CC BY
83
--------------------------□ □------------------------------
У статті розглянуті деякі аспекти підвищення енерго-ефективності в бездротових сенсорних мережах (БСМ). Запропоновані співвідношення для розрахунку споживання енергії вузлом БСМ дозволяють оцінити витрати заряду батареї, використовуючи первинні параметри, при різних функціях, що виконуються, шляхом комбінації
Ключові слова: ініціалізація, енергоциклограма, енергое-фективність, зв’язність
□---------------------------------------------□
В статье рассмотрены некоторые аспекты повышения энергоэффективности в беспроводных сенсорных сетях (БСС). Предложенные соотношения для расчета потребления энергии узлом БСС позволяют оценить расход заряда батареи, используя первичные параметры, при различных выполняемых функциях путем комбинации
Ключевые слова: инициализация, энергоциклограмма, энергоэффективность, связность
□---------------------------------------------□
This article discusses some aspects of energy efficiency in wireless sensor networks (WSN). The correlation are proposed for calculating the energy node WSN allow estimating consumption of battery power, using the initial parameters for the various functions performed by combination
Keywords: initialization, energy cycle diagram, energy efficiency, connectivity --------------------------□ □------------------------------
УДК 004.051
АНАЛИЗ
ЭНЕРГОЦИКЛОВ
УЗЛОВ
БЕСПРОВОДНЫХ
СЕНСОРНЫХ
СЕТЕЙ
A.Н. Зеленин
Кандидат технических наук, профессор* Контактный тел.: (057) 345-00-83
B. А. Власова
Аспирантка* E-mail: zlata_ne@bk.ru *Кафедра «Сети связи» Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, 61166
1. Введение
Эффективность использования энергии имеет первостепенное значение для беспроводной сенсорной сети (БСС), т.к. ее срок службы должен быть достаточно большой. Много работ посвящено именно этой проблеме. Все сходятся во мнениях - каждый алгоритм, протокол, каждая процедура (маршрутизация, позиционирование и т.п.), каждый сетевой аспект (такой как, например, топология) должны быть оптимизированы по энергопотреблению наряду с оптимизацией выполнения основной функции. Основные аспекты этих вопросов рассмотрим далее. Существует множество подходов и системных решений для повышения энергоэффективности БСС, но большинство авторов пренебрегают вопросами экономии энергии при разных этапах работы на протяжении ее жизненного цикла, таких, например, как этап инициализации (разворачивание сети).
2. Оценка энергозатрат узлов в рамках циклов
Выделим аспекты, которые нуждаются в многокритериальной оптимизации при инициализации БСС:
1) Энергетическая эффективность в сравнении со связностью. Потребление энергии имеет решающее значение для большинства сенсорных сетей на этапе инсталляции. Он требует значительного времени. На этом этапе важно не израсходовать значительную часть энергии, поскольку самоконфигурирование значительно увеличивает количество информации и связанные с этим накладные расходы (потребление
энергии). Обычно потребление энергии и задействование наибольшего числа узлов являются компромиссом. С одной стороны, можно потратить много энергии и настойчиво искать соседние узлы, тем самым сформировать наиболее полную топологию. Однако, если узлы не могут принять участи в инициализации (например, слишком удалены или повреждены), то такой подход - напрасная трата энергии. С другой стороны, минимизация транзакций для поиска соседей и пониженные уровни передачи уменьшают не только потребление энергии, но и связность.
2) Обнаружение соседей. На начальном этапе работы можно сократить время обнаружение соседей в своей окрестности, что позволяет быстро настроить топологию. В то время как в спящем режиме узел не может иметь информацию о своих соседях (по крайней мере, оперативную), то необходим первоначальный обмен информацией, который довольно энергозатратен. Таким образом, обнаружение соседей должно проходить на завершающем этапе развертывания, чтобы избежать повторного поиска в окрестности в то время, как некоторые узлы еще только присоединяются. При выходе из режима сна все соседи должны быть доступны. Таким образом, обнаружение происходит после пробуждения всех узлов.
На рис. 1 [1] показана последовательность состояний узлов при инициализации сети. При получении управляющего сигнала изменяется соответствующее фактическое состояние.
Использование управляющих сигналов позволяет переключать узлы из пассивного режима («сон») в активный (обмен информацией) и обратно. Это повышает энергоэффективность за счет энергосберега-
Е
ющего режима ожидания. При запуске/перезапуске сети (режимы инициализации, эксплуатации, пере-конфигурирования и пр.) предоставляются функциональные возможности проверки связи с соседями установлением краткосрочных соединений. Таким образом, в БСС поддерживается актуальная информация о целостности сети.
3. Прием сигнала активизации разрядностью
(2Яа(1г + + Ясгс + Я5ег) со скоростью С с энергией ^ ,
проверка адресата.
4. Включение МК за время ^с с потреблением Е и АЦП с потреблением ^с .
5. Измерение значения контролируемого параметра за время ^ с потреблением ^с.
Спящий режим X/ ® Режим обнаружения © Рабочий режим
о о ^0 ° ° О Только прослушивание канала Определение соседей У? Установление топологии
Сигнал активации Ожидание Ожидание
X/
Ожидание Сигнал «Сон»
Рис. 1. Состояние узлов при инициализации
Рассмотрим режим работы сети с точки зрения потребления энергии. В БСС применяются циклы сбора данных с длительностью т , в течение которых запрашиваются данные о значении контролируемого параметра п раз. Между запросами датчик находится в спящем режиме с минимальным потреблением энергии ^. Во время запроса БС рассылает сигнал активизации мотов с конкретными адресами , которые находятся в необходимой области. Приемник мотов улавливает этот сигнал, проверяет получателя
и, если сигнал адресуется ему, переходит в активный режим, включая питание микроконтроллера (МК) и АЦП за время ^с и ^ (это время включения АЦП и измерения). МК обрабатывает информацию с АЦП за время ^. Активизируется приемник за время ^ для прослушивания канал на наличие несущей (возможна передача соседними мотами и одновременная передача с ними приведет к коллизии) на время ^ . При отсутствии несущей активизируется передатчик за время ^ и передается информация - активизация мота, выбранного для ретрансляции с адресом , символы синхронизации , свой адрес , контрольная сумма Ясгс , другая служебная информация Я5ег со скоростью С , в ответ мот-ретранслятор передает квитанцию о готовности принять сообщение. Мот-отправитель снова прослушивает канал, активизирует передатчик и передает служебную информацию (адреса отправитель-получатель, биты синхронизации, контрольная сумма и т.д.) и непосредственно результат измерения контролируемого параметра Яа(1с (в простейшем случае количество символов результата измерения равно разрядности АЦП). После завершения передачи активизируется приемник на время ^ для получения подтверждения (квитанция) о безошибочном приеме. После получения квитанции мот переходит в спящий режим.
Удобнее всего рассмотреть эти режимы на энергоциклограммах.
1. Ждущий режим, минимальное потребление энергии: ц.
2. Включение приемника за время ^ с расходом энергии ^.
,18
20
\ Р'22
Рис. 2. Циклограмма энергопотребления мота
6. Выключение АЦП.
7. Обработка МК результатов измерения с АЦП за время ^ с потреблением ^с .
8. Выключение МК.
9. Прослушивание канала на наличие несущей в течение ^ с потреблением ^.
10. Включение передатчика за время ^ с потреблением ^.
11. Передача пакета активизации ретранслятора
разрядностью (Яайг + + Ясгс + Я5ег) со скоростью С с
энергией ^.
12. Выключение передатчика.
13. Включение приемника за время ^ с расходом энергии ^.
14. Работа приемника в течение ^ и получение
квитанции разрядностью (2Яа(1г + + Ясгс + Я5ег) со ско-
ростью С.
15. Прослушивание канала на наличие несущей в течение ^ с потреблением ^.
16. Включение передатчика за время ^ с потреблением ^.
17. Передача информации о результате измерения
разрядностью (2Яа(1г + Яа(1с + + Ясгс + Я5ег) со скорос-
тью С и потреблением ^.
18. Выключение передатчика.
19. Включение приемника за время ^ с потреблением энергии ^.
20. Работа приемника в течение ^ и получение
квитанции разрядностью (2Яа(1г + + Ясгс + Я5ег) со ско-
ростью С.
3
21. Выключение приемника.
22. Ждущий режим с потреблением энергии ц .
Тогда потребление энергии мотом за 1 цикл с за-
данным количеством опросов можно представить в виде:
ii ={т- п '[4tr + tmc + Е + tc + 2 '(^ + ^ + tp ) + (10 ' Я^г + Я;Л + 5 ' (Я, + Ясгс + Я,ег ))' С]}' Іs +
+п ' tr ' ^ + п '(2 '^ + Я, + Ясгс + Я,ег )' С ' Іr + п ' tmc ' Е + П ' Е ' Е + П ' ^ ' Е + П ' ^ ' Іr +
+ п ' t| ' ^ + п ' tt ' it + п ' (2 ' Я^г + я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' ^ + п ' ^ ' Іr + п ' Ч ' Іr + (1)
+П ' (2 ' Кааг + Я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' Іr + П ' tl ' Іr + П ' ^ ^ +
+П ' (2 ' Кааг + Каас + Я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' Ч +
+ П ' ^ ' Іr + П ' Ч ' Іr + П (2 ' Кааг + Я, + Ясгс + Я,ег )' С ' Іr,
или после несложных математических преобразований:
Іi ={Т- П '[4tr + tmc + ^ + tc + 2 '(^ + ^ + Ч ) + (10 ' Кааг + Я;Л + 5 ' (Я, + Ясгс + Я,ег )) ' С]}' ^ +
+ 2п ' (2^. + t| + tp ) ' ^ + 3п ' (2 ' Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' ^ + п ' (tmc + tc ) ' Іmc + П ' tm ' Е + (2)
+2П ' ^ ^ + П ' (4 ' Кааг + Каас + 2 ' (Я, + Ясгс + Я,ег )) ' С ' V
где ^ - ток, потребляемый мотом за 1 цикл; т -длительность цикла; п - количество запросов за цикл; ^с - время включения МК; tt - время включения передатчика; ^ - время включения приемника;
^ - время измерения; ^ - время ожидания сигнала приемником; ^ - время прослушивания канала;
^ - время обработки информации МК; ц - ток, потребляемый в режиме сна; ^с - ток, потребляемый МК; ^ - ток, потребляемый передатчиком; ir - ток, потребляемый приемником; ^ас - ток, потребляемый АЦП; Яаас - количество символов результата измерения; Яааг - количество символов адреса; Я, - количество символов синхронизации; Я,ег - количество служебных символов; Ясгс - разрядность контрольной суммы; С - скорость передачи информации.
Для мота-ретранслятора справедлив следующий принцип потребления энергии при ретрансляции от к соседей без агрегации.
Если данный мот выбран в качестве ретранслятора соседним мотом, то после получения сигнала активации, активизируется приемник, принимается сигнал, отправляется квитанция, активизируется следующий мот-ретранслятор, включается передатчик и передается информация.
Рис. 3. Циклограмма энергопотребления мота при ретрансляции
1. Ждущий режим, потребление энергии ^ .
2. Включение приемника за время ^ с расходом энергии ^.
3. Прием сигнала активизации разрядностью (2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью С с энергией ^ ,
проверка адресата.
4. Прослушивание канала на наличие несущей в течение ^ с потреблением V
5. Включение передатчика за время ^ с потреблением ^.
6. Передача сигнала готовности к приему разрядностью
(2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег )
со скоростью С и потреблением it.
7. Выключение передатчика.
8. Работа приемника в течение ^ и прием информации о результате измерения разрядностью
(2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью С и потреблением ^.
9. Включение МК за время tmc с потреблением
10. Обработка МК полученной информации за время ^ с потреблением imc.
11. Выключение МК.
12. Прослушивание канала на наличие несущей в течение ^ с потреблением ^.
13. Включение передатчика за время tt с потреблением it.
14. Передача квитанции разрядностью
(2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью Си потреблением ^.
15. Передача сигнала активизации ретранслятора разрядностью
(2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью Си потреблением ^.
16. Выключение передатчика.
17. Работа приемника в течение tp и получение сигнала готовности к приему разрядностью (2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью С.
18. Прослушивание канала на наличие несущей в течение ^ с потреблением ^.
19. Включение передатчика за время tt с потреблением ^.
20. Передача ретранслируемой информации разрядностью (2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью С и потреблением ^ .
21. Выключение передатчика.
22. Работа приемника в течение ^ и получение квитанции разрядностью (2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью С.
23. Выключение приемника.
24. Ждущий режим с потреблением энергии ц.
Потребление энергии при ретрансляции к сообщений:
(Г
(3)
^ = {Т - П ' к [5Ч + tmc + tc + 3 ' (^ + ^ + tp ) + (16Яааг + 2Яаас + 8 ' (Я, + Ясгс + Я,ег )) ' С]} ' Іs +
+п' к' tr' ^ + п' к' (2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег)' С - ^ + п - к - ^ ^ + п' к - ^' it +
+п' к' (2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег)' С' it + п' к' tr' ir + п' к' tp' ir +
+ п' к' (2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег)' С' ^ + п' к' tmc' imc + п' к' tc' imc + п' к' ^' ir +
+п' к' ^ ^ + п' к' tt' it + п' к'(2Яааг + Яэ + Ясгс + Я^)' С' it +
+п' к '(2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег )'С' it + п' к' tr' ^ + п' к' tp' ir +
+п'к'(2Яааг + Яэ + Ясгс + ЯЭег)'С'ir + п'к'^ 'ir + п'к'tt'^ +
+ п ' к ' (2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' Іt +
+п' к'^^ + п' к' tp' ir + п' к (2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег) С' ir,
где к - количество соседей, которые ретранслируют сообщения через данный мот.
После несложных математических преобразований получим:
^ = {т- п ' к[*г + tmc + tc + 3 ' (^ + tt + Ч) + (16Яааг + 2Яаас + 8 ' (Я, + Ясгс + Я,ег))' С]}' Ц +
+5п' к' ^' ir + 3п' к' (2Яааг + Яэ + Ясгс + Я^)' С' ir + 3п' к' ^ ' ir + 3п' к' tt' ^ +
+ 3п' к' (2Яааг + Я, + Ясгс + Я^)' С' ^ + 3п' к' tp' ir + (4)
+п ' к ' (2Яааг + Яаас + Яэ + Ясгс + Я^ ) ' С ' Іr + п ' к ' tmc ' ^с + п ' к ' tc ' Іmc +
+п ' к ' (2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' Іt.
Также в БСС существует возможность агрегировать информацию от соседей. Тогда длина посылки увеличится, но уменьшится количество квитанций, ожиданий и т.п. Однако, если получатель при проверке обнаружит ошибку, отправителю придется заново передавать всю посылку. В некоторых алгоритмах предусмотрено частичная пересылка данных (пакета), которые были приняты с ошибками.
Пояснения к рис. 4 аналогичны пояснениям к рис.
3, за исключением:
8. Работа приемника в течение ^ и прием информации о результатах измерения к мотов разрядностью к (2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью С и потреблением^.
20. Передача ретранслируемой информации разрядностью к (2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег) со скоростью С и потреблением ^ .
Потребление энергии при такой ретрансляции:
ii = {т - п [5tr + tmc + ^ + 3 '(tl + tt + tp ) + (16Яааг + 2Яаас + 8 ' (Я, + Ясгс + Я,ег )) ' С]} ' ^ +
+5п ' ^ ' ir + 3п ' (2Яааг + Яэ + Ясгс + Я^ ) ' С ' ^ + 3п ' t| ' ir + 3п ' ^ ' it +
+ 3п ' (2Яааг + Я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' Ч + 3п ' tp ' ^ +
+п ' к ' (2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' Іr + п ' tmc ' Е + п ' tc ' Е +
+п ' к ' (2Яааг + Яаас + Я, + Ясгс + Я,ег ) ' С ' Іt.
Данные соотношения являются ориентировочным для оценки среднего потребления энергии ьым мотом. Идеологически они сходны с [2], но уточненные для первичных параметров (начальных условий, которые не выражаются через более простые).
Таким образом, они позволяют конкретизировать такие параметры, как время приема/передачи, состояний перехода (включение/отключение, прослушивания канала), обработки и т.п. Т.к. моты в зависимости от положения могут выполнять различные
задачи, то можно говорить о том, что имеют место комбинации формул (2), (4) и (5) для моделирования энергопотребления сети при заданных начальных условиях, как для каждого отдельного мота, так и для оценки суммарного внутрисетевого, внутрикла-стерного потребления. Если преобразовать результаты расчетов по данным соотношениям в относительные единицы (например, на 1 бит информации), то появляется возможность сравнивать принципы организации передачи данных в БСС.
Комбинацию формул (2) и (5) можно назвать относительно универсальной моделью потребления ьго мота, т.к. число узлов-ретрансляторов в сети является сравнительно большим.
Стоит отметить, что протоколы МАС-уровня могут существенно влиять на потребление энергии и оперативность при инициализации сети. МАС- протоколы с гарантированным доступом сложнее и более требовательны, чем протоколы со случайным доступом. При случайном доступе у узла выключен передатчик, приемник прослушивает канал на наличие несущей и, если ее нет, передает информацию [3]. Эта концепция имеет хорошие показатели энергоэффективности если в сети нет большого трафика. Также можно настроить расписание передачи в соответствие с известной нагрузкой канала.
Есть варианты создания кластерных структур для оптимизации процесса инициализации [1], но они являются довольно сложными и трудно реализуемыми на узлах с ограниченными ресурсами. Кроме того, глава кластера неэффективно расходует энергию в сравнении с узлами в кластере, что ограничивает использование в гомогенных сетях.
В общем случае БСС являются гомогенными одноранговыми сетями с многоячейковой топологией. Все узлы равноправны и выступают в роли ретрансляторов информации. Поэтому актуальны задачи:
- поиск эффективных маршрутов. Эффективным можно считать маршрут, если для доставки информации от отправителя до получателя было затрачено минимум суммарной энергии.
- обеспечение максимального времени жизни сети. Время жизни - это срок работы сети до момента, когда заряд источников питания определенного числа узлов истощится, связность сети нарушится и сеть уже не сможет выполнять свои транспортные функции. Для увеличения времени жизни сети необходима целостная концепция функционирования сети - настройка расписания передачи для уменьшения длительности цикла сбора информации, равномерное распределение трафика и т.п.
(5)
3
Рис. 4. Циклограмма энергопотребления мота при ретрансляции агрегированной
информации
Все эти задачи активно решаются, но подходы к ним различны.
Задача поиска эффективного маршрута формулирует ряд подзадач:
- определение эффективного маршрута в рамках энергопотребления одного узла (т.е. ретрансляция к самому ближнему узлу предпочтительнее);
- определение принципов эффективной маршрутизации в рамках оптимального энергопотребления всей сети (пересекается с задачей максимизации времени жизни сети).
Если первая задача достаточно просто решается методами обработки (сжатия) информации, то вторая требует балансировки трафика (выявление и исключение высокой нагрузки на отдельных узлах, которые находятся на пересечении нескольких маршрутов). Также актуален вопрос эффективности общесетевого энергопотребления при ретрансляции информации: до ближайшего узла? или до узла, находящегося на границе области покрытия узла-отправителя?
Топология сети - не менее важный вопрос при рассмотрении энергопотребления узлов. От выбора топологии существенно зависят потоки трафика и их равномерность распределенения в сети.
Топология «звезда» - наиболее простая по конфигурации топология. Узлы напрямую соединены с базовой станцией (БС). Недостаток данной топологии заключается в малой гибкости и ограниченной сфере применения [4]. Из-за отсутствия ретрансляции
- данная топология имеет высокие показатели энергоэффективности.
Топология «шина-звезда» (комбинированная) - основным преимуществом такой схемы являются простота подключения новых узлов, а недостатками - низкая надежность (выход из строя коммутатора парализует всю сеть) и невысокая производительность (невозможность одновременной передачи) [5]. Узлы-ретрансляторы имеют высокую нагрузку, из-за чего быстро выходят из строя, изолируя оконечные узлы.
Топология «многоячейковая сеть» - все узлы являются маршрутизаторами. Сети с такой топологией надежны, но среднее энергопотребление узлов возрастает, и его расчет усложняется, так как необходимо рассматривать суммарный сетевой трафик, то есть учитывать как пакеты данных, источником которых является непосредственно сам узел, так и пакеты, которые он принимает и передает, выполняя функции ретранслятора. Следовательно, срок службы элементов питания узла будет существенно зависеть от его положения в топологии сети и направлений прохождения сетевого трафика. [4]
3. Заключение
Энергопотребление - ключевой вопрос повышения качества БСС, поэтому проблема его расчета является первостепенной при создании таких сетей. Предложенные соотношения для оценки потребления энергии узлов БСС в зависимости от длины сообщения, скорости, количества соседей и т.д. позволяют на этапе проектирования выполнять сравнение принципов построения сети для поиска наиболее эффективного.
Также можно получить оценку характеристик сети без дорогостоящего натурного моделирования и определить применимость модулей различных производителей для конкретной сети.
Литература
1. Meier A., NoSE: Efficient Maintenance and Initialization of Wireless Sensor Networks [Электронный ресурс]/ A. Meier, M. Woehrle,
M. Weise, J. Beutel, L. Thiele // Electronics Laboratory. - 2009. Режим доступа: ftp://ife.ee.ethz.ch/pub/people/andreame/pape-rs/MWWBT2009.pdf.
2. Курпатов Р.О., Исследование и разработка энергоэффективного метода локализации элементов беспроводных сенсорных сетей
[Текст]/ Р.О. Курпатов // Атореф. диссертации на соиск. ученой степени к.т.н. - М. - 2011. - 23 с.
3. Иваненко В.А., Анализ протоколов передачи данных от узлов в беспроводных сенсорных сетях [Текст]/ В.А. Иваненко // Вос-
точно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - 2/10 (50). - С. 9-12.
4. Баскаков С., Оценка энергопотребления беспроводных узлов в сетях MeshLogic [Текст]/ С. Баскаков // Беспроводные техно-
логии. - 2010. - №1. - С. 28-31.
5. Олифер В.Г., Компьютерные сети. Принципы, технологии протоколы: Учебник для ВУЗов [Текст]/ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер.
- 3-е изд. - СПб.: Питер. - 2006. - 958 с.: ил.
€
