Fremtiden måles på nett

Vi kan få en kakofoni av radiosignaler når alt fra kaffetraktere til t-skjorter kobles trådløst til internett. Norske forskere er med og legger grunnlaget for harmoni og effektivitet.

Publisert
Trådløse sensornettverk er den store måleteknologien for fremtiden. (Foto: Shutterstock)
Trådløse sensornettverk er den store måleteknologien for fremtiden. (Foto: Shutterstock)

VERDIKT

Forskningsrådets program Kjernekompetanse og verdiskaping i IKT (VERDIKT) fremmer forskning og utvikling av IKT-løsninger som kan møte utfordringer knyttet til bl.a. klima og miljø, energibehov, verdiskaping, eldrebølge, helse og velferd.

FAKTA

Prosjektet CROPS 2 - eller Cross-Layer Optimisation of Short-Range Wireless Sensor Networks, Part 2 - har hatt midler fra Forskningsrådets VERDIKT-program. Det har også vært del av et større nordisk prosjekt på trådløse sensornettverk under programmet NORDITE, med Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Sverige og Aalto i Finland som akademiske partnere.

En av de store visjonene for fremtidens informasjonssamfunn har fått navnet Tingenes internett.

Bare fantasien, og kanskje noen personvernhensyn, setter grenser for hva som kan bli utrustet med sensorer, logikk og prosessorer – og kobles til nettet.

Sensorer er elektroniske dingser som kan måle nesten hva som helst – fra konsentrasjonen av stoffer og forurensning i naturen, til strømforbruk, blodtrykk, temperatur eller lyd.

Trådløse sensornettverk er en samling av sensorer som kan kommunisere med hverandre via radio. De kan i prinsippet plasseres ut hvor som helst, og sende måledata via nettet.

Mange muligheter

Slike nettverk finnes det mange av allerede. I Sveits har man testet hvor gode de er til å oppdage snøras. Sensorer i fjellsida sender signaler til en sentral, hvor målingene samles og gjør det mulig å overvåke bevegelser i snømengdene.

Olje- og gassinstallasjoner er i dag fulle av data- og sensorsystemer, og enkelte fjernstyres fra land. Det krever store mengder sensorer for å overvåke alt som foregår.

På eksperimentstadiet finnes det nettverk av slike sensorer koblet til kroppen, som kan måle ulike kroppsfunksjoner, blodtrykk, blodsukker eller kroppstemperatur. Informasjonen kan sendes til legen eller pårørende, og brukes til overvåkning eller diagnostisering.

– Her er det snakk om utrolig mange bruksområder, sier Geir Øien, dekan ved Fakultet for informasjonsteknologi, matematikk og elektroteknikk ved NTNU.

Han har ledet et nylig avsluttet forskningsprosjekt for mer effektive trådløse sensornettverk.

Levetid og effektivitet

Analytikere spår en voldsom vekst for industriene som lager teknologien for Tingenes internett, og Norge dominerer faktisk markedet for noen av de viktigste hardware-komponentene.

Dingsene i tingenes internett kan ikke alle kobles til strøm- og datanettet, så de må være batteridrevne og ha radioforbindelse. Dermed blir kunnskap om lavt energiforbruk gull verdt. Flere norske selskaper har spesialisert seg på dette.

For NTNU-forskerne som har jobbet for å bedre trådløse sensornettverk, har nettenes levetid og effektforbruk vært en viktig faktor. Mange slike nettverk plasseres på steder hvor det er vanskelig å komme til for å skifte ut batterier.

Forskerne har også hatt fokus på bedring av måten nettverket kommuniserer på, blant annet så det ikke skal ta for lang tid å sende dataene. De har undersøkt hvordan sensorene kan kommunisere og samarbeide på best mulig måte for å få fram dataene fra målingene effektivt.

– Vi har ikke bygd sensorer og nettverk selv, men drevet grunnleggende teoretisk forskning. Det vil si matematisk optimalisering, modellering og simulering, for å belyse generelle prinsipper.

– Målet er at de teoretiske modellene skal være nøyaktige nok til at resultatene og den matematiske analysen skal være relevante også for virkelighetens systemer, sier Øien.

Enklere og bedre

Geir Øien er dekan ved Fakultet for informasjonsteknologi, matematikk og elektroteknikk ved NTNU. (Foto: NTNU)
Geir Øien er dekan ved Fakultet for informasjonsteknologi, matematikk og elektroteknikk ved NTNU. (Foto: NTNU)

Han forteller at forskerne har foreslått flere metoder som i ytelse overgår litteraturens eksisterende metoder i tilsvarende scenarioer, og med tilsvarende systemmodeller, men med lavere kompleksitet.

– Vi har foreslått algoritmer og metoder som kan gi samme resultater som mer kompliserte metoder, og vi har beskrevet nye scenarioer og modeller som er relevante for fremtidens nettverk, og som kan forbedre ytelsen til slike nett, sier Øien.

For eksempel foreslår forskerne nye metoder for å rute data gjennom et nettverk med mange noder.

– Her er det mange interessante forskningsspørsmål, sier Øien.

Når et trådløst sensornettverk plasseres ut, er det også andre ting å ta hensyn til. For eksempel må eksisterende radionettverk med i beregningen. Det kan være lokale wifi-nettverk eller mobilnettverk, som kanskje til og med sender i samme frekvensområde.

– Da får du interferens – altså radiosignaler som forstyrrer hverandre. Vi har sett på modellering av interferens, og hvordan nettverk kan eksistere sammen med andre nettverk uten for mye forstyrrelse, forklarer han.

Fullt radiospektrum

Tilgjengelig radiospektrum er i ferd med å bli fullt. Kringkasterne tar opp plass med tv- og radiosendinger, og telefonselskapene skal ha sin del til mobilnettene.

– Etter hvert må man la flere systemer sameksistere. Man må i større grad legge dem oppå hverandre i samme frekvensområde.

– Dette kalles dynamisk spektrumdeling. Vi har sett på metoder for å øke kapasiteten ved å gjøre det med en pålitelighet og kvalitet som er akseptabel, sier Øien.

Her må som regel sensornettverkene spille andrefiolin, og for eksempel sende med såpass lav effekt at de ikke forstyrrer de andre nettverkene.

NTNU-forskerne har også undersøkt hvordan sensornettverk kan brukes til å finne ut om det er mulig å operere med et nettverk i et bestemt område eller ikke, ved hjelp av sensorer som måler spektrumbruken.

– Dette kan brukes til å hjelpe et tredje nettverk igjen. Slike sensornettverk kan altså både brukes i seg selv, og som hjelpemiddel for å få andre nettverk til å sameksistere, forklarer Øien.

Forskerne har fokusert på fundamentale ting innen kommunikasjonsteori, informasjonsteori og signalbehandling, med konsekvenser for kapasitet, levetid, forsinkelse og energiforbruk.

– Trenden går mot at trådløse nettverk blir mer og mer autonome og kan tilpasse seg omgivelsene og hverandre.

– De kan justere effektnivå, hvilke veier data skal sendes i nettverket, hvilken beskyttelsesmetode eller koding som skal brukes på dataene, og de kan sende med lavere informasjonstakt for at dataene skal komme uskadet frem, sier Øien.

Dette er grunnleggende teknisk forskning som bidrar til langsiktig utvikling av fagfeltet – den er altså ikke rettet inn mot kortsiktig produktutvikling.

– Vi har hatt med industripartnere som har utgjort en styringsgruppe for prosjektet, og de har bekreftet at de ønsker at universitetene konsentrerer seg om de langsiktige fremtidsutsiktene. Vi har også utdannet doktorgradsstudenter som vil gå ut i industrien og ta med seg kunnskapen fra prosjektet, sier Øien.