Метод проектирования структуры сенсорной сети, построенной с использованием беспроводных систем

РЕФЕРАТ

Работа содержит 91 страницу, 32 рисунка и 23 таблицы. Было использовано 25 источников.

Актуальность работы : беспроводные сенсорные сети (БСС, Wireless Sensor Networks), состоящие из беспроводных сенсоров и управляющих устройств и способные к самоорганизации за помощью интеллектуальных алгоритмов, демонстрируют масштабные перспективы использование для контроля здоровья человека, состояния окружающего среды, функционирование производственных и транспортных систем, учета разных ресурсов и др.

Целью работы есть исследование сенсорных беспроводных сетей, их стандартов, архитектуры, алгоритмов выбора главного узла. на основе полученных данных, разработка усовершенствованного метода проектирования беспроводной сенсорная сеть.

Задачи исследование:

В данной работе рассматриваются беспроводные сенсорные сети разных типов, их классификация да назначение, принципы их постройки, необходимы условия для

полноценного функционирования сети Определение факторов, влияющих на Энергоэффективность системы. Для достижения поставленных целей был проведен анализ существующих алгоритмов маршрутизации и выбора главного узла кластера в беспроводных сенсорных сетях; оценка и сравнительный анализ алгоритмов прямой передачи DT и кластеризации LEACH, SEP, TEEN, DEEC в сенсорных сетях.

Получены результаты позволят эффективно выбирать алгоритмы выбора главного узла и схемы размещения сенсорных узлов, а самое главное на основе полученных данных был разработан и протестированный новый более энергоэффективный метод проектирование беспроводной сенсорной сети. Объект исследование: процесс проектирование структуры беспроводной сенсорной сети

Предмет исследование: метод проектирование структуры беспроводной сенсорная сеть.

Методы исследования: Основными методами исследования является математическое да имитационное моделирование.

Ключевые слова: Сенсорная беспроводная сеть, архитектура беспроводной сети, алгоритмы выбора главного узла, кластерная архитектура, метод проектирование структуры беспроводной сенсорная сеть.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Беспроводные сенсорные сети представляют собой системы автоматизации да управление, мониторинга и контроля.

Взаимодействуя с управляющими устройствами, датчики создают распределенную систему сбора, обработки и передачи информации. Понятие «самоорганизованное сеть» определяется как система, в которой устройства «умеют» сами находить один одного и формировать сеть, а в случае выхода из строя любого из узлов могут устанавливать новые маршруты для передачи сообщений.

Технология сенсорных сетей не требует для построения дорогих сети кабелей вместе с вспомогательным оборудованием (кабельными каналами, клеммами, шкафами и и т.д.). А да как сенсорная сеть поддерживает основные интерфейсы и протоколы, которые применяются в данный время, есть возможность интегрировать ее в существующую сеть без проведения масштабной реконструкции.

Миниатюрные датчики обеспечивают возможность их размещение в труднодоступных местах и на обширных территориях. Беспроводные решения незаменимы, когда необходимо связать в сеть постоянно подвижные или часто перемещаемые узлы. Однако же недостатком беспроводных решений оказывается их меньше надежность, как в смысле гарантированной доставки данных за ограниченное время, так и в смысле защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа.

Разработка и введение сенсорных сетей в все сферы жизнь предоставит огромную количество преимуществ человечеству.

Цель данной дипломной работы состоит в исследовании стандартов, изучении архитектуры, сравнительном анализе алгоритмов кластеризации и выбора главного узла в кластере в беспроводных сенсорных сетях.

А главная цель данной работы разработать новый разработка нового метода проектирование беспроводной сенсорной сети с иерархической кластеризацией с более эффективным энергосбережением.

РАЗДЕЛ 1

СТАНДАРТЫ БЕСПЛАТНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЬ.

История создание сенсорных сетей насчитывает более четыре десятки лет. Первые работы над сенсорами и сенсорными сетями были инициированы в оборонном секторе США. Как и в случае с другими технологиями, в том числе и телекоммуникационными. Подобные работы производились и в СССР, однако до сих пор открытая информация об этом отсутствует.

на начала 50-х лет с целью обнаружение и наблюдение за малошумными подводными лодками была разработана и развернута система наблюдение SOSUS, какая складывается с набора акустических сенсоров (гидрофонов), размещенных на дни океана. Позже система SOSUS была переориентирована на гражданский сектор и до сих пор используется национальной океанографической и атмосферной администрацией NOAA для мониторинга, например, сейсмической активности.

В оборонном комплексе под время холодной войны был также разработан противовоздушный комплекс защиты континентальной части территорий США. Особенностью этого комплекса, было использование аэростатов в качества точек осуществление контроля и сбора информации, что позволяет смотреть на него как прототип сенсорной сети. Позже эта система была дополнена самолетами воздушного предупреждение и управление AWACS.

Или две военные системы служат хорошим примером постройки сенсорных сетей на очень ранний стадии их развития, когда язык о повышение эффективности, оптимизации, автономии и снижении стоимости еще не шла, а человек играла одну с главных ролей в процессе работы этих систем -

именно на человека возлагалась ответственность за функционирование, надежность, анализ данных и т.п.

Работы над сенсорными сетями в современном понятии начались еще в 1980 р. исследованиями в программе «Распределены сенсорные сети» DSN, инициированной оборонным агентством по современным исследовательским проектам DARPA. Сеть Интернет, разработанная также в рамках агентства DARPA, этого момента уже успешно функционировала в течении нескольких лет и объединяла более 200 компьютеров в университетах и научно-исследовательских центрах да институтах США. Разработчиками сети Интернет в рамках проекта DSN были применены усилие по реализации принципов пакетной коммутации и стека протоколов TCP / IP в распределенных сетях, что состоят из простых устройств, позже названных сенсорами. Аппаратная база для реализации сенсорных сетей в то время было достаточно слабое, и число уже разработанных технологий, которые могли б быть применяемые, было сильно ограничена

В этой связи участники проекта DSN были вынуждены как определять концепцию сенсоров и сенсорных сетей, да и непосредственно осуществлять техническую разработку. Для поддержки проекта DSN агентство DARPA из своего стороны осуществляло руководство проектом, в связи с чем до этого проекта были также привлечены эксперты с искусственного интеллект. Среди приоритетных областей исследований, с точки зрения проекта DSN, были определены распределены вычисление, обработка сигналов и передача данных через беспроводной интерфейс.

В первой половине 80-х был создан ряд тестовых сенсорных сетей, среди которых можно отметить следующие:

Любая технология приносит успех и, соответственно, оправдывает капиталовложения и приносит прибыль только при выходе на общедоступный рынок. Выход сенсорных сетей на рынок в тот концепции, в какой они были определены в 80-х годах, еще 7 - 8 лет поэтому был невозможен. Последние несколько лет стали решающими для сенсорных сетей

Оптимизация как разных алгоритмов и протоколов, так и архитектурных решений аппаратной части сенсора разрешили существенно снизить объем потребляемой энергии и добиться непрерывного функционирование сенсора без изменения источники питание на срок больше чем 1 - 2 годы.

Беспроводные сенсорные сети (БСМ) – это одна из наиболее перспективных направлений в развитии телекоммуникационных систем реального времени создающих новые возможности для проведение научных исследований. Миниатюрные размеры узлов (плата размером с один кубический дюйм), интегрированный радиоинтерфейс, низкое потребление энергии, достаточно невысокая стоимость делают эту сеть очень выгодной для использование в тех областях жизнедеятельности, где необходимо провести построение системы контроля и управление или следить за безопасностью. Беспроводная сенсорная сеть необходима в первую очередь в таких областях, где вообще невозможна прокладка кабелей из технических, экономических или организационных причин.

Множество стандартов передачи данных такие как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, HomeRF, ZigBee и так далее делят между собой диапазон 2,4 ГГц,

Wi-Fi - торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Ноутбук или коммуникатор без подключения к сети Интернет сегодня является практически бесполезным куском «железа». Благодаря широкому использованием Wi-Fi для решения проблемы подключения к Интернету этот срок стал хорошо известным. Несмотря на то, что сначала в некоторых пресс- релизах WECA фигурировало словосочетание Wireless Fidelity, на данный момент от такого формулировка отказались, и срок Wi-Fi никак нет расшифровывается. Продукты, что назначались сначала для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и снабжали скорость передачи данных от 1 к 2 Мбит/с.

Создатель Wi-Fi - Вик Хейз (Vic Hayes) находился в бравшей команде. участие в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, IEEE 802.11a и IEEE 802.11g. Обычно схема сети Wi-Fi содержит нет меньше одной точки доступа и нет меньше одного клиента.

Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются с помощью сетевых адаптеров напрямую. Точка доступа передает свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с – наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, или возможное подключение к данной точки доступа

При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приемником может выбирать между ими на основании данных о уровень сигнала.

Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединение. Устройства Wi-Fi широко распространены на современном рынке. Совместимость оборудование гарантируется благодаря обязательной его сертификации с логотипом Wi-Fi. Излучение от Wi-Fi – устройств в момент передачи данных на два порядки (в 100 раз) меньше, нож от сотового телефона. Технология позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может снизить стоимость развертывание и/или расширение сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, поза помещениями и в зданиях, что имеют историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

Технология разрешает мобильным устройствам иметь доступ к сети. Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой устойчивости алгоритма). Невзирая на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более эффективную схему аутентификации и шифрование, какая применяется в новом оборудовании. Для реализации протоколов WPA и WPA2 нужно больше надежный пароль, нож тот, какой обычно назначается пользователем. Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – Ad- hoc и инфраструктурный ESS - Extended Service Набор. Режим Ad-hoc (иначе званый «точка-точка») - это просто сеть, в какой связь между станциями (клиентами) устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. В режиме инфраструктурной ESS беспроводная сеть складывается, как минимум, с одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторому набор беспроводных клиентских станций. Для организации беспроводной сети в замкнутому просторные применяются передатчики со всенаправленными антеннами. След иметь в виду, что через стены с большим содержанием металлической арматуры (в железобетонных зданиях такими есть несущие стены) радиоволны диапазона 2,4 ГГц иногда могут вообще нет проходить, поэтому в комнатах, разделенных подобной стеной, придется ставить свои точки доступа.

Мощность, какую излучает передатчиком точки доступа или же клиентской станции, работающей по стандарту IEEE 802.11, не превышает 0,1 Вт, но многие производители беспроводных точек доступа ограничивают мощность только программным путем, и достаточно просто поднять мощность до 0,2…0,5 Вт. Для сравнение – мощность, излучаемая мобильным телефоном, на порядок больше (в момент звонка - к 2 Вт). Поскольку, на отличие от мобильного телефона, элементы сети расположены далеко от головы, в целом можно считать, что беспроводные компьютерные сети более безопасны с точки зрения здоровья, нож мобильные телефоны. Продукты для беспроводных сетей, что соответствуют стандарту IEEE 802.11, предлагают четыре уровня средств безопасности: физический, идентификатор набора служб SSID, идентификатор управление доступом к среды и шифрование. Много организаций используют дополнительное шифрование (например, VPN) для защиты от вторжение.

WiMAX Стандарт IEEE 802.16 стандарт беспроводного связи, что обеспечивает широкополосную связь на значительные расстояния со скоростью, сравнимой с кабельными подключениями.

Название "WiMAX" было создано WiMAX Forum - организацией, какую основан в июне 2001 года в целях продвижения и развития WiMAX. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, какая предоставляет высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативной выделенным линиям и DSL».

WiMAX подходит для решения задач соединения точек доступа Wi-Fi один с одним и другими сегментами Интернет, а также для обеспечение беспроводного да широкополосного доступа. WiMAX разрешает осуществлять доступ в Интернет с намного большим покрытием, нож в Wi-Fi - сетей. Это

разрешает использовать эту технологию в качества магистральных каналов, продолжением которых выступают традиционные выделены и локальные сети. Этот подход разрешает создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках разных мост.

WiMAX представляет собой систему далекой действия, что покрывает километры пространства, какая использует лицензированы спектры частот (Возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером пользователю. Различные стандарты семейства 802.16 обеспечивают различные виды доступа, от мобильного (схожий с передачей данных в мобильных телефонов) к фиксированному (альтернатива проводного доступа, при котором беспроводное оборудование пользователя привязанное к месту расположение).

Обычно WiMAX сети в общем виде состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, оборудование, связывающее базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и Интернетом. Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 очень похожа с традиционными GSM-сетями.

Следует помнить, что технология WiMAX применяется как на "последней мили" - конечном участке между провайдером и пользователем, - так и для предоставления доступа региональным сетям: офисным, районным. Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использованием сверхвысокой частоты 10–66 ГГц радиосвязи прямой видимости. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 120 Мбит/с. Ограничение по условии прямой видимости, разумеется, не является преимуществом, однако оно накладывается только на базовые станции, участвующие в целостном покрытии района вполне возможно реализовать при размещении оборудования. Как минимум одна из базовых станций может быть постоянно связана с сетью провайдера через широкополосное скоростное соединение. Фактически, чем больше станций имеют доступ к сети провайдера, тем высшее скорость и надежность передачи данных.

Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надежной, недорогой, повсеместно доступный радиочастоте для ближней связи. Беспроводной канал позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе от 1 к 200 м друг от друга (дальность сильно зависит от препятствий и препятствий), даже в разных помещениях.

Стоит отметить, что AIRcable выпустила Bluetooth-адаптер Host XR с радиусом действия близко 30 км. Для общей работы Bluetooth-устройств необходимо, чтобы все они поддерживали общий профиль. Профиль - набор функций или возможностей, доступных для определенного устройства Bluetooth.

Технология Bluetooth опирается на нелицензированный частотный диапазон 2,4…2,4835 ГГц. При этом используются широкие защитные полосы: нижняя предел частотного диапазона составляет 2 ГГц, а верхняя - 3,5 ГГц. Частота (положение центра спектра) задается с точностью ±75 кГц. Дрейф частоты в этот интервал не входит. Кодирование сигнала осуществляется по двухуровневой схеме GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Логическому 0 и 1 соответствуют две разные частоты. В оговоренной частотной полосы выделяется 79 радиоканалов по 1 МГц каждый.

HomeRF - беспроводная технология, специально ориентированная на сети, создаваемые в домашних условиях. Главная идея HomeRF заключается в том, что у домашних пользователей потребности совсем отличные от потребностей корпоративных пользователей. Это значит, что и решения, которые для них нужны, специально для них и разработаны.

HomeRF стремится работать в этой нише рынка, поставляя устройства, которые достаточно легко устанавливаются, простые в использовании и более доступные, нож современные беспроводные решение масштаба предприятия.

HomeRF основан на нескольких существующих стандартах передачи голоса и данных и объединяет их в единое решение. Оно работает в полосе частот ISM 2,4 ГГц с использованием FHSS. Скачки по частотам происходят со скоростью от 50 до 100 раз в секунду. Избавление от интерференции происходит с помощью разнесение сигналов по времени и частоте. HomeRF использует радиопередатчики низкой мощности, которые подобны тем, что используются в персональных беспроводных сетях стандарта 802.15 на основе технологии Bluetooth.

Разница между двумя технологиями состоит в том, что HomeRF ориентирована только на рынок домашних пользователей, включая SWAP, какой в рамках HomeRF дает возможность более эффективно обрабатывать мультимедиаприложения. Передатчики действуют на расстоянии 40-50 м от базовой станции и могут быть встроены в карты типа Compact Flash.

ZigBee - название набора сетевых протоколов верхнего уровня, которые используют маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. Этот стандарт описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). ZigBee нацелено на приложения, каким нужен длительный время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных при небольших скоростях их передачи Основная особенность технологии ZigBee состоит в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает НЕТ только простые топологии беспроводной связи ( «Точка-точка» и

«звезда»), а и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применение данной технологии – это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического

медицинского оборудование, системы промышленного мониторинга да управление, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров

Имя бренда происходит от поведения медовых пчел, по возвращении его в улей. Сети, образованные по протоколу ZigBee начали рассматриваться с 1998 года, когда возникла необходимость в самоорганизованных системах связи. ZigBee нацелен на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных при небольших скоростях передачи. ZigBee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазоне: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и 2,4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира). Так как ZigBee-устройство большую часть времени находится в спящему режиме, уровень потребление энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей. ZigBee-устройство может активироваться (т.е. переходить от спящего режима к активному) за 15 мс или меньше, задержка его отзыва может быть очень малышкой, особенно в сравнении с Bluetooth, для которого задержка, образуемая при переходе от спящего режима до активного, обычно достигает трех секунд. Учитывая такие критерии, как цена чипов, дешевизна и скорость освоения технологии, низкое энергопотребление и стойкость перед помехами, можно сказать, что ZigBee нередко есть сейчас лучшим выбором.

Чипы для реализации ZigBee выпускают такие известны фирмы, как Техас Instruments, Freescale, Atmel, STMicroelectronics, OKI и т.д. Это гарантирует низкие цены на комплектующие для данной технологии. ZigBee – это технология, заполняющая нишу низкоскоростных беспроводных сетей с низким энергопотреблением, назначенных для систем управление с большой количеством узлов, таких как системы освещения в зданиях, системы наблюдения за парком промышленного оборудование и т.д. В в настоящее время достаточно доступны модули ZigBee: ETRX2, ETRX3, выпущенные компанией Telegesis. Для ознакомления с ними существуют стартовые наборы, что включают в себя модуль координатор, какой имеет USB-разъем, и три

других модуля, которые можно настроить на работу роутера или конечного устройства, что занимает датчиками температуры и освещенности, тестовыми кнопками и т.п. Приведем сравнительную таблицу основных стандартов (таблица 1.1)

ВЫВОДЫ

В данном разделе развернутые стандарты передачи данных в беспроводных сенсорные сети. Были рассмотрены следующие стандарты: Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, ZigBee, их характеристики да особенности. Проведено и представлено в таблицы

РАЗДЕЛ 2.

КЛАССИФИКАЦИЯ БСХ ТА КЛАСТЕРНО АРХИТЕКТУРА.

Стандартизацией сенсорных сетей занимаются много международных организации, среди которых ISO, IEC, IEEE и др. Да исследовательская группа по сенсорных сетей SGSN (Study Group on Sensor Networks) определила базовую архитектуру сенсорной сети и ее основные интерфейсы (рис. 2.1).

Как видно из рисунка, сенсорный узел складывается из:

В составе архитектуры определены четыре базовых интерфейсы:

а) интерфейс между базовым и прикладным программным обеспечением сенсорный узел.

б) интерфейс между базовым программным обеспечением и аппаратным обеспечением сенсорного узла (сенсоры, актуаторы и / или коммуникационный узел и т.д.).

в) беспроводные или ведущие интерфейсы между узлами в сенсорной сети.

г) интерфейс между сенсорной сетью и внешним средой (провайдеры услуг, пользователи).

Беспроводные сенсорные сети могут быть классифицированы на основе разных концепций в зависимости от типа узлов в сети или в зависимости от окружающей среды, в которой они развернуты, а также в зависимости от метода развертывания или в зависимости от расположения узлов в сети и т.д. Выделим некоторые принципиальные для дальнейшей разработки алгоритмов выбора главного узла характеристики БСМ

Статичность и Мобильность

Потребность в мониторинга людей, животных и вещей в целом вызывает необходимость применение мобильных узлов в БСХ. Сенсорные узлы, которые используются в беспроводных сенсорных сетях, могут быть стационарными или мобильными. При этом мобильные сенсорные узлы могут перемещаться с места на место, из-за чего связь между двумя узлами в сенсорной сети из мобильными узлами могут быть очень сложным.

Проактивные и реактивные БСХ

На основе способа функционирования и целевого применения сенсорных сетей они могут быть классифицированы на проактивные и реактивные БСХ. В Проактивные БСМ сенсорные узлы в сети периодически проверяют среду и передают данные, представляющие интерес для БСХ. В реактивных БСМ узлы оперативно реагируют на внезапные и резкие изменения в области сенсорного поля.

БСХ могут быть классифицированы в зависимости от структуры сети на одноранговые и иерархические. Во временной сети все узлы выполняют одинаковые Задача и передача данных на шлюз или базовую станцию осуществляется непосредственно. В иерархических сетях узлы делятся на главные и сенсорные. узлы. Сенсорные узлы собирают данные, а главные занимаются их обработкой, анализом и передачей на шлюз или БМ(рис. 2.2).

Двухмерные и трехмерные беспроводные сенсорные сети

БСХ могут быть также классифицированы на двумерные и трехмерные беспроводные сенсорные сети, глядя на то, что большинство существующих работ в области беспроводных сенсорных сетей в данный время посвящены двухмерном пространства, на самом деле такие сети работают в трехмерном пространстве, особенно с учетом появления новых приложений, таких как летающие сенсорные сети.

Случайное и детерминированное размещение сенсорных узлов

БСХ могут быть классифицированы в зависимости от способа размещение сенсорных узлов. При случайном размещении сенсорные узлы могут быть случайным образом разбросаны по некоторой области. Детерминированное размещение предполагает размещение узлов соответственно к предыдущего плана постройки сети. Естественно, что алгоритмы распределения данных между сенсорными узлами первом и второму случае могут быть существенно разные.

Гомогенные и Гетерогенные БСХ

Сенсорные сети могут быть разделены на два основных типа гомогенные. (однородные) и гетерогенные БСМ (неоднородные) в зависимости от составляющих их узлов. В однородных беспроводных сенсорных сетях все сенсорные узлы одинаковы точки зрения энергии батареи и аппаратной сложности Гетерогенные сенсорные сети могут содержать два, три или больше типов узлов, соответственно с разными энергетическими и функциональными возможностями.

Типы гетерогенных ресурсов

Есть три наиболее распространенных вида неоднородности ресурсов в сенсорных узлах: вычислительная неоднородность, неоднородность сетевых возможностей и неоднородность энергии.

Вычислительная неоднородность означает, что гетерогенный узел имеет более мощный процессор и больше памяти, нож типичный сенсорный узел. За помощью более мощных вычислительных ресурсов узлы могут обеспечить комплексную обработку данных и их долгосрочное хранение.

Неоднородность сетевых возможностей означает, что гетерогенный узел имеет более высокую пропускную способность и более мощный передатчик, чем типичный узел. Такой гетерогенные узлы могут обеспечить более надежную передачу данных, чем типичные.

Неоднородность энергии означает, что для гетерогенного сенсорного узла существует возможность либо постоянного электропитания от сети, либо возможность замены батареи или аккумулятора в течении срока службы сенсорного узла.

Влияние неоднородности сенсорных узлов на БСХ

Размещение нескольких разнородных узлов в сенсорной сети может принести ряд преимуществ.

Уменьшение задержки передачи данных . Вычислительная неоднородность

может уменьшить задержку обработки информации для ближайших узлов, а неоднородность сетевых возможностей - уменьшить продолжительность ожидание в очереди для передачи информации.

Увеличение продолжительности жизненного цикла сети . Средняя расход энергии для передачи пакета от обычных узлов в БС в гетерогенных сенсорных сетях будет намного меньше энергии, потребляемой в однородных сенсорных сетях.

Повышение надежности передачи данных . Использование в гетерогенной БСМ сенсорных узлов с высокой пропускной способностью и более мощными радиопередатчиком может повысить надежность передачи данных.

Сенсорная сеть представляет собой сравнительно большое количество беспроводных сенсоров, распределенных в некоторой области с достаточно высокой плотностью. В области покрытие радиосигнала каждого из сенсоров должно находиться как минимум еще один сенсор, в этом случае сенсор будет называться соседним. Чем больше

«соседей» в каждого с сенсоров, тем более высокой точностью и надежностью владеет сенсорная сеть – очевидно, что отдельный сенсор имеет ограниченную область восприятие, вычислительную мощность, память и питание. Технологии радиодоступа, что применяются в сенсорах и основаны на стандарте IEEE 802.15.4, позволяют передавать данные на расстояние к нескольких десятков метров

Естественно, чем выше количество соседних детекторов у каждого из детекторов, тем более высокой точностью и надежностью обладает сенсорная сеть – в связи с этим предполагается, что в некотором пространстве, где построена сенсорная сеть, сенсоры будут распределены с достаточно высокой плотностью и, соответственно, в большой количества. Эта сеть, как правило, имеет подключение к сети связи общей пользование для передачи полученных данных. Присоединение осуществляется за помощью некоторого шлюза, какой может также реализовывать функции защиты.

Отметим, что шлюз обычно не является сенсором, а являет собой более стабильный. сетевой узел (с точки зрения источники питание и ресурсов). Данные могут передаваться как для обработки на серверы, да и прямо заинтересованным пользователям. Очевидно, что сенсорная сеть, что складывается с большой количества сенсоров, должна быть структурированная, поэтому что большой объем передаваемой информации может снизить надежность тех узлов, которые находятся в непосредственной близости к шлюзу - постоянная передача транзитных данных может привести к выходу из строя источника питания, а большой объем трафика – переполнить буферы приема. Кластерная организация есть масштабируемой и считается эффективной для решения подобных задач (рис 2.3), но только при условия рационального выбора головного узла в кластерной сети и в нужном момент времени.

Действительно, главным является момент врмени когда сенсорный узел не обязательно должен быть им же в другой момент времени, так как существующий головной узел уже может потратить немалую количество энергии на передачу сообщений от всех сенсорных узлов кластера к момента . Поэтому, в момент времени главным узлом в кластере может быть назначен и другой сенсорный узел, что сохранил к

этого времени самый большой энергетический запас. Это обеспечивает алгоритм выбора главного узла.

Алгоритм выбора предполагает наиболее вероятный выбор сенсорного узла на роль главного на начала функционирование сенсорной сети, а впоследствии ротацию на основе энергетических характеристик других сенсорных узлов Подобное решение, естественно, увеличивает продолжительность функционирование сенсорных узлов и сети в целом.

Однако с развитием сенсорных сетей появились и другие Задача, что требуют пристального внимания. Например, задание о качестве обслуживания, которое есть важнейшей метрикой для любой сети, в поэтому числе и сенсорной. Действительно, очень важна проблема увеличения срока жизни сенсорной сети. Однако если эта сеть не будет выполнять свои функции в требуемом объеме, то и сама задача увеличения срока жизни сенсорной сети, не удовлетворяющая требованиям к качества обслуживание, впустую.

В системах мониторинга одним из важнейших требований является непрерывность, то есть обеспечение мониторинга параметров на всем пространстве или на протяжении всего процесса. Исходя из сказанного, необходимо разработать такой алгоритм выбора главного узла кластера, который обеспечивал бы лучшее покрытие заданной для мониторинга области двумерного пространства (плоскости) в течение достаточно длительного периода времени. Этот подход значит как оптимизацию срока жизнь сенсорной сети, да и оптимизацию исполнение сенсорной сетью своих функциональных задач с заданной качеством обслуживание в течении достаточно длительного периода времени.

Одним с важнейших параметров при построении сенсорных сетей есть потребление энергии. Сенсорный узел в силу своего размера может быть оборудованный источником питание с сравнительно небольшим ресурсом. В определенных приложениях сенсорных сетей, например, для решение тактических задач в

тыла врага, сенсорный узел является не обслуживаемым устройством, и замена источника питание есть невозможной.

Учитывая, что сенсорный узел может выполнять роль как терминала, так и транзитного узла, увеличение срока действия источника питания является одним из приоритетных задач, которое решается не только путем увеличения времени жизни источники питания, но и путём эффективного его использования. Учитывая известное классическое соотношение потребление энергии мобильным узлом, что говорит о то, что соотношение потребление энергии при

«передачи; приеме; режиме ожидание; спящему режиме» представляется соотношением «13: 9: 7: 1», усиленная внимание уделяется снижению времени передачи и приема информации да повышение доли времени, когда сенсор находится в режиме или спящему режиме. Это необходимо учитывать при разработке алгоритмов маршрутизации

ВЫВОДЫ

В данном разделе были рассмотрены беспроводные сенсорные сети, их виды, классификация, особенности. Более подробно рассмотрены гетерогенные БСХ. Проанализирована кластерная архитектура беспроводных сенсорных сетей. Становится понятно, что алгоритм выбора главного узла кластера есть одним с важнейших факторов в построении архитектуры БСХ.

РАЗДЕЛ 3

ОЦЕНКА И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Алгоритмы ВЫБОРА ГЛАВНОГО УЗЛА ДЛЯ ГОМОГЕННЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ БЕСПЛАТНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЬ.

Сенсорные узлы БСМ довольно часто могут функционировать в условиях, когда отсутствие гарантированного электропровода или даже замены батареи сенсорного узла. Поэтому важной характеристикой БСМ есть остаточная энергия .

В разделе проводится оценка и сравнительный анализ широко используемых при построении БСХ алгоритмов маршрутизации да самоорганизации для беспроводных стационарных сеток со стационарными вузами плоскости. Сравнение алгоритмов осуществляется в среде моделей MATLAB.

В качества показателей для сравнение используются продолжительность стабильного периода функционирование сенсорной сети, остается энергия, длительность периодов времени до выхода из строя первого и последнего сенсорных узлов. Анализировать алгоритм прямых передач DT и наиболее известные алгоритмы кластеризации LEACH, SEP, DEEC и TEEN Сравнение алгоритмов производится для гомогенной, двухуровневой и многоуровневой гетерогенных сенсорных сетей.

В иерархических алгоритмах маршрутизации узлы самоорганизуются в кластеры и главный узел выбирается для каждого кластера. Главные узлы осуществляют сбор данных с узлов - членов кластера, производят их обработку и передача информации на шлюз или базовую станцию. Такое агрегирование данных в главных узлах значительно снижает энергоиспользование в сети и увеличивает продолжительность жизненного цикла. Главным вопросом разработки алгоритмов для иерархических беспроводных сенсорных сетей есть выбор главного узла кластера. Существует два способы выбора главного узла кластера: выбор случайного главного узла или выбор предохранительного главного узла. Рассмотрим Дальше алгоритмы случайного выбора главного узла. Случайный выбор главных узлов приводит к создание кластеров разных размеров. В иерархических алгоритмах маршрутизации и самоорганизации, что происходит с членов кластера, может быть проведена главная встреча. и т.д.

Протокол с контролем топологии да кластеризации с низким уровнем потребности. Подходит для сетей с иерархической структурой. Протокол есть самоорганизованным и адаптированным под разные состояния сети для распределения энергии по сети [5]. Узлы полагаются однородными и имеют ограниченный запас энергии. В сети есть базовая станция, и все они знают о ее физическом состоянии. Узлы динамически объединенные в кластеры, имеющие выбор головного узла (кластера), для предотвращение возникновения энергии. Протокол включает в себя агрегированность данных и сокращение затрат энергии в 8 раз.

Работа LEACH распределена на раунды. С таких раундов стоит по фактам и стационарных фаз. В фазе настройки производится выбор главных узлов и объединение их с соседними устройствами. Решение о выбор принимается независимым образом. Принятие решения о выборе государственного узла принимается на случайные основы с помощью следующего алгоритма

Каждому из n узлов присваивается случайное значение N от 0 до 1. представленной ниже формулой рассчитывается значение порога T (n).

где r - номер текущего раунда;

P - вероятность выбора главного узла; n - указатель на текущий узел.

Г – количество узлов, которые не были главными узлами в последних 1 / Р раундах.

Если N <T (n), то узел становится главным кластером. Такой алгоритм гарантирует, что каждый из них будет удален главным узлом только однажды в нынешний время.

Узлы, которые были главные в нулевом раунды, нет могут быть ими снова, еще

1 / Р раундов. После этого все узлы могут быть главным узлом. В Стационарной фазе данные передаются базовой станции. Для сравнения с фазой настройка, стационарная фаза более длилась для того, чтобы минимизировать расходы энергии.

В протоколе используется CSMA - протокол MAS-уровня, в котором каждый с них проверяет отсутствие передачи другими узлами, к начала передачи на транспортный уровень.

Критическим параметром сети является процент узлов, являющихся главным узлом кластера. В случае среднего и большого процентов, и если расстояние к главного узла больше, нож между узлами и стоком, то тратится больше энергии. Оптимально считается 5% основных узлов от количества всех узлов. В таком случае протокол помогает достичь снижения общей энергетической сети в семь – восемь раз, в случае одноразовой передачи, в четыре – восемь раз, при передачи пакетов по нескольким узлам сразу.

Если нужно, то все узлы будут недееспособны, в один момент благодаря последовательном разделению ролей главных узлов.

Минимизируется общий расчет энергосистем с помощью распределение нагрузка между всеми узлами в разные моменты времени. Необходим выбор наиболее энергетического узла, да называемого cluster- head. Узлы нет обязаны знать о топологии всей глобальной сети. Подходит для мало удаленных друг от друга узлов. Топология протокола LEACH указано на рис 3.1.

Кроме того, при выборе головного узла другие сенсорные узлы определяют, к которому кластеру присоединяются основные мощности получаемого сигнала RSS. От главного узла.

Когда все узлы организовались в кластеры, главный узел создает расписание передачи информации на основе метода TDMA, гарантирующего отсутствие коллизий при передаче сообщений.

Передача данных (Steady-state фаза)

Главный узел широкополосным способом рассылает расписание передачи и спрашивает своих членов кластера о передачу данных. Узлы передают данные в отведенные для этого интервалы TDMA. После получения уведомлений от всех Узлов главного узла формирует свои сообщения и передает эти сообщения на шлюз или базовая станция. Блок схема протокола LEACH отображена на рис. 3.3.

Алгоритм LEACH представляет собой распределенный подход к кластеризации сетей и нет требует глобальной информации о нее. Блок схема протокола LEACH показана на рис.3.3.

Впоследствии алгоритм LEACH был неоднократно модифицирован и появлялся. такие алгоритмы, как E-LEACH, M-LEACH, LEACH-C, V-LEACH, W-LEACH, -

LACH и и т.д.

Преимущества алгоритма LEACH состоят с следующего :

Тем нет меньше, существуют и несколько недостатков в алгоритме LEACH :

TEEN [4] алгоритм базируется на методах кластеризации LEACH. Каждый узел в кластере периодически становится основным узлом. Сеть с использованием алгоритма TEEN также имеет иерархическую структуру на основе кластерной организации (рис. 3.4). Главный узел может обозначить свои узлы «жесткий» (hard) и «мягкий» (soft) пороги:

TEEN Согласно сказанному выше, TEEN имеет следующие преимущества:

Тем нет меньше, существует несколько недостатков и в алгоритме TEEN:

Алгоритм SEP [9] разработан для выбора главного узла в БСХ исходя из предположения, что в сети возможно наличие двух типов узлов из точки зрения их энергии: обычные и продвинутые узлы. Последнее сразу же определяет, что в данном случае сеть есть гетерогенность. Энергия продвинутых узлов больше, нож энергия обычных. При этом для обычных узлов начальная энергия равно Е 0 , в то время как для продвинутых Е 0 (1 + а).

Предположим, что у нас есть n узлов в сети, а процент продвинутых узлов равно m. тогда:

В [ 6] авторы предложили новый распределенный энергосберегающий алгоритм кластеризации для гетерогенных беспроводных многоуровневых сенсорных сетей, который назван DEEC.

DEEC оценивает вероятность выбора главного узла P i в многоуровневых гетерогенных БСМ в соответствия к следующей формулы:

где E i (r) - энергия узла в раунде.

При этом в алгоритме DEEC среднее энергия сети Е (r) для случайного раунда r рассчитывается как:

R обозначает общее количество радиологических сетей и оценивается следующим образом:

где Е общая – это суммарная энергетика сети, Е круглый - это расход энергии в потоке раунда.

Разработана модель имеет следующие условия:

При сравнительном анализе алгоритмов маршрутизации да самоорганизации для гомогенных и гетерогенных БСХ были использованы следующие показатели:

а) жизненный цикл. Жизненный цикл БСХ может быть определен за помощью следующих показателей:

б) стабильность Продолжительность интервала времени от начала функционирование БСХ к момента выхода с строя первого сенсора узла.

в) нестабильность . Продолжительность интервала времени с момента выхода из строя первого сенсорного узла к моменту гибели последнего.

г) число трудоспособных узлов и число нетрудоспособных узлов.

Сравнительный анализ алгоритмов маршрутизации да самоорганизации маршрутизации DT, LEACH, SEP, DEEC и TEEN производился с использованием MATLAB. Параметры для расчета расходы энергии в таблицы 3.1. Или параметры используются для расчета расходы энергии в протоколы LEACH, с которым выводится сравнение. Расчет расхода энергии происходит по формуле (3.1) [5], согласно которой текущее значение энергии уменьшается на величину, зависящую от параметра distance. Параметр distance, в свою очередь, меняется в зависит от расположение узлов за формулой (3.2)[5]. В таблицы

Таблица 3.1

Параметры моделирование

Таблица 3.2

Начальные значение алгоритма TEEN

При сравнительном анализе использовались несколько сценариев постройки БСХ.

В первом сценарии сенсорные узлы случайно распределены на плоскости. размером 100м * 100м. Число узлов в сети составляет 50 и базовой станции на пределы сенсорного поля с координатами (150, 50) м (рис.3.5).

Рис. 3.5. Случайное расположение узлов

В этом сценарии сравним алгоритм прямой передачи (DT) да алгоритмы иерархической маршрутизации LEACH и TEEN для гомогенных (однородных) сенсорных сетей. На рис. 3.6 и 3.7 приведены характеристики для алгоритма прямой передачи в начале жизненного цикла и после 180 раундов.

Рис. 3.6. Алгоритм прямой передачи на начала жизненного цикла

Рис.3.7. Алгоритм прямой передачи после 130 раундов

При использовании алгоритма прямой передачи DT сенсорный узел передает данные непосредственно на базовую станцию независимо от расстояния. Как видим, при этом узлы, которые находятся достаточно далеко от базовой станции, выходят из строя. первыми. Поэтому, эффективное применение DT целесообразно для сенсорных полей небольшого размера.

На рис. 3.8 показана агрегация сенсорных узлов в кластерах при исполнении зональных алгоритмов маршрутизации LEACH и TEEN, а рис 3.9 изображает передачу информации от главных узлов на базовую станцию.

Рис.3.8. Кластеризация БСХ

Рис.3.9. Случайное расположение узлов

По результатам моделирования установлено, что алгоритм DT имеет меньше период стабильности сети и жизненный цикл Первый узел для алгоритма DT вышел из строя уже в 154 раунде, тогда как для алгоритма LEACH это произошло в 621 раунды, а для алгоритма TEEN в 1130 раунде.

На рис. 3.10 показана продолжительность периода стабильности для всех указанных выше алгоритмов к первому выходу из строя узла, а на рис 3.11 – зависимость остаточной энергии сети от числа раундов.

Рис. 3.10. Продолжительность периода стабильности

Рис. 3.11. Зависимость остаточной энергии сети от числа раундов

Таким образом, алгоритмы кластеризации существенно эффективнее алгоритма прямой передачи Для алгоритма TEEN длительность периода стабильности более, чем в семь раз, а для алгоритма LEACH в пять раз больше, чем для алгоритма прямой передачи DT. На рис. 3.12, 3.13 приведены зависимости числа трудоспособных и нетрудоспособных узлов соответственно.

Рис. 3.12. Зависимость числа трудоспособных узлов от числа раундов

Рис. 3.13. Зависимость числа нетрудоспособных узлов

В этом сценарии рассмотрим гетерогенную сенсорную сеть, в которой есть два типы узлов - обычные и усовершенствованы. Предлагается новая модель, что отличается от описанных выше тем, что начальная энергия для усовершенствованных узлов в два раза больше, чем для обычных. При этом их число составляет 10 ...

20 % от общего числа узлов на сенсорном поле. Сравним эффективность применение алгоритмов DT, LEACH, TEEN и SEP для модели гетерогенной сети. На рис. 3.14 показано распределение обычных узлов (○) и усовершенствованных узлов (+) случайным образом на сенсорном поле.

Рис. 3.14. Случайное размещение узлов в гетерогенный сети

Результаты моделирования представлены на рис. 3.15, 3.16, 3.17, 3.18. Анализ результатов показывает, что период стабильности для алгоритма SEP, который первоначально учитывает наличие в сети гетерогенности, существенно больше в сравнить с алгоритмами LEACH и DT. вместе с тем, последний узел при использовании алгоритма LEACH выходит из строя позже, чем для алгоритма SEP. Алгоритм TEEN, хотя и не учитывает энергетическое неравенство узлов, дает лучшие результаты за всеми показателями, чем алгоритмы SEP, LEACH и DT.

Рис. 3.15. Продолжительность периода стабильности на момент выхода с лада первого узла

Рис. 3.16. Зависимость остаточной энергии сети от числа раундов

Рис. 3.17. Зависимость количества нет трудоспособных узлов

Рис. 3.18 Зависимость количества трудоспособных узлов

3.2.3. Третий сценарий

В этом сценарии рассмотрим многоуровневые по возможным энергетическим характеристикам сенсорных узлов гетерогенные сети При этом гетерогенная сенсорная сеть содержит сенсорные узлы трех уровней: обычные, усовершенствованные и суперузлы. Каждый узел имеет свою первичную энергию, значение первичной энергии меняется в рамках от 1 ... 100нДж.

Результаты моделирования представлены на рис. 3.19, 3.20. Анализ результатов моделирование показывает, что и по продолжительности периода стабильности, и по остаточной энергии алгоритм DEEC, сначала специализированный для многоуровневых гетерогенных сетей, значительно эффективнее алгоритмов LEACH и DT. Вместе с тем, алгоритм TEEN и для случае многоуровневых гетерогенных сенсорных сетей лучше, нож специализированный для этих целей алгоритм DEEC, и по продолжительности периода стабильности, и по остаточной энергии.

Рис. 3.19. Продолжительность периода стабильности на момент выхода с лада первого узла первого узла

Рис. 3.20. Зависимость остаточная энергии от числа раундов

Результаты моделирование для всех сценариев к выхода из строя первого узла обобщены на рис. 3.21. Анализ результатов моделирования показывает, что независимо от вида сети - гомогенная, двухуровневая гетерогенная или многоуровневая гетерогенная - алгоритм TEEN обеспечивает больше всего значение продолжительности периода стабильности Отсутствие кластеризации при использовании алгоритма прямой передачи приводит к тому, что продолжительность жизненного цикла БСМ может уменьшиться более чем в семь раз по сравнению с применением алгоритмов кластеризации

ВЫВОДЫ

Также в работе рассмотрены основные алгоритмы маршрутизации и самоорганизации для гомогенных и гетерогенных беспроводных сенсорных сетей стационарными сенсорными узлами, расположенными на плоскости. По результатам моделирование проведено сравнительный анализ эффективности применение алгоритмов DT, LEACH, SEP, TEEN и DEEC для разных сенсорных сетей (гомогенные, гетерогенные двухуровневые, гетерогенные многоуровневые). По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

LEACH не может обеспечить реальную балансировку в случае сенсорных узлов с разным количеством начальной энергии, поскольку главные узлы CH выбираются в терминах вероятностей без энергетических рассуждений. Кроме того, да как выборы СН выполняется в терминах вероятностей, трудно равномерно распределить СН. всей сети. Таким образом, существуют избранные CH, сосредоточенные в одной части сети, и некоторые узлы, в окрестностях которых нету CH.

РАЗДЕЛ 4

РАЗРАБОТКА СОВЕРШЕНСТВЕННОГО МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ БЕСПЛАТНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ.

В последние несколько лет к WSN наблюдается рост интереса. Ее используют в разных областях, таких как военная, медицинская, экологическая и т.д. д. WSN состоит из большого количества узлов из микродатчиков малой мощности, развернутых в большом просторные да что меньше всего, с одного BS. Каждый микродатчик контролирует физические или окружающие условия, такие как давление, температура, влажность и т.д., а затем отправляет собранные данные в BS. В WSN позиции узлов не определены заранее, что позволяет автономно организовать сеть. Как показано на рисунке 4.1, WSN включает в себя узлы датчиков, распределены случайным образом, BS получает все данные, которые были собраны с среды, и пользователя, который собирал данные через Интернет.

Каждый сенсорный узел в сети состоит из четырех частей: датчика, элемента обработки, беспроводной передачи и блока питания (обычно это батареи), как показано на рисунка 4.2. Одним с наиболее важных блоков есть блок питание. Узлы датчиков в такой среде ограничены по энергии, да как батареи нет можно перезарядить или заменить. Итак, разработка энергосберегающего протокола заинтересовалась продолжением срока службы сети. Таким образом, потребление энергии является основным важным фактором в большинства приложений, где все сенсорные узлы ограничены энергией, которая связана с сроком службы сети. Ограничено мощность узлов требует разработки протокола обмена данными, сохраняющего энергию. Таким образом, много видов исследований сосредотачиваются на протоколах маршрутизации, что есть одной с наиболее важных технологий в WSN [13].

Рис. 4.1. Архитектура WSN

Рис. 4.2. Узлы сенсорного узла в WSN

В литературе многие протоколы маршрутизации разработаны для организации передачи данных от узлов к приемника, и большинство с них основано на механизме иерархической кластеризации Протокол иерархической кластеризации с низким энергопотреблением (LEACH) как мы выяснили в предыдущих разделах является одним из самых эффективных. Поэтому в этой работе мы опираемся на протокол LEACH для разработки нового усовершенствованного протокола LEACH, какой улучшает потребление энергии в WSN. Эта работа направлена на предложение

энергоэффективности, стабильности, остаточной энергии, расстояния и протокола кластерной маршрутизации на основе многоэлементной техники.

4.1 leach (low energy adaptive clustering hierarchy)

LEACH - самый популярный и самый известный иерархический протокол кластеризации, разработанный для экономии энергии в сети. Он использует метод кластеризации, какой делит сеть на кластеры, и за помощью механизма кластеризации узлы организуются в иерархическую компанию. Каждый раунд в алгоритме LEACH состоит из двух основных фаз: установочная фаза и стабилизирующая фаза.

На первом этапе выбираются СН и формируются кластеры. В начале каждый раунд каждый сенсорный узел выдает случайное значение от 0 до 1. Если это значение ниже, нож функция вероятности T (n), рассчитана в уравнении (ниже), этот узел выбирается как CH. Даже если он становится обычным узлом[14].

Где p относится к проценту от количества кластеров в сети. r – текущий раунд, а G - группа узлов, которые нет были отобраны в качества каналов в раунде r.

После этого выбираются каналы, распространяющие информацию в сеть. Итак, каждый нормальный узел выбирает принадлежность своего канала CH в зависимости от силы принятого сигнала. на другому этапе, когда кластеры настроенные, и каждый узел знает свой временной интервал в TDMA. Обычные узлы передают свои собраны данные своих каналах CH за своими временными интервалами в расписании TDMA. Расписание TDMA используется для

настройки канала внутреннего доступ в каждому кластере и уменьшение интерференции между кластерами Следовательно, каждый CH агрегирует и сжимает полученные данные от своих участников со своими собственными[15]. Таким образом, информация кластера направляется непосредственно в BS через каналы CH.

4.2. Модель потребление радиоэнергии

В каждом узле передатчик потребляет ETx, который уже определен в уравнении, для передачи n битов диаметров удаленного приемника. Существуют две разные модели радиосвязи: 1) свободное пространство (fs), которое принимается, когда расстояние между передатчиком и приемником меньше порогового расстояния di0; 2) многолучевая (mp), которая используется, когда расстояние больше di0. Затем приемник потребляет ERx, описанную ниже, чтобы получить n бит пакета.

Там, где потребление энергии передатчика или приемника обозначается Eelec, fs и mp представляют коэффициент усиления энергопотребления в свободном просторные и многолучевой линии соответственно.

LEACH [16] разработан для понижения потребления энергии. У этого есть некоторые преимущества, например, каждый узел может в равной степени разделить заряд, наложен на CH, в определенной степени, потому что любой узел датчика, который был избран в качестве CH в определенном раунде, не может быть повторно выбран в качества CH. Кроме того, использование TDMA позволяет избежать конфликтов между каналами CH. Однако, у него есть некоторые недостатки, так как он влияет на одиночный переход, в тот время как каналы CH связываются непосредственно с приемником. Кроме того, для больших расстояний между СН и BS может потребляться больше энергии, чем делает LEACH непригодным для больших сетей. Более того, случайный выбор CH каналов приводит к тому, что не все узлы могут стать каналами CH [18]. Таким образом, если выбранный узел с меньшей текущей энергией, то CH быстро умрет, что повлияет на жизненный цикл сети.

В этой работе главная цель, это разработать новый - усовершенствован алгоритм LEACH. Общим целью предлагаемого протокола есть выбор CH соответственно к остаточной энергией узлов, чтобы избежать участия узлов с меньшей энергией в качестве CH. Чтобы предотвратить связь всех каналов с базовой станцией, он выбирает канал с наибольшей остаточной энергией и наименьшей расстоянием до приемника в качестве родительского канала. Затем он использует многоэлементный переход между каналами для достижения родительского канала, как мы видим на рисунка 4.3. Метод многоступенчатый перехода используется для увеличения расстояния передачи между каналами и приемником. Он включает два основных этапа, о которых идет речь ниже. Фаза настройки, на которой мы формируем кластеры и выбираем канал для каждого кластера. Устойчивая фаза, что состоит из трех подфаз.

Рис. 4.3. Предложенная архитектура протокола

Случайный выбор CH в LEACH приводит к того, что нет все узлы получают возможность стать CH, а также приводит к энергетического дисбаланс сенсорных узлов. Чтобы гарантировать энергетический баланс в сети, предложенный алгоритм выбирает CH соответственно к текущей энергией. В каждом раунде каждый узел вычисляет свою текущую энергию, применяя формулы которые указаны ниже. Этот узел может брать участие в роли CH, если его

текущая энергия превосходит среднее текущую энергию [17].

Где Etx и Erx определены соответственно в уравнениях (2) и (4), а Einit - это начальная энергия, что обеспечивается узлами на начала.

Таким образом, на основе [12, 17, 24, 25] мы определили новую предел функцию, как показано здесь:

Если процент количества каналов CH в сети представлен Pr, t представляет номер текущего раунда, C представляет совокупность узлов, которые еще не были CH в последних 1/Pр раундах. Einit представляет начальную энергию, что обеспечивается узлами в начале, тогда как Ecur показывает текущую энергию узлов в момент t поворота.

После первого условия каждый узел принимает случайное значение от 0 до 1. Этот узел будет избран как CH на текущем повороте, если это значение ниже пороговой функции Th. Не считая того, он становится обыденным узлом. После этого каналы передают информацию в сеть. Каждый нормальный узел определяет принадлежность своего канала в соответствии с мощностью принятого сигнала от канала.

Расписание TDMA (множественного доступа с временным разделением)

Расписание TDMA создается каждым каналом после конфигурации кластера соответственно к расстоянием и общей количеством узлов в каждому кластере. Каждый нормальный узел имеет временной интервал TDMA для отправки. данных в свой канал.

Выбор головы корневого кластера

На этом этапе предложенный алгоритм выбирает корневой CH, у которого остаточная энергия больше, чем средняя остаточная энергия CH, и его расстояние к стоку меньше, нож среднее расстояние между CH и стоком :

Ecur предлагает остаточную энергию CH в текущем витке, когда d указывает расстояние между каждым CH и стоком.

Передача информации

Когда все компоненты в сети знают свои роли на предыдущих этапах, обычные узлы начинают собирать данные из среды, а затем передают их своим подходящим CH. После этого каждый канал связывается с ближайшим каналом, чтобы достичь корневого канала, используя технику многозвенного соединение. После получение информации о все каналах корневой канал объединяет их со своим собственным, а потом отправляет их непосредственно в приемник, как показано на рисунке 4.3.

В этом разделе мы используем моделирование для анализа и имитации производительности предлагаемого подхода. Моделирование выполняется на платформе Matlab 2016b. Параметры моделирования предлагаемой нами модели указаны в таблице 1. Мы произвольно развернули 200 узлов на площади 200*200 м2, сток был размещен в позиции (100 | 250).

Таблица 4.1. Значение параметров

Основная цель предложенного алгоритма - Продолжить срок службы сети за счет выбора CH соответственно к текущей энергии и выбора корневого CH. Сначала все узлы имеют одинаковую начальную энергию Einit=1 Джоуль. Каждый сенсорный узел передает пакет данных. размере 4000 бит за раунд своей голове кластера. Процент CH от общего количества каналов в сети составляет 5%, в тот время как моделирование

повторяется с 10% и 20% как для предложенного алгоритма, да и для LEACH.

Результат моделирование, какой показывает относительную производительность обсуждаемых протоколов со значениями параметров из таблицы 1 и Pr = 20%, представлен на рисунке 4.4. Он показывает мертвые узлы в зависимости от раундов. на рис. 4.5 сравнивается поведение как LEACH, да и предлагаемого протокола для Pr=10%. Рисунок 4.6 иллюстрирует диаграмму сравнительного анализа обоих обсуждаемых протоколов для Pr = 5%, в то время время как FND представляет First Die Node, а HND указывает Half Node Die. Рисунок 4.7, Рисунок 4.8 и Рисунок 4.9 иллюстрируют общую текущую энергию узлов в сети для 20%, 10% и 5% соответственно.

Получены результаты с трех случаев демонстрируют эффективность нашего метода оптимизации энергопотребление в WSN. Таким образом, это указывает на то, что предложенный алгоритм работает лучше, чем протокол на основе которого он был разработан (LEACH) в всех случаях, за счет уравновешивание общего потребление энергии, увеличение периода стабильности и увеличение срока службы сети.

(б)

Рис. 4.4. Мертвые узлы в LEACH и предлагаемый протокол для 20% CH от общего количества узлов.

Рис. 4.5. Мертвые узлы в LEACH и предлагаемый протокол для 10% CH от общего количества узлов.

Рис. 4.6. Мертвые узлы в LEACH и предлагаемый протокол для 5% CH от общего количества узлов.

Рис. 4.7. Полная текущая энергия в LEACH и предлагаемом протоколе, Общая текущая энергия для 20% CH от общей количества узлов.

Рис. 4.8. Полная текущая энергия в LEACH и предлагаемом протоколе, Общая текущая энергия на 10% CH от общей количества узлов.

Рис. 4.9. Суммарная текущая энергия при LEACH и предлагаемом протоколе для 5%. CH от общей количества узлов.

ВЫВОДЫ

В настоящее время основной проблемой протокола маршрутизации в WSN является создание энергоэффективной конструкции. Для решение этой проблемы необходимо, чтобы сенсорный узел работал длительный время с меньшим потреблением энергии. Отправка и прием данных обычно представляют собой основное потребление энергии в сети. Чтобы решить эту проблему, было разработано несколько протоколов кластерной маршрутизации. В данной работе было предложено новый подход к протокола маршрутизации с иерархической кластеризацией в WSN с энергосбережением за помощью иерархического и кластерного метода Первая цель расширенного протокола – это балансировка энергопотребление узлов. Вторая цель – продление срока службы сети и улучшение периода стабильности за счет: учета текущей энергии при выборе канала, учет текущей энергии да расстояния к приемника для выбора ведущего канала, отправляющего агрегированные данные в приемник после получения всех собранных данных. Это исследование было разработано для оценки производительности предлагаемого протокола по сравнению с исходным алгоритмом LEACH.

Результаты моделирования в MATLAB подтвердили, что предложенный метод увеличивает период стабильности Итак, он продолжает срок службы сети больше, чем взятый за основу протокол LEACH, за счет количества мертвых узлов и общей текущей энергии сети. Таким образом, это также указывает на то, что предлагаемый нами метод достигает лучших результатов, чем традиционный протокол LEACH в всех рассмотренных случаях.

РАЗДЕЛ 5

РАЗРАБОТКА СТАРТАП-ПРОЕКТА

В этом разделе будет проведено анализ стартап проекта «Метод проектирование структуры сенсорной сети, построенной с использованием беспроводных систем».

Стартап как форма малого рискового (венчурного) предпринимательства на протяжении последнего десятилетие приобрела широкого распространение в мире из-за снижения барьеров входа в рынок (с появлением Интернета как инструмента коммуникаций да сбыта стало проще находить потребителей да инвесторов, заниматься поиском ресурсов, пересекать границы между рынками разных стран), и считается одной из краеугольных составляющих инновационной экономики, поскольку счет мобильности, гибкости и большого количества стартап-проектов общая масса инновационных идей растет.

Идея проекта состоит в использовании нового протокола для постройки маршрутизации с иерархической кластеризацией в WSN с энергосбережением уточнено приведено в таблицы 5.1.

В таблице 5.1 изображено содержание идеи и возможные базовые потенциальные рынки, в пределах которых нужно искать группу потенциальных клиентов.

Таблица 5.1. Описание идеи стартап проекта

Итак, предлагается усовершенствован алгоритм маршрутизации и самоорганизации для беспроводных сенсорных сетей со стационарными сенсорными узлами, расположенными на плоскости.. Общей целью предлагаемого протокола есть выбор CH в соответствии с остаточной энергией узлов, чтобы избежать участия узлов с меньшей энергией в качестве СН. Следовательно, он продлевает срок службы сети больше, чем взятый за основу протокол LEACH, за счет количества мертвых узлов и общей текущей энергии сети. Таким образом, это также указывает на то, что предложенный алгоритм достигает лучших результатов, нож традиционный протокол LEACH в всех рассматриваемых случаях.

Дальше проводим анализ потенциальных технико-экономических преимуществ идеи сравнительно с предложениями конкурентов:

Таблица 5.2. Определение сильных, слабых да нейтральных характеристик идеи

проекта

Результаты моделирования в MATLAB подтвердили, что предложенный алгоритм увеличивает период стабильности Следовательно, он продлевает срок службы сети больше, чем взятый за основу протокол LEACH, за счет количества мертвых узлов и общей текущей энергии сети. .

В пределах данного подразделения проводим аудит технологии, за помощью которой можно реализовать идею создание проекта.

Определение технологической осуществимости идеи проекта предполагает анализ составляющих которые указаны в таблицы 5.3.

Таблица 5.3. Технологическая выполнимость идеи проекта

Проанализировав таблицу можно заключить, что наш проект имеет достаточно условий для проверки своей точности, базисных оценок, на которых формируется проблематика.

Определим рыночные возможности, которые можно использовать во время рыночного внедрение проекта, да рыночные угрозы, которые могут помешать его реализации.

Это разрешает оценить актуальность нашего проекта.

Сначала проведем анализ спроса: наличие спроса, объем, динамика развития рынке (таблица 5.4).

Таблица 5.4. Предыдущая характеристика потенциального рынке стартап-проекта

Рентабельность - понятие, что характеризует экономическую эффективность производства, за которой за счет денежной выручки от реализации продукции (работ, услуг) полностью возмещает затраты на ее производство и получается прибыль как главный источник расширенного воспроизводства С данной таблицы можно сделать заключение, что рынок есть привлекательным для вхождение за предварительным оценкой.

Целевая аудитория проекта - компании которые используют беспроводные сенсорные сети в том или ином виде. Этот рынок достаточно широк, поэтому его динамика есть именно растущей.

В дальнейшем определяем потенциальные группы клиентов, их характеристики, да формируем ориентировочный список требований к товару для каждой группы (табл. 5.5).

Таблица 5.5. Характеристика потенциальных клиентов стартап-проекта

В связи с тем, что аудитория достаточно широкая, вызвать доверие новыми решениями будет нет очень сладко. Но технология должна действительно повышать качество использование беспроводных сенсорных сетей. А как показывают измерения предложенный алгоритм работает лучше, чем протокол на основе которого он был разработан.

При применении данной технологии существуют определенные угрозы. (таблица 5.6).

Так как прямой потребитель – может быть как пересеянный покупатель, так и другие компании, согласование таких процедур занимает множество ресурсов. Однако это не есть единственной проблемой .

Таблица 5.6. Факторы угроз

Риски существуют, поэтому нужно иметь крепкий фундамент в виде документов, сертификатов, которые подтверждают все возможны намерения, результаты тестирований да выделение основных преимуществ этого протокола для большей эффективности беспроводных сенсорных сетей.

Но рядом с кругом угроз существуют и определенные возможности (таблица 5.7).

Таблица 5.7. Факторы возможностей

Некоторые угрозы могут служить факторами развития новых возможностей для проекта. Это конечно побуждает к использование дополнительных ресурсов для решение этих проблем.

Конкуреция также была как фактором угрозы, так и возможностью показать свои преимущества. Для этого был проведен в дальнейшем анализ предложения: определяются общие черты конкуренции на рынке

Таблица 5.8. Ступенчатый анализ конкуренции на рынке

Анализ подтверждает, что даже при своей специфике наш проект нуждается значительные усилия для того, чтобы войти в рынок, зафиксироваться и предлагать свои возможности своим клиентам. И это как раз тот случай, когда стоимость влияет на принятие решение.

После анализа конкуренции проведем более подробный анализ условий конкуренции в отрасли.

Таблица 5.9. Анализ конкуренции в отрасли за М. Портером

После всех анализов определяется да обосновываетесь список факторов конкурентоспособности

Таблица 5.10. Обоснование факторов конкурентоспособности

Финальным этапом рыночного анализа возможностей внедрения проекта есть составление SWOT-анализа (матрицы анализа сильных (Strength) да слабых (Weak) сторон, угроз (Troubles) и возможностей (Opportunities) (табл. 5.12) на основе выделенных рыночных угроз и возможностей, и сильных и слабых сторон (табл. 5.11). Список рыночных угроз и рыночных возможностей составляется на основе анализа факторов угроз да факторов возможностей маркетингового среды. Рыночные угрозы да рыночные возможности есть последствиями (прогнозируемыми результатами) влияния факторов, и, в отличие от них, еще не являются реализованными на рынке да имеют определенную вероятность воплощение.

Таблица 5.11. Сравнительный анализ сильных да слабых сторон

С таблиц 5:10 да 5.11 видим, что факторы конкурентоспособности существенные да имеют большой положительный вклад при внедрении нового программного обеспечение для расчета концентрации пыли. Основной преимуществом да главным достижением есть высокая качество продукта да техническая поддержка на на протяжении всего срока его использование потребителем.

Таблица 5.12. SWOT- анализ стартап-проекта

Это снова подтверждает, что даже несмотря на свою специфику, наш проект требует значительных усилий для того, чтобы войти в рынок, зафиксироваться и предлагать свои возможности своим клиентам.

на основе SWOT-анализа разрабатываем альтернативы рыночной.

Таблица 5.13. Альтернативы рыночного внедрение стартап-проекта

Из указанных альтернатив выбираем стратегию компенсации слабых сторон стартапа имеющимися рыночными возможностями

Разработка рыночной стратегии первым шагом предполагает определение стратегии охват рынке: описание целевых групп потенциальных потребителей.

Таблица 5.14. Выбор целевых групп потенциальных потребителей

По результатам анализа потенциальных групп потребителей мы выбрали целевые группы, которым наиболее необходима наша разработка. Ведь только они могут интегрировать его в свои продукты, тем самим совершенствуя их, тестировать, делать выводы и использовать в коммерческой деятельности.

Для работы в избранном сегменте рынке необходимо сформировать базовую стратегию развития.

Таблица 5.15. Определение базовой стратегии развития

Следующим шагом есть выбор стратегии конкурентной поведения (табл. 5.16).

Таблица 5.16. Определение базовой стратегии конкурентной поведения

На основе требований потребителей из выбранного сегмента к поставщику и продукта, а также в зависимости от стратегии развития да стратегии конкурентной поведения разрабатываем стратегию позиционирование какая определяется в формирование рыночной позиции, за каким потребители имеют идентифицировать проект.

Таблица 5.17. Определение стратегии позиционирование

Результатом данного подразделения является система решений по рыночному поведению компании, она определяет в котором направлении будет работать компания на рынке

При разработке маркетинговой программы первым шагом является разработка маркетинговой концепции товара, какой получит потребитель. В таблицы 5.18 суммируем результаты анализа конкурентоспособности товара.

Таблица 5.18. Определение ключевых преимуществ концепции товара

Это основная причина потребителей приобрести наш проект - стать уникальными на рынке.

Таблица 5.19. Концепция маркетинговых коммуникаций

ВЫВОДЫ

Обобщая проведен анализ стартап проекта можно сделать заключение, что проект «Метод проектирование структуры сенсорной сети, построенной с использованием беспроводных систем» является реальным, однако имеет много рисков. Удалось просчитать возможности на рынке и угрозы. Теперь на нашем рынке нет анонсированных аналогов подобного способа, однако возможно, что впоследствии они появятся. Однако это может создать ряд преград, как технических, бюрократических, да и финансовым. Так что Задача интегрировать разработан протокол в продукты наших потенциальных клиентов есть реальным, но должен иметь что-то больше, нож просто обещающие аргументы. Это имеют быть сертификаты, статистические данные, много исследований относительно необходимости этого способа да доказательство, что способ не будет противоречить существующим действиям беспроводных сенсорных систем. Ведь именно это есть основой в совершенствовании беспроводных сенсорных систем.

Также можно заключить, что значительную роль будет играть стоимость интеграции Это то, что в первую очередь будет влиять на решение медицинского производителя, ведь конечная стоимость его продукта имеет быть конкурентоспособной.

Так как отрасль потенциально достаточно широка в Украине, наш проект в теории будет иметь спрос среди наших производителей беспроводных сенсорные сети.

Следующий вывод – так как другие производители еще не анонсировали подобных усовершенствований, у проекта есть шансы стать лидером в своей области. А продукт, какой интегрирует его в себя - монополистом.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЫ

Были развернутые стандарты передачи данных в беспроводных сенсорных сетях. Были рассмотрены следующие стандарты: Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, ZigBee, их характеристики и особенности Был выбран оптимальный стандарт для работы беспроводных сенсорных сетей.

Было рассмотрено классификацию да особенности беспроводных сенсорных сетей. Более подробно рассмотрены гетерогенные БСМ. Проанализированная кластерная архитектура беспроводных сенсорных сетей И сделан вывод, что алгоритм выбора главного узла кластера является одним из важнейших факторов в построении архитектуры БСХ.

Также в работе рассмотрены основные алгоритмы маршрутизации и самоорганизации для гомогенных и гетерогенных беспроводных сенсорных сетей стационарными сенсорными узлами, расположенными на плоскости. По результатам моделирование проведено сравнительный анализ эффективности применение алгоритмов DT, LEACH, SEP, TEEN и DEEC для разных сенсорных сетей (гомогенные, гетерогенные двухуровневые, гетерогенные многоуровневые). По результатам исследований были сделаны определенные выводы, которые помогли в дальнейшей разработке.

В данной работе было разработано новый протокол маршрутизации с иерархической кластеризацией в WSN с энергосбережением за помощью иерархического и кластерного метода Первая цель расширенного протокола - это балансировка энергопотребление узлов. Второй цель - продолжение срока службы сети и улучшение периода стабильности за счет: учета текущей энергии при выборе канала, учете текущей энергии и расстоянии до приемника для выбора ведущего канала, какой отправляет агрегированные данные в приемник после получение всех собранных данных. Это исследование было разработано для оценки производительности предлагаемого протокола по сравнению с исходным алгоритмом LEACH.

Результаты моделирование подтвердили, что предложенный метод увеличивает период стабильности Итак, он продолжает срок службы сети больше, нож взятый за основу протокол LEACH. Таким образом, это также указывает на то, что предложенный метод проектирования сенсорной сети достигает лучших результатов, чем традиционные методы

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

//Электросвязь. – 2006.- №6