Диссертация (1137248), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Так в [7] дается следующее определение коэффициента энергоэффективности:Э=П,П + НПгде П - полезно использованная энергия,НП - непроизводительные расходыВ работах, посвященных БСС, понятие энергоэффективности зачастуюнеотличимо от понятия времени автономной работы. То есть считается, чтобольшее время автономной работы обеспечивает большую энергоэффективность. Однако для опровержения данного факта можно привести следующийпростой пример: сеть, в которой отсутствует передача полезных данных, аэнергия тратится только на паразитные процессы (НП ), очевидно, имеет напорядок большее время автономной работы, чем сеть, транслирующая данные.
Но поскольку энергия не затрачивается в полезных целях(П = 0),коэффициент эффективности равен нулю.Поэтому необходимо такое определение времени жизни сети, которое бывключало в себя некоторые требования по обеспечению качества обслуживания, которым сеть должна удовлетворять.221.3. Методы увеличения времени жизни БССПерейдем к описанию возможных методов увеличения времени автомномной работы БСС. К наиболее простым относятся улучшение аппаратныххарактеристик устройств: уменьшение энергопотребления отдельных компонентов, оптимизация их размещения на кристалле или печатной плате илиувеличение емкости батарей. Исследование данных возможностей относитсяк смежным областям (электроника, радиофизика, химия, схемотехника и др.)и не будет затрагиваться в настоящей диссертационной работе.Тем не менее, следует отметить, что у способа есть как физические (передача данных по радиоканалу на заданное расстояние, равно как и обработкаданных микропроцессором, требуют определенных энергетических затрат) истоимостные ограничения (использование более энергоэффективных компонентов приводит к удорожанию систем).
Кроме того, использование большихпо емкости батарей неизбежно приводит к увеличению размера устройств,в то время как сама концепция сенсорных сетей предполагает их миниатюрность.С точки зрения программных алгоритмов обработки данных на узлахсистемы возможны следующие варианты:∙ Сжатие данных.
Данный метод имеет свои пределы, кроме того в сенсорных сетях сами данные, как правило, невелики по объему, поэтомуих сжатие не дает большого эффекта.∙ Накопление данных и их последующая передача большими блоками.Метод основан на том, что в современных беспроводных стандартахлюбая передача цифрового пакета связана с дополнительными накладными расходами (см. также разделы 1.1.2, 2.3.3). Поэтому выгоднее передавать данные большими блоками в одном пакете.23Последние исследования в области миниатюрных преобразователей альтернативной энергии (MEH, Micro-Energy Harvesters) [75] открыли ряд возможностей для создания полностью автономных узлов сенсорной сети присохранении их небольших размеров.
Известен ряд готовых решений для подключения сенсорных узлов к миниатюрным солнечным батареям, преобразователям вибрационной энергии [85] и термогенераторам на основе элементаПелетье [86].Однако на сегодняшний день ни одно из решений по сбору и преобразованию альтернативной энергии еще не нашло массового применения в реальныхсетях сбора данных, состоящих из сотен узлов, прежде всего, из-за высокойстоимости, включающей в себя затраты на регулярное обслуживание. Но вперспективе данный подход может стать одним из ведущих и в конечномсчете решить проблему ограниченного времени жизни БСС.1.3.1. Группа методов энергетической балансировкиКак было отмечено выше, сенсорные сети главным образом предназначены для сбора данных.
Это означает, что существует один или нескольковыделенных узлов, к которым стекается информация со всей сети. Данные узлы (стоки), как правило, имеют постоянный источник питания, интерфейсысопряжения с локальными, глобальными сетями или с более мощными вычислительными устройствами.
Таким образом, в сенсорной сети есть преимущественное направление движение полезного трафика, приводящее к тому, чточерез узлы маршрутизации, находящиеся рядом со стоком(-ами), проходитна порядок больший объем трафика.Современные технологические достижения позволили сделать микропроцессоры с очень малой потребляемой мощностью, способные выполнять широкий спектр задач. Однако для того, чтобы передать данные по беспроводному24каналу связи, необходимо затратить на порядок больший объем энергии (см.табл.
1.1).Из таблицы очевидно, что чем больше данных проходит через узел беспроводной сети, тем больше его потребляемая мощность. Как следствие, всети возникает проблема дисбаланса энергопотребления [79] (рис. 1.3), приводящая к тому что автономные элементы, располагающиеся рядом с центральным узлом (узлами) сбора данных, раньше других выходят из строяиз-за разряда собственных аккумуляторов, и, как следствие, уменьшаетсявремя автономной работы сенсорной сети.Рис. 1.3. Типовая структура сенсорной сетиДля выравнивания потребляемой мощности всех узлов сети используютразличные методы энергетической балансировки (energy balancing).
Приведем краткое описание основных методов.Построение гетерогенной сети предполагает использование ряда возможностей:1. Индивидуальный подбор емкости батарей в зависимости от положенияустройств в структуре сети и выполняемых ими функций [34]. В этомслучае ключевые ретранслирующие устройства могут снабжаться большими по емкости аккумуляторами. Данный подход является одним из25самым простых, но одновременно приводит к низкой масштабируемостисети и ее плохой адаптации к смене условий функционирования. Также необходимость разработки различных конструктивных решений подразные элементы приводит к увеличению стоимости конечных систем.2.
Разная плотность размещения узлов сети в зависимости от предполагаемой интенсивности трафика в конкретной зоне [35]. Данное решениенаправлено на обеспечение избыточности в структуре сети и дублирование функций отдельных узлов. Так при выходе из строя очередногомаршрутизатора его функции будут переложены на соседний элемент,до этого момента никак не используемый.К программным методам относят использование протоколов маршрутизации, основанных на метрике остаточной энергии узлов [29] или виртуальных координатах [1], чередование дальней и ближней передачи [79], позиционирование узлов [12], а также кластеризацию [67].Известно, что в протоколах маршрутизации традиционных сетей используются метрики, направленные на увеличение пропускной способности сетиили уменьшение задержек передаваемых данных.
Подобными метриками могут служить количество промежуточных узлов (хопов) до адресата, пропускная способность канала связи, уровень загрузки линии [15]. В сенсорных сетях часто применяется метрика остаточной энергии узлов на пути до стока.В этом случае из множества альтернативных маршрутов выбирается тот, накотором узлы имеют либо большую остаточную энергию.Перспективным методом балансировки считается использование мобильности отдельных компонентов сети. В ряде работ [73, 76] показано, что потенциально мобильность может обеспечить наибольшее преимущество с точки зрения увеличения продолжительности автономной работы сети.
Поэтомуименно данный подход будет детально изучен в диссертационной работе.261.4. Реконфигурируемые БСС с мобильным стокомВ данном разделе будут описаны два подхода к изучению мобильности вбеспроводных сетях и связанной с ней периодической реконфигурацией сети.Традиционно мобильность для сети считается паразитным фактором, требующим от нее дополнительных ресурсов для поддержания некоторого заданного качества обслуживания.
Применительно к рассматриваемому в диссертации вопросу он важен с точки зрения оценки накладных расходов узловсети при перемещении стока. С точки зрения второго подхода мобильностьрассматривается как вспомогательный фактор, наличие которого позволяетулучшить отдельные показатели функцинирования сети.1.4.1. Традиционный взгляд на мобильность в беспроводных сетяхМобильность создает в беспроводных сетях ряд новых задач, которыенужно решать при проектировании систем с подвижными узлами, причемпочти на всех уровнях модели OSI.
Подробно они описаны в [17, 64]. Ключевые задачи, связанные с поддержкой мобильности отдельных узлов сети,решаются на сетевом уровне. Они включены в концепцию управления мобильностью [68].Управление мобильностью (Mobility Management) включает в себя наборалгоритмов и протоколов, необходимых для того, чтобы мобильные устройства могли эффективно обмениваться данными по беспроводному каналу вситуации, когда их местоположение в пространстве изменяется с течениемвремени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
