Способ распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети. Беспроводные сенсорные сети Распределенные сенсорные сети

Общие сведения

Беспроводные сенсорные сети получили большое развитие в последнее время. Такие сети, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором и сенсором, могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир. Концепция беспроводных сенсорных сетей привлекает внимание многих ученых, исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечило большой поток научных работ по данной тематике. Большой интерес к изучению таких систем обусловлен широкими возможностями применения сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети, в частности, могут использоваться для предсказания отказа оборудования в аэрокосмических системах и 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.

Железо

Из-за отсутствия четкой стандартизации в сенсорных сетях, существует несколько различных платформ. Все платформы отвечают основным базовым требованиям к сенсорным сетям: малая потребляемая мощность, длительное время работы, маломощные приемо-передатчики и наличие сенсоров. К основным платформам можно отнести MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.

MicaZ

• Микропроцессор: Atmel ATmega128L
• 7.3728 Мгц частота
• 128 Кб флеш-памяти для программ
• 4 Кб SRAM для данных
• 2 UART’s
• SPI шина
• I2С шина
• Радио: ChipCon CC2420
• Внешняя флеш-память: 512 Кб
• 51-pin дополнительный коннектор
• восемь 10-битовых аналоговых I/O
• 21 цифровых I/O
• Три программируемых LEDs
• JTAG порт
• Питание от двух батарей AA

• Микропроцессор: MSP430 F1611
• 8 Мгц частота
• 48 Кб флеш-памяти для программ
• 10 Кб RAM для данных
• SPI шина
• Втроенный 12-битовый ADC/DAC
• DMA контроллер
• Радио: ChipCon CC2420
• Внешняя флеш-память: 1024 Кб
• 16-pin дополнительный коннектор
• Три программируемых LEDs
• JTAG порт
• Опционально: Сенсоры освещенности, влажности, температуры.
• Питание от двух батарей AA

• 320/416/520 МГц PXA271 XScale микропроцессор
• 32 Мбайта Флеш-памяти
• 32 Мбайта ОЗУ
• Mini-USB интерфейс
• I-Mote2 коннектор для внешних устройств(31+21 pin)
• Radio: ChipCon CC2420
• Светодиодные индикаторы
• Питание от трех батарей AAA

Наиболее распространенным 3 года назад было использование чипсета CC2420 в качестве маломощного приемо-передатчика.

Программное обеспечение и передача данных

Никаких стандартов в области программного обеспечения в сенсорных сетях нет. Существует несколько сотен различных протоколов обработки и передачи данных, а также систем управления узлами. Наиболее распространенной операционной системой является система с открытым кодом – TinyOs (будучи в Стэнфордстком университете, лично познакомился с одним из разработчиков). Многие разработчики (особенно это касается коммерческих систем) пишут свою систему управления, часто на языке Java.

Программа управления сенсорного узла под управлением операционной системы TinyOs пишется на языке nesC.

Стоить отметить, что из-за дороговизны оборудования и сложности настройки сенсорных сетей, широкое распространение получили различные системы моделирования, в частности система TOSSIM, специально разработанная для моделирования работы узлов под управлением TinyOs.

Заключение

Я работал с сенсорными сетями на протяжении 6 лет и могу многое рассказать про эти технологии. Если Хабрасообществу будет интересно и у меня будет возможность, то я с удовольствием напишу серию статей на эту тему. Могу затронуть такие вещи как: реальная работа с платформой TmoteSky, особенности программирования под систему TinyOs на языке nesC, оригинальные результаты исследований, полученных в нашей лаборатории, впечатления о 1.5 месяцах работы в Стэнфордском университете, в проекте по сенсорным сетям.

Всем спасибо за внимание, с удовольствием отвечу на Ваши вопросы.

Беспроводные сенсорные сети: обзор

Акулдиз И.Ф.

Перевод с английского: Левжинский А.С.

Аннотация

Статья описывает концепции сенсорных сетей, реализация которых стала возможна в результате объединения миктроэлектро-механических систем, беспроводной связи и цифровой электроники. Изучены задачи и потенциал сенсорных сетей, сделан обзор фактов влияющих на их разработку. Также рассмотрена архитектура построения сенсорных сетей, разработанные алгоритмы и протоколы для каждого слоя архитектуры. В статье исследованы вопросы о реализации сенсорных сетей.

1. Введение

Последние достижения в области технологий микро-электро-механических систем (MEMS), беспроводной связи и цифровой электроники позволили создавать недорогие, маломощные, многофункциональные моты (узлы), они небольшие и «общаются» непосредственно друг с другом. Сенсорных сети основанных на совместной работе большого числа крошечных узлов, которые состоят из модулей сбора и обработки данных, передатчика. Такие сети имеет значительные преимущества перед набором традиционных датчиков. Вот две ключевые особенности традиционных датчиков: Датчики могут быть расположены далеко от наблюдаемого явления. При таком подходе требуется много датчиков, которые используют некоторые сложные методы, чтобы выделить цели из шума.
Можно развернуть несколько датчиков, которые выполняют только сбор данных. Тщательно разработать позиции датчиков и топологию. Они будут передавать наблюдения в центральные узлы, где и будет выполняются сбор и обработка данных.
Сенсорная сеть состоит из большого числа узлов (мотов), которые густо расположены близко к наблюдаемому явлению. Положение мотов не нужно предварительно рассчитывать. Это позволяет случайным образом располагать их в труднодоступных местностях или использовать для операций по оказанию помощи, которые требуют быстрого реагирования. С другой стороны, это означает, что сетевые протоколы и алгоритмы работы мотов должны обладать возможностью самоорганизации. Еще одной уникальной особенностью сенсорных сетей является совместная работы отдельных узлов. Моты оснащены процессором. Поэтому вместо передачи исходных данных, они могут их обрабатывать, выполняя простые вычисления и передавать далее только необходимые и частично обработанные данные. Описанные выше особенности обеспечивают широкий спектр применения сенсорных сетей. Такие сети можно применять в здравоохранении, для военных нужд и безопасности. Например, физиологические данные о пациенте может контролироваться удаленно врачом. Это удобно как для пациента, так и позволяет врачу понять его текущее состояние. Сенсорные сети могут быть использованы для выявления инородных химических агентов в воздухе и воде. Они могут помочь определить тип, концентрацию и расположение загрязнителей. В сущности, сенсорные сети позволяют лучше понять окружающую среду. Мы предполагаем, что в будущем, беспроводные сенсорные сети будут неотъемлемой частью нашей жизни, более, чем современных персональных компьютеры. Реализация этих и других проектов, требующих использование беспроводных сенсорных сетей, требуют специальных методов. Многие протоколы и алгоритмы были разработаны для традиционных беспроводных одноранговых сетей, поэтому они не очень хорошо подходит для уникальных особенностей и требований сенсорных сетей. Приведем различия сенсорных и одноранговых сетей: Количество узлов сенсорной сети может быть на несколько порядков выше, чем узлов в одноранговой сети.
Узлы плотно расположены.
Узлы подвержены сбоям.
Топология сенсорных сетей может часто изменяться
Узлы в основном используют широковещательные сообщения, в то время как большинство одноранговых сетей основаны на связи "точка-точка".
Узлы ограничены в питании, вычислительных мощностях, и памяти.
Узлы не могут иметь глобальный идентификационный номер (ИН) из-за большого количества накладных расходов и большого количества датчиков.
Так как узлы в сети расположены плотно, соседние узлы могут оказаться очень близко друг к другу. Следовательно, multi-hop связи в сенсорных сетях будут потреблять меньше энергии, чем прямые связи. Кроме того, можно использовать низкую мощность сигнала передачи данных, что полезно в скрытых наблюдениях. Multi-hop связи могут эффективно преодолевать некоторые трудности при распространении сигнала на дальние расстояния в беспроводной связи. Одним из наиболее важных ограничений для узлов является малое потребление энергии. Моты имеют ограниченные источники энергии. Итак, в то время как традиционные сети направлены на достижение высокого качества сигнала, сетевые протоколы мотов должны сосредоточиться главным образом на сохранение энергии. Они должны обладать механизмами, которые дают пользователю возможность продления времени жизни мота за счет либо снижения пропускной способности, либо увеличения времени задержки передачи данных. Многие исследователи в настоящее время участвуют в разработке схем, которые выполняют эти требования. В данной статье мы сделаем обзор протоколов и алгоритмов, существующих в настоящее время для сенсорных сетей. Наша цель – предоставить лучшее понимание текущих вопросов научных исследований в этой области. Мы также попытаемся исследовать ограничения, накладываемые на разработку, и выявить инструменты, которые можно использовать для решения задач проектирования. Статья организована так: во втором разделе, мы опишем потенциала и полезность сенсорных сетей. В разделе 3 мы обсудим факторы, которые влияют на проектирование таких сети. Подробное исследование существующих методик в этой области рассмотрим в разделе 4. И подведем итоги в 5 разделе.

2. Применение беспроводных сенсорных сетей

Сенсорные сети могут состоять из различных типов датчиков, например сейсмических, датчиков определения магнитного поля, тепловых, инфракрасных, акустических, которые в состоянии осуществлять самые разнообразные измерения условий окружающей среды. Например, такие как :
температура,
влажность,
автомобильное движение,
состояние молнии,
давление,
состав почвы,
уровень шума,
наличие или отсутствие некоторых объектов,
механическая нагрузка
динамические характеристики, такие как скорость, направление и размер объекта.
Моты могут использоваться для непрерывного зондирования, обнаружения и идентификации событий. Концепция микро зондирования и беспроводное соединение обещают много новых областей применения для таких сетей. Мы классифицировали их по основным направлениям: военное применение, исследование окружающей среды, здравоохранение, использование в домах и других коммерческих областях. Но можно расширить эту классификацию и добавить больше категорий, например исследование космического пространства, химическая обработка и ликвидации последствий стихийных бедствий.

2.1. Военное применение

Беспроводные сенсорные сети могут быть неотъемлемой частью военного управления, связи, разведки, наблюдения и систем ориентирование (C4ISRT). Быстрое развертывание, самоорганизации и отказоустойчивость – это характеристики сенсорных сетей, которые делают их перспективным инструментом для решения поставленных задач. Поскольку сенсорные сети могу быть основаны на плотном развертывании одноразовых и дешевых узлов, то уничтожение некоторых их них во время военных действий не повлияет на военную операцию так, как уничтожение традиционных датчик. Поэтому использование сенсорных сетей лучше подходит для сражений. Перечислим еще некоторые способы применение таких сетей: мониторинг вооружения и боеприпасов дружественных сил, наблюдение за боем; ориентация на местности; оценка ущерба от битв; обнаружение ядерных, биологических и химических атак. Мониторинг дружественных силы, вооружения и боеприпасов: лидеры и командиры могут постоянно контролировать состояние своих войск, состояние и наличие оборудования и боеприпасов на поле боя с помощью сенсорных сетей. К каждому транспортному средству, оборудованию и важным боеприпасам могут быть прикреплены датчики, которые сообщают их статус. Эти данные собирается вместе в ключевых узлах, и направляются руководителям. Данные также могут быть переадресованы на верхние уровни иерархии командования для объединения с данными из других частей. Наблюдения боя: критические участки, пути, маршруты и проливы могут быть быстро покрыты сенсорными сетями для изучения деятельности сил противника. Во время операций или после разработки новых планов сенсорные сети могут быть развернуты в любое время для наблюдения за боем. Разведка сил противника и местности: Сенсорные сети могут быть развернуты на критических территориях, и могут быть собраны в течении нескольких минут ценные, подробные и своевременные данные о силах противника и местности, прежде чем враг сможет их перехватить. Ориентация: сенсорные сети могут быть использованы в системах наведения интеллектуальных боеприпасов. Оценка ущерба после боя: непосредственно перед или после нападения, сенсорные сети могут быть развернуты в целевой области для сбора данных об оценке ущерба. Обнаружение ядерных, биологических и химических атак: при применении химического или биологического оружия, использование которого близко к нулю, важное значение иметь своевременное и точное определение химических агентов. Могут быть использованы сенсорные сети в качестве систем предупреждения химических или биологических атак и данные собранные в короткие сроки помогут резко уменьшить количество жертв. Также можно использовать сенсорные сети для подробной разведки, после обнаружения таких атак. Например, можно осуществлять разведку в случае радиационных заражений не подвергая людей радиации.

2.2. Экологическое применение

Некоторые из направлений в экологии, где применяют сенсорные сетей: отслеживание движения птиц, мелких животных и насекомых; мониторинг состояния окружающей среды, с целью выявления ее влияния на сельскохозяйственные культуры и скота; орошения; широкомасштабный мониторинга земли и исследования планет; химическое / биологическое обнаружение; обнаружение лесных пожаров; метеорологические или геофизические исследования; обнаружение наводнений; и исследование загрязнения . Обнаружение лесных пожаров: поскольку моты могут быть стратегически и плотно развернуты в лесу, то они могут ретранслировать точное происхождение огня до того, как пожар станет неконтролируемым. Миллионы датчик могут быть развернуты на постоянной основе. Они могут быть оснащены солнечными батареи, т.к узлы могут быть оставлены без присмотра на месяцы и даже годы. Моты будут работать сообща для выполнения задач распределенного зондирования и преодоления препятствий, таких как деревья и скалы, которые блокируют работу проводных датчиков. Отображение био состояния окружающей среды : требует сложных подходов к интеграции информации во временных и пространственных масштабах . Прогресс в области технологии дистанционного зондирования и автоматизированный сбор данных, позволили значительно снизить затраты на исследования . Преимущество данных сетей в том, что узлы могут быть соединены с Интернетом, который позволяет удаленным пользователям осуществлять контроль, мониторинг и наблюдения за окружающей средой. Хотя спутниковые и бортовые датчики являются полезными в наблюдении за большим разнообразием, например, пространственной сложности видов доминирующих растений, они не позволяют наблюдать за мелкими элементами, которые составляет большую часть экосистемы . В результате возникает потребность в развертывании на местах узлов беспроводных сенсорных сетей. Одним из примеров применения это составление биологической карты окружающей среды в заповеднике в Южной Калифорнии . Три участка покрыты сетью, в каждой их которых по 25-100 узлов, которые используются для постоянного наблюдения за состоянием окружающей среды. Обнаружение наводнений : примером обнаружения наводнений является система оповещения в США. Несколько типов датчиков, размещенных в системе оповещения, определяют уровень осадков, уровень воды и погоду. Научно-исследовательские проекты, такие как COUGAR Device Database Project в Корнельском университете и проект DataSpace в Университете Rutgers , изучают различные подходы к взаимодействию с отдельными узлами в сети для получения снимков и долго собираемых данных. Сельское хозяйство: преимуществом сенсорных сетей также является возможность контролировать уровень пестицидов в воде, уровень эрозии почвы и уровень загрязнения воздуха в режиме реального времени.

2.3. Применение в медицине

Одним из применений в медицине является устройства для инвалидов; мониторинг пациентов; диагностика; мониторинг использования медикаментов в больницах; сбор физиологических данных человека; и мониторинга врачей и пациентов в больницах . Мониторинг физиологического состояния человека: физиологические данные, собранные сенсорными сетями могут храниться в течение длительного периода времени и могут использоваться для медицинского исследования . Установленные узлы сети могут также отслеживать движения пожилых людей и, например, предупреждать падения . Эти узлы невелики и обеспечивают пациенту большую свободу передвижения, в тоже время позволяют врачам выявить симптомы болезни заранее . Кроме того, они способствуют обеспечению более комфортной жизни для пациентов в сравнении с лечением в больнице . Для проверки возможности такой системы на факультете медицины Grenoble–France был создан “Здоровый умный дом "". . Мониторинг врачей и пациентов в больнице: каждый пациент имеет небольшой и легкий узел сети. Каждый узел имеет свою конкретную задачу. Например, один может следить за сердечным ритмом, в то время как другой снимает показания кровяного давления. Врачи могут также иметь такой узел, он позволит другим врачам найти их в больнице. Мониторинг медикаментов в больницах: Узлы могут быть присоединены к лекарствам, тогда шансы выдачи неправильного лекарства, могут быть сведены к минимуму. Так, пациенты будут иметь узлы, которые определяют их аллергию и необходимые лекарства. Компьютеризированные системы, как описано в показали, что они могут помочь свести к минимуму побочные эффекты от ошибочной выдачи препаратов.

2.4. Применение в доме

Автоматизация дома: смарт-узлы могут быть интегрированы в бытовые приборы, например в пылесосы, микроволновые печи, холодильники и видеомагнитофоны . Они могут взаимодействовать друг с другом и с внешней сетью через Интернет или спутник. Это позволит конечным пользователям легко управлять устройствами дома как локально, так и удаленно. Умная окружающая среда: дизайн смарт-среды может иметь два различных подхода, т.е., ориентированного на человека или на технологии. В случае первого подхода, смарт-среда должна адаптироваться к потребностям конечных пользователей с точки зрения взаимодействия с ними. Для технологически-центрированных систем должны быть разработаны новые аппаратные технологий, сетевые решений, и промежуточные приложения. Примеры того, как узлы могут быть использованы для создания смарт-среды описана в . Узлы могут быть встроены в мебель и технику, они могут общаться друг с другом и сервером комнаты. Сервер комнаты может также общаться с другими серверами комнат, чтобы узнать о услугах, которые они могут предложить, например, печать, сканирование и работа с факсом. Эти сервера и сенсорные узлы могут быть интегрированы в существующие встраиваемые устройства и составлять самоорганизующиеся, саморегулируемые и адаптивные системы, основанные на модели теории управления, как описано в работе .

3. Факторы, влияющие на разработку моделей сенсорных сетей.

Разработка сенсорных сетей зависит от многих факторов, которые включают в себя отказоустойчивость, масштабируемость, издержек производства, вид операционной среды, топологию сенсорной сети, аппаратные ограничения, модель передачи информации и потребление энергии. Эти факторы рассматриваются многими исследователями. Однако ни в одном из этих исследований полностью не учтены все факторы, которые влияют на разработку сетей. Они важны, поскольку служат в качестве ориентира для разработки протокола или алгоритмов работы сенсорных сетей. Кроме того, эти факторы могут быть использованы для сравнения различных моделей.

3.1. Отказоустойчивость

Некоторые узлы могут выйти из строя из-за отсутствия энергии, физических повреждений или стороннего вмешательства. Отказ узла не должен повлиять на работу сенсорной сети. Это вопрос надежности и отказоустойчивости. Отказоустойчивость - способность поддерживать функциональность сенсорной сети без сбоев при выходу из строя узла . Надежность Rk(t) или отказоустойчивости узла моделируется в с помощью распределения Пуассона для определения вероятности отсутствия неисправности узла в период времени (0; t) Стоит обратить внимание на то, что протоколы и алгоритмы могут быть ориентированы на уровень отказоустойчивости, требуемый для построения сенсорных сетей. Если среда, в которой узлы размещены мало подвержена вмешательствам, то протоколы могут быть менее отакзоустоичивыми. Например, если узлы внедряются в дом, чтобы следить за влажностью и уровнем температуры, требования к отказоустойчивости может быть низким, поскольку такого рода сенсорные сети не могут выйти из строя и «шум» окружающей среды не влияет на их работу. С другой стороны, если узлы используются на поле боя для наблюдения, то отказоустойчивость должна быть высокой, поскольку наблюдения являются критически важными и узлы могут быть уничтожены во время военных действий. В результате, уровень отказоустойчивости зависит от применения сенсорных сетей и модели должны быть разработаны с учетом этого.

3.2. Масштабируемость

Количество узлов развернутых для изучения явления может быть порядка сотен или тысяч. В зависимости от приложения, число может достигать экстремальных значений (миллионов). Новые модели должны быть в состоянии работать с этим числом узлов. Они также должны использовать высокую плотность сенсорных сетей, которая может варьироваться от нескольких узлов до нескольких сотен на участке, который может быть меньше 10 м в диаметре . Плотность может быть рассчитана в соответствии с ,

3.3. Расходы на производство

Так как сенсорные сети состоят из большого количества узлов, то стоимость одного узла должна быть такой, чтобы оправдать общую стоимость сети. Если стоимость сети выше, чем развертывание традиционных датчиков, то она не экономически оправданна. В результате, стоимость каждого узла должна быть низкой. Сейчас стоимость узла с использованием Bluetooth-передатчика менее 10$ . Цена на PicoNode в районе 1$ . Следовательно, стоимость узла сенсорной сети должна быть гораздо меньше, чем 1 $ для экономической оправданности их использования. Стоимость Bluetooth-узла, который считается дешевым устройством, в 10 раз выше, чем средние цены на узлы сенсорной сети. Обратите внимание, что узел также имеет некоторые дополнительные модули, такие как модуль сбора данных и модуль обработки данных (описано в разделе 3.4.) Кроме того они могут быть оборудованы системой определения местонахождения или силовым генератором в зависимости от применения сенсорных сетей. В результате стоимость узла - сложный вопрос, учитывая количество функциональных возможностей даже при цена менее 1 $.

3.4. Аппаратные особенности

Узел сенсорных сетей состоят из четырех основных компонентов, как показано на рис. 1: блок сбора данных, блок обработки, передатчик и блок питания. Наличие дополнительных модулей зависит от применения сетей, например, могут быть модули определения местонахождения, силовой генератор и мобилизатор (MAC). Модуль сбора данных, как правило, состоят из двух частей: датчики и аналого-цифровой преобразователей (АЦП). Аналоговый сигнал, генерируемый датчиком на основе наблюдаемого явления, преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП, а затем подается в блок обработки. Модуль обработки, который использует интегрированную память, управляет процедурами, которые позволяют совместно с другими узлами выполнять поставленные задачи наблюдения. Блок передатчика (трансивер) соединяет узел с сетью. Одним из наиболее важных компонентов узла является блок питания. Блок питания может иметь возможность подзарядки, например, используя солнечные батареи.

Большинству узлов, передающих данные и собирающих данные, необходимо знать свое местоположение с высокой точностью. Поэтому в общую схему включен модуль определения местоположения. Иногда может понадобиться мобилизатор, который при необходимости перемещает узел, когда это необходимо для выполнения поставленных задач. Все эти модули, возможно, потребуется разместить в корпус размером со спичечный коробок . Размер узла может быть меньше кубического сантиметра и достаточно легким, чтобы оставаться в воздухе. Помимо размера, есть некоторые другие жесткие ограничения для узлов. Они должны :
потребляют очень мало энергии,
работать с большим количеством узлов на малых расстояниях,
иметь низкую стоимость производства
быть автономными и работать без присмотра,
адаптироваться к окружающей среде.
Поскольку узлы могут становиться недоступными, жизни сенсорной сети зависит от питания отдельных узлов. Питание ограниченный ресурс и из-з а ограничений по размеру. Например, общий запас энергии смарт-узла составляет порядка 1 Дж . Для беспроводной интегрированной сети датчиков (WINS) средний уровень заряда, для обеспечения длительного времени работы должен быть меньше 30 LA. Возможно, продлить срок службы сенсорных сетей используя подзаряжаемые батареи , например, получая энергию из окружающей среды. Солнечные батареи – яркий пример использования подзарядки. Модуль передачи данных узла может быть пассивным или активным оптическим устройством, как в смарт-узле или радиочастотным (RF) передатчиком. Для радиочастотной передачи нужен модуль модуляции, который использует определенную полосу пропускания, модуль фильтрация, демодуляция, что делает их более сложными и дорогими. Кроме того, возможны потери при передаче данных между двумя узлами из-за того, что антенны распложены близко к земле . Тем не менее, радиосвязь является предпочтительной в большинстве существующих проектов сенсорных сетей, так как частот передачи данных низкие (как правило, менее 1 Гц) , а частота циклов передачи высока из-за малых расстояний. Эти характеристики позволяют использовать низкие радиочастоты. Однако, проектирование энергоэффективных и низкочастотных радиопередатчиков по-прежнему является технически сложной задачей, а существующие технологии, которые используются при производстве Bluetooth устройства, не является достаточно эффективным для сенсорных сетей, поскольку потребляют много энергии . Хотя в настоящее процессоры постоянно уменьшают свои габариты и увеличивают мощность, обработка и хранения данных узлом по-прежнему является его слабым местом. Например, модуль обработки смарт-узла состоит из процессора 4 МГц Atmel AVR8535, микроконтроллера с 8 Кбайт для инструкций, флэш-памяти, 512 байт RAM и 512 байт EEPROM . В этом модуле, который имеет 3500 байт под ОС и 4500 байт свободной памяти под код, используется операционная система TinyOS. Модуль обработки другого прототипа узла lAMPS имеет процессор SA-1110 с частотой 59-206 МГц . На узлах IAMPS используется многопоточная операционная система L-OS. Большинство задач сбора данных требуют знаний позиции узла. Поскольку узлы, как правило, располагаются случайным образом и без надзора, они должны кооперироваться с помощью системы определения местоположения. Определение местоположения используется во многих протоколах маршрутизации сенсорных сетей (подробнее в разделе 4). Некоторые предлагают, чтобы каждый узел имел модуль системы глобального позиционирования (GPS), который работает с точностью до 5 метров . В работе утверждается, что оснащение всех узлов GPS не обязательно для работы сенсорных сетей. Есть альтернативный подход, где только некоторые узлы используют GPS и помогают другим узлам, определить свое положение на местности.

3.5. Топология сети

Наличие того факта, что узлов могут стать недоступными и подвержены частым сбои, делают обслуживание сети сложной задачей. От сотни до нескольких тысяч узлов могут быть размещены на территории сенсорной сети. Они развертываются в десятке метров друг от друга . Плотность расположения узлов может быть и выше, чем 20 узлов на метр кубический . Плотное расположение множества узлов требует тщательного обслуживания сети. Мы рассмотрим вопросы, связанные с обслуживанием и изменением топологии сети в три этапа:

3.5.1. Предварительное развертывание и само развертывание узлов может заключаться в массовом разбросе узлов или установке каждого по отдельности. Они могут быть развернуты:

Разбросом с самолета,
посредством помещения в ракету или снаряд
выброшены посредством катапульты (например, с корабля и т.д.),
размещение на заводе
каждый узел размещен по отдельности человеком или роботом.
Несмотря на то, что огромное количество датчиков и их автоматическое развертывание обычно исключает размещение их в соответствии с тщательно разработанным планом, схемы для первоначального развертывания должны:
сокращать расходы на монтаж,
устранять необходимость в какой-либо предварительной организации и предварительном планировании,
повышать гибкости размещения,
способствовать самоорганизации и отказоустойчивости.

3.5.2. Фаза после развертывания сети

После развертывания сети, изменение ее топологии связано с изменением характеристик узлов . Перечислим их:
положение,
доступность (из-за помех, шума, движущихся препятствий, и т.д.),
заряда батареи,
неисправности
изменение поставленных задач.
Узлы могут быть развернуты статически. Однако, отказ устройств является обычным явлением в связи с разрядкой батареи или уничтожения. Возможны сенсорные сети с высокой подвижностью узлов. Кроме того, узлы и сети выполняют различные задачи и могут быть подвергнуты преднамеренным помехам. Таким образом, структура сенсорной сети склонна к частым изменениям после развертывания.

3.5.3. Фаза развертывания дополнительных узлов

Дополнительные узлы могут быть добавлены в любой момент для замены неисправных узлов или в связи с изменением задач. Добавление новыхузлов создает необходимость реорганизации сети. Борьба с частыми изменениями в топологии одноранговой сети, которая содержит множество узлов и имеет очень жесткие ограничения по энергопотреблению, требует специальных протоколов маршрутизации. Этот вопрос подробнее рассмотрен в разделе 4.

3.6. Окружающая среда

Узлы плотно располагаются очень близко или непосредственно внутри наблюдаемого явления. Таким образом, они работают без присмотра в удаленных географических районах. Они могут работать
на оживленных перекрестках,
внутри больших машин,
на дне океана,
внутри торнадо,
на поверхности океана во время торнадо,
в биологически и химически загрязненных областях
в поле боя,
в доме или большое здание,
на большом складе,
прикрепленными к животным,
прикрепленными к быстро движущимся транспортным средствам
в канализации или реке вместе с потоком воды.
Этот список дает представление о том, при каких условиях узлы могут работать. Они могут работать под высоким давлением на дне океана, в суровых условиях, среди мусора или в поле боя, при экстремальных температурах, например в сопле двигателя самолета или в арктических регионах, в очень шумных местах, где много помех.

3.7. Способы передачи данных

В сенсорной сети multi-hop, узлы общаются посредством беспроводной связи. Связь может осуществляться посредством радио, ИК-порта или оптических носителей. Для того чтобы глобально использовать эти способы среда передачи должна быть доступна во всем мире. Один из вариантов радиосвязи является использование промышленных, научных и медицинских полос (ISM), которые доступны без лицензий в большинстве стран. Некоторые виды частот, которые могут быть использованы, описаны в международный таблица частот, содержащейся в статье S5 о регламенте радиосвязи (том 1). Некоторые из этих частот, уже используются в беспроводной телефонии и беспроводных локальных сетях (WLAN). Для сенсорных сетей малого размера и низкой стоимости, усилитель сигнала не требуется. Согласно , аппаратные ограничения и нахождения компромисса между эффективностью антенны и потреблением энергии накладывают определенные ограничения на выбор частоты передачи в диапазоне сверхвысоких частот. Они также предлагают использование частоты 433 МГц ISM в Европе и 915 МГц ISM в Северной Америке. Возможные модели передатчиков для этих двух зон рассматриваются в . Основными преимуществами использования радио частот ISM является широкий спектр частот и доступность по всему миру. Они не привязаны к конкретному стандарту, тем самым дают большую свободу для реализации энергосберегающих стратегий в сенсорных сетях. С другой стороны, существуют различные правила и ограничения, такие как различные законы и помехи от существующих приложений. Эти полосы частот также называют нерегулируемыми частотами. Большинство из современного оборудования для узлов основывается на использовании радиопередатчиков. Беспроводные узлы IAMPS, описанной в , использует Bluetooth-совместимые передатчики с частотой 2,4 ГГц и имеют интегрированный синтезатор частоты. Устройство маломощных узлов описано в работе , они использует один канал радиопередачи, который работает на частоте 916МГц. В архитектуре WINS также используется радиосвязь. Другой возможный способ связи в сенсорных сетях является ИК-порт. ИК-связь доступна без лицензии и защищена от помех электрических приборов. ИК-передатчики дешевле и проще в производстве. Многие из сегодняшних ноутбуков, КПК и мобильных телефонов используют ИК-интерфейс для передачи данных. Основным недостатком такой связи, это требование прямой видимости между отправителем и получателем. Это делает ИК-связь нежелательной для использования в сенсорных сетях из-за среды передачи. Интересный способ передачи используют смарт-узыл, которые являются модулями автоматического мониторинга и обработки данных. Они используют для передачи оптическую среду. Есть две схемы передачи, пассивная с использованием corner-cube retroreflector (CCR) и активная с использованием лазерного диода и управляемых зеркал (рассмотрено в ). В первом случае не требуется интегрированный источник света, для передачи сигнала используется конфигурации из трех зеркал (CCR). Активный метод использует лазерный диод и систему активной лазерной связи, для отправки световых лучей предполагаемому приемнику. Необычные требования к применению сенсорных сетей делают выбор среды передачи сложной. Например, морские приложения требуют использования водной среде передачи. Здесь нужно использовать длинноволновые излучения, которые могут проникать сквозь поверхности воды. В труднодоступной местности или на поле боя могут возникнуть ошибки и больше помехи. Кроме того может оказаться что, антенны узлов не обладают нужной высотой и мощностью излучения для связи с другими устройствами. Следовательно, выбор передающей среды должны сопровождаться надежными схемами модуляции и кодирования, что зависеть от характеристик передающего канала.

3.8. Мощность потребления

Беспроводной узел, будучи микроэлектронным устройством, может быть оснащен только ограниченным источником питания (

3.8.1. Связь

Узел расходует максимум энергии на связь, которая предполагает как передачу, так и прием данных. Можно сказать, что для связи на небольшие расстояния с малой мощностью излучения передача и прием требуют примерно одинакового количества энергии. Синтезаторы частот, осцилляторы управления напряжением, фазы блокировки (PLL) и усилители мощности, все это требует энергии, ресурсы которой ограничены. Важно, что при этом мы не рассматриваем только активную мощность, также рассматривается и потребление электроэнергии при запуске передатчиков. Запуск передатчика занимает доли секунды, поэтому при этом потребляется ничтожно малое количество энергии. Это значение может быть сравнимо со временем блокировки PLL. Однако, при уменьшении передаваемого пакета, мощность запуска начинает доминировать в потреблении энергии. В итоге, неэффективно постоянно включать и выключать передатчик, т.к. большая часть энергии уйдет именно на это. В настоящее время радиопередатчики с низким энергопотреблением имеют стандартные значения Pt и Pr на уровне 20 дБм и Pout близкий к 0 дБм . Обратите внимание, что PicoRadio направленное на Pc составляет -20 дБм. Дизайн малогабаритных, недорогих, передатчиков обсуждается в источнике . Основываясь на их результатах, авторы данной статьи, учитывая бюджет и оценки энергопотребления считают, что значения Pt и Pr должны быть по меньшей мере на порядок меньше, чем значения, приведенные выше.

3.8.2. Обработка данных

Расход энергии при обработке данных значительно меньше в сравнении с передачей данных. Пример, описанный в работе фактически иллюстрирует это несоответствие. Основываясь на теории Рэлея, что при передаче четверть мощности теряется, можно сделать вывод о том, что расход энергии на передачу 1 КБ на расстояние 100 м буде примерно такой же, что и на выполнение 3 миллионов инструкций со скоростью 100 миллионов инструкций в секунду (MIPS)/W процессором. Следовательно, локальная обработка данных имеет решающее значение для минимизации потребления энергии в multi-hop сенсорной сети. Поэтому узлы должны иметь встроенные вычислительные возможности и быть способными взаимодействовать с окружением. Ограничения стоимости и размера приведет нас к выбору полупроводников (CMOS) в качестве основной технологи для микропроцессоров. К сожалению, они имеет ограничения на эффективность использования энергии. CMOS требует энергии каждый раз при смене состояния. Энергия, требуемая на смену состояний, пропорциональная частоте переключений, емкости (зависит от площади) и колебаниям напряжения. Следовательно, уменьшение напряжения питания является эффективным средством снижения потребления энергии в активном состоянии. Динамическое масштабирование напряжения рассмотренное в , стремится адаптировать питания и частоту процессора в соответствии с рабочей нагрузки. Когда на микропроцессор снижается вычислительная нагрузка, простое сокращение частоты дает линейное уменьшение потребляемой энергии, однако, уменьшение рабочего напряжения дает нам квадратичное снижение энергозатрат. С другой стороны не будет использоваться вся возможная производительность процессора. Это даст результат, если принять во внимание то, что пиковая производительность требуется не всегда и поэтому, рабочее напряжение и частота процессора может быть динамически адаптирована к требованиям обработки. В авторы предлагают схемы предсказания рабочей нагрузки, основанной на адаптивной обработки существующих профилей нагрузки и на анализе нескольких уже созданных схем. Другие стратегии снижения мощности процессора обсуждаются в . Следует отметить, что могут использоваться дополнительные схемы для кодирования и декодирования данных. Интегральные схемы также могут использоваться в некоторых случаях. Во всех этих сценариях, структура сенсорной сети, алгоритмы работы и протоколы зависят от соответствующих энергозатрат.

4. Архитектура сенсорных сетей

Узлы, как правило, расположены случайным образом по всей территории наблюдения. Каждый из них может осуществлять сбор данных и знает маршрут передачи данных обратно в центральный узел, конечному пользователю. Данные передаются с помощью multi-hop архитектуре сети. Центральный узел может общаться с менеджером задач через Интернет или спутник. Стек протоколов, используемый центральным узлом и всеми остальными узлами, приведен на рис. 3. Стек протоколов включают в себя информацию о мощности и информации о маршрутах, содержит данные о сетевых протоколах, помогает эффективно общаться посредствам беспроводной среды, и содействует совместной работе узлов. Стек протоколов состоит из уровня приложений, транспортного уровня, сетевого уровня, канального уровня, физического уровня, слоя управления питанием, слоя управления мобильностью и слоя планирования задач. В зависимости от задач по сбору данных, различные виды прикладного программного обеспечения могут быть построены на уровне приложений. транспортный уровень помогает поддерживать поток данных, если это требуется. Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию данных, предоставленных транспортным уровнем. Поскольку среда имеет посторонние шумы и узлы могут быть перемещены, протокол MAC должен минимизировать возникновение коллизий при передаче данных между соседними узлами. Физический уровень отвечает за возможность передачи информации. Эти протоколы помогают узлам выполнять задачи при экономии электроэнергии. Слой управления питанием определяет, как узел должен использовать энергию. Например, узел может отключить приемник после получения сообщения от одного из своих соседей. Это поможет избежать получения дубликата сообщения. Кроме того, когда узел имеет низкий заряд батареи он передает своим соседям информацию о том, что не может участвовать в маршрутизации сообщений. Всю оставшуюся энергию он будет использовать для сбора данных. Слой управления мобильностью (MAC) определяет и регистрирует передвижение узлов, поэтому всегда существует маршрут для передачи данных в центральный узел и узлы могут определять своих соседей. А зная своих соседей узел может сбалансировать энергопотребление работая совместно с ними. Менеджер задач планирует и составляет расписания сбора информации для каждого региона отдельно. Не все узлы в одном регионе необходимы для выполнения задач зондирования в одно и то же время. Как результат, некоторые узлы выполняют больше задач, чем другие, это зависит от их мощности. Эти все слои и модули необходимы для того чтобы узлы работали вместе и стремились к максимальной энергоэффективности, оптимизации маршрута передачи данных в сети, а также совместно использовали ресурсы друг друга. Без них, каждый узел будет работать индивидуально. С точки зрения всей сенсорной сети эффективнее, если узлы будут работать совместно друг с другом, что способствует продлению времени жизни самой сетей. Прежде чем обсуждать необходимость включения в протокол модулей и слоев управления, мы рассмотрим три существующих работы , посвященных стеку протоколов, который показан на рисунке 3. Модель WINS, рассмотренная в источнике , в которой узлы объединены в распределенную сети и имею доступ в Интернет. Так как большое количество узлов сети WINS расположены на малом расстоянии друг от друга, то multi-hop связи сводят потребление энергии к минимуму. Полученные узлом сведения об окружающей среде последовательно направляются в центральный узел или шлюз WINS через другие узлы так, как это показано на рис 2 для узлов A, B, C, D и Е. Шлюз WINS общается с пользователем через обычные сетевые протоколы, такие как Интернет. Стек протоколов сети WINS состоит из уровня приложений, сетевого уровень, MAC-слоя, и физического уровня. Смарт-узлы (или пылинки) . Данные узлы, могут быть присоединены к объектам или даже парить в воздухе благодаря их небольшим размерам и весу. Они используют технологию MEMS для оптической связи и сбора данных. Пылинки могут иметь солнечные батареи для подзарядки в течение дня. Они требуют прямой видимости для связи с оптическим передатчиком базовая станция или другой пылинки. Сравнивая архитектуру сети с пылинками с представленной на рисунке 2, можно сказать, что смарт-узлы, как правило, напрямую связывается с передатчиком базовой станции, но связь один к оному также возможна. При другом подходе к разработке протоколов и алгоритмов для сенсорных сетей обусловлен требованиями физического уровня . Протоколы и алгоритмы должны быть разработаны в соответствии с выбором физических компонентов, таких как тип микропроцессоров, и тип приемников. Такой подход («снизу вверх») используется в модели IAMPS и также рассматривает зависимость уровня приложений, сетевого уровня, MAC-слоя, и физического уровня от аппаратной начинки узла. Узлы IAMPS точно также взаимодействуют с конечным пользователем, как и в архитектуре показанной на рисунке 2. Различные схемы, например, с временным разделением каналов (TDMA) или с частотным разделением каналов (FDMA) и бинарной модуляцией или М-модуляцей сравниваются в источнике . Подход «снизу вверх» обозначает, что алгоритмы узла должен знать аппаратные средства и использовать возможности микропроцессоров и передатчиков для минимизации потребления энергии. Это может привести к разработке различных конструкций узла. А различные конструкции узлов приведут к различным типам сенсорных сетей. Что в свою очередь приведет к разработке различных алгоритмов их работы.

Литература

1. G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Final report on the interagency workshop on research issues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000) 36–40.
2. J. Agre, L. Clare, An integrated architecture for cooperative sensing networks, IEEE Computer Magazine (May 2000) 106–108.
3. I.F. Akyildiz, W. Su, A power aware enhanced routing (PAER) protocol for sensor networks, Georgia Tech Technical Report, January 2002, submitted for publication.
4. A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirect TCP for mobile hosts, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, May 1995, pp. 136–143.
5. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, The mobile patient: wireless distributed sensor networks for patient monitoring and care, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
6. M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Upper bounds on the lifetime of sensor networks, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsinki, Finland, June 2001.
7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the physical world, IEEE Personal Communications (October 2000) 10–15.

Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям для автоматизированных систем мониторинга. Техническим результатом является обеспечение эффективной маршрутизации, продление времени жизни сети и повышение надежности. Предложен способ и система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения, где беспроводная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), где N узлы сети, а M грани, имеется K маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, а время жизни T i каждого узла определяется как

На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети T sys = min i ∈ N T i (q c) . Максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области беспроводной связи и может быть использовано в автоматизированных системах мониторинга, работающих как независимо, так и в составе многоуровневых информационно-управляющих системах, в частности в системах мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени с узлами, распределенными на больших территориях и не имеющими проводных линий связи и линий электропитания.

Уровень техники

В настоящее время сенсорные сети все больше занимают свое место в приложениях мониторинга различных мест и событий. В связи с развитием технологии беспроводной связи появилась возможность развития беспроводных распределенных сенсорных сетей (РСС). Распределенные сенсорные сети отличаются от обычных сетей ограниченным энергоресурсом, низкой вычислительной мощностью, необходимостью более плотного расположения и низкой ценой одного узла. Эти особенности от других сетей (например, сотовых) определяют новые цели и задачи их применения. Беспроводные сенсорные сети получили широкое применение во многих сферах деятельности человека, и поэтому им сейчас уделяется огромное внимание.

Распределенная сенсорная сеть состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как: сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена батарей питания, требует значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до разрядки батареи. Это свойство сенсорных сетей является очень важным при разработке алгоритмов маршрутизации в РСС, позволяющих повысить эффективность расходования энергоресурса сети.

Так, существует множество способов экономии энергоресурсов узлов в сенсорной сети, и на фиг.1 приведена их классификация. Способы можно разделить на три большие группы - это сохранение энергии при помощи циклов работы, основанные на количестве передаваемой информации и на мобильности.

К циклам работы относят контроль топологии и управление энергопотреблением. Контроль топологии направлен на использование или уменьшение избыточных связей в сети в целях экономии ресурса. Управлять потреблением можно, применяя различные энергосберегающие протоколы управления доступом к среде передачи (МАС-протоколы) и режимы работы устройств. Второй класс способов сохранения энергоресурса основан на количестве передаваемой информации, а также на получении этой информации экономичными способами. Энергия, потраченная на обработку информации, несравнимо меньше требующейся энергии для ее передачи, поэтому используется внутрисетевая обработка данных, сжатие или предсказание данных. Также используются ретрансляторы для экономии электроэнергии узлов сенсорных сетей.

Методы маршрутизации можно разделить на следующие категории: прямая, иерархическая и маршрутизация в зависимости от географического положения.

Прямая маршрутизация подразумевает передачу сообщений от узла к узлу в сети, где каждый узел выполняет одинаковую функцию передачи и/или ретрансляции, в отличие от иерархической, где выделяется один или несколько узлов сбора и обработки информации. Недостаток прямой маршрутизации заключается в том, что сети, собирающие информацию с какой-то области, будут посылать множество избыточной информации, особенно при значительной плотности сенсорной сети. Для того чтобы избежать избыточности информации, используют специальные алгоритмы, направленные на получение информации не от узлов, а от определенной области сети. Например, известен алгоритм Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN), где базовая станция посылает запрос к определенному региону сенсорной сети. Получив запрос, узлы области выполняют требование запроса, локально обмениваются данными и посылают обратно обобщенный ответ.

При иерархической маршрутизации для сбора и обработки требуется использовать узлы с большим запасом энергии, что хотя и позволяет экономить на передачи уже обработанных данных значительно меньшего объема, зачастую неприемлемо ввиду однородности используемых приборов или других трудностей. Для того чтобы не использовать специализированные узлы, существуют несколько технологий. Так, известна технология Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), когда функцию сбора принимают поочередно несколько узлов сенсорной сети, выбираемых по определенному алгоритму, тем самым распределяя нагрузку узла сбора.

Маршрутизация в зависимости от географического положения также еще называется геометрической маршрутизацией, потому что для нахождения маршрута используется геометрическое направление на базовую станцию. Также существует маршрутизация по виртуальным координатам, которые выстраиваются не только в зависимости от реального положения узла, но и учитывают естественные неровности поверхности, препятствия, уровень канала передачи и др.

Также известна многопотоковая маршрутизация, где доставка сообщения от одного узла возможна по нескольким путям. В последнее время большое внимание уделяется маршрутизации по запросу у базовой станции, например, на основе нахождения кратчайшего пути и поддержания его с учетом плохого канала и выхода из строя узлов. Однако узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети, под которым часто понимается время жизни первого вышедшего из строя узла. Поэтому имеется необходимость в создании технологии максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается тем или иным методом линейного программирования.

Так, в качестве близкого по сущности технического решения известен патент RU 2439812 C1, опубликован 2012-01-10, МПК H04W 36/00, где раскрыта самоконфигурируемая сенсорная сеть из множества датчиков и исполнительных устройств на основе маршрутизации в зависимости от географического положения. Сенсорная сеть состоит из центрального устройства обработки данных (ЦУОД) и N базовых станций (БС), расположенных равномерно или хаотически по границам территории покрытия сети, где БС имеют пространственную привязку к глобальным координатам позиционирования и содержат память для хранения значения коэффициента доверия, который представляет собой число в диапазоне от заданного минимального и максимального значений. Коэффициент доверия для БС устанавливают приблизительно равным максимальному значению. Внутри территории покрытия сенсорной сети равномерно или хаотически располагают М узлов, причем M>>N. Узлы оснащают памятью, предназначенной для хранения значений координат пространственной привязки, которую инициализируют случайными значениями в процессе производства, и для хранения коэффициента доверия, которую инициализируют значением, приблизительно равным минимальному значению коэффициента доверия. Каждый узел и БС устанавливают соединение не более чем с К соседними узлами и БС, причем значение К зависит от характеристик пропускной способности канала связи, характеристик быстродействия и энергопотребления микропроцессоров, входящих в их состав. После установления соединения узлы и БС выполняют операцию взаимного определения значений пространственных координат. Для этого каждый узел или БС циклически передает значения собственной памяти для хранения значений координат пространственной привязки и памяти для хранения значения коэффициента доверия. В каждом цикле обработки узел получает значения координат и коэффициентов доверия от всех соседних устройств, с которыми установлено соединение, и определяет расчетные значения собственных координат и собственного коэффициента доверия по методу взвешенного усреднения значений собственных координат и координат соседних устройств, используя в качестве весовых коэффициентов коэффициенты доверия самого устройства и соседних устройств. Таким образом, узлы сенсорной сети получают пространственную привязку. Для маршрутизации сообщения от ЦУОД к узлу с координатами (x, y, z) оно передает сообщение к одной или нескольким БС, ближайшим к требуемым координатам. Указанные БС передают сообщение ближайшим узлам, а узлы последовательно - своим ближайшим узлам в направлении вектора, направленного к требуемой точке (x, y, z). Узлы, пространственно привязанные к точкам, расположенным на расстоянии, не превышающем радиус чувствительности сенсорной сети r, воспринимают сообщение как адресованное им. Дальнейший арбитраж узлов для выбора окончательного адресата сообщения, а также отправку подтверждения о приеме сообщения производят по необходимости, исходя из технических требований к функционированию сети. Для маршрутизации сообщения от узла к ЦУОД узлы дополнительно оснащают памятью для хранения списка координат ближайших БС. Для передачи сообщения ЦУОД узел передает сообщение одному или нескольким соседним узлам в направлении вектора, направленного к точке с координатами БС, когда сообщение достигает БС, она передает сообщение непосредственно на ЦУОД и, при необходимости, отправляет в сторону передавшего узла сообщение о подтверждении передачи.

Недостатком такой самоконфигурируемой сенсорной сети и способа ее функционирования является сложность применяемого оборудования, связанная с необходимостью задавать и использовать координаты пространственной привязки узлов и базовых станций, а также такое решение не обеспечивает продолжительное время жизни всей сети в целом.

В качестве наиболее близкого аналога - прототипа можно предложить способ маршрутизации с максимальным временем жизни в беспроводной сети Ad-hoc, раскрытый в публикации Arvind Sankar and Zhen Liu, Maximum Lifetime Routing in Wireless Ad-hoc Networks, INFOCOM 2004, Twenty-third Annual Joint Conference of the IEEE, Computer and Communications Societies, vol.2, p.p.1089-1097, где формулируется задача максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается методом линейного программирования, а именно предложен алгоритм, чтобы минимизировать сумму потенциальных функций всех очередей.

Недостатком такого способа является низкая эффективность, поскольку узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, часто быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети.

Таким образом, имеется необходимость в решении вышеуказанных проблем предшествующего уровня техники.

Сущность изобретения

Техническим результатом, на достижение которого направлено предложенное изобретение, является, в частности: обеспечение эффективной маршрутизации и продление времени жизни беспроводной сенсорной сети для мониторинга различных объектов и параметров в режиме реального времени, где важна информация каждого узла, повышение функциональности, надежности и снижение стоимости использования систем для мониторинга. Использование предложенного решения позволит повысить эффективность эксплуатации контролируемого объекта за счет более продолжительного срока службы автономной батареи электропитания, что позволит регистрировать и передавать данные о параметрах объекта и/или окружающей среды в течение более продолжительного времени.

Сущность предложенного способа распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети заключается в применении нового алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения. Связь между упомянутыми узлами в сенсорной сети выполняется, например, по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому подходящему протоколу беспроводной связи. Распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M), который определяет набор упомянутых узлов и связи между ними, где N узлы сети, а М грани, также имеется К маршрутов. Информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, при этом время жизни T i каждого узла определяется как

Далее определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys

Таким образом, максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные узлы на основе его рассчитанного T i .

По меньшей мере, один узел источника содержит датчик измерения и мониторинга физических параметров (величин) с автономным питанием, который осуществляет мониторинг в заданной области сети и передачу сообщений (пакетов данных) с измеренными параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

Как вариант, в каждом узле для приведения данных мониторинга к единообразному виду могут выполнять первичную обработку полученных с датчиков физических параметров, например, путем их накопления в памяти, усреднения, аналого-цифрового преобразования в соответствующий код. В качестве измеряемых параметров для мониторинга, например, окружающей среды, используются различные параметры, такие как температура, давление, влажность, освещенность, задымление, уровень вибрации и др.

Как вариант, выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которые необходимо пройти до узла назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время передачи; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

Как вариант, в способе дополнительно осуществляют обновление значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимое при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

Как вариант, после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям (маршруту) реализуют при отправке пакета, каждый узел сети помещает адрес следующего узла в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровень).

Также предложена система распределенной балансировки трафика в распределенной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети согласно предложенному способу, содержащая: узел назначения, соединенный беспроводным каналом связи с узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник их питания, а узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

Как вариант, сенсорные модули могут быть разделены на группы, и каждая группа связана с узлом назначения беспроводной связью через свой приемопередатчик. Мониторинг экологических или промышленных параметров в реальном времени проводится точечно в заданной области, где первое подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга, а второе подмножество узлов источников выполняет только функции приемопередачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с первого подмножества узлов источников.

Эти и другие конструктивные и функциональные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из детального описания его вариантов, которые должны читаться совместно с чертежом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана известная классификация способов сохранения энергии узлов в сенсорной сети.

На фиг.2 показан алгоритм построения сенсорной сети на основе опроса.

На фиг.3 показана сенсорная сеть в виде графа G (N, M).

На фиг.4 показаны варианты определения маршрутов.

Подробное описание изобретения

Предложен алгоритм, на котором базируется технология автоматизированного сбора и передачи данных посредством предложенной РСС (сети автономных беспроводных самоорганизующихся мобильных устройств) на единую точку для построения модели исследуемого объекта или пространства. Данная модель преимущественно может быть использована для построения сетей мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени, мониторинга состояния в жизненном цикле зданий и сооружений, при проектировании и построении рекреационных зон и объектов санитарно-курортного строительства, а также в других различных областях автомобильной индустрии, на железнодорожном транспорте, в дорожном строительстве, в медицине.

Предложенное изобретение позволяет существенно повысить функциональность, надежность и снизить стоимость использования таких систем для мониторинга. Снижение стоимости неразрывно связано с конструктивной, функциональной и программной унификацией частей, из которых строится система, что предполагает тщательный анализ требований и проведение исследований способов построения универсальной программно-аппаратной платформы для создания систем мониторинга экологического состояния среды на основе технологии беспроводных сенсорных сетей. Для этого исследуются различные параметры: температура, давление, влажность, освещенность, задымление, вибрация, которые собираются посредством самоорганизующихся сенсорных сетей. РСС состоит из конечных устройств, промежуточных роутеров, координатора сети и выделенной точки сбора данных, иногда такую точку называют шлюзом сети, она служит для конвертации данных из радиоканала в сеть, организованную на оптических или медных проводах - Ethernet. Датчики сбора физических параметров крепятся к узлам сети - конечным устройствам, которые через координатор сети выстраиваются в единую структуру, например, посредством протокола ZigBee. Это позволяет развернуть сеть для мониторинга за короткий промежуток времени с минимальными затратами и достаточно высокой надежностью.

Каждый узел РСС снабжен автономным источником питания, что позволяет устанавливать их в труднодоступных местах для снятия требуемых показаний с минимальными трудозатратами. Особенностью предложенного изобретения является создание уникального масштабируемого программно-аппаратного обеспечения, состоящего из необходимого для внедрения набора модулей, позволяющего управлять устройствами для максимально возможного времени работы, и при этом формировать в автоматическом режиме достоверную модель пространственной гетерогенной среды. Связь между устройствами происходит по радиоканалу в различных стандартах связи, в том числе по протоколу Zigbee, в нелицензируемом диапазоне частот или по мобильной цифровой радиосети. Собранные для обработки данные позволяют использовать такую систему для построения экологической 3D модели исследуемой среды/пространства или исследуемого объекта, существенно сократив объем требуемого времени на обработку и получение информации и денежных ресурсов. Суть предложенного алгоритма, названного two ladder-logic, заключается в управлении элементами РСС, позволяющего балансировать нагрузкой на узлах сети таким образом, чтобы передаваемые данные отправлялись на ближайший узел сети не случайным образом, а на тот, который обладает наибольшим запасом энергии в текущий момент времени. Используемый алгоритм функционирования РСС позволяет изменять нагрузку на узлы сети таким образом, что вся сеть остается работоспособной максимально продолжительное время.

Применение РСС может обеспечить получение значительных преимуществ как в технологическом, так и в экономическом аспекте, перед традиционными системами сбора и обработки данных. Принципиальное возрастание производительности сбора и обработки цифровой телеметрии, достигаемое за счет использования РСС, позволяет агрессивно внедряться в рынок и перейти на технологические решения нового поколения, тем самым становится возможным и легко реализуемым появление новых автоматизированных систем, действующих в реальном времени на основе облачных технологий. По мере развития технологии должен произойти переход от соединенных локальных сетей мониторинга к крупномасштабным системам мониторинга, наблюдения и предсказания, основанным на беспроводной РСС.

На фиг.2 показан пример маршрутизации и построения сенсорной сети на основе опроса. РСС состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и малогабаритный источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена автономной батареи, требуют значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до истощения батареи питания.

Алгоритм маршрутизации позволяет строить маршрут на основании запросов и ответов. Координатор сети 1 отправляет широковещательный запрос HELLO и принимает ответы от маршрутизатора (роутера) 2. Каждый маршрутизатор также отправляет широковещательный запрос и получает ответы от соседних устройств, это могут быть другие маршрутизаторы или конечные устройства 3. На основе принятых ответов (силе сигнала, времени ответа и других параметров) координатором выстраивается таблица маршрутизации на каждом маршрутизаторе. Далее, выбор маршрута осуществляется в стандартном алгоритме путем определения весового графа с минимальным суммарным значением.

Как правило, сенсорные узлы оборудуются однотипными устройствами с определенным набором функций. После установки, в процессе эксплуатации сенсорные узлы должны сами организоваться в коммуникационную сеть, где каждый узел использует только те функции, которые необходимы для решения поставленной задачи. Маршрутизация также происходит в автоматическом режиме. Помимо первичной маршрутизации, требуется еще регулярное перестроение сети, потому что устройства могут терять канал связи или выходить из строя по причинам, связанным с внешними или внутренними факторами.

Работа каждого сенсорного узла направлена на измерение различных параметров среды, например температуры, давления, освещенности, влажности, задымления, уровня вибрации и др. Такое разнообразие параметров влечет за собой различные сферы применения, например сбор данных и мониторинг окружающей среды, мониторинг различных производственных объектов, размещенных как в отдельном здании, так и на большой территории, объектов нефтегазовой промышленности, транспортных объектов, военные применения и др. Сенсорные сети выполняют различные задачи, которые можно грубо разделить на две категории. Первая категория задач связана с детекцией событий, которые происходят очень редко, но требуют немедленного оповещения и/или обнаружения местонахождения. Во вторую категорию (мониторинг) входят задачи непрерывного измерения какой-либо величины в течение длительного промежутка времени. Здесь время задержки может быть равно характерному времени изменения измеряемого параметра. Мониторинг может проводиться точечно по какой-либо площади, при точечном измерении основная часть узлов играет роль передатчиков, и лишь незначительная часть узлов непосредственно осуществляет мониторинг.

Предложен алгоритм маршрутизации с балансировкой трафика в распределенной сенсорной сети. Для этого, распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M) с N узлами и М гранями, который представляет набор существующих узлов и возможные связи между ним, как показано на фиг.3. Каждый i-й узел изначально имеет запас энергии E i . Каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j. Считается, что есть К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c .

Время жизни T i каждого узла будет равняться в такой системе

Согласно используемому алгоритму определяется таблица маршрутизации координатором на каждом узле. Выстраивается вектор передачи сообщения. Далее проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Таким образом, целью является экономия суммарно затраченной энергии во всей сети на передачу одного пакета. Это эффективно для сетей передачи данных, когда время жизни сети определяется временем, в течение которого сеть способна передавать сообщения.

В сетях, где каждый узел осуществляет одновременно две функции: измерение какой-то величины и передачу сообщений, то есть сенсорная сеть выполняет функцию мониторинга физических величин в заданной области, для полноты картины важно значение каждого узла.

Тогда время жизни всей системы T sys определим как:

Задача максимизации времени жизни будет выглядеть: maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей системы необходимо распределять маршруты для передаваемой информации. Суть предложенного способа маршрутизации с балансировкой трафика в РСС состоит в том, что выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, которые могут быть задействованы при передаче данных. Иначе говоря, из возможных вариантов маршрута движения пакета данных исключаются наиболее затратные прыжки-хопы (транзитный участок или переход в сети между двумя узлами сети, по которому передается трафик), тем самым экономится энергия на каждом узле и снижается вероятность выхода узла из строя, что исключает крах всей сети измерений из-за того, что один узел уже перестал выполнять актуальные замеры.

Выбор варианта маршрута (показан на фиг.4) при формировании и обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как: длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до пункта назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время пересылки; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

После построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям алгоритм реализует тем, что при отправке пакета через маршрутизатор каждый узел локальной сети помещает в заголовок пакета на МАС-уровне адрес следующего получателя. Таким образом, в приведенном примере на фиг.3, исходя из минимума суммарных затрат (веса/цены) на узлах (фиг.4) будет выбран маршрут 1, с суммой затрат веса/цены - 9, как самой минимальной величины. Тем самым прохождение трафика по узлам маршрута 1 приведет в скорейшем времени к полному энергетическому истощению узла 4, что выведет из строя эти узлы и исключит возможность сбора параметров в нужных точках исследования.

Однако при использовании предложенного распределенного алгоритма балансировки трафика на основе весовых коэффициентов будет выбран маршрут 2, что позволит сенсорной сети существовать на порядок дольше. Такое возможно за счет того, что нагрузка на все узлы, в случае предложенного алгоритма, распределяется более планомерно по все узлам сети.

Предложенное изобретение может быть реализовано с использованием различных функциональных и/или аппаратных средств, программного обеспечения, процессоров специального назначения и/или их комбинации. Предпочтительно изобретение реализуется как комбинация аппаратных средств и программного обеспечения. Программное обеспечение предпочтительно реализуется как прикладная программа, материально осуществленная на устройстве хранения/считывания программ. Прикладная программа может быть выгружена или приведена в исполнение посредством ЭВМ, содержащей любую архитектуру, и реализуется на вычислительной платформе, имеющей аппаратные средства: один или более центральных процессоров, оперативное запоминающее устройство и интерфейсы ввода-вывода. Вышеописанные различные варианты осуществления изобретения представлены только для понимания и в качестве примера и не должны ограничиваться этими примерами.

1. Способ распределенной балансировки трафика на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети,
при этом распределенная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), который характеризует набор упомянутых узлов и связи между ним, где N узлы сети, а M грани, имеется К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j,
при этом время жизни T i каждого узла определяется как

определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения,
проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys


при этом максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника размещен датчик с автономным питанием, который осуществляет измерение и мониторинг физических параметров в заданной области и передачу пакетов данных с измеренными физическими параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве датчиков используются датчики измерения физических параметров для мониторинга окружающей среды на основе контроля следующих параметров: температуры, давления, влажности, освещенности, задымления, уровня вибрации.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника выполняют первичную обработку физических параметров, полученных с упомянутых датчиков, например, накопление, усреднение, аналого-цифровое преобразование.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, связь между узлами в сенсорной сети выполняется по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому протоколу беспроводной связи.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в канале связи между узлом источника и узлом назначения содержится маршрутизатор, который взаимодействует с этими узлами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до узла назначения, пропускная способность канала связи, прогнозируемое суммарное время передачи, количество остаточной энергии на узле, стоимость канала связи.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным маршрутам реализуют при отправке пакета, где каждый узел сети помещает в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровне) адрес следующего узла.

9. Способ по любому из пп.1, 6, 7, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап обновления значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимый при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

10. Система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети для мониторинга физических параметров согласно способу по любому из пп.1-9, содержащая множество узлов источника, соединенных между собой, и узел назначения, соединенный с, по меньшей мере, одним узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник питания, сенсорные модули разделены на группы и каждая группа связана с узлом назначения через свой приемопередатчик, при этом узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что мониторинг проводится точечно в заданной области, где, по меньшей мере, одно подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга посредством своих датчиков физических параметров, а другое подмножество узлов источников выполняет посредством своих приемопередатчиков только функции приемо-передачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с упомянутого подмножества узлов источников.

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для расширенной координации помех между ячейками. Технический результат - обеспечение возможности пользовательскому оборудованию идентифицировать защищенные ресурсы с уменьшенной помехой от соседних ячеек.

Изобретение относится к беспроводной связи и предназначено для того, что бы сигнал относительного предоставления и сигнал абсолютного предоставления могли быть обработаны на основании соотношения между относительным предоставлением и абсолютным предоставлением.

Изобретение относится к радиосвязи. Технический результат заключается в предоставлении в отчете информации, относящейся к состоянию канала в произвольной частотной полосе пропускания из множества частотных полос пропускания, и увеличении пропускной способности.

Изобретение относится к беспроводной связи и может быть использовано для определения аппаратурного шума. Технический результат - повышение точности определения значения аппаратурного шума, что обеспечивает решение проблемы, заключающейся в том, что результаты фиксированного измерения являются неточными из-за изменения аппаратурного шума вследствие изменения температуры.

Изобретение относится к беспроводной связи. Технический результат состоит в обеспечении нескольких уровней точности обратной передачи, гибком конфигурировании обратной передачи с различной точностью в соответствии с конкретными потребностями и эффективном использовании служебных данных обратной передачи.

Изобретение относится к системе беспроводной связи и предназначено для уменьшения вероятности интерференции между слоями, соответствующими различным потокам кодовых слов, и улучшения точности оценки каналов.

Изобретение относится к беспроводным системам. Технический результат - улучшение надежности приема HARQ-ACK, когда оно кодировано с использованием блочного кода относительно того, когда оно кодировано с использованием кода с повторением.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении идентификации точек доступа (фемто-ячеек), присутствующих в заданной области (области покрытия заданной макро-ячейки). Конфликт, возникающий в результате назначения одинаковых идентификаторов множеству узлов, разрешается путем использования способов детектирования конфликта и применения уникальных идентификаторов для этих узлов. В некоторых аспектах точка доступа и/или терминал доступа может выполнять операции, связанные с детектированием конфликта и/или предоставлением уникального идентификатора для разрешения конфликта. 4 н. и 29 з. п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении хендовера между доменами с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. Изобретение предназначено для обнаружения события активизации функции поддержки непрерывности речевого вызова с одним радиоинтерфейсом, указывающего на выполнение хэндовера пользовательского оборудования между доменом с коммутацией пакетов и доменом с коммутацией каналов (4A); для приостановки работы радиоканалов сигнализации плоскости управления согласно процедуре перемещения обслуживающей подсистемы радиосети (4B); для сброса приостановленных радиоканалов сигнализации (4C) и для возобновления работы приостановленных радиоканалов сигнализации в домене, в который передано обслуживание, при этом процедура возобновления работы включает защиту радиоканалов сигнализации плоскости управления домена, в который передано обслуживание, с использованием того же преобразованного ключа защиты, который применяется для шифрования каналов радиодоступа плоскости пользователя в домене, в который передано обслуживание (4D). 4 н. и 12 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу и устройству в системе связи, в частности, чтобы обеспечивать обратно совместимую собственную транзитную передачу в усовершенствованной сети универсального наземного радиодоступа (E-UTRAN). Техническим результатом является исключение или уменьшение помех, возникающих, когда линия связи самостоятельной транзитной передачи между донорным усовершенствованным узлом B (eNB) и ретрансляционным узлом (RN) и линиями радиодоступа в соте работают в одном частотном спектре. Указанный технический результат достигается тем, что создают, по меньшей мере, одно прерывание в упомянутых передачах по нисходящей линии связи из RN, по меньшей мере, в один мобильный терминал (UE); принимают передачи из донорного eNB в течение упомянутого, по меньшей мере, одного прерывания, при этом упомянутые передачи осуществляются в перекрывающихся полосах частот, и при этом упомянутое, по меньшей мере, одно прерывание создается посредством использования формата субкадра многоадресной/ широковещательной одночастотной сети (MBSFN-субкадра). 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении выравнивания нагрузки в точках доступа. Сотовая точка доступа из числа множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа принимает из первого устройства пользователя запрос попытки соединения, который приведет к превышению данной точкой доступа первой заданной пороговой величины пропускной способности. Сотовая точка доступа выбирает одно из ранее соединенных устройств пользователя и соответствующую одну из множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа. Сотовая точка доступа инициирует хендовер выбранного одного из ранее соединенных устройств пользователя в соответствующую одну из множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа и устанавливает соединение с первым устройством пользователя. 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к системам связи, в частности, для передачи данных с использованием размера данных с фиксированной длиной или переменной длиной. Технический результат заключается в усовершенствовании управления потоком данных. Указанный технический результат достигается тем, что мобильная система передачи данных включает в себя устройство управления и устройство базовой станции. Передачу данных между устройством управления и устройством базовой станции выполняют, используя размер данных фиксированной длины и размер данных переменной длины, при этом передают в устройство базовой станции сообщение запроса установки радиоканала (RADIO LINK SETUP REQUEST), которое инициирует процедуру установки радиоканала, при этом указанное сообщение включает в себя информацию о формате размера модуля данных протокола на уровне управления радиоканалом (RLC PDU); и отменяют процедуру, если сообщение RADIO LINK SETUP REQUEST не включает в себя информацию Maximum выделенный подуровень управления доступом к среде (MAC-d) PDU Size Extended, и информация о формате размера указывает, что размер данных RLC PDU имеет переменную длину. 7 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для синхронизации времени. Способ, осуществляемый в системном узле, обменивающемся информацией с группой базовых станций, каждая из которых содержит соответствующие внутренние часы, заключается в обеспечении каждой из базовых станций информацией о времени и получении от них такой информации, в формировании эталонного системного времени на основе, по меньшей мере, информации о времени, и в обеспечении одной из базовых станций, соответствующие внутренние часы которой не синхронизированы с внешней эталонной шкалой времени, информацией по синхронизации времени для синхронизации внутренних часов этой базовой станции с эталонным системным временем. Технический результат - синхронизации времени базовых станций, которые не получают сигнал от глобальной навигационной спутниковой системы. 5 н. и 40 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к беспроводной связи. Техническим результатом является обеспечение устойчивости соединений и экономии заряда батареи при использовании объединения несущих. Мобильная станция UE настоящего изобретения представляет собой мобильную станцию, осуществляющую связь с базовой радиостанцией, используя две или более несущих, включающих первую несущую и вторую несущую, причем указанная мобильная станция включает первый модуль связи, выполненный с возможностью осуществления связи на первой несущей, и модуль измерения второй несущей, выполненный с возможностью осуществления измерения второй несущей; при этом первый модуль связи выполнен с возможностью, если задан измерительный промежуток для измерения второй несущей, осуществления связи на первой несущей, не принимая во внимание указанный измерительный промежуток, когда вторая несущая активирована, и отказа от осуществления связи на первой несущей в указанном измерительном промежутке, когда вторая несущая не активирована. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи. Техническим результатом является простое и эффективное получение управляющим узлом в сети радиосвязи информации о качестве в сети радиосвязи. Раскрыто пользовательское устройство, имеющее режимы работы, представляющие собой, по меньшей мере, подключенный режим (CONN) и режим ожидания (IDLE), содержащее измерительный модуль, выполненный с возможностью измерения качества радиосвязи в режиме ожидания в соответствии с информацией о задании измерения, указывающей, что пользовательское устройство заранее настроено на сообщение измеренного значения качества радиосвязи в базовую станцию, модуль хранения, выполненный с возможностью хранения информации о задании измерения и измеренного значения качества радиосвязи, измеренного измерительным модулем, и передающий модуль, выполненный с возможностью, если удовлетворено заранее заданное условие о сообщении (условие наличия записи), передачи индикатора, указывающего на наличие измеренного значения качества радиосвязи, в базовую станцию в подключенном режиме и, в ответ на запрос из базовой станции, передачи сигнала сообщения, содержащего измеренное значение качества радиосвязи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям для автоматизированных систем мониторинга. Техническим результатом является обеспечение эффективной маршрутизации, продление времени жизни сети и повышение надежности. Предложен способ и система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения, где беспроводная сенсорная сеть представляется как граф G, где N узлы сети, а M грани, имеется K маршрутов, а информация генерируется со скоростью Qc и передается по каналу связи C со скоростью qc, причем i-й узел имеет запас энергии Ei, а каждая грань ij имеет весцену eij, которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, а время жизни Ti каждого узла определяется как. На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети Tsysmini∈N Ti. Максимизация времени жизни определяется как maximize Tsys, и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

«Реализация распределенного алгоритма балансировки трафика в сенсорной сети для увеличения времени жизни И.В. Воронин, М.Д. Хоменко...»

Реализация распределенного алгоритма балансировки трафика в

сенсорной сети для увеличения времени жизни

И.В. Воронин, М.Д. Хоменко

Институт проблем лазерных информационных технологий РАН

140700, МО, г. Шатура, Святоозерская д.1

Аннотация

Сенсорные сети все бол ьше занимают сво е место в прил ожениях

мониторинга ра зличных мест и событий. Особенность ю т аких

сетей является необходимость экономить огр аниченный заряд

бат ар еи. Один из способов эко номии – это эфф ективна я

мар шрутизация. Рабо та посвящ ена распред ел енному алгоритму мар шрутизации дл я бал ансировки тра фика в сенсорной сети. Он позволяет продлить время жизни сенсорной сети мо нитор инга, гд е ва жна информация ка ждого узл а.

Введение В связи с развитием элект ро ники и бе спр оводной связи в двадцать первом веке появил ась возможно ст ь р азвит ия бе спр овод ных распр еделенных с енсорных с етей (Р СС). РСС отличают ся от обычных сетей огр аниченным энерго ре сур сом, низкой вычислит ельной мо щно стью, необход имо стью более плотного расположения, и низкой ценой одного узла. Эти о собенно сти от дру гих с етей (например, сотовых) опр еделяют новые цели и зад ачи применения Р СС. Бе спроводные с ен сор ные с ети полу чили широко е применение во многих с ферах деятельно ст ь че ловека, и по этому к ним с ейчас уделяет ся огромно е внимание, как со сторо ны научного сообще ства, т ак и промышленно сти. Опубликовано и проводит ся множе ство научных р абот по исследованию проблем уст ановки и работы РСС.

Распр еделенная с енсорная с еть со стоит из множе ства дешевых, авто номных, много фу нкцио нальных у злов (мотов), которые находят ся в зоне мониторинга. Каждый узел со стоит из набора блоков, т аких как: с енсор, используемый для получения данных от окружающей ср ед ы, блок приема-передачи данных, микроконт роллер для о браб отки и упр авления сигна лами и источник энергии. Проце ссор пит ает ся от авто номной бат ареи с конечным энергоре сур сом, что приводит значит ельным ограничениям в энергопот реблении. Обслуживание с ен сор ных узло в, замена бат арей пит ания т ребу ют значительных зат рат в о собенно сти, когда узлы расположены в т руд нодо ступных ме ст ах, т ак что большин ство с ен сорных с ет ей являет ся необслуживаемыми и работ ают до истощения бат ар еи. Это сво йство с енсор ных с етей являет ся очень важным при разр аботке а лгор ит мов маршрутизации в Р СС.

Рисунок 1: Построение сети, путем опроса Ст андартный а лгоритм по зволяет ст роить маршрут на о сновании запро сов и ответов. Координато р с ет и (1, рис 1)- отправляет широковещательный запро с HE LLO и принимает от вет ы от Роу теро в (2) Каждый роутер, т акже отправляет широко вещат ельный запро с и полу чает ответы от со с едних уср ойств, это могут быть дру гие роут еры или конечные у ст ройст ва (3). На о снове принятых ответов (силе сигна ла, времени ответ а) выст раивает ся коо рдинатором т аблица мар шрутизации на каждом роутер е. Да лее выбо р мар шрут а о суще ствляет ся в ст андартном а лгоритм е - пу тем опр ед еления ве сового графа с минимальным суммарным значением.

Как пр авило, с енсор ные у злы оборуду ют ся од нотипными уст р ойствами с опр еделенным набором функций. По сле у ст ановки в проце сс е эксп луат ации с енсор ные узлы д олжны с ами организоват ься в комму никационную с еть, где каждый узел использует только те функции, которые необходимы для решения по ст авленной задачи. Мар шрутизация т ак же происходит в автоматиче ском режиме. Помимо первичной мар шрутизации т ребует ся еще регулярно е пере ст ро ение с ети, потому что уст р ойства часто могут выходит ь из ст роя по причинам связанным с внешними или внут ренними факто рами.

Работ а каждого с ен сорного узл а направлена на измерение различных парамет ро в среды, н апример температуры, давл ения, о свещенно сти и других. Тако е разнообразие парамет ров влечет за собо й различны е с феры применения, начиная мониторингом окружающей ср еды, заканчивая во енными применениями.

Сенсорные с ет и выполняют р азличные задачи, котор ые можно грубо разделить на две категор ии. Первая категория задач связана с детекцией событий, котор ые прои сходят очень редко, но т ребуют немедл енного оповещения и/или обнаружения ме стонахождения. Во вто рую кат егорию (монито ринг) вход ят задачи непрерывного измерения, какой либо величины в течение д лительного промежутка вр емени. Зд е сь время задержки может быть равно характерному вр емени и змен ения изм еряемого парамет ра. Мониторинг может проводиться точечно, либо по какой-либо площади. При точечном измерении о сно вная часть у злов играют роль передат чиков, и лишь не значительная часть нодов непо сред ственно о сущ е ствляет монито ринг.

Рисунок 2: Кл ассификация способов сохранения энергии Суще ст вует множе ство спо собо в экономии элект ро энергии узлов. В обзоре приведена их классификация, предст авленная на рису нке

1. Вс е спо собы сох ранения можно разделить на т ри большие группы

– это сохран ение энергии при помо щи циклов работы, о сно ванные на количе стве переда ваемой информации и на мобильно ст и. К циклам р аботы отно сят конт р оль топологии и управлени е энергопот реблени ем. Конт роль тополо гии направлен на использовани е или уменьшение избыточных связей в с ети в целях эко номии ре сурс а. Упр авлять пот р ебл ением можно применяя различные энерго с берегающие MAC протоколы и режимы работ ы уст р ойств. Второй класс спо со бов сохранения энер гор е сурс а о снован на количе стве перед аваемой информации, а т ак же на полу чение этой информации экономичными спо собами. Энергия пот раченная на обработку информации не сравнимо меньше т ребующей ся для ее передачи, по этому использует ся внут ри-с етевая обработ ка данных, сжатие или пр едсказание д анных. Так же использу ют ся мо бильные стоки или рет р ансляторы для экономии элект ро энер гии узло в сенсорных с етей.

В данной работе р ассмат р ивает ся разр аботка экономных алго ритмо в мар шру тизации си стем мониторинг а, провер ке разр абот анных а лгор ит мов в применение на пр едприятии. В первой с екции описывают ся изве стные а лгоритмы маршрутизации. Вторая описывает разр абот анный алгоритм маршрут изации, показан спо соб продления времени работы при помощи этого а лгоритма, оцен ено ре ально е время работы с енсорно й с ети бе з обслуживания. Эт а оценка экспер имент а льно провер ена на ре альной с енсо рной сети и позволяет судить о зат рат ах связанных с обслужи ванием распр еделенной с енсорной с ети.

1. Существующие методы маршрутизации в РСС Суще ст вующи е методы мар шрутизации можно разд елить на не сколько кат егорий прямая, иерар хиче ская и маршрут изация в зависимо сти от географиче ского положения. Прямая маршрутизация подр азумевает перед ачу соо бщений от узла к узлу в с ети где, каждый у зел выполняет од инаковую функцию пер едачи и/или рет р анс ляции, в отличие от иерар хиче ско й, где выделяет ся узел с бора и обр аботки информации. Минус прямой маршрут изации в том, что с ети собирающие информацию с какой-то области будут по сылать множе ство избыточной информации, о собенно при значительной плотно сти с енсо рной с ети. Для то го что бы избежать изб ыточно сти информации использу ют специ альные алгоритмы, направленные на получение информации не от узлов, а от опр ед еленной области сет и. Например, в раб оте о пис ан алгоритм SPIN 1, где б азовая ст анция по сы лает запро с к определенному региону с енсорной с ети. Получив запро с, у злы област и выполня ют т ребо вание запро с а, локально обменивают ся данными и по сылают обратно о бобщенный ответ.

При иерархиче ско й же мар шру тизации для сбор а и обработки т ребует ся использовать узлы с большим запасом энер гии, что хотя и позволяет экономить на передачи уже обр абот анных данных значительно меньшего объема зачасту ю не приемлемо ввиду од но родно сти используемых приборо в или других т рудно ст ей. Д ля что бы не использоват ь специа лизиро ванные узлы суще ст вуют не сколько т ехнологий. Например, в работе опис ана технология LE ACH 2, когда функцию сбора пр инимает поочередно не сколько узло в с енсор ной с ети выбираемых по опред еленному а лгор ит му, тем с амым распред еляя нагрузку узла с бора.

Мар шру тизация в зависимо сти от географиче ского положения т ак же еще называет ся геомет риче ская маршрутизация, потому что для нахождения маршрут а использует ся геом ет риче ско е напр авление на базовую ст анцию.

При т акой маршрутизации каждый узел пер едает сообщение сво ему со седу, у которо го географиче ско е положени е ближе к стоку. Помимо маршрутизации в географиче ских коо рдинат ах суще ствует мар шрутизация по виртуа льным коо рдинат ам , котор ые выст раивают ся не только в зави симо ст и от ре ального положения узла, а т ак же и учитывают е сте ственные неровно сти поверхно сти, препят ствия, уровень кана ла пер едачи и др.

SPIN - Sensor Protocols for Information via Negotiation LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Так же су ще ствует мно го потоковая маршрутизация, где до ст авка сообщения от одно го узла возможна по не скольким путям. В по следнее время появляет ся большо е количе ст во р абот по мар шру тизации обзо р, котор ых можно по смот реть в работ ах по запро су у базо во й ст анции. Пер вые работы (н апример ) по мар шру тизации были напр авлены на нахождение кр атчайшего пути, подд ержание его с учетом плохого канала и выхода из ст р оя у злов.

Однако узлы р асположенные на кр атчайшем расстоянии часто быст ро истощают ся что пр иводит к обрывам связи и уменьшени ю вр емени жизни с ети, кото ро е часто понимает ся, как время жизни первого вышедшего из ст роя у зла. По этому в по следних работ ах }