Диссертация (1137248), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта былопределяющим.Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения,4 глав, заключения, библиографии, включающей 95 наименований, и 4 приложений. Общий объем диссертации без учета приложений составляет 128страниц.В первой главе диссертации рассмотрены общие характеристики и отличительные особенности беспроводных сенсорных сетей (БСС), важные сточки зрения исследуемой проблемы.
Приводится описание существующихстандартов в области БСС и возможных областей их применения.Дается общее определение времени жизни БСС с автономными источниками питания, анализируются возможные способы его увеличения. Подробнорассматривается группа методов, использующих энергетическую балансировку узлов сети, в ней в свою очередь выделяется перспективный метод динамической реконфигурации сети с помощью мобильного стока.Проводится анализ существующих моделей реконфигурируемых БСС смобильным стоком, обосновывается необходимость разработки новой модели.8Во второй главе рассматривается разработанная модель сенсорной сети,позволяющая оценивать время ее жизни при динамических реконфигурациях. Приводится методика расчета ключевых параметров модели.
Оценивается время жизни различных элементов сенсорной сети при типовых значенияхпараметров.Проводится обзор и анализ подходов к определению времени жизни сетикак распределенной системы, предлагается новое определение, учитывающееее способность к самовосстановлению.Рассматривается задача оценки маршрутов мобильного стока по критерию времени жизни сети.В третьей главе описывается разработанный метод динамической реконфигурации автономных беспроводных сенсорных сетей, позволяющий решать общую задачу планирования движения мобильного стока для двух сценариев работы сети:1. Узлы имеют устойчивый характер функционирования, выраженный внеизменной потребляемой мощности в каждой из возможных конфигураций (топологий) сети.2. Условия функционирования сети могут изменяться, как следствие, мощность, потребляемая узлами, также меняется со временем.Для первого сценария предлагается метод нахождения оптимальногомаршрута стока по критерию максимизации времени жизни сети, основанный на решении оптимизационной задачи частично-целочисленного линейного программирования.
Также рассматривается приближенный метод, позволяющий решать задачи большой размерности.Для второго сценария рассматривается несколько эвристических алгоритмов, включая новый алгоритм GML (Greedy Maximal Lifetime).9Четвертая глава посвящена комплексному моделированию беспроводной сенсорной сети с мобильным стоком.Рассматриваются различные возможности постановки натурного эксперимента и связанные с ним задачи, в частности, задача позиционированиямобильного стока.Проводится обзор существующих сред имитационного моделирования,обосновывается необходимость разработки специализированного комплексапрограмм для учета особенностей предлагаемых в диссертации методов.С помощью разработанного комплекса программ производится сравнение предлагаемых методов и алгоритмов динамической реконфигурации сетис существующими, а также исследуется зависимость возможного приращениявремени жизни сети от параметров функционирования сенсорных узлов и мобильного стока.10Глава 1Проблема увеличения времени жизнибеспроводных сенсорных сетей1.1.
Понятие беспроводной сенсорной сетиСенсорная сеть представляет собой распределенную самоконфигурируемую беспроводную сеть, состоящую из малогабаритных интеллектуальныхсенсорных устройств[5, 47]. Каждое устройство оснащено микроконтроллером, приемопередатчиком, элементом питания и набором датчиков для измерения некоторых параметров окружающей среды, например, температуры,освещенности, вибрации, давления, уровня шума и других.Сенсорные сети являются частным случаем ситуационных (в англоязычной литературе – ad hoc) сетей [9], представляющих собой распределенныесистемы равноправных узлов, в которых каждый узел может обмениватьсяданными с любым из своих соседей. Отличие сенсорных сетей в том, что в нихэлементы можно четко разделить по набору выполняемых функций.
Исходяиз этого выделяют три основных типа сетевых узлов:∙ Оконечное устройство, выполняющее функции сбора данных с датчиков и передачи их в сеть. Как правило, большую часть времени ононаходится в режиме пониженного энергопотребления, в котором основные потребители энергии - микроконтроллер и приемопередатчик - выключены.∙ Маршрутизатор представляет собой элемент сети, выполняющий функции ретрансляции данных, приходящих с оконечных устройств, к точкесбора данных (координатору).11∙ Координатор (шлюз, сток) является элементом, принимающим данные со всей сети и передающим их приложению верхнего уровня попроводному либо более высокоскоростному беспроводному интерфейсу.Как правило, координатор имеет постоянный источник питания и, вотличие от других узлов сети, не ограничен в ресурсах.Такое разделение используется для построения централизованных систем мониторинга и управления, в которых координатор либо сам обрабатывает информацию со всей сети, либо передает ее на устройство с большим количеством ресурсов (например, персональный компьютер).
Распределенныесистемы на сенсорных сетях пока мало распространены из-за ограниченногофункционала конечных узлов.На сегодняшний день в области сенсорных сетей широко применяютсяаппаратные решения со следующими характеристиками:∙ RISС-процессор с частотой от 8 до 32 МГц∙ объем оперативной памяти от 8 до 192 Кбайт∙ объем внешней флеш-памяти от 0,5 до 8 МБайтОсобенно важными являются характеристики потребляемой мощности вразличных режимах. Типовые значения приведены в табл.
1.1. Более подробно характеристики существующих аппаратных платформ будут представлены в четвертой главе настоящей диссертации.Режим работы Обозначение мощности Типовое значение, мВтПрием52Передача45Обработка20Режим сна0,03Таблица 1.1. Режимы работы беспроводных модулей БСС121.1.1. Практическое применение БСССенсорные сети традиционно находят свое применение в различных системах мониторинга и управления, таких как охранное-пожарное наблюдение, климат-контроль [74], удаленный сбор показаний с бытовых и промышленных датчиков, экологический мониторинг.Существует и ряд нестандартных приложений, изначально несвойственных БСС, но, тем не менее, активно изучаемых - передача мультимедиа данных [19], данных инерциальных датчиков в системах слежения или захватадвижения [3].В последнее время увеличивается число приложений, предполагающихиспользование мобильных элементов, что актуально в контексте рассматриваемых в настоящей работе методов.
Среди наиболее перспективных приложений мобильных БСС можно отметить следующие:∙ Сети подводного мониторинга. В последние годы были изученывозможности развертывания подводных сенсорных сетей для мониторинга состояния мирового океана в отдельных его областях. Но, какбыло показано в одной из работ [32], использование традиционных БССпод водой сталкивается с целым рядом трудностей.
Во-первых, это нанесколько порядков больший коэффициент затухания, требующий использования более мощных передатчиков. Во-вторых, более высокаявероятность выхода компонентов из строя, из-за которой приходитсязакладывать в структуре сети избыточность. Наконец, под водой отсутствуют какие-либо возможности использовать альтернативные источники энергии. Поэтому для данного приложения модели и методыувеличения времени автономной работы БСС особенно актуальны.∙ Системы контроля местоположения вещей в пространстве. Самые13распространенные примеры - контроль товаров на складе или передвижного оборудования на большом предприятии [80].∙ Системы персональной телемедицины [61], состоящие из множества носимых сенсоров и позволяющие контролировать ключевые показатели жизнедеятельности человека, при этом фиксируя его местонахождение при возникновении опасных отклонений от нормы.В связи со всеми вышеописанными приложениями следует также отметить тенденцию выхода все большего количества устройств в глобальнуюсеть интернет, которая, согласно ряду исследований [81], уже привела к новому поколению интернета - интернету вещей, в котором обычные предметыстановятся полноправными участниками всеобщего обмена информацией ивзаимодействия.
Сенсорные сети являются одной из базовых технологий интернета вещей, позволяющих любому предмету получать доступ в глобальную сеть.1.1.2. Основные стандарты в области БССИзначально возникнув в качестве обобщенной концепции умной пыли(Smart Dust) [43], сенсорные сети постепенно обретали конкретные очертанияи на сегодняшний день являются достаточно хорошо стандартизованными.Рассмотрим основные из существующих стандартов.IEEE 802.15.4Стандарт IEEE 802.15.4 [82] является сегодня основным в области сенсорных сетей.
Он описывает физический и канальный уровни эталонной моделиOSI [15]. Более высокие уровни дополняются в других стандартах, например,ZigBee [83]. Стандарт предусматривает работу в трех частотных диапазонах:14один канал 868,0-868,6 МГц, 10 каналов в диапазоне 902-928 МГц и 16 каналовв диапазоне 2400-2483,5 МГц.Сеть стандарта IEEE 802.15.4 содержит два типа устройств – полнофункциональные (FFD - Full Function Device) и устройства с уменьшенной функциональностью (RFD - Reduced Function Device). По принципу FFD работаюткоординатор и маршрутизаторы сети, по принqципу RFD - оконечные устройства.
Каждая сеть имеет свой идентификатор (PAN ID - personal area networkID).Сеть, состоящая из одного FFD и нескольких RFD, образует топологиютипа «звезда» (рис. 1.1, а). Если в сети несколько FFD, топология можетбыть более сложной. В общем случае она имеет вид одноранговой сети P2P(peer-to-peer) или «каждый с каждым» (рис. 1.1, б).
Последний вид топологиитакже возможен в виде объединения нескольких звездообразных кластеров.На практике часто применяется древовидная топология.Рис. 1.1. Виды толологий сетей стандарта IEEE 802.15.4У каждого устройства сети есть уникальный 64-разрядный MAC-адрес,который, как правило, записывается в ПЗУ производителем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
