Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор 11
1.1. Введение 11
1.2. QoS и беспроводные сенсорные сети
1.2.1. Стандарт персональной сети IEEE 802.15.4 (ZigBee) 15
1.2.2. QoS в беспроводных сенсорных сетях 19
1.3. Энергопотребление беспроводной сенсорной сети 28
1.3.1. Использование проекций в БСС (Адаптивное сжимающее считывание) 29
1.3.2. Использование нескольких базовых станций в БСС 33
1.3.3. БСС сопровождения цели 36
1.4. Проблемы обеспечения энергетической балансировки 39
1.4.1. Задача 1. Распределение сенсорных узлов, с учетом поступающего от них трафика 39
1.4.2. Задача 2. Распределение нагрузки узлов сбора данных с автономными источниками питания 40
1.5. Выводы 40
ГЛАВА 2. Разработка и исследование метода энергетической балансировки сенсорной сети 42
2.1 Введение 42
2.2 Метод доступа к радио среде передачи данных 42
2.3 Модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания 49
2.4 Метод энергетической балансировки 53
2.4.1 Коэффициент влияния радио обстановки на передачу подтверждения 54
2.4.2 Коэффициент влияния интенсивности поступления заявок от оконечного узла з
2.4.3 Коэффициент влияния расстояния между оконечным узлом и узлом сбора данных 56
2.4.4 Коэффициент влияния приоритетности данных, поступающих от оконечного узла і на узел сбора данных 60
2.4.4.1 Параметр Херста 60
2.4.4.2 Модель системы с приоритетным трафиком
2.4.5 Модель энергетической балансировки 65
2.4.6 Алгоритм метода решения задачи
2.5 Алгоритм энергетической балансировки 74
2.6 Выводы 75
ГЛАВА 3. Алгоритм и модель диспетчера качества обслуживания сети 77
3.1. Введение 77
3.2. Диспетчер качества обслуживания, его место в сети 77
3.3. Диспетчер качества обслуживания, его работа в сети 84
3.4. Выводы 87
ГЛАВА 4. Верификация разработанного метода 88
4.1. Введение... 88
4.2. Среды моделирования 88
4.3. Исследование и реализация методов позиционирования узлов
4.3.1 Метод триангуляции 96
4.3.2 Метод фингерпринтинга 98
4.3.3 Метод фингерпринтинга с весовыми функциями
4.4. Применение разработанного метода на примере частного случая 104
4.5. Выводы 115
Заключение 116
Библиографический список 118
- Энергопотребление беспроводной сенсорной сети
- Модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания
- Диспетчер качества обслуживания, его место в сети
- Исследование и реализация методов позиционирования узлов
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в системах автоматизации, мониторинга за состоянием объектов все чаще успешно используется технология беспроводных сенсорных сетей (БСС).
Вопросами создания и анализа БСС, занимаются ведущие специалисты и организации, среди которых Институт проблем передачи информации РАН, Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН, ученые Калифорнийского Университета в Беркли, Массачусетского Технологического Университета (США) и другие.
В практическом применении наибольшее распространение получили стационарные беспроводные сенсорные сети, для которых характерно их фиксированное состояние в процессе работы. В последнее время в сенсорных сетях активно развивается направление, связанное с использованием для них автономных источников питания на базе альтернативных источников энергии.
Как правило, исследователи рассматривают модели беспроводных сенсорных сетей для некоторого конкретного применения и часто не учитывают влияния внешних факторов на работу сети: таких ключевых параметров как помехи, расстояния между узлами, интенсивность заявок от узлов и приоритетность передаваемой информации. Анализ печатных источников показал, что общих моделей для описания стационарной беспроводной сенсорной сети с автономными источниками питания с учетом влияния внешних факторов предложено не было.
Качество обслуживания, предоставляемое БСС, во многом зависит от времени автономной работы сети. Однако частая замена источников питания не всегда возможна по условиям работы сети. Поэтому уменьшение энергопотребления становится ключевой исследовательской задачей при проектировании сенсорных сетей, которая в настоящее время не достаточно исследована.
3 ,1 сх
Вопрос обеспечения качества обслуживания в сенсорных сетях затрагивает и задачу энергетической балансировки всей сети. Энергетической балансировкой сети назовём распределение и выравнивание энергопотребления узлов с целью обеспечения примерно одинакового (желательно максимально возможного) их времени работы. Для решения задачи энергетической балансировки требуется разработать модель и алгоритм работы некоторого узла или устройства: «диспетчера качества обслуживания», которое бы в процессе обеспечения необходимого качества обслуживания сенсорной сети решало задачу энергетической балансировки за счёт перераспределения нагрузок в сети с учетом влияния определенных внешних факторов и энергии, затрачиваемой на отправку подтверждения приема данных от узла сбора данных. Это должно позволить снизить энергопотребление узлов сбора данных.
В связи с вышеизложенным, тематика диссертационной работы является актуальной, а полученные теоретические результаты и практические решения имеют важное прикладное значение в системах мониторинга и системах автоматизации.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания за счет уменьшения энергопотребления узлов сети и увеличения времени автономной работы.
Задачи исследований:
обзор и анализ существующих механизмов обеспечения качества обслуживания для различных моделей передачи данных и методов энергетической балансировки в беспроводных сенсорных сетях;
разработка модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, учитывающей влияния внешних факторов;
разработка метода и алгоритма энергетической балансировки стационарной БСС с автономными источниками питания;
разработка модели и алгоритма работы диспетчера качества обслуживания сети;
проверка адекватности разработанной модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, реализация и экспериментальное исследование разработанного метода.
Объектом исследования является беспроводная стационарная сенсорная сеть сбора данных с автономными источниками питания. Предметом исследования являются метод и алгоритм энергетической балансировки в беспроводной стационарной сенсорной сети сбора данных.
Методы исследования. Для реализации цели исследования и решения поставленных задач были использованы следующие научные методы и подходы: методы системного анализа, математического анализа и моделирования, методы дискретного программирования, объектно-ориентированное программирование и расчёты на ПЭВМ.
Научная новизна заключается в следующем:
разработана и исследована модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, учитывающая влияния внешних факторов;
разработан и исследован метод энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, уменьшающий энергопотребление узлов сети и увеличивающий продолжительность непрерывной работы такой сети;
разработан и исследован алгоритм энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, позволяющий решать практические задачи, в том числе и задачи большой размерности.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
разработаны эффективные программные реализации метода энергетической балансировки беспроводной стационарной
сенсорной сети с автономными источниками питания, внедренные в разработанную программно-аппаратную платформу сети;
разработаны модель и алгоритм работы диспетчера качества обслуживания в беспроводной сенсорной сети, реализующий предложенный метод энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания;
разработан и исследован экспериментальный образец диспетчера качества обслуживания;
апробации разработанного метода при проектировании сети в рамках совместного Российско-Германского научно-исследовательского проекта.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, обеспечиваются соответствием разработанных моделей и алгоритмов известным теоретическим и практическим результатам, опубликованным в литературе, и подтверждаются положительными результатами их практической реализации при развертывании беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Математическая модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, учитывающая влияние внешних факторов.
-
Алгоритм распределения сенсорных узлов в сети, увеличивающий время автономной работы.
-
Метод энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, повышающий эффективность функционирования сети.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (2008, 2009, 2010, 2011 гг.), XVI,
XVII, XVIII, XIX Международных студенческих конференциях-школах-семинарах «Новые информационные технологии» (2008, 2009, 2010, 2011 гг.), Международной конференции представителей науки и образования «Менеджмент качества и ИТ-сервис менеджмент» (2010 г.), на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области информационно-телекоммуникационных технологий» (2011 г.), на международных исследовательских семинарах в Университете Шеффилда и Университете Бирмингема (Великобритания, 2011 г.). Результаты работы вошли в научно-технические отчеты по НИОКР «Разработка программных средств в целях внедрения информационных технологий в промышленность» (номер государственной регистрации НИОКР 01201056220), «Разработка системы активного беспроводного сбора данных в интралогистике» (номер государственной регистрации НИОКР 01200961253). Результаты работы были применены при проектировании сети в рамках совместного Российско-Германского научно-исследовательского проекта, а так же при оценке расстояния между узлами сети в Университете Бирмингема (Великобритания) в рамках прохождения стажировки по гранту Президента РФ. Получены патент на полезную модель №87259 от 11.06.2009, патент на полезную модель №98623 от 30.06.2010, патент на изобретение №2429549 от 30.06.2010.
Публикации
Результаты работы изложены в 15 печатных работах, из них 2 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК; 2 отчетах по НИОКР, а также 3 патентах.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4х глав с 4 таблицами и 30 иллюстрациями (рисунки, графики, схемы, экранные формы и т.д.), заключения, библиографического списка, включающего 73 названия, и приложений со вспомогательными материалами и актами внедрения результатов диссертационной работы. Общий объем работы составляет 125 страниц.
Энергопотребление беспроводной сенсорной сети
Беспроводная сенсорная сеть (БСС) - класс беспроводных систем, предоставляющих собой распределённую, самоорганизующуюся и устойчивую к отказу отдельных элементов сеть миниатюрных электронных устройств с автономными источниками питания. Узлы такой сети ретранслируют сообщения по цепи, обеспечивая значительную площадь покрытия системы при малой мощности передатчика [1,12,42].
Требования обеспечения качества обслуживания для беспроводных сенсорных сетей, прогнозирование работы сети являются перспективными направлениями исследований в области беспроводной передачи данных [3,42,43,44,45]. Для исследования качества обслуживания в беспроводных сенсорных сетях необходимо знать метрики обеспечения качества [5], проблемы и предлагаемые методы решения.
Беспроводные сенсорные сети становятся все более и более популярными, сферы их применения расширяются, количество узлов сети может достигать нескольких тысяч. Прогнозируется, что в ближайшем будущем сенсорные сети будут производиться в больших количествах по очень низкой стоимости и будут плотно развернуты для увеличения надежности и отказоустойчивости. Предполагается, что они могут быть настолько миниатюрны, что смогут достигать размерами 1 кубический миллиметр (например, умная пыль) для того, чтобы быть незаметными во враждебной среде.
Предположения о динамике изменения стоимости и линейных размерах элементов сети основываются в настоящее время на том, что ресурсы доступные для отдельных узлов, сильно ограничены. Однако ограниченная частота работы процессора и объем памяти - это временные ограничения в сенсорных сетях. Они исчезнут с быстрым развитием технологий производства. С другой стороны, ограничения по потребляемой энергии более основательны.
За последние 35 лет величина ёмкости источников питания всего только удвоилась (согласно R.A. Powers). Проблема ограничения энергии вряд ли будет решена в ближайшем будущем, в связи с медленным развитием в области наращивания емкости батарей и объёма выработки энергии. Кроме того, актуальность проблемы энергосбережения для БСС обуславливается тем, что во многих случаях опасные условия работы сенсорных узлов исключают частую ручную замену батарей.
Поэтому, энергосбережение, низкое энергопотребление становятся ключевыми исследовательскими задачами при проектировании сенсорных сетей. Многие из ученых концентрируют свое внимание на разработке и исследовании конкретных протоколов работы БСС и выясняют, может ли задача низкого энергопотребления для каждого конкретного узла быть достигнута или нет. Согласно анализу печатных источников [4,6,7,8,9,10,11,13] задача снижения энергопотребления узла сбора данных на этапе отправки подтверждения о приёме данных в рамках единой целостной сети - не исследована [42,43,44,45,46,47,48].
Довольно часто решение задачи обеспечения низкого энергопотребления связывают с решением задачи определения местоположения сенсорного узла. Поскольку, в зависимости от удаленности соседнего узла, можно передавать сообщение на различных мощностях приемопередатчика, что позволит существенно снизить энергопотребление отдельного сенсорного узла [10,11,13,14]. На сегодняшний день вопрос энергопотребления для каждого отдельного узла решается несколькими способами: путем внедрения специализированного протокола на канальном уровне модели OSIMSO [5,8], путем разработки специализированного алгоритма взаимодействия узлов (когда один из узлов накапливает данные и через определенный период времени передает на центральный узел) [6], путем разработки собственной архитектуры передачи сообщений в беспроводной сенсорной сети [9]. Так же предлагаются алгоритмы перемещения центрального узла сети и организации нескольких принимающих узлов в зависимости от заряда батарей отдельных узлов [11]. Необходимо понимать, что энергопотребление узла можно рассматривать в разных условиях: с точки зрения энергии, затрачиваемой только на передачу пакета данных; либо с точки зрения энергии затрачиваемой и на подготовку пакета к передаче (т.е. с учетом энергопотребления аппаратных частей узла (микроконтроллер, АЦП, ЦАП и т.д.)); либо с точки зрения всего цикла передачи данных и приема подтверждения от получившего данные узла [12,32,39,40]. Как показывает практика и отмечает один из основных разработчиков технологии Smart Dust [32] энергопотребление аппаратных частей узла является микроскопическим по сравнению с энергопотреблением приемопередатчиков, поэтому за основу целесообразно принимать энергию, затрачиваемую на отправку данных и прием подтверждения от получившего данные узла. Однако на работу сети, на канал связи влияют различные факторы: помехи, расстояние между узлами, интенсивность заявок, поступающих от оконечных узлов на узел сбора данных, приоритетность передаваемой информации [28,29,33,34]. Согласно стандарта IEEE 802.15.4 в случае не получения подтверждения от узла-получателя узлом-отправителем, узел-отправитель будет отправлять данные на узел-получатель повторно, что будет вести к дополнительным затратам энергии и узлом-получателем и узлом-отправителем [43-44]. Возникает задача организации такой работы сети, при которой узел-отправитель данных обязательно получит подтверждение о доставке информации узлу-получателю. Данная задача, в свою очередь, может рассматриваться еще и с точки зрения организации такой работы сети, при которой энергия, затрачиваемая на передачу подтверждения узлом-получателем данных, будет минимальной. Таким образом, нужно распределить оконечные узлы по узлам сбора данных так. чтобы оконечные узлы принимали подтверждение от узлов сбора данных, а узлы сбора данных при этом затрачивали минимальную энергию. Задача оптимального распределения оконечных узлов по узлам сбора данных для обеспечения минимизации энергии, затрачиваемой на передачу данных от оконечных узлов была рассмотрена в [42], но учета энергопотребления на передачу и прием подтверждения в подобных сетях рассмотрен не был.
В этих условиях представляется целесообразным введение специализированного компонента сет - диспетчера качества обслуживания сети (ДКОС), в рамках которого были бы сконцентрированы все функции по управлению энергопотреблением всей распределенной сети, с учетом различных факторов, влияющих на её функционирования. Диспетчер качества обслуживания беспроводной сенсорной сети должен являться промежуточным звеном между сенсорными узлами и центром сбора и анализа данных. Функции диспетчера качества обслуживания можно определить следующим образом: распределение сенсорных узлов по ретрансляторам с автономными источниками питания, информирование базовой станции и оператора, управляющего сетью, о возможных проблемах с энергопотреблением. Диспетчер качества обслуживания сети должен автоматически распределять сенсорные узлы с учетом поступающего от них трафика. Диспетчер качества обслуживания работает в стационарной сети и должен постоянно наблюдать и контролировать энергопотребление сети, он не должен накладывать дополнительных условий на протокол обмена данными сети. Это означает, что требуется разработать комбинированный метод энергетической балансировки беспроводной сенсорной сети с автономными источниками питания, что позволит повысить продолжительность непрерывной работы сети.
Модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания
На сегодняшний день известно множество моделей беспроводных сенсорных сетей для различных конкретных приложений [6-11,13,15,26,27,72]. К каждой конкретной модели предъявляются свои требования. Однако нужно понимать, что требования, которые предъявляются к беспроводной сенсорной сети при разработке метода энергетической балансировки, накладывают определенные ограничения на использование тех или иных моделей.
В диссертационной работе вводится обобщенная модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания. Эта модель может быть использована для описания сетей различного назначения; трекинга, активных RFID меток, логистики, системах охранного и пожарного мониторинга и других системах мониторинга.
Согласно стандарту IEEE 802.15.4 беспроводные сенсорные сети работают в трех радиочастотных диапазонах, в каждом радиочастотном диапазоне выделено свое определенное количество каналов [43,44]. В случае работы всех устройств в едином частотном канале можно представить канал передачи данных в виде единой общей шины. В случае работы узлов сбора данных на различных каналах, модель сети не меняется. Поскольку основное ограничение накладывается на энергопотребление узлов сети, то доступ к радиосреде должен быть организован последовательным образом для недопущения коллизий и одновременной передачи данных. В 2.2. было дано обоснование использования последовательного доступа к радио среде. В случае, когда работа ведется на нескольких частотных каналах, возможно получение единой зоны покрытия узлами, что позволяет разделять данные от узлов и сами узлы по их назначению в сети.
Детальное рассмотрение предложенной модели проведём на примере беспроводной стационарной сенсорной сети мониторинга состояния объекта. Положим, что имеются т беспроводных устройств сбора данных (узлов сбора данных) r1,r2,..,rm, которые находятся в одной точке и имеют одинаковую зону покрытия Rm , максимальные мощности потребляемой энергии в режиме приема Ргх и передачи Ptx, имеют автономные источники питания с емкостью батареи С и проводным образом соединены с центральным устройством сети. То есть, информация от каждого из устройств сбора данных гарантированно поступает на центральное устройство сети, а энергия, затрачиваемая на отправку данных от устройств сбора данных до центрального устройства сети пренебрежимо мала. Считаем, что в зоне покрытия устройствами сбора данных произвольным образом установлено п типов оконечных узлов с различным потребляемым током для каждого типа eh ...ет на различных расстояниях от устройств сбора данных R]...Rn, количество устройств различных типов Ъь ...Ъп. Известно, что каждое из оконечных устройств обслуживает регулярный информационный поток, определяющий энергопотребление оконечного устройства О,), при некоторой интенсивности заявок от оконечных устройств. Максимальная мощность потребляемой энергии оконечными устройствами в режиме приема и передачи совпадает с потреблением устройств сбора данных -{Prx,Ptx). В рассматриваемой сети каждое оконечное устройство может один раз за цикл передачи данных устройству сбора данных подключиться к тому или иному устройству сбора данных. Функциональным отказом сети назовем выход из строя хотя бы одного устройства сбора данных. Требуется так распределить оконечные узлы по устройствам (узлам) сбора данных, чтобы моменты времени выхода из строя всех узлов сбора данных за счет исчерпания энергии автономных источников питания совпадали в максимальной степени. Такой процесс распределения оконечных устройств по устройствам сбора данных назовем энергетической балансировкой сети. С учетом результатов других исследований в области оценки энергопотребления узлов, энергопотребление г-го устройства сбора данных можно представить как сумму потребляемой энергии, затрачиваемой на прием данных от некоторого оконечного узла у и на передачу ему подтверждения о получении данных (2.1), т.е. необходимо учитывать общее (макроэнергетическое) потребление [32]. Данный подход отличается тем, что учитывается не только энергия, затрачиваемая на прием данных от оконечного узла как в [28] и не только энергия, затрачиваемая на поиск минимальных расстояний между узлами для минимизации мощности передатчика на передачу этих данных как в [46].
Структура сети с единой зоной покрытия Для корректности приводимых ниже рассуждений и выкладок учтем, что потребляемая некоторым устройством от автономных источников питания с постоянным напряжением U=const за время Т энергия Є пропорциональна развиваемой источником мощности Р и потребляемым устройством током е, т.е. e = PT = eUT = EU, где величина Е имеет размерность (Ачас) и при постоянном U может характеризовать энергопотреблением устройства. Этот показатель и будем использовать в дальнейшем. А интервал времени Т пропорционален объёму передаваемых данных V=Vs+Vack (бит), при скорости передачи данных B=const (бит/с), где Vs - объем передаваемых данных (бит), Fac -объем данных подтверждения (бит).
Запишем энергопотребление г-го устройства сбора данных (et) за 1 цикл передачи данных за интервал времени Т (2.1) и определим потребляемую устройством сбора данных энергию при передаче и приеме данных (Et) (2.2); Ptxi - максимальная потребляемая мощность при приеме г -м устройством сбора данных равна максимальной потребляемая мощности от источника питания при передачеу -м оконечным узлом); Prxi - максимальная потребляемая мощность при передаче /-м устройством сбора данных равна максимальной потребляемой мощности при приемеу -м оконечным узлом); ку - коэффициент энергетического состояния канала передачи данных от /-то устройства сбора данных ку-му оконечному узлу.
Диспетчер качества обслуживания, его место в сети
Таблица показывает, что оконечный узел уже в активном режиме потребляет примерно в несколько тысяч раз больше энергии, чем в режиме сна. Отправка сообщений утраивает энергопотребление по сравнению с активным режимом работы. Спящий режим требует наименьшего количества энергии, поэтому переход в этот режим при первой возможности и есть ключевая задача при проектировании приложений для сенсорных сетей.
Следующие вычисления произведены для режима, когда оконечный узел выходит из спящего режима раз в секунду, производит необходимые измерения, передает информацию и снова уходит в спящий режим, а узел сбора данных производит прием данных, обработку и передает подтверждение о приеме. Рассмотрим оконечный узел и узел сбора данных с процессором, который работает на частоте 16 МГц, что означает, что один цикл работы процессора занимает -с.
Операция сбора данных с датчика на оконечном узле занимает в среднем 3 цикла и требуется выполнить 7000 операций для измерений, обработки результатов и подготовки пакета для передачи через сеть. Время, необходимое для выполнения этих действий, а так же время на обработку данных на узле сбора данных:
Положим, что узлу у-го типа требуется передать Nj Кбайт данных, в число которых входят собственные измерения и служебная информация с передачей подтверждения. Возьмем эффективную скорость передачи не 250 Кбит/с, а 127 Кбит/с, тогда передача или прием всего объема данных занимает по времени:
Это означает, что время, в котором оконечный узел может находиться в режиме сна (laKmJ) с. Однако, узлу сбора данных запрещено находиться в режиме сна и он постоянно находится в активном режиме.
Диспетчер качества обслуживания, ,го работа в ссти Поскольку определены основные задачи, которые должен решать диспетчер качества обслуживания, необходимо определить алгоритм работы диспетчера качества обслуживания в сети. Метод энергетической балансировки, позволяет распределять нагрузку равномерно на все узлы сбора данных, учитывая ограниченную одинаковую емкость источников питания, поскольку они используют автономные источники питания.
Как указывалось, основной задачей, которую должен решать диспетчер качества обслуживания сети является задача организации сети наиболее энергоэффективным способом путем передачи рекомендаций по топологии сети центральному устройству сети.
Данная модель предполагает динамический анализ и перераспределение топологии сети. В данном случае, организация связей между элементами происходит не с помощью центрального устройства сети, а при помощи диспетчера качества обслуживания сети после получения подтверждения на изменение топологии сети, который передает необходимые широковещательные пакеты узлам сбора данных на подключение того или иного оконечного узла.
Модель так же предусматривает, что вся информация в сети, направляемая к центральному устройству, сначала поступает на диспетчер качества обслуживания сети, а потом уже транслируется на центральное устройство сети.
В рамках анализа типа устройства происходит анализ поля данных, пришедшего пакета данных из сети. В случае обнаружения нового устройства, отсутствующего в таблице устройств диспетчера качества обслуживания, данные об этом устройстве заносятся в таблицу. Во всех остальных случаях происходит сравнение полученных данных об устройстве с данными, хранящимися в таблице устройств диспетчера качества обслуживания и обновление информации о заряде батарей устройства.
В рамках анализа энергетики узла происходит прогнозирование энергопотребления узла и его времени работы, на основе идентификатора узла, уровне мощности принятого сигнала, пришедшими в пакете данных из сети.
В рамках группировки узлов по типу заряда батарей происходит распределение узлов по группам в зависимости от полученных данных об уровне заряда батарей и энергопотреблению для последующего использования в методе энергетической балансировки.
После применения метода энергетической балансировки передается сообщение с информацией о рекомендуемой структуре сети на центральное устройство сети (номер узла сбора данных, количество узлов каждого типа, подключаемых к узлу сбора данных, прогнозируемая продолжительность непрерывной работы). Шаг 7. Изменение топологии сети
После получения подтверждения с центрального устройства сети, оконечные узлы могут перераспределиться по узлам сбора данных согласно результатом применения метода энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, путем отправки широковещательных запросов от диспетчера качества обслуживания узлам сбора данных для подключения определенных оконечных узлов.
Полученные в третьей главе результаты позволили сформулировать и формализовать требования к диспетчеру качества обслуживания, разработать алгоритм работы диспетчера качества обслуживания, проведена адаптация метода энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания.
Представлена модель диспетчера качества обслуживания стационарной беспроводной сенсорной сети с автономными источниками питания, а также представлена алгоритмическая модель работы в сети диспетчера качества обслуживания. Полученные в ходе рассмотрения алгоритмические модели необходимо подвергнуть экспериментальной верификации в рамках верификации метода энергетической балансировки.
Исследование и реализация методов позиционирования узлов
Для данной системы имеется возможность переподключения оконечных узлов к узлам сбора данных с использованием предлагаемого метода энергетической балансировки (о чем свидетельствует Акт об использовании результатов диссертационной работы в Приложении А).
Тогда, величина среднего потребляемого тока за 1 с будет составлять: 1ср = (0,950 0,06+(0,025 0,166+0,024 0,06)+0,001 0,025)/1с =62,615мА
Для фактического распределения оконечных узлов по узлам сбора данных в г. Москве максимальное время автономной работы сети будет эквивалентно времени автономной работы для узла сбора данных с наибольшим числом подключенных оконечных узлов, т.е. для узла сбора данных №2 и будет составлять 0,18 ч (чуть более десяти минут).
После применения метода энергетической балансировки, наибольшее число подключенных к узлу сбора данных оконечных узлов будет составлять 445 и время автономной работы сети будет 0,35 ч (двадцать одну минуту). Величина потребляемого тока при передаче подтверждения при этом 4,15мА.
После динамической регулировки мощности для передатчиков узлов сбора данных сети общий потребляемый ток составляет 59,848мА, потребляемый ток при передаче подтверждения составляет 1,3 8мА, а время автономной работы будет 0,37 ч (чуть более двадцати двух минут). Объем сэкономленной энергии будет составлять 596,2 мА (31,5% от общей величины энергии, затраченной на передачу подтверждения узлом сбора данных). Таким образом, метод энергетической балансировки позволяет увеличить продолжительность непрерывного функционирования сети более чем в два раза, уменьшить энергопотребление и сэкономить более 30% от общей величины энергии, затраченной на передачу подтверждения узлом сбора данных.
Результаты работы программы показывают, что для заданных параметров работы сети 9 узлов сбора данных достаточно для подключения всех оконечных узлов и обеспечения продолжительности непрерывного функционирования сети 0,35 ч. (Рис.4.12).
Результаты работы программы Из экспериментальных данных получается, что предлагаемый метод энергетической балансировки позволяет увеличить продолжительность непрерывного функционирования сети более чем в два раза, уменьшить энергопотребление и сэкономить более 20% от общей затрачиваемой энергии на передачу подтверждения узлом сбора данных, что достигается распределением оконечных узлов по узлам сбора данных с оптимизацией и динамической регулировкой мощности передатчика узла сбора данных.
Влияние приоритетности поступающего трафика и зависимости энергопотребления узла, в зависимости от структуры сети и обработки того или иного по уровню приоритетности трафика рассмотрено в [69], где экспериментально показано, что в сетях до 500 узлов энергопотребление при использовании приоритетного трафика может быть снижено в 3-5 раз по сравнению со схемой с одинаковым приоритетом трафика. Это связано прежде всего с тем, что в рамках проведенного экспримента, трафик обрабатывался и передавался быстрее от одного из узлов с высоким приоритетом, для которого произошло экстренное событие, нежели трафик, который передавался от множества узлов с одинаковым приоритетом. поскольку в случае нахождения узлов в единой зоне покрытия с различной приоритетностью генерируемого потока заявок, более приоритетные данные передаются быстрее и для узла сбора данных нет необходимости принимать информацию о наступление того же события, когда он уже принял сходные данные от более приоритетного узла. За счет этого и происходит экономия энергии.
Влияние радиообстановки на энергопотребление узла сбора данных было исследовано [70]. Так, для определения мощности приемопередатчика, которую необходимо использовать, сначала нужно определить энергетическую характеристику влияния шума. В качестве критерия взаимного влияния будем использовать амплитудную энергетическую характеристику E(/,Af) паразитных сигналов (шумов, помех или конкурирующих станций) на канале с центральной частотой / и шириной А/ [70]. где: е - мгновенное значение амплитуды сигнала на выходе радиочастотного тракта; / - центральная частота частотного канала; А/ ширина канала.
Мгновенное значение амплитуды е снимается с входного каскада приёмника. Оценка мгновенного значения амплитуды производится аппаратными средствами приёмопередающего устройства. Вычисление интегральной суммы по всем частотам частотного спектра выбранного канала производится так же аппаратурой приёмопередатчика в автоматическом режиме. Таким образом, энергетическая составляющая (/,А/) на канале с центральной частотой / и шириной А/ представляет собой усреднённое значение энергетических составляющих за единицу времени оценки. Такое решение позволяет избежать влияния случайных ошибок, вызванных непредсказуемостью радиоканала, при проведении подсчётов, то есть позволяет получить реальную картину происходящего в эфире за указанный промежуток времени. Знание энергетической характеристики канала позволяет определить минимальную мощность приемопередатчика, при которой оконечный узел будет получать и распознавать сигнал подтверждения получения данных узлом сбора данных и позволит при правильном выборе увеличивать зону для передачи данных на 10-20%, что было экспериментально доказано в [70].
