📄Работа №206851
Тема: Беспроводные сенсорные сети: принципы организации, алгоритмы выбора головного узла и кластеризации
Тип работы
Дипломные работы, ВКР
Предмет
Программирование
Объем:
50 листов
Год:
2020
Просмотров:
29
4500
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
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
📖 Введение
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.
✅ Заключение
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.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.