Исследование и разработка методов позиционирования узлов для построения и функционирования беспроводных сенсорных сетей Хундонугбо Элизе Франк

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Возможности современной микроэлектроники и беспроводных сетевых технологий открывают большие перспективы для создания разнообразных сетевых комплексов с широкой областью применения. Наиболее известной и зарекомендовавшей себя в этой области является технология беспроводных сенсорных сетей (БСС). БСС представляют собой совокупность малогабаритных приборов контроля параметров окружающей среды, которые обладают функциями обработки и хранения полученной информации, а также возможностью её передачи по беспроводным каналам к координатору сенсорной сети. Основным их отличием от классических радиосетей является использование в качестве основных узлов сети большого числа недорогих микрокомпьютеров. Эти устройства настолько самостоятельны, что могут автоматически выстраивать распределенную беспроводную сеть и передавать информацию без участия человека. На данный момент системы мониторинга и управления объектами во многих случаях реализуются на базе БСС и находят применение в таких областях как контроль периметра объекта, мониторинг дорожного движения, мониторинг параметров окружающей среды и многих других. Большим преимуществом сенсорных сетей является возможность их использования как внутри помещений, так и за его пределами - в окружающей среде, благодаря чему, спектр их применения достаточно широк. В случае мониторинга параметров окружающей среды сенсорная сеть является одним из ключевых элементов геоинформационной системы и разворачивается, как правило, на обширных и, зачастую, на труднодоступных территориях.

Такая сеть может состоять из большого количества сенсорных узлов (СУ), N, доходящего в ряде случаев до нескольких десятков тысяч. Однако в подавляющем большинстве случаев размещение такого большого количества СУ на обширных и труднодоступных территориях на известных

позициях (x„, y„, z_nY, где n=1…N - порядковый номер узла, является нецелесообразным и технически нереализуемым. Поэтому развёртывание сетей в труднодоступной местности может осуществляться путём сбрасывания СУ с беспилотного летательного аппарата (БПЛА), где на основании обмена данными между соседними узлами определяется местоположение узлов и топология сети. Действительно, использование беспилотных летательных аппаратов для создания летающих сенсорных сетей открыло новые возможности не только для сбора информации с сенсорных узлов, что достаточно хорошо исследовано к настоящему времени, но и для построения наземного сегмента беспроводной сенсорной сети и позиционирования его сенсорных узлов.

Принципиальная возможность определения местоположения узлов сенсорной сети в пространстве (позиционирование сенсоров) делает эти

системы еще более привлекательными за счет дополнительной информационной составляющей, которая вкупе с основным параметром или комплексом параметров мониторинга, может дать исчерпывающую картину работы системы, поэтому поиск высокоэффективного алгоритма позиционирования узлов в беспроводной сенсорной сети остается актуальной проблемой на сегодняшний день.

Задачи позиционирования при построении и функционировании
беспроводной сенсорной сети являются одними из важнейших как в связи с
необходимостью построения самой сенсорной сети, так и для обеспечения
рациональной маршрутизации при ее функционировании. Действительно,
беспроводная сенсорная сеть представляет собой, как правило, кластерную
структуру. Поэтому, необходимо, по крайней мере, как можно более точное
определение местоположения головного узла для кластера при его
формировании. Члены кластера должны «знать», что головной узел
находится в пределах их досягаемости. Кроме того, в случае мобильных
сенсорных сетей существенное изменение местоположения кластерного
узла может привести к тому, что он покинет зону кластера, что поставит
под сомнение возможность дальнейшего функционирования этой
структуры БСС. В плотных и сверхплотных беспроводных сенсорных сетях
выбор маршрута зачастую осуществляется на основе предварительного
расчета его длины, что требует, естественно, достаточно точного знания
местоположения сенсорных узлов сети в пространстве. Естественно, что
при этом уменьшается и энергопотребление. Таким образом, использование
адекватных задачам построения и функционирования беспроводных
сенсорных сетей методов позиционирования их узлов, в том числе и
головных, позволяет повысить эффективность развертывания и

функционирования беспроводной сенсорной сети.

Степень разработанности темы исследования. Исследованию
беспроводных сенсорных сетей в 21 веке посвящено достаточно большое
число работ российских и зарубежных авторов А.Е Кучерявого,
А.В.Рослякова, Л.С.Воскова, М.М.Комарова, А.В.Абилова, Р.В.Киричка,
А.В.Прокопьева, В.А.Мочалова, W.Heinzelman, I.Akyildiz, A.Salim, N.Al-
Qadami, Y.Al-Naggar и др. Методы позиционирования узлов в
беспроводных сенсорных сетях на основе использования информации об их
взаимном расположении, получаемой в процессе функционирования сети,
также нашли отражение в работах перечисленных авторов, в основном для
двумерных моделей БСС. Несмотря на определенные успехи в области
двумерного и трехмерного позиционирования в беспроводных сенсорных
сетях, данный вопрос все ещё остается открытым, в том числе при
использовании летающих сенсорных сетей, возможности которых для
позиционирования в наземном сегменте до настоящего времени не
использовались. Кроме того, недостаточно изучены и вопросы ошибки
позиционирования, в первую очередь неизвестными до сих пор оставались
функции плотности вероятности ошибки позиционирования для

беспроводных сенсорных сетей, знание которых позволит объективно оценить влияние точности позиционирование на длину маршрута и энергопотребление, что даст возможность повысить эффективность функционирования беспроводной сенсорной сети в целом.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов позиционирования узлов для использования в беспроводных сенсорных сетях, обеспечивающих повышение эффективности построения и функционирования БСС, а также оценка ошибок позиционирования.

Задачи диссертационного исследования.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ методов построения беспроводных сенсорных сетей, включая кластерную организацию сетей, особенностей их функционирования и возможностей летающих сенсорных сетей.

2. Анализ и классификация существующих алгоритмов позиционирования узлов в беспроводных сенсорных сетях.

3. Разработка метода позиционирования узлов беспроводной сенсорной сети и соответствующей математической модели с использованием крининга.

4. Разработка метода коррекции данных о позиционировании узлов беспроводной сенсорной сети с использованием технологии летающих сенсорных сетей, а также оптических устройств в узлах БСС, и соответствующей математической модели.

5. Определение функций распределения плотности вероятности ошибки позиционирования для БСС при различном числе опорных сенсорных узлов, участвующих в процессе позиционирования.

6. Исследование влияния ошибки позиционирования узлов в беспроводной сенсорной сети на длину маршрута и энергопотребление.

В соответствии с целями и задачами диссертационной работы определены её объект и предмет

Предметом исследования является использование методов

позиционирования узлов для повышения эффективности построении и функционировании беспроводной сенсорной сети.

Объект исследования. Беспроводные сенсорные сети.

Методы исследования. Для решения поставленных задач

использовались методы системного анализа, теория множеств, теория
математического моделирования и статистического анализа,

вычислительная геометрия. Исследования опирались на материалы научных тематических изданий, сборники статей международных конференций, результаты научно-исследовательских работ и монографии.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработан метод трехмерного позиционирования узлов

беспроводной сенсорной сети, отличающийся использованием кригинга, что позволяет уменьшить ошибку позиционирования узлов при построении БСС.

2. Разработан метод коррекции ошибок позиционирования узлов в наземных беспроводных сенсорных сетях, отличающийся тем, что коррекция ошибки осуществляется БПЛА летающей сенсорной сети на основе аэрофотосъемки, а часть или все узлы наземной БСС оснащены оптическими устройствами.

3. Определены неизвестные ранее функции плотности вероятности ошибки позиционирования в БСС, которая при позиционировании всеми узлами в радиусе связи соответствует закону Релея, а при использовании трех узлов - нормальному закону распределения.

4. Разработана методика определения уменьшения длины маршрута и
энергопотребления, отличающаяся от известных тем, что оценивается
влияние ошибки позиционирования на длину маршрута и энергопотребление
в беспроводной сенсорной сети.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке нового метода пространственного позиционирования узлов в беспроводных сенсорных сетях, а также нового метода корректировки координат узлов беспроводной сенсорной сети, основанный на применении беспилотного летательного аппарата. Разработана методика определения уменьшения длины маршрута и энергопотребления, отличающаяся от известных тем, что оценивается влияние ошибки позиционирования на длину маршрута и энергопотребление в беспроводной сенсорной сети.

Практическая значимость работы заключается в возможности
использования полученных результатов при проектировании и

функционировании беспроводных сенсорных сетей с целью повышения эффективности их развертывания и последующего функционирования.

Результаты диссертационной работы используются в кафедре ССиПД СПбГУТ им.проф. М.А. Бонч-Бруевича при чтении лекций, проведении практических занятий и лабораторных работ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод трехмерного позиционирования узлов беспроводной сенсорной
сети при ее построении с использованием кригинга, позволяющий
уменьшить ошибку позиционирования.

2. Метод коррекции ошибок позиционирования в наземных
беспроводных сенсорных сетях с использованием беспилотного летательного
аппарата летающей сенсорной сети на основе аэрофотосъемки и узлов
наземной БСС, оснащенных оптическими устройствами.

3. Методика оценки эффективности функционирования БСС на основе
результатов исследований функции распределения ошибки
позиционирования и влияния ее параметров на маршрутизацию трафика.

Степень достоверности и апробация результатов.

1. Достоверность научных положений, основных выводов и

результатов диссертации обеспечиваются всесторонним тщательным анализом состояния исследований в данной области на сегодняшний день;

4. Корректность предложенных методов и алгоритмов подтверждается согласованностью теоретических положений диссертационной работы и результатов, полученных при практической реализации этих методов и алгоритмов, а также апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на российских и международных научных конференциях.

5. Основное содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждалось на Российских: 71-я, 72-я, 73-я Всероссийская научно-техническая конференция СПбНТОРЭС, посвященная Дню радио (2016– 2018 г., Санкт-Петербург) и Международных НТК: V, VI Международная научно-техническая и научно-методическая конференция "Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании" АПИНО (2016, 2017 г., Санкт-Петербург)

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 9 опубликованных работах, в том числе в 3 работах, опубликованных в журналах из перечня ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации; в 1 работе, опубликованных в трудах, индексируемых Scopus и Web of Science, и 5 публикациях в других изданиях и материалах конференций.

Структура и объем диссертации