CC BY
15
УДК 621.9:004.38
Вкт.В. ГНАТУШЕНКО, О.О. ПАЛТКО
Нацюнальна металургшна академ1я Украши
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТР1В БЕЗДРОТОВО1 СЕНСОРНО1 МЕРЕЖ1 НА ЧАС 1СНУВАННЯ
Концепцгя бездротових сенсорних мереж привертае увагу через свою здаттсть до самооргатзацп, автономностi та високо '1 вгдмовостшкостг. В рамках досл1дження отримав подальший розвиток nidxid до виршення задачi впливу радiуса передачi даних та перешкод на час життя бездротово'1 сенсорно'1 мережi. 1мтацтне моделювання проведено за допомогою симулятора мереж Саstаliа з низьким енергоспоживанням, що дозволяе моделювати рiвнi передачi даних, фiзичнi процеси, дат про ят збираються на вузлах. Проведений аналiз отриманих даних дае можливкть зробити висновки, що надшнкть зв'язку мiж вузлами залежить вiд топологИ та рiвень потужностi сигналу суттево не впливае на яюсть передачi даних. На споживання енергИ вузлом впливае алгоритм роботи, який побудовано за моделлю збору тформаци. При оцiнцi надiйностi передачi пакетних даних мiж вузлами спостер^аеться спочатку збшьшення втрати пакетiв через недостатнш рiвень сигналу; зi збшьшенням рiвня перешкод кшьюсть доставлених пакетiв збшьшуеться, що може бути обумовлено використанням певних алгоритмiв канального рiвня. Для оптим1зацИ часу кнування бездротово'1 сенсорноi мережi необхiдно брати до уваги як параметри передачi трафi-ку, так i розташування елементiв та вплив перешкод.
Ключовi слова: бездротова сенсорна мережа,параметр, модель, час кнування.
Викт.В. ГНАТУШЕНКО, А.А. ПАЛТКО
Национальная металлургическая академия Украины
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ НА
ВРЕМЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ
Концепция беспроводных сенсорных сетей привлекает внимание из-за своей способности к самоорганизации, автономности и высокой отказоустойчивости. В рамках исследования получил дальнейшее развитие подход к решению задачи влияния радиуса передачи данных и помех на время жизни беспроводной сенсорной сети. Имитационное моделирование проведено с помощью симулятора сетей Са^^аНа с низким энергопотреблением, что позволяет моделировать уровни передачи данных, физические процессы, данные о которых собираются на узлах. Проведенный анализ полученных данных позволяет сделать выводы, что надежность связи между узлами зависит от топологии и уровень мощности сигнала существенно не влияет на качество передачи данных. На потребление энергии узлом влияет алгоритм работы, который построен по модели сбора информации. При оценке надежности передачи пакетных данных между узлами наблюдается сначала увеличение потери пакетов из-за недостаточного уровня сигнала; с увеличением уровня помех количество доставленных пакетов увеличивается, что может быть обусловлено использованием определенных алгоритмов канального уровня. Для оптимизации времени существования беспроводной сенсорной сети необходимо принимать во внимание как параметры передачи трафика, так и расположение элементов и влияние помех.
Ключевые слова: беспроводная сенсорная сеть, параметр, модель, время существования
Vikt.V.HNATUSHENKO, O.O. PALTKO
National Metallurgical Academy of Ukraine
RESAEACH OF THE PARAMETERS WIRELESS SENSOR NETWORK FOR THE DURATION
THE LIFETIME
The concept of wireless sensor networks attracts attention because of its ability to self-organization, autonomy, and high availability. The study was further developed approach to the impact of data-range problems and interference on the lifetime of wireless sensor network. Simulation is performed using the simulator Castalia networks with low power consumption that allows you to simulate data transfer rates, the physical processes for which data are collected on the nodes. The above analysis of the data leads to the conclusion that the reliability of communication between the nodes depends on the topology and the signal strength does not significantly affect the quality of the data. On the node energy consumption affects the algorithm, which is built on the model of information gathering. When evaluating the reliability of transmission of packet data is first observed increase in packet loss between the nodes due to insufficient signal strength; an increase in the number of delivered packets interference increases that can be caused by using a link layer specific algorithms. To optimize the lifetime of the wireless sensor network, you must take into account both the traffic parameters and location of components and the effect of noise.
Keywords: wireless sensor network, the parameter model, lifetime
Постановка проблеми
Бездротова сенсорна мережа (БСМ) - це розподшена мережа, що самооргашзуеться та складаеться з множини датчикiв (сенсорiв) i виконавчих пристро!в, об'еднаних мiж собою за допомогою радюканалу. Причому область покриття под!бно! мереж! може становити вiд декшькох метрiв до декшькох кiлометрiв за рахунок здатностi ретрансляцп повiдомлень ввд одного елемента до шшого. Концепцiя бездротових сенсорних мереж привертае увагу через свою здатшсть до самооргашзацп, автономностi та високо! вщмовостшшсп. БСМ мереж1 активно застосовуються в системах безпеки i вшськових додатках, в медициш для мониторингу здоров'я, пов'язаного з розробкою бюлопчних сенсорiв, сумюних з iнтегральними схемами сенсорних вузл!в. Найбiльшого поширення БСМ отримали в областi мониторингу навколишнього середовища i живих ютот.
Елементи БСМ взаемодшть один з одним i залежать один ввд одного таким чином, що ввдмови в окремих точках мереж! можуть знизити шформацшну значимiсть переданих даних, при цьому працездатнiсть системи зберiгаеться. У реальних ситуацiях юнують рiзноманiтнi природш i техногеннi перешкоди, вплив яких призводять до вщмов в окремих точках БСС i до спотворення передано! шформаци. На практицi потужшсть елемента живлення одного сенсора невисока, проте надмiрна к1льк1сть сенсорiв, а також правильна органiзацiя !х функцюнування i топологй' сенсорно! мереж1 дозволяе ютотно зб!льшити час безперебiйно! роботи (час життя), забезпечити максимальний час функцюнування вузл!в, надiйнiсть i вщмовостшшсть.
Анaлiз останшх дослiджень
Проблемам, пов'язаним з максимiзацiею часу життя БСМ, присвячено чималу кшьшсть публiкацiй [1-3]. Для повноцшного функцiонування БСС потр!бна зв'язшсть обрано! шдмножини сенсорiв [4-5]. Розглянуто питання вибору сукупносп зв'язкових покритпв, що забезпечують максимальний час життя мереж1 i евристичний метод його ршення [6]. Ефективним способом продовження часу життя БСМ е можливють регулювання областей мониторингу i дальносл передач!. В [7] запропоновано модел покриття обласл сенсорами з адаптивними рад!усами мониторингу та зв'язку. В [8] розглянуто нов! модел! покриття з адаптивними рад!усами мониторингу та зв'язку, як! забезпечують ютотний виграш в економй' енергй' в пор!внянш з вщомими рашше. Наявшсть наведених проблем обумовлюе актуальшсть задач! дослщження впливу перешкод, рад!усу передач! на час повноцшного функцюнування бездротово! сенсорно! мереж!, що дозволить на практичному р!вш знизити трудовитрати при впровадженш систем мониторингу.
Формулювання цшей CTaTTi (постановка завдання)
Метою роботи е збшьшення часу юнування БСМ за допомогою розрахунку впливу потужносп передач! радюсигналу та оцшки перешкод з урахуванням можливосп !! практичного вщтворення, а також проведення !мггацшного моделювання, що забезпечуе отримання оптимального ршення.
Основна частина
Надшшсть бездротових сенсорних мереж визначаеться багатьма факторами, найб!льш суттевими з яких е: надшшсть апаратного i програмного забезпечення вузл!в, область розгортання мереж1, взаемне розташування вузл!в, перюд регламентного обслуговування мереж1, штенсившсть збору i передач! шформаци кшцевими вузлами, розм!р переданих пакепв шформаци.
1мггацшне моделювання проведено за допомогою симулятора мереж Са$1а11а з низьким енергоспоживанням, що дозволяе моделювати р!вш передач! даних, ф!зичш процеси, дан! про як1 збираються в вузлах.
Модуль вузла е складовим. На рис. 1 показана внутршня структура вузла. Сущльш стршки означають передачу поввдомлень i пунктирш - функцп, як! викликаються.
Вузли розташоваш в простор! на однш площиш в обласп розм!ру 45 м на 45 м (рис. 2). Час моделювання 100 с. Кожен вузол з штервалом 100 мс ввдправляе повщомлення, утворююч! р!вном!рний потж повщомлень. При отриманш повщомлення ввд вузла, л!чильник поввдомлень для нього шкрементуеться.
В вдеальних умовах комушкацшного середовища без перешкод майже ва пакети були отримаш (9398%), тобто можемо говорити про надшшсть зв'язку м1ж вузлами з певною ймов!ршстю.
Проведено !мггацшне моделювання роботи БСМ при наявносп перешкод (перешкода - сторонне втручання, що д!е в систем! передач! i перешкоджае правильному прийому сигнал!в) [7]. Джерела перешкод можуть перебувати як зовш, так i всередиш само! системи передач!. Прикладами зовшшшх перешкод можуть служити предмети як! перешкоджають проходженню сигналу, атмосферш явища, приклади внутршшх - збо! пристрою.
Величина перешкод в систем! Castalia задаеться параметром SN.wirelessChannel.sigma, а сама величина перешкод розраховуеться за формулою [1]:
PL(d) = PL(dо) +10 • п • 1og(d) +
d о
де PL(d) - втрати передач! на вщстань d , PL(d0) е ввдомим значенням втрати на початково! вщсташ d0 , п - показник втрат, i XCT е випадковою величиною з! стандартним вщхиленням с .
фiзичний piBeHb
Бездротовий канал Бездротовий канал
Рисунок 1 - Структура модуля вузла
Рисунок 2 - Запуск моделювання в систем! Castalia
На рис. 3 видно, що 3Í збшьшенням параметра Sigma ймов1ршсть доставки пакета зменшуеться, а значить i надшнють, проте ж р1зкого зростання зниження немае. 1з зростанням величини перешкод кшькють
отриманих пакепв не падае значно, тобто можемо говорити, що надшшсть вже не залежить ввд piBHa перешкод, що може бути обумовлено протоколом канального piBua.
Sigma
■ Узел 1 ■ Узел 2 ИУзелЗ «Узел 4 ■ Узел 5 I Узел 6 Узел 7 I Узел 8 Узел 9
99
97
IQ D 7Ё 81
100 11
0 13 5
Рисунок 3 - Юльюсть пакепв, отриманих при р1зних р1внях перешкод
Проведено аналiз впливу потужносп радiо-модуля при передачi поввдомлень. На рис. 3 представлена дiаграма, що iлюструe кшьшсть пакепв як отримав п'ятий вузол ввд iнших, де ТхРвм>вг - параметр, який вiдповiдаe за рiвень потужностi радiо-модуля. 1з зростанням величини потужносп кiлькiсть отриманих пакетiв зростае та остаеться подальше стабiльною, тобто надшшсть вже не залежить ввд рiвня потужностi
радю-модуля.
TxPower
I Узел 1 ■ Узел 2 ■ Узел 3 ■ Узел 4 ■ Узел 5 Узел 6 Узел 7 Узел 8 Узел 9
89
100
93
100
92
100
96
70 100 63 100
100
71 100 74
7
97 7
96
100 4 95
58
55
56 54
О -1 -3 -5
Рисунок 3 - Им. mit ршня потужносп радю-модуля на число отриманих пакетш
Час юнування бездротово! сенсорно! мереж1 залежить ввд часу роботи вузлiв та припинення роботи одного вузла приводить до припинення роботи вас! мереж!. Отже, розглянемо, яку кшьшсть енергп споживае вузол БСМ.
Модуль споживаних ресурав вщображае шльшсть споживано! кожним вузлом енергш. Максимальний час роботи (в годинах), при використанш двох батарейок АА, кожного вузла розраховано у
табл. 1.
Таблиця 1
_Час роботи вузлiв БСМ (годин)_
node=0 103,8737 node=10 103,8768 node=20 103,8773 node=30 103,8697
node=1 103,8740 node=11 103,8727 node=21 103,8742 node=31 103,8745
node=2 103,8763 node=12 103,8725 node=22 103,8709 node=32 103,8692
node=3 103,8727 node=13 103,8714 node=23 103,874 node=33 103,876
node=4 103,8735 node=14 103,8740 node=24 103,8735 node=34 103,8694
node=5 103,8714 node=15 103,8725 node=25 103,8768 node=35 103,8709
node=6 103,8758 node=16 103,8747 node=26 103,8694
node=7 103,8763 node=17 103,8742 node=27 103,877
node=8 103,8727 node=18 103,8697 node=28 103,877
node=9 103,8747 node=19 103,8714 node=29 103,7856
При проведенш експерименпв з р1зним р1внем перешкод та р1внем потужносп радю-модуля к1льк1сть спожито! енергп вузлом вщр1знялась не бшьш чим 0,1%.
Висновки
В рамках дослщження отримав подальший розвиток шдхщ до виршення задач1 впливу рад1уса передач1 даних та перешкод на час життя БСМ. Проведений анал1з отриманих даних дае можливють зробити наступи висновки: при оцшщ надшносп передач1 пакетних даних м1ж вузлами спостертаеться спочатку зб1льшення втрати пакепв через недостатнш р1вень сигналу; з1 збшьшенням р1вня перешкод к1льк1сть доставлених пакепв зб1льшуеться, що може бути обумовлено використанням певних алгоршшв канального р1вня. Надшшсть зв'язку м1ж вузлами залежить вщ топологи, р1вень потужносп сигналу суттево не впливае на як1сть передач! даних. на споживання енерги вузлом впливае алгоритм роботи, який побудовано за моделлю збору шформаци. Для оптим1зацп часу юнування бездротово! сенсорно! мереж1 необх1дно брати до уваги як параметри передач1 траф1ку, так i розташування елемент1в та вплив перешкод.
Список використаноТ лiтератури
1. Dargie, W. Fundamentals of wireless sensor networks: theory and practice / W. Dargie, C. Poellabauer. — John Wiley and Sons, 2010. — 330 p.
2. Zhao, Q. Lifetime maximization for connected target coverage in wireless sensor networks / Q. Zhao, M. Gurusamy // IEEE/ACM Transactions on Networking. — 2008. — Vol. 16(6). — P. 1378—1391.
3. Hnatushenko, Vict. Optimization model lifetime wireless sensor network / Alexandr Mihalyov, Victoriia Hnatushenko, Vladimir Hnatushenko, Nataliia Vladimirska // Proceedings of the 2015 IEEE 8th International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced - IDAACS'2015 (Warsaw, Poland, September 24-26, 2015). — Vol. 2. — Warsaw, Poland. — P. 867—871.
4. Cardei, I.M. Energy-efficient connected-coverage in wireless sensor networks / I. Cardei, M. Cardei // Int. J. of Sensor Networks. — 2008. — Vol. 3(3). — P. 201—210.
5. Ерзин, А.И. Задача выбора совокупности связных покрытий в беспроводных сенсорных сетях / А.И. Ерзин, В.В. Залюбовский // Труды ИВМиМГ СО РАН. Новосибирск. Серия: Информатика. — 2008. — Вып. 8. — C. 23—28.
6. Nguyen, N.D. Energy-efficient models for coverage problem using sensors with adjustable sensing range./ N.D. Nguyen, V. Zalyubovskiy, M.T. Ha, H. Choo// IEEE Wireless Communication and Networking Conference (WCNC 2010) (Sidney, Australia, April 18-21, 2010). — P. 1234—1267.
7. Marta, M. Improved sensor network lifetime with multiple mobile sinks / M. Marta, M. Cardei // Pervasive and Mobile Computing. — 2009. — Vol. 5(5). — P. 542—555.
8. Zalyubovskiy,V. Energy-efficient Area Coverage by Sensors with Adjustable Ranges / V. Zalyubovskiy, A. Erzin, S. Astrakov, H. Choo // Sensors. — 2009. — Vol. 9(4). — P. 2446—2460.
