Мобильная беспроводная сенсорная сеть - Википедия - Mobile wireless sensor network

А мобильная беспроводная сенсорная сеть (MWSN)[1] можно просто определить как беспроводная сенсорная сеть (WSN), в котором сенсорные узлы мобильны. MWSN - это небольшая развивающаяся область исследований, в отличие от своих устоявшихся предшественников. Сети MWSN намного более универсальны, чем сети статических датчиков, поскольку их можно развернуть в любом сценарии и справляться с быстрыми топология изменения. Однако многие из их приложений похожи, например, мониторинг окружающей среды или наблюдение. Обычно узлы состоят из радио трансивер и микроконтроллер питание от аккумулятор, а также какой-то датчик для обнаружения свет, высокая температура, влажность, температура, так далее.

Вызовы

Вообще говоря, у MWSN есть два набора проблем; Аппаратное обеспечение и окружающая среда. Основными аппаратными ограничениями являются ограниченный заряд батареи и низкая стоимость. Ограниченная мощность означает, что для узлов важно быть энергоэффективными. Ценовые ограничения часто требуют алгоритмов низкой сложности для более простых микроконтроллеров и использования только симплекс Основными факторами окружающей среды являются общая среда и различная топология. Совместно используемая среда требует, чтобы доступ к каналу каким-то образом регулировался. Часто это делается с помощью средний контроль доступа (MAC) схема, например множественный доступ с контролем оператора (CSMA), множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) или Кодовым разделением множественного доступа (CDMA). Различная топология сети происходит из-за мобильности узлов, что означает, что многопозиционные пути от датчиков к приемнику нестабильны.

Стандарты

В настоящее время не существует стандарта для MWSN, поэтому часто протоколы из MANET заимствуются, например Маршрутизация на основе ассоциативности (AR), Специальная дистанционная векторная маршрутизация по запросу (AODV), Динамическая маршрутизация источника (DSR) и жадная маршрутизация без сохранения состояния по периметру (GPSR).[2] Протоколы MANET предпочтительнее, поскольку они могут работать в мобильных средах, тогда как протоколы WSN часто не подходят.

Топология

Выбор топологии играет важную роль в маршрутизации, поскольку топология сети определяет путь передачи пакетов данных для достижения надлежащего пункта назначения. Здесь все топологии (плоская / неструктурированная, кластерная, древовидная, цепная и гибридная) не подходят для надежной передачи данных при мобильности сенсорных узлов. Вместо единой топологии жизненно важную роль в сборе данных играет гибридная топология, и производительность здесь хорошая. Схемы управления гибридной топологией включают кластерно-независимое дерево сбора данных (CIDT ).[3] и дерево кластеров Velocity Energy-эффективных и Link-Aware (ВЕЛКТ );[4] оба были предложены для мобильных беспроводных сенсорных сетей (MWSN).

Маршрутизация

Поскольку в этих сетях нет фиксированной топологии, одной из самых серьезных проблем является маршрутизация данных от источника к месту назначения. Обычно эти протоколы маршрутизации основаны на двух областях; WSN и мобильные специальные сети (МАНЕЦ). Протоколы маршрутизации WSN обеспечивают необходимую функциональность, но не могут справиться с высокой частотой изменений топологии. В то время как протоколы маршрутизации MANET могут иметь дело с мобильностью в сети, но они предназначены для двусторонней связи, которая в сенсорных сетях часто не требуется.[5]

Протоколы, разработанные специально для сетей MWSN, почти всегда представляют собой многопозиционные, а иногда и адаптации существующих протоколов. Например, динамическая маршрутизация от источника на основе углов (ADSR),[6] является адаптацией протокола беспроводной ячеистой сети Динамическая маршрутизация источника (DSR) для MWSN. ADSR использует информацию о местоположении для определения угла между узлом, который намеревается передать, потенциальными узлами пересылки и приемником. Затем это используется, чтобы гарантировать, что пакеты всегда пересылаются в приемник. Также, Иерархия адаптивной кластеризации с низким энергопотреблением (LEACH) протокол для WSN был адаптирован для LEACH-M (LEACH-Mobile),[7] для MWSN. Основная проблема с иерархическими протоколами заключается в том, что мобильные узлы склонны к частому переключению между кластерами, что может вызвать большие накладные расходы из-за того, что узлы должны регулярно повторно связываться с разными головками кластера.

Другой популярный метод маршрутизации - использование информации о местоположении от GPS модуль, прикрепленный к узлам. Это можно увидеть в таких протоколах, как Zone Based Routing (ZBR),[8] который определяет кластеры географически и использует информацию о местоположении для обновления узлов в соответствии с кластером, в котором они находятся. Для сравнения, географически возможная маршрутизация (GOR),[9] представляет собой плоский протокол, который делит сетевую область на сетки и затем использует информацию о местоположении для удобной пересылки данных как можно дальше в каждом переходе.

Протоколы с несколькими путями обеспечивают надежный механизм маршрутизации и поэтому кажутся многообещающим направлением для протоколов маршрутизации MWSN. Одним из таких протоколов является протокол Data Centric Braided Multipath (DCBM) на основе запросов.[10]

Кроме того, Robust Ad-hoc Sensor Routing (RASeR)[11] и маршрутизация датчиков с учетом местоположения (LASeR)[12] - это два протокола, разработанные специально для высокоскоростных приложений MWSN, например, для БПЛА. Оба они используют многопутевую маршрутизацию, которая обеспечивается методом «слепой пересылки». Слепая пересылка просто позволяет передающему узлу транслировать пакет своим соседям, и тогда принимающие узлы должны решить, следует ли им пересылать пакет или отбрасывать его. Решение о том, пересылать пакет или нет, принимается с использованием метрики градиента в масштабе всей сети, так что значения передающего и принимающего узлов сравниваются, чтобы определить, какой из них находится ближе к приемнику. Ключевое различие между RASeR и LASeR заключается в том, как они поддерживают свои метрики градиента; RASeR использует обычную передачу небольших пакетов маяка, в которых узлы транслируют свой текущий градиент. Принимая во внимание, что LASeR полагается на использование информации о географическом местоположении, которая уже присутствует на мобильном сенсорном узле, что, вероятно, имеет место во многих приложениях.

Средний контроль доступа

Существует три типа методов управления доступом к среде (MAC): на основе деление времени, деление частоты и кодовое деление. Из-за относительной простоты реализации, наиболее распространенный выбор MAC основан на временном разделении, тесно связанный с популярными CSMA / CA MAC. Подавляющее большинство протоколов MAC, которые были разработаны с MWSN в виду, адаптированы из существующих WSN MAC и ориентированы на низкое энергопотребление, схемы с рабочим циклом.

Проверка

Протоколы, разработанные для сетей MWSN, обычно проходят валидацию с использованием результатов анализа, моделирования или экспериментов. Подробные аналитические результаты носят математический характер и могут дать хорошее приближение к поведению протокола. Моделирование можно проводить с помощью такого программного обеспечения, как OPNET, NetSim и нс2 и является наиболее распространенным методом проверки. Моделирование может обеспечить близкое приближение к реальному поведению протокола при различных сценариях. Физические эксперименты - самые дорогие в исполнении, и, в отличие от двух других методов, не нужно делать никаких предположений. Это делает их наиболее надежной формой информации при определении того, как протокол будет работать в определенных условиях.

Приложения

Преимущество мобильности датчиков увеличивает количество приложений помимо тех, для которых используются статические WSN. Датчики могут быть прикреплены к ряду платформ:

  • Люди
  • Животные
  • Автономные автомобили
  • Беспилотные автомобили
  • Пилотируемые автомобили

Чтобы охарактеризовать требования приложения, его можно разделить на постоянный мониторинг, мониторинг событий, постоянное отображение или отображение событий.[1] Приложения с постоянным типом основаны на времени, и поэтому данные генерируются периодически, тогда как приложения с типом событий являются движущими силами событий, и поэтому данные генерируются только при возникновении события. Приложения мониторинга работают постоянно в течение определенного периода времени, тогда как приложения для картографии обычно развертываются один раз для оценки текущего состояния явления. Примеры приложений включают мониторинг состояния здоровья, который может включать частоту сердечных сокращений, артериальное давление и т. Д.[13] Это может быть постоянным, если пациент находится в больнице, или событием в случае носимого датчика, который автоматически сообщает о вашем местоположении бригаде скорой помощи в случае возникновения чрезвычайной ситуации. К животным могут быть прикреплены датчики для отслеживания их перемещений в целях выявления моделей миграции, привычек питания или других исследовательских целей.[14] Датчики также могут быть прикреплены к беспилотные летательные аппараты (БПЛА) для наблюдения или картирования окружающей среды.[15] В случае автономного поиска и спасания с помощью БПЛА это будет считаться приложением для картирования событий, поскольку БПЛА используются для поиска местности, но передают данные только тогда, когда человек был найден.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б T. Hayes и F.H. Ali. 2016 г. «Мобильные беспроводные сенсорные сети: приложения и протоколы маршрутизации». Справочник по исследованиям систем мобильной связи следующего поколения. IGI Global. ISBN  9781466687325. стр.256-292.
  2. ^ Б. Карп и Х. Т. Кунг. 2000. GPSR: жадная маршрутизация по периметру без сохранения состояния для беспроводных сетей. В материалах 6-й ежегодной международной конференции по мобильным вычислениям и сетям (MobiCom '00). С. 243-254.
  3. ^ Р. Велмани, Б. Картик, 2014. Энергоэффективный сбор данных в плотных мобильных беспроводных сенсорных сетях, ”ISRN Sensor Networks, Vol. 2014 г., идентификатор статьи 518268, 10 стр. DOI: 10.1155 / 2014/518268.
  4. ^ Р. Велмани, Б. Картик, 2015. Эффективная схема сбора данных на основе кластерного дерева для больших мобильных беспроводных сенсорных сетей. Журнал IEEE Sensors, т. 15, нет. 4. С. 2377–2390. DOI: 10.1109 / JSEN.2014.2377200.
  5. ^ Т. Ламброу и К. Панайоту. 2009 г. Обзор методов маршрутизации, поддерживающих мобильность в сенсорных сетях. В материалах 5-й международной конференции по мобильным Ad Hoc и сенсорным сетям (MSN'09). С. 78-85.
  6. ^ С. Квангчол, К. Ким и С. Ким. 2011. ADSR: Стратегия многозвенной маршрутизации на основе углов для мобильных беспроводных сенсорных сетей. В материалах конференции IEEE Asia-Pacific Services Computing (APSCC). С. 373-376.
  7. ^ Д. Ким и Ю. Чанг. 2006 г. Протокол самоорганизации маршрутизации, поддерживающий мобильные узлы для беспроводной сенсорной сети. В трудах 1-го международного симпозиума по информатике и вычислительным наукам (IMSCCS’06). С. 622-626.
  8. ^ У. Ахмед и Ф. Хуссейн. 2011 г. Энергоэффективный протокол маршрутизации для зональных мобильных сенсорных сетей. В трудах 7-й международной конференции по беспроводной связи и мобильным вычислениям (IWCMC). С. 1081-1086.
  9. ^ Ю. Хан и З. Линь. 2012 г. Протокол географически гибкой маршрутизации, используемый в мобильных беспроводных сенсорных сетях.. В трудах 9-й международной конференции IEEE по сетям, зондированию и управлению (ICNSC). С. 216-221.
  10. ^ А. Аронский и А. Сегал. 2010 г. Алгоритм многолучевой маршрутизации для мобильных беспроводных сенсорных сетей. В трудах 3-й совместной конференции IFIP по беспроводным и мобильным сетям. стр.1-6.
  11. ^ Т. Хейс и Ф. Али. 2016 г. Надежный протокол Ad-hoc Sensor Routing (RASeR) для мобильных беспроводных сенсорных сетей. Elsevier Ad Hoc Networks, т. 50, нет. 1. С. 128–144.
  12. ^ Т. Хейс и Ф. Али. 2016 г. Протокол маршрутизации с учетом местоположения (LASeR) для мобильных беспроводных сенсорных сетей. IET Wireless Sensor Systems, т. 6, вып. 2. С. 49-57.
  13. ^ Х. Ян, Х. Хо, Ю. Сюй и М. Гидлунд. 2010 г. Система электронного здравоохранения на основе беспроводной сенсорной сети - внедрение и экспериментальные результаты. IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 56, нет. 4. С. 2288-2295.
  14. ^ S. Ehsan et al. 2012 г. Проектирование и анализ устойчивых к задержке сенсорных сетей для мониторинга и отслеживания свободно перемещающихся животных. IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 11, вып. 3. С. 1220-1227.
  15. ^ B. White et al. 2008 г. Мониторинг границы загрязненного облака с использованием сети датчиков БПЛА. Журнал IEEE Sensors, т. 8, вып. 10. С. 1681-1692.