Разработка и исследование метода энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания

• Автор: Комаров, Михаил Михайлович
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1 Л. Введение
1.2. QoS и беспроводные сенсорные сети
1.2.1. Стандарт персональной сети IEEE 802.15.4 (ZigBee)
1.2.2. QoS в беспроводных сенсорных сетях
1.3. Энергопотребление беспроводной сенсорной сети
1.3.1. Использование проекций в БСС (Адаптивное сжимающее считывание)
1.3.2. Использование нескольких базовых станций в БСС
1.3.3. БСС сопровождения цели
1.4. Проблемы обеспечения энергетической балансировки
1.4.1. Задача 1. Распределение сенсорных узлов, с учетом поступающего от них трафика
1.4.2. Задача 2. Распределение нагрузки узлов сбора данных с автономными источниками питания
1.5. Выводы
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ СЕНСОРНОЙ СЕТИ
2.1 Введение
2.2 Метод доступа к радио среде передачи данных
2.3 Модель беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными
источниками питания
2.4 Метод энергетической балансировки
2.4.1 Коэффициент влияния радио обстановки на передачу подтверждения
2.4.2 Коэффициент влияния интенсивности поступления заявок от оконечного узла

2.4.3 Коэффициент влияния расстояния между оконечным узлом и узлом сбора данных
2.4.4 Коэффициент влияния приоритетности данных, поступающих от оконечного узла 1 на узел сбора данных
2.4.4.1 Параметр Херста
2.4.4.2 Модель системы с приоритетным трафиком
2.4.5 Модель энергетической балансировки
2.4.6 Алгоритм метода решения задачи
2.5 Алгоритм энергетической балансировки
2.6 Выводы
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ И МОДЕЛЬ ДИСПЕТЧЕРА КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ СЕТИ
3.1. Введение
3.2. Диспетчер качества обслуживания, его место в сети
3.3. Диспетчер качества обслуживания, его работа в сети
3.4. Выводы
ГЛАВА 4. ВЕРИФИКАЦИЯ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА
4.1. Введение
4.2. Среды моделирования
4.3. Исследование и реализация методов позиционирования узлов
4.3.1 Метод триангуляции
4.3.2 Метод фингерпринтинга
4.3.3 Метод фингерпринтинга с весовыми функциями
4.4. Применение разработанного метода на примере частного случая
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
В настоящее время в системах автоматизации, мониторинга за состоянием объектов все чаще успешно используется технология беспроводных сенсорных сетей (БСС).
Вопросами создания и анализа БСС, занимаются ведущие специалисты и организации, среди которых Институт проблем передачи информации РАН, Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН, ученые Калифорнийского Университета в Беркли, Массачусетского Технологического Университета (США) и другие.
В практическом применении наибольшее распространение получили стационарные беспроводные сенсорные сети, для которых характерно их фиксированное состояние в процессе работы. В последнее время в сенсорных сетях активно развивается направление, связанное с использованием для них автономных источников питания на базе альтернативных источников энергии.
Как правило, исследователи рассматривают модели беспроводных сенсорных сетей для некоторого конкретного применения и часто не учитывают влияния внешних факторов на работу сети: таких ключевых параметров как помехи, расстояния между узлами, интенсивность заявок от узлов и приоритетность передаваемой информации. Анализ печатных источников показал, что общих моделей для описания стационарной беспроводной сенсорной сети с автономными источниками питания с учетом влияния внешних факторов предложено не было [2][3][37,42,43,44,45,46,47].
Качество обслуживания, предоставляемое БСС, во многом зависит от времени автономной работы сети. Однако частая замена источников питания не всегда возможна по условиям работы сети. Поэтому уменьшение энергопотребления становится ключевой исследовательской задачей при

© Две базовых станции
Рис. 1.5. Варианты расположения базовых станций в БСС На Рис. 1.5(6) сенсорный узел А находится на расстоянии одной ретрансляции от своей ближайшей базовой станции (при наличии двух базовых станций). Для сенсорного узла В число ретрансляций до его ближайшей базовой станции аналогично обоим случаям. Таким образом, используя две базовых станции, вместо одной (Рис. 1.5 (а)), можно сократить общее количество необходимых ретрансляций в сети. Поскольку энергия, затраченная при маршрутизации сообщения от некоторого сенсорного узла до ближайшей базовой станции пропорциональна числу ретрансляций, использование нескольких базовых станций эффективно сокращает потребление энергии на одно отправленное сообщение.
В [11] авторы на основании экспериментальных исследований показывают, что узлы сбора данных, которые находятся на расстоянии одной ретрансляции от базовой станции, расходуют энергию источника питания быстрее, чем остальные узлы в сети. Связано это с тем, что через эти узлы осуществляется перенаправление сообщений, изначально полученных от многих других узлов. Таким образом, эти узлы раньше других становятся недоступными. Как результат, многие сенсорные узлы не смогут взаимодействовать с базовыми станциями, происходит отказ всей сети.
Для увеличения продолжительности функционирования сенсорной сети в [11] предлагается использовать несколько базовых станций, и