МОБИЛЬНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ. РАССМОТРЕНИЕ

МОБИЛЬНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ. РАССМОТРЕНИЕ

Джиджуридзе Давид Эмзариевич

докторант, Грузинский технический университет,

Грузия, г. Тбилиси

MOBILE WIRELESS SENSOR NETWORKS. REVIEW

David Jijuridze

Doctoral student, Georgian Technical University,

Georgia, Tbilisi

АННОТАЦИЯ

Появились мобильные беспроводные сенсорные сети (MWSN), которые сместили фокус с типичных статических беспроводных сенсорных сетей на сети с мобильными сенсорными узлами, способными воспринимать различные типы событий. Кроме того, они могут часто менять свое положение в определенной области зондирования. Приложения MWSN можно широко разделить на управляемые временем, управляемые событиями, по требованию и основанные на отслеживании приложения. Архитектура мобильных сенсорных узлов, использование остаточной энергии, мобильность, топология, масштабируемость, локализация, маршрутизация сбора данных, качество обслуживания (QoS) и т. д. являются ключевыми факторами для разработки энергоэффективных MWSN для определенной конкретной цели. Мы обсудим MWSN и нескольким важным явлением для разработки энергоэффективных MWSN для крупномасштабной окружающей среды.

ABSTRACT

Mobile wireless sensor networks (MWSN) have emerged, shifting the focus from typical static wireless sensor networks to networks with mobile sensor nodes capable of sensing various types of events. In addition, they can often change their position in a certain sensing area. MWSN applications can be broadly divided into time-driven, event-driven, on-demand, and tracking-based applications. Mobile sensor node architecture, residual energy utilization, mobility, topology, scalability, localization, data collection routing, quality of service (QoS), etc. are key factors for developing energy-efficient MWSN for a specific purpose. We will discuss MWSN and a several important phenomena for developing energy-efficient MWSN for large-scale environments.

Ключевые слова: мобильность, беспроводные сенсорные сети, топология, масштабируемость, локализация, маршрутизация сбора данных, качество обслуживания.

Keywords: mobility, wireless sensor networks, topology, scalability, localization, data collection routing, quality of service.

Предисловия

Мобильные беспроводные сенсорные сети (MWSN) играют жизненно важную роль в современных реальных приложениях, в которых сенсорные узлы являются мобильными. MWSN гораздо более универсальны, чем статические WSN, поскольку сенсорные узлы могут быть развернуты в любом сценарии и справляться с быстрыми изменениями топологии. Мобильные сенсорные узлы состоят из микроконтроллера, различных датчиков (например, температуры, света, давления, влажности, подвижности и т. д.), радиопередатчика и питаются от батареи. Основными областями применения MWSN являются экономика, добыча полезных ископаемых, мониторинг окружающей среды, сейсмический мониторинг, метеорология, акустическое обнаружение, здравоохранение, мониторинг технологических процессов, защита инфраструктуры, подводная навигация, контекстно-зависимые вычисления, интеллектуальные пространства, отслеживание запасов и Тактическое военное наблюдение. Существует два набора проблем, стоящих перед MWSN: аппаратное ограничение и окружающая среда. Основными аппаратными ограничениями являются ограниченная мощность батареи и низкие требования к стоимости, то есть мобильные сенсорные узлы должны быть энергоэффективными с низким сложностью алгоритмов, необходимых для микроконтроллеров, и использование только симплексной радиосвязи. Модели мобильности для определения перемещений к/от сенсорных узлов и того, как местоположение, скорость и ускорение мобильных сенсорных узлов меняются с течением времени, также предсказывают будущие положения узлов [1].

В MWSN основными факторами окружающей среды являются общая среда и различная топология. Общий носитель означает, что доступ к каналу должен каким-то образом регулироваться. Следовательно, топология сети играет значительную роль в разработке протокола маршрутизации, а также определяет путь передачи пакетов данных для достижения желаемого пункта назначения. В то время как сенсорные узлы мобильны, характеристики сетевых топологий, таких как плоские/неструктурированные, цепные, древовидные и кластерные топологии, неадекватны для крупномасштабных MWSN. Для решения такого рода проблем гибридная топология сети является лучшим вариантом для крупномасштабных сред. Кроме того, гибридная топология играет важную роль в сборе данных, а также хорошая производительность сети. Кроме того, протокол маршрутизации определяет эффективный и надежный путь передачи данных [1].

1. Типы WSN

Обычно сенсорные узлы развертываются на суше, под землей и под водой и образуют беспроводный сенсорный сет. Основываясь на развертывании сенсорных узлов, сенсорная сеть сталкивается с различными проблемами и ограничениями. MWSN можно классифицировать на однородные и разнородный типы. Однородная MWSN состоит из идентичных мобильных сенсорных узлов, и они могут обладать уникальными свойствами. Но разнородная MWSN состоит из ряда мобильных сенсорных узлов с различными свойствами узлов, такими как мощность батареи, объем памяти, вычислительная мощность, дальность зондирования, дальность передачи, мобильность и т. д. Кроме того, архитектура развертывания разнородных узлов MWSN более сложно, чем однородных MSWN.

2. Архитектура мобильного сенсорного узла

Обычно сенсорные узлы проектируются с одним или несколькими датчиками, микроконтроллером, внешней памятью, радиопередатчиком, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), антенной и батареей. Опять же, узлы ограничены памятью, питанием от батарей, вычислительной и радиоемкостью из-за их небольших размеров. Однако архитектура мобильного сенсорного узла почти аналогична обычному сенсорному узлу. Но некоторые дополнительные блоки рассматриваются на мобильных сенсорных узлах, таких как локализаторы/позиционеры, мобилизатор и генератор энергии. Архитектура мобильного сенсорного узла показана на рис. 1. Блок определения местоположения используется для определения положения сенсорного узла, а мобилизатор обеспечивает мобильность сенсорного узла. Блок генератора энергии отвечает за выработку энергии для удовлетворения дальнейших энергетических потребностей сенсорного узла путем применения каких-либо конкретных методов, таких как солнечный элемент [2].

Рисунок 1. Архитектура мобильного сенсорного узла

3. Топология сети

Топология сети играет важную роль в MWSN для передачи данных на мобильные сенсорные узлы к приемнику/базовой станции. Затем приемник и удаленный пользователь/сервер подключаются через интернет. Эффективность крупномасштабных мобильных беспроводных сенсорных сетей чисто зависит от схемы сбора данных или управления топологией. Таким образом, топология обеспечивает гарантированную надежную сеть и лучшее QoS с точки зрения мобильности, трафика, соединения и т. д. Кроме того, топологии в MWSN определяют размерность группы сенсорных узлов, управляют добавлением новых членов группы и устраняют элементы, которые покидают группу. С учетом таких аспектов в топологии сети может быть обеспечен эффективный сбор данных с низким энергопотреблением. Существующие сетевые топологии WSN плоские/неструктурированные, древовидные, кластерные, цепные и гибридные. Различные топологии сети используются для достижения максимального сбора данных и производительности сети, которая зависит потребности от MWSN. В зависимости от потребности сети для получения максимального сбора данных используются различные топологии сетей [3].

4. Протоколы маршрутизации для MWSN

Подходы к маршрутизации к MWSN могут быть централизованными, распределенными или гибридными. Эффективная и надежная конструкция протокола маршрутизации для MWSN учитывает топологию сети, мобильность сенсорного узла, потребление энергии, покрытие сети, методы передачи данных, QoS, связность, агрегацию данных, Разнородность сенсорного узла и связи, масштабируемость и безопасность. Существующие протоколы маршрутизации сгруппированы на основе их структур маршрутизации, таких как плоские, иерархические и основанные на местоположении. Опять же, иерархическая маршрутизация может быть широко разделена на классическую и оптимизированную иерархическую маршрутизацию. Кроме того, установление пути обнаруживает маршрут от источника к месту назначения, который следует за проактивным, реактивным и гибридным маршрутом [3].

4.1. Варианты LEACH

LEACH один из самых популярных алгоритмов динамической кластеризации для сенсорных сетей на основе иерархической маршрутизации, который полностью разработан для распределенной среды и не требует глобальных знаний о сети. Узел датчика использует полученный уровень сигнала, а также пороговые значения для выбора головки кластера, которая образует кластер. Здесь для передачи данных рассматривается интервал округления или обновления топологии, который делится на фиксированные интервалы времени равной длины. Каждый сенсорный узел в сети имеет равную вероятность действовать в качестве кластерной головки, выбирая случайное число между 0 и 1, и поэтому сенсорные узлы умирают медленно. Общее количество сетевых операций рассматривается как раунд. Каждый раунд состоит из фазы настройки (т. е. формирует кластер и осуществляет многопереходную связь между головкой кластера и приемником) и фазы устойчивого состояния (т. е. передает данные членов кластера в приемник через головки кластера). Фаза передачи данных протокола LEACH состоит из внутрикластерных и межкластерных коммуникаций. При внутрикластерной коммуникации руководитель кластера собирает данные о членах кластера и мгновенно агрегирует эти данные. После завершения внутрикластерной связи начинается межкластерная связь для передачи данных глав кластеров в приемник [2-4].

4.1.2. LEACH с улучшенным мобильностью (LEACH-ME)

LEACH чисто учитывает уровень остаточной энергии сенсорных узлов для выбора кластерной головки на каждом раунде, поэтому LEACH не подходит для динамических сетей. Но LEACH-ME выбирает головку кластера на основе подвижности сенсорного узла и уровня энергии. Кроме того, LEACH-ME поддерживает некоторую информацию о сенсорных узлах, таких как, коэффициент мобильности, список членов кластера и расписание TDMA. Даже сенсорный узел поддерживает все эти четыре информации, фактор мобильности является основным ключом для выбора головки кластера. Коэффициент мобильности вычисляется на основе количества переходов и понятия удаленности. Из-за этих фрагментов информации каждый руководитель кластера может сформировать группу членов кластера с минимальной подвижностью узлов. Кроме того, LEACH-ME гарантирует, что кластеры распределены минимально, в то время как кластер возглавляет мобильность. Результаты моделирования показывают, что LEACH-ME работает лучше, чем стандартный LEACH, с точки зрения средней успешной связи, нормализованной производительности, вычислительных затрат и энергетических затрат по отношению к коэффициенту мобильности [2].

4.2. Протокол кластеризации на основе мобильности

Deng et al. [5] разработали протокол кластеризации на основе мобильности (MBC) для повышения производительности MWSN. Как и LEACH, работа протокола MBC состоит из фазы настройки и установившейся фазы на каждом раунде. На этапе настройки все сенсорные узлы имеют равные шансы выбрать головку кластера на основе порогового значения (то есть остаточной энергии и подвижности). Кроме того, MBC учитывает время соединения для процесса формирования кластера, который строит более надежный путь, основанный на стабильности и доступности каждого узла между членами и руководителем кластера.

4.3. Кластерный независимый протокол дерева для сбора данных (КНПД)

Этот протокол был разработан чтобы обеспечить надежную гарантированную сквозную связи для крупномасштабных MWSN. Это уникальная методология гибридной логической схемы, которая использует внутрикластерную и древовидную коммуникацию сбора данных для кластерной и древовидной топологий соответственно. Разработка протокола помогает улучшить параметры QoS с точки зрения сбора данных, энергопотребления, задержки, пропускной способности и срока службы сети для крупномасштабных мобильных беспроводных сенсорных сетей. В КНПД каждый сенсорный узел выбирает головку кластера с лучшим временем соединения, а затем головка кластера собирает пакеты данных членов кластера в выделенном временном интервале. После избрания главы кластера базовая станция инициирует сбор данных для избрания однопереходного соседа, который выбирает однопереходного соседа или другого руководителя кластера с хорошим расстоянием покрытия, максимальным временем соединения и минимизированным сетевым трафиком.

Работа протокола состоит из фазы настройки и установившейся фазы. На этапе настройки датчик выбирает себя в качестве головки кластера на основе своего порогового значения (то есть флага, остаточной энергии и подвижности). Кроме того, член кластера соединяется с головкой кластера с одним прыжком во время формирования кластера на основе расчетного времени соединения, Силы принятого сигнала и надежности соединения [3-4].

Впоследствии связь инициируется базовой станцией для построения дерева сбора данных, которое выбирает узел сбора данных для покрытия всех головок кластера. Здесь узел сбора данных не участвует в “зондировании” для этого конкретного раунда, который просто собирает данные и агрегирует пакеты данных, принадлежащие головке кластера с одним прыжком, тем самым пересылая пакетов данных на базовую станцию через методологию "дерева сбора данных". Чтобы поддерживать сбалансированный срок службы всей сети, в каждом раунде избираются новые руководители кластеров. Даже когда сенсорные узлы находятся в высокой мобильности, узел сбора данных поддерживает связь с главой кластера, и не нуждается в обновлении древовидной структуры для этого конкретного раунда. Кроме того, снижает энергопотребление, отказ канала связи, задержку и трафик головки кластера за счет пересылки данных с помощью методологию "дерева сбора данных". Незначительная сложность связана с узлом приемника для создания древовидной структуры, которая снижает энергопотребление головки кластера. А также, помогает свести к минимуму частое образование кластеров и поддерживать кластер в течение значительного периода времени.

В стационарной фазе каждый член кластера отправляет собранные данные в головку кластера в течение выделенного промежутка времени, а головка кластера агрегирует данные и направляет их на базовую станцию через промежуточные головки кластера методом прямого спектра распространения последовательности. Результаты моделирования доказывают, что КНПД достигает выдающейся производительности по сравнению с LEACH, с точки зрения коэффициента доставки пакетов, пропускной способности, задержки и общего энергопотребления даже в среде мобильных датчиков [2, 5].

Выводы

В этой статье представлено исследование, проведенное на крупномасштабных мобильных беспроводных сенсорных сетях. Также проанализированы основные технические проблемы, а также вопросы исследования в области проектирования аппаратных архитектур, мобильности, алгоритмов и протоколов для крупномасштабных MWSN. Мы обсудили большинство существующих литературных работ MWSN, таких как архитектура мобильных сенсорных узлов, мобильность, топология и протоколы маршрутизации. Наконец, мы классифицировали существующие модели мобильности MWSN.

Список литературы:

1. Zhang, J., Shan, L., Hu, H., and Yang, Y. (2012) Mobile cellular networks and wireless sensor networks: toward convergence. IEEE Communications Magazine, 50 (3), 164–169
2. Wairagu G Richard. Extending LEACH routing algorithm for Wireless Sensor Network. In: Data Communications Engineering, Makerere University; 2009
3. Talasila, M., Curtmola, R., and Borcea, C. (2012) Link: location verification through immediate neighbors knowledge, in Mobile and Ubiquitous Systems: Computing, Networking, and Services, Springer.
4. Akyildiz IF, Weilian Su, Sankarasubrmaniam Y, Cayirci E. A Survey on Sensor Network. In: IEEE Communication Magazine; 2002. p. 102-114.
5. Deng S, Li J, Shen L. Mobility-based clustering protocol for wireless sensor networks with mobile nodes. IET Wireless Sensor Systems. 2011; 1 (1):39-47. DOI: 10.1049/ iet-wss.2010.0084