)

Master-Slave / Token-Passing (MS / TP) - широко используемый протокол передачи данных, определенный в BACnet, на основе RS-485 с одной витой парой PHY [89].Он содержит MAC без конкуренции и рассматривается как проводная альтернатива IEEE 802.15.4. Устройства на базе MS / TP обычно содержат микроконтроллер с небольшой памятью, вычислительной мощностью и небольшой стоимостью. Интерфейсу MS / TP просто необходимы универсальный асинхронный приемопередатчик (UART), приемопередатчик RS-485 и таймер с разрешением 5 мс. Маркер используется в MS / TP для управления доступом к многоточечной шине. Незапрашиваемая передача данных может быть инициирована только главным узлом MS / TP, содержащим маркер. Маркер передается следующему главному узлу (в соответствии с его MAC-адресом) после того, как текущий главный узел отправит не более предопределенного максимального количества единиц данных.

RFC 8163 определяет структуру кадра для передачи дейтаграмм IPv6 и метод установки локальных адресов и автоматически настраиваемых адресов IPv6 в сетях MS / TP. MS / TP заметно отличается от 6LoWPAN по крайней мере в трех аспектах: (a) устройства MS / TP обычно получают питание от сети; (b) все устройства MS / TP в одном сегменте имеют прямое соединение; следовательно, нет проблем с маршрутизацией сетки или скрытыми узлами; и (c) самая последняя спецификация MS / TP поддерживает длинные полезные данные, устраняя требование фрагментации и повторной сборки ниже IPv6.

Устройства MS / TP всегда находятся в режиме приема и могут принимать и подтверждать беспроводные сообщения. В то же время они могут действовать как маршрутизаторы для других устройств. Тем не менее, все устройства, которые обрабатывают питание MS / TP (переключатели и средства управления жалюзи), обычно получают питание от MS / TP, потому что они все равно подключены к сигналам питания MS / TP [90].

С другой стороны, 6LoBAC - это новый тип кадра для инкапсуляции IPv6, который включает механизм сжатия заголовка и улучшает использование канала MS / TP.Согласно формату инкапсуляции LoBAC, который описывает MSDU кадра IPv6 через MS / TP, полезная нагрузка LoBAC следует за стеком заголовка инкапсуляции. Кроме того, локальный адрес канала IPv6 для интерфейса MS / TP создается путем добавления идентификатора интерфейса. Что касается соображений безопасности, мы можем сделать вывод, что эти глобально видимые адреса (идентификаторы интерфейса, производные от MAC-адреса) делают сеть уязвимой для атак со сканированием адресов. Таким образом, предлагается создать 64-битный семантически непрозрачный идентификатор интерфейса для каждого глобально видимого адреса.

4.1.9. IPv6 через DECT / ULE

Цифровая усовершенствованная беспроводная связь (DECT) Сверхнизкое энергопотребление (ULE) [91] представлено DECT Forum как технология радиоинтерфейса с низким энергопотреблением и определена Европейским институтом стандартов электросвязи (ETSI). DECT ULE намеревается предложить интеллектуальные сенсорные устройства с низкой пропускной способностью для автоматизации дома. RFC8105 [39] определяет, как отображать IPv6 выше DECT ULE, как показано в [38, 76, 82, 92]. Согласно стеку протоколов DECT ULE, как показано на рисунке 10, уровень MAC поддерживает традиционные операции в режиме канала DECT и новую операцию в пакетном режиме ULE.С этой целью DECT ULE Data Link Control (DLC) поддерживает мультиплексирование, сегментирование и повторную сборку для длинных пакетов с более высоких уровней. Он также реализует аутентификацию для каждого сообщения. Стандарты 6LoWPAN обеспечивают конфигурацию адресов IPv6, процессы обнаружения соседей и сжатие заголовков для уменьшения накладных расходов.


Передача данных через DECT ULE устанавливается постоянным виртуальным каналом (PVC), установленным между FP (фиксированная часть DECT или шлюз) и PP (портативная часть DECT или 6LN), координируемая вызовом службы DECT.Как только соединение FP и PP установлено, можно инициировать конфигурацию IPv6-адреса и обмен данными. Ссылка теперь считается активной.

DECT ULE обеспечивает безопасность на канальном уровне в форме шифрования и аутентификации сообщений на основе режима счетчика с кодом аутентификации сообщения цепочки блоков шифрования (CBC-MAC), аналогичного [84]. Шифрование и аутентификация сообщений снова основаны на AES128. Во время установления DECT ULE создается главный ключ аутентификации пользователя (UAK).И ключ безопасности сеанса, и главный ключ аутентификации создаются путем выполнения алгоритма стандартного алгоритма аутентификации № 2 DECT (DSAA2), который использует AES128 в качестве базового алгоритма.

4.1.10. IPv6 через 802.11ah

IEEE 802.11 - это широко распространенная технология беспроводной локальной сети (WLAN), которая обеспечивает беспроводное подключение к различным устройствам и также известна как Wi-Fi. Поправка к IEEE 802.11ah [40] использует диапазоны менее 1 ГГц, которые облегчают и помогают экономить мощность передачи.Он подходит для IoT, поддерживая многочисленные устройства на отдельном базовом наборе услуг (BSS) и обеспечивая методы энергосбережения, которые позволяют беспроводным станциям переходить из спящего режима для экономии энергии.

Поскольку 802.11ah - это технология с низким энергопотреблением / низкой скоростью, вышеупомянутые протоколы связи MAC также должны учитывать энергоэффективность. Этот факт мотивирует внедрение методов 6LoWPAN [76, 82] для эффективной передачи дейтаграмм IPv6 по беспроводным сетям IEEE 802.11ah.

Система состоит из точки доступа (AP), которая устанавливает BSS и станции (STA). 802.11ah BSS может включать в себя множество связанных STA, при этом большинство STA большую часть времени находятся в спящем (дремлющем) режиме. Они могут проверять передачу периодических кадров маяков, которые включают карты индикации трафика (TIM). 802.11ah использует на уровне 2 звездообразную топологию, в соответствии с которой STA поддерживают подключение к AP, а все коммуникации между STA проходят через AP. IEEE 802.11ah не поддерживает топологию ячеистой сети на уровне 2.Стек протоколов WLAN состоит из уровня PHY (802.11ah), уровня MAC (802.11ah) и уровня логической связи 802. IPv6 совместим с 802.11ah через LLC, как показано на рисунке 11.


При использовании 6LoWPAN узлы, т. Е. Узел 6LoWPAN (6LN) и пограничный маршрутизатор 6LoWPAN (6LBR), размещаются в одних и тех же устройствах, имеющих свойства 802.11. . Обычно в звездообразной топологии 802.11ah функционально 6LBR предоставляется в точке доступа. 6LN размещены вместе с STA и обмениваются данными с 6LBR через 802.11ач соединение. Поскольку уровень MAC 802.11ah не определяет топологию ячеистой сети, подразумевается, что 6LBR является единственным устройством маршрутизации, доступным в сети. Следовательно, нет маршрутизаторов 6LowPAN (6LR). Более того, учитывая вопросы безопасности, функциональные возможности, определенные в [76] и его обновление в [82], также можно считать действительными для случая 802.11ah.

4.2. Протоколы маршрутизации

Чтобы справиться с ограничениями систем IoT, протокол маршрутизации должен отвечать определенным требованиям и использовать разные стратегии [93].Такой протокол должен соответствовать шаблону трафика в области его развертывания и быть изобретательным с точки зрения энергопотребления. Кроме того, он должен масштабироваться с точки зрения памяти и производительности, но при этом иметь возможность справляться с редкими изменениями местоположения. Более того, протокол маршрутизации IoT необходим для распознавания и предотвращения односторонних каналов и для консервативного использования энергии передатчика. И последнее, но не менее важное: поддержка IPv6 и мобильность считаются важными качествами. Используемые стратегии включают проактивную маршрутизацию, пытаясь получить глобальное представление о всей топологии сети в любое время, и реактивную маршрутизацию, путем поиска маршрутов по запросу [94–96].В таблице 4 представлена ​​систематика наиболее важных протоколов маршрутизации в домене Интернета вещей.

49 49 9095 9144 9 Алгоритм

Название протокола маршрутизации RPL P2P-RPL CORPL Проактивный Реактивный Проактивный Реактивный Реактивный

Тип трафика MP2P, P2P и P2MP P2P и P2MP P2600 MP2P, 9P49 P2P

Механизм Энергетические показатели и многолучевая маршрутизация Энергетические показатели Энергетические показатели и многопутевая маршрутизация Энергетические показатели и многопутевая маршрутизация Энергетическая маршрутизация осведомленные метрики

(i) Вектор расстояний
(ii) Маршрутизация от источника
(i) Вектор расстояний
(ii) Маршрутизация от источника
Вектор расстояний Состояние канала Вектор расстояний

IPv6 поддержка Да Да Да Да Да

loT Решенные проблемы маршрутизации (i) Местный и глобальный ремонт
(ii) Низкое энергопотребление
(iii) Мобильность
(iv) Высокая масштабируемость
(v) Низкое использование памяти
(i) Локальный и глобальный ремонт
(ii) Низкое энергопотребление
(iii) Мобильность
(iv) Высокая масштабируемость
(i) Управление данными
(ii) ) Серверные технологии
(i) Управление данными
(ii) Управление хранилищем
(i) Низкое энергопотребление
(ii) Мобильность
(iii) Высокая масштабируемость
(iv) Низкое использование памяти

9 0600
Основные функции (i) Обнаружение и предотвращение петель
(ii) Самонастройка
(iii) Управление таймером
Обнаруживает маршрут наилучшего качества для любой пары источник-пункт назначения Оппортунистический подход к пересылке на основе RPL (i) Выбор качества канала для пересылки пакетов
(ii) Высокий коэффициент доставки пакетов для увеличения трафика
(i) Облегченный вариант AODV
(ii) Подходит для более общей схемы трафика

Недостатки Нет безопасности (i) Нет безопасности
(ii) Высокое использование памяти
(i) Нет безопасности
(ii) Нет управления хранилищем
(i) Нет безопасности
(ii) Нет серверных технологий
(iii) Отсутствие возможности повторного использования ранее собранных данных
(i) Отсутствие безопасности
(ii) Отсутствие локального ремонта
(iii) Высокая задержка в обнаружении маршрута

4.2.1. RPL

В 2012 году IETF выпустила протокол дистанционно-векторной маршрутизации для сетей с низким энергопотреблением и потерями (RPL) [97]. RPL создает ориентированный на адресат направленный ациклический граф (DODAG), который содержит только один путь от каждого листового узла к корню. Весь трафик от узла будет перенаправлен в корень. Корень решает пересылку объекта объявления назначения (DAO) от узла, который должен обмениваться данными. Кроме того, он обрабатывает запросы DODAG Information Solicitation (DIS) узлов, которые хотят присоединиться к сети.Узлы RPL могут быть как без состояния, отслеживая только своих родителей, так и с сохранением состояния за счет отслеживания своих дочерних и родительских узлов.

4.2.2. RPL Enhancements

Были предложены различные модификации для улучшения производительности базового протокола RPL. P2P RPL [98] - это стандартизированный реактивный RPL точка-точка (P2P-RPL), который позволяет маршрутизатору IPv6 в LLN обнаруживать пути к одному или нескольким маршрутизаторам IPv6 в LLN по запросу. Enhanced-RPL - это усовершенствование протокола RPL, направленное на повышение его надежности.Динамический RPL (D-RPL) [99] используется для динамических приложений IoT. D-RPL улучшает энергоэффективность сети и сквозную задержку и, что более важно, лучше адаптируется к изменениям мобильности, чем соответствующие протоколы на основе RPL. mRPL [99] - это мобильная версия RPL, ориентированная на управление мобильностью в средах IoT. Однако он игнорирует другие показатели, что приводит к ненужным передачам обслуживания, а иногда и к установлению ненадежных соединений. Кроме того, была предложена версия mRPL «Smarter-HOP» для оптимизации мобильности в RPL, обозначенная как mRPL ++.

4.2.3. CORPL

CORPL [100] - нестандартное расширение RPL, созданное для когнитивных сетей и использующее генерацию топологии DODAG. CORPL использует гибкую передачу данных для пересылки пакета, выбирая несколько серверов пересылки (набор серверов пересылки). Он координирует их, чтобы выбрать оптимальный следующий переход для ретрансляции пакетов. DODAG разработан аналогично RPL. Каждый узел сохраняет набор пересылки, а не только его родительский узел, и информирует своего соседа об изменениях с помощью сообщений информационного объекта DAG (DIO).Согласно актуальной информации, каждый узел динамически обновляет приоритеты своих соседей, чтобы создать набор серверов пересылки.

4.2.4. CARP

Channel-Aware Routing Protocol [101] - это нестандартный протокол распределенной маршрутизации, используемый в подводных беспроводных сенсорных сетях (UWSN). Его преимущества включают доставку пакетов в разумные сроки с низким энергопотреблением. Кроме того, он может поддерживать информацию о качестве связи, которая рассчитывается на основе прошлых успешных передач данных.История собирается со смежных датчиков, чтобы выбрать узлы пересылки. Основным недостатком CARP является то, что он не позволяет повторно использовать ранее собранные данные. Усиление CARP обозначается как E-CARP [102]. E-CARP позволяет узлу-приемнику сохранять ранее полученные данные датчиков. Следовательно, E-CARP резко снижает накладные расходы на связь.

4.2.5. AODV, LOADng и AODVv2

Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) [94] классифицируется как протокол реактивной маршрутизации по шагам, определенный в 2003 году IETF.Он использует цикл запроса маршрута (RREQ-), ответа маршрута (RREP-), который инициируется каждый раз, когда пакет необходимо передать в неизвестное место назначения. Двумя преемниками AODV являются: (а) облегченный протокол прямой векторной маршрутизации по запросу следующего поколения (LOADng) и (б) AODVv2. В отличие от AODV, который просто использует количество переходов в качестве метрики маршрутизации, два его последователя принимают различные метрики, возможно, позволяя использовать метрику с учетом энергии. Существуют также некоторые другие протоколы маршрутизации, которые упрощают AODV для уменьшения занимаемой площади и хорошо подходят для динамической сетевой среды с ограниченными ресурсами.Это AODVbis, AODVjr, LOAD (ng), LoWPAN-AODV, NST-AODV и TinyAODV.

5. Открытые сетевые вызовы

Принимая во внимание размер рынка Интернета вещей во всем мире, огромное производство устройств, инвестиции в технологии Интернета вещей, огромный интерес к Интернету вещей со стороны академических кругов и потенциальную отдачу от инвестиций в бизнес Интернета вещей, перспективы Интернета вещей Ожидается, что технология будет очень яркой и высокоразвитой [13]. Однако из-за огромного масштаба инфраструктуры Интернета вещей с огромным количеством задействованных устройств проблемы безопасности также значительно возрастут.Обеспечение безопасности необходимо для обезвреживания злоумышленников, угрожающих IoT, и, как упоминалось при сравнении протоколов в предыдущем разделе, оно еще не выполнено эффективно. Проблемы безопасности, связанные с IoT, по-прежнему будут составлять одно из основных направлений исследований [13]. В таблице 5 представлена ​​сводка открытых сетевых проблем в области Интернета вещей.


Открытые сетевые задачи Функции

Безопасность (ii) Конфиденциальность 9049 (i) Конфиденциальность данных ) Аутентификация
(iv) Надежные платформы
(v) Контроль доступа
(vi) Шифрование

Взаимодействие (i) Необходимость стандартизации
(ii) Разработка предопределенных спецификаций компонентов
( iii) Требуется межуровневая совместимость
(iv) Простая интеграция с существующим Интернетом
(v) 1Pv6-адресация впереди

Идентификация (i) Создание эффективной системы именования и управления идентификацией

Масштабируемость (i) Создание протокол управления масштабируемостью для поддержки большего количества интеллектуальных объектов

Большие данные (i) Производительность прямо пропорциональна свойствам службы управления данными
(ii) Следует использовать функцию целостности данных во внимание

Мобильность (i) VANET и MANET не должны иметь ограничений по энергии и обработке
(ii) Требуется обнаружение движения

Energy Management ) Еще не удовлетворяет
(ii) Потребность в экологически чистых технологиях для энергоэффективных устройств

Помимо обеспечения безопасности, еще одной важной проблемой, связанной с развитием Интернета вещей, является совместимость сетевых протоколов.Ведущие компании по всему миру производят интеллектуальные устройства с учетом полной функциональной совместимости. Эти возможности имеют первостепенное значение, поскольку они обеспечат легкую интеграцию с существующим Интернетом [103]. Протокол Интернета вещей, разработанный с множеством расширенных функций, увеличивает стоимость и снижает простоту использования. Создание привлекательного протокола - нетривиальная задача, и обычно это компромисс между производительностью системы и стоимостью. IPv6 приближает функциональные возможности IoT на один шаг к желаемой совместимости, предлагая полезные и применимые сетевые технологии.

Интернет вещей соединит множество объектов для предоставления инновационных услуг. Таким образом, требуется эффективная система именования и управления идентификацией, которая координирует уникальные идентификационные данные для большого количества объектов. Один из способов создания такой системы - использование RFID для физической маркировки одного объекта. Другой способ - разрешить одному объекту собственное описание, чтобы он мог напрямую передавать свою идентичность и связанные свойства.

Это большое количество смарт-объектов также приводит к необходимости в улучшенных протоколах управления масштабируемостью.Как упоминалось в [59], существующие протоколы управления не могут быть достаточно эффективно расширены для удовлетворения требований устройств IoT из-за их ограниченных возможностей.

Кроме того, данные IoT характеризуются неоднородностью, что означает, что они генерируются в больших объемах, они часто поступают в режиме реального времени, они изменчивы с точки зрения структуры и могут иметь неопределенное происхождение. Проблема обработки больших данных является критической, потому что общая производительность прямо пропорциональна характеристикам службы управления данными [104].Этот вопрос становится еще более сложным, если принять во внимание функцию целостности данных, не только потому, что она влияет на качество обслуживания, но также и из-за проблем, связанных с конфиденциальностью и безопасностью, особенно в отношении данных, переданных на аутсорсинг [105].

Управление мобильностью - еще одна ключевая проблема парадигмы Интернета вещей. Существующие протоколы поддержки мобильности Mobile Ad Hoc NETworks (MANET), Автомобильные Ad Hoc NETworks (VANET) и сенсорные сети не могут эффективно работать с типичными устройствами IoT из-за жестких ограничений обработки и мощности.Обнаружение движения необходимо для отслеживания местоположения устройства и соответствующего реагирования на изменения топологии.

Более того, потребности в энергии в IoT все еще не удовлетворяются должным образом. Как было сказано ранее, некоторые протоколы маршрутизации поддерживают связь с низким энергопотреблением, но, как считается, они находятся на ранней стадии разработки. Следовательно, необходимо использовать зеленые технологии, чтобы сделать устройства IoT максимально энергоэффективными.

6. Обсуждение и тенденции

Этот документ посвящен сетевым протоколам IoT.Есть много уже существующих и развивающихся технологий, которые пытаются противостоять вызовам такого видения. Однако ни то, ни другое нельзя считать единственно подходящим, поскольку выбор зависит не только от типа приложения, но также от топологии сети и скорости передачи данных. Вот почему уже было предложено так много стандартов для соответствия всем видам физических уровней и различным соответствующим технологиям, как это было представлено в предыдущих разделах.

Более конкретно, IoT в основном включает сетевые протоколы с низким энергопотреблением, где IETF 6LoWPAN может быть адаптирован для подключения устройств к IP-сетям.Эти протоколы могут относиться к локальным, глобальным или персональным сетям, как показано в таксономии, предложенной в этом документе. Ожидается, что с появлением большого количества устройств в Интернет-пространстве IPv6 будет играть важную роль в обеспечении масштабируемости на сетевом уровне. IPv6 фактически является основным средством связи для будущего Интернета вещей. Согласно проекту IoT6, IPv6 подходит для IoT, а IoT - для IPv6.

Интернет вещей - это очень сложная концепция, которая еще не реализована и даже не принята в качестве полезной будущей технологии из-за критики и разногласий в отношении конфиденциальности, контроля и воздействия на экологическую устойчивость.Исследовательское сообщество должно ответить на эти вопросы и сформировать подходящую и безопасную среду для такого масштабного развития. Текущие тенденции сосредоточены на вопросах безопасности и конфиденциальности независимо от уровня архитектуры. Кроме того, для обеспечения взаимодействия между технологиями потребовалось несколько шагов.

Еще одна актуальная проблема связана с управлением данными и хранением огромных объемов данных, которые необходимо собрать. Интернет вещей набирает обороты благодаря технологиям беспроводных сенсорных сетей и использует все свои активы для решения возникающих проблем.Автономное управление и интеллект, поддерживаемые уникальной идентификацией с помощью электронного кода продукта, являются желаемой комбинацией.

Все сетевые механизмы и механизмы маршрутизации, упомянутые в документе, предлагаются для улучшения и модернизации. Каждый из них построен с учетом определенной квалификации и в настоящее время проходит оценку на соответствие требованиям Интернета вещей, как это представлено в таблицах протоколов. Например, протокол RPL был специально разработан для маршрутизации кадров IPv6 по маломощным сетям с потерями и идеально подходит для Интернета вещей.Тем не менее, разрабатываются различные типы реализации и альтернативы, чтобы покрыть его недостатки и быть более эффективными для различных типов приложений.

7. Выводы

Этот обзорный документ был сфокусирован на проведении подробного анализа, сравнения и обсуждения квалификации по различным технологиям, подходящим для сетевой платформы IoT. В предложенной таксономии была представлена ​​роль каждой технологии на основе архитектурной точки зрения Интернета вещей. В частности, основное внимание уделялось оценке и квалификации подходящих протоколов сетевой инкапсуляции и маршрутизации.Интернет вещей требует взаимодействия своих технологий. Это факт, что каждая сетевая технология, которая желает участвовать в этой вычислительной парадигме, должна получить обновления, такие как совместимость с IPv6, а также должна быть направлена ​​на снижение энергопотребления. Более важным требованием является необходимость встроенной безопасности. Каждая технология и протокол, представленные в этом документе, соответствуют некоторым основным требованиям для использования в IoT. Однако их характеристики различаются, поскольку каждый из них предназначен для определенных типов приложений и топологий.В ходе исследования, проведенного для формирования этой статьи, необходимость в безопасности и улучшенной системе управления данными стала совершенно очевидной. Тем не менее, предлагаемые модификации протокола в некоторых случаях помогают восполнить пробелы в производительности. IoT - это будущее, и необходимо создать прочную сетевую основу, улучшая и модернизируя применяемые подходящие технологии. Наши исследования могут послужить мотивацией для ученых и профессионалов к разработке новых и более эффективных сетевых протоколов, устранению существующих пробелов и устранению важных недостатков.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Влияние рабочего цикла ЕС и ограничений мощности передачи для SRD LPWAN в диапазоне частот ниже ГГц: обзор и будущие задачи | Журнал EURASIP по беспроводной связи и сети

Сложность закона о SRD в диапазоне частот ниже ГГц проистекает из того факта, что регулирование ЕС распространяется на ряд законов ЕС. В этом разделе представлен обзор этих законов и их последствий.

Б.1 Европейские правовые акты

Все правила ЕС по использованию и распределению радиочастотного спектра изложены в законодательстве ЕС. Обзор наиболее важных законов, касающихся радиочастотного спектра, можно найти на рис.12.

Рис. 12

Обзор наиболее важных законов ЕС, касающихся регулирования SRD и их взаимосвязи

B.1.1 Решение 676/2002 / EC (Решение о радиочастотном спектре)

Решение 676/2002 / EC по нормативная база для политики в области радиочастотного спектра в Европейском сообществе [33], также известная как Решение о радиочастотном спектре , является краеугольным камнем регулирования SRD в законодательстве ЕС.Решение имеет несколько важных последствий: (i) регулирование радиочастотного спектра должно происходить на уровне ЕС, а не на национальном уровне, (ii) полномочия могут быть выданы CEPT, как описано в Приложении: Раздел A.2.4, (iii) оно содержит правовую основу для создания RSC, (iv) все государства-члены должны опубликовать свою национальную таблицу радиочастот для общественности, и (v) она описывает политику государств-членов, участвующих в международных организациях, в отношении радиочастотного спектра, таких как ITU.

Б.1.2 Решение 2000/299 / EC

Согласно Решению 2000/299 / EC [98] радиооборудование может быть отнесено к 2 различным классам, которые просто называются класс 1 и класс 2 . Класс 1 включает в себя все радиооборудование, которое можно использовать на всей территории ЕС без каких-либо ограничений. Любое радиооборудование, на которое наложено ограничение государством-членом ЕС, относится к классу 2. Знак предупреждения был назначен в качестве идентификатора класса оборудования для класса 2, как показано на рис.13. Устройства класса 2 должны содержать таблицу на упаковке, включая знак, показанный на рис. 14, указывающий, какое государство-член наложило какие-либо ограничения на это устройство [99]. Добавление идентификатора класса оборудования больше не требуется законодательством ЕС.

Рис. 13

Идентификатор класса оборудования для радиооборудования класса 2 [98]

Рис. 14

Знак для радиооборудования с ограничениями в одном или нескольких государствах-членах [99]

Ориентировочный и неполный список радиооборудования для обоих классов оборудования общедоступен в Интернете по адресу [100].Список класса 1 содержит запись для каждой неспецифической, тревожной, социальной тревоги, беспроводной потоковой передачи, RFID и полосы частот широкополосных данных для SRD, упомянутых в таблице 1. В настоящее время нет записей для SRD в диапазоне от 863 до 870 МГц. в списке класса 2, что означает, что все SRD, использующие полосы частот, указанные в таблице 1, могут использоваться на всей территории ЕС без каких-либо ограничений.

B.1.3 Решение 2006/771 / EC

По мере увеличения количества SRD на внутреннем рынке стало очевидным, что необходима гармонизация для обеспечения совместимости между странами, предотвращения вредных помех и снижения производственных затрат.Поэтому Решение 2006/771 / EC [18] было разработано для юридической гармонизации полос частот для SRD на всей территории ЕС. Приложение к этому Решению содержит таблицу распределения частот для диапазона от 9 кГц до 246 ГГц. Эта таблица является единственной таблицей распределения частот с допустимым значением Footnote 4 , в отличие от таблиц в других документах, описанных в Приложении: Раздел B.2, в которых их нет. SRD, соответствующие указанным частотным диапазонам и их параметрам, классифицируются как устройства класса 1 и, таким образом, могут использоваться на всей территории ЕС.Все диапазоны частот из таблицы доступны во всех государствах-членах ЕС, как это предусмотрено Решением. Государства-члены могут ослабить ограничения или сделать доступными другие частотные диапазоны. Однако SRD, использующие эти ограничения или диапазоны частот, не могут работать на всей территории ЕС и, следовательно, классифицируются как устройства класса 2.

В таблице указаны следующие параметры для каждой полосы частот:

  • Категория SRD, которой назначена полоса

  • Максимальная мощность передачи, максимальная напряженность поля или максимальная плотность мощности

  • Дополнительные параметры, такие как рабочий цикл, распределение каналов, доступ или правила занятости

  • Дополнительные ограничения использования

Частотные диапазоны из таблицы распределения частот от 863 до 870 МГц показаны на рис.1 и Таблицы 1 и 3.

В этом Решении также признается маломощный характер SRD и определяется их положение по отношению к другим службам радиосвязи. Из-за своей природы устройствам SRD разрешается совместно использовать полосы частот с другими службами радиосвязи. SRD обязаны защитить себя от вмешательства таких служб и не создавать вредных помех этим службам. Службы радиосвязи имеют приоритет и, следовательно, не должны быть обязаны защищать себя от помех SRD.

Решение 2006/771 / EC является прямым результатом Решения о радиочастотном спектре, поскольку оно появилось в результате поручения CEPT [101]. Позже CEPT получил постоянный мандат на ежегодное обновление Решения [27].

B.1.4 Решение 2018/1538

Недавно дополнительные полосы частот были распределены SRD в соответствии с Решением 2018/1538 [32], как описано в разделе 3.7. Из-за использования полосы частот в диапазоне 874–876 МГц и 915–921 МГц государствами-членами ЕС для целей общественного порядка, безопасности и обороны необходим другой и более гибкий подход вместо добавления новых полос частот в Решение 2006 г. / 771 / EC.В конце концов, Решение о радиочастотном спектре гласит, что постановления ЕС не могут противоречить постановлениям государств-членов в отношении общественного порядка, безопасности и обороны. Целью этого решения является предотвращение дальнейшей фрагментации полос частот в этом диапазоне, обеспечивая при этом большую гибкость для государств-членов в отношении полос частот для целей общественного порядка, безопасности, обороны и железных дорог.

B.1.5 Решение 2007/344 / EC

Целью Решения 2007/344 / EC [102] является введение единой точки доступа с общим форматом и уровнем детализации для всей доступной информации о распределении радиочастотного спектра в ЕВРОПА.Эта единая точка доступа, названная ERO Frequency Information System (EFIS), общедоступна в Интернете [103] и содержит всю доступную информацию о радиочастотном спектре для каждого государства-члена ЕС и CEPT. Это удобный инструмент для производителей, исследователей и других заинтересованных пользователей для поиска или сравнения распределения радиочастотного спектра в разных странах-членах ЕС и CEPT. Хостинг EFIS находится в Европейском офисе связи (ECO), который поддерживает CEPT. Целью EFIS является не замена национальных баз данных NRA, а их дополнение.НРО по-прежнему поддерживают свои собственные базы данных с информацией о радиочастотном спектре, но должны отправлять обновления в EFIS два раза в год.

Решение является прямым следствием Решения о радиочастотном спектре, поскольку в нем упоминается, что все государства-члены должны публично публиковать свои таблицы распределения частот и всю другую доступную информацию об использовании радиочастотного спектра и поддерживать ее в актуальном состоянии. Затем EFIS был выбран после того, как ЕК поручил CEPT исследовать, действительно ли он подходит для выполнения этой задачи [104].

B.1.6 Решение 2002/622 / EC

Решение 2002/622 / EC [80] объявляет о создании RSPG в качестве консультативной группы для оказания помощи ЕС в вопросах политики в отношении радиочастотного спектра на уровне ЕС и на международном уровне. Решение определяет членов RSPG как одного эксперта от каждого государства-члена. Также разрешено приглашать наблюдателей, таких как CEPT и ETSI, и рекомендуется консультироваться с другими заинтересованными сторонами, такими как операторы рынка и потребители.

B.1.7 Директива 2014/53 / EU (RED)

Директива 2014/53 / EU [105], также известная как Директива по радиооборудованию (RED) , определяет основные требования, которым должно соответствовать радиооборудование, чтобы быть допущенным на рынок ЕС.Все радиооборудование в соответствии с Директивой может быть доступно и свободно перемещаться по всему рынку ЕС. Footnote 5 . Радиооборудование, которое считается соответствующим соответствующим гармонизированным стандартам, также считается соответствующим основным требованиям данной Директивы. Презумпция соответствия дает производителям большое преимущество: когда радиооборудование соответствует соответствующим гармонизированным стандартам, таким как EN 300 220, оно может продаваться на рынке ЕС.Соответствующие гармонизированные стандарты можно найти в OJEU [106].

Эти основные требования к радиооборудованию определены в 3 частях. Во-первых, радиооборудование должно быть безопасным в использовании и не должно представлять опасности для людей или животных. Далее, радиооборудование должно максимально эффективно использовать радиочастотный спектр и предотвращать вредные помехи. Наконец, радиооборудование должно соответствовать следующим требованиям в зависимости от класса или категории, к которой оно принадлежит: оно должно быть совместимо с другим радиооборудованием и аксессуарами (например,g., зарядные устройства), он не должен наносить вред своей сети или злоупотреблять сетевыми ресурсами, конфиденциальность пользователей должна соблюдаться, должны быть предусмотрены меры для предотвращения мошенничества, он должен обеспечивать доступ к службам экстренной помощи, он должен быть доступен для лиц с инвалидности, и только программное обеспечение, совместимое с радиооборудованием, может быть загружено на это оборудование.

Директива также определяет обязательства участвующих производителей, импортеров и дистрибьюторов. Footnote 6 . Производители несут ответственность за производимое радиооборудование, оценку его соответствия и разработку технической документации на оборудование.Если в результате оценки радиооборудование будет признано соответствующим требованиям, производитель составит декларацию соответствия ЕС и нанесет маркировку Conformité Européenne или европейского соответствия (CE), показанную на рис. 15. Помимо оценки, производители также подчиняются другим требованиям. обязательства. Эти обязательства, среди прочего: (i) радиооборудование должно быть пригодным для использования по крайней мере в 1 государстве-члене без нарушения правил. (ii) Государства-члены, налагающие ограничения на оборудование, также должны быть указаны на упаковке.(iii) Оборудование также должно иметь идентификацию оборудования (например, серийный номер) и контактные данные производителя и (iv) сопровождаться различными документами, включая (копию) декларации о соответствии, технической документации. , инструкции, описание компонентов или принадлежностей, информация о безопасности, а также информация об используемых диапазонах частот и максимальной мощности передачи. (v) Производители также обязаны хранить техническую документацию и декларацию соответствия в течение 10 лет.(vi) Производители должны сотрудничать с национальными властями и предоставлять все соответствующие документы по запросу для подтверждения соответствия оборудования. (vii) Изготовители несут ответственность за сохранение радиооборудования или производства радиооборудования оцениваемого типа, соответствующего требованиям в случае изменения технических характеристик оборудования или гармонизированных стандартов. Если радиооборудование больше не соответствует этой директиве, оно должно быть исследовано и проверено производителем.Кроме того, необходимо проинформировать дистрибьюторов и вести реестр жалоб. При необходимости производители должны принять корректирующие меры или удалить оборудование с рынка ЕС. Если несоблюдение представляет риск, национальные органы также должны быть уведомлены. Импортеры и дистрибьюторы связаны теми же требованиями, что и производители. Импортерам разрешается ввозить только радиооборудование с положительной оценкой. Импортеры и дистрибьюторы несут ответственность за то, чтобы оборудование соответствовало требованиям, производитель (и импортер) выполнил свои обязательства, наличие всех необходимых дополнений и документов от производителя, а также соответствие оборудования требованиям во время хранения или транспортировки.Импортированное радиооборудование также должно быть указано с контактными данными импортера. Импортеры также должны хранить декларацию соответствия и технические характеристики в течение 10 лет. Точно так же, как производители, импортеры и дистрибьюторы обязаны отслеживать несовместимое радиооборудование, при необходимости принимать корректирующие меры, информировать вовлеченных дистрибьюторов и сотрудничать с национальными властями. Производители, импортеры и дистрибьюторы должны в течение 10 лет отслеживать, кто их поставил и кто поставил радиооборудование.

Рис. 15

Маркировка CE. Эта маркировка заявляет, что радиооборудование соответствует нормам ЕС и, следовательно, может свободно распространяться и использоваться на всем рынке ЕС.

Процедуры оценки соответствия могут выполняться либо самим производителем, либо органом по оценке соответствия. Когда гармонизированные стандарты не используются или используются только частично, соответствие определенным требованиям может быть оценено только через орган по оценке соответствия. В приложениях к Директиве описаны 4 типа процедур оценки соответствия.В случае отрицательной оценки органом оценки, орган оценки может попросить предпринять корректирующие действия. Если этого недостаточно, оценочный орган может отказать в одобрении или отозвать его. В случае оспаривания оценки доступна процедура апелляции. Техническая документация должна содержать достаточно информации и подробностей, чтобы проверить, соответствует ли оборудование данной Директиве и требованиям. Если техническая документация не соответствует требованиям, производителей или импортеров могут попросить провести тестирование оборудования на соответствие требованиям внешней стороной за свой счет.Органы по оценке соответствия также могут быть уведомлены органами надзора за рынком в случае несоответствия или риска и имеют право ограничивать продажу оборудования на рынке ЕС. Директива также определяет правила для органов по оценке соответствия и национального органа по аккредитации каждого государства-члена для оценки и мониторинга этих органов по оценке соответствия. Эти правила включают в себя, что все органы должны быть объективными, свободными от конфликта интересов, иметь достаточные средства и квалифицированный персонал, быть в курсе последних событий, обмениваться информацией и уважать конфиденциальность.Все органы по оценке соответствия публично перечислены ЕС [107].

B.1.8 Регламент 1025/2012

Регламент 1025/2012 [86] устанавливает правила, касающиеся организаций и процедур по стандартизации в ЕС, и назначает ETSI в качестве одной из 3 европейских организаций по стандартизации. Регламент также определяет право ЕС направлять запросы в европейские организации по стандартизации для разработки проектов стандартов по гармонизации. Гармонизированные стандарты должны разрабатываться с учетом потребностей рынка и общественных интересов и основываться на консенсусе.Разработка стандартов должна происходить прозрачно и вовлекать все заинтересованные стороны на различных этапах разработки. Сюда входят исследовательские центры, университеты, предприятия, организации потребителей, экологические и социальные организации, государственные органы и органы по надзору за рынком. Проекты стандартов и другие документы должны быть распространены среди других европейских и национальных организаций по стандартизации, чтобы другие организации по стандартизации могли прокомментировать проект или результат.Когда гармонизированный стандарт будет принят, он будет опубликован в OJEU Европейской комиссией. Национальным организациям по стандартизации не разрешается вводить стандарты, препятствующие гармонизации ЕС, и они должны отменить национальные стандарты, если они противоречат новым гармонизированным стандартам. Однако государствам-членам разрешено возражать против гармонизированного стандарта, что может привести к добавлению ограничений к стандарту или его отмене.

Организации по стандартизации должны работать прозрачно в соответствии с Регламентом.Например, все европейские и национальные организации по стандартизации должны публично публиковать свою годовую рабочую программу. Эта программа определяет, среди прочего, стандарты или другие результаты, над которыми будет работать в течение этого года или которые были приняты в предыдущей рабочей программе.

B.2 Рекомендации и стандарты

Рядом с официальным законом ЕС часто упоминаются еще несколько документов, касающихся распределения радиочастотного спектра. В этом разделе более подробно рассматриваются эти документы, их значение и юрисдикция.

B.2.1 ERC 70 03

В 1997 году CEPT выпустил рекомендацию по распределению радиоспектра для SRD. В этом документе, называемом Рекомендация ERC 70-03 [19], содержится мнение CEPT / ECC о том, как следует распределять радиочастотный спектр. Рекомендация сама по себе имеет довольно мало полномочий для навязывания или принудительного внедрения согласованных полос частот и их ограничений, поскольку члены CEPT могут свободно выбирать, внедрять или не внедрять результаты CEPT или ECC [108].Рекомендация также является просто рекомендацией, которая подразумевает, что внедрение поощряется, но полностью добровольно. Гармонизированные частоты в Рекомендации раньше определялись в решениях ECC, но были отменены в 2008 году, поскольку устарели в соответствии с гармонизированными стандартами ЕС [109]. Рекомендация обновлена ​​и синхронизирована с таблицами распределения частот в Решении 2006/771 / EC и EN 300 220 и, таким образом, соответствует законодательству ЕС. Эта синхронизация сделана намеренно, потому что многие члены CEPT также являются государствами-членами ЕС, которые обязаны соблюдать законы ЕС.Члены поощряются, но не обязаны соблюдать более обширные ограничения Рекомендации, пока они остаются в рамках законодательства ЕС. Хотя эта рекомендация имеет лишь незначительное юридическое влияние, она цитируется во многих статьях и онлайн-источниках. Это демонстрирует истинную мощь Рекомендации, а именно предоставление разрозненной информации о распределении радиочастотного спектра в едином четком и общедоступном документе.

Рекомендация также содержит 14 приложений и 5 приложений.Хотя сама рекомендация выражает необходимость согласования и предотвращения вредных помех на высоком уровне, наиболее актуальная и полезная информация фактически содержится в приложениях и дополнениях, составляющих основную часть рекомендации. Каждое приложение содержит таблицу распределения частот, определяющую полосы частот для SRD, принадлежащих к определенному типу приложения. Полосы частот в Рекомендации в основном соответствуют полосам частот, указанным в Решении 2006/771 / EC, с некоторыми незначительными изменениями, которые в основном являются более ограничительными.Только следующие приложения содержат полосы частот в диапазоне от 863 до 870 МГц:

  • Приложение 1: Неспецифические SRD . Это приложение содержит все полосы частот Решения 2006/771 / EC для неспецифических SRD, за исключением 47b (865 МГц) , который определен в Приложении 2. Основное отличие от Решения 2006/771 / EC заключается в том, что разделение неспецифических полос частот для 863–870 МГц на (i) FHSS, (ii) расширенный спектр прямой последовательности (DSSS) или другой широкополосный метод и (iii) нерасширенный диапазон спектра.Полосы FHSS и нерасширенного спектра также определяют определенные условия полосы пропускания, отсутствующие в Решении 2006/771 / EC. DSSS или другие широкополосные методы имеют предел плотности мощности, хотя в Решении 2006/771 / EC таких ограничений нет. Рабочий цикл в полосе частот для DSSS или других широкополосных технологий может быть увеличен до 1%, если выполняются определенные условия, касающиеся ширины полосы и мощности, но это не относится к полосам FHSS и нерасширенному спектру. Еще одно заметное отличие состоит в том, что ограничения, указанные в таблице 3, обобщены в разделе «Ограничение» на все неспецифические полосы частот в диапазонах 863–869.Диапазон 2 МГц. Это общее ограничение допускает только цифровое аудио и видео с максимальной полосой пропускания 300 кГц, а также аналоговые и цифровые голосовые приложения с максимальной полосой пропускания 25 кГц. Это отличается от Решения 2006/771 / EC, где полосы частот для неспецифических SRD часто исключают аналоговые аудио- или видеоприложения без исключений, основанных на полосе пропускания, и не имеют условий полосы пропускания для аудио- и видеоприложений, использующих цифровую модуляцию. Дополнительно, 56b (869,7 МГц) более строго ограничен, чем в Решении 2006/771 / EC, поскольку только голос разрешен при определенных условиях, таких как максимальная полоса пропускания 25 кГц, вежливый доступ к спектру и максимальное время передачи 1 мин. коробка передач.

  • Приложение 2: Отслеживание, отслеживание и сбор данных . Это приложение содержит полосу 47b (865 МГц) из Решения 2006/771 / EC без изменений.

  • Приложение 3: Системы широкополосной передачи данных . Это приложение содержит полосу широкополосной передачи данных 84 (863 МГц) из Решения 2006/771 / EC без изменений.

  • Приложение 7: Сигнализация . Это приложение содержит все диапазоны низкого рабочего цикла / высокой надежности 51 (869,2 МГц) , 52 (869,25 МГц) , 53 (869,3 МГц) и 55 (869,65 МГц) из решения 2006/771 / ЭК без доработок.

  • Приложение 10: Приложения радиомикрофона, включая вспомогательные устройства прослушивания (ALD), беспроводное аудио и системы потоковой передачи мультимедиа .Это приложение содержит полосу 46b (863 МГц) с высоким коэффициентом заполнения / непрерывной передачи из решения 2006/771 / EC без изменений.

  • Приложение 11: RFID . Приложение RFID содержит полосу частот, эквивалентную полосе 47a (865 МГц) из Решения 2006/771 / EC, с добавлением максимального времени непрерывного запроса 4 с и мертвого времени 100 мс между передачами запроса в том же самом канал.Он также содержит полосы частот, соответствующие полосам частот в отмененном Решении 2006/804 / EC, которые все еще разрешены для устройств опроса RFID, сделанных до отмены.

За приложениями следуют приложения, наиболее интересными из которых являются приложения 1 (, национальная реализация, ), 3 (, национальные ограничения, ) и 5 ​​(, категории рабочего цикла ). В Приложении 1 ( Национальная реализация ) представлена ​​матрица со всеми полосами частот в виде строк и всеми членами CEPT в виде столбцов.В приложении дается обзор того, какие члены CEPT внедрили, какие полосы частот полностью, частично или совсем не реализованы. В Приложении 3 ( Национальные ограничения ) перечислены для каждой полосы частот все члены CEPT, которые только частично или не реализовали полосу частот, вместе с описанием ограничения и его причиной. Последнее приложение, приложение 5 (категории рабочего цикла ), содержит единственную рекомендацию во всей документации ЕС, CEPT и ETSI относительно регулирования радиочастотного спектра для максимально допустимого времени непрерывной передачи для SRD, не использующих LBT и AFA.Обзор можно увидеть в Таблице 10. Например, рекомендуется, чтобы передачи в низкой категории имели продолжительность меньше или равную 3,6 с. Поскольку рабочий цикл в 1% позволяет передавать только 36 с в течение 1 часа, можно отправить только 10 непрерывных сообщений продолжительностью 3,6 с.

Таблица 10 Категории рабочего цикла, определенные в Рекомендации ERC 70-03 [19]
B.2.2 EN 300 220

В результате запроса ЕС ETSI разработал согласованный стандарт под названием EN 300 220 для устройств SRD в диапазон от 25 до 1000 МГц [110].Стандарт состоит из 4 частей от EN 300 220-1 до EN 300 220-4. EN 300 220-1 [21] содержит в основном технические спецификации и процедуры проверки соответствия стандарту. Часть 2 [111] является действующим гармонизированным стандартом для неспецифических SRD. Часть 3 разделена на 2 части, обе из которых являются гармонизированными стандартами для диапазонов частот аварийной сигнализации с низким коэффициентом заполнения / высокой надежности: 3-1 [112] обрабатывает диапазон социальных аварийных сигналов, а 3-2 [113] - другие диапазоны аварийных сигналов. Наконец, часть 4 [114] содержит гармонизированный стандарт для приборов учета, работающих в 169.Диапазон частот от 4 до 169,475 МГц.

Стандарт EN 300 220 направлен на выполнение основных требований, описанных в RED. Эта связь между стандартом и RED является истинным преимуществом EN 300 220. Это ценный актив для производителей, поскольку реализация стандарта EN 300 220 в их SRD и решениях - простой способ соответствовать нормам ЕС. Внедрение стандарта EN 300 220 не является обязательным для выполнения основных требований, но в противном случае его соответствие должно быть подтверждено и протестировано.Каждый из стандартов EN 300 220-3-2 - EN 300 220-4 охватывает основные требования для данного типа SRD (неспецифических или (социальных) аварийных сигналов), основанных на технических характеристиках, описанных в EN 300 220-1. В Приложении А к каждому документу описывается взаимосвязь между стандартом и основными требованиями RED.

Наиболее интересным разделом в стандарте EN 300 220-1 [21] является Раздел 5.21 ( вежливый доступ к спектру, ), поскольку это единственное появление специальных правил для устройств, использующих LBT и AFA.Все временные параметры и альтернативный коэффициент заполнения, определенные в разделе 3.2 и на рисунке 3, взяты из этого раздела. Он также определяет другие параметры, такие как порог CCA: только когда не принимаются никакие сигналы с уровнем сигнала выше порогового значения во время проверки CCA, среда считается свободной и доступной для передачи. Пороговое значение классифицируется по мощности передачи, как показано в таблице 11, и зависит от чувствительности приемника S p , которая может быть вычислена с использованием полосы пропускания приемника R b (9) .К сожалению, не все параметры четко определены. Одним из примеров являются границы интервалов 200 кГц для альтернативного рабочего цикла. Другой - максимальное время непрерывной передачи, которое может составлять от 1 до 4 с в зависимости от приложения. Обычные передачи имеют максимальную продолжительность только 1 с, в то время как предел в 4 с зарезервирован для последовательностей опроса и диалогов передачи. Однако в настоящее время нет точного определения, когда передача может быть классифицирована как последовательность опроса или диалог передачи.Точно так же нет списка конкретных алгоритмов для LBT или AFA, принятых стандартом: LBT просто определяется как проверка CCA, за которой следует случайный период отсрочки передачи или изменение частоты, и AFA может быть реализован различными способами, но должен старайтесь избегать каналов, занятых другими устройствами.

$$ S_ {p} = 10 \ log (R_ {b}) \ - \ 117 $$

(9)

Таблица 11 Пороговое значение CCA, определенное в EN 300 220-1 [21] на основе усиления антенны 0 дБ относительно диполя

Части от EN 300 220-2 до EN 300 220-4 являются фактическими гармонизированными стандартами и почти исключительно обратитесь к EN 300 220-1 за описаниями, ограничениями и процедурами соответствия.Стандартные распределения частот можно найти в основном в их приложениях:

  • EN 300 220-2, приложение B содержит нормативные ограничения для неспецифических SRD на рынке ЕС, отнесенных к категории устройств класса 1, в виде таблицы распределения частот. Он согласован с Решением 2006/771 / EC. Полосы частот в приложении указаны на момент написания, которое еще не обновлено до текущей версии Решения 2006/771 / EC, а это означает, что, например, 47b (865 МГц) еще не добавлен.Кроме того, полосы частот, относящиеся к RFID и приложениям широкополосной передачи данных, не включены в EN 300 220. Даже без различий, связанных с обновленным законодательством, есть некоторые различия между EN 300 220-1 и Решением 2006/771 / EC, похожие на различия между ERC. Рекомендация 70-03 и Решение 2006/771 / EC. Например, в стандарте EN 300 220-2 не упоминаются ограничения на использование аудио и видео во всем диапазоне от 863 до 869,65 МГц, в отличие от исключений аналогового аудио и / или видео, упомянутых в Решении 2006/771 / EC.Также нет ограничений для аналогового видео в 54 (869,4 МГц) или любого упоминания о разрешении для голосовых приложений в 56a (869,7 МГц) , как в Решении 2006/771 / EC. Кроме того, EN 300 220-2 является более строгим для 46a (863 МГц) , поскольку он ограничивает полосу пропускания для аудио и видео до 300 кГц, в то время как такое ограничение не применяется Решением 2006/771 / EC.

  • EN 300 220-2, приложение C также содержит таблицу распределения частот, но для полос частот, не согласованных в ЕС или для стран, не входящих в ЕС.Полосы частот здесь в основном соответствуют эквивалентным полосам частот, упомянутым в Приложении 1 к Рекомендации 70-03 ERC. Разница в том, что в Рекомендации 70-03 ERC полосы частот описаны с примечаниями, а в стандарте EN 300 220-2 они подробно описаны в таблице спектра. Незначительные отличия, например, заключаются в замене ограничений полосы пропускания аудио / видео частотных диапазонов FHSS на максимально допустимую занимаемую полосу пропускания, основанную на количестве каналов, и определение широкополосной полосы как минимальной занимаемой полосы частот 200 кГц в EN 300 220-2.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *