Мобильная беспроводная сенсорная сеть

Мобильная беспроводная сенсорная сеть ( MWSN ) ^[1] можно просто определить как беспроводную сенсорную сеть (WSN), в которой сенсорные узлы являются мобильными. MWSN — это меньшая по размеру развивающаяся область исследований, в отличие от их хорошо зарекомендовавшего себя предшественника. MWSN гораздо более универсальны, чем статические сенсорные сети, поскольку их можно развертывать в любом сценарии и справляться с быстрыми изменениями топологии . Однако многие из их приложений схожи, например, мониторинг окружающей среды или наблюдение . Обычно узлы состоят из радиоприемопередатчика и питаемого микроконтроллера , от батареи , а также какого-то датчика для определения света , тепла , влажности , температуры и т. д.

Проблемы

Вообще говоря, в MWSN существует два комплекса проблем; оборудование и окружающая среда. Основными аппаратными ограничениями являются ограниченная мощность батареи и низкие требования к стоимости. Ограниченная мощность означает, что узлам важно быть энергоэффективными. Ценовые ограничения часто требуют использования алгоритмов низкой сложности для более простых микроконтроллеров и использования только симплексного радиомодуля. Основными факторами окружающей среды являются общая среда и меняющаяся топология. Общая среда требует, чтобы доступ к каналу каким-то образом регулировался. Это часто делается с использованием схемы управления доступом к среде передачи (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 обусловлена мобильностью узлов, а это означает, что многопереходные пути от датчиков к приемнику нестабильны.

Стандарты

В настоящее время не существует стандарта для MWSN, поэтому часто заимствуются протоколы из MANET, такие как ассоциативная маршрутизация (AR), специальная дистанционная векторная маршрутизация по требованию (AODV), динамическая маршрутизация источника (DSR) и жадная маршрутизация по периметру без сохранения состояния ( ГПСР). ^[2] Протоколы MANET являются предпочтительными, 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 топология) невозможны для надежной передачи данных о мобильности сенсорных узлов. Вместо единой топологии жизненно важную роль в сборе данных играет гибридная топология, обеспечивающая хорошую производительность. Схемы управления гибридной топологией включают в себя дерево независимого сбора данных кластера ( CIDT ). ^[3] и дерево кластеров Velocity, энергоэффективное и учитывающее каналы связи ( VELCT ); ^[4] оба были предложены для мобильных беспроводных сенсорных сетей (MWSN).

Маршрутизация

Поскольку в этих сетях нет фиксированной топологии, одной из самых больших проблем является маршрутизация данных от источника к месту назначения. Обычно эти протоколы маршрутизации черпают вдохновение из двух областей; WSN и мобильные одноранговые 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 обеспечивать мобильность в сети, но они предназначены для двусторонней связи, которая в сенсорных сетях часто не требуется. ^[5]

Протоколы, разработанные специально для MWSN, почти всегда являются многопереходными, а иногда и адаптацией существующих протоколов. Например, динамическая маршрутизация источника на основе угла (ADSR), ^[6] представляет собой адаптацию протокола беспроводной ячеистой сети Dynamic Source Routing (DSR) для MWSN. ADSR использует информацию о местоположении, чтобы определить угол между узлом, намеревающимся передавать, потенциальными узлами пересылки и приемником. Затем это используется для обеспечения того, чтобы пакеты всегда пересылались в сторону приемника. Кроме того, протокол адаптивной кластерной иерархии с низким энергопотреблением (LEACH) для WSN был адаптирован к 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 узлам приходится регулярно повторно ассоциировать себя с разными головками кластера.

Другой популярный метод маршрутизации — использование информации о местоположении от модуля GPS , подключенного к узлам. Это можно увидеть в таких протоколах, как маршрутизация на основе зон (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 оппортунистическая маршрутизация (GOR), ^[9] — это плоский протокол, который делит сетевую область на сетки, а затем использует информацию о местоположении для гибкой пересылки данных как можно дальше на каждом прыжке.

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

Кроме того, надежная специальная маршрутизация датчиков (RASeR) ^[11] и маршрутизация датчиков с учетом местоположения (LASeR) ^[12] — это два протокола, разработанные специально для высокоскоростных приложений MWSN, например тех, которые используют БПЛА. Оба они используют преимущества многопутевой маршрутизации, чему способствует метод «слепой пересылки». Слепая пересылка просто позволяет передающему узлу транслировать пакет своим соседям, тогда принимающие узлы должны решить, следует ли им пересылать пакет или отбрасывать его. Решение о том, пересылать пакет или нет, принимается с использованием общесетевой метрики градиента, 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 показатели градиента; RASeR использует регулярную передачу небольших пакетов маяков, в которых узлы транслируют свой текущий градиент. Принимая во внимание, что LASeR полагается на использование информации о географическом местоположении, которая уже присутствует на узле мобильного датчика, что, вероятно, имеет место во многих приложениях.

Средний контроль доступа

Существует три типа методов управления доступом к среде передачи (MAC): на основе временного разделения , частотного разделения и кодового разделения . Из-за относительной простоты реализации наиболее распространенный выбор MAC основан на временном разделении и тесно связан с популярным MAC CSMA/CA . Подавляющее большинство протоколов MAC, которые были разработаны с учетом MWSN , адаптированы на основе существующих MAC-адресов WSN и ориентированы на схемы с низким энергопотреблением и цикличностью работы.

Валидация

Протоколы, разработанные для MWSN, обычно проверяются с использованием результатов анализа, моделирования или экспериментов. Подробные аналитические результаты носят математический характер и могут обеспечить хорошее приближение поведения 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 являются самыми дорогими в проведении, и, в отличие от двух других методов, здесь не нужно делать никаких предположений. Это делает их наиболее надежной формой информации при определении того, как протокол будет работать в определенных условиях.

Приложения

Преимущество возможности мобильных датчиков увеличивает количество приложений, помимо тех, для которых используются статические WSN. Датчики можно прикрепить к ряду платформ:

Люди
Животные
Автономные транспортные средства
Беспилотные автомобили
Пилотируемые автомобили

Чтобы охарактеризовать требования приложения, его можно разделить на постоянный мониторинг, мониторинг событий, постоянное сопоставление или сопоставление событий. ^[1] Приложения постоянного типа основаны на времени и поэтому данные генерируются периодически, тогда как приложения типа событий являются драйверами событий, поэтому данные генерируются только при возникновении события. Приложения мониторинга работают постоянно в течение определенного периода времени, тогда как картографические приложения 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, в случае пациента в больнице, или управляемым событием, в случае носимого датчика, который автоматически сообщает о вашем местоположении бригаде скорой помощи в случае чрезвычайной ситуации. К животным могут быть прикреплены датчики, позволяющие отслеживать их перемещения на предмет моделей миграции, привычек питания или других исследовательских целей. ^[14] Датчики также могут быть прикреплены к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) для наблюдения или картографирования окружающей среды. ^[15] В случае автономного поиска и спасения с помощью БПЛА это будет рассматриваться как приложение для картирования событий, поскольку БПЛА используются для поиска территории, но будут передавать данные обратно только тогда, когда человек будет найден.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Т. Хейс и Ф.Х. Али. 2016. «Мобильные беспроводные сенсорные сети: приложения и протоколы маршрутизации» . Справочник по исследованиям систем мобильной связи следующего поколения. IGI Global. ISBN 9781466687325 . стр. 256–292.
^ Б. Карп и HT Кунг . 2000. GPSR: жадная маршрутизация по периметру без сохранения состояния для беспроводных сетей. ^{[ мертвая ссылка ]}. В материалах 6-й ежегодной международной конференции по мобильным вычислениям и сетям (MobiCom '00). стр. 243–254.
^ Р. Велмани и Б. Каартик, 2014. Энергоэффективный сбор данных в плотных мобильных беспроводных сенсорных сетях », ISRN Sensor Networks, vol. 2014 г., № статьи 518268, 10 стр. дои: 10.1155/2014/518268.
^ Р. Велмани и Б. Каартик, 2015. Эффективная схема сбора данных на основе дерева кластеров для крупных мобильных беспроводных сенсорных сетей . Журнал IEEE Sensors, том. 15, нет. 4, стр. 2377–2390. дои: 10.1109/JSEN.2014.2377200.
^ Т.П. Ламбру и К.Г. Панайоту. 2009. Исследование методов маршрутизации, поддерживающих мобильность в сенсорных сетях . В материалах 5-й международной конференции по мобильным одноранговым и сенсорным сетям (MSN'09). стр. 78–85.
^ С. Кванчхоль, К. Ким и С. Ким. 2011. ADSR: Стратегия многоскачковой маршрутизации на основе углов для мобильных беспроводных сенсорных сетей. В материалах Азиатско-Тихоокеанской конференции по вычислительным услугам IEEE (APSCC). стр. 373–376.
^ Д. Ким и Ю. Чунг. 2006. Протокол самоорганизации маршрутизации, поддерживающий мобильные узлы беспроводной сенсорной сети . В материалах 1-го международного мультисимпозиума по компьютерным и вычислительным наукам (IMSCCS'06). стр. 622–626.
^ У. Ахмед и Ф.Б. Хусейн. 2011. Энергоэффективный протокол маршрутизации для зональных сетей мобильных датчиков . В материалах 7-й Международной конференции по беспроводной связи и мобильным вычислениям (IWCMC). стр. 1081–1086.
^ Ю. Хан и З. Лин. 2012. Географически оппортунистический протокол маршрутизации, используемый в мобильных беспроводных сенсорных сетях . В материалах 9-й международной конференции IEEE по сетям, зондированию и управлению (ICNSC). стр. 216–221.
^ А. Аронский и А. Сегал. 2010. Алгоритм многопутевой маршрутизации для мобильных беспроводных сенсорных сетей . В материалах 3-й совместной конференции ИФИП по беспроводным и мобильным сетям. стр. 1–6.
^ Т. Хейс и Ф. Али. 2016. Протокол надежной специальной маршрутизации датчиков (RASeR) для мобильных беспроводных сенсорных сетей . Elsevier Ad Hoc Networks, vol. 50, нет. 1, стр. 128–144.
^ Т. Хейс и Ф. Али. 2016. Протокол маршрутизации датчиков с учетом местоположения (LASeR) для мобильных беспроводных сенсорных сетей . IET Wireless Sensor Systems, vol. 6, нет. 2, стр. 49–57.
^ Х. Ян, Х. Хо, Ю. Сюй и М. Гидлунд. 2010. Система электронного здравоохранения на базе беспроводной сенсорной сети – реализация и результаты экспериментов . Транзакции IEEE по бытовой электронике, том. 56, нет. 4, стр. 2288–2295.
^ С. Эхсан и др. 2012. Проектирование и анализ устойчивых к задержкам сенсорных сетей для мониторинга и отслеживания свободно перемещающихся животных . Транзакции IEEE по беспроводной связи, том. 11, нет. 3, стр. 1220–1227.
^ Б. Уайт и др. 2008. Мониторинг границ облаков загрязнителей с использованием сети датчиков БПЛА . Журнал IEEE Sensors, том. 8, нет. 10, стр. 1681–1692.

[Hayes-1] Перейти обратно: ^а ^б Т. Хейс и Ф.Х. Али. 2016. «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 HT Кунг . 2000. GPSR: жадная маршрутизация по периметру без сохранения состояния для беспроводных сетей. ^{[ мертвая ссылка ]}. В материалах 6-й ежегодной международной конференции по мобильным вычислениям и сетям (MobiCom '00). стр. 243–254.

[3] Р. Велмани и Б. Каартик, 2014. Энергоэффективный сбор данных в плотных мобильных беспроводных сенсорных сетях », ISRN Sensor Networks, vol. 2014 г., № статьи 518268, 10 стр. дои: 10.1155/2014/518268.

[4] Р. Велмани и Б. Каартик, 2015. Эффективная схема сбора данных на основе дерева кластеров для крупных мобильных беспроводных сенсорных сетей . Журнал IEEE Sensors, том. 15, нет. 4, стр. 2377–2390. дои: 10.1109/JSEN.2014.2377200.

[5] Т.П. Ламбру и К.Г. Панайоту. 2009. Исследование методов маршрутизации, поддерживающих мобильность в сенсорных сетях . В материалах 5-й международной конференции по мобильным одноранговым и сенсорным сетям (MSN'09). стр. 78–85.

[6] С. Кванчхоль, К. Ким и С. Ким. 2011. ADSR: Стратегия многоскачковой маршрутизации на основе углов для мобильных беспроводных сенсорных сетей. В материалах Азиатско-Тихоокеанской конференции по вычислительным услугам IEEE (APSCC). стр. 373–376.

[7] Д. Ким и Ю. Чунг. 2006. Протокол самоорганизации маршрутизации, поддерживающий мобильные узлы беспроводной сенсорной сети . В материалах 1-го международного мультисимпозиума по компьютерным и вычислительным наукам (IMSCCS'06). стр. 622–626.

[8] У. Ахмед и Ф.Б. Хусейн. 2011. Энергоэффективный протокол маршрутизации для зональных сетей мобильных датчиков . В материалах 7-й Международной конференции по беспроводной связи и мобильным вычислениям (IWCMC). стр. 1081–1086.

[9] Ю. Хан и З. Лин. 2012. Географически оппортунистический протокол маршрутизации, используемый в мобильных беспроводных сенсорных сетях . В материалах 9-й международной конференции IEEE по сетям, зондированию и управлению (ICNSC). стр. 216–221.

[10] А. Аронский и А. Сегал. 2010. Алгоритм многопутевой маршрутизации для мобильных беспроводных сенсорных сетей . В материалах 3-й совместной конференции ИФИП по беспроводным и мобильным сетям. стр. 1–6.

[11] Т. Хейс и Ф. Али. 2016. Протокол надежной специальной маршрутизации датчиков (RASeR) для мобильных беспроводных сенсорных сетей . Elsevier Ad Hoc Networks, vol. 50, нет. 1, стр. 128–144.

[12] Т. Хейс и Ф. Али. 2016. Протокол маршрутизации датчиков с учетом местоположения (LASeR) для мобильных беспроводных сенсорных сетей . IET Wireless Sensor Systems, vol. 6, нет. 2, стр. 49–57.

[13] Х. Ян, Х. Хо, Ю. Сюй и М. Гидлунд. 2010. Система электронного здравоохранения на базе беспроводной сенсорной сети – реализация и результаты экспериментов . Транзакции IEEE по бытовой электронике, том. 56, нет. 4, стр. 2288–2295.

[14] С. Эхсан и др. 2012. Проектирование и анализ устойчивых к задержкам сенсорных сетей для мониторинга и отслеживания свободно перемещающихся животных . Транзакции IEEE по беспроводной связи, том. 11, нет. 3, стр. 1220–1227.

[15] Б. Уайт и др. 2008. Мониторинг границ облаков загрязнителей с использованием сети датчиков БПЛА . Журнал IEEE Sensors, том. 8, нет. 10, стр. 1681–1692.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]