автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование метода энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания

КОМАРОВ МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ БЕСПРОВОДНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ С АВТОНОМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

(по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 МАР ш

Москва-2012

005015183

Работа выполнена в:

Московском государственном институте электроники и математики на кафедре «Вычислительные системы и сети»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Восков Леонид Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Саенко Владимир Степанович

кандидат технических наук Воробьев Владимир Михайлович

Ведущая организация: ФГУП «Межотраслевой научно-

исследовательский институт «Интеграл»

Защита состоится «29» марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 при Московском государственном институте электроники и математики (технический университет) по адресу: 109028, Москва, Б. Трёхсвятительский пер., дом 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Автореферат разослан «$0» февраля 2012 г. Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор ^СУ^^^^'Н.Н. Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

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

1. Математическая модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, учитывающая влияние внешних факторов.

2. Алгоритм распределения сенсорных узлов в сети, увеличивающий время автономной работы.

3. 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,

6

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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность направления исследований, проводимых в диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведены краткие сведения о структуре диссертации.

В первой главе диссертации рассмотрены общие положения стандарта беспроводной сенсорной сети IEEE 802.15.4, выделены его основные характеристики и особенности. В работе приводятся основные факторы определяющие качество обслуживания в беспроводных сенсорных сетях, анализируются проблемы качества обслуживания в этих сетях и метрики, относящиеся к данным проблемам.

Определена проблема энергопотребления в беспроводных сенсорных сетях. Вскрыта взаимосвязь неравномерности энергопотребления с обеспечением качества обслуживания в БСС. Проведенный анализ печатных источников позволил выявить отсутствие исследований в области оценки величины энергопотребления узлов сбора данных при передаче подтверждения о приеме данных от оконечных узлов и влиянии на это потребление внешних факторов, таких как помехи, расстояние между узлами, интенсивность заявок и приоритетность трафика.

Рассмотрены основные модели и методы обеспечения качества обслуживания в беспроводных сенсорных сетях. Показано отсутствие учета в существующих моделях БСС влияния внешних факторов на качество передачи и приема данных. Показана необходимость разработки модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания с учетом влияния внешних факторов.

Сформулирована проблема нерационального распределения нагрузки в беспроводных сенсорных сетях, которое не позволяет обеспечить требуемое качество обслуживания.

Обоснована необходимость решения задачи энергетической балансировки в беспроводных сенсорных сетях с автономными источниками

8

питания и разработки метода энергетической балансировки в рамках единой беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания.

Показана необходимость разработки модели и алгоритмов работы диспетчера качества обслуживания (узла или устройства), которое должно р'еализовывать метод энергетической балансировки в беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания.

Во второй главе предложен метод доступа к каналу связи с последовательной передачей информации, который позволяет избежать расхода энергии на повторную передачу данных и организует динамическую настройку излучаемой мощности передатчика при выборе узла сбора данных, принимающего информацию и отправляющего подтверждение о приеме на оконечный узел. На Рис. 1 представлена иМЬ-диаграмма общего алгоритма передачи данных при динамическом выборе узла сбора данных

Рис 1. Общий алгоритм передачи данных при динамическом выборе узла

сбора данных

Узлом для передачи данных выбирается узел с наименьшей величиной расстояния между узлами, минимумом уровня помех, способный обслуживать

оконечный узел с заданной интенсивностью заявок и приоритетом данных. При таком подходе возможно динамически регулировать излучаемую мощность передатчика и снижать энергопотребление узла сбора данных при отправке подтверждения о получении информации от оконечного узла и является основным отличием предложенного алгоритма от широко используемого механизма множественного доступа с контролем несущей и предотвращением конфликтов (СЭМА/СА).

В главе решена задача разработки модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания с общей шиной. Выбрана модель с последовательной передачей данных. Основное внимание уделено учету влияния внешних факторов на прием и передачу информации в сети от оконечных узлов к узлам сбора данных, что позволяет учитывать их энергопотребление.

Рис. 2 Структура сети с единой зоной покрытия

Рассмотрим структуру сети с единой зоной покрытия узлами сбора

данных (Рис. 2). Имеется т беспроводных узлов сбора данных ..,г„„

которые находятся в одной точке и имеют одинаковую зону покрытия Я,,,,

максимальную потребляемую мощность от источника питания приемника Ргх и

передатчика Р1х, имеют автономные источники питания с емкостью батареи С.

Узлы сбора данных проводным образом соединены с центральным устройством

10

сети, то есть информация от каждого из устройств сбора данных гарантированно поступает на центральное устройство сети и затраты энергии от источника питания на отправку информации от устройств сбора данных до центрального устройства сети пренебрежимо малы.

В зону покрытия устройствами сбора данных случайным образом устанавливают п типов оконечных узлов с потребляемым током для каждого типа е],...е„, на различных расстояниях от узлов сбора данных Количество устройств различных типов 6;, ...Ьп. Каждое из оконечных устройств имеет регулярный информационный поток, соответствующий известному энергопотреблению, с определенной интенсивностью заявок от оконечных устройств. Максимальная потребляемая мощность от источника питания приемника и максимальная потребляемая мощность от источника питания передатчика совпадает с мощностями устройства сбора данных -Рп,Р,х. Каждое оконечное устройство для рассматриваемой сети может один раз 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 максимально. Такой процесс распределения оконечных устройств по устройствам сбора данных назовем «энергетической балансировкой сети». С учетом результатов других исследований в области оценки энергопотребления узлов, энергопотребление /-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, т.е. необходимо учитывать общее (макроэнергетическое) потребление. Данный подход отличается от исследованных ранее тем, что учитывается не только энергия, затрачиваемая на прием данных от оконечного узла и не только энергия, затрачиваемая на поиск минимальных расстояний между узлами.

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 ё пропорциональна развиваемой источником мощности Р и потребляемым устройством током е, т.е.

S =PT=eUT=EU, (1)

где величина Е имеет размерность (Ачас) и при постоянном U может характеризовать энергопотребление устройства. Этот показатель и будем использовать в дальнейшем. Интервал времени Т пропорционален объёму передаваемых данных (V),t.q., T=V/B=(Vs+Vaci)/B, где V,- объем передаваемых данных (бит), Vack -объем данных подтверждения (бит). Поэтому при B=const вместо Т можно использовать V.

С учетом сказанного, энергопотребление /-го устройства сбора данных за цикл передачи данных можно представить как сумму энергопотреблений передачи и приема данных

^ Vs ; Vack_

а - е/,, + erX] >Е, = 2jxveaj —L + xiJerxJ ) Л =E,i = l,m, (2)

1 Vs , Vack,

E, = Ь, jj(PIxJ-f + ktj 4Prxj —xt] >0; (3)

где

x,y — количество узлов j-го типа, подключенных к i-му устройству сбора данных; е, - энергопотребление z'-го устройства сбора данных/ е,у — ток потребляемый при приеме данных г-м устройством сбора данных от у-го оконечного узла; Уч — общий объем данных оту'-го узла, которые необходимо принять i-му устройству сбора данных;егау - ток потребляемый при передаче подтверждения /'-м устройством сбора данных на j-й оконечный узел; VackJ - общий объем данных подтверждения от /'-го устройства сбора данных, переданных на у'-й оконечный

узел; Рщ — максимальная потребляемая мощность от источника питания приемника /'-го устройства сбора данных (максимальная потребляемая мощность от источника питания передатчика у'-го оконечного узла); Рп/ — максимальная потребляемая мощность от источника питания передатчика /'-го устройства сбора данных (максимальная потребляемая мощность от источника питания приемника у'-го оконечного узла); к,, - коэффициент энергетического состояния канала передачи данных от /'-го устройства сбора данных к у'-му оконечному узлу.

Из анализа особенностей работы узла сбора данных на передачу и приём следует, что при передаче подтверждения от г-го устройства сбора данных можно уменьшить мощность сигнала передаваемого на приемник у'-го оконечного узла, с учетом состояния канала (энергетического состояния канала передачи данных от /-го устройства сбора данных к у'-му оконечному узлу), на величину ку. Данный коэффициент показывает, с какой потребляемой мощностью от источника питания (или на какой излучаемой мощности) можно вести передачу подтверждения от /'-го устройства сбора данных. Это позволит в случае уменьшения потребляемой мощности от источника питания при уменьшении излучаемой мощности сохранить энергию батареи и увеличить продолжительность функционирования устройства.

Здесь:

с,у - коэффициенты влияния внешних факторов в канале передачи данных от /го устройства сбора данных к у'-му оконечному узлу {0 < с < /). ¿■(.-коэффициент влияния радиообстановки на передачу подтверждения:

е:"ТГ- <5>

а у

Р

шц

где Р,х ij - мощность в точке приема данных в канале передачи данных от /-го устройства сбора данных ку'-му оконечному узлу (ДБ), Рш у - мощность шума у приёмника в канале передачи данных от /-го устройства сбора данных к у'-му оконечному узлу (ДБ).

Физический смысл данного коэффициента в том, что если при приеме информации у'-м устройством от /-го устройства сбора данных уровень шума мал, то излучаемую мощность передачи подтверждения можно уменьшить, что позволит уменьшить потребляемую от источника питания мощность.

Стандартом IEEE 802.15.4 и дальнейшими рекомендациями к стандарту определено предельное отношение сигнал/шум для передачи данных с 1% ошибок, которое равно ЗДБ.

C2ij -коэффициент влияния интенсивности поступления заявок от оконечного узла/

Сзу-коэффициент влияния расстояния между оконечным узлом у и узлом сбора данных /.

С./,-коэффициент влияния приоритетности данных, поступающих от оконечного узла у на узел сбора данных.

Далее в главе рассматриваются методы определения введенных коэффициентов, характеризующих внешние факторы, влияющие на прием информации узлом сбора данных от оконечного узла.

Разработан метод энергетической балансировки, который основывается на обоснованной в работе модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания. Для системы сбора данных необходимо передать трафик от оконечных устройств п типов через m устройств сбора данных. У каждого устройства сбора данных одинаковое энергопотребление Е0.

Энергопотребление каждого оконечного устройства ehe2.....е„, количество

устройств различных типов, соответственно, b],b2,...,b„. Информация от устройств сбора данных передается последовательно, что можно описать, используя известный механизмом предшествования.

Учитывая все ограничения, предложена следующая математическая постановка задачи в терминах целочисленного линейного программирования. Минимизировать функцию

3) = 0, при Ъ1 - >0 для всех I и к,для которых I <к, где 1=1,2,...,к-1,

У-/ ¡'1

ь, >о,

4) х0> 0;е, >0;й, >0, где 1=1,2,..,т,]=1,2.....п,

5) Хф Ь}, е}- целые, где 1=1,2,.,,т,}=1,2,...,«.

В главе приведен алгоритм решения поставленной математической задачи. В качестве метода решения предлагается метод ветвей и границ с эвристиками ветвления и выбора границ, позволяющий решать практические задачи за допустимое время.

В третьей главе представлены материалы отражающие решение задачи разработки диспетчера качества обслуживания, показано его место в сети и обоснован алгоритм работы.

Результатом работы диспетчера качества обслуживания является выполнение оценки величины энергопотребления беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, реализация метода энергетической балансировки (путем оценки канала связи, распределения нагрузки на оконечные узлы сбора данных, оценки расстояния между узлами), выработки рекомендаций для центрального узла в сети по изменению топологии сети. Общий алгоритм работы диспетчера качества обслуживания сети представлен на иМЬ-диаграмме (Рис. 3).

при ограничениях:

(6)

Пр'шк-е^ш тгола зтргтт&^шг яакшреет ; 1тэпэяэгкм

Л

1Итгр^и* зва.Ш! шфаршщ*«

I

Рис. 3 Общий алгоритм работы диспетчера качества обслуживания сети.

В четвёртой главе обобщаются результаты, полученные в Главе 2 и Главе 3, а также даётся описание процесса верификации разработанного метода энергетической балансировки и проверка адекватности модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания. Рассматриваются особенности практической реализация метода на базе программно-аппаратной платформы, разработанной в рамках выполнения настоящей работы. Экспериментально рассматриваются случаи влияния внешних факторов (таких как различная интенсивность заявок оконечных узлов, различные расстояния между узлами). Оценивается энергопотребление и время непрерывной работы, которое может быть достигнуто с использованием предложенного метода энергетической балансировки и разработанной модели сети. Экспериментальные данные применения метода энергетической балансировки (Таблица I) подтверждают правильность основных результатов и выводов. Установлен факт уменьшения энергопотребления узла сбора данных и увеличения времени работы сети.

J

7абли?/я I. Результаты экспериментального исследования

С оптимизацией

Показатели ■ . . . ■ ■ Без оптимизации ,: , - .: *" : без динамической регулировки МОЩНОСТИ с динамической регулировкой мощности

Излучаемая мощность приемопередатчика 10 мВт 10 мВт 3 мВт

Потребляемый ток при

передаче подтверждения 0,925 мА 0,925 мА 0,278 мА

о приеме данных

Потребляемый ток за

цикл приема/передачи 21,58 мА 21,58 мА 20,93 мА

данных

Общая величина тока,

затраченного на передачу подтверждения 49,18 мА 49,21 мА 34,23 мА

о приеме данных

Число подключенных 13 4 4

оконечных узлов

Время автономной работы 4 часа 5 минут 13 часов 18 минут 13 часов 30 минут

Число типов узлов = 1, число оконечных узлов = 16, число узлов сбора данных = 4, емкость батареи источника питания = 1150 мАч.

Разработанный метод может быть адаптирован для любого конкретного приложения, а модель сети позволит учесть специфику влияния внешних факторов для приложения, позволит увеличить время работы, уменьшить энергопотребление.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В заключение можно выделить следующие основные результаты, полученные в работе, и сделать ряд выводов: По результатам проведённых исследований и разработок можно сделать следующие заключения и выводы:

1. Проведен обзор и анализ существующих механизмов обеспечения качества обслуживания в беспроводных сенсорных сетях для различных моделей передачи данных и методов энергетической балансировки. Обоснована необходимость и выделены основные направления проведения исследований в области повышения качества обслуживания в беспроводных сенсорных сетях.

2. Разработана модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, учитывающая влияние внешних факторов на прием и передачу данных.

3. Разработан метод и алгоритм энергетической балансировки стационарной БСС с автономными источниками питания, который позволяет распределить нагрузку на узлы сбора данных и уменьшить энергопотребление узла сбора данных.

4. На основе разработанных модели сети, метода энергетической балансировки созданы эффективные программные реализации, внедренные в реализованную в рамках настоящей работы программно-аппаратную платформу.

5. Проведена экспериментальная верификация метода энергетической балансировки и проверка адекватности модели с учетом частных случаев влияния внешних факторов на прием и передачу данных. Результаты экспериментов на программно-аппаратном комплексе показали уменьшение энергопотребления устройства сбора данных более чем на 20% от общей затрачиваемой энергии на передачу подтверждения о приеме данных от оконечных узлов (что эквивалентно 14,98 мА) при распределении оконечных узлов с оптимизацией и динамической регулировке мощности и увеличение

18

времени автономной работы более чем на девять часов по сравнению с распределением оконечных узлов без оптимизации и без динамической регулировки мощности. Результаты диссертационной работы могут быть полезны для разработчиков сенсорных сетей, гетерогенных сетей, системных администраторов и инженеров ЛВС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Комаров М.М., Восков Л.С. Позиционирования датчиков беспроводной сенсорной сети как способ энергосбережения [Текст] // «Датчики и системы». - №1.2012. М.: СенСиДат-Контрол, 2012. -С. 34-38.

2. Комаров М.М., Восков Л.С. Повышение качества обслуживания в беспроводных стационарных сенсорных сетях с автономными источниками питания [Текст] // Журнал «Качество, Инновации, Образование». -№1.2012. М. ¡Европейский центр по качеству, 2012. -С. 51-55.

3. Восков Л.С., Комаров М.М. Качество обслуживания в БСС: метод энергетической балансировки стационарной БСС с автономными источниками питания [Текст] // «Менеджмент качества и ИТ-сервис менеджмент». Материалы международной конференции представителей науки и образования / под ред. д.т.н., профессора В.Н. Азарова. - М.: Фонд «Качество», 2010 г., С. 149-153.

4. Комаров М.М. Использование механизма позиционирования по уровню принятого сигнала в решении задачи энергетической балансировки беспроводной стационарной сети сбора данных [Текст] // Ежегодная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2011. Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2011г., С. 138-139.

5. Комаров М.М. Математическая модель энергетической балансировки беспроводной стационарной сети сбора данных [Текст] // «Новые информационные технологии». Тезисы докладов XIX международной студенческой конференции-школы-семинара. - М.: МИЭМ, 2011г., С. 190-191.

6. Восков Л.С., Комаров М.М., Ефремов С.Г. Выбор платформы для системы мониторинга контейнеров [Текст] // Журнал «Автоматизация&1Т в энергетике», №4, М., 2011г., С. 13-18.

7. Восков Л.С., Комаров М.М., Ефремов С.Г. Универсальная платформа для мониторинга эффективности использования ресурсов на основе технологии беспроводных сенсорных сетей [Текст] // Журнал «Автоматизация&1Т в энергетике», №1, М., 2009г, С. 41-43.

8. Восков Л.С., Комаров М.М., Ефремов С.Г. Универсальная платформа для эффективности использования ресурсов на основе технологии беспроводных сенсорных сетей [Текст] // Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: сборник научных трудов / под ред. проф., д.т.н. Жданова B.C. - М.: МИЭМ, 2009г. С. 155-161.

9. Voskov L.S., Komarov М.М., Efremov S.G. [и др.] Universal Wireless Sensor Networks Technology Platform and its Applications [Text] // Proceedings of the 1st International Workshop on Networked embedded and control system technologies: European and Russian R&D cooperation - NESTER 2009, ICINCO 2009. - Milan, 2009 - P. 127-131.

Ю.Комаров M.M., Ефремов С.Г. Универсальная платформа для беспроводной сенсорной сети [Текст] // Ежегодная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2009. Тезисы докладов. -М.: МИЭМ, 2009г., С.153-155

П.Комаров М.М., Ефремов С.Г. Мобильные платформы для беспроводной сенсорной сети [Текст] // «Новые информационные технологии». Тезисы докладов XII международной студенческой конференции-школы-семинара. - М.: МИЭМ, 2009г., С. 190-191.

12.Комаров М.М., Ефремов С.Г. Универсальная платформа для беспроводной сенсорной сети [Текст] // Сборник лучших проектов IX Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи. М.: ВВЦ, 2009г., С.80-81.

13.Комаров М.М., Ефремов С.Г. Интеллектуальный телефон [Текст] // Сборник лучших проектов VIII Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи. М.: ВВЦ, 2008г., С.45-46.

14.М.М.Комаров. Система мониторинга окружающей обстановки на основе беспроводной сенсорной сети [Текст] // Ежегодная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2008. Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2008г., С.

15.М.М.Комаров. Система мониторинга окружающей обстановки на основе беспроводной сенсорной сети [Текст] // «Новые информационные технологии». Тезисы докладов XVI международной студенческой школы-семинара. - М.: МИЭМ, 2008г., С. 235-236.

16.Комаров М.М. «Разработка программных средств в целях внедрения информационных технологий в промышленность» (номер государственной регистрации НИОКР 01201056220).

17.Комаров М.М. «Разработка системы активного беспроводного сбора данных в интралогистике» (номер государственной регистрации НИОКР 01200961253).

18.Патент на полезную модель №87259 «Устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды на основе технологии беспроводных сенсорных сетей», 2009 год. Восков Л.С., Ефремов С.Г., Комаров М.М.

19.Патент на полезную модель №98623 от 30.06.2010 «Система многопользовательского дистанционного управления компьютером для графических приложений» Восков Л.С., Ефремов С.Г., Комаров М.М.

20.Патент на изобретение №2429549 от 30.06.2010. «Способ многопользовательского дистанционного управления компьютером для графических приложений» Восков Л.С., Ефремов С.Г., Комаров М.М.

Подписано в печать 15.02.2012г Заказ № 252 Тираж 150 шт. Отпечатано в типографии «АллА-принт» Г. Москва, Лубянский пр-д., д.21, стр.5 www.allaprint.ru

Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ БЕСПРОВОДНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ С АВТОНОМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

ПИТАНИЯ

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

61 12-5/1950

На правах рукописи

КОМАРОВ МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Восков Леонид Сергеевич, к.т.н., доц.

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.............................................................11

1.1. Введение.......................................................................................................11

1.2. QoS и беспроводные сенсорные сети.......................................................15

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.............................................................................54

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 {на узел сбора данных................................60

2.4.4.1 Параметр Херста...................................................................60

2.4.4.2 Модель системы с приоритетным трафиком.....................62

2.4.5 Модель энергетической балансировки.........................................65

2.4.6 Алгоритм метода решения задачи................................................70

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............95

4.3.1 Метод триангуляции................................................................... 96

4.3.2 Метод фингерпринтинга.............................................................98

4.3.3 Метод фингерпринтинга с весовыми функциями....................99

4.4. Применение разработанного метода на примере частного случая......104

4.5. Выводы.......................................................................................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................116

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...............................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ В...............................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

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 [2][3][37,42,43,44,45,46,47].

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 [37,42,43,44,44,45,46,47].

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 (БССС) с автономными источниками питания за счет уменьшения энергопотребления узлов сети и увеличения времени автономной работы.

Под беспроводной стационарной сенсорной сетью понимают такую сеть, параметры которой на интервале наблюдения не меняются.

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 БССС с автономными источниками питания, учитывающей влияние 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 БССС 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 существующую программно-аппаратную платформу сети;

- разработаны модель и алгоритм работы диспетчера качества обслуживания в беспроводной сенсорной сети, с целью реализации разработанного метода энергетической балансировки БССС с автономными источниками питания;

- разработан и исследован экспериментальный образец диспетчера качества обслуживания;

- апробация 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 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.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, 4-х 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 результатом диссертационного исследования. Общий объем работы составляет 125 страниц.

В Главе 1 диссертации рассмотрен стандарт беспроводной сенсорной сети IEEE 802.15.4 (ZigBee), выделены его основные характеристики и особенности. В работе рассматриваются основополагающие факторы качества обслуживания в беспроводных сенсорных сетях, а так же анализируются проблемы качества обслуживания в беспроводных сенсорных сетях и метрики, относящиеся к данным проблемам. Сформулирована задача на исследование.

В Главе 2 решена задача разработки модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания. Решена задача разработки метода энергетической балансировки, а также предложен алгоритм энергетической балансировки. Предложен метод доступа к радиосреде с последовательной передачей данных, который позволяет избежать расхода энергии на повторную передачу данных и обеспечивает динамическую настройку мощности приемопередатчика.

В Главе 3 разработан диспетчер качества обслуживания, показано его место в сети и предложен алгоритм работы.

В Главе 4 обобщаются результаты, полученные в Главе 2 и Главе 3, а также описывается процесс верификации разработанного метода энергетической балансировки и проверка адекватности модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания данным эксперимента.

Приводится практическая реализация метода на базе программно-аппаратной платформы собственной разработки. Экспериментально рассматриваются частные случаи влияния внешних факторов (таких как различная интенсивность заявок оконечных узлов, различные расстояния между узлами) и оценивается энергопотребление и продолжительность непрерывной работы с учетом использования предложенного метода энергетической балансировки и разработанной модели сети.

В Приложении А приводятся акты внедрения результатов диссертационной работы.

В Приложении Б приводятся вспомогательные материалы для разработки имитационной модели беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания и реализация метода энергетической балансировки.

В Приложении В даны материалы, относящиеся к разработке устройства стандарта ШЕЕ 802.15.4 для проведения верификации разработанного метода.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Введение

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