Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Мобильные беспроводные сенсорные сети ( MWSN ) [1] могут быть просто определена как беспроводная сенсорной сеть (WSN) , в которой узлы датчиков являются мобильными. MWSN - это небольшая, развивающаяся область исследований, в отличие от их устоявшихся предшественников. MWSN намного более универсальны, чем сети статических датчиков, поскольку они могут быть развернуты в любом сценарии и справляются с быстрыми изменениями топологии . Однако многие из их приложений схожи, например, мониторинг окружающей среды или наблюдение . Как правило, узлы состоят из радио приемопередатчика и микроконтроллера питается от батареи, а также какой-то датчик для определения света , тепла , влажности , температуры и т. д.

Проблемы [ править ]

Вообще говоря, у MWSN есть два набора проблем; оборудование 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 симплексного радио. Основными факторами окружающей среды являются общая среда и различная топология. Общая среда требует, чтобы доступ к каналу каким-то образом регулировался. Это часто делается с использованием схемы управления доступом к среде (MAC), такой как множественный доступ с контролем несущей (CSMA), множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) или множественный доступ с кодовым разделением каналов.(CDMA). Различная топология сети происходит из-за мобильности узлов, что означает, что многопозиционные пути от датчиков к приемнику нестабильны.

Стандарты [ править ]

В настоящее время нет стандарта для MWSN, поэтому часто протоколы из MANET заимствуются, такие как маршрутизация на основе ассоциативности (AR), специальная маршрутизация на основе вектора расстояния (AODV), динамическая маршрутизация от источника (DSR) и жадная маршрутизация без сохранения состояния периметра ( GPSR). [2] Протоколы MANET являются предпочтительными, поскольку они могут работать в мобильных средах, тогда как протоколы WSN часто не подходят.

Топология [ править ]

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 ее производительность остается хорошей. Схемы управления гибридной топологией включают кластерно-независимое дерево сбора данных ( CIDT ). [3] и дерево кластеров, энергоэффективных и ориентированных на связь ( VELCT ); [4] оба были предложены для мобильных беспроводных сенсорных сетей (MWSN).

Маршрутизация [ править ]

Поскольку в этих сетях нет фиксированной топологии, одной из самых серьезных проблем является маршрутизация данных от источника к месту назначения. Обычно эти протоколы маршрутизации черпают вдохновение в двух областях; WSN и мобильные специальные сети (MANET). 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 являются многопозиционными и иногда являются адаптациями существующих протоколов. Например, динамическая маршрутизация от источника (ADSR ) на основе углов [6] является адаптацией протокола динамической маршрутизации от источника (DSR) беспроводной ячеистой сети для MWSN. ADSR использует информацию о местоположении, чтобы определить угол между узлом, который намеревается передать, потенциальными узлами пересылки и приемником. Затем это используется, чтобы гарантировать, что пакеты всегда пересылаются в приемник. Кроме того, протокол иерархии адаптивной кластеризации с низким энергопотреблением (LEACH) 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 связывать себя с разными головками кластера.

Другой популярный метод маршрутизации - использование информации о местоположении от модуля GPS, подключенного к узлам. Это можно увидеть в протоколах, таких 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, Geographically Opportunistic Routing (GOR), [ 9] - это простой протокол, который делит область сети на сетки, а затем использует информацию о местоположении для удобной пересылки данных как можно дальше в каждом переходе.

Многопутевые протоколы 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 Location Aware Sensor Routing (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 широковещательно рассылать пакет своим соседям, после чего принимающие узлы должны решить, следует ли им переслать пакет или отбросить 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 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 [ править ]

Существует три типа методов управления доступом к среде (MAC): на основе временного разделения , частотного разделения и кодового разделения . Из-за относительной простоты реализации чаще всего выбирают MAC с временным разделением, тесно связанный с популярным MAC CSMA / CA. Подавляющее большинство протоколов MAC, которые были разработаны с учетом MWSN , адаптированы из существующих MAC WSN и ориентированы на низкое энергопотребление и схемы с рабочим циклом.

Проверка [ править ]

Протоколы, разработанные для MWSN, обычно проверяются с использованием аналитических, имитационных или экспериментальных результатов. Подробные аналитические результаты носят математический характер и могут дать хорошее приближение к поведению протокола. Моделирование может выполняться с использованием такого программного обеспечения, как OPNET , NetSim и ns2, и это наиболее распространенный метод проверки. Моделирование может обеспечить близкое приближение к реальному поведению протокола в 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 [ править ]

Преимущество мобильности датчиков увеличивает количество приложений, выходящих за рамки 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 константного типа основаны на времени и, как таковые, данные генерируются периодически, тогда как приложения типа событий являются движущими силами событий, и поэтому данные генерируются только при возникновении события. Приложения для мониторинга постоянно работают в течение определенного периода времени, тогда как приложения для картографии обычно развертываются один раз, чтобы оценить текущее состояние явления. Примеры приложений включают мониторинг 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 местонахождении бригаде скорой помощи в случае возникновения чрезвычайной ситуации. К животным могут быть прикреплены датчики для отслеживания их перемещений в целях определения миграционных закономерностей, привычек питания или других исследовательских целей. [14] Датчики также могут быть прикреплены к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) для наблюдения или картирования окружающей среды. [15] В случае поиска и спасения с помощью автономных БПЛА это будет считаться приложением для картирования событий, поскольку БПЛА используются для поиска местности, но передают данные только тогда, когда человек был найден.

См. Также [ править ]

  • Список специальных протоколов маршрутизации
  • Список датчиков
  • Киберфизическая система
  • Мобильные одноранговые сети
  • Мобильный робот и мобильный манипулятор
  • Беспроводные сенсорные сети

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Т. Хейс и Ф. Х. Али. 2016. «Мобильные беспроводные сенсорные сети: приложения и протоколы маршрутизации» . Справочник по исследованиям систем мобильной связи нового поколения. IGI Global. ISBN  9781466687325 . стр.256-292.
  2. ^ Б. Карп и Х. Т. Кунг . 2000. GPSR: жадная маршрутизация без сохранения состояния по периметру для беспроводных сетей . В материалах 6-й ежегодной международной конференции по мобильным вычислениям и сетям (MobiCom '00). С. 243-254.
  3. ^ Р. Велмани и Б. Картик, 2014. Энергосберегающий 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 и Б. Картик, 2015. Эффективная схема сбора данных на основе дерева кластеров для больших мобильных беспроводных сенсорных сетей . Журнал IEEE Sensors, т. 15, вып. 4. С. 2377–2390. DOI: 10.1109 / JSEN.2014.2377200.
  5. ^ TP Lambrou и CG Panayiotou. 2009. 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. Kwangcheol, 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. Протокол самоорганизации маршрутизации, поддерживающий мобильные узлы для беспроводной сенсорной сети . В трудах 1-го международного симпозиума по компьютерным и вычислительным наукам (IMSCCS'06). С. 622-626.
  8. ^ У. Ахмед и Ф. Б. Хуссейн. 2011. 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. ^ Y. Han и Z. Lin. 2012. Протокол географически гибкой маршрутизации, используемый в мобильных беспроводных сенсорных сетях . В трудах 9-й международной конференции IEEE по сетям, зондированию и контролю (ICNSC). С. 216-221.
  10. ^ А. Аронский и А. Сегалл. 2010. Алгоритм многолучевой маршрутизации для мобильных беспроводных сенсорных сетей . В трудах 3-й совместной конференции IFIP по беспроводным и мобильным сетям. С. 1-6.
  11. ^ Т. Хейс и Ф. Али. 2016. Протокол надежной специальной маршрутизации датчиков (RASeR) для мобильных беспроводных сенсорных сетей . Elsevier Ad Hoc Networks, т. 50, нет. 1. С. 128–144.
  12. ^ Т. Хейс и Ф. Али. 2016. 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. 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. Проектирование и анализ сенсорных сетей, устойчивых к задержкам, 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. Мониторинг границ загрязняющих облаков с помощью сети датчиков БПЛА . Журнал IEEE Sensors, т. 8, вып. 10. С. 1681–1692.