CC BY
67
УДК: 381.3.06
Копнин Н.М., Муравьев К.А., Серова Е.М.
ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», Москва, Россия МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ
В работе рассмотрены вопросы обеспечения максимальную продолжительность жизни беспроводных сенсорных сетей. Особое внимание уделено методу балансировки трафика для увеличения времени жизни беспроводных сенсорных сетей. В результате исследования удалось выявить недостатки стандартных методов маршрутизации в сетях, и предложены варианты решения этих проблем методами улучшения работы сенсорных сетей. Ключевые слова:
БЕСПРОВОДНАЯ СЕНСОРНАЯ СЕТЬ, БСС, УЗЛЫ, БАЛАНСИРОВКА ТРАФИКА, ВРЕМЯ ЖИЗНИ, СКОРОСТЬ, ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ, МОТ, ТОПОЛОГИЯ СЕТИ Введение
Беспроводная сенсорная сеть - распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Типичная сенсорная сеть состоит из множества дешёвых, автономных, многофункциональных узлов (мотов), которые распределены в зоне мониторинга. В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать нескольких лет [1-4].
Каждый узел сенсорной сети обычно состоит из портов ввода/вывода данных с различных датчиков контроля внешней среды (или сами датчики), микроконтроллер (для обработки и управления сигналами), радио-приемопередатчик, а также источник питания. Это позволяет устройству получать результаты измерений, проводить начальную обработку данных, и поддерживать связь с внешней информационной системой. Таким образом ключевыми особенностями сенсорных сетей:
способность ретрансляции сообщений от одного элемента к другому,
возможность наличия датчиков в каждом элементе,
длительный срок автономной работы (1 год и более) [1].
При использовании недорогих беспроводных датчиков контроля параметров [5 - 7] открываются новые возможности для применения систем телеметрии и контроля, такие как:
заблаговременное выявление возможных отказов исполнительных механизмов, по контролю параметров таких, как температура, давление, вибрации и т.д.,
контроль доступа к удалённым системам объекта мониторинга в режиме реального времени, обеспечение охраны музейных ценностей, обеспечение учёта экспонатов, автоматическая ревизия экспонатов, автоматизация инспекции и технического обслуживания промышленных активов.
Реальный пример использования WSN (wireless sensor networks) - беспроводная система мониторинга состояния строительных конструкций. Система обеспечивает сбор, регистрацию и отобра-
жение показании от множества датчиков, установленных на различных элементах конструкции для контроля их напряженно-деформированного состояния и структурной целостности.
1. Анализ архитектур беспроводных сенсорных сетеи
Беспроводные сенсорные сети WSN состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных
устройств — мотов (от англ. motes—пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память — флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Выбор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшого источника питания (батареи). Моты, как правило, используются только для передачи сенсорных.
В начале работы происходит идентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще, все моты в стандарте ZigBee (спецификация сетевых протоколов верхнего уровня -уровня приложений APS (англ■ applications upport sub layer) и сетевого уровня NWK) по уровню сложности разбиваются на три класса [3, 8].
Первый и высший из них - координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. ВБСС, как правило, используется один координатор.
Ко второму классу относятся моты маршрутизаторы. Они принимают и передают данные, а также могут определять направление передачи.
Третий класс - самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору.
В каждой беспроводной сенсорной сети может быть только одно устройство-координатор. Каждый координатор выбирает уникальный идентификатор подсети. Этот идентификатор обеспечивает связь между устройствами в сети с помощью коротких адресов и позволяет передавать данные между устройствами через независимые подсети [2].
Рисунок 1 - Структура уровней сложности мотов [1]
Рисунок 2 - Обобщенная архитектура беспроводной сенсорной сети
Можно выделить следующие топологии беспроводных сенсорных сетей:
точка-точка- связь между двумя узлами сети, имеет максимально низкое энергопотребление, обладает минимальной стоимостью,подходит для самых простых приложений;
звезда - связь узлов сети с одним «главным» узлом, позволяет использовать стратегию стандартного множественного доступа, в каждой сети с топологией звезда имеется один координатор сети;
одноранговая многоячейковая сеть - Нет выделенных маршрутизаторов и любой сетевой узел может выполнять функции маршрутизатора для других устройств в сети, однако в многоячейковой сети срок службы узлов уменьшается за счет увеличенной вычислительной нагрузки и увеличения частоты использования приёмопередатчика;
кластерное дерево - Обеспечивает масштабируемость сети и расширение зоны покрытия, не требуя дополнительных затрат на инфраструктуру, сеть типа кластерное дерево может включать в себя несколько подсетей с топологией звезда.
В зависимости от требований предметной области формирование топологии сенсорной сети может происходить в двух режимах: топология типа «звезда», либо топология типа «точка-точка».В случае топологии «звезда» предполагается, что сеть состоит из объектов двух типов: полнофункциональные объекты и объекты с уменьшенной функциональностью. Вся сеть разбивается на сегменты, где объекты первого типа выступают в роли координаторов сегментов сети. Объекты первого типа могут вести общение с объектами второго типа и между собой. Объекты второго типа могут вести общение только с объектами первого типа. Ввиду повышенных нагрузок полнофункциональные устройства могут быть стационарными и иметь питание от внешних источников. Такой способ организации сети может быть востребован для решении ограниченного спектра задач, например в промышленности [9].
2. Анализ понятия "ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ СЕТИ"
Концепция сенсорных сетей предполагает, что любой узел работает от автономного источника питания. Если таким источником является обычный аккумулятор с непополняемой в процессе работы энергией, то в определенный момент времени он разряжается и автономное устройство перестает работать. Временное падение качества обслуживания предполагает, что через некоторое время задачи вышедшего из строя узла будут переложены на другие устройства сети. При окончательном падении качества обслуживания сеть перестает выполнять одну или несколько функций. Если узел является ключевым звеном системы, например, выполняя задачи маршрутизации большого числа потоков, то его отказ и невозможность динамической замены означает отказ всей сети. Так как в общем случае все элементы БСС являются автономными, обязательно наступает момент, когда сеть более не может решать возложенные на нее задачи. Время от начала работы сети до данного момента называется временем жизни или временем автономной работы сети (Network Lifetime). Проблема заключается в том, что в каждом отдельном случае момент выхода сети из строя может определяться по-разному, в зависимости от требований к качеству обслуживания.
Сенсорные сети имеют две ключевые функции:1) самоорганизация и 2) самовосстановление.
самоорганизация представляет собой процесс самостоятельного образования, настройки и поддержания работы беспроводной сети с динамическим регулированием параметров и логики ее работы в зависимости от внешних факторов. Целью самоорганизации является создание автономной, автоматически настраиваемой сети, которая после развертывания может функционировать без вмешательства оператора.
самовосстановление тесно связано с самоорганизацией и предполагает, что при выходе из строя отдельных узлов сети через определенный интервал
времени сеть перестраивается и снова начинает выполнять возложенные на нее функции [10].
3. Методы увеличения времени жизни БСС
Сенсорные сети главным образом предназначены для сбора данных. Это означает, что существует один или несколько выделенных узлов, к которым стекается информация со всей сети. Эти узлы, как правило, имеют постоянный источник питания, интерфейсы сопряжения с локальными, глобальными сетями или с более мощными вычислительными устройствами. Таким образом, в сенсорной сети есть преимущественное направление движение полезного трафика, приводящее к тому, что через узлы маршрутизации, находящиеся рядом со сто-ком(-ми), проходит на порядок больший объем трафика. Чем больше данных проходит через узел беспроводной сети, тем больше его потребляемая мощность. Как следствие, в сети появляется проблема неравномерного потребления энергии узлами сети, заключающаяся в том, что сеть становится неработоспособной в тот момент, когда энергия заканчивается у нескольких узлов, в то время как большинство остальных имеют значительный запас энергии, и, как следствие, уменьшается время автономной работы сенсорной сети. Поэтому были придуманы методы увеличения времени жизни БСС, которые помогли решить эти проблемы и улучшить качество работы БСС.
Для выравнивания потребляемой энергии всех узлов сети используют различные методы энергетической балансировки (епегдуЬа1ап^пд) и управления трафиком [8-15]. Отдельные методы основаны на индивидуальном подборе ёмкости батареи в зависимости от положения устройств в структуре сети и выполняемых ими функций. В этом случае ключевые ретранслирующие устройства могут снабжаться большими по ёмкости аккумуляторами. Другие управляют плотностью размещения узлов сети в зависимости от предполагаемой интенсивности трафика в конкретной зоне. Данное решение направлено на обеспечение избыточности в структуре сети и дублирование функций отдельных узлов.
К наиболее простым методам увеличения времени жизни БСС относятся улучшение аппаратных характеристик устройств: уменьшение энергопотребления отдельных компонентов, оптимизация их размещения на кристалле или печатной плате по минимуму потерь или увеличение емкости батарей. Исследование данных возможностей относится к смежным областям (электроника, радиофизика, химия, схемотехника и др.) . Следует отметить, что у способа есть как физические (передача данных по радиоканалу на заданное расстояние, равно как и обработка данных микропроцессором, требуют определенных энергетических затрат), так и стоимостные ограничения (использование более энергоэффективных компонентов приводит к удорожанию систем). Кроме того, использование больших по емкости батарей неизбежно приводит к увеличению размера устройств, в то время как сама концепция сенсорных сетей предполагает их миниатюризацию.
С точки зрения программных алгоритмов обработки данных в узлах системы возможны следующие 2 варианта:
сжатие данных - метод имеющий свои пределы, кроме того в сенсорных сетях сами данные, как правило малы по объёму, поэтому их сжатие не даёт большого эффекта.
накопление данных и их последующая передача большими блоками - метод основа на том, что в современных беспроводных стандартах любая передача цифрового пакета связана с дополнительными накладными расходами
Поэтому выгоднее передавать данные большими блоками в одном пакете. Известен ряд готовых решений для подключения сенсорных узлов к миниатюрным солнечным батареям, преобразователям вибрационной энергии и термогенераторам на основе элемента Пельтье. Однако на сегодняшний день ни одно из решений по сбору и преобразованию альтернативной энергии еще не нашло массового применения в реальных сетях сбора данных, состоящих
из сотен узлов, прежде всего, из-за высокой стоимости, включающей в себя затраты на регулярное обслуживание. Но в перспективе данный подход может стать одним из ведущих и в конечном счете решить проблему ограниченного времени жизни БСС.
К программным методам относят использование протоколов маршрутизации, основанных на метрике остаточной энергии узлов или виртуальных координатах.
Известно, что в протоколах маршрутизации традиционных сетей используются метрики, направленные на увеличение пропускной способности сети или уменьшение задержек передаваемых данных [15 - 17]. Подобными метриками могут служить количество промежуточных узлов (хопов) до адресата,
пропускная способность канала связи, уровень загрузки линии. В сенсорных сетях часто применяется метрика остаточной энергии узлов на пути до стока. В этом случае из множества альтернативных маршрутов выбирается тот, на котором узлы имеют большую остаточную энергию [10, 11].
Заключение
В рамках данной работы была рассмотрена архитектура беспроводных сенсорных сетей. Перечислены различные виды топологий сенсорных сетей и приведена их краткая характеристика. Проанализировано понятие времени жизни сенсорных сетей и даны рекомендации по применению методов увеличения времени жизни БСС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Максим Сергиевский Беспроводные сенсорные сети. [Электронный ресурс]. URL: https://compress.ru/article.aspx?id=17 950 (дата обращения: 04.10.2019).
2. КРОССавтоматика, Беспроводные сенсорные сети [Электронный ресурс]. URL: https://crossgroup.su/solutions/data_transfer/sensor_nets.html (дата обращения: 04.10.2019).
3. Муравьев К.А., Цивинская Т.А., Манушян Д.Г. Анализ протоколов передачи данных самоорганизующихся сенсорных сетей // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2019. Т. 2. С. 142-145.
4. Денисенко Н.А., Лавров А.В., Муравьев К.А., Чебова А.И. Исследования сенсорной сети датчиков давления // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). С. 51-55.
5. Санталов Г.Д., Муравьев К.А., Леонидов В.В. Методика проектирования электронных устройств в концепции "интернета вещей" // Проектирование и технология электронных средств. 2019. № 1. С. 1022.
6. Журавлева Л.В., Грюмов С.А., Пигина Д.В. Удаленное управление "умной" электрической розеткой по сети ethernet // Технологии инженерных и информационных систем. 2019. № 2. С. 3-12.
7. Власов Д.С., Коновалов Д.С., Муравьев К.А. Исследование качественных показателей беспроводных AD-HOC сетей // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2019. Т. 1. С. 155-158.
8. Зимин Д.В., Муравьёв К.А. Анализ проблем энергоэффективности беспроводных сетей передачи данных на базе стека протоколов ZIGBEE // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. Т. 1. С. 195-197.
9. Левжинский А. С. Моделирование и визуализация беспроводных сенсорных сетей [Электронный ресурс]. URL: http://masters.donntu.org/2 011/fknt/levzhinsky/diss/index.htm (дата обращения: 06.10.2019).
10. Зеленин А. Н., Власова В. А. Беспроводные сенсорные сети как часть инфокоммуникационной структуры [Электронный ресурс]. URL: https://docplayer.ru/533 68 014-Ris-1-arhitektura-besprovodnoy-sensornoy-seti.html(дата обращения: 08.10.2019).
11. Ефремов В. В. Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком [Электронный ресурс]. URL: http://www.dslib.net/mat-modelirovanie/modelirovanie-vremeni-zhizni-dinamicheski-rekonfiguriruemyh-sensornyh-setej-s.html (дата обращения: 10.10.2019)
12. Власов А.И., Иванов В.В., Косолапов И.А. Методы упреждающего прогнозирования состояния широкополосной сети связи // Программные продукты и системы. 2011. № 1. С. 3-6.
13. Муравьев К.А., Терехов В.В. Методы управления сетевым трафиком гетерогенных распределенных телекоммуникационных систем // Проектирование и технология электронных средств. 2017. № 2. С. 1521.
14. Муравьев К.А., Терехов В.В. Программно-аппаратный комплекс мониторинга распределенных телекоммуникационных систем // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 017. Т. 1. С. 324-329.
15. Муравьев К.А., Хуббатулин М.Э. Методика настройки VPN на роутерах MIKROTIK // Технологии инженерных и информационных систем. 2019. № 2. С. 22-33.
16. Andreev K.A., Vlasov A.I., Shakhnov V.A. Silicon pressure transmitters with overload protection // Automation and Remote Control. 2016. Т. 77. № 7. С. 1281-1285.
17. Shakhnov V.A., Salmina M.A., Vlasov A.I., Yudin A.V., Usov K.A. Design methods of teaching the development of internet of things components with considering predictive maintenance on the basis of mechatronic devices // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Т. 12. № 20. С. 9390-9396.
УДК 621.391+004.45 Будылдина Н.В., Юрченко Е.В.
Уральский технический институт связи и информатики (филиал) ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», Екатеринбург, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ ПАКЕТОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ НЕОДНОРОДНОМ ТРАФИКЕ
Интернет вещей (1оТ), с точки зрения множества подключенных устройств, имеет крайне неоднородный характер в беспроводной сети. Неоднородность параметров доступа к среде, мощности передачи и уровней активности между сосуществующими сетями приводит к помехам. Распределение стохастического трафика, сформированное в соответствии с правилами CSMA/CA, вмешивающиеся сети и замирания канала делают сложным моделирование и анализ производительности сети с помехами. Чтобы изучить временное взаимодействие между распределениями трафика двух сосуществующих сетей, рассмотрим теоретическую модель обновления пакетов для коллизий и общую функцию распределения времени столкновения системы с помехами. Функция распределения времени столкновения справедлива для любых распределений занятости и простоя сосуществующего трафика.
Ключевые слова:
ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ, НЕОДНОРОДНЫЙ ТРАФИК, КОЛЛИЗИИ
Введение
В офисных, домашних и промышленных условиях становится очевидным одновременное присутствие гетерогенных беспроводных технологий [1] [2]. Сосуществование технологий управления влияет на их производительность в трех областях: частота,
время и пространство. На определенном частотном канале помехи во временной области определяются параметрами трафика, тогда как пространственные помехи зависят от мощности передачи и местоположения источника помех, а также от замираний при множественном распространении.
