Качество сервиса в сенсорных сетях

 

 

 

 

 

3.6. Окружающая  среда

 Узлы плотно располагаются  очень близко или непосредственно  внутри наблюдаемого явления.  Таким образом, они работают  без присмотра в удаленных  географических районах. Они могут  работать

 • на оживленных  перекрестках,

 • внутри больших  машин,

 • на дне океана,

 • внутри торнадо,

 • на поверхности  океана во время торнадо,

 • в биологически  и химически загрязненных областях

 • в поле боя,

 • в доме или  большое здание,

 • на большом складе,

 • прикрепленных к животным,

 • прикрепленных к быстро движущимся транспортным средствам

 • в канализации  или реке вместе с потоком  воды.

 Этот список дает  представление о том, при каких  условиях узлы могут работать. Они могут работать под высоким  давлением на дне океана, в  суровых условиях, среди мусора  или в поле боя, при экстремальных  температурах, например в сопле  двигателя самолета или в арктических  регионах, в очень шумных местах, где много помех. 

3.7. Способы передачи  данных

 В сенсорной сети  multi-hop, узлы общаются посредством беспроводной связи. Связь может осуществляться посредством радио, ИК-порта или оптических носителей. Для того чтобы глобально использовать эти способы среда передачи должна быть доступна во всем мире. Один из вариантов радиосвязи является использование промышленных, научных и медицинских полос (ISM), которые доступны без лицензий в большинстве стран. Некоторые виды частот, которые могут быть использованы, описаны в международный таблица частот, содержащейся в статье S5 о регламенте радиосвязи (том 1). Некоторые из этих частот, уже используются в беспроводной телефонии и беспроводных локальных сетях (WLAN). Для сенсорных сетей малого размера и низкой стоимости, усилитель сигнала не требуется. Согласно [68], аппаратные ограничения и нахождения компромисса между эффективностью антенны и потреблением энергии накладывают определенные ограничения на выбор частоты передачи в диапазоне сверхвысоких частот. Они также предлагают использование частоты 433 МГц ISM в Европе и 915 МГц ISM в Северной Америке. Возможные модели передатчиков для этих двух зон рассматриваются в [25,51]. Основными преимуществами использования радио частот ISM является широкий спектр частот и доступность по всему миру. Они не привязаны к конкретному стандарту, тем самым дают большую свободу для реализации энергосберегающих стратегий в сенсорных сетях. С другой стороны, существуют различные правила и ограничения, такие как различные законы и помехи от существующих приложений. Эти полосы частот также называют нерегулируемыми частотами. Большинство из современного оборудования для узлов основывается на использовании радиопередатчиков. Беспроводные узлы IAMPS, описанной в [77], использует Bluetooth-совместимые передатчики с частотой 2,4 ГГц и имеют интегрированный синтезатор частоты. Устройство маломощных узлов описано в работе [93], они использует один канал радиопередачи, который работает на частоте 916МГц. В архитектуре WINS [69] также используется радиосвязь. Другой возможный способ связи в сенсорных сетях является ИК-порт. ИК-связь доступна без лицензии и защищена от помех электрических приборов. ИК-передатчики дешевле и проще в производстве. Многие из сегодняшних ноутбуков, КПК и мобильных телефонов используют ИК-интерфейс для передачи данных. Основным недостатком такой связи, это требование прямой видимости между отправителем и получателем. Это делает ИК-связь нежелательной для использования в сенсорных сетях из-за среды передачи. Интересный способ передачи используют смарт-узыл[42], которые являются модулями автоматического мониторинга и обработки данных. Они используют для передачи оптическую среду. Есть две схемы передачи, пассивная с использованием corner-cube retroreflector (CCR) и активная с использованием лазерного диода и управляемых зеркал (рассмотрено в [88]). В первом случае не требуется интегрированный источник света, для передачи сигнала используется конфигурации из трех зеркал (CCR). Активный метод использует лазерный диод и систему активной лазерной связи, для отправки световых лучей предполагаемому приемнику. Необычные требования к применению сенсорных сетей делают выбор среды передачи сложной. Например, морские приложения требуют использования водной среде передачи. Здесь нужно использовать длинноволновые излучения, которые могут проникать сквозь поверхности воды. В труднодоступной местности или на поле боя могут возникнуть ошибки и больше помехи. Кроме того может оказаться что, антенны узлов не обладают нужной высотой и мощностью излучения для связи с другими устройствами. Следовательно, выбор передающей среды должны сопровождаться надежными схемами модуляции и кодирования, что зависеть от характеристик передающего канала.

3.8. Мощность потребления

 Беспроводной узел, будучи  микроэлектронным устройством, может  быть оснащен только ограниченным  источником питания (<0.5 А,1.2 В). В некоторых случаях, пополнение энергетических ресурсов может быть невозможным. Следовательно, время жизни узла напрямую зависит от заряда батареи. В multi-hop сети, где каждый узел играет роль сбора данных и маршрутизатора, выход из строя нескольких узлов может привести к значительным изменениям в структуре сети и может потребоваться повторная пересылка пакетов и реорганизации сети. Таким образом, сохранение энергии и управление питанием являются дополнительным фактором. Именно по этой причине исследователи в настоящее время сосредоточены на разработке энергосберегающих протоколов и алгоритмов для сенсорных сетей. В других мобильных и одноранговых сетях потребление электроэнергии тоже важный фактор, но не главный, просто потому, что энергетические ресурсы могут быть заменены пользователем. Там акцент делается больше на качество обслуживания, чем на энергетическую эффективность. В сенсорных сетях энергоэффективность является важным параметром производительности, непосредственно влияющая на жизнь сети. Применение конкретных протоколов может найти компромисс за счет снижения других показателей эффективности (например, увеличение времени реакции и уменьшение пропускной способности). Основными задачами узла являются обнаружение событий, выполнение быстрой локальной обработки данных, и передача данных. Следовательно, энергия потребляться на трех этапах: сбор данных, обработка данных и связь с другими узлами (описаны ранее в разделе 3.4). Блок питания выбирается в зависимости от характера применения узла. Периодический сбор данных будет потреблять меньше энергии, чем постоянный мониторинг. Сложность обнаружения событий также играет важную роль в потреблении энергии. Высокий уровень окружающего шума может вызвать значительные сложности с обнаружением. Потребляемая мощность при передаче и обработке данных подробно будет рассматриваться в следующих подразделах.

 

3.8.1. Связь

 Узел расходует максимум  энергии на связь, которая предполагает  как передачу, так и прием данных. Можно сказать, что для связи  на небольшие расстояния с  малой мощностью излучения передача  и прием требуют примерно одинакового  количества энергии. Синтезаторы  частот, осцилляторы управления  напряжением, фазы блокировки (PLL) и усилители мощности, все это  требует энергии, ресурсы которой  ограничены. Важно, что при этом  мы не рассматриваем только  активную мощность, также рассматривается  и потребление электроэнергии  при запуске передатчиков. Запуск  передатчика занимает доли секунды,  поэтому при этом потребляется  ничтожно малое количество энергии.  Это значение может быть сравнимо  со временем блокировки PLL. Однако, при уменьшении передаваемого  пакета, мощность запуска начинает  доминировать в потреблении энергии.  В итоге, неэффективно постоянно  включать и выключать передатчик, т.к. большая часть энергии  уйдет именно на это. В настоящее  время радиопередатчики с низким  энергопотреблением имеют стандартные  значения Pt и Pr на уровне 20 дБм и Pout близкий к 0 дБм [59]. Обратите внимание, что PicoRadio направленное на Pc составляет -20 дБм. Дизайн малогабаритных, недорогих, передатчиков обсуждается в источнике [68]. Основываясь на их результатах, авторы данной статьи, учитывая бюджет и оценки энергопотребления считают, что значения Pt и Pr должны быть по меньшей мере на порядок меньше, чем значения, приведенные выше.

3.8.2. Обработка  данных

 Расход энергии при  обработке данных значительно  меньше в сравнении с передачей  данных. Пример, описанный в работе [69] фактически иллюстрирует это  несоответствие. Основываясь на  теории Рэлея, что при передаче  четверть мощности теряется, можно  сделать вывод о том, что  расход энергии на передачу 1 КБ  на расстояние 100 м буде примерно  такой же, что и на выполнение 3 миллионов инструкций со скоростью  100 миллионов инструкций в секунду  (MIPS)/W процессором. Следовательно,  локальная обработка данных имеет  решающее значение для минимизации  потребления энергии в multi-hop сенсорной сети. Поэтому узлы должны иметь встроенные вычислительные возможности и быть способными взаимодействовать с окружением. Ограничения стоимости и размера приведет нас к выбору полупроводников (CMOS) в качестве основной технологи для микропроцессоров. К сожалению, они имеет ограничения на эффективность использования энергии. CMOS требует энергии каждый раз при смене состояния. Энергия, требуемая на смену состояний, пропорциональная частоте переключений, емкости (зависит от площади) и колебаниям напряжения. Следовательно, уменьшение напряжения питания является эффективным средством снижения потребления энергии в активном состоянии. Динамическое масштабирование напряжения рассмотренное в [52,64], стремится адаптировать питания и частоту процессора в соответствии с рабочей нагрузки. Когда на микропроцессор снижается вычислительная нагрузка, простое сокращение частоты дает линейное уменьшение потребляемой энергии, однако, уменьшение рабочего напряжения дает нам квадратичное снижение энергозатрат. С другой стороны не будет использоваться вся возможная производительность процессора. Это даст результат, если принять во внимание то, что пиковая производительность требуется не всегда и поэтому, рабочее напряжение и частота процессора может быть динамически адаптирована к требованиям обработки. В [80] авторы предлагают схемы предсказания рабочей нагрузки, основанной на адаптивной обработки существующих профилей нагрузки и на анализе нескольких уже созданных схем. Другие стратегии снижения мощности процессора обсуждаются в [28,49,91]. Следует отметить, что могут использоваться дополнительные схемы для кодирования и декодирования данных. Интегральные схемы также могут использоваться в некоторых случаях. Во всех этих сценариях, структура сенсорной сети, алгоритмы работы и протоколы зависят от соответствующих энергозатрат.

4. Архитектура  сенсорных сетей 

 Узлы, как правило,  расположены случайным образом  по всей территории наблюдения. Каждый из них может осуществлять  сбор данных и знает маршрут  передачи данных обратно в  центральный узел, конечному пользователю. Данные передаются с помощью  multi-hop архитектуре сети. Центральный узел может общаться с менеджером задач через Интернет или спутник. Стек протоколов, используемый центральным узлом и всеми остальными узлами, приведен на рис. 3. Стек протоколов включают в себя информацию о мощности и информации о маршрутах, содержит данные о сетевых протоколах, помогает эффективно общаться посредствам беспроводной среды, и содействует совместной работе узлов. Стек протоколов состоит из уровня приложений, транспортного уровня, сетевого уровня, канального уровня, физического уровня, слоя управления питанием, слоя управления мобильностью и слоя планирования задач. В зависимости от задач по сбору данных, различные виды прикладного программного обеспечения могут быть построены на уровне приложений. транспортный уровень помогает поддерживать поток данных, если это требуется. Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию данных, предоставленных транспортным уровнем. Поскольку среда имеет посторонние шумы и узлы могут быть перемещены, протокол MAC должен минимизировать возникновение коллизий при передаче данных между соседними узлами. Физический уровень отвечает за возможность передачи информации. Эти протоколы помогают узлам выполнять задачи при экономии электроэнергии. Слой управления питанием определяет, как узел должен использовать энергию. Например, узел может отключить приемник после получения сообщения от одного из своих соседей. Это поможет избежать получения дубликата сообщения. Кроме того, когда узел имеет низкий заряд батареи он передает своим соседям информацию о том, что не может участвовать в маршрутизации сообщений. Всю оставшуюся энергию он будет использовать для сбора данных. Слой управления мобильностью (MAC) определяет и регистрирует передвижение узлов, поэтому всегда существует маршрут для передачи данных в центральный узел и узлы могут определять своих соседей. А зная своих соседей узел может сбалансировать энергопотребление работая совместно с ними. Менеджер задач планирует и составляет расписания сбора информации для каждого региона отдельно. Не все узлы в одном регионе необходимы для выполнения задач зондирования в одно и то же время. Как результат, некоторые узлы выполняют больше задач, чем другие, это зависит от их мощности. Эти все слои и модули необходимы для того чтобы узлы работали вместе и стремились к максимальной энергоэффективности, оптимизации маршрута передачи данных в сети, а также совместно использовали ресурсы друг друга. Без них, каждый узел будет работать индивидуально. С точки зрения всей сенсорной сети эффективнее, если узлы будут работать совместно друг с другом, что способствует продлению времени жизни самой сетей. Прежде чем обсуждать необходимость включения в протокол модулей и слоев управления, мы рассмотрим три существующих работы [42,69,77], посвященных стеку протоколов, который показан на рисунке 3. Модель WINS, рассмотренная в источнике [69], в которой узлы объединены в распределенную сети и имею доступ в Интернет. Так как большое количество узлов сети WINS расположены на малом расстоянии друг от друга, то multi-hop связи сводят потребление энергии к минимуму. Полученные узлом сведения об окружающей среде последовательно направляются в центральный узел или шлюз WINS через другие узлы так, как это показано на рис 2 для узлов A, B, C, D и Е. Шлюз WINS общается с пользователем через обычные сетевые протоколы, такие как Интернет. Стек протоколов сети WINS состоит из уровня приложений, сетевого уровень, MAC-слоя, и физического уровня. Смарт-узлы (или пылинки) [42]. Данные узлы, могут быть присоединены к объектам или даже парить в воздухе благодаря их небольшим размерам и весу. Они используют технологию MEMS для оптической связи и сбора данных. Пылинки могут иметь солнечные батареи для подзарядки в течение дня. Они требуют прямой видимости для связи с оптическим передатчиком базовая станция или другой пылинки. Сравнивая архитектуру сети с пылинками с представленной на рисунке 2, можно сказать, что смарт-узлы, как правило, напрямую связывается с передатчиком базовой станции, но связь один к оному также возможна. При другом подходе к разработке протоколов и алгоритмов для сенсорных сетей обусловлен требованиями физического уровня [77]. Протоколы и алгоритмы должны быть разработаны в соответствии с выбором физических компонентов, таких как тип микропроцессоров, и тип приемников. Такой подход («снизу вверх») используется в модели IAMPS и также рассматривает зависимость уровня приложений, сетевого уровня, MAC-слоя, и физического уровня от аппаратной начинки узла. Узлы IAMPS точно также взаимодействуют с конечным пользователем, как и в архитектуре показанной на рисунке 2. Различные схемы, например, с временным разделением каналов (TDMA) или с частотным разделением каналов (FDMA) и бинарной модуляцией или М-модуляцей сравниваются в источнике [77]. Подход «снизу вверх» обозначает, что алгоритмы узла должен знать аппаратные средства и использовать возможности микропроцессоров и передатчиков для минимизации потребления энергии. Это может привести к разработке различных конструкций узла. А различные конструкции узлов приведут к различным типам сенсорных сетей. Что в свою очередь приведет к разработке различных алгоритмов их работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Final report on the interagency workshop on research issues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000) 36–40.

J. Agre, L. Clare, An integrated architecture for cooperative sensing networks, IEEE Computer Magazine (May 2000) 106–108.

I.F. Akyildiz, W. Su, A power aware enhanced routing (PAER) protocol for sensor networks, Georgia Tech Technical Report, January 2002, submitted for publication.

A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirect TCP for mobile hosts, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, May 1995, pp. 136–143.

P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, The mobile patient: wireless distributed sensor networks for patient monitoring and care, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.

M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Upper bounds on the lifetime of sensor networks, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsinki, Finland, June 2001.

P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the physical world, IEEE Personal Communications (October 2000) 10–15.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Подходящие транспортные протоколы для беспроводных сенсорных сетей.

Аннотация

Транспортные протоколы  применяются к WSNs собрали повышенное внимание в последние годы в связи с увеличением применения WSNs для различных наблюдений ситуациях. В статье дан обзор исследований, связанных с транспортными протоколами для WSNs с уделением особого внимания характеристикам управления перегрузкой, надежности, энергоэффективности и эффективного использования ресурсов. Число существующих транспортных протоколов были рассмотрены вместе с их достоинствами и недостатками. Наконец, некоторые нерешенные вопросы, которые в списке, которые могут стать основой для дальнейших исследований в этой области.

 6. Введение

За последнее десятилетие  мы стали свидетелями огромного  роста применения беспроводных технологий. Параллельно с ростом беспроводной связи, наблюдается мощный импульс  в интернете услуг. В результате, значительные усилия были по активизации  оригинального набора Интернет-протоколов, которые в основном предназначены для проводных средств массовой информации для того, чтобы сделать его пригодным для беспроводных средств массовой информации. Первый такой Интернет-протокол поддержки мобильности как стандартизированные IETF В работе [1]. Появление новых технологий в обоих беспроводной связи и электроники сделало возможность использования множества маленьких, дешевых и низких датчиков мощности узлов, которые могут общаться друг с другом, образуя большую сеть. Эти беспроводные датчики сетей (WSNs) нашли применение в области дома, здоровья и военной разведки [2].протокол стек для сенсорных сетей состоит из пяти слоев, т. е. физический уровень, канальный уровень, сетевой уровень, транспортный уровень, и прикладном уровне [2]. Эта статья сосредоточена на транспортном уровне стека протоколов, что является ответственным за обеспечение потока данных. Два наиболее широко известных протоколов, используемых в транспортном уровне для проводных сетей Transmission Control Protocol (TCP) [3] и User Datagram Protocol (UDP) [4]. TCP-соединение ориентированный протокол, и в классической TCP отправитель начинает инъекционных несколько пакетов сегментов в сети, вплоть до размера окна, объявленного получателем после установления соединения с помощью трехэтапного протокола. Хотя TCP обеспечивает надежный механизм для транспортировки пакетов, но использование оконное управления потоком может привести к заторам в сети. С другой стороны, UDP минимальный, протокол без установления соединения, которые не предлагают надежности и упорядоченности пакетов, но ведет себя быстрее TCP, чем за счет снижения накладных расходов. В этой статье мы остановимся на определении характеристик транспортных протоколов вместе с примерами некоторых специально разработанных транспортных протоколов WSNs и возможность использования либо TCP или UDP для беспроводных сенсорных сетей с некоторых изменений и всеобъемлющей литературы обзор исследований, связанных с указанной темой предоставляется. Схема работы выглядит следующим образом: Начнем с описания основных характеристик транспортного протокола и вопросы, связанные с транспортными протоколами в беспроводной среде, представленные в Разделе 2. За ним следует краткое изложение некоторых из предложенных решений в разделе 3 и § 4 подчеркивается нерешенных вопросов, связанных с транспортными протоколами для WSNs. Затем мы кратко изложим наши заключительные замечания в разделе 5.

 

 

7. Характеристики транспортных протоколов

В этом разделе мы собираемся дать краткое введение в некоторых  аспектах, которые будут служить  основой для изучения пригодности  различных уже предложенных транспортных протоколов.

7.1 Управление перегрузкой

Явление  перегрузка  возникает и в сети, когда скорость отправки пакетов больше, чем их получения. Перегрузка в сети может быть определена, когда скорость передачи отправителем пакетов, выше чем скорость получения их приемником. Перегрузка в сети может быть обнаружена путем мониторинга узла заполнения буфера, и загруженности беспроводной линии. UDP не имеет ни какие механизмы слежения за перегрузкой, в то время как ТСР работает на базе оконных методов, чтобы избежать перегруженности сценария. ТСР улучшает управление перегрузкой, пытаясь предугадать заторы с учетом количества фактического потока данных тем самым регулируя размеры окна. Кроме того, методы избежания  скопления заторов в WSN должны быть хорошо разработаны, из-за ограниченности ресурсов буферизации и мощности узлов датчика.

7.2 Надежность 
Надежность является одним из наиболее важных критериев для оценки качества беспроводных сенсорных сетей и охватывает не только транспортные вопросы, но также связана с возможностью ощутить физическое явление. Проблеме обеспечения надежности связи между узлами  способствует 
присутствие беспроводной связи с более высокой частотой ошибок по битам. В случае WSNs, требованиям надежности транспорта варьируются от одной доставки пакетов такие как высоко агрегированные данные для доставки потока пакетов в связи с периодической отчетности данные [5]. В дополнение к этому, различные приложения требуют различного уровня гарантий для передачи данных, например, отчетность важных событий, распределение запросов к датчику узлов и управления государств в деле, отслеживания приложений требует гарантированной доставки, в то время как доставка требования не очень строга или, другими словами вероятностна, когда различные датчики передают коррелированные показания. Вопрос надежности не может быть только рассмотрены транспортного протокола в случае WSNs, вместо этого она требует перекрестного слой решений для достижения эффективной надежной сети [5]. Кроме того, транспортные протоколы должны обеспечивать справедливость пропускную способность для разных узлов датчика.

 

7.3 Энергоэффективность

Беспроводной датчик узлов  главным образом с батарейным питанием устройства так что важность сохранения энергии очень важное значение в повышении общей жизни этих устройств. Транспортные протоколы привести энергию неэффективности, потому что из-за ее непрерывной повторной передачи устройство принятый в TCP [6]. Как уже упоминалось ранее потери пакетов в WSNs может быть либо из-за высокой вероятности ошибок или перегрузки сети и протокол TCP требует, чтобы потерянные пакеты,  были повторно переданы от отправителя и тщательно проходящие на всем пути промежуточных узлов для достижения конечного пути. Этот механизм не только теряет пропускную способность, но также приводит к значительной потере энергии, кроме ограничения пропускной способности доставки сообщений. Одним из возможных путей улучшения поведения TCP в пользу сохранения энергии является предоставление промежуточных узлов для буферизации сообщений сегментов, которые могут быть повторно передан в местном масштабе в случае потери по пути как это предлагается в [7].