Distribuované senzorové siete. Spôsob distribuovaného vyvažovania prevádzky v bezdrôtovej senzorovej sieti. Čo sú bezdrôtové senzorové siete

480 rubľov. | 150 UAH | 7,5 $, MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Dizertačná práca - 480 RUR, dodávka 10 minút 24 hodín denne, sedem dní v týždni a sviatky

Efremov Sergej Gennadievič. Modelovanie životnosti dynamicky rekonfigurovateľných senzorových sietí s mobilným zberom: dizertačná práca... Kandidát technických vied: 13.05.18 / Efremov Sergey Gennadievich;[Miesto obrany: Národná výskumná univerzita "Vyššia ekonomická škola" - Federálna štátna autonómna vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania] - Moskva, 2013.- 143 s.

Úvod

Kapitola 1. Problém zvyšovania životnosti bezdrôtových senzorových sietí 11

1.1. Koncept bezdrôtovej senzorovej siete 11

1.2. Koncept životnosti siete 20

1.3. Metódy na zvýšenie životnosti WSN 23

1.4. Rekonfigurovateľné WSN s mobilným umývadlom 27

1.5. Závery ku kapitole 1 35

Kapitola 2. Matematický model rekonfigurovateľných WSN . 37

2.1. Úvod 37

2.2. Model rekonfigurovateľnej siete senzorov 37

2.3. Výpočet spotreby energie a životnosti uzlov WSN. 41

2.4. Indikátory životnosti siete 54

2.5. Odhad životnosti dynamicky rekonfigurovateľných sietí 59

2.6. Závery ku kapitole 2 63

Kapitola 3. Metóda dynamickej rekonfigurácie senzorovej siete s mobilným umývadlom 65

3.1. Úvod 65

3.2. Všeobecný problém plánovania pohybu odtoku 66

3.3. Metóda riešenia problému plánovania pohybu odtoku 72

3.4. Heuristické algoritmy na dynamické riadenie pohybu toku 77

3.5. Závery ku kapitole 3 81

Kapitola 4. Simulácia WSN s mobilným umývadlom 83

4.1. Úvod 83

4.2. Štúdia možnosti vykonania experimentu v plnom rozsahu 83

4.3. Simulácia 92

4.4. Závery ku kapitole 4 113

Záver 114

Literatúra 116

Úvod do práce

Relevantnosť práce

Nedávny pokrok v technológii umožnil vytvoriť lacné, miniatúrne počítače s extrémne nízkou spotrebou energie, ktoré môžu byť zosieťované a vzájomne komunikovať prostredníctvom bezdrôtových komunikačných kanálov. Siete takýchto zariadení sa nazývajú bezdrôtové senzorové siete (WSN), čo zdôrazňuje najmä ich hlavný účel - zber dát zo senzorov pre následnú akumuláciu, analýzu a vydávanie riadiacich príkazov.

Súčasnými trendmi v oblasti WSN je vytváranie nových hardvérových platforiem, vývoj zásobníkov sieťových protokolov a špecializovaných operačných systémov, vývoj prístupových a smerovacích algoritmov pre komplexné sieťové topológie zamerané na zvýšenie energetickej efektívnosti WSN, čo umožňuje zvýšenie životnosti (autonómna prevádzka) WSN.

Výskum realizovaný v rámci dizertačnej práce je na priesečníku dvoch prioritných oblastí rozvoja vedy, techniky a inžinierstva v Ruskej federácii: „Informačné a telekomunikačné systémy“ a „Energetická efektívnosť, úspora energie, jadrová energia“. Popredné spoločnosti sa aktívne podieľajú na zvyšovaní efektívnosti senzorových sietí Ruské organizácie, vrátane Ústavu rádiového inžinierstva a elektroniky pomenovaného po ňom. V.A. Kotelnikov RAS, Ústav presnej mechaniky a počítačová technológia ich. S.A. Lebedev RAS, Štátna univerzita v Nižnom Novgorode, Moskovský letecký inštitút, ako aj medzinárodné - Kalifornská univerzita v Berkeley, Massachusetts Institute of Technology (USA) a mnohé ďalšie.

Jeden z problémov, ktoré bránia zlepšeniu energetickej účinnosti

WSN je problém nerovnomernej spotreby energie sieťovými uzlami, ktorý spočíva v tom, že sieť sa stáva nefunkčnou v momente, keď viacerým uzlom dôjde energia, zatiaľ čo väčšina ostatných má značnú zásobu energie.

Existuje množstvo metód zameraných na riešenie tohto problému. Medzi ne patrí individuálny výber kapacity batérie, hustoty uzlov, výkonu vysielača, použitie energeticky efektívnych smerovacích protokolov a umiestnenie sieťových uzlov. Relatívne nedávno bola navrhnutá nová trieda sľubných metód, ktoré využívajú mobilitu sieťových uzlov ako zdroj na energetické vyvažovanie, čím sa zabezpečujú dynamické zmeny v konfigurácii (topológii) siete.

Vážnou prekážkou ďalšieho výskumu je nedostatok matematických modelov dynamicky rekonfigurovateľnej siete senzorov. V tejto súvislosti je úlohou výskumu a vývoja komplexného modelu, ktorý umožňuje po prvé odhadnúť životnosť autonómnych sietí, ktorých konfigurácie sa časom menia, a po druhé optimalizovať ich prevádzku podľa kritéria maximalizácie životnosti. relevantné.

Predmetom výskumu sú modely a metódy dynamickej rekonfigurácie senzorových sietí.

Predmetom štúdia je využitie modelov a metód pre dynamickú rekonfiguráciu senzorových sietí s mobilným záchytom na vyhodnotenie a zvýšenie ich životnosti.

Cieľom dizertačnej práce je vyvinúť matematický model a metódu pre dynamickú rekonfiguráciu bezdrôtovej senzorovej siete pre zvýšenie jej životnosti.

Na dosiahnutie tohto cieľa boli vyriešené tieto úlohy:

Uskutočňuje sa prehľad a analýza prístupov k definovaniu konceptu životnosti senzorovej siete a uvádza sa nová definícia.

Vyvinuté matematický model dynamicky rekonfigurovateľná senzorová sieť s mobilným umývadlom.

Bola vyvinutá numerická metóda na riešenie problému plánovania pohybu odtoku.

Boli študované a vyvinuté heuristické algoritmy pre dynamické riadenie mobilného toku v prípade meniacich sa prevádzkových podmienok siete.

Na získanie závislostí životnosti na prevádzkových parametroch siete bola vyvinutá sada simulačných programov.

Výskumné metódy. Dizertačná práca využíva metódy z teórie množín, teórie grafov, lineárnych a celočíselných lineárne programovanie, simulačné metódy.

Vedecká novinka práce je nasledovná:

4. Bol vyvinutý algoritmus na riadenie pohybu mobilného umývadla v senzorovej sieti, berúc do úvahy možné zmeny v podmienkach jeho fungovania.
Praktický význam. Komplex vytvorený počítačové programy na simuláciu prevádzky dynamicky rekonfigurovateľnej bezdrôtovej senzorovej siete, ako aj na simuláciu algoritmov plánovania mobilných tokov.
Bol vytvorený malý prototyp bezdrôtového senzorového sieťového zariadenia založeného na transceiveri štandardu IEEE 802.15.4, ktorý implementuje potrebné algoritmy na podporu mobility mozgov, vrátane ich umiestnenia v priestore.
Spoľahlivosť a validitu získaných výsledkov potvrdzuje ich súlad so známymi teoretickými a praktickými údajmi publikovanými v literatúre, ako aj pozitívne výsledky ich implementácie v množstve praktických projektov.
Hlavné ustanovenia predložené na obhajobu:
1. 1. Schválenie práce. Hlavné výsledky dizertačnej práce boli prezentované a diskutované na vedecko-technických konferenciách študentov, doktorandov a mladých odborníkov MIEM NRU HSE (2008 - 2013), HSE vedeckom a praktickom seminári „Systémová analýza, riadenie a Informačné systémy„(19.03.2013), XVI. a XVII. Medzinárodná študentská konferencia-školský seminár „Nové informačné technológie“ (2008-2009), na medzinárodných výskumných seminároch na University of Sheffield a University of Birmingham (UK, 2011). Výsledky práce zaradené do vedecko-technických správ o VaV „Vývoj softvéru za účelom zavádzania informačných technológií do priemyslu“ (štátne registračné číslo VaV 01201056220), „Vývoj aktívneho bezdrôtového systému zberu dát v intralogistike“ (štát VaV registračné číslo 01200961253).
    Výsledky práce boli aplikované pri návrhu dynamicky rekonfigurovateľnej siete v rámci spoločného rusko-nemeckého výskumného projektu.
    Získaný patent úžitkového vzoru č. 87259 z 11. júna 2009, patent úžitkového vzoru č. 98623 zo dňa 30. júna 2010, patent úžitkového vzoru č. 121947 zo dňa 10. novembra 2012, patent na vynález č. 2429549 zo dňa 30. júna 2010.
    Štruktúra a rozsah dizertačnej práce Dizertačná práca pozostáva z úvodu, 4 kapitol, záveru, bibliografie s 95 titulmi a 4 príloh. Celkový rozsah dizertačnej práce bez príloh je 128 strán.
    
    Metódy na zvýšenie životnosti WSN
    Prejdime k popisu možných metód na zvýšenie doby autonómnej prevádzky WSN. Medzi najjednoduchšie patrí zlepšenie hardvérových charakteristík zariadení: zníženie spotreby energie jednotlivých komponentov, optimalizácia ich umiestnenia na čip, príp. vytlačená obvodová doska alebo zvýšenie kapacity batérie. Štúdium týchto možností sa týka súvisiacich oblastiach(elektronika, rádiofyzika, chémia, návrh obvodov atď.) a v tejto dizertačnej práci sa ich nebude dotýkať.
    Treba však poznamenať, že metóda má fyzické (prenos údajov rádiovým kanálom na danú vzdialenosť, ako aj spracovanie údajov mikroprocesorom si vyžaduje určité náklady na energiu), ako aj obmedzenia nákladov (použitie energeticky efektívnejších komponentov vedie k vyšším nákladom na systémy). Použitie veľkokapacitných batérií navyše nevyhnutne vedie k zväčšeniu zariadení, pričom samotná koncepcia senzorových sietí predpokladá ich miniaturizáciu.
    Z hľadiska softvérových algoritmov na spracovanie údajov v systémových uzloch sú možné tieto možnosti:
    Kompresia údajov. Táto metóda má svoje limity, navyše v senzorových sieťach sú samotné dáta väčšinou malého objemu, takže ich kompresia nemá veľký efekt.
    Akumulácia dát a ich následný prenos vo veľkých blokoch. Metóda je založená na skutočnosti, že v moderných bezdrôtových štandardoch je akýkoľvek prenos digitálneho paketu spojený s dodatočnými režijnými nákladmi (pozri tiež časti 1.1.2, 2.3.3). Preto je výhodnejšie prenášať dáta vo veľkých blokoch v jednom pakete. Nedávny výskum v oblasti miniaturizovaných alternatívnych konvertorov energie (MEH, Micro-Energy Harvesters) otvoril množstvo príležitostí na vytvorenie plne autonómnych uzlov senzorovej siete pri zachovaní ich malej veľkosti. Existuje množstvo hotových riešení na pripojenie senzorových uzlov k miniatúrnym solárnym panelom, vibračným meničom energie a tepelným generátorom na báze Peletierovho prvku.
    Dodnes však žiadne z riešení na zber a premenu alternatívnej energie nenašlo široké uplatnenie v reálnych sieťach zberu dát, ktoré pozostávajú zo stoviek uzlov, predovšetkým kvôli vysokým nákladom vrátane nákladov na pravidelnú údržbu. Ale v budúcnosti tento prístup sa môže stať jedným z popredných a v konečnom dôsledku vyriešiť problém obmedzenej životnosti WSN.
    Ako je uvedené vyššie, senzorové siete sú primárne určené na zber údajov. To znamená, že existuje jeden alebo viac vyhradených uzlov, do ktorých prúdia informácie z celej siete. Tieto uzly (umývadlá) majú spravidla konštantný zdroj energie, rozhrania s miestnymi, globálne siete alebo s výkonnejšími výpočtovými zariadeniami. V senzorovej sieti teda existuje preferenčný smer užitočnej prevádzky, čo má za následok rádovo väčší objem prevádzky prechádzajúcej cez smerovacie uzly umiestnené v blízkosti ponoru(ov).
    Moderný technologický pokrok umožnil vyrábať mikroprocesory s veľmi nízkou spotrebou energie, schopné vykonávať široké spektrum úloh. Na prenos dát cez bezdrôtový komunikačný kanál je však potrebné vynaložiť rádovo väčšie množstvo energie (pozri tabuľku 1.1).
    Z tabuľky je zrejmé, že čím viac dát prejde uzlom bezdrôtovej siete, tým väčšia je jeho spotreba. V dôsledku toho vzniká v sieti problém nerovnováhy spotreby energie (obr. 1.3), čo vedie k tomu, že autonómne prvky umiestnené vedľa uzla centrálneho zberu dát zlyhajú skôr ako ostatné v dôsledku vybitia vlastných batérií. a v dôsledku toho sa životnosť batérie senzorovej siete znižuje.
    Na vyrovnanie spotreby energie všetkých sieťových uzlov použite rôzne metódy energetická rovnováha. Tu je stručný popis hlavných metód.
    Budovanie heterogénnej siete zahŕňa využitie množstva možností:
    1. Individuálny výber kapacity batérie v závislosti od polohy zariadení v štruktúre siete a funkcií, ktoré plnia. V tomto prípade môžu byť kľúčové opakovacie zariadenia vybavené veľkokapacitnými batériami. Tento prístup je jedným z najjednoduchších, no zároveň vedie k nízkej škálovateľnosti siete a jej zlému prispôsobeniu sa meniacim sa prevádzkovým podmienkam. Tiež potreba rozvíjať rôzne konštruktívne riešenia pre rôzne prvky vedie k zvýšeniu nákladov na konečné systémy.
    2. Rôzna hustota sieťových uzlov v závislosti od očakávanej intenzity dopravy v konkrétnej oblasti. Toto riešenie je zamerané na zabezpečenie redundancie v štruktúre siete a zdvojenie funkcií jednotlivých uzlov. Ak teda zlyhá ďalší router, jeho funkcie sa prenesú na susedný prvok, ktorý do tohto momentu nebol nijako využívaný.
    Softvérové metódy zahŕňajú použitie smerovacích protokolov založených na metrike zvyškovej energie uzlov alebo virtuálnych súradníc, striedavý prenos na dlhé a krátke vzdialenosti, určovanie polohy uzlov a zoskupovanie.
    Je známe, že smerovacie protokoly tradičných sietí využívajú metriky zamerané na zvyšovanie šírku pásma siete alebo zníženie oneskorení prenášaných dát. Podobné metriky môžu byť počet medziľahlých uzlov (skokov) do cieľa, priepustnosť komunikačného kanála a úroveň zaťaženia linky. V senzorových sieťach sa často používa metrika zvyškovej energie uzlov na ceste k drezu. V tomto prípade sa z rôznych alternatívnych trás vyberie tá, na ktorej majú uzly buď väčšiu zvyškovú energiu.
    Perspektívnou balančnou metódou je využitie mobility jednotlivých sieťových komponentov. Viaceré štúdie ukázali, že mobilita môže potenciálne poskytnúť najväčšiu výhodu z hľadiska predĺženia životnosti sieťovej batérie. Preto bude tento prístup podrobne študovaný v dizertačnej práci.
    
    Výpočet spotreby energie a životnosti uzlov WSN
    Vo všeobecnosti je jasné, že sieťový uzol bezdrôtového zberu dát možno považovať za fungujúci, pokiaľ dokáže presne čítať údaje zo senzorov, vykonávať potrebné výpočty a prenášať dáta do siete. Pri navrhovaní a inštalácii siete je dôležité vopred odhadnúť približnú dobu prevádzky každého uzla, kým bude potrebné vymeniť batérie. Aby ste to dosiahli, je dôležité pochopiť, aké faktory ovplyvňujú dĺžku životnosti batérie.
    Predovšetkým je dobre známe, že spotreba energie jednotlivých prvkov siete závisí od nasledujúcich faktorov, ktoré je potrebné vziať do úvahy pri modelovaní WSN:
    Hardvérové charakteristiky (kapacita batérie, spotreba energie mikrokontroléra, transceivera, senzorov a iných elektronických komponentov).
    Frekvencia zberu a prenosu údajov v závislosti od aplikácie. Napríklad v rozšírených systémoch klimatizácie a monitorovania životného prostredia stačí zbierať informácie každých niekoľko sekúnd alebo dokonca desiatky sekúnd, pretože parametre ako teplota alebo vlhkosť sa plynule menia. V dôsledku toho môže byť snímač väčšinu času v režime spánku. Prenos zvuku zároveň vyžaduje vysokú frekvenciu zberu dát (8 kHz, 16 kHz, 32 kHz a viac), čo prakticky eliminuje možnosť sieťového prvku v režime nízkej spotreby.
    Protokoly fyzickej a dátovej vrstvy, definujúce predovšetkým mechanizmy riadenia prístupu k médiu. V režime asynchrónneho prístupu k médiám, ako je CSMA/CA, opakovače nemôžu byť v režime spánku, inak koncové zariadenia nebudú môcť prenášať svoje dáta. Synchrónny režim prístupu k médiu je charakteristický tým, že všetky prvky môžu na určitý čas prejsť do režimu nízkej spotreby, keďže fungovanie celej siete je koordinované špeciálnymi synchrorámcami (všetky prvky siete poznajú čas prenosu ďalší takýto rám). Tento režim je však ťažko implementovateľný v distribuovaných sieťach, ktoré využívajú desiatky či stovky smerovačov. Napriek tomu už bolo vyvinutých množstvo algoritmov a protokolov zameraných na zníženie spotreby energie sieťových zariadení: Berkeley MAC (B-MAC), Sensor MAC (S-MAC), D-MAC, adaptívny algoritmus pre rýchle doručovanie správ.
    Topológia siete, ktorá určuje množstvo informácií prechádzajúcich každým prvkom (vrátane prenosu správ). Senzorové siete využívajú ako jednoduché topológie (hviezda, kruh, strom), tak aj zložitejšie sieťové štruktúry.
    Použitý smerovací protokol, ktorý pridáva do siete ďalšiu prevádzkovú prevádzku. V oblasti senzorových sietí sú najpoužívanejšie protokoly triedy AODV (ad-hoc on-demand distance vector), vyznačujúce sa tým, že informácie o smerovaní nie sú dlho uložené v pamäti prvkov a nie sú pravidelne aktualizované. Ak je potrebné odoslať správu, najprv sa vykoná požiadavka na smerovanie. Až potom sa odošle samotná správa. Metódy sieťového kódovania boli navrhnuté na zníženie množstva prenosu prenášaného cez sieť.
    Formalizujme vyššie uvedené tvrdenia vo forme metódy na výpočet životnosti.
    V akejkoľvek senzorovej sieti existujú tri typy uzlov - koncové zariadenia, smerovače (relé) a umývadlá. Odtoky nie sú zaujímavé z hľadiska životnosti batérie: ako už bolo uvedené, zvyčajne sú pripojené k zdrojom energie, ktoré majú rádovo väčšiu kapacitu.
    Pozrime sa podrobnejšie na metodiku výpočtu životnosti koncových zariadení a opakovačov. Je založená na nasledujúcich predpokladoch:
    Prevádzkový algoritmus zariadenia je prísne deterministický, pre vonkajšie faktory, ktoré sú náhodnými premennými, je známe matematické očakávanie.
    Neexistuje žiadny efekt obnovy batérie. Ak je to potrebné, môže sa to vziať do úvahy zvýšením počiatočnej energie zariadenia. Potom, keď poznáte počiatočnú energiu batérie 0 a energiu spotrebovanú zariadením, môžete približne odhadnúť jej životnosť pomocou vzorca:
    Koncové zariadenie je určené na čítanie hodnôt z vlastných snímačov a ich prenos do siete. Jeho hlavným rozdielom od opakovača je nedostatok schopnosti prenášať dáta end-to-end cez seba z iných zariadení. Pri použití modelu udalosti alebo modelu plánovaného prenosu (pozri časť 1.1.3) zvyčajne funguje podľa cyklickej schémy znázornenej na obr. 2.2.
    
    Metóda riešenia problému plánovania pohybu odtoku
    Je zrejmé, že problém čiastočného celočíselného lineárneho programovania je vo všeobecnosti NP-ťažký; presné riešenie nemožno získať v prijateľnom čase pre veľké hodnoty m ani na najvýkonnejších počítačoch. Zložitosť je spôsobená prítomnosťou celočíselných premenných a v dôsledku toho kombinatorickou povahou všeobecných techník na riešenie takýchto problémov.
    Potreba riešiť veľkorozmerné problémy je spôsobená nasledujúcim praktickým faktorom. Výsledky simulačného modelovania (pozri nasledujúcu kapitolu) naznačujú, že riadenú mobilitu je vhodné použiť vo veľkých sieťach, ktoré pozostávajú z niekoľkých stoviek uzlov. Takéto siete pokrývajú územia s rozlohou niekoľkých desiatok kilometrov štvorcových. Vzhľadom na potrebu udržať oneskorenia prenosu údajov v rámci určitých limitov, Celkom akciové pozície by mali byť tiež veľké.
    Nižšie navrhovaná metóda je zameraná na zníženie výpočtovej zložitosti problému pri zachovaní hodnoty cieľovej funkcie blízkej optimálnej. Metóda zohľadňuje tieto vlastnosti predmetnej oblasti:
    1. Nájdenie optimálnej trasy nie je cieľom optimalizačného problému, pretože sa verí, že tok je neobmedzený v zdrojoch. Preto nie je potrebné nájsť cestu prechádzajúcu každým vrcholom raz.
    2. Náklady na energiu na rekonfiguráciu siete, určené hodnotami ег-к, sú v porovnaní s nákladmi na prenos dát zanedbateľné.
    Rozdeľme problém (3.4) na dve podúlohy. Prvý čiastkový problém (LP) je podobný optimalizačnému problému (3.1), to znamená, že zahŕňa iba jeden súbor obmedzení bez zohľadnenia dodatočnej energie j. Výsledkom jej riešenia je nájdenie podmnožiny Druhá podúloha (TRASA) bude riešiť problém konštrukcie trasy pomocou nájdenej podmnožiny pozícií V a súboru obmedzení pohybu zvodu, špecifikovaných maticou D Tento problém možno vyriešiť jedným z heuristických algoritmov, napríklad „Prejsť na najbližší nenavštívený vrchol“ . V priebehu riešenia sa však môže stať, že vybudovanie takejto trasy bude zásadne nemožné. Napríklad na obr. Obrázok 3.3 ukazuje príklad riešenia problému LP, z ktorého nie je možné zostaviť trasu. Vrcholy z VS, ktoré sú zahrnuté v množine Y získanej ako výsledok riešenia úlohy LP, sú označené sivou farbou.
    Riešením úlohy bude tk = min n ni. Je zrejmé, že trasa toku bude zahŕňať iba bod k, to znamená, že výsledkom bude scenár stacionárneho toku.
    Veta 3.3.2. Nech VQ je množina vrcholov, ktoré je zakázané navštíviť v i-tom kroku algoritmu. Potom sa iteračný proces vykoná maximálne v m krokoch (kde m je počet vrcholov v grafe pozícií ponoru Gs), ak VQ C VQ + .
    Dôkaz Podľa algoritmu V0l = 0. Na základe podmienok vety \VQ\ \VQ+ . Zoberme si extrémny prípad postupného pridávania jedného prvku do VQ pri každej iterácii. Potom \V0l\ = 0, \V02\ = 1,... \V0m\ = m - 1. Ale podľa Lemy 3.3.1, ak \VQ\ = m - 1, proces iterácie sa zastaví.
    Z vety 3.3.2 vyplýva jeden z možných algoritmov na riešenie problému ITER - zvyšovanie množiny Vo v každom kroku. Na tento účel sa navrhuje niekoľko heuristiek:
    Vo = Vo U (k): k Є VA, Vj Є V: tj tk. To znamená, že z vrcholov získaných ako výsledok riešenia problému LP sa vyberie ten, pre ktorý je čas zdržania odtoku najmenší.
    Vo = Vo U Vk: Vj Є , j = k: 2iyti 2iy.ti. Inými slovami, pripojený podgraf s najkratším celkovým časom zotrvania v umývadle sa pridá k Vo.
    Ďalším možným algoritmom je postupné zvyšovanie množiny V\, až kým nevznikne súvislý graf V. Na tento účel je navrhnutá nasledujúca heuristika. V prvom kroku sa identifikujú dva podgrafy s najväčším celkovým časom zotrvania odtoku. Potom sa pomocou štandardných grafových algoritmov, napríklad Floyd-Warshellov algoritmus alebo Dijkstrov algoritmus, ak je počet vrcholov v jednom z dvoch grafov malý, nájdu najkratšie cesty medzi všetkými pármi vrcholov (,).
    Heuristické algoritmy pre dynamické riadenie pohybu toku
    V reálnych systémoch je často nemožné zhromaždiť vopred všetky informácie potrebné na riešenie problémov (3.1), (3.4). Okrem toho sa kľúčové veličiny pre model (2.1) môžu časom meniť. Nižšie sú uvedené niektoré z praktických scenárov, ktoré sú možnými dôvodmi:
    1. Zmeny v situácii rušenia v určitých oblastiach. To môže byť zase spojené s rozmiestnením novej siete v rovnakom alebo podobnom frekvenčnom rozsahu. V takom prípade sa zvyšuje pravdepodobnosť opakovaného prenosu paketov a následne sa zvyšuje energetická náročnosť prvkov nachádzajúcich sa v tejto zóne.
    2. Rekonfigurácia sieťových prvkov. V niektorých prípadoch je potrebné zmeniť prevádzkové algoritmy jednotlivých zariadení. Možno budete musieť napríklad zmeniť frekvenciu odosielania testovacích správ.
    3. Zmeny klimatických podmienok pre fungovanie jednotiek. Výsledkom je, že ich batérie môžu rýchlejšie vybiť energiu. V takýchto prípadoch je vhodné použiť dynamické riadenie pohybu mobilného zvodu. Aby sme formálne opísali algoritmus riadenia dynamického toku, zavedieme niekoľko ďalších zápisov: S(k) je podmnožina vrcholov grafu GS, vrátane k a vrcholov susediacich s k, tie. S(k) = (k) U (j: (k,j) Є Es).
    Označme tiež D(k) množinu uzlov obklopujúcich k-tu polohu drénu alebo inými slovami množinu uzlov, ktoré sú priamo napojené na drenáž, keď je v polohe k: D(k) = і Є Vn: (a, і ) Є Ep(k), kde a Є Vn je klesajúci uzol.
    
    Štúdia možnosti vykonania experimentu v plnom rozsahu
    Kapitola je venovaná modelovaniu životnosti dynamicky rekonfigurovateľných WSN, realizovanému s cieľom získať kvantitatívne odhady riadenej drenážnej mobility, ako aj nájsť optimálne podmienky pre jej využitie.
    V prvej fáze sa skúmala možnosť vykonania plnohodnotného experimentu na existujúcich hardvérových platformách a dospelo sa k záveru, že plnohodnotný experiment je veľmi náročný vzhľadom na súčasný stav hardvéru a softvéru.
    V druhej fáze sa uskutočnilo simulačné modelovanie pomocou vyvinutého softvérového balíka.
    Z hľadiska vybavenia pre pevnú časť siete existuje obrovský výber zariadení pre rôzne úlohy. Celý sortiment zariadení možno rozdeliť zhruba do troch skupín:
    1. Elektronické súčiastky - mikrokontroléry, transceivery a pod., ktoré sú základom pre vývoj riešení, počnúc od najnižšej úrovne. 2. Middlevérové platformy, zvyčajne vyvinuté výskumnými univerzitami na účely vykonávania experimentov.
    3. Vstavané systémy vytvorené na riešenie konkrétnych problémov.
    Teoreticky je možné uskutočniť experiment v plnom rozsahu zostavením špecializovanej platformy z jednotlivých komponentov na základe jedného z mnohých dostupných bezdrôtových modulov vyrábaných spoločnosťami ako Texas Instruments, Atmel, NXP, Telegesis, Freescale atď.
    Autor dizertačnej práce sa podieľal na spoločnom rusko-nemeckom projekte vytvorenia systému aktívneho bezdrôtového zberu dát v intralogistike. Počas projektu bola vyvinutá špecializovaná softvérová a hardvérová platforma pre senzorové siete založená na bezdrôtovom module NXP Jennic JN5148. V čase vývoja mali tieto moduly najlepšie vlastnosti z hľadiska výpočtových schopností a režimov úspory energie.
    Projekt testoval model bezdrôtovej senzorovej siete s autonómnymi zdrojmi napájania (2.1), ako aj spôsob jej dynamickej rekonfigurácie pomocou mobilných uzlov.
    Charakteristickým rysom vyvinutého systému zberu dát v intralogistike je, že mobilným prvkom nie sú zásoby, ale senzorové uzly, ktoré sú umiestnené na dopravníku spolu s tovarom v kontajneroch, aby ho monitorovali. V tabuľke 4.1 sú uvedené sledované parametre a snímače použité pri vývoji rozloženia. Pre každý parameter je uvedená maximálna frekvencia zberu dát v systéme (pre prototyp 10 uzlov bola použitá frekvencia 15-krát menšia ako maximum).
    Ďalšou možnosťou na uskutočnenie experimentu v plnom rozsahu je použitie hotových systémov založených na bezdrôtových sieťach, pôvodne vyvinutých na riešenie špecifických problémov. Takže počas výskumu dizertačnej práce bol vykonaný experiment na zariadení spoločnosti zaoberajúcej sa bezpečnostným monitorovaním v Moskve (pozri prílohu A). Kľúčová vlastnosť uvažovaného bezpečnostného systému je, že dátové toky v ňom sú vopred známe z algoritmu činnosti uzlov a akumulovaných štatistík, a preto je možné použiť metódu dynamickej rekonfigurácie siete popisujúcej jej fungovanie v zmysle energie spotrebovanej zariadeniami. V systéme, na základe ktorého sa experiment realizoval, bolo 9 reléových zariadení a asi 4 tisíc koncových zariadení (pozri obr. 4.3).
    Systémové opakovače sú napojené na zdroj konštantného napájania, ale sú vybavené aj 12V záložnou batériou. Účelom experimentu bolo študovať možnosť predĺženia trvania autonómnej prevádzky systémových opakovačov pri núdzovom výpadku napájania pomocou metódy dynamickej rekonfigurácie siete. Rekonfigurácia spočívala v zmene topológií programovým riadením, postupnosť zmeny bola určená ako výsledok riešenia úlohy (3.4). V dôsledku toho bolo možné zvýšiť životnosť jednotlivých opakovačov o 25-40%.
    Žiaden z vyššie uvedených experimentov však neumožnil naplno odhaliť plný potenciál využitia metód dynamickej rekonfigurácie siete, predovšetkým kvôli malej veľkosti samotnej siete (počet opakovačov).
    Najvýhodnejšou možnosťou na uskutočnenie experimentu v plnom rozsahu je použitie špecializovaných hardvérových a softvérových platforiem pre vedecký výskum, a to najmä z dôvodu, že majú oveľa väčšiu flexibilitu z hľadiska možných úprav protokolov nižšej úrovne potrebných na doladenie. prechody zariadenia medzi rôznymi režimami jeho práce, vrátane bezdrôtový prenosúdajov.
    Jednou z najúspešnejších výskumných platforiem pre WSN sa ukázal byť vývoj Kalifornskej univerzity v Berkeley, ktorý bol predtým dodávaný prostredníctvom spoločnosti zaoberajúcej sa kušou (xbow) a v súčasnosti implementovaný spoločnosťou MEMSIC. Patria sem platformy TelosB (obr. 4.4, a), MicaZ (obr. 4.4, b), Imote2 (obr. 4.4, c).
    Všetky vyššie uvedené riešenia podporujú operačný systém TinyOS, navrhnutý špeciálne pre použitie v senzorových sieťach. Imote2 je rádovo produktívnejšia platforma, má však horšie charakteristiky spotreby. Všetky tri riešenia sú vyvinuté podľa štandardu IEEE 802.15.4, zatiaľ čo TelosB a MICAZ používajú transceivery vlastnej konštrukcie Berkeley University, ktoré nie sú certifikované v mnohých krajinách sveta vrátane Ruska. Tento fakt je vážnou prekážkou ich použitia ako zariadenia na experimenty v plnom rozsahu. TelosB obsahuje integrované snímače teploty, svetla a vlhkosti, MICAZ má univerzálny konektor pre rozširujúce karty, vďaka čomu je možné pripojiť širšiu škálu snímačov.
    FireFly Nodes je platforma bezdrôtovej senzorovej siete vyvinutá v laboratóriu Realime & Multimedia Systems na Carnegie Mellon University of Pittsburgh, USA. Rovnako ako ostatné je určený na zber dát, ich spracovanie a komunikáciu v mesh sieťach. Významným krokom vpred oproti predchádzajúcim riešeniam však bolo zavedenie globálneho systému synchronizácie uzlov, ktorý zabezpečuje, že sa celá sieť môže prepnúť do režimu nízkej spotreby.
    
    Podobné dizertačné práce ako Celoživotné modelovanie dynamicky rekonfigurovateľných senzorových sietí s mobilným umývadlom

V každom uzle sa určí smerovacia tabuľka a nastaví sa vektor prenosu správ, analyzujú sa možnosti smerovania pomocou najoptimálnejších súhrnných vektorov, ktoré sa vypočítajú zo smerovacej tabuľky. Na tento účel určte životnosť celej siete T sys = min i ∈ N T i (q c) . Maximalizácia životnosti je definovaná ako maximalizácia T sys a na dosiahnutie maximálnej životnosti celej siete sú distribuované trasy, kde výber trasy v sieti je založený na použití najlacnejších prenosov v každom uzle a eliminujú sa tie najdrahšie. . 2 n. a 9 plat f-ly, 4 chorí.

Oblasť techniky, ktorej sa vynález týka

Vynález sa týka oblasti bezdrôtových komunikácií a možno ho použiť v automatizovaných monitorovacích systémoch fungujúcich ako samostatne, tak aj ako súčasť viacúrovňových systémov správy informácií, najmä v systémoch na monitorovanie environmentálnych alebo priemyselných parametrov v reálnom čase s uzlami rozmiestnenými na veľkých plochách. a nemajú káblové komunikačné linky a elektrické vedenia.

Súčasný stav techniky

Senzorové siete v súčasnosti čoraz viac zaujímajú miesto v aplikáciách na monitorovanie rôznych miest a udalostí. V súvislosti s rozvojom bezdrôtovej komunikačnej technológie je možné vyvinúť bezdrôtové distribuované senzorové siete (DSN). Distribuované senzorové siete sa líšia od konvenčných sietí tým, že majú obmedzené zdroje energie, nízky výpočtový výkon, potrebu hustejších lokalít a nízke náklady na jeden uzol. Tieto funkcie z iných sietí (napríklad mobilných) určujú nové ciele a ciele ich aplikácie. Bezdrôtové senzorové siete boli široko používané v mnohých oblastiach ľudskej činnosti, a preto sa im v súčasnosti venuje veľká pozornosť.

Distribuovaná senzorová sieť pozostáva z mnohých nízkonákladových, autonómnych, multifunkčných uzlov, ktoré sú umiestnené v monitorovacej oblasti. Každý uzol pozostáva zo sady blokov, ako napríklad: senzor, z ktorého sa prijímajú údaje životné prostredie, jednotka na príjem a prenos dát, mikrokontrolér na spracovanie a riadenie signálov a zdroj energie. Procesor je napájaný samostatnou batériou s obmedzeným zdrojom energie, čo vedie k výrazným obmedzeniam spotreby energie. Údržba uzlov senzorov, ako je výmena batérií, je nákladná, najmä ak sú uzly umiestnené na ťažko dostupných miestach, takže väčšina sietí senzorov je bezúdržbová a funguje, kým sa nevybije batéria. Táto vlastnosť senzorových sietí je veľmi dôležitá pri vývoji smerovacích algoritmov v RSN, ktoré umožňujú zvýšiť efektívnosť spotreby sieťových energetických zdrojov.

Existuje teda mnoho spôsobov, ako šetriť energetické zdroje uzlov v senzorovej sieti a na obr. 1 je znázornená ich klasifikácia. Metódy možno rozdeliť do troch veľkých skupín – úspora energie pomocou pracovných cyklov na základe množstva prenášaných informácií a mobility.

Prevádzkové cykly zahŕňajú riadenie topológie a energetický manažment. Riadenie topológie je zamerané na použitie alebo zníženie redundantných pripojení v sieti, aby sa ušetrili zdroje. Spotrebu je možné kontrolovať pomocou rôznych energeticky úsporných protokolov riadenia prístupu k médiám (protokoly MAC) a prevádzkových režimov zariadenia. Druhá trieda metód na šetrenie energetických zdrojov je založená na množstve prenášaných informácií, ako aj na získavaní týchto informácií ekonomickými spôsobmi. Energia vynaložená na spracovanie informácie je neporovnateľne menšia ako energia potrebná na jej prenos, preto sa využíva on-network spracovanie dát, kompresia či predikcia dát. Opakovače sa tiež používajú na úsporu energie na uzloch siete senzorov.

Metódy smerovania možno rozdeliť do nasledujúcich kategórií: priame, hierarchické a smerovanie v závislosti od geografická poloha.

Priame smerovanie zahŕňa prenos správ z uzla do uzla v sieti, kde každý uzol vykonáva rovnakú prenosovú a/alebo prenosovú funkciu, na rozdiel od hierarchického smerovania, kde je jeden alebo viac uzlov pridelených na zber a spracovanie informácií. Nevýhodou priameho smerovania je, že siete zbierajúce informácie z oblasti budú posielať veľa redundantných informácií, najmä ak je hustota siete senzorov vysoká. Aby sa predišlo redundancii informácií, používajú sa špeciálne algoritmy, ktoré sú zamerané na získavanie informácií nie z uzlov, ale z určitej oblasti siete. Známy je napríklad algoritmus Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN), kde základňová stanica posiela požiadavku do špecifickej oblasti senzorovej siete. Po prijatí požiadavky regionálne uzly splnia požiadavku požiadavky, komunikujú lokálne a pošlú späť zovšeobecnenú odpoveď.

Pri hierarchickom smerovaní je na zber a spracovanie potrebné použiť uzly s veľkou zásobou energie, čo síce umožňuje úsporu na prenose už spracovaných dát podstatne menšieho objemu, ale často je neprijateľné z dôvodu homogenity zariadení. používané alebo iné ťažkosti. Aby sa nepoužívali špecializované uzly, existuje niekoľko technológií. Známa je teda technológia LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy), kedy funkciu zberu striedavo preberá niekoľko uzlov siete senzorov, vybraných podľa určitého algoritmu, čím sa rozdeľuje záťaž zberného uzla.

Geografické smerovanie sa tiež nazýva geometrické smerovanie, pretože na nájdenie trasy sa používa geometrický smer k základnej stanici. Existuje aj smerovanie pomocou virtuálnych súradníc, ktoré sú postavené nielen v závislosti od skutočnej polohy uzla, ale zohľadňujú aj prirodzené nerovnosti povrchu, prekážky, úroveň prenosového kanála atď.

Známe je aj viacprúdové smerovanie, kde je možné doručenie správy z jedného uzla po viacerých cestách. IN V poslednej dobe veľká pozornosť je daný smerovaniu na požiadanie od základňovej stanice, napríklad na základe nájdenia najkratšej cesty a jej udržiavania, berúc do úvahy slabé kanály a zlyhania uzlov. Uzly umiestnené v najkratšej vzdialenosti sa však rýchlo vyčerpajú, čo vedie k výpadkom komunikácie a zníženiu životnosti siete, čo sa často chápe ako životnosť prvého uzla, ktorý zlyhá. Preto je potrebné vytvoriť technológiu na maximalizáciu životnosti senzorovej siete, ktorá môže byť riešená jednou alebo druhou metódou lineárneho programovania.

Ako technické riešenie, ktoré je v podstate blízke, je známy patent RU 2439812 C1, publikovaný 2012-01-10, IPC H04W 36/00, ktorý zverejňuje samokonfigurovateľnú senzorovú sieť mnohých senzorov a akčných členov na základe smerovania v závislosti od geografická poloha. Senzorová sieť pozostáva z centrálneho zariadenia na spracovanie údajov (DPU) a N základných staníc (BS), umiestnených rovnomerne alebo chaoticky pozdĺž hraníc oblasti pokrytia siete, kde sú BS priestorovo odkazované na súradnice globálnej polohy a obsahujú pamäť na uloženie hodnotu koeficientu spoľahlivosti, čo je číslo medzi určenými minimálnymi a maximálnymi hodnotami. Faktor spoľahlivosti pre BS je nastavený približne rovnako ako maximálna hodnota. V rámci oblasti pokrytia senzorovou sieťou je M uzlov rozmiestnených rovnomerne alebo chaoticky, s M>>N. Uzly sú vybavené pamäťou určenou na ukladanie hodnôt priestorových referenčných súradníc, ktoré sú inicializované náhodnými hodnotami počas výrobného procesu, a na ukladanie koeficientu spoľahlivosti, ktorý je inicializovaný hodnotou približne rovnou minimálnej hodnote spoľahlivosti. koeficient. Každý uzol a BS vytvorí spojenie s najviac K susednými uzlami a BS a hodnota K závisí od charakteristík šírky pásma komunikačného kanála, výkonnostných charakteristík a spotreby energie mikroprocesorov zahrnutých v ich zložení. Po nadviazaní spojenia uzly a BS vykonajú operáciu vzájomného určenia hodnôt priestorových súradníc. Za týmto účelom každý uzol alebo BS cyklicky prenáša hodnoty vlastnej pamäte na uloženie hodnôt priestorových referenčných súradníc a pamäte na uloženie hodnoty koeficientu spoľahlivosti. V každom cykle spracovania uzol prijíma hodnoty súradníc a koeficientov dôveryhodnosti zo všetkých susedných zariadení, s ktorými je nadviazané spojenie, a pomocou metódy váženého priemerovania určuje vypočítané hodnoty vlastných súradníc a koeficientu dôveryhodnosti. hodnôt vlastných súradníc a súradníc susedných zariadení, pričom ako váhové koeficienty sa používajú koeficienty dôvery pre samotné zariadenie a susedné zariadenia. Takto uzly senzorovej siete dostávajú priestorovú referenciu. Na smerovanie správy z dátového centra do uzla so súradnicami (x, y, z) odošle správu do jednej alebo viacerých BS najbližšie k požadovaným súradniciam. Špecifikované BS prenášajú správu do najbližších uzlov a uzly postupne - do svojich najbližších uzlov v smere vektora smerujúceho do požadovaného bodu (x, y, z). Uzly priestorovo prepojené s bodmi umiestnenými vo vzdialenosti nepresahujúcej polomer citlivosti r senzorovej siete vnímajú správu ako im adresovanú. Ďalšia arbitráž uzlov na výber konečného príjemcu správy, ako aj zaslanie potvrdenia o prijatí správy sa vykonáva podľa potreby na základe technických požiadaviek na fungovanie siete. Pre smerovanie správ z uzla do centra spracovania dát sú uzly navyše vybavené pamäťou na uloženie zoznamu súradníc najbližšej BS. Na prenos správy do DCU uzol odošle správu jednému alebo viacerým susedným uzlom v smere vektora smerujúceho k bodu so súradnicami BS; keď správa dosiahne BS, odošle správu priamo do BS. DCU a v prípade potreby odošle správu o potvrdení prenosu do vysielacieho uzla.

Nevýhodou takejto samokonfigurovateľnej senzorovej siete a spôsobu jej prevádzky je zložitosť použitého zariadenia spojená s nutnosťou nastavovania a používania priestorových referenčných súradníc uzlov a základňových staníc a toto riešenie neposkytuje dlhú životnosť celej siete ako celku.

Ako najbližší analóg – prototyp, môžeme navrhnúť smerovaciu metódu s maximálnou životnosťou v bezdrôtovej Ad-hoc sieti, zverejnenú v publikácii Arvind Sankar a Zhen Liu, Maximum Lifetime Routing in Wireless Ad-hoc Networks, INFOCOM 2004, Twenty- tretia výročná spoločná konferencia IEEE, Computer and Communications Societies, vol.2, s.p.1089-1097, kde je formulovaný problém maximalizácie životnosti senzorovej siete, ktorý je riešený metódou lineárneho programovania, konkrétne algoritmom je navrhol minimalizovať súčet potenciálnych funkcií všetkých frontov.

Nevýhodou tejto metódy je nízka účinnosť, pretože uzly umiestnené v najkratšej vzdialenosti sa často rýchlo vyčerpajú, čo vedie k prerušeniu komunikácie a zníženiu životnosti siete.

Existuje teda potreba vyriešiť vyššie uvedené problémy doterajšieho stavu techniky.

Podstata vynálezu

Technickým výsledkom, ku ktorému smeruje navrhovaný vynález, je najmä: zabezpečenie efektívneho smerovania a predĺženie životnosti bezdrôtovej senzorovej siete pre monitorovanie rôznych objektov a parametrov v reálnom čase, kde je dôležitá informácia každého uzla, zvýšenie funkčnosti, spoľahlivosti a zníženie nákladov na používanie monitorovacích systémov. Využitím navrhovaného riešenia sa zlepší prevádzková efektivita riadeného objektu vďaka dlhšej životnosti batérie autonómneho napájania, čo umožní zaznamenávať a prenášať údaje o parametroch objektu a/alebo prostredia dlhší čas. .

Podstatou navrhovanej metódy pre distribuované vyvažovanie prevádzky v bezdrôtovej senzorovej sieti je aplikácia nového smerovacieho algoritmu zo zdrojového uzla do cieľového uzla. Komunikácia medzi uvedenými uzlami v senzorovej sieti sa uskutočňuje napríklad prostredníctvom protokolu Zigbee alebo nelicencovaného rádiového frekvenčného pásma alebo mobilnej digitálnej rádiovej siete alebo akéhokoľvek iného vhodného bezdrôtového komunikačného protokolu. Distribuovanú senzorovú sieť je možné znázorniť ako graf G (N, M), ktorý definuje množinu spomínaných uzlov a spojení medzi nimi, kde N sú uzly siete a M sú hrany a existuje aj K trás. Informácie sú generované rýchlosťou Q c a prenášané cez komunikačný kanál C rýchlosťou q c a i-tý uzol má energetickú rezervu E i a každá hrana ij má hmotnosť/cenu e ij, ktorá zodpovedá energii na prenos jedného dátového paketu z uzla i do j, pričom životnosť T i každého uzla je definovaná ako

Ďalej sa v každom uzle určí smerovacia tabuľka a nastaví sa vektor prenosu správy, vykoná sa analýza možné možnosti trasy podľa najoptimálnejších sumárnych vektorov, ktoré sú vypočítané z smerovacej tabuľky, na tento účel je určená životnosť celej siete T sys

Maximalizácia životnosti je teda definovaná ako maximalizácia T sys a na dosiahnutie maximálnej životnosti celej siete sa pre prenášané informácie rozdeľujú trasy, pričom výber dopravnej cesty v sieti je založený na využití čo najmenej nákladných prenosov. na každom uzle a pri konštrukcii trasy sú najnákladnejšie vylúčené uzly na základe jeho vypočítaného T i.

Minimálne jeden zdrojový uzol obsahuje samonapájací senzor na meranie a sledovanie fyzikálnych parametrov (hodnôt), ktorý monitoruje v danej oblasti siete a prenáša správy (dátové pakety) s nameranými parametrami do aspoň jedného cieľového uzla.

Alternatívne v každom uzle, aby sa monitorovacie údaje dostali do jednotnej formy, sa môže vykonať primárne spracovanie fyzických parametrov prijatých zo senzorov, napríklad ich uložením do pamäte, spriemerovaním a analógovo-digitálnym prevodom. do príslušného kódu. Rôzne parametre sa používajú ako merané parametre na monitorovanie napríklad prostredia, ako je teplota, tlak, vlhkosť, osvetlenie, dym, úroveň vibrácií atď.

Alternatívne sa výber trasy pri vytváraní a/alebo aktualizácii smerovacej tabuľky uskutočňuje v súlade s kombináciami kritérií, ako je dĺžka trasy, meraná počtom smerovačov, cez ktoré je potrebné prejsť do cieľového uzla; kapacita komunikačného kanála; predpokladaný celkový čas prenosu; náklady na komunikačný kanál; množstvo zostávajúcej energie v uzle.

Voliteľne metóda dodatočne aktualizuje hodnoty životnosti T i každého uzla alebo životnosti celého systému T sys v súlade s uvedenou kombináciou kritérií, ktorá sa vykonáva pri odosielaní správy zo zdrojového uzla do cieľový uzol alebo keď sa zistí prerušenie spojenia medzi uzlami.

Alternatívne sa po zostrojení smerovacej tabuľky pri odosielaní paketu implementuje funkcia prenosu paketov po optimálnych cestách (trasách), pričom každý uzol siete umiestni adresu nasledujúceho uzla do hlavičky paketu na úrovni riadenia prístupu k médiu (MAC).

Distribuovaný systém vyvažovania prevádzky v distribuovanej senzorovej sieti je tiež navrhnutý na základe smerovacieho algoritmu zo zdrojového uzla do cieľového uzla v distribuovanej senzorovej sieti podľa navrhovaného spôsobu, ktorý obsahuje: cieľový uzol pripojený bezdrôtovým komunikačným kanálom k zdrojový uzol, čo je modul snímača, v ktorom je umiestnený transceiver, snímač fyzikálnych parametrov, mikrokontrolér na spracovanie a riadenie a autonómny zdroj energie a cieľový uzol obsahuje transceiver, prostriedky na ukladanie prijatých informácií a prostriedky na spracovanie a zobrazenie prijatých informácií zo senzorových modulov na zostavenie modelu skúmaného objektu alebo priestoru.

Alternatívne môžu byť senzorové moduly rozdelené do skupín a každá skupina je bezdrôtovo pripojená k cieľovému uzlu prostredníctvom vlastného vysielača a prijímača. Monitorovanie environmentálnych alebo priemyselných parametrov v reálnom čase sa vykonáva bodovo v danej oblasti, pričom prvá podmnožina zo spomínanej množiny zdrojových uzlov plní funkcie monitorovania a druhá podmnožina zdrojových uzlov plní len funkcie prijímania a vysielania dátových paketov. s nameranými fyzickými parametrami prijatými z prvej podmnožiny zdrojových uzlov.

Tieto a ďalšie konštrukčné a funkčné znaky a výhody navrhovaného vynálezu budú zrejmé z Detailný popis jeho možnosti, ktoré je potrebné prečítať spolu s výkresom.

Stručný popis výkresov

Obrázok 1 ukazuje dobre známu klasifikáciu metód na úsporu energie uzlov v senzorovej sieti.

Obrázok 2 zobrazuje algoritmus na zostavenie senzorovej siete založenej na dotazovaní.

Obrázok 3 znázorňuje sieť senzorov vo forme grafu G (N, M).

Obrázok 4 zobrazuje možnosti určovania trás.

Podrobný opis vynálezu

Navrhuje sa algoritmus, na ktorom je založená technológia automatizovaného zberu a prenosu dát cez navrhovanú RSS (sieť autonómnych bezdrôtových samoorganizujúcich sa mobilných zariadení) do jedného bodu na zostavenie modelu skúmaného objektu alebo priestoru. Tento model je možné použiť najmä na budovanie sietí na monitorovanie environmentálnych alebo priemyselných parametrov v reálnom čase, monitorovanie podmienok v životnom cykle budov a stavieb, pri projektovaní a výstavbe rekreačných oblastí a zariadení sanitárnych zariadení, ako aj v rôznych iných oblasti automobilového priemyslu, na železničná doprava, v cestnom staviteľstve, v medicíne.

Navrhovaný vynález môže výrazne zvýšiť funkčnosť, spoľahlivosť a znížiť náklady na používanie takýchto systémov na monitorovanie. Zníženie nákladov je neoddeliteľne spojené s konštruktívnym, funkčným a softvérovým zjednotením častí, z ktorých je systém zostavený, čo si vyžaduje dôkladnú analýzu požiadaviek a výskum spôsobov, ako vybudovať univerzálnu softvérovú a hardvérovú platformu pre vytváranie systémov monitorovania ekologických stav prostredia na báze bezdrôtovej senzorovej sieťovej technológie. Na tento účel sa študujú rôzne parametre: teplota, tlak, vlhkosť, osvetlenie, dym, vibrácie, ktoré sa zhromažďujú prostredníctvom samoorganizujúcich sa senzorových sietí. PCC pozostáva z koncových zariadení, medziľahlých smerovačov, sieťového koordinátora a vyhradeného bodu zberu údajov, niekedy sa tento bod nazýva sieťová brána; používa sa na konverziu údajov z rádiového kanála do siete organizovanej na optických alebo medených drôtoch - Ethernet . Senzory na zber fyzických parametrov sú pripojené k sieťovým uzlom – koncovým zariadeniam, ktoré sú prostredníctvom sieťového koordinátora zabudované do jednej štruktúry, napríklad prostredníctvom protokolu ZigBee. To vám umožní nasadiť sieť na monitorovanie v krátkom čase minimálne náklady a pomerne vysoká spoľahlivosť.

Každá jednotka PCC je vybavená autonómnym zdrojom energie, ktorý umožňuje ich inštaláciu na ťažko prístupných miestach, aby bolo možné vykonávať požadované údaje s minimálnymi nákladmi na prácu. Charakteristickým rysom navrhovaného vynálezu je vytvorenie unikátneho škálovateľného softvéru a hardvéru, pozostávajúceho zo sady modulov potrebných na implementáciu, ktorý umožňuje ovládať zariadenia po maximálnu možnú dobu prevádzky a zároveň automaticky generovať spoľahlivý model. priestorového heterogénneho prostredia. Komunikácia medzi zariadeniami prebieha cez rádiový kanál v rôznych komunikačných štandardoch, vrátane protokolu Zigbee, v nelicencovanom frekvenčnom rozsahu alebo cez mobilnú digitálnu rádiovú sieť. Údaje zozbierané na spracovanie umožňujú použiť takýto systém na zostavenie ekologického 3D modelu skúmaného prostredia/priestoru alebo objektu, čím sa výrazne skráti čas potrebný na spracovanie a získanie informácií a finančných zdrojov. Podstatou navrhovaného algoritmu, nazývaného two ladder-logic, je riadenie prvkov RSS, ktoré umožňuje vyrovnávať zaťaženie sieťových uzlov tak, že prenášané dáta nie sú odosielané do najbližšieho sieťového uzla náhodne, ale do ten, ktorý má v súčasnosti najväčšiu energetickú rezervu. Použitý algoritmus fungovania RSS umožňuje meniť zaťaženie uzlov siete tak, aby celá sieť zostala v prevádzke čo najdlhší čas.

Použitie RSS môže poskytnúť významné výhody v technologických aj ekonomických aspektoch oproti tradičným systémom na zber a spracovanie údajov. Zásadné zvýšenie produktivity zberu a spracovania digitálnej telemetrie, dosiahnuté použitím PSS, vám umožňuje agresívne preniknúť na trh a prejsť na technologické riešenia novej generácie, čím je možný a ľahko implementovateľný vznik nových automatizovaných systémov fungujúcich v reálnom čase na báze cloudových technológií. S technologickým pokrokom by malo dôjsť k prechodu od prepojených lokálnych monitorovacích sietí k rozsiahlym monitorovacím, sledovacím a predikčným systémom založeným na bezdrôtových PSS.

Obrázok 2 ukazuje príklad smerovania a budovania senzorovej siete založenej na dotazovaní. RSS pozostáva z mnohých lacných, autonómnych, multifunkčných uzlov, ktoré sa nachádzajú v monitorovacej oblasti. Každý uzol pozostáva zo sady blokov, ako je senzor používaný na príjem údajov z prostredia, jednotka na príjem a prenos údajov, mikrokontrolér na spracovanie a riadenie signálov a malý zdroj energie. Procesor je napájaný samostatnou batériou s obmedzeným zdrojom energie, čo vedie k výrazným obmedzeniam spotreby energie. Údržba uzlov senzorov, ako je výmena batérie, je nákladná, najmä ak sú uzly umiestnené na ťažko dostupných miestach, takže väčšina sietí senzorov je bezúdržbová a funguje až do vybitia batérie.

Smerovací algoritmus vám umožňuje zostaviť trasu na základe požiadaviek a odpovedí. Sieťový koordinátor 1 posiela požiadavku HELLO na vysielanie a prijíma odpovede od smerovača(ov) 2. Každý smerovač tiež posiela požiadavku na vysielanie a prijíma odpovede od susedných zariadení, môžu to byť iné smerovače alebo koncové zariadenia 3. Na základe prijatých odpovedí (sila signálu , doba odozvy a ďalšie parametre), koordinátor zostaví smerovaciu tabuľku na každom smerovači. Ďalej sa výber trasy uskutoční štandardným algoritmom určením grafu hmotnosti s minimálnou celkovou hodnotou.

Senzorové uzly sú spravidla vybavené rovnakým typom zariadení s určitým súborom funkcií. Po inštalácii, počas prevádzky, sa musia uzly senzorov zorganizovať do komunikačnej siete, kde každý uzol využíva len tie funkcie, ktoré sú potrebné na vyriešenie úlohy. Smerovanie tiež prebieha automaticky. Okrem primárneho smerovania je potrebná aj pravidelná prestavba siete, pretože zariadenia môžu stratiť komunikačný kanál alebo zlyhať z dôvodov súvisiacich s externými alebo internými faktormi.

Práca každého senzorového uzla je zameraná na meranie rôznych parametrov prostredia, ako je teplota, tlak, osvetlenie, vlhkosť, dym, úroveň vibrácií atď. rôznych oblastiach aplikácie, ako je zber údajov a monitorovanie životného prostredia, monitorovanie rôznych výrobných zariadení umiestnených v samostatnej budove alebo na nej veľké územie, zariadenia ropného a plynárenského priemyslu, dopravné zariadenia, vojenské aplikácie atď. Senzorové siete plnia rôzne úlohy, ktoré možno zhruba rozdeliť do dvoch kategórií. Prvá kategória úloh súvisí s detekciou udalostí, ktoré sa vyskytujú veľmi zriedkavo, ale vyžadujú si okamžité oznámenie a/alebo lokalizáciu. Druhá kategória (monitorovanie) zahŕňa úlohy nepretržitého merania nejakej veličiny počas dlhého časového obdobia. Čas oneskorenia sa tu môže rovnať charakteristickému času zmeny meraného parametra. Monitorovanie je možné vykonávať bodovo v akejkoľvek oblasti, pri bodovom meraní väčšina uzlov zohráva úlohu vysielačov a len malá časť uzlov vykonáva monitorovanie priamo.

Navrhuje sa smerovací algoritmus s vyvažovaním prevádzky v distribuovanej senzorovej sieti. Na tento účel možno distribuovanú senzorovú sieť znázorniť ako graf G (N, M) s N uzlami a M hranami, čo predstavuje množinu existujúcich uzlov a možných spojení medzi nimi, ako je znázornené na obr. Každý i-tý uzol má na začiatku energetickú rezervu E i. Každá hrana ij má hmotnosť/náklady e ij, čo zodpovedá energii na prenos jedného dátového paketu z uzla i do j. Predpokladá sa, že existuje K trás a informácie sú generované rýchlosťou Qc a prenášané cez komunikačný kanál C rýchlosťou qc.

Životnosť Tj každého uzla bude v takomto systéme rovnaká

Podľa použitého algoritmu určuje smerovaciu tabuľku koordinátor na každom uzle. Vektor prenosu správ je vytvorený. Ďalej sa vykoná analýza možných možností trasy podľa najoptimálnejších súhrnných vektorov, ktoré sa vypočítajú z tabuľky smerovania. Cieľom je teda ušetriť celkovú energiu vynaloženú na celú sieť na prenos jedného paketu. Toto je účinné pre dátové siete, kde životnosť siete je určená časom, počas ktorého je sieť schopná prenášať správy.

V sieťach, kde každý uzol vykonáva súčasne dve funkcie: meranie nejakej veličiny a prenos správ, to znamená, že senzorová sieť plní funkciu sledovania fyzikálnych veličín v danej oblasti, je hodnota každého uzla dôležitá na dotvorenie obrazu.

Potom definujeme životnosť celého systému T sys ako:

Problém maximalizácie životnosti bude vyzerať takto: maximalizovať T sys a na dosiahnutie maximálnej životnosti celého systému je potrebné distribuovať trasy pre prenášané informácie. Podstatou navrhovaného spôsobu smerovania s vyvažovaním prevádzky v RSN je, že výber dopravnej cesty v sieti je založený na využití najmenej nákladných prenosov na každom uzle, ktorý je možné zapojiť do prenosu dát. Inými slovami, najnákladnejšie skoky (tranzitná časť alebo prechod v sieti medzi dvoma sieťovými uzlami, cez ktoré sa prenáša prevádzka) sú vylúčené z možných možností trasy dátového paketu, čím sa šetrí energia v každom uzle a znižuje sa pravdepodobnosť zlyhania uzla, čím sa eliminuje kolaps celej meracej siete v dôsledku toho, že jeden uzol už prestal vykonávať aktuálne merania.

Výber možnosti trasy (znázornenej na obr. 4) pri vytváraní a aktualizácii smerovacej tabuľky sa uskutočňuje v súlade s kombináciami kritérií, ako sú: dĺžka trasy, meraná počtom smerovačov, cez ktoré je potrebné prejsť do cieľa ; kapacita komunikačného kanála; predpokladaný celkový čas prenosu; náklady na komunikačný kanál; množstvo zostávajúcej energie v uzle.

Po zostavení smerovacej tabuľky algoritmus implementuje funkciu prenosu paketov po optimálnych cestách tým, že pri odosielaní paketu cez smerovač každý uzol lokálnej siete umiestni do hlavičky paketu adresu ďalšieho príjemcu na úrovni MAC. V príklade znázornenom na obr. 3 sa teda na základe minimálnych celkových nákladov (hmotnosť/cena) v uzloch (obr. 4) vyberie trasa 1 s celkovými nákladmi na hmotnosť/cena - 9, ako minimálna hodnota. Prechod dopravy cez uzly trasy 1 teda čoskoro povedie k úplnému energetickému vyčerpaniu uzla 4, čo znefunkční tieto uzly a vylúči možnosť zberu parametrov na potrebných výskumných bodoch.

Pri použití navrhovaného algoritmu distribuovaného vyrovnávania dopravy založeného na váhových koeficientoch sa však zvolí trasa 2, ktorá umožní existenciu siete senzorov rádovo dlhšie. Je to možné vďaka skutočnosti, že zaťaženie všetkých uzlov je v prípade navrhovaného algoritmu systematickejšie rozdelené medzi všetky uzly siete.

Navrhovaný vynález môže byť implementovaný pomocou rôznych funkčných a/alebo hardvérových, softvérových, procesorových špeciálny účel a/alebo ich kombinácie. Výhodne je vynález implementovaný ako kombinácia hardvéru a softvéru. Softvér je výhodne implementovaný ako aplikačný program materiálne implementovaný na programovom úložnom/čítacom zariadení. Aplikačný program môže byť stiahnutý alebo spustený počítačom s ľubovoľnou architektúrou a je implementovaný na výpočtovej platforme s hardvérom: jedným alebo viacerými centrálnymi procesormi, pamäťou s náhodným prístupom a vstupnými/výstupnými rozhraniami. Vyššie uvedené rôzne možnosti Uskutočnenia vynálezu sú prezentované len na účely pochopenia a príkladov a nie sú myslené ako obmedzenie týmito príkladmi.

1. Spôsob distribuovaného vyvažovania prevádzky založený na smerovacom algoritme zo zdrojového uzla do cieľového uzla v distribuovanej senzorovej sieti,
v tomto prípade je distribuovaná senzorová sieť znázornená ako graf G (N, M), ktorý charakterizuje množinu uvedených uzlov a spojenia medzi nimi, kde N sú uzly siete a M sú hrany, existuje K trás a informácia sa generuje rýchlosťou Q c a prenáša sa cez komunikačný kanál C rýchlosťou q c a i-tý uzol má energetickú rezervu E i a každá hrana ij má váhu/cenu e ij, ktorá zodpovedá energii na prenos jedného dátového paketu z uzla i do j,
v tomto prípade je životnosť T i každého uzla definovaná ako

smerovacia tabuľka je určená na každom uzle a je nastavený vektor prenosu správy,
je vykonaná analýza možných možností trasy podľa najoptimálnejších sumárnych vektorov, ktoré sú vypočítané z smerovacej tabuľky, na tento účel je určená životnosť celej siete T sys

maximalizácia životnosti je v tomto prípade definovaná ako maximalizácia T sys a pre dosiahnutie maximálnej životnosti celej siete sa pre prenášané informácie rozdeľujú trasy, pričom výber dopravnej cesty v sieti je založený na využití najmenšej nákladné prenosy v každom uzle a pri konštrukcii trasy sú vylúčené tie najnákladnejšie.

2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že aspoň jeden zdrojový uzol obsahuje snímač s vlastným napájaním, ktorý meria a monitoruje fyzikálne parametre v danej oblasti a prenáša dátové pakety s nameranými fyzikálnymi parametrami do aspoň , do jedného cieľového uzla.

3. Spôsob podľa nároku 2, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že snímače použité ako snímače merajú fyzikálne parametre na monitorovanie prostredia na základe sledovania nasledujúcich parametrov: teplota, tlak, vlhkosť, osvetlenie, dym, úroveň vibrácií.

4. Spôsob podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že aspoň jeden zdrojový uzol vykonáva primárne spracovanie fyzikálnych parametrov získaných z uvedených senzorov, napríklad akumuláciu, priemerovanie, analógovo-digitálnu konverziu.

5. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že komunikácia medzi uzlami v senzorovej sieti sa uskutočňuje pomocou protokolu Zigbee alebo v nelicencovanom rádiovom frekvenčnom rozsahu alebo prostredníctvom mobilnej digitálnej rádiovej siete alebo prostredníctvom akéhokoľvek iného bezdrôtového komunikačného protokolu. .

6. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že komunikačný kanál medzi zdrojovým uzlom a cieľovým uzlom obsahuje smerovač, ktorý s týmito uzlami spolupracuje.

7. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 6, vyznačujúci sa tým, že výber trasy pri vytváraní a/alebo aktualizácii smerovacej tabuľky sa uskutočňuje v súlade s kombináciami kritérií, ako je dĺžka trasy, meraná počtom smerovačov, cez ktoré je potrebné prechod do cieľového uzla, kapacita komunikačného kanála, predpokladaný celkový čas prenosu, množstvo zvyškovej energie v uzle, náklady na komunikačný kanál.

8. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že po zostavení smerovacej tabuľky sa pri odosielaní paketu realizuje funkcia prenosu paketov po optimálnych trasách, pričom každý uzol siete umiestni do hlavičky paketu adresu nasledujúceho uzla. úroveň riadenia prístupu k médiám (úroveň MAC). .

9. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1, 6, 7, vyznačujúci sa tým, že spôsob dodatočne obsahuje krok aktualizácie hodnôt životnosti Ti každého uzla alebo životnosti celého systému T sys v súlade s s uvedenou kombináciou kritérií, vykonávaných pri odosielaní správy zo zdrojového uzla do cieľového uzla alebo pri zistení prerušenia spojenia medzi uzlami.

10. Distribuovaný systém vyvažovania prevádzky v bezdrôtovej senzorovej sieti na monitorovanie fyzických parametrov podľa spôsobu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 9, ktorý obsahuje množstvo zdrojových uzlov spojených navzájom a cieľový uzol pripojený aspoň k jednému. zdrojový uzol, čo je senzorový modul, kde je umiestnený transceiver, senzor fyzikálnych parametrov, mikrokontrolér pre spracovanie a riadenie a autonómny zdroj napájania, senzorové moduly sú rozdelené do skupín a každá skupina je pripojená k cieľovému uzlu cez svoj vlastný transceiver, pričom cieľový uzol obsahuje transceiver, prostriedky na ukladanie prijatých informácií a prostriedky na spracovanie a zobrazenie prijatých informácií zo senzorových modulov na zostavenie modelu skúmaného objektu alebo priestoru.

11. Systém podľa nároku 10, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že monitorovanie sa vykonáva bodovo v danej oblasti, pričom aspoň jedna podmnožina zdrojových uzlov vykonáva monitorovacie funkcie prostredníctvom svojich snímačov fyzických parametrov a ďalšia podskupina zdrojových uzlov. vykonáva prostredníctvom svojich transceiverov iba funkcie prijímania a vysielania dátových paketov s nameranými fyzickými parametrami prijatých zo spomínanej podmnožiny zdrojových uzlov.

Podobné patenty:

Vynález sa týka bezdrôtovej komunikačnej technológie a môže sa použiť na pokročilú koordináciu rušenia medzi bunkami. Technickým výsledkom je umožniť užívateľskému zariadeniu identifikovať chránené zdroje so zníženým rušením zo susedných buniek.

Vynález sa týka bezdrôtových komunikácií a je určený na zaistenie toho, že signál relatívneho povolenia a signál absolútneho povolenia možno spracovať na základe vzťahu medzi relatívnym povolením a absolútnym povolením.

Vynález sa týka rádiovej komunikácie. Technický výsledok spočíva v poskytnutí informácie o stave kanála v ľubovoľnom frekvenčnom priepustnom pásme z viacerých frekvenčných priepustných pásiem v správe a zvýšení priepustnosti.

Vynález sa týka bezdrôtovej komunikácie a môže sa použiť na určenie hardvérového šumu. Technickým výsledkom je zvýšenie presnosti určenia hodnoty hardvérového šumu, čo poskytuje riešenie problému, že výsledky fixného merania sú nepresné v dôsledku zmien hardvérového šumu v dôsledku zmien teploty.

Vynález sa týka bezdrôtovej komunikácie. Technickým výsledkom je poskytnúť niekoľko úrovní presnosti postback, flexibilne nakonfigurovať postback s rôznymi presnosťami tak, aby vyhovovali špecifickým potrebám, a efektívne využívať réžiu postback.

Vynález sa týka bezdrôtového komunikačného systému a je určený na zníženie pravdepodobnosti interferencie medzi vrstvami zodpovedajúcimi rôznym tokom kódových slov a na zlepšenie presnosti odhadu kanálov.

Vynález sa týka bezdrôtových systémov. Technickým výsledkom je zlepšenie spoľahlivosti príjmu HARQ-ACK, keď je kódovaný pomocou blokového kódu v porovnaní s tým, keď je kódovaný pomocou opakovacieho kódu.

Vynález sa týka mobilnej komunikácie. Technický výsledok spočíva v zabezpečení identifikácie prístupových bodov (femtobuniek) prítomných v danej oblasti (oblasť pokrytia danej makrobunky). Konflikt vyplývajúci z pridelenia identických identifikátorov viacerým uzlom sa rieši použitím techník detekcie konfliktov a použitím jedinečných identifikátorov na tieto uzly. V niektorých aspektoch môže prístupový bod a/alebo prístupový terminál vykonávať operácie súvisiace s detekciou kolízie a/alebo poskytovaním jedinečného identifikátora na vyriešenie konfliktu. 4 n. a 29 z. p.f-ly, 23 chor.

Vynález sa týka mobilnej komunikácie. Technickým výsledkom je poskytnutie handoveru medzi doménami s prepínaním okruhov a doménami s prepínaním paketov. Vynález je navrhnutý na detegovanie udalosti aktivácie funkcie hlasovej kontinuity jediného vzduchového rozhrania, ktorá indikuje, že došlo k odovzdaniu užívateľského zariadenia medzi doménou s prepínaním paketov a doménou s prepínaním okruhov (4A); na pozastavenie rádiových kanálov signalizujúcich rádiové kanály riadiacej roviny podľa procedúry premiestňovania subsystému obsluhujúceho rádiovú sieť (4B); resetovať pozastavené signalizačné rádiá (4C) a obnoviť pozastavené signalizačné rádiá v doméne odovzdania, pričom postup obnovenia zahŕňa ochranu rádií riadiacej roviny odovzdávacej domény pomocou rovnakého preloženého bezpečnostného kľúča, ktorý sa použil na šifrovanie rádiových prístupových kanálov používateľskej roviny v doméne odovzdania. doména, na ktorú sa služba odovzdáva (4D). 4 n. a 12 z. p.f-ly, 4 chorý.

[0001] Vynález sa týka spôsobu a zariadenia v komunikačnom systéme, najmä na poskytovanie spätne kompatibilného prirodzeného backhaul v vylepšenej univerzálnej terestriálnej rádiovej prístupovej sieti (E-UTRAN). Technickým výsledkom je eliminácia alebo zníženie rušenia, ku ktorému dochádza, keď samoprenosové spojenie medzi darcovským rozšíreným uzlom B (eNB) a prenosovým uzlom (RN) a rádiové prístupové spojenia v bunke fungujú v rovnakom frekvenčnom spektre. Uvedený technický výsledok sa dosiahne vytvorením aspoň jedného prerušenia v uvedených downlink prenosoch z RN do aspoň jedného mobilného terminálu (UE); prijímanie prenosov od darcu eNB počas uvedeného aspoň jedného prerušenia, pričom uvedené prenosy sa vyskytujú v prekrývajúcich sa frekvenčných pásmach, a pričom uvedené aspoň jedno prerušenie je generované použitím podrámca formátu podrámca multicast/Broadcast Single Frequency Network (MBSFN). 4 n. a 23 plat f-ly, 11 chorých.

Vynález sa týka mobilnej komunikácie. Technickým výsledkom je zabezpečenie vyvažovania záťaže na prístupových bodoch. Mobilný prístupový bod spomedzi množstva vzájomne prepojených mobilných prístupových bodov prijme od prvého používateľského zariadenia požiadavku na pokus o spojenie, ktorý spôsobí, že prístupový bod prekročí prvý vopred určený prah priepustnosti. Mobilný prístupový bod vyberá jedno z predtým pripojených zariadení používateľa a zodpovedajúce jedno z množstva vzájomne prepojených mobilných prístupových bodov. Mobilný prístupový bod iniciuje odovzdanie vybraného jedného z predtým pripojených užívateľských zariadení do zodpovedajúceho jedného z množstva vzájomne prepojených mobilných prístupových bodov a vytvorí spojenie s prvým užívateľským zariadením. 14 plat f-ly, 7 chorých.

[0001] Vynález sa týka komunikačných systémov, najmä na prenos dát s použitím veľkosti dát s pevnou alebo premennou dĺžkou. Technický výsledok spočíva v zlepšení riadenia toku dát. Tento technický výsledok je dosiahnutý tým, že systém mobilného prenosu dát obsahuje riadiace zariadenie a zariadenie základnej stanice. Prenos údajov medzi riadiacim zariadením a zariadením základňovej stanice sa vykonáva pomocou veľkosti údajov s pevnou dĺžkou a veľkosti údajov s premenlivou dĺžkou a do zariadenia základňovej stanice sa prenesie správa RADIO LINK SETUP REQUEST, ktorá spustí postup nastavenia rádiového spojenia. pričom špecifikovaná správa obsahuje informácie o formáte veľkosti dátovej jednotky protokolu riadiacej vrstvy rádiového spojenia (RLC PDU); a zrušenie procedúry, ak správa RADIO LINK SETUP REQUEST nezahŕňa informáciu o veľkosti rozšírenej veľkosti PDU podvrstvy riadenia maximálneho prideleného média (MAC-d) a informácie o formáte veľkosti naznačujú, že veľkosť dát RLC PDU má premenlivú dĺžku. 7 n. a 17 plat f-ly, 13 chorých.

Vynález sa týka bezdrôtovej komunikačnej technológie a môže byť použitý na synchronizáciu času. Metóda vykonávaná v systémovom uzle, ktorý si vymieňa informácie so skupinou základňových staníc, z ktorých každá obsahuje zodpovedajúce vnútorné hodiny, je poskytnúť každej zo základňových staníc časové informácie a prijať takéto informácie od nich, aby sa vytvoril referenčný systém. čas založený aspoň na časových informáciách a pri poskytovaní jednej zo základných staníc, ktorej zodpovedajúce vnútorné hodiny nie sú synchronizované s vonkajšou referenčnou časovou mierkou, informácie o časovej synchronizácii na synchronizáciu vnútorných hodín tejto základnej stanice s referenčným systémom čas. Technickým výsledkom je časová synchronizácia základňových staníc, ktoré neprijímajú signál z globálneho navigačného satelitného systému. 5 n. a 40 plat f-ly, 4 chorí.

Vynález sa týka bezdrôtovej komunikácie. Technickým výsledkom je zabezpečenie stability pripojenia a úspora batérie pri použití agregácie operátorov. Mobilná stanica UE podľa tohto vynálezu je mobilná stanica komunikujúca s rádiovou základňovou stanicou pomocou dvoch alebo viacerých nosičov vrátane prvého nosiča a druhého nosiča, pričom mobilná stanica obsahuje prvý komunikačný modul nakonfigurovaný na komunikáciu na prvom nosiči, a merací modul druhý nosič, nakonfigurovaný na meranie druhého nosiča; pričom prvý komunikačný modul je nakonfigurovaný, ak je špecifikovaná meracia medzera na meranie druhej nosnej frekvencie, na vykonávanie komunikácie na prvej nosnej bez zohľadnenia špecifikovanej meracej medzery, keď je aktivovaná druhá nosná, a na odmietnutie komunikácie na prvej nosnej nosič v špecifikovanej meracej medzere, keď druhý nosič nie je aktivovaný. 5 n. a 7 plat f-ly, 16 chorých.

Vynález sa týka oblasti rádiovej komunikácie. Technický výsledok je jednoduchý a efektívny príjem riadiaci uzol v rádiokomunikačnej sieti informácia o kvalite v rádiokomunikačnej sieti. Opisuje sa používateľské zariadenie, ktoré má prevádzkové režimy aspoň v režime pripojenia (CONN) a v režime nečinnosti (IDLE), pričom obsahuje merací modul nakonfigurovaný na meranie kvality rádiovej komunikácie v režime nečinnosti v súlade s informáciami o úlohe merania, ktoré naznačujú, že užívateľské zariadenie je vopred nakonfigurované na hlásenie nameranej hodnoty rádiovej kvality do základnej stanice, pamäťový modul nakonfigurovaný na ukladanie informácií o cieli merania a nameranej hodnoty rádiovej kvality nameranej meracím modulom a vysielací modul nakonfigurovaný tak, aby vopred určený stav o správe (podmienka prítomnosti záznamu), vysielanie indikátora indikujúceho prítomnosť nameranej hodnoty rádiovej kvality do základňovej stanice v pripojenom režime a ako odpoveď na požiadavku zo základňovej stanice vysielanie signálu správy obsahujúcej nameranú hodnotu kvality rádia. 2 n. a 6 plat f-ly, 12 chorých.

Vynález sa týka bezdrôtových senzorových sietí pre automatizované monitorovacie systémy. Technickým výsledkom je zabezpečenie efektívneho smerovania, predĺženie životnosti siete a zvýšenie spoľahlivosti. Spôsob a systém pre distribuované vyvažovanie prevádzky v bezdrôtovej senzorovej sieti je navrhnutý na základe smerovacieho algoritmu zo zdrojového uzla do cieľového uzla, kde bezdrôtová senzorová sieť je reprezentovaná ako graf G, kde N sú uzly siete a M sú hrany. , existuje K trás a informácie sa generujú rýchlosťou Qc a prenášajú sa cez komunikačný kanál C rýchlosťou qc a i-tý uzol má energetickú rezervu Ei a každá hrana ij má hodnotu eij, ktorá zodpovedá energie na prenos jedného dátového paketu z uzla i do j a životnosť Ti každého uzla je definovaná ako . V každom uzle sa určí smerovacia tabuľka a nastaví sa vektor prenosu správ, analyzujú sa možnosti smerovania pomocou najoptimálnejších súhrnných vektorov, ktoré sa vypočítajú zo smerovacej tabuľky. Na tento účel sa určí životnosť celej siete Tsysmini∈N Ti. Maximalizácia životnosti je definovaná ako maximalizovať Tsys a na dosiahnutie maximálnej životnosti celej siete sú distribuované trasy, kde výber trasy v sieti je založený na využívaní najmenej nákladných prenosov v každom uzle a eliminujú sa tie najnákladnejšie. 2 n. a 9 plat f-ly, 4 chorí.

Svoj článok chcem venovať technológiám bezdrôtových senzorových sietí, ktoré, ako sa mi zdá, boli nespravodlivo ochudobnené o pozornosť komunity Habra. Hlavný dôvod vidím v tom, že technológia sa ešte nerozšírila a z väčšej časti je predmetom záujmu akademických kruhov. Ale myslím si, že v blízkej budúcnosti uvidíme veľa produktov založených tak či onak na technológiách takýchto sietí. Už niekoľko rokov sa venujem výskumu senzorových sietí, napísal som na túto tému dizertačnú prácu a množstvo článkov v ruských a zahraničných časopisoch. Vyvinul som aj kurz o bezdrôtových senzorových sieťach, ktorý som vyučoval v Nižnom Novgorode Štátna univerzita(Odkaz na kurz neuvádzam, ak máte záujem, môžem dať odkaz súkromne). Keďže mám skúsenosti v tejto oblasti, chcem sa o ne podeliť s rešpektovanou komunitou, dúfam, že vás budú zaujímať.

Všeobecné informácie

Bezdrôtové senzorové siete prešli v poslednej dobe veľkým rozvojom. Takéto siete, pozostávajúce z mnohých miniatúrnych uzlov vybavených nízkoenergetickým vysielačom/prijímačom, mikroprocesorom a senzorom, môžu spájať globálne počítačové siete a fyzický svet. Koncept bezdrôtových senzorových sietí pritiahol pozornosť mnohých vedcov, výskumných ústavov a komerčné organizácie, ktorá poskytla veľký tok vedeckých prác na túto tému. Veľký záujem o štúdium takýchto systémov je spôsobený širokými možnosťami využitia senzorových sietí. Najmä bezdrôtové senzorové siete možno použiť na predpovedanie zlyhania zariadení v leteckých systémoch a automatizácii budov. Vďaka svojej schopnosti sebaorganizácie, autonómnosti a vysokej odolnosti voči chybám sa takéto siete aktívne používajú v bezpečnostných systémoch a vojenských aplikáciách. Úspešné využitie bezdrôtových senzorových sietí v medicíne na monitorovanie zdravia je spojené s vývojom biologických senzorov kompatibilných s integrovanými obvodmi senzorových uzlov. Ale bezdrôtové senzorové siete sú najrozšírenejšie v oblasti monitorovania životného prostredia a živých bytostí.

Železo

Kvôli nedostatku jasnej štandardizácie v senzorových sieťach existuje niekoľko rôznych platforiem. Všetky platformy spĺňajú základné základné požiadavky na senzorové siete: nízka spotreba energie, dlhá prevádzková doba, nízkoenergetické transceivery a senzory. Medzi hlavné platformy patria MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.

MicaZ

Mikroprocesor: Atmel ATmega128L
Frekvencia 7,3728 MHz
128 KB flash pamäť pre programy
4 KB SRAM pre dáta
2 UART
Autobus SPI
I2C zbernica
Rádio: ChipCon CC2420
Externá flash pamäť: 512 KB
51-pinový prídavný konektor
osem 10-bitových analógových I/O
21 digitálnych I/O
Tri programovateľné LED diódy
port JTAG
Napájanie dvomi AA batériami

TelosB

Mikroprocesor: MSP430 F1611
frekvencia 8 MHz
48 KB flash pamäť pre programy
10 KB RAM pre dáta
Autobus SPI
Vstavaný 12-bitový ADC/DAC
DMA ovládač
Rádio: ChipCon CC2420
Externá flash pamäť: 1024 KB
16-pinový prídavný konektor
Tri programovateľné LED diódy
port JTAG
Voliteľné: Senzory svetla, vlhkosti, teploty.
Napájanie dvomi AA batériami

Intel Mote 2

Mikroprocesor 320/416/520 MHz PXA271 XScale
32 MB Flash pamäte
32 MB RAM
Mini-USB rozhranie
I-Mote2 konektor pre externé zariadenia (31+21 pin)
Rádio: ChipCon CC2420
LED indikátory
Napájanie tromi AAA batériami

Každá platforma je svojím spôsobom zaujímavá a má svoje vlastné charakteristiky. Osobne som mal skúsenosti s prácou s platformami TelosB a Intel Mote 2. Aj naše laboratórium vyvinulo vlastnú platformu, ale je komerčná a nemôžem o nej podrobne rozprávať.

Najčastejšie pred 3 rokmi bolo použitie čipsetu CC2420 ako nízkoenergetického transceiveru.

Softvér a prenos dát

Hlavným štandardom pre prenos dát v senzorových sieťach je IEE802.15.4, ktorý bol špeciálne navrhnutý pre bezdrôtové siete s nízkovýkonovými transceivermi.

V senzorických sieťach neexistujú žiadne softvérové štandardy. Existuje niekoľko stoviek rôznych protokolov spracovania a prenosu údajov, ako aj systémov správy uzlov. Najrozšírenejším operačným systémom je open source systém – TinyOs (na Stanfordskej univerzite som sa osobne stretol s jedným z vývojárov). Mnoho vývojárov (najmä komerčné systémy) písať svoj vlastný riadiaci systém, často v Jave.

Riadiaci program senzorového uzla pod kontrolou operačný systém TinyOs je napísaný v nesC.

Stojí za zmienku, že vzhľadom na vysoké náklady na vybavenie a zložitosť nastavenia senzorových sietí, rôzne systémy modelovanie, najmä systém TOSSIM, špeciálne navrhnutý na simuláciu prevádzky uzlov s TinyOs.

Záver

Senzorové siete sú v Rusku čoraz rozšírenejšie. Keď som na nich v roku 2003 začal pracovať, počet ľudí v Rusku, ktorí túto technológiu poznali, by sa dal spočítať na jednej ruke. V Rusku sa na tom podieľali známe laboratóriá Luxsoft Labs.

So senzorovými sieťami pracujem 6 rokov a môžem vám o týchto technológiách veľa povedať. Ak bude mať komunita Habra záujem a budem mať možnosť, tak rád napíšem sériu článkov na túto tému. Môžem sa dotknúť vecí ako: skutočná práca s platformou TmoteSky, vlastnosti programovania pre systém TinyOs v jazyku nesC, pôvodné výsledky výskumu získané v našom laboratóriu, dojmy z 1,5 mesiaca práce na Stanfordskej univerzite, v projekte o senzorových sieťach.

Ďakujem vám všetkým za pozornosť, rád odpoviem na vaše otázky.

Blíži sa deň, kedy budú stovky miliónov polovodičových senzorov integrované do všetkého možného, od kľúčenky až po detský kočík. A všetky z nich budú schopné nielen fungovať ako inteligentné senzory, ale aj vykonávať primárne spracovanie informácií a tiež vzájomne spolupracovať, čím sa vytvorí jedna bezdrôtová senzorová sieť. Okrem toho takéto senzory prakticky nespotrebúvajú elektrinu, pretože vstavané miniatúrne batérie vydržia niekoľko rokov, to znamená po celú dobu životnosti senzorov. Toto bude koncepčné nový typ počítačový systém fungujúci pomocou bezdrôtovej senzorovej siete. Takáto sieť sa zvyčajne nazýva Ad-hoc bezdrôtové senzorové siete. Pojem Ad-hoc je vypožičaný z moderných bezdrôtových sietí fungujúcich napríklad v štandarde IEEE 802.11b. Takéto bezdrôtové siete majú dva režimy interakcie: režim infraštruktúry a režim ad-hoc. V režime Infrastructure sieťové uzly neinteragujú medzi sebou priamo, ale prostredníctvom prístupového bodu (Access Point), ktorý funguje ako akýsi rozbočovač v bezdrôtovej sieti (podobne ako v tradičných káblových sieťach). V režime Ad-hoc, nazývanom aj Peer-to-Peer, stanice komunikujú priamo medzi sebou. Preto v bezdrôtových senzorových sieťach režim Ad-hoc znamená, že všetky senzory navzájom priamo interagujú a vytvárajú určitý druh celulárnej siete.

Bezdrôtové senzorové siete sú akýmsi krokom k prechodu do ďalšej éry – keď budú počítače priamo prepojené s fyzickým svetom a budú schopné odhadnúť túžby používateľov, ako aj rozhodovať za nich.
Snívajme trochu o tom, čo nám takéto senzorové siete prinesú v budúcnosti. Predstavte si, že postieľky počúvajú dýchanie bábätiek; náramky, ktoré monitorujú stav pacientov na klinike; detektory dymu, ktoré dokážu v prípade potreby hasičov nielen privolať, ale aj vopred informovať o ohnisku požiaru a stupni zložitosti požiaru. Elektronické zariadenia sa budú môcť navzájom rozpoznať, zdroje energie im pripomenú, že potrebujú „tankovať“.

Predstavte si státisíce senzorov zosieťovaných v lese. Stratiť sa v takomto lese bude jednoducho nemožné, pretože pohyb človeka bude zaznamenávať a analyzovať senzory. Ďalším príkladom sú senzory na poli, nakonfigurované tak, aby monitorovali stav pôdy a v závislosti od meniacich sa podmienok regulovali zálievku a množstvo aplikovaného hnojiva.
Nemenej užitočné budú senzorové siete na cestách. Vzájomnou komunikáciou budú môcť regulovať plynulosť dopravy. To je sen každého vodiča - cesty bez dopravných zápch! Takéto siete budú schopné zvládnuť túto úlohu oveľa efektívnejšie ako ktorékoľvek oddelenie. Problém s ovládaním
dopravné priestupky vyrieši sám.

Použitím senzorových sietí na riadenie napájania dosiahnete neuveriteľné úspory energie. Predstavte si takúto riadiacu sieť vo vašom byte. Sledovaním vašej polohy budú môcť senzory vypnúť svetlá za vami a zapnúť ich podľa potreby. Ak použijete takéto siete na ovládanie osvetlenia ulíc a ciest, problém nedostatku elektriny zmizne sám. Aby sa senzorové siete stali realitou zajtrajška, výskum v tomto smere prebieha už dnes. A lídrom v tejto oblasti je Intel Corporation, ktorá podporuje všetky pokročilé Počítačové technológie budúcnosti. Osobitná pozornosť, so zameraním na vývoj bezdrôtových viacuzlových senzorových sietí schopných samoautomatického vytvárania a konfigurácie podľa potreby. Implementácia tejto technológie umožní nasadiť sieť lacných, no zároveň veľmi zložitých polovodičových senzorových zariadení, ktoré budú schopné nezávisle nadviazať vzájomnú komunikáciu a informovať o určitých zmenách v prostredí. Napríklad snímač Mica je vybavený 128 kilobajtmi programovej flash pamäte, 256 kilobajtov flash pamäte na ukladanie dát a rádiovým vysielačom pracujúcim na frekvencii 900 MHz.
Niektoré z týchto zariadení používajú operačný systém
TinyOS, tento operačný systém je open source a pozostáva iba z
8,5 kB.

Takéto zariadenia nájdu uplatnenie v zásadne nových oblastiach, napríklad pri vývoji inteligentného oblečenia, spojených prikrývok, ktoré budú monitorovať zdravie novorodenca a hlásiť jeho životné funkcie, inteligentného farmárčenia, v ktorom polovodičové senzory inštalované v pôde budú riadiť zavlažovanie.
systém a hnojenie. Intel sa zaoberá výskumom senzorových sietí
slávne laboratórium Intel Berkeley Research nachádzajúce sa v Kalifornii. V súčasnosti existujúce experimentálne senzorové siete spĺňajú vyššie uvedené požiadavky len čiastočne. Dnešné siete teda pozostávajú len zo stoviek senzorov s obmedzenou oblasťou pokrytia a vykonávajú len jasne definované úlohy. Sú schopné prenášať len určitý typ informácií z jedného senzora do druhého a len v rámci danej šírky pásma. Nezanedbateľná je aj spotreba energie
- Nabitie batérie trvá len niekoľko dní. Existujúce dotykové senzory sú stále dosť inertné a vysoká spoľahlivosť a nenápadnosť v prevádzke (už len kvôli ich veľkosti) neprichádzajú do úvahy. A samozrejme, takéto senzory sú dosť drahé, takže sieť pozostávajúca zo stoviek senzorov nie je lacná. Ale to si musíme pamätať hovoríme o o experimentálnych sieťach a vývoji budúcich technológií. Zároveň experimentálne senzorové siete už prinášajú výhody. Jedna taká sieť senzorov, spolupráca medzi Intel Berkeley Research Laboratory, Atlantic Institute a University of California, funguje na Great Duck Island v Maine.

Účelom tejto siete je študovať mikrohabitaty rôznych biologických organizmov obývajúcich ostrov.
Akýkoľvek ľudský zásah (aj za účelom štúdia) je niekedy zbytočný,
Práve tu prichádzajú na pomoc senzorové siete, ktoré vám umožňujú zbierať všetky potrebné informácie bez priamej ľudskej účasti.

Senzorová sieť využíva dve dosky ako uzlové prvky. Prvá doska obsahuje snímač teploty, vlhkosti a barometrického tlaku a infračervený snímač. Druhá doska obsahuje mikroprocesor (frekvencia 4 MHz), 1 KB RAM, flash pamäť na ukladanie programov a dát, zdroj (dve AA batérie) a rádiový vysielač/
prijímač pracujúci na frekvencii 900 MHz. Senzory umožňujú zaznamenať všetky potrebné informácie a preniesť ich do databázy hostiteľského počítača. Všetky senzory najskôr prejdú dôkladným testovaním – doska so senzormi sa na dva dni ponorí do vody a sleduje sa jej funkčnosť. Všetky senzorové uzly tvoria jednu bezdrôtovú sieť a sú schopné vymieňať si informácie. V tomto prípade dochádza k prenosu informácií zo vzdialeného sieťového uzla do brány (Gateway Sensor) pozdĺž reťazca, to znamená z jedného sieťového uzla do druhého, čo vám umožňuje vytvoriť veľkú oblasť pokrytia.

Cez bránu sa informácie dostanú do hostiteľského počítača. Brána využíva smerovú anténu, ktorá umožňuje zväčšiť prenosovú vzdialenosť na 300 m. Z hlavného počítača sa informácie prenášajú cez satelitnú komunikáciu cez internet do výskumného centra, ktoré sa nachádza v Kalifornii.

Zamestnanci laboratória sa nemenej aktívne venujú práci na presnej biológii a tvorbe biočipov. Okrem zmyslového vnímania sveta pevných vecí sa skúma aj možnosť „ohmatávania“ tekutých médií a biologických, vyvíjajúcich sa predmetov. Takýto výskum otvára obrovské vyhliadky pre medicínsky a farmaceutický vývoj, chemické procesy a výrobu biologických liečiv. Keďže hlavným účelom senzorových sietí je vnímanie a prenos užitočných informácií, špecialisti Intel Berkeley Lab sú zaneprázdnení vývojom techniky na kombinovanie senzorov s objektmi, ktoré sú zodpovední za monitorovanie, a tiež skúmajú možnosť vytvorenia „aktuátorov“ – senzorov. -zariadenia, ktoré umožňujú ovplyvňovať situáciu a nie len registrovať jej stav. Senzorové siete sú samozrejme užitočné pre vojenské aplikácie; jedna možná variácia siete bola testovaná v boji v Afganistane, kde americká armáda nasadila niekoľko stoviek senzorov na sledovanie pohybu nepriateľskej vojenskej techniky. Avšak o implementácii
Je príliš skoro hovoriť o skutočných sieťach v našich životoch; sieť je zraniteľná z hľadiska odolnosti voči chybám. Útok DoS (Denial of Service) v senzorovej sieti je akákoľvek udalosť, ktorá znižuje alebo eliminuje schopnosť siete vykonávať zamýšľanú funkciu. Autori navrhujú založiť senzorové sieťové protokoly na viacvrstvovej architektúre, čo môže poškodiť efektivitu siete, ale zvýši jej spoľahlivosť. Diskutuje sa o typoch DoS útokov typických pre každú vrstvu a prijateľných obranných metódach. Takže dnes, napriek nedokonalostiam a stále pomerne úzkemu rozsahu použitia, nachádzajú senzorové siete uplatnenie vo vede a neskôr aj v živote.

Použité materiály zo stránok:

Metódy na zvýšenie životnosti WSN

Výpočet spotreby energie a životnosti uzlov WSN

Metóda riešenia problému plánovania pohybu odtoku

Štúdia možnosti vykonania experimentu v plnom rozsahu

Podobné dizertačné práce ako Celoživotné modelovanie dynamicky rekonfigurovateľných senzorových sietí s mobilným umývadlom

Všeobecné informácie

Železo

Softvér a prenos dát

Záver