Методы повышения качества мониторинга в сенсорных сетях : Методи підвищення якості моніторингу в сенсорних мережах

Короткий опис

Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет радиоэлектроники

На правах рукописи

Яхья Тарик Хуссейн

УДК 621.39

Методы повышения качества мониторинга в сенсорных сетях

Специальность: 05.12.02 –
Телекоммуникационные системы и сети

Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата наук

Научный руководитель
Доктор технических наук
профессор В.В. Поповский

Харьков – 2013

СОДЕРЖАНИЕ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ………………………………. 7
РАЗДЕЛ 1. Особенности построения и функционирования сенсорных
сетей………………………………………………………………………...
14
1.1. Состав сенсорных сетей и решаемые при этом задачи………………… 14
1.1.1. Структура и состав сенсорных сетей……………………………………. 15
1.1.2. Архитектура узлов сенсорных сетей…………………………………….. 17
1.1.3. Обзор алгоритмов доступа к радиоканалу………………………………. 20
1.1.4. Расписание работы СС на основе временной синхронизации
доступа………………………………………………………………………
21
1.1.5. Управление мощностью передатчика абонентского узла……………… 22
1.2. Технические платформы для реализации СС…………………………… 23
1.3. Сценарии использования сенсорных сетей……………………………... 24
1.3.1. Мониторинг окружающей среды………………………………………… 24
1.4. Виды иерархических структур сенсорных сетей……………………….. 25
1.4.1. Гибридная иерархическая структура (ГИС)…………………………….. 25
Выводы по разделу 1……………………………………………………… 28
РАЗДЕЛ 2. Анализ технологий, используемых в беспроводных
сенсорных системах……………………………………………………….
31
2.1. Анализ беспроводных технологий, используемых для построения
сенсорных сетей…………………………………………………………...
31
2.1.1. Особенность использования технологии ZigBee для построения
сенсорных систем………………………………………………………….
31
2.1.2. Особенность использования технологии Bluetooth для построения
сенсорных сетей………………………………………………………...…
36
2.1.3. Выбор топологии сенсорной сети……………………………………….. 39
2.2. Выбор протоколов МАС-уровня………………………………………… 40
2.2.1. Методика определения энергетических параметров в беспроводных
сенсорных сетях……………………………………………………………
41
2.2.2. Планируемые протоколы МАС уровня беспроводных сенсорних
сетей.................................................................................................................
42
2.2.3. Конкурентные протоколы………………………………………………... 46
2.3. Протоколы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях………... 48
2.3.1. Плоская маршрутизация …………………………………………………. 49
2.3.2. Лавинная и случайная маршрутизация ………………………………… 50
2.3.3. Обменная маршрутизация (Rumour routing) ……………………………. 51
2.3.4. Градиентная маршрутизация …………………………………………….. 52
2.3.5. Иерархическая маршрутизация …………………………………………. 53
2.4. Протоколы, основанные на обнаружении местонахождения………….. 54
2.4.1. Измерение расстояний……………………………………………………. 56
2.4.2. Результаты экспериментального исследования по измерению
мощности сигнала…………………………………………………………..
58
2.5. Методы маршрутизации с использованием путевой адресации ……… 60
3
2.6. Анализ методов временной синхронизации и локализации в
пространстве сенсорных узлов…………………………………………..
61
2.6.1 Процедуры измерения временных параметров…………………………. 61
2.6.2. Процедуры позиционирования сенсорных узлов………………………. 62
2.6.3. Оценка удаленности узла………………………………………………… 62
Выводы по разделу 2……………………………………………………… 64
РАЗДЕЛ 3. Разработка энергоэффективных технологий
электропитания сенсорных сетей при проектировании и установке
СС……………………………………………………………………………
68
3.1. Анализ методов обеспечения связности сенсорных сетей…………….. 68
3.2. Анализ алгоритма адаптивного контроля мощности топологии ……... 71
3.3. Анализ сценария использования энергетики на многоскачковых
линиях сенсорной связи……………………………………………………
73
3.4. Анализ соотношения сигнал/шум на многоскачковых линиях
сенсорных сетей…………..………………………………………………..
75
3.5. Анализ основных параметров, связанных с энергопотреблением……… 76
3.6. Выбор энергосберегающих дисциплин обслуживания в сенсорных
узлах…………………………………………………………………………
81
3.6.1. Методы самоорганизации в сенсорных системах…………………….… 81
3.6.2. Выбор дисциплины обслуживания сенсорных узлов…………………... 82
3.6.3. Выбор методов организации сенсорной сети…………………………… 84
3.6.4. Имитационная модель самоорганизации СС……………………………. 85
3.7. Выбор энергосберегающих технологий для главных и центральных
узлов сенсорных сетей………………………………..……………………
92
3.7.1. Последовательность процедуры доступа……………………….……….. 93
3.7.2. Оценка уровня энергоэффективности СС при случайном
множественном доступе…..………………………………………………..
94
3.8. Анализ вероятностных характеристик при комбинированном
многостанционном доступе ………………………………………………
97
3.8.1. Вероятностная модель комбинированного МД………………………… 98
3.8.2. Описание функции модели комбинированного МД…………………….. 100
Выводы по разделу 3………………………………………………………. 103
РАЗДЕЛ 4.Обработка результатов мониторинга многомерного
объекта……………………………………………………………………..
106
4.1. Особенность использования методов предварительной обработки
информации в сенсорных сетях……………………………………………
107
4.1.1. Особенность использования методов искусственного интеллекта в
сенсорных сетях…………………………………………………………….
107
4.1.2. Базовые логические операции в нечеткой логике………………………... 110
4.1.3. Использование правил нечеткого логического вывода…………………. 111
4.1.4. Пример практического использования нечеткого логического вывода в
сенсорных сетях…………………………………………………………….
112
4.2. Методы распознавания и классификации ситуаций в сенсорных
сетях…………………………………………………………………………
116
4
4.2.1. Задачи распознавания и классификации в сенсорных сетях……………. 117
4.2.2. Методы детерминистской классификации в сенсорных сетях………….. 119
4.2.3. Линейные разделяющие функции………………………………………… 121
4.3. Задача обнаружения сигналов с использованием непараметрических и
нейросетевых методов ……………………………………………………..
123
4.3.1. Постановка задачи непараметрических методов обнаружения сигналов……... 123
4.3.2. Нейросетевые алгоритмы ……………………………………………………… 124
4.3.3. Результаты параметрических обнаружителей……………………………. 127
4.3.4. Непараметрические знаковые методы обнаружения ……………………. 128
4.3.5. Обсуждение результатов………………………………………………………... 129
4.4. Организация и политика мониторинга в сенсорных сетях с
периодическими сбором информации…………………………………….
131
4.4.1. Методы организации мониторинга в СС………………………………… 131
4.4.2. Анализ качества мониторинга в различных сигнально/помеховых
условиях……………………………………………………………………..
133
Выводы по разделу 4………………………………………………………. 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….. 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………... 151

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АДК Алгоритм доступа к каналу
АРК Алгоритм разрешения конфликта
APTC Адаптивный контроль мощности топологии
БСС Беспроводная сенсорная сеть
ГИС Гибридная иерархическая структура
ГУ Головной узел
КГУ Кластерный головной узел
КДС Критический диапазон связности
КСЭ Класс сохранения энергии
ЛОР Локально-оптимальное решение
ЛП Лингвистической переменной
ЛПР Лицо, принимающее решение
МД Множественный доступ
ОСПШ Отношение сигнал/помеха+шум
ПД Передача данных
Пер Перестановка
ПО Программное обеспечение
ППРЧ Псевдослучайная перестройка рабочей частоты
Пр Прием
ПС Переход в сон
ПСИ Периодический сбор информации
РЭС Радиоэлектронная сеть
Сб Сбор
СГУ Сенсорный головной узел
СД Сенсорный датчик
СМД Случайный множественный доступ
СОУ Сенсорный оконечный узел
СС Сенсорные сети
СУ Сенсорный узел
СЦУ Сенсорный центральный узел
ТКС Телекоммуникационные сети
УДС Удаленный доступ к среде
УС Управление событиями
ФП Функция принадлежности
ШПС Широкополосные, помехозащищенные сигналы
ЭМС Электромагнитная совместимость
ACL Asynchronous connection-less link
AODV Ad Hoc On Demand Distance Vector
ВЕВ Binary Exponential Backoff
ВІ Beacon Interval
CAP Contention Access Period
CDMA Code Division Multiple Access
6
CFP Contention Free Period
CRLB Cramér-Rao lower bound
CSMA Carrier Sense Multiple Access
CSMA Carrier Sense Multiple Access
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance
CTR Critical transmission range
DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunication
DSR Dynamical Sourse Routing
FDMA Frequency Division Multiple Access
FEC Forward Error Correction
FFD Full-function device
FIFO First In, First Out
GBR Gradient-based routing
GPRS General Packet Radio Service
GPS Global positioning system
GTS Guaranteed Time Slot
ISO International Organization for Standardization
МАС Medium Access Control
OSI Open Systems Interconnection
PAN Personal Area Network
RAN Radio Access Network
RF Radio Frequency
RFD Reduced-function device
RSS Received Signal Strength
RSSI Received Signal Strength Indicator
SCO Synchronous connection-oriented link
SD Superframe Duration
SNR Signal-to-Noise Ratio
TDD Time Division Duplex
TDMA Time Division Multiple Access
ТОА Time of Arrival
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
WAF Wall Attenuation Factor
WHN Wireless Hybrid Network
WLAN Wireless Local Area Network
WPAN Wireless personal area network
WSAN Wireless Sensor and Actuator Network
WSN Wireless Sensor Network
WМAN Wireless Metropolitan Network

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В результате бурного развития
инфокоммуникационных (ИКС) или телекоммуникационных (ТКС) систем
возникла необходимость определений их специализации по роли в общей
системе (сети доступа, транспортные сети), по виду среды, в которой
распространяются информационные сигналы (проводные, беспроводные,
оптоволоконные сети), по 7-и уровням модели открытых систем ITU, по
специфике построения и функционировании при обслуживании тех или иных
объектов (сети общего пользования, локальные, кампусные, ведомственные
сети, сети медицины катастроф, мониторинговые сети и др.). При этом
последние носят название еще и сенсорные, что подчеркивает наличие в этих
сетях датчиков, чувствительных к изменению состояний наблюдаемых
объектов, элементов, процессов и др., а также наличия определенного уровня
первичной обработки результатов мониторинга, обнаружения тех или иных
особенностей сигналов, отображения события.
Для мониторинга и принятия решений в сенсорных сетях (СС)
используются квалифицированные специалисты, лица, принимающие
решения (ЛПР) или применяют автоматические процедуры, позволяющие
осуществлять наблюдение различных событий, объектов или процессов, к
числу которых могут относиться природные явления, где происходит
отслеживание состояния экологии; для обеспечения научных наблюдений,
где с помощью СС можно круглосуточно или на протяжении длительного
времени осуществлять контроль над подопытными объектами или
испытываемыми приборами и изделиями. Важную роль СС играют также в
социальной среде, где осуществляется соответствующий надзор за порядком
на дорогах, в метро, в охраняемых зонах, на стадионах и др. Не исключением
является и сами телекоммуникационные системы, где с помощью
специальных протоколов (SNMP, RMON и др.) осуществляется
8
самотестирование, наблюдение и контроль за режимами и состоянием
элементов, участков сетей, трафиком и др.
CC отличаются от обычных ТКС как по структуре, так и по функции.
Их структура может оказаться достаточно простой, построенной по типу
звезды, линии, кольца и др. Так, система мониторинга в интеллектуальном
доме, где в каждой квартире производится мониторинг режимов и состояний
предметов обихода и обслуживания, построена как правило по типу звезды.
В тоже время СС такого дома уже сложную носит иерархическую структуру,
обеспечивающую сбор информации с каждой квартиры с промежуточным
узлом доступа, формирующим трафик от дома. Очевидно в квартирах
устанавливаются оконечные узлы, образующие сеть оконечных узлов (СОУ)
на доме главные узлы, образующие сеть главных узлов (СГУ),
обеспечивающие в свою очередь обмен информацией с главным узлом,
образующих последующую сеть центральных узлов (СЦУ).
Другим примером СС может служить СС охранной сигнализации,
обеспечивающей мониторинг целостности охраняемого контура, помещений
граждан и организаций, а также соответствующее реагирование на предмет
несанкционированного проникновения в защищаемую зону. Структура такой
сети также имеет вид звезды, при этом особое внимание уделяется
надежности передачи сигналов тревоги и целостности линий связи.
Еще более разнообразной является сама функция СС. В зависимости от
задач мониторинг может осуществляется непрерывно, периодически, по
расписанию или по соответствующим командам. Нагрузка на линиях связи
СС также отличается большим разнообразием: от формирования постоянного
информационного потока до редких, коротких сигналов или пакетов. Сами
информационные сигналы могут быть аналоговыми или цифровыми и
переносить данные, изображение, речь и др. В отличие от традиционных
ТКС, где за счет методов маршрутизации добиваются максимальной
величины трафика, в СС эта задача обычно не стоит. Не является важным и
9
порядок узлов, участвующих в процессе маршрутизации. Важным является
само содержание передаваемой информации.
Учитывая то, что СС часто функционируют на территории, не
оборудованной сетью электропитания, особое значение имеет экономия
электропитания как самих датчиков, так и соответствующих узлов,
осуществляемая как правило автономно. Это накладывает ограничение на
продолжительность работы СС, на вид передаваемых сигналов, на стратегию
взаимосвязи, процедуры самоорганизации и самовосстановления и др.
Многие из перечисленных задач решены лишь в концептуальном
плане. Попытка реализации их на базе существующих проводных,
оптоволоконных или беспроводных систем оказывается не столь прозрачной,
особенно с учетом ограничений накладываемых самими объектами
мониторинга. Так, часто в существующих ТКС от протоколов управления
SNMP, RMON и др. операторы сознательно отказываются, учитывая
большую для них потребность трафика. Кроме того данные протоколы
обеспечивают доставку мониторинговой информации, которая далее
используется лицами, принимающими решения (ЛПР) для соответствующего
реагирования. Автоматические или эффективные автоматизированные
решения по управлению массовыми сетями к сожалению пока не
предусмотрены. Другая специфика СС, используемая для охранных систем,
связана с оригинальным использованием режимов каналов связи, где
информацией является не наличие тех или иных сигналов, а их пропадание.
Часто возникает потребность не только в передаче сигналов мониторинга от
объекта до центрального узла, но и одновременная обработка в самом
сенсорном узле или в других узлах, что не присуще ТКС. К задачам СС часто
относят выполнение дополнительных функций по управлению структурой
или режимами наблюдаемого объекта, что обычно требует использования
адаптивных процедур.
Данная диссертационная работа, тема которой посвящена
исследованию структурных и функциональных характеристик моделей СС,
10
методам реализации наиболее важных решений, влияющих на их
эффективность при типовых ограничениях на наш взгляд является
актуальной, направленной на повышение качественных показателей при
предоставлении услуг мониторинга.
Проблеме построения сенсорных сетей посвящена обширная
литература, в основном российских и зарубежных авторов [12-15, 26, 27, 31-
37, 38-115 и др.] в том числе работы автора [16-23, 132-137].
Связь работы с научными программами, планами, темами.
Диссертационная работа выполнена согласно требованиям положений
«Основных принципов развития информационного общества в Украине на
2007-2015 года», «Концепции конвергенции телефонных сетей и сетей с
пакетной коммутацией в Украине», «Концепции национальной
информационной политики» и «Концепции Национальной программы
информатизации». Результаты работы реализованы при выполнении научно-
исследовательской работы № 261-1 «Методы повышения продуктивности
беспроводных сетей следующего поколения» (№ ДР 0111U002627), где автор
выступил соисполнителем. По материалам диссертации разработано 2
лабораторные работы и 2 лекции по дисциплине «Сенсорные системы»,
читаемой кафедрой ТКС ХНУРЭ. Внедрение результатов диссертационной
работы подтверждено соответствующими актами.
Целью диссертационной работы является проведение классификации
СС по возможным способам их применения, разработка методов построения
и функционирования этих сетей, обеспечивающих более качественное
решение задач мониторинга. Для достижения поставленной цели в
диссертации решались следующие задачи:
1. Провести анализ структурных моделей и особенностей построения
СС с учетом существующих технологических платформ и технологий,
используемых в беспроводных СС.
11
2. На основании имеющихся в СС стратегий функционирования,
выбрать более рациональные для типовых ситуаций, характерных для СС.
Обосновывать и проанализировать выбранные варианты.
3. Разработать математическую модель СС с возможностью
самоорганизации, выбрать рациональные энергосберегающие технологии,
провести анализ вероятностно-временных характеристик выбранной модели.
4. Произвести анализ подходящих для различных ситуаций IP-
протоколов маршрутизации. Разработать предложения по их использованию
в СС.
5. Обосновать выбор методов случайного множественного доступа
применительно к СС, произвести их анализ и дать рекомендации по их
использованию.
6. Учитывая автономность СС, дать рекомендации по
энергосберегающим технологиям и проанализировать варианты обработки
сигналов мониторинга, включая процедуры обнаружения, различения,
классификации, идентификации событий. Рассмотреть возможность
функционирования указанных процедур в условиях априорной
неопределенности.
7. Проанализировать возможность работы СС в нелицензируемых
диапазонах волн. Оценить эффективность работы сети в условиях
сосредоточенных помех.
8. Дать рекомендации по порядку просмотра ситуаций в n -мерной
сенсорной сети. Определить рациональную политику мониторинга.
Объект исследований: Процессы мониторинга в сенсорных сетях.
Предмет исследований: Методы повышения качества мониторинга в
сенсорных сетях с использованием современной технологической базы
телекоммуникационных систем.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были
использованы методы системного анализа, методы теории вероятностей,
математической статистики, теории случайных процессов, теории связи,
12
теории массового обслуживания, статистические методы принятия решений,
теория нечетких множеств, методы нейронных сетей, методы натурного и
машинного эксперимента, распространения радиоволн.
Научная новизна полученных результатов:
1. Усовершенствованы планируемые протоколы МАС-уровня,
обеспечивающие более энергосберегающие технологии электропитания при
заданных вероятностях покрытия зоны мониторинга.
2. Усовершенствованы конкурентные протоколы МАС-уровня,
модернизирована дисциплина обслуживания сенсорных узлов за счет
самоорганизации при оптимизации энергопотребления.
3. Получили дальнейшее развитие методы энергосбережения при
решении задач маршрутизации, новизна которого состоит в обосновании
рационального выбора протоколов маршрутизации, включительно с
обнаружением местонахождения узлов.
4. С использованием методов искусственного интеллекта,
параметрических и непараметрических методов обнаружения получили
дальнейшее развитие методы обработки сигналов мониторинга. В результате
анализа коэффициента достоверности даются рекомендации по
использованию последовательных и параллельных методов просмотра
ситуаций.
Практическая ценность диссертации состоит в представлении научно
обоснованных рекомендаций по выбору структурных и функциональных
характеристик сенсорных сетей. В частотности рекомендовано ряд структур
для реализации стратегий управления событиями и периодического сбора
информации, для реализации технологических платформ на основе RFD и
FFD узлов, обоснован выбор гибридно-иерархической структуры, методов
маршрутизации, случайного множественного доступа. Предложены новые
алгоритмы самоорганизации, энергосбережения, принятия решений в
условиях неопределенности, обеспечения высокого уровня достоверности
13
результатов мониторинга в условиях высокой загрузки в нелицензированных
диапазонах волн.
Апробация работы. Основные результаты роботы докладывались и
обсуждались на ряде Международных всеукраинских и ведомственных
конференциях и симпозиумах: Международная конференция CADSM-2013
(Polana-Svalyva), TCSET-2012, Lviv, МРФ-2011, Харьков, на ежегодных
молодежных форумах, проходивших в ХНУРЭ, на заседаниях кафедры ТКС.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12
печатных работ, включая 8 статей в журналах из списка ВАК. Результаты
работы представлены в учебном пособии «Методы научных исследований в
телекоммуникациях» раздел 10.8, СМИТ, 2012 Харьков, 2 том.
Личный вклад автора. В работах [16, 17] автору принадлежит
разработка математической модели и произведенные расчеты для анализа
предложенных решений; в работах [18, 134, 135, 136] автору принадлежит
постановка задачи, расчетная часть и разработка имитационного
эксперимента; в работах [133] автор участвовал в разработке математической
модели и провел анализ предложенных решений; в работах [19, 137] автору
принадлежит постановка задачи и разработка математической модели; в
работе [20-21] автор участвовал в разработке математической модели и
разработке рекурсивного алгоритма оценки; в работах [22-23] автору
принадлежит постановка задачи и сама идея выбора метода случайного
множественного доступа, а также задача анализа.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 4-х глав,
заключения, списка используемых источников.

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сенсорные сети (SAN) находят широкую применимость в современной
жизни. Они позволяют организовывать оперативный мониторинг различных
процессов и объектов в автоматическом режиме или с использованием
квалифицированных экспертов – лиц, принимающих решения (ЛПР).
Наиболее конструктивным решением для СС является их построение на
основе беспроводной технологии WSAN, что обеспечивает их большую
универсальность, сокращение времени на развертывание и свертывание,
необходимую устойчивость в критических условиях.
Большое многообразие ситуаций и сопровождающих их событий не
позволяет обойтись каким-либо одним режимом или методом построения
СС. Так, в зависимости от значимости событий, оказываются различными
риски, сопровождающие ошибки пропуска цели и ложной тревоги. Сами
события могут оказаться частыми или достаточно редкими, сигнально-
помеховая обстановка, размерность СС (число узлов), время
функционирования могут изменяться в больших пределах.
Проведенный в данной диссертации анализ существующих технологий,
позволил провести классификацию сенсорных сетей по возможным способам
их применения и сформулировать рекомендации, направленные на более
качественное решение задач мониторинга. В результате проведенных
диссертационных исследований можно сформулировать следующие выводы.
1. Отличительной особенностью применения сенсорных сетей по
сравнению с классическими телекоммуникационными сетями является то,
что они функционируют большей частью в автономном режиме. При этом
кроме передачи информации с требуемым качеством, здесь необходимо
заботиться об энергосбережении, осуществлять предварительную, а часто и
полную обработку самой информации: обнаружение сигналов, оповещающих
о событиях, их распознавание, классификацию и идентификацию, принятие
решений для того или иного реагирования на события, предусматривать
145
возможность использования процедур самоорганизации и адаптации. Все эти
задачи затрудняют или просто исключают возможность использования
классических, применяемых в телекоммуникациях сетях методов
маршрутизации и других характерных процедур.
2. Развитие новых технологий вызвало у исследователей большой
интерес к концепции беспроводных гибридных сетей (WHN), где отдельные
сетевые парадигмы (децентрализованные или инфраструктурные сети и др.)
объединяются и соответственно взаимодействуют в единой системе.
Принятая Европейской комиссией в пределах Шестой рамочной программы в
проекте CRUISE в качестве эталлоной модель гибридной иерархической
структуры (ГИС) имеет деления на четыре иерархические уровня, что
является базой для подальшей стандартизации беспроводных СС (WSAN).
Основные черты ГИС: гибридность, когда радиоинтерфейсы и устройства
используют различные парадигмы связи (mesh, flat и др.); гетерогенность,
когда различные устройства используются для разных интерфейсов между
различными уровнями (например, между 0 и 1 уровнями - UMTS, между 1 и
2 – ZigBee).
3. Показано, что функция в сенсорных сетях выбирается на основании
двух стратегий: на основании управления событиями (УС) и на
периодическом сборе информации (ПСИ). Из анализа стратегий следует, что
УС применима при редкой интенсивности событий, в то время как ПСИ
рациональнее использовать при интенсивном потоке событий. Проведен
анализ вероятностно-временных характеристик, в стратегиях ПСИ. При этом
получили дальнейшее развитие новые технологические решения и
рекомендации по повышению показателей качества СС в рамках этих
стратегий.
4. С использованием доступной литературы проведен обширный
анализ основных технологических платформ и технологий, используемых в
беспроводных сенсорных сетях, построенных на базе IEEE 802.15.4, ZigBee,
Bluetooth и др., в частности определены функции оконечных узлов RFD и
146
полнофункциональных FFD узлов в типовых звездных и пиринговых
топологиях. При этом необходимые для обеспечения системности
управления физической и логической топологиями целесообразно
осуществлять, оставаясь в рамках модели гибридной иерархической
структуры (ГИС).
5. Проведен выбор, обоснование и анализ протоколов МАС-уровня, где
в качестве основный решается проблема энергосбережения и использования
энергетических параметров для формирования требуемого отношения
сигнал/шум, определение головного и поиска соседних сенсорных узлов.
Дается обоснование положительных свойств и недостатков планируемых и
конкурентных протоколов. Даются рекомендации по использованию этих
протоколов.
6. Показано, что широко используемые IP-протоколы маршрутизации
для СС имеют ограниченную применяемость из-за наличия большого числа
узлов и сенсорных датчиков, а также из-за того, что здесь оказываются более
важными сами передаваемые данные, а не информация о конкретных
источниках. Проанализировано большое число разнообразных протоколов и
методов маршрутизации, уместных для использования в СС: методы
плоской, лавинной, случайной, обменной, иерархической, градиентной и
других маршрутизаций, а также маршрутизации на основе местоположения
сенсорных узлов. Проанализирована также и показана рациональность
использования метода маршрутизации с использованием путевой адресации,
основанной на рассылке служебных пакетов и получении пакетов
подтверждения, что не требует использования маршрутных таблиц. В данном
методе используется модель распространения волнового фронта в нейронных
сетях. По всем данным типам маршрутизации даются конкретные
рекомендации по их использованию в зависимости от решаемых задач и
условий функционирования.
7. Принятая в СС асимптотическая методика энергетического расчета,
основанная на определении уровня сигнала на расстоянии 1 м от передатчика
147
позволяет достаточно точно и просто определять энергетику в линиях СС и
удаленность до соседних узлов. Данная технология оценки расстояния
(RSSL) используется при решении задач маршрутизации, при выборе
главных узлов, в процедурах энергосбережения. В проведенных
экспериментальных исследованиях уровней сигналов в помещениях
отмечено некоторое отличие (увеличение) показателя затухания от
квадратичной.
8. Практически все вопросы, касающиеся сенсорных сетей, в той или
иной мере связаны со сбережением энергетики на узлах. Более того, к
сбережению энергетики следует подходить не только с позиции узлов, но,
что более важно, с позиции энергопотенциала всей сенсорной сети. С этой
целью используется адаптивный алгоритм контроля мощности топологии.
Проведен анализ процесса энергопотребления в СС в различных периодах ее
функционирования: перехода в сон и обратно, сбора и обработки
информации, приема и передачи пакета. Рассмотрение последовательности
энергопотребления различными узлами сети показало, что наиболее
энергозатратным является головной узел. Для выполнения парадигмы
энергосбережения потенциала всей сети предлагается циклическая замена
главных узлов. Расчеты показали, что к завершению периода времени жизни
сети вышедшими из строя (потерявшими энергопотенциал) оказываются 75%
сенсорных узлов. Проведен анализ устойчивости сенсорной сети
(вероятности потери связи) в зависимости от энергетического потенциала
сенсорной сети для n -скачковой линии для получения заданной вероятности
потери связи.
9. Разработана имитационная модель самоорганизации сенсорной сети
с учетом особенностей дисциплины обслуживания узлов сети. Разработана
методика анализа структуры и функции СС суть которой в следующем.
Модель случайного расположения узлов в 3-мерном ограниченном
пространстве получена методом Монте-Карло. В предположении гауссового
распределения сенсорных узлов в модели осуществляется расчет
148
энергетического потенциала каждого из узлов и рассчитывается остаточное
количество этого потенциала. Предельные дальности связи для узлов с
учетом энергопотерь (критический диапазон передачи - CTR) определяются с
использованием меры Махаланобиса. Исходя из комплексных показателей
осуществляется выбор головного узла в кластере по критерию максимальной
связности. Предлагаемая имитационная модель проанализировать ту или
иную структуру СС и позволяет получить конфигурацию топологии в
динамике расходования энергетики, производить расчеты вероятностно-
временных характеристик.
10. Важным параметром надежности любой структуры является ее
связность. В предположении пуассоновского распределения узлов
представлена разработанная в работе методика анализа среднего процента
изолированных узлов в зависимости от значений критичного диапазона
передачи CTR для различной концентрации этих узлов. С использованием
данной методики и по данным проведенного анализа можно выбрать
необходимую плотность узлов для мониторинга с требуемой вероятностью.
11. Синтезирована модель энергопотребления, затрачиваемая при
доступе к сенсорной сети при использовании метода двойного
экспоненциального отката. Проанализирована сеть в состояниях
прослушивания и ожидания. Детально проанализирован полный цикл
регенерации. Из рассмотрения зависимости энергоэффективности от
интенсивности входного потока и размеров максимального периода
ожидания следует, что обе зависимости монотонно возрастают. Однако
влияние размера конечного периода ожидания возрастает только в области
начальных значений. Из графиков также следует, что выбор переменного
периода ожидания не обеспечивает более высокого уровня
энергоэффективности и его использование при пуассоновском входном
потоке нецелесообразно. Произведен анализ модели комбинированного
множественного доступа. В модели рассмотрен как алгоритм доступа к
каналу (АДК), так и АРК – алгоритм разрешения конфликта. Рассмотрение
149
коэффициента использования показывает снижения его с увеличением числа
узлов. Анализ времени задержки показал механизм ВЕВ с увеличением
нагрузки теряет свою эффективность и в дальнейшем метод поллинга имеет
приоритет. В таком случае следует или наращивать производительность при
двойном экспоненциальном откате или переходить к поллингу.
12. В связи с автономностью функционирования сенсорных сетей в
качестве обязательной составляющей имеет место обработка сигналов
мониторинга. При обработке информационных сигналов мониторинга часто
приходится решать сложные логические задачи в условиях априорной
неопределенности, что требует привлечения высококвалифицированных ЛПР
или методов принятия интеллектуальных решений. Показана необходимость
и возможность принятия решений в условиях априорной неопределенности,
использования методов искусственного интеллекта, позволяющих выполнять
логические операции и, на основании предикатных сигналов, строить
соответствующие конструкции логических алгоритмов. Приведена методика
использования логических операторов, правил нечеткого логического вывода
и лингвистических переменных.
13. Интеллектуально наиболее емкими процедурами при обработке
сигналов мониторинга являются задачи обнаружения, распознавания,
классификации и идентификации событий. Рассматриваются наиболее
популярные на практике алгоритмы, основанные на параметрических и
непараметрических методах. Проведен анализ параметрических методов
обнаружения, из которого следует, что получаемое при этом количество
информации связано как с количеством циклов мониторинга, так и с
интенсивностью потока событий. Для пуассовского потока событий даются
численные результаты по числу рекомендованных циклов.
14. Представленные примеры решения задач обнаружения с
использованием непараметрических и нейросетевых методов основаны на
рассмотрении сетей Кохонена, Хэмминга и РБФ-сети. В качестве
обнаружителей предложено использовать порядковые статистики, в
150
частности знаковые и ранговые процедуры. Анализ характеристик
зависимости вероятностей правильного обнаружения показали, что карты
Кохонена не обеспечивают значений вероятности выше 0,75. Алгоритмы
Хэмминга и РБФ-сети обладают более высокими показателями качества по
сравнению с параметрическими обнаружителями.
15. Проанализированы различные методы организации мониторинга в
СС. При использовании стратегии периодического сбора информации (ПСИ)
формализован процесс организации мониторинга с параллельным и
последовательным просмотром многомерных состояний объекта в условиях
наличия белых и окрашенных, сосредоточенных о спектру помех,
характерных для нелицизируемых диапазонов. Разработанная методика
анализа качества мониторинга основывается на рассмотрении
коэффициентов достоверности д K . Показано, что в условиях достаточно
низких соотношений уровней ОСПШ = сигнал (помеха+шум) и
чувствительности приемника, составляющих 0,3 2  O h , получить высокий
уровень д K и высокую вероятность обнаружения не удается. Увеличение 2
O h
до значений 1 приводит к резкому улучшению д K .
16. Проанализированы временные затраты для реализации различной
политики мониторинга. Показано, что интеллектуально емкие процедуры
принятия решений по каждому из событий при их параллельной реализации
связано с большой затратой сил и средств, независимо от того, что будет
привлекаться для решения: группа ЛПР или множество сложных автоматов.
Поэтому на практике приходится использовать последовательную
процедуру. При очевидном выигрыше в значениях потерь времени при
параллельном методе просмотра объекта оказалось, что использование при
этом последовательного метода классификации и идентификации не
приводит к резкому уменьшению временных затрат, поэтому их
использовать не рационально. Таким образом, в качестве основного метода
следует выбирать последовательный метод обзора.