Диссертация (1137248), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В области сенсорных сетей наибольшеераспространение получили протоколы класса AODV (ad-hoc on-demanddistance vector) [59], отличающиеся тем, что информация о маршрутизации не сохраняется в памяти элементов длительное время и не обновляется регулярно. При необходимости передать сообщение предварительно делается запрос маршрута. Только после этого отправляется самосообщение. Для уменьшение объема трафика, передаваемого по сети,были предложены методы сетевого кодирования [65].Формализуем приведенные выше утверждения в виде методики расчета42времени жизни.В любой сенсорной сети есть три типа узлов – оконечные устройства,маршрутизаторы (ретрансляторы) и стоки. Стоки не представляют интересс точки зрения времени автономной работы: как уже было отмечено, обычно они подключены к источникам питания, имеющим на порядок большуюемкость.Рассмотрим более подробно методику расчета времени жизни оконечныхустройств и ретрансляторов.
Она основывается на следующих допущениях:∙ Алгоритм работы устройства является строго детерминированным, длявнешних факторов, являющихся случайными величинами, известно математическое ожидание.∙ Отсутствует эффект восстановления батареи. При необходимости он может быть учтен путем увеличения начальной энергии устройства [63].Тогда зная начальную энергию батареи 0 и мощность , потребляемую устройством, можно приблизительно оценить время его жизни поформуле:=0,(2.2)2.3.1. Время жизни оконечного устройстваОконечное устройство предназначено для считывания показаний с собственных датчиков и передачи их в сеть.
Главным его отличием от ретранслятора является отсутствие возможности сквозной передачи через себя данныхот других устройств. При использовании событийной модели или модели передачи по расписанию (см. раздел 1.1.3), оно, как правило, работает по циклической схеме, представленной на рис. 2.2.Принимая во внимание показатели, приведенные в таблице 1.1, можносделать вывод о том, что частота считывания показаний с датчиков являет43Рис. 2.2. Цикл работы оконечного устройствася одним из ключевых параметров, определяющих время жизни оконечногоустройства, так как от нее непосредственно зависит продолжительность пребывания узла в режиме низкого энергопотребления.Формула потребляемой мощности для оконечного устройства имеет вид: = + + ( − − ),(2.3)где – продолжительность одного цикла работы устройства [c]; – средняя мощность в процессе передачи данных и последующего приемаподтверждения [Вт]; – время, затрачиваемое на передачу данных и прием подтверждения [c]; – потребляемая мощность в режиме обработки данных (считывания показаний) [Вт]; – суммарное время, затрачиваемое на считывание показаний с датчиков,их обработку и подготовку к передаче [с]; – потребляемая мощность в режиме сна [Вт];Считается, что + < , то есть у оконечного устройства есть доста44точно времени на переход в спящий режим.В формуле (2.3) величины и являются постоянными и определяются особенностями конкретной аппаратной реализации устройства.
Время зависит как от характеристик используемого процессора, датчиков, так иот сложности и программной реализации алгоритма обработки данных.Время , а также мощность зависят от используемого стандарта беспроводной передачи, размера передаваемых данных, а также вероятностиошибок при передаче. Рассмотрим последнюю зависимость более подробно.На практике передача по беспроводному каналу всегда сопряжена с возможными потерями как при передаче кадра с полезной нагрузкой, так и приотправке подтверждения. В результате устройство вынуждено инициироватьодну или несколько повторных передач, задерживающих переход в спящийрежим.Введем дополнительный параметр - вероятность ошибки при передаче. Если считать, что вероятность ошибки на ( + 1)-й передаче не зависит отколичества предыдущих передач , получим, что вероятность того, что передача пройдет за один раз, будет равна (1 − ), за два раза - (1 − ), за – −1 (1 − ).
Учитывая, что максимальное количество передач как правиловсегда программно ограничено некоторым значением , получим формулудля среднего времени, затрачиваемого на передачу кадра в условиях повторных передач: = [(1 − )−1∑︁−1−1+ · ],(2.4)=1где - время передачи данных с подтверждением без учета повторных передач; - максимальное количество передач, N = 1,2,3. . .Параметр зависит как от внешних по отношению к сети факторов (отношение сигнал/шум и др.), так в ряде случаев и от внутренних особенностей45построения сети.
Например, при случайном доступе к общей среде передачи,вероятность возникновения ошибки будет зависеть от количества узлов, находящихся в зоне покрытия приемопередатчика, от интенсивности потоковданных на каждом из них. Более подробно данная взаимосвязь описываетсяв статье [33].Подставляя вместо в формулу (2.2), можно оценить время автономной работы оконечного устройства.2.3.2. Время жизни маршрутизатораИзвестно, что в событийно-ориентированных сенсорных сетях, работающих по алгоритму асинхронного доступа к среде передачи [69], маршрутизаторы являются узким местом с точки зрения времени жизни сети.
Этообъясняется тем, что для своевременной доставки информации о возникающих событиях маршрутизатор все время должен находиться в режиме свключенным приемопередатчиком.Следует также отметить, что энергопотребление ретранслятора оченьсильно зависит от используемого протокола маршрутизации, который определяет служебный трафик, генерируемый для создания и поддержания таблицмаршрутизации.Далее приведена модель ретранслятора, принимающая во внимание только полезный трафик, служебные пакеты не учитываются. Также будем считать, что все пакеты имеют только один адрес назначения (отсутствует широковещательный трафик multicast или broadcast).
В этом случае задача маршрутизатора состоит лишь в трансляции приходящих пакетов в неизменномвиде (считаем, что изменение метрик, промежуточных адресов в служебнойчасти кадра не влияет на его размер), а также генерации кадров подтверждения для каждого входящего пакета.46Пусть на вход маршрутизатора поступают входных потоков данных.Интенсивность i-го потока обозначим через . Заметим, что в i-м потоке приходят кадры одинаковой длины . Тогда на выходе будут продублированывходные потоки, а также добавлены кадры подтверждения, отправляемыеобратно для каждого поступившего пакета.Рис.
2.3. Модель маршрутизатора цифровой сетиДоля времени, затрачиваемого на прием всех кадров, будет равна: =∑︁ ,=1где - время, затрачиваемое на прием одного пакета (не включающее отправкуподтверждений), зависящее от его длины ; - интенсивность пакетов i-го потока.Доля времени, затрачиваемого на передачу всех кадров вместе с отправкой подтверждений, будет равна: =∑︁ + =1∑︁ ,=1где - время, затрачиваемое на передачу одного пакета - время, необходимое для отправки подтверждения для каждого входящего кадра, [с].
Оно, как правило, не зависит от его размера.Будем рассматривать случай, когда + < 1, то есть ретранслятор47успевает вовремя обрабатывать входные потоки данных. Тогда потребляемаяим мощность будет равна: = + + (1 − − ) ,(2.5)где - средняя мощность ретранслятора в режиме передачи, - средняя мощность ретранслятора в режиме приема, - мощность ретранслятора в режиме ожидания.Ключевым параметром, который существенно влияет на время жизнимаршрутизатора, является . Его значение определяется алгоритмами ипротоколами работы беспроводной сети.
Если требования к задержкам передачи данных позволяют переводить маршрутизаторы в режим пониженногоэнергопотребления, либо используется один из энергосберегающих протоколов MAC-уровня, рассмотренных в начале раздела 2.3, то будет близок кпотребляемой мощности в режиме сна (см. табл. 1.1). В противном случаеон будет равен и, как следствие, время автономной работы ретрансляторабудет на несколько порядков меньше.2.3.3. Пример расчета потребляемой мощности устройствРассмотрим пример расчет потребляемой мощности устройств, работающих по наиболее распространенному на сегодняшний день стандарту беспроводной связи для сенсорных сетей IEEE 802.15.4.Для начала упомянем упрощенную методику расчета мошности, частоприменяемую для приближенных оценок.
Все современные беспроводной связи используют пакетную передачу данных, когда исходящий поток данныхразбивается на пакеты (фреймы) определенной длины. Зная частоту формирования исходящих пакетов f, длину пакета L (в битах), а также энергию , затрачиваемую на передачу одного бита и зависящую от характеристик48конкретного приемопередатчика, можно в простейшем случае использоватьследующую формулу для расчета мощности, потребляемой при передаче данных между двумя узлами: = * * .Однако данный подход не учитывает алгоритмы доступа к среде, приемподтверждений и возможные сбои, вызванные помехами и другими факторами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
