В статье описаны основные проблемы проектирования сенсорных сетей, алгоритмы определения местонахождения устройств сенсорной сети и приведены рекомендации по их применению в зависимости от зоны покрытия. Рассмотрены алгоритмы, позволяющие увеличить связность сети.
Ключевые слова:позиционирование, протокол взаимодействия, стационарные узлы, мобильные узлы, связность сети.
Все большее применение в настоящее время получают сенсорные сети, которые позволяют связать воедино компьютерные сети и окружающий мир. Сенсорные сети внедряются во многие отрасли и сферы деятельности: промышленность, транспорт, охрана [1], автоматизация жилья, медицинское оборудование и т. д. [2].
Общая характеристика сенсорных сетей
Сенсорная сеть — распределенная сеть, состоящая из необслуживаемых устройств и датчиков, которые собирают данные и передают их на базовую станцию посредством ретрансляции от одного узла к другому [3].
Сенсор — это датчик, то есть их можно установить для замеров температуры, влажности, вибрации и т. д. [3].
Функционально сенсорные датчики включают три вида узлов: функциональные, которые собирают информацию вокруг точки размещения этого узла; транзитные, которые выполняют только передачу информации и управляют маршрутизацией; базовые станции, осуществляют тотальную координацию, организацию и установку параметров сети [3].
Алгоритм взаимодействия сенсорных сетей
Основным барьером для развития сенсорных сетей — является сложность проектирования, когда какая-то сеть нуждается в отдельном подходе с большим количеством промежуточных этапов.
Непросто выбрать алгоритм и протокол взаимодействия объектов сети, так как все протоколы эффективны только для решения одной задачи. Напрашивается вывод, что каждая сеть — индивидуальная система [4].
При использовании протокола взаимодействия элементов классических сетей положительного результата не наблюдается, так как происходит децентрализация сети без постоянной структуры, состоящей из десятка тысяч узлов с автономным питанием [5].
Проблема заключается в отказах узлов, которые случаются по причине неисправности аппаратных компонентов, из которых и состоит узел, или из-за разрядки батарейки, поэтому возникают разные протоколы и алгоритмы взаимодействия компонентов сети. Образуется вопрос, как датчикам одновременно начать работать и передать информацию и потом опять перестать работать, чтобы не потратить драгоценную энергию [6].
Задача высокой отказоустойчивости будет решена путем введения неупорядоченной структуры, а задача самоорганизации и продолжительности жизни сети — при введении избыточности (по числу мотов, по числу маршрутов, подпрограмм и др.) [7].
Нужно выделить два класса задач, которые касаются фактора связности сети:
1. Оценка связности узлов сенсорной сети;
2. Размещение узлов с целью увеличения связности [8].
Узлы нужно размещать особым образом, чтобы увеличить зону покрытия сенсорной сети, общее время и точность измерения данных.
Локально сгруппированные узлы будут образовывать между собой сеть, где через один или несколько шлюзов будут передаваться данные, которые потом нужно обработать (сеть общего пользования). Наличие соединений между сенсорными сетями и сетями связи общего пользования требует провести расчеты параметров шлюзов, то есть необходимо изучить природу нагрузки, которая существует в беспроводных сенсорных сетях [9].
Для увеличения связности существуют алгоритмы или стратегии, которые можно разделить на следующие группы:
1. Алгоритм кластеризации сенсорных сетей — разбиение множества узлов на группы, где внутри каждой группы размещается координатор или шлюз; имеет место большая дальность передачи радиосигнала.
Такой алгоритм позволяет использовать вычислительные ресурсы базовой станции для повышения эффективности распределения узлов между кластерами и конфигурирования сети [10].
2. Алгоритм избыточного размещения узлов — происходит добавление узлов в структуру сенсорной сети для увеличения связности.
Данный алгоритм формирует требуемое количество путей от каждого узла к базовой станции [8].
3. Алгоритм базового размещения узлов — существует базовая структура сенсорной сети, где для каждого узла существует хотя бы один путь для передачи сообщения базовой станции.
Недостаток третьего алгоритма — при формировании такой сенсорной сети некоторые узлы могут быть удалены [8].
4. Стратегия использования узлов с различными характеристиками — увеличение связности сенсорной сети с помощью этой стратегии осуществляется путем увеличения дальности связи отдельных узлов сенсорной сети, что приведет к уменьшению количества ненадежных узлов [11].
5. Алгоритм резервирования транзитных узлов, где учитывается интенсивность энергопотребления этих узлов. При таком резервировании увеличивается время работы сенсорной сети до ее отказа [8].
Позиционирование в сенсорных сетях
Задача позиционирования может рассматриваться как самостоятельная, например, если нужно сделать некую систему навигации на территории покрытия, а может быть подзадачей при обеспечении безопасности, мониторинга и т. п.
Сенсорные сети могут быть проводными и беспроводными [12]. Позиционирование имеет смысл в беспроводных сетях. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. [1].
Для позиционирования на территории размещают стационарные узлы, координаты которых известны. Опираясь на них, можно определять координаты мобильных узлов.
Существует несколько видов построения сети, ее можно организовать как с одним главным узлом, так и с несколькими главными узлами [13]. От организации сети будет зависеть метод позиционирования в ней.
При использовании централизованных алгоритмов, узел принимает сигнал о местоположении в сети, далее информация поступает в центральный узел, где определяются координаты, затем данные возвращаются. Такой метод требует больших вычислительных ресурсов, т. к. чем больше узлов будет обращаться, тем быстрее будет расти трафик [14].
При использовании метода AOA (Angle of arrival) мобильный узел измеряет углы прихода сигналов от стационарных узлов и по ним определяет свое местонахождение. Точность такого метода зависит от отражения сигнала и его затенения на изменяющейся апертуре [14].
Следующий метод — TOA (Time of arrival) [14] или TOF (Time of flight) [7]. В данном методе измеряется время распространения сигнала от передатчика до приемника, для этого нужно синхронизировать часы [14].
При использовании метода RSSI (received-signal strength indication) измеряется сила принимаемого сигнала [16]. Сила сигнала может варьироваться из-за внешних факторов, например, человек, находящийся между приемником и передатчиком, поэтому измеряется сигнал с нескольких узлов. Такой метод требует подготовки. Нужно сначала составить карту мощности сигналов от стационарных точек, затем мобильные узлы, обращаясь к ней, могут определить свое местоположение [16].
Для определения местоположения важна точность, которая зависит от таких факторов: количество стационарных узлов, места их размещения, интервалы времени между пересылкой пакетов. Причем, чем больше стационарных узлов расположено, тем больше происходит потерь пакетов из-за коллизий [17].
Для помещений лучше использовать RSS, абсолютная погрешность такого метода 2,5 м [18]. TOA не подходит для применения в закрытом пространстве. В помещении площадью 50–70 м2 погрешности определения расстояния составляют от 5 до 10 м [18]. TOA имеет более высокую точность в открытом пространстве [15]. Рекомендации по использованию различных методов позиционирования в зависимости от зоны приведены в таблице 1.
Таблица 1
Применение методов позиционирования для различных зон покрытия
|
Метод |
Зона покрытия |
Причина |
|
Центральные алгоритмы |
Небольшие домашние сети с небольшим числом узлов |
При большом числе узлов резко вырастает трафик |
|
AOA |
Зоны с малым числом перекрытий и препятствий для сигнала |
На точность влияет отражение и затенение сигнала |
|
TOA |
В открытом пространстве |
Относительно высокая точность в открытом пространстве [19] |
|
RSSI |
Закрытые помещения |
Разработаны алгоритмы уменьшения влияния интерференции сигналов [18]. Высокая точность при расстоянии не более 15 м |
Заключение
Сегодня сенсорные сети до конца не изучены, в будущем сенсорные сети будут неотъемлемой частью жизни каждого. Например, детские кроватки, которые следят за дыханием новорожденных детей; браслеты, которые сканируют пульс, температуру тела пациентов в клинике; детекторы дыма, которые вызывают пожарных, сообщая им об очаге возгорания и степени сложности пожара [20].
Литература:
1. Еркин А. Особенности проектирования беспроводных ZigBee-сетей на базе микроконтроллеров фирмы Jennic //Беспроводные технологии.2010. Выпуск № 2;
2. Варгаузин В. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4. // ТелеМультиМедиа. 2005. № 6;
3. Кучерявый, Е. А. Принципы построения сенсоров и сенсорных сетей / Е. А. Кучерявый, С. А. Молчан, В. В. Кондратьев // Электросвязь, 2006. — № 6 — С.10–15;
4. Власова В. А. Пробллемы ЖКХ и информационные технологии [Текст] / В. А. Власова, А. Н. Зеленин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2012. — 2/2(56). — С. 48–53;
5. Иваненко В. А. Информационные аспекты при разработке сенсорных сетей (Часть 1) [Текст] / В. А. Иваненко, А. Н. Зеленин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2011. — 3/4(51). — С. 46–49;
6. Казанский федеральный университет. Режим доступа. http://kpfu.ru/. Распределенные сенсорные сети. Возможности развития самых перспективных технологий в России. (Дата обращения 19. 12.13);
7. Иваненко В. А. Информационные аспекты при разработке сенсорных сетей (Часть 2) [Текст] / В. А. Иваненко, А. Н. Зеленин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2011. — 4/2(52). — С. 11–13;
8. Мочалов В. А. Алгоритмы оценки надежности структуры сенсорной сети / В. А. Мочалов // Информационно-управляющие системы. — 2009. — No 5. — С. 61–66;
9. Прокопьев А. В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Системы, сети и устройства телекоммуникаций». — 2012. Санкт-Петербург;
10.Наградов Е. А. Проблемы применения существующих алгоритмов маршрутизации в сенсорных сетях реального времени / Методы и средства обработки информации. Труды третьей Всерос. научн. конф. — М.: Издательский отдел факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М. В. Ломоносова, 2009. — 481 с.;
11.Santi P. Topology Control in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks / P. Santi // John Wiley & Sons Ltd — The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ — England, 2005. — P. 52–62;
12.Учебное пособие по курсу «Беспроводные сенсорные сети»//МИЭТ, 2007.
13.Джарел Б. Определение местоположения устройства стандарта Zigbee//Беспроводные технологии. 2007. Выпуск № 4.
14.Поникар А. В., Евсеев О. В., Анциперов В. Е., Мансуров Г. К. Исследование возможности локального позиционирования в беспроводных сетях IEEE 802.15.4//IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» 2010.
15.Власова В. А. Аспекты позиционирования в сенсорных сетях// Технологический аудит и резервы производства. 2012, выпуск № 4/1(6).
16.Подшивалов В. В. Локализация объектов в беспроводных сенсорных сетях//Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н. Э.Баумана
17.Чудаков Е. А., Кирюшин А. А., Шишалов И. С. Моделирование поведения сенсорной сети для системы позиционирования// Труды XIII научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2009
18.Восков Л. С., Комаров М. М. Позиционирование датчиков беспроводной сенсорной сети как способ энергосбережения//Sensors&Systems.2012 выпуск № 1.
19.Смурыгин И. М. Концепции организации беспроводных сенсорных сетей и их применение// Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н. Э.Баумана. Электрон. журн. 2012.
20.КомпьютерПресс. Режим доступа. http://www.compress.ru/. Беспроводные сенсорные сети: миф или реальность? (Дата обращения 19.12.13).
