Книги, научные публикации
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ МЕТОД ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ БЕСПРОВОДНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ С АВТОНОМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ Л.С. Восков, кандидат технических наук,
профессор кафедры вычислительных систем и сетей Московского государственного института электроники и математики (технического университета) М.М. Комаров, аспирант кафедры вычислительных систем и сетей Московского государственного института электроники и математики (технического университета) Адрес: г. Москва, ул. Стартовая, д. 33 E-mail: voskov
michmank@mail.ru Дано обоснование актуальности задачи энергетической балансировки беспроводной стаци онарной сенсорной сети, приведена модель стационарной БСС с автономными источниками питания, учитывающая влияние внешних факторов. Предложен метод энергетической балан сировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания.
Приведены экспериментальные данные, подтверждающие повышение эффективности функ ционирования стационарной БСС с автономными источниками питания за счет применения разработанного метода.
Ключевые слова: беспроводные сенсорные сети, энергетическая балансировка, автономные сети, стационарные сети.
Введение Базовым стандартом для беспроводных сен сорных сетей на сегодняшний день служит IEEE еспроводная сенсорная сеть (БСС) - класс 802.15.4 (ZigBee).
беспроводных систем, предоставляющих со В то время как множество исследований про Б бой распределённую, самоорганизующуюся и ведены на тему некоторых важных аспектов бес устойчивую к отказу отдельных элементов сеть ми проводных сенсорных сетей, таких как архитек ниатюрных электронных устройств с автономным источником питания. Узлы такой сети ретранслиру- тура или проектирование протокола, сохранение ют сообщения по цепи, обеспечивая значительную энергии и позиционирование, поддержка качества площадь покрытия системы при малой мощности.
предоставления услуг в беспроводных сенсорных сетях является до сих пор огромным неисследо Качество обслуживания в беспроводных сенсор ных сетях (QoS) основывается на специфике техно- ванным полем для деятельности. Это связано с логии беспроводных сенсорных сетей.[1,2] тем, что беспроводные сенсорные сети очень от БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(19)Ц2012 г.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ личаются от традиционных сетей. До сих пор не совсем понятно как правильно описать услуги в беспроводных сенсорных сетях тем более для того, чтобы разработать подходы для поддержки качества предоставления услуг.
Так как беспроводные сенсорные сети взаимо действуют с окружающей средой, их характери стики могут очень сильно отличаться от характе ристик других обычных информационных сетей.
Таким образом, их характеристики порождают новые проблемы [1,2,3]. Проблема энергетиче ской балансировки означает, что для достижения долгого времени жизни сети энергия должна быть равномерно распределена между всеми сенсор ными узлами так, чтобы энергия одного узла или группы узлов не закончилась довольно быстро.
Рис. 1. Структура сети с единой зоной покрытия.
Поддержка качества предоставляемых услуг долж на учитывать этот фактор.
Энергопотребление является одним из важ одинаковую зону покрытия R, максимальную m ных показателей беспроводной сенсорной сети мощность приемника P и передатчика Ptx. Узлы rx [4,5,6,7]. Нужно отметить, что в рамках поддерж подключены к центральному устройству сети ки качества предлагаемых услуг в беспроводной проводной шиной. Энергопотребление на пере сенсорной сети, как уже было рассмотрено ранее, дачу данных на центральное устройство сети по одной из проблем называется проблема энергети проводной шине не учитываем.
ческой балансировки сети. Энергетическая балан В зону покрытия устройствами сбора данных сировка позволяет обеспечить гарантированное случайным образом установлены n типов око время автономной работы узлов сети. Для реше нечных узлов на различных расстояниях r1Еr,.
n ния задачи энергетической балансировки требует Энергопотребление каждого оконечного узла ся разработать метод энергетической балансиров e1,e2,Е,e, количество устройств различных ти n ки беспроводной стационарной сенсорной сети с пов, соответственно b1,b2,Е,b. Каждое из око n автономными источниками питания, что позво нечных устройств имеет известный регулярный лит повысить эффективность работы беспровод информационный поток, соответствующий за ной стационарной сенсорной сети с автономными данному энергопотреблению, с определенной источниками питания за счет увеличения времени интенсивностью заявок от оконечных устройств.
автономной работы и уменьшения энергопотре Максимальная мощность приемника и передат бления узлов сети.
чика совпадает с мощностями устройства сбора Предлагаемый метод энергетической балан данных - P,Ptx. Каждое оконечное устройство rx сировки основывается на разработанной модели может один раз подключиться к тому или иному беспроводной стационарной сенсорной сети с ав устройству сбора данных.
тономными источниками питания, учитывающей Функциональным отказом сети мы будем считать влияние внешних факторов.
выход из строя хотя бы одного устройства сбора данных.
Модель беспроводной Требуется так распределить оконечные узлы по стационарной сенсорной сети устройствам (узлам) сбора данных, чтобы моменты с автономными источниками питания времени выхода из строя всех узлов сбора данных за счет исчерпания энергии автономных источников В структуре сети с единой зоной покрытия узлами сбора данных (рис. 1) имеются M беспро- питания совпадали в максимальной степени. Такой водных узлов сбора данных (маршрутизаторов) с процесс распределения оконечных устройств по автономными источниками питания с емкостью устройствам сбора данных назовем энергетической батареи С. Они находятся в одной точке и имеют балансировкой сети.
БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(19)Ц2012 г.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ Для корректности приводимых ниже рассужде- B - скорость обмена данными по радиоканалу;
ний и выкладок учтем, что потребляемая некото- Ptxi - максимальная потребляемая мощность при рым устройством от автономных источников пита- приеме i-м устройством сбора данных равна макси мальной потребляемая мощности от источника пи ния с постоянным напряжением U=const за время T энергия пропорциональна развиваемой источ- тания при передаче j-м оконечным узлом);
P - максимальная потребляемая мощность при ником мощности P и потребляемым устройством rxi передаче i-м устройством сбора данных равна мак током e, т.е.
симальной потребляемой мощности при приеме j-м оконечным узлом);
kij - коэффициент энергетического состояния ка где величина E имеет размерность (Ачас) и при нала передачи данных от i-го устройства сбора дан постоянном U может характеризовать энергопо ных к j-му оконечному узлу.
треблением устройства. Этот показатель и будем использовать в дальнейшем. А интервал времени При рассмотрении передачи подтверждения от T пропорционален объёму передаваемых данных i-го устройства сбора данных можно уменьшить V=V +V (бит), при скорости передачи данных мощность сигнала передаваемого на приемник s ack B = const (бит/с), где V - объем передаваемых j-го оконечного узла, с учетом состояния канала s данных (бит), V Цобъем данных подтверждения (энергетического состояния канала передачи дан ack (бит).
ных от i-го устройства сбора данных к j-му оконеч ному узлу), что и учитывает коэффициент энерге Запишем энергопотребление i-го устройства сбора данных (ei) за 1 цикл передачи данных за ин- тического состояния канала передачи kij. Данный коэффициент показывает, с какой потребляемой тервал времени T (1) и определим потребляемую мощностью от источника питания (или на какой устройством сбора данных энергию при передаче и приеме данных (Ei) (2): излучаемой мощности) можно вести передачу подтверждения от i-го устройства сбора данных, ei = etx j + e, rx j что позволит, в случае уменьшения потребляемой мощности от источника питания при уменьшении, (1) излучаемой мощности, сохранить энергию бата реи и увеличить продолжительность функциони рования устройства.
Ei = E (2) Метод энергетической балансировки Здесь беспроводной стационарной xij - количество узлов j-го типа, подключенных сенсорной сети с автономными или не подключенный к i-му устройству сбора дан источниками питания ных;
Метод энергетической балансировки состоит в ei - энергопотребление i-го устройства сбора дан распределении нагрузки на устройства сбора дан ных;
ных таким образом, чтобы обеспечить гарантиро etxj - потребляемая энергия при приеме данных ванное время автономной работы устройств сбора i-м устройством сбора данных от j-го оконечного данных и, тем самым, всей сети в целом. При рас узла;
пределении нагрузки, мы подключаем оконечные Vsi - объем данных от j-го узла, которые необхо узлы к устройствам сбора данных (ретрансляторам) димо принять i-му устройству сбора данных;
определенным образом.
erxi - потребляемая энергия при передаче под тверждения i-м устройством сбора данных на j-й Пусть в системе сбора данных необходимо пере оконечный узел;
дать трафик от оконечных устройств n типов через Vacki - объем данных подтверждения от i-го m ретрансляторов. Канал связи между различными устройства сбора данных, переданных на j-й око- типами устройств и ретрансляторами с точки зре нечный узел;
ния энергетики характеризуется собственным зна U - напряжение на аккумуляторной батарее чением коэффициента энергетического состояния устройства сбора данных;
канала kij, где i=1,2,..,m, j=1,2,Е,n.
БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(19)Ц2012 г.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ Ретрансляторы r1,r2,Е,r передают информацию ющую постановку задачи в терминах целочислен m последовательно через определенные промежутки ного линейного программирования.
времени. Последовательность передачи определя- Минимизировать n ется условием предшествования: r1 r2 r3... rm, L = E - xij при ограничениях:
e j т.е. ретранслятор r2 передаст информацию только i= n после того, как информацию передал ретранслятор E - xij 0, e где i = 1, 2,..., m, j r1, ретранслятор r3 передаст информацию только i= после того, как информацию передаст ретрансля m тор r2 и т.д., где j = 1, 2, Е, n, xij = bj i= Требуется так распределить оконечные устрой m m ства n-типов между m ретрансляторами, чтобы:
при xij = 0, bj - xij > i=1 i= соблюдалось условие предшествования;
для всех j и k, для которых j k, где j = 1, 2, Е, k-1, энергопотребление i-ого ретранслятора не пре, где i = 1, 2,.., m;
j = 1, 2, Е, n, xij 0;
ej 0;
bj вышало E;
xij, bj, ej - целые, где i = 1, 2,.., m;
j = 1, 2, Е, n.
энергопотребление E было минимальным.
Задача является NP полной, решается методом При выполнении этих условий общее энергопо ветвей и границ с предлагаемыми нами эвристи требление сети не будет превышать m*E.
ками направленного перебора, которые позво Обозначим через xij неизвестные величины, при ляют решать практические задачи за допустимое нимающие натуральные значения 0,1,2,... и будем время. Решением задачи являются наборы око считать, что к i-ому ретранслятору подключены xij нечных узлов, подключаемых к каждому ретран оконечных устройств j-ого типа. При xij=0, к i-ому слятору.
ретранслятору оконечные устройства j-ого типа не Следующим этапом метода энергетической ба подключены.
лансировки является учет влияния внешних фак Все оконечные устройства обязательно должны торов на передачу подтверждения от устройства быть подключены к ретрансляторам, поэтому сбора данных до оконечного узла. Предлагается m определять и учитывать расстояние между оконеч, где j = 1, 2, Е, n.
xij = bj ным узлом и узлом сбора данных и регулировать i = мощность передачи подтверждения в зависимости Суммы вида от расстояния. С использованием механизма пози n ционирования вычисляются расстояния от устрой, где i = 1, 2,.., m e xij j j= ства сбора данных до каждого оконечного узла и, для заданного набора оконечных узлов регулирует численно равны суммарному энергопотреблению ся мощность приемопередатчика при передаче под оконечных устройств всех типов, подключенных к тверждения о приеме данных от оконечного узла i-ому ретранслятору. На эти суммы накладываются устройством сбора данных.
ограничения:
n Подобный подход использования механизма по e xij E, где i = 1, 2,.., m.
j зиционирования как метода энергосбережения j= позволяет уменьшить общее энергопотребление Из отношения предшествования, если j-й ретран устройства сбора данных и тем самым увеличить слятор передает данные раньше k-ого ретранслято время его работы.
ра, j k следует, что В качестве механизма позиционирования пред m m, при лагается использовать фингерпринтинг с весовы bj - xij > xik = i= i =1 ми функциями [9,10,11]. Основная идея заключает ся в использовании уровня принятого сигнала как для всех j и k, для которых j k, где j = 1, 2,Е, k- основного параметра местоположения.
Т.е. к k-ому ретранслятору оконечные устройства Метод состоит из двух этапов. Первый этап не подключаются только в том случае, если они уже - предварительное построение карты фингер подключены к j-ому ретранслятору.
принтинга (карты помещения), запись набора полученных уровней сигналов от стационарных Учитывая все ограничения, можно сделать следу БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(19)Ц2012 г.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ узлов для каждой отдельной позиции в помеще- Для того, чтобы сделать данные более точными нии. Второй этап - этап позиционирования за- используется медианная фильтрация с использо ключается в сравнении получаемых данных уров- ванием доверительных вероятностей полученным ней сигналов с данными, которые хранятся в базе значениям (6):
данных и определение позиции с наименьшим RSS = RSSi Pcur + RSSk Pprev (6) отклонением.
Для этапа позиционирования в классическом где RSSi - текущее значение уровня сигнала (дБ), методе фингерпринтинга используется алгоритм P - доверительная вероятность полученного зна cur сравнения с ближайшим соседом. Основная идея чения уровня сигнала, RSSk - предыдущее значение данного алгоритма заключается в определении ми уровня сигнала (дБ), P - доверительная вероят prev нимального расстояния между измеренными зна ность предыдущего значения уровня сигнала.
чениями расстояний и записанными в базу данных.
Минимальное расстояние вычисляется следующим Заключение образом (3):
В рамках экспериментальной реализации метода, N p Di = ( ri - dbri |p ) мы получили следующие результаты (табл. 1).
(3) | N i= Таблица 1.
где N - число узлов, ri - полученный уровень сиг Результаты нала дБ, dbri - уровень сигнала в базе данных. Зна экспериментального исследования чение p равно 2 и при этом расстояние называется расстоянием Евклида [11]. После проведения рас Значение Значение Показатель четов, выбирается набор с минимальным расстоя- До После нием. Данная позиция считается искомым место Мощность приемопередатчика 10 мВт 3 мВт нахождением узла. Поскольку уровень сигнала может быть подвержен влиянию внешних факто- Энергопотребление при передаче 0,927 мА 0,278 мА подтверждения о приеме данных ров (помех и т.д.), то алгоритм позиционирования классического метода фингерпринтинга может Среднее потребление тока при 14,19 мА 13,54 мА отправке данных выдавать неверные результаты.
Общий объем энергии, затрачивае В предлагаемом методе фингерпринтинга с ве мый на передачу подтверждения 521,48 мА 515,46 мА совыми функциями используется алгоритм с ве о приеме данных совыми функциями для ближайших соседей. Это 36 часов 37 часов Время автономной работы означает, что если мы знаем, что данные от одного 31 минута 5 минут из узлов являются надежными, т.е. не подвержены влиянию внешних факторов, то мы вычисляем рас- Проведенные экспериментальные данные под тверждают повышение эффективности функцио стояние между мобильным узлом и стационарным узлом (узлом, чья позиция известна) согласно сле- нирования беспроводной стационарной сенсор дующему выражению (4): ной сети с автономными источниками питания за счет применения разработанного метода. Так, из k таблицы видно, что после применения метода, мы d = di w (4) i i =1 сможем сэкономить 20,8% (10,85 мА) от общей за трачиваемой энергии на передачу подтверждения о где wi - это весовая функция узла i, di - это рассчи приеме данных от оконечных узлов в рамках прове танное расстояние от узла i.
денного эксперимента (что эквивалентно 10,85 мА) Весовая функция wi определяется согласно выра и увеличить время автономной работы датчика на жению (5):
34 минуты (на 1,5%).
1/ di Предлагаемый метод энергетической баланси wi = k (5) ровки так же позволяет учитывать другие внешние 1/ di i =1 факторы: приоритетность передаваемого трафика и где di - это расстояние до точки i карты фингер- помехообстановку [12,13]. Комплексный учет вли принтинга, k - общее число точек на карте фин- яния всех предлагаемых внешних факторов являет ся задачей будущих исследований.
герпринтинга.
БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(19)Ц2012 г.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ Литература:
1. Chen D., Varshney P. K. QoS Support in Wireless Sensor Networks: A Survey. In Proc. of the 2004 International Conference on Wireless Networks (ICWN 2004), Las Vegas, Nevada, USA (June 2004).
2. Holger K. Quality of service in wireless sensor networks: mechanisms for a new concept. ESF Exploratory Workshop on Wireless Sensor Networks, ETH Zurich, April 1-2, 2004.
3. Восков Л.С., Цыганов С.В. Повышение качества обслуживания в интеллектуальной публичной бес проводной гетерогенной сети // Качество. Инновации. Образование, №5-2010. М. : Европейский центр по качеству, 2010.
4. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. Москва: Техносфера, 5. Sensor Networks / Thomas Haenselmann, 5th April 2006.
6. Descleves С. Understanding ZigBee transmission [Электронный ресурс] // RF Design Magazine. - March, 2006. URL: (дата обращения 03.2011) 7. Семенов Ю.А. Беспроводные сети ZigBee и IEEE 802.15.4 [Электронный ресурс]. URL: ru/4/41/zigbee.htm (дата обращения 03.2011) 8. Sensor Networks / Thomas Haenselmann, 5th April 2006.
9. Lionel M. NI and Yunhao, Liu Yiu Cho Lau and Abhishek P. Patil;
LANDMARC: Indoor Location Sensing Using Active RFID, Wireless Networks 10, 701-710, 2004.
10.Krishnakumar A.S, Krishnan P. Theory and Practice of Signal Strength-Based Localization in Indoor Environments, Localization Algorithms and Strategies for Wireless Sensor Networks, Chapter X, Information Science Reference, Hershey, 2009.
11. Lloret J.,Tomas J., Garcia M., Canovas A. A hybrid stochastic approach for self-location of wireless sensors in indoor environments. Sensors 9, 3695Ц3712, 2009.
12.Mansouri M., Rahim-Amoud R., Richard C. Factors that may influence the performance of wireless sensor networks. Smart wireless sensor networks, Chapter 2, 29-48, Intech, 2010.
13. Восков Л.С., Цыганов С.В. Проблема взаимного влияния беспроводных сетей связи в системах авто матизации промышленных предприятия и способ ее решения // Датчики и системы, №8.2010. - М. :
ООО СенСиДат-Контрол, 2010. - С. 46-51.
БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(19)Ц2012 г.