Диссертация (1137248)
Текст из файла
ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»На правах рукописиЕфремов Сергей ГеннадьевичМоделирование времени жизни динамическиреконфигурируемых сенсорных сетей смобильным стоком05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексыпрограммДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительк. т. н., доц.Восков Леонид СергеевичМосква – 2013СодержаниеВведение . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1.4Проблема увеличения времени жизни беспроводныхсенсорных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1. Понятие беспроводной сенсорной сети . . . . . . . . . . . . . . . 111.2. Понятие времени жизни сети .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.3. Методы увеличения времени жизни БСС . . . . . . . . . . . . . 231.4. Реконфигурируемые БСС с мобильным стоком . . . . . . . . . 271.5. Выводы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Глава 2.Математическая модель реконфигурируемых БСС . 372.1. Введение . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.2. Модель реконфигурируемой сенсорной сети . . . . . . . . . . . 372.3. Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС . 412.4. Показатели времени жизни сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.5. Оценка времени жизни динамически реконфигурируемых сетей 592.6. Выводы к главе 2 . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Глава 3.Метод динамической реконфигурации сенсорной сетис мобильным стоком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.2.
Общая задача планирования движения стока . . . . . . . . . . 663.3. Метод решения задачи планирования движения стока . . . . . 723.4. Эвристические алгоритмы динамического управления движением стока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.5. Выводы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812Глава 4.Моделирование БСС с мобильным стоком . .
. . . . . 834.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.2. Исследование возможности проведения натурного эксперимента 834.3. Имитационное моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.4. Выводы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 113Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Приложение А.Акты внедрения результатов диссертационнойработы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 129Приложение Б.Примеры расчета потребляемой мощности ивремени жизни устройств БСС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Приложение В.Аппаратная платформа для беспроводных сенсорных сетей . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 135В.1. Принципиальная схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135В.2. Внешний вид макета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136В.3. Характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136В.4. Патент на полезную модель . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 138Приложение Г.Комплекс программ для моделирования динамически реконфигурируемых БСС . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Г.1. Решение задач линейной оптимизации с помощью lp_solve . . . 139Г.2. Интерфейс программы . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 1433ВведениеАктуальность работыПоследние достижения технологического прогресса сделали возможнымсоздание недорогих миниатюрных вычислителей с чрезвычайно малым энергопотреблением, способных объединяться в сеть и взаимодействовать другс другом посредством беспроводных каналов связи. Сети таких устройствполучили название беспроводных сенсорных сетей (БСС), что, в частности,подчеркивает их основное назначение – сбор данных с датчиков (сенсоров)для последующего накопления, анализа и выдачи управляющих команд.Актуальными направлениями в области БСС являются создание новыхаппаратных платформ, разработка стеков сетевых протоколов и специализированных операционных систем, разработка алгоритмов доступа к среде имаршрутизации для сложных сетевых топологий, имеющих целью повышение энергоэффективности БСС, что позволяет увеличить время жизни (автономной работы) БСС.Проводимые в диссертационной работе исследования находятся на стыке двух приоритетных направлений развития науки, технологий и техникив Российской Федерации: “Информационно-телекоммуникационные системы”и “Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика”.
Повышением эффективности сенсорных сетей активно занимаются ведущие российские организации, среди которых Институт радиотехники и электроники им.В.А. Котельникова РАН, Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН, Нижегородский государственный университет,Московский авиационный институт, а также международные - Калифорнийский Университет в Беркли, Массачусетский Технологический Университет(США) и многие другие.Одной из проблем, препятствующих повышению энергоэффективности4БСС, является проблема неравномерного потребления энергии узлами сети,заключающаяся в том, что сеть становится неработоспособной в тот момент,когда энергия заканчивается у нескольких узлов, в то время как большинствоостальных имеют значительный запас энергии.Существует ряд методов, направленных на решение данной проблемы.
Кним относятся индивидуальный подбор емкости батарей, плотности размещения узлов, мощности передатчиков, применение энергоэффективных протоколов маршрутизации, позиционирование узлов сети. Относительно недавнобыл предложен новый класс перспективных методов, использующих в качестве ресурса для энергетической балансировки мобильность узлов сети,предусматривающую динамическое изменение конфигурации (топологии) сети.Серьезным препятствием проведения дальнейших исследований является отсутствие математических моделей динамически реконфигурируемой сенсорной сети.
В связи с этим задача исследования и разработки комплексноймодели, позволяющей, во-первых, оценивать время жизни автономных сетей,конфигурации которых меняются с течением времени, и во-вторых, оптимизировать их работу по критерию максимизации времени жизни, является актуальной.Цель диссертационной работы состоит в разработке математической модели и метода динамической реконфигурации беспроводной сенсорной сети для увеличения времени ее жизни.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:1. Проведен обзор и анализ подходов к определению понятия времени жизни сенсорных сетей, дано новое определение.2. Разработана математическая модель динамически реконфигурируемойсенсорной сети с мобильным стоком.53. Разработан численный метод решения задачи планирования движениястока.4.
Исследованы и разработаны эвристические алгоритмы для динамического управления мобильным стоком в случае изменяющихся условийфункционирования сети.5. Разработан комплекс программ имитационного моделирования с цельюполучения зависимостей времени жизни от параметров функционирования сети.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Дано новое определение времени жизни сенсорной сети, позволяющеефиксировать момент ее выхода из строя с учетом возможного самовосстановления.2. Разработана модель сенсорной сети, позволяющая оценивать время еежизни при динамических реконфигурациях.3.
Разработан метод динамической реконфигурации сенсорной сети, позволяющий оптимизировать движение стока по критерию максимизациивремени ее жизни.4. Разработан алгоритм управления движением мобильного стока в сенсорной сети, учитывающий возможные изменения условий ее функционирования.Практическая значимость. Создан комплекс компьютерных программдля моделирования работы динамически реконфигурируемой беспроводнойсенсорной сети, а также для моделирования алгоритмов планирования движения мобильного стока.6Создан малогабаритный макет беспроводного устройства сенсорной сетина базе приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4, реализующего необходимые алгоритмы по поддержке мобильности стока, включающие его позиционирование в пространстве.Основные положения, выносимые на защиту:1. Определение времени жизни самовосстанавливающейся сенсорной сети.2.
Модель сенсорной сети, позволяющая оценивать время ее жизни придинамических реконфигурациях.3. Метод динамической реконфигурации сенсорной сети, позволяющий оптимизировать движение стока по критерию максимизации времени еежизни.4. Алгоритм управления движением мобильного стока в сенсорной сети,учитывающий возможные изменения условий ее функционирования.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работыдокладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ (2008 - 2013гг.),научно-практическом семинаре ВШЭ “Системный анализ, управление и информационные системы” (19.03.2013), XVI и XVII Международной студенческой конференции-школе-семинаре «Новые информационные технологии»(2008-2009гг.), на международных исследовательских семинарах в Университете Шеффилда и Университете Бирмингема (Великобритания, 2011 г.).
Результаты работы вошли в научно-технические отчеты по НИОКР «Разработка программных средств в целях внедрения информационных технологий впромышленность» (номер государственной регистрации НИОКР 01201056220),«Разработка системы активного беспроводного сбора данных в интралогистике» (номер государственной регистрации НИОКР 01200961253).7Результаты работы были применены при проектировании динамическиреконфигурируемой сети в рамках совместного Российско-Германского научно-исследовательского проекта.Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 11 печатныхработах, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 6 статейв сборниках трудов конференций.Получены патент на полезную модель № 87259 от 11.06.2009, патент наполезную модель № 98623 от 30.06.2010, патент на полезную модель № 121947от 10.11.2012, патент на изобретение № 2429549 от 30.06.2010.Личный вклад автора.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
