Помощь студентам в учебе
Беспроводные сенсорные сети: принципы организации, алгоритмы выбора головного узла и кластеризации
|
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Общие сведения о стандартах беспроводных сенсорных сетей 7
1.1 Стандарт Wi-Fi 7
1.2 Стандарт WiMAX 10
1.3 Стандарт Bluetooth 11
1.4 Стандарт HomeRF 12
1.5 Стандарт ZigBee 12
2 Описание архитектуры БСС 15
2.1 Классификация беспроводных сенсорных сетей 20
2.2 Кластеризация БСС 22
3 Анализ алгоритмов выбора головного узла и кластеризации 26
3.1 Алгоритмпрямойпередачи DT (Direct Transmission) 27
3.2 Алгоритм адаптивной кластеризации LEACH 27
3.3 Алгоритм TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols) 29
3.4 Алгоритм SEP (Stable Election Protocol) 31
3.5 Алгоритм DEEC (Distributed Energy Efficient Clustering) 32
4 Разработка моделей алгоритмов БСС и проведение их сравнительного анализа.
33
4.1 Первый сценарий 34
4.2 Второй сценарий 40
4.3 Третий сценарий 43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 48
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Общие сведения о стандартах беспроводных сенсорных сетей 7
1.1 Стандарт Wi-Fi 7
1.2 Стандарт WiMAX 10
1.3 Стандарт Bluetooth 11
1.4 Стандарт HomeRF 12
1.5 Стандарт ZigBee 12
2 Описание архитектуры БСС 15
2.1 Классификация беспроводных сенсорных сетей 20
2.2 Кластеризация БСС 22
3 Анализ алгоритмов выбора головного узла и кластеризации 26
3.1 Алгоритмпрямойпередачи DT (Direct Transmission) 27
3.2 Алгоритм адаптивной кластеризации LEACH 27
3.3 Алгоритм TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols) 29
3.4 Алгоритм SEP (Stable Election Protocol) 31
3.5 Алгоритм DEEC (Distributed Energy Efficient Clustering) 32
4 Разработка моделей алгоритмов БСС и проведение их сравнительного анализа.
33
4.1 Первый сценарий 34
4.2 Второй сценарий 40
4.3 Третий сценарий 43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 48
Беспроводные сенсорные сети (БСС) рассматривают как одно из важнейших современных направлений развития технологий в 21 веке. В прошедшее десятилетие идея беспроводных сенсорных сетей получила огромное признание не только в научном мире, но и в промышленности по всему миру.
Основная идея БСС - это отказ от непосредственного участия человека в сборе информации, например, в связи с невозможностью присутствия людей в конкретном месте или при реализации технологического процесса, особенно если необходим сбор информации в течение долгого времени. При использовании БСС пользователи могут исследовать явления и процессы, и получать информацию, которая может быть как простой (измерение температуры), так и сложной (использование в военной отрасли).
Беспроводные сенсорные сети WSNs (WirelessSensorNetworks) получили большое распространение в последнее время. Такие сети, состоящие из множества малогабаритных узлов, оснащенных приемо-передатчиком, микропроцессором и сенсором, могут связать воедино компьютерные сети и физический мир. Концепция беспроводных сенсорных сетей привлекает внимание ученых, научно-исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечивает большое разнообразие научных работ и статей по данной тематике. Большой интерес к изучению таких систем обусловлен широкими возможностями применения БСС. Беспроводные сенсорные сети, в частности, могут использоваться для контроля отказа оборудования в аэрокосмических системах и в системах автоматизации зданий. Из-за своей способности к самоорганизации, автономности и высокой отказоустойчивости такие сети активно применяются в системах безопасности и военных приложениях. Успешное применение беспроводных сенсорных сетей в медицине для мониторинга здоровья связано с разработкой биологических сенсоров, совместимых с интегральными схемами сенсорных узлов. Но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ.
Каждый сенсорный узел собирает данные от окружающей среды и передает их к шлюзам или базовым станциям (БС) либо непосредственно, либо через другие сенсорные узлы. Сенсорные узлы, как правило, обладают ограниченными возможностями по электропитанию и его восстановлению. Поэтому, выбор способа организации передачи информации между сенсорным узлом и шлюзами или базовыми станциями является одной из основных научных проблем при создании БСС.
Беспроводные сенсорные узлы (БСУ) потребляют энергию для передачи, обработки сообщений, а также для вычисления. Срок службы сенсорного узла сильно зависит от срока службы элементов питания, в виде которых достаточно часто выступают обычные батареи. Энергия, расходуемая во время передачи сообщений, может составить до 75% доступного энергетического ресурса.
Сенсорная сеть, в последнее время ее часто называют также сенсорным полем, может включать в себя тысячи узлов. В соответствии со спецификациями протокола ZigBee сенсорная сеть может содержать до 64 000 узлов. Как уже отмечалось выше, БСС имеют ограниченные ресурсы: это ограниченная мощность системы питания, малая память, низкая скорость передачи данных и т.д. Эти ограничения непосредственно влияют на разработку протоколов и алгоритмов, используемых в БСС. Таким образом, разработанные алгоритмы для беспроводных сенсорных сетей должны эффективно работать на очень ограниченных ресурсах аппаратного обеспечения. При этом большую часть времени сенсорные узлы находятся в спящем состоянии, что требует использования для функционирования БСС принципов самоорганизующихся сетей.
Кластеризация оказалась при этом одним из важнейших методов создания БСС. Функционирование БСС, сгруппированной в кластер, во многом зависит от алгоритма выбора головного узла, основные требования к которому заключаются в требованиях по обеспечению максимальной длительности жизненного цикла сети и максимального покрытия. Следует отметить, что в кластерных БСС алгоритм выбора головного узла фактически совпадает с протоколом маршрутизации сообщений. В общем виде требования к алгоритму выбора головного узла могут быть сформулированы следующим образом:
— алгоритм должен быть масштабируемым и эффективно функци-онировать в кластерах и сетях любого размера;
— алгоритм должен минимизировать вычислительную сложность для узлов, таким образом, продлевая работоспособность сети;
— алгоритм должен быть как можно более простым и независимым от аппаратных возможностей узлов;
— алгоритм должен ограничить количество необходимых передач, таким образом, увеличивая срок службы сети.
К настоящему времени разработано достаточно много алгоритмов выбора головного узла, в основном для БСС со стационарными сенсорными узлами.
В то же время, целый ряд проблем, связанных с разработкой эффективных алгоритмов кластеризации для мобильных сетей, отказоустойчивых алгоритмов, еще требует своего решения. Поскольку кластеризация используется для БСС с достаточно высокой плотностью, важной представляется также разработка методики размещения сенсорных узлов, обеспечивающей требуемое покрытие пространства.
В связи с изложенным исследование, направленное на исследование алгоритмов выбора головного узла и методики размещения сенсорных узлов для эффективной кластеризации БСС, представляется актуальным.
Основная идея БСС - это отказ от непосредственного участия человека в сборе информации, например, в связи с невозможностью присутствия людей в конкретном месте или при реализации технологического процесса, особенно если необходим сбор информации в течение долгого времени. При использовании БСС пользователи могут исследовать явления и процессы, и получать информацию, которая может быть как простой (измерение температуры), так и сложной (использование в военной отрасли).
Беспроводные сенсорные сети WSNs (WirelessSensorNetworks) получили большое распространение в последнее время. Такие сети, состоящие из множества малогабаритных узлов, оснащенных приемо-передатчиком, микропроцессором и сенсором, могут связать воедино компьютерные сети и физический мир. Концепция беспроводных сенсорных сетей привлекает внимание ученых, научно-исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечивает большое разнообразие научных работ и статей по данной тематике. Большой интерес к изучению таких систем обусловлен широкими возможностями применения БСС. Беспроводные сенсорные сети, в частности, могут использоваться для контроля отказа оборудования в аэрокосмических системах и в системах автоматизации зданий. Из-за своей способности к самоорганизации, автономности и высокой отказоустойчивости такие сети активно применяются в системах безопасности и военных приложениях. Успешное применение беспроводных сенсорных сетей в медицине для мониторинга здоровья связано с разработкой биологических сенсоров, совместимых с интегральными схемами сенсорных узлов. Но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ.
Каждый сенсорный узел собирает данные от окружающей среды и передает их к шлюзам или базовым станциям (БС) либо непосредственно, либо через другие сенсорные узлы. Сенсорные узлы, как правило, обладают ограниченными возможностями по электропитанию и его восстановлению. Поэтому, выбор способа организации передачи информации между сенсорным узлом и шлюзами или базовыми станциями является одной из основных научных проблем при создании БСС.
Беспроводные сенсорные узлы (БСУ) потребляют энергию для передачи, обработки сообщений, а также для вычисления. Срок службы сенсорного узла сильно зависит от срока службы элементов питания, в виде которых достаточно часто выступают обычные батареи. Энергия, расходуемая во время передачи сообщений, может составить до 75% доступного энергетического ресурса.
Сенсорная сеть, в последнее время ее часто называют также сенсорным полем, может включать в себя тысячи узлов. В соответствии со спецификациями протокола ZigBee сенсорная сеть может содержать до 64 000 узлов. Как уже отмечалось выше, БСС имеют ограниченные ресурсы: это ограниченная мощность системы питания, малая память, низкая скорость передачи данных и т.д. Эти ограничения непосредственно влияют на разработку протоколов и алгоритмов, используемых в БСС. Таким образом, разработанные алгоритмы для беспроводных сенсорных сетей должны эффективно работать на очень ограниченных ресурсах аппаратного обеспечения. При этом большую часть времени сенсорные узлы находятся в спящем состоянии, что требует использования для функционирования БСС принципов самоорганизующихся сетей.
Кластеризация оказалась при этом одним из важнейших методов создания БСС. Функционирование БСС, сгруппированной в кластер, во многом зависит от алгоритма выбора головного узла, основные требования к которому заключаются в требованиях по обеспечению максимальной длительности жизненного цикла сети и максимального покрытия. Следует отметить, что в кластерных БСС алгоритм выбора головного узла фактически совпадает с протоколом маршрутизации сообщений. В общем виде требования к алгоритму выбора головного узла могут быть сформулированы следующим образом:
— алгоритм должен быть масштабируемым и эффективно функци-онировать в кластерах и сетях любого размера;
— алгоритм должен минимизировать вычислительную сложность для узлов, таким образом, продлевая работоспособность сети;
— алгоритм должен быть как можно более простым и независимым от аппаратных возможностей узлов;
— алгоритм должен ограничить количество необходимых передач, таким образом, увеличивая срок службы сети.
К настоящему времени разработано достаточно много алгоритмов выбора головного узла, в основном для БСС со стационарными сенсорными узлами.
В то же время, целый ряд проблем, связанных с разработкой эффективных алгоритмов кластеризации для мобильных сетей, отказоустойчивых алгоритмов, еще требует своего решения. Поскольку кластеризация используется для БСС с достаточно высокой плотностью, важной представляется также разработка методики размещения сенсорных узлов, обеспечивающей требуемое покрытие пространства.
В связи с изложенным исследование, направленное на исследование алгоритмов выбора головного узла и методики размещения сенсорных узлов для эффективной кластеризации БСС, представляется актуальным.
В работе приведены общие сведения о стандартах беспроводных сенсорных сетей, описание архитектуры БСС, рассмотрены алгоритмы выбора головного узла и кластеризации для гомогенных и гетерогенных беспроводных сенсорных сетей со стационарными сенсорными узлами, размещенными на плоскости.
По результатам моделирования проведен сравнительный анализ эффективности применения алгоритмов DT, LEACH, SEP, DEEC и TEENдля различных сенсорных сетей (гомогенные, гетерогенные двухуровневые, гетерогенные многоуровневые). По результатам исследований можно сделать следующие выводы.
1. Использование неиерархических алгоритмов маршрутизации от-носительно эффективно для сенсорных полей небольшого размера. Для больших сенсорных сетей использование неиерархических алгоритмов нецелесообразно, поскольку требует больших энергозатрат и не обеспечивает равномерного жизненного цикла для сенсорных узлов.
2. Сравнивая одноуровневые и иерархические алгоритмы маршрутизации, можно отметить, что иерархические алгоритмы представляют больше возможностей для реализации различных приложений БСС.
3. Иерархические алгоритмы маршрутизации увеличивают длительность жизненного цикла сети и стабильность, что повышает надежность функционирования БСС. Иерархическая маршрутизация позволяет гибко решать различные задачи с учётом возможностей сенсорных узлов. При этом, узлы с высокой энергоёмкостью (возможно с постоянным энергоснабжением) могут агрегировать данные и передавать их в сеть связи общего пользования, в то время как узлы с низкой энергоёмкостью могут использоваться исключительно для сбора данных.
4. Базовый алгоритм LEACH -очень эффективный протокол для гомогенных БСС. Он помогает снизить энергозатраты до семи раз по сравнению с прямым взаимодействием сенсорных узлов.
5. Алгоритмы SEP и DEEC превосходят по длительности периода стабильности и остаточной энергии алгоритмы DT и LEACH в условиях при-менения гетерогенных сенсорных сетей.
6. Алгоритм TEEN, являющийся развитием алгоритма LEACH, превосходит по длительности периода стабильности и остаточной энергии все рассмотренные алгоритмы и рекомендуется к использованию, как в гомогенных, так и в гетерогенных БСС.
По результатам моделирования проведен сравнительный анализ эффективности применения алгоритмов DT, LEACH, SEP, DEEC и TEENдля различных сенсорных сетей (гомогенные, гетерогенные двухуровневые, гетерогенные многоуровневые). По результатам исследований можно сделать следующие выводы.
1. Использование неиерархических алгоритмов маршрутизации от-носительно эффективно для сенсорных полей небольшого размера. Для больших сенсорных сетей использование неиерархических алгоритмов нецелесообразно, поскольку требует больших энергозатрат и не обеспечивает равномерного жизненного цикла для сенсорных узлов.
2. Сравнивая одноуровневые и иерархические алгоритмы маршрутизации, можно отметить, что иерархические алгоритмы представляют больше возможностей для реализации различных приложений БСС.
3. Иерархические алгоритмы маршрутизации увеличивают длительность жизненного цикла сети и стабильность, что повышает надежность функционирования БСС. Иерархическая маршрутизация позволяет гибко решать различные задачи с учётом возможностей сенсорных узлов. При этом, узлы с высокой энергоёмкостью (возможно с постоянным энергоснабжением) могут агрегировать данные и передавать их в сеть связи общего пользования, в то время как узлы с низкой энергоёмкостью могут использоваться исключительно для сбора данных.
4. Базовый алгоритм LEACH -очень эффективный протокол для гомогенных БСС. Он помогает снизить энергозатраты до семи раз по сравнению с прямым взаимодействием сенсорных узлов.
5. Алгоритмы SEP и DEEC превосходят по длительности периода стабильности и остаточной энергии алгоритмы DT и LEACH в условиях при-менения гетерогенных сенсорных сетей.
6. Алгоритм TEEN, являющийся развитием алгоритма LEACH, превосходит по длительности периода стабильности и остаточной энергии все рассмотренные алгоритмы и рекомендуется к использованию, как в гомогенных, так и в гетерогенных БСС.
