CC BY
36
УДК 004.78
ЛОКАЛИЗАЦИЯ И МАРШРУТИЗАЦИЯ В БЕСПРОВОДНЫХ ПОДВОДНЫХ СЕТЯХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ОХРАНЫ МАРИФЕРМ
Буров Д.В., ФГБОУ ВО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected]
Каменная Е.В., ФГБОУ ВО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected] Щербинина И.А., к. пед. н., ФГБОУ ВО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail:
Создание подводных беспроводных сетей передачи информации является одним из актуальных направлений обеспечения безопасности труднодоступных объектов, таких как акватории портов, нефте или газодобывающие морские платформы, фермы аквакультуры. Создание подводных беспроводных сетей сопряжено с рядом серьёзнейших технологических трудностей, обусловленных глобальным различием свойств водной и воздушной среды.
Ключевые слова: подводная связь, протоколы обмена, локализация, маршрутизация, латерация.
LOCALIZATION AND ROUTING IN WIRELESS UNDERWATER NETWORKS USED
FOR MARIFERM PROTECTION
Burov D., FSEIHE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: [email protected] Kamennaya E., FSEI HE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: [email protected] Scherbibina I., Ph.D., FSEI HE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: [email protected]
The creation of underwater wireless information transmission networks is one of the current areas of security for hard-to-reach facilities, such as port water areas, oil or gas producing offshore platforms, aquaculture farms. The creation of underwater wireless networks is associated with a number of serious technological difficulties caused by the global difference in the properties of the water and air environment.
Keywords: underwater communication, protocols of exchange, localization, routing, lateration.
На сегодняшний день вопрос безопасности подводных объектов приобретает особую актуальность, поскольку охрана экосистем является одним из путей обеспечения их развития. В охране нуждаются такие акватории как, морские заповедники и заказники, марикуль-турные фермы, акватории портов. Террористические угрозы, кражи и хищения, природные катаклизмы и всевозможные чрезвычайные ситуации могут воздействовать на подводные структуры, такие как ГЭС, нефте- и газопроводы, нефтяные платформы, архитектурные элементы построек, плантации аквакультур.
Угроза кражи с плантаций может быть как внешняя, так и внутренняя. Внутренняя угроза может быть реализована сотрудниками фермы непосредственно при выполнении своих обязанностей (с прибрежной территории фермы). Внешняя угроза исходит от браконьеров, которые могут воспользоваться 2 способами:
• надводный (проплыть на плавсредстве на территорию фермы);
• подводный (использовать водолазное оборудование для проникновения на территорию фермы непосредственно в подводном пространстве).
Соответственно необходимо разработать комплексную систему охраны марикультурных ферм, которая будет включать в себя: охрану по периметру наземной территории, охрану подводной границы морского хозяйства, охрану надводного пространства. Кроме того, требуется индивидуальный подход и предварительное обследование каждой отдельной плантации. При построении системы защиты важнейших объектов от подводных угроз задача раннего обнаружения цели является самой важной, но не единственной (Леонид М. Антокольский).
Среди гидроакустических станций (ГАС, сонары), предназначенных для защиты от подводных нарушителей следует отметить систему AquaShield, выпускаемую израильской фирмой Б81Т [1] и комплекс инженерно-технических средств физической защиты, производимый российской компанией ОАО «Тетис Про» [2].
Для того чтобы обеспечить безопасность подводного направления, комплекс физической защиты должен включать следующие системы:
• комплексы технических средств обнаружения и наблюдения;
• системы сбора и обработки информации;
• системы видеонаблюдения и контроля;
• системы протоколирования, видеоархивирования и хранения информации;
• локальные вычислительные сети;
• средства оповещения, тревожно-вызывную сигнализацию;
• средства воздействия на нарушителей;
• автоматизированные рабочие места операторов.
Для того чтобы обеспечить безопасность надводного пространства фермы, необходим комплекс мер по защите:
• радиолокационная станция (РЛС) миллиметрового и сантиметрового диапазона для обнаружения мелких целей на близких расстояниях и крупных на больших;
• гидроакустическая система обнаружения подводного нарушителя на ближних (до 500 м) и дальних (до 1,5 км) расстояниях к объекту;
• система видеонаблюдения акватории с ZOOMом и системой видеоархивирования;
• сканирующие оптико-электронные системы видеонаблюдения акватории с тепловизионными устройствами.
Данные системы защиты крупномасштабны и дорогостоящи. Также они имеют определённые недостатки. Одним из них является необходимость в использовании ГАС большого радиуса действия, чтобы сотрудники безопасности имели достаточно времени для принятия адекватных мер, поскольку пловец может преодолеть расстояние в 200 метров за 3 минуты. Нарушители границы хозяйства должны быть не только обнаружены, но и классифицированы,так как всё большую популярность приобретает любительский дайвинг, морской туризм и нарушитель может быть случайным, оказавшимся в данном районе любителем.
Создание подводных беспроводных сетей передачи информации является одним из актуальных направлений обеспечения безопасности труднодоступных объектов. В силу особенностей водной среды, организация подобных сетей требует разработки своих протоколов синхронизации, архитектур, алгоритмов обмена данными. Одной из первых является задача определения местоположения узлов сети относительно друг друга - латерация.
Наземные беспроводные коммуникационные сети передают данные с помощью радиоволн, излучаемых наземными антеннами и антеннами искусственных спутников. К сожалению, высокочастотные радиоволны совершенно не способны распространяться в водной среде. Поэтому большинство подводных беспроводных коммуникационных систем используют звуковые волны, которые достаточно хорошо распространяются в воде, беспрепятственно преодолевая большие расстояния. Такие акустические каналы используют сети датчиков, которые регистрирую возникновение и приближение цунами. Эти датчики с помощью звуковых сигналов передают данные оборудованию бакена, который находится на поверхности океана и который передаёт эти данные на спутник уже с помощью радиоволн. Несмотря на то, что множество подводных коммуникационных систем во всех уголках земного шара используют принципы подобные вышеописанному, их интеграция в одну единую систему является затруднительной, так как каждая из существующих систем имеет свою инфраструктуру и
свои протоколы обмена информацией.Основной задачей в этом направлении является разработка и создание новых протоколов обмена в среде «вода-вода» и «вода-воздух». Использование сетевых технологий сбора и передачи информации для объектов, находящихся в «воздушной» среде - общепринятая практика, которая, к сожалению, не может быть перенесена в «водную» среду. Создание подводных беспроводных сетей сопряжено с рядом серьёзнейших технологических трудностей, обусловленных глобальным различием свойств водной и воздушной среды. Использование «беспилотных» подводных аппаратов может стать не менее значимым, чем использование таких аппаратов в воздушной среде. Для этого необходимо в первую очередь обеспечить возможность связи между элементами сети мониторинга подводного пространства. Подводные сети нуждаются в разработке
новых доступов к носителям информации, новых типов соединения, транспортировки и локализации отдельных узлов сети, собственных протоколов синхронизации и архитектурах. Одной из значимых задач является задачаопределение местоположения узлов сети относительно друг друга - задача локализации. Данные локализации необходимы для протоколов маршрутизации и доступа к данным.Первыми шагами в направлении унификации и глобализации системы подводных коммуникаций является работа исследователей из университета Буффало в Нью-Йорке, которые создали универсальные аппаратные средства и разработали протоколы связи общего применения, которые можно использовать для обеспечения надёжной связи под водой на больших дистанциях (Томмазо Мелодия (Тошша8оМе1оё1а), профессор университета Буффало).
Структура потенциальных ресурсов марикультуры в Приморском крае по районам
Для определения координат подводных объектов с помощью гидроакустики, применяются три вида систем, отличающиеся между собой размерами базовых линий сети, т.е. расстояний между узлами:
• системы со сверхкороткой базой, являются угломерными системами, в которых направление на объект определяется путём измерения разности фаз между узлами сети, установленными на расстоянии друг от друга менее 10 м, имеют ограниченную точность определения координат и высокий уровень помех;
• системы с короткой базой являются разностно-дальномерными системами, в которых координаты подводного объекта вычисляются по разности времен прихода (ToA) импульсов, излучаемых узлом-передатчиком с подводного объекта на три гидроакустических узла-приёмника, расположенных под водой и образующих две пересекающиеся базы; точность определения координат зависит от длины базы, которая для систем с короткой базой составляет около 20 м, имеют невысокую помехозащищённость, являются дорогостоящими;
• системы с длинной базой являются дальномерным системами, местоположение подводного объекта вычисляется по времени прихода сигнала; временные интервалы прохождения сигнала измеряются в абсолютных значениях установленного времени и пересчитываются в расстояния с учётом скорости звука в воде; по результатам измерения расстояний между подводным объектом и минимум тремя стационарными узлами-передатчиками (маяками), установленными в различных точках морского дна в нескольких километрах друг от друга MLC рассчитывает местоположение с помощью триангуляционного алгоритма; точность позиционирования в центре ограничена.
В настоящее время для мониторинга и удалённого контроля автономных подводных аппаратов (АПА) в различных точках поверхности моря устанавливаются дрейфующие буи, образующие длинную базу. Каждый буй оборудован навигационным приёмником глобальной системы позиционирования (GPS), часами, синхронизированными с часами GPS, гидроакустической приёмной системой с подводным преобразователем и радиомодемом. Такие буи получили название GIB-буи. Каждый буй измеряет собственные координаты и время запаздывания, и в установленные моменты времени передаёт эти данные по радиоканалу через радиомодем на судно сопровождения или береговую управляющую станцию. Гидроакустический передатчик подводного объекта периодически излучает сигнал в установленные моменты времени. С учётом скорости звука в воде, по разности времени прихода сигналов вычисляются расстояния от подводного объекта до каждого из буев, а далее отображаются координаты подводного объекта и координаты всех буев [3].
Методы локализации в ПАСС можно классифицировать по двум категориям:
• централизованные методы - текущие координаты каждого объекта в сети вычисляются в центре управления (береговом или на обеспечивающем судне); применяются для пошагового определения местоположения узлов;
• распределённые методы - каждый сенсорный узел рассчитывает своё местоположение самостоятельно.
Централизованные и распределённые методы подразделяются на схемы, основанные на оценочном и прогнозируемом подходе. При оценочном подходе вычисляется необходимая информация о текущем местоположении сенсорного узла. В то время как при прогнозируемом подходе вычисляется будущее интересуемое положение сенсорного узла, которое с определенной вероятностью определяется при измерениях расстояний, предыдущей и текущей локализации и местонахождении привязок. Прогнозируемый подход используется в мобильных и гибридных подводных сетях.
К централизованным методам относятся:
К распределённым методам относятся:
Метод автолокализации при известном маршруте
Локализация по областям
Гиперболический метод определения локализации
Трёхмерная мультимощная локализация по областям
Локализация с помощью подводных аппаратов
Многоступенчатая локализация
Протокол локализации с помощью съёмного
подъёмника для трансивера/приёмопе редатчика
Локализация без привязок
Схема крупномасштабной локализации
Протокол локализации погружения и подъёма
Протокол крупномасштабной иерархической локализации
Трёхмерная подводная локализация
Схема подводного позиционирования
Масштабируемая локализация с
прогнозом мобильности
Пассивная локализация с использованием магнитометра
В большинстве протоколов локализации подразумевается, что процесс локализации функционирует отдельно от других задач системы. Выбор режима работы ПАСС, правильно подобранный уровень параллельного функционирования системы для мониторинговых измерений и позиционирования позволяет повысить эффективность ПАСС, экономить энергию блоков питания сенсоров. Для процедуры выбора привязочных узлов и узлов-ссылок необходимо использовать информацию о параметрах акустического канала и о качестве связи, что повысит точность измерения расстояний и существенно улучшит оценку локализации.
Беспроводные сенсорные сети (БСС) - новое перспективное направление в области систем передачи и сбора данных. Беспроводная сенсорная сеть представляет собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказу сеть миниатюрных электронных устройств, обменивающихся информацией по беспроводному каналу связи. Предполагается, что такие сети будут иметь многоячейковую (mesh) топологию и состоять из большого числа (до нескольких десятков тысяч) узлов, которые способны ретранслировать сообщения друг друга.
Маршрутизация пакетов является одной из наиболее актуальных задач в области БСС, так как характеристики протокола маршрутизации оказывают существенное влияние на энергопотребление, пропускную способность и другие показатели качества обслуживания сети. Из-за особенностей БСС применение в них традиционных алгоритмов маршрутизации, разработанных для беспроводных эпизодических сетей, нецелесообразно.
Значительную роль в работе беспроводных сетей отведена протоколам маршрутизации. Они помогают осуществлять самоорганизацию узлов и доставку пакетов оптимальными маршрутами в соответствии с алгоритмами, перечисленными в используемом в сети протоколе. С помощью протоколов маршрутизации оптимизируется использование ресурсов сети, таких как расход энергии, использование процессорного времени, памяти и др. А это значит, что применение эффективных протоколов маршрутизации позволяет максимизировать время жизни сети [4].
Протоколы маршрутизации, используемые для мобильных самоорганизующихся сетей, подразделяются на четыре основные группы:
• протоколы с проактивной маршрутизацией,
• протоколы с реактивной маршрутизацией,
• гибридные протоколы,
• протоколы, использующие данные о географическом положении узлов.
Перспективой развития методов локализации в ПАСС являются протоколы географической маршрутизации. Один из наиболее используемых протоколов географической маршрутизации - LAR. Данный протокол использует информацию о местоположении узла-источника для ограничения области (зоны запроса), где производится поиск маршрута. В итоге количество сообщений о запросе искомого маршрута сокращается. Принцип маршрутизации LAR:
эоиа морося
Однако, использование разработанных алгоритмов вычисления географических координат требует точной информации о местоположении узлов сети, что затруднено при организации подводной сети. Альтернативой может стать метод распознавания и кластеризации подводных объектов. Кластеризация - задача машинного обучения, состоящая в разбиении заданной выборки объектов (данных) на непересекающиеся подмножества/группы (кластеры) на основе близости их признаков/значений. Таким образом, каждый кластер состоит из схожих объектов.
Кластеризация позволяет:
• лучше понять данные (выявив структурные группы);
• компактно сохранить данные;
• выявить новые объекты.
Выделяют две основные классификации алгоритмов кластеризации: иерархические и плоские.
Иерархические алгоритмы (также называемые алгоритмами таксономии) строят не одно разбиение выборки на непересекающиеся кластеры, а систему вложенных разбиений. Таким образом, на выходе мы получаем дерево кластеров, корнем которого является вся выборка, а листьями - наиболее мелкими кластерами.
Плоские алгоритмы строят одно разбиение объектов на кластеры: чёткие и нечёткие.
Чёткие (или непересекающиеся) алгоритмы каждому объекту выборки ставят в соответствие номер кластера, т.е. каждый объект принадлежит только одному кластеру. Нечёткие (или пересекающиеся) алгоритмы каждому объекту ставят в соответствие набор вещественных значений, показывающих степень отношения объекта к кластерам. Т.е. каждый объект относится к каждому кластеру с некоторой вероятностью. В ОрепСУ, алгоритм к-теап8 реализован в схсоге, т.к. он был реализован задолго до появления библиотеки ML. Сравнительная таблица алгоритмов:
Развитие и совершенствование технологий, используемых в системах передачи данных определило появление нового класса телекоммуникационных сетей, получивших наименование аёИос-сети (от лат. - для данного случая). Характерной особенностью этих сетей является динамическая, не имеющая постоянной структуры переменная топология, формируемая на базе автономных узлов, функционирующих в качестве маршрутизаторов и объединённых в коммуникационную самоорганизующуюся сеть, представляемую в виде произвольного графа.
Одним из видов аЛос-сетей являются мобильные аЛос-сети (МАКЕТтоЫ1еаёЬоспе^огк8) -одноранговые самоорганизующиеся беспроводные сети с переменной топологией и отсутствием четкой инфраструктуры, предназначенные для связи между подвижными объектами [5]. В МАКЕТ-сети каждый узел может независимо перемещаться в произвольном направлении вследствие чего изменения в топологии сети должны быть переданы другим узлам для поддержания
правильной маршрутизации. Например, когда узел МН2 вследствие перемещения изменяет своё соединение с МН3 на соединение с узлом МН4, другие узлы сети должны получить информацию о новом маршруте от источника до пункта назначения через промежуточные узлы для пересылки пакетов между МН2 и МНЗ.
Особый интерес в связи с простотой доступа в настоящее время к глобальнымсистемам позиционирования (GPS, ГЛОНАС) представляют протоколы маршрутизации, в MANET- сетях использующие информацию о местоположении узлов для ограничения области отправки запросов. Эти протоколы (Location-awareprotocols) предусматривают получение координат адресатов, а также некоторой информации о их передвижении:
• протокол LAR ( Location-AidedRouting) на основе информации о месте расположения адресата и данных о направление и скорость движения узла-получателя отправляет пакеты к узлам только в «ожидаемой зоне» адресата, что уменьшает нагрузку от служебного трафика;в случае отсутствия у отправителя данной информации онрасс-матривает всю сеть как «ожидаемую зону» и инициирует служебную рассылку,расширяя зону запроса до достижения узлов, способных передать пакет адресату сиспользованием алгоритма широковещательной рассылки;помимо уменьшения объёма служебного трафика протокол LAR обеспечивает максимальную связности сети;
• протокол DREAM (DistanceRoutingEffectAlgorithmforMobilit y), использующийGPS координаты узлов включает проактивные и реактивные механизмы формирования маршрутов;в нём используется зависимость периода обновления таблиц маршрутизации от расстояния между узлами;так как удалённые узлы движутся относительнодруг друга медленнее, чем близко расположенные, более редкое обновление таблицмало влияет на точность маршрутизации;помимо этого в DREAM каждый узел отправляет служебные пакеты, основываясь только на своей скорости перемещения, чтозначительно уменьшает загрузку сети служебным трафиком;использование DREAMобеспечивает выигрыш в пропускной способности и в энергетических показателях сетипо сравнению с другими реактивными протоколами, так как данный протокол не имеетзадержек на открытие маршрута.
Приведённые механизмы формирования маршрутов и функциональные возможности рассмотренных протоколов позволяют оптимизировать выбор протоколамаршрутизации при проектировании MANET-сетей с учётом используемых сетевыхтехнологий и заданных потребительских характеристик.
Литература:
1. http://www.aquashieldinc.com/
2. http://www.tetis-pro.ru/
3. «A Survey of Architectures and Localization Techniques for Underwater Acoustic Sensor Networks»MelikeErol-Kantarci, Hussein T. Mouftah, and SemaOktug, IEEE communications surveys & tutorials, vol. 13, no. 3, third quarter 2011
4. «Протоколы маршрутизации в беспроводных сетях», А.А. Павлов, И.О. Датьев, Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского НЦ РАН, Кольский филиал Петрозаводского государственного университета
5. Материалы Международной научно-технической конференции, 2012 г. МОСКВА INTERMATIC, часть 6 «Протоколы маршрутизации в мобильных ad-hoc- сетях», В.Г. ОРЛОВ, А.Н. Фадеев, Московский технический университет связи и информатики.
Алгоритм кластеризации Форма кластеров Входные данные Результаты
Иерархический Произвольная Число кластеров или порог расстояния для усечения иерархии Бинарное дерево кластеров
к-средних Гиперсфера Число кластеров Центры кластеров
с-средних Гиперсфера Число кластеров, степень нечеткости Центры кластеров, матрица принадлежности
Выделение связных компонент Произвольная Порог расстояния R Древовидная структура кластеров
Минимальное покрывающее дерево Произвольная Число кластеров или порог расстояния для удаления ребер Древовидная структура кластеров
Послойная кластеризация Произвольная Последовательность порогов расстояния Древовидная структура кластеров с разными уровнями иерархии
