CC BY
90
Коваленченко А.С.
РЭУ им. Плеханова, г. Москва, студентка факультета математической экономики, статистики и
информатики, snowall@rambler.ru
К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Беспроводные сенсорные сети, методики оценки эффективности функционирования сенсорных сетей, критерии оценки сенсорных сетей, комплексная методика оценки эффективности функционирования.
АННОТАЦИЯ
В статье обсуждаются основные параметры, характеризующие беспроводные сенсорные сети. Приведены недостатки методик оценки эффективности, использующих единичные характеристики. Обоснована необходимость комплексной оценки работы беспроводной сенсорной сети.
Актуальность беспроводных сенсорных сетей обусловлена концепцией интеллектуализации таких объектов как дом, офис и производственные помещения, где человек проводит до 90% своего времени, а также с концепцией создания кибернетических производств (полностью оснащенных роботами), первоочередной задачей которых является внедрение беспроводных технологий на уровне АСУ ТП.
Одним из первых прообразов таких сетей можно считать систему СОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок. В середине 1990-х годов технологии беспроводных сенсорных сетей стали активно развиваться, в начале 2000-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешёвую элементную базу. Беспроводные сети начала 2010-х годов в основном базируются на стандарте ZigBee.
источник
ПИТАНИЯ
г _
- ПОДСИСТЕМА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ИШЕЗЗ^Н 1 г-^ ¡«H
1 КОММУНИКА-
ПОДСИСТЕМА ВОСПРИЯТИЯ 1 1 -! 1________ .1 ЦИОННАЯ 1 ПОДСИСТЕМА [
ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА АЛГОРИТМЫ И ПРОТОКОЛЫ
Рисунок 1. Архитектура сенсорного узла
На сегодняшний момент понятие «сенсорная сеть» (wireless sensor networks) является устоявшимся термином, который характеризует распределенную, самоорганизующуюся систему миниатюрных автономных датчиков - мотов (motes) или сенсоров, которые могут связать воедино глобальные компьютерные сети. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. Наиболее часто используются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации, реже — магнитоэлектрические, химические, звуковые и некоторые другие. От выбора датчика зависит функциональное назначение беспроводной сенсорной сети.
Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер (рис.1).
Подсистема восприятия (или подсистема мониторинга и восприятия) состоит, как правило, из аналогового устройства, снимающего определенную статистику (например, температуру, влажность, частоту сердечных сокращений и т.п.) и аналого-цифрового преобразователя, преобразующего аналоговые данные в цифровые для последующей передачи и/или обработки. Именно эта подсистема определяет ту область или приложение, в котором сенсор может быть использован.
Подсистема обработки данных включает в себя память и центральный процессор, позволяющие хранить и обрабатывать как генерируемые сенсором данные, так и служебные данные, необходимые для корректного и эффективного функционирования коммуникационной подсистемы.
Все методы построения беспроводных сенсорных сетей можно объединить в две группы:
1. С одним главным узлом (single-hop) - мощность передатчика сенсора достаточна для передачи сигнала к базовой станции.
2. С несколькими главными узлами (multi-hop) - некоторые узлы не только собирают информацию о наблюдаемом процессе, но и собирают информацию от других узлов. Основными преимуществами беспроводных сенсорных сетей перед другими
существующими беспроводными и проводными системами являются:
1) установка датчиков на уже существующее производство без дополнительных монтажных работ, что также упрощает техническое обслуживание системы;
2) невысокая стоимость основной составляющей сенсорной сети - датчика;
3) высокая отказоустойчивость сенсорной сети в целом.
Однако сенсорные сети имеют собственные ограничения и проблемы. Основные проблемы сенсорных сетей приведены на рисунке 2.
^ Гроблены и ограничения
подразделяются
| Энергопотребление
Децентрализованное «правление
^ Самоуправление^
Рисунок 2. Список проблем и ограничений в беспроводных сенсорных сетях
Рисунок 3. Процесс сбора данных информации и активации процесса в сенсорных сетях
Сенсорные сети предназначены для преобразования информации, полученной в результате наблюдения за физическим объектом, в форму, которая может быть использована для хранения информации и ее последующем преобразованием. По результатам обработки
информации может быть выработано управляющее воздействие (рис.3).
Каждая беспроводная сенсорная сеть обладает определенным набором параметров, таким
как:
• количество узлов сети;
• скорость передачи данных по каналам связи - параметр определяется битовой скоростью канала. Как правило беспроводная сенсорная сеть состоит их одинаковых устройств, поэтому для всех каналов связи битовая скорость передачи будет одной и той же. Однако, на практике реальная скорость передачи будет ниже и для каждого канала своя, что связано с ошибками при передаче данных по радиоканалу, а также с особенностями использования общей для нескольких устройств среды передачи данных;
• топология сети - определяется наличием или отсутствием радиоканала между любыми двумя узлами;
• плотность размещения узлов - среднее количество расположенных рядом с узлом «соседей»;
• диаметр сети - минимальное количество ретрансляций для передачи данных между двумя самыми удаленными узлами сети;
• задержка в сети - время прохождения от момента возникновения события до момента появления информации о нем на базовой станции;
• время работы сети - работа сети без подзарядки и без замены аккумуляторов;
• пропускная способность - характеризуется объемом информации в единицу времени. Самый распространённый метод определения эффективности системы основывается на
оценке её работы по отдельно взятому критерию. Такой метод оценки эффективности хорош лишь в том случае, когда необходимо выбрать систему, оптимальную по одному из выбранных параметров при заданных условиях функционирования. На сегодняшний день отсутствует методика, позволяющая произвести комплексную оценку эффективности работы беспроводной сенсорной сети. Но что же делать, когда эффективность работы системы нужно оценить по двум и более параметрам?
Эффективность - это свойство системы выполнять поставленную цель в заданных условиях использования и с определенным качеством. Показатели эффективности характеризуют степень приспособленности системы к выполнению поставленных перед нею задач и являются обобщающими показателями оптимальности функционирования ИС, зависящими от локальных показателей, каковыми являются надежность, достоверность, безопасность.
Показатель эффективности сети - это количественная характеристика сети, рассматриваемая применительно к определенным условиям ее функционирования. Он определяется процессом функционирования сети и является функционалом от этого процесса.
Для того чтобы оценить эффективность функционирования беспроводной сенсорной сети необходимо определить назначение сенсорной сети, что позволит выбрать какие параметры необходимо учесть, характеризующие сенсорную сеть. На основе модели сенсорной сети и ее параметров можно произвести комплексную многокритериальную оценку, где каждому параметру будет задан экспертами весовой коэффициент в зависимости от назначения беспроводной сенсорной сети.
Бесгтрсьсдная сенсорпая оеть
Определение на;изменил сенсорной сети
Модель сенсорной
Определение параметров щ сенсорной сети
Комплексное оценивание эффективности функционирования
Эр.
Оценка эффектная ости | функционроаания
Ор.
к Параметры сенсорной сети
Рисунок 4. Методика оценки эффективности функционирования беспроводной сенсорной сети Сенсорные сети можно классифицировать по следующим факторам:
1. По требованиям к скорости передачи показаний датчиков:
• «мгновенная» передача;
• с низкой задержкой - незначительная временная задержка допускается;
• с высокой задержкой - допускается передача с большими временными интервалами.
2. По типу организации электропитания устройств сенсорной сети:
• стационарные - питание всех узлов, независимо от функциональной нагрузки, осуществляется от внешней сети электропитания либо от элементов питания высокой емкости;
• полустационарные - электропитание узлов, подвергающихся наибольшей сетевой нагрузке, осуществляется от внешней сети электропитания либо от элементов питания высокой емкости; оконечные узлы имеют автономные элементы питания;
• автономные - ретрансляторы и рядовые узлы сети имеют собственные ограниченные автономные источники питания.
3. По времени «жизни» сенсорной сети:
• кратковременная - от нескольких часов до нескольких дней;
• среднесрочные - до нескольких месяцев;
• долгосрочные - до нескольких лет.
Задача определения эффективности функционирования является многокритериальной задачей, в которой очень важно предварительное ранжирование показателей (сортирование по степени их важности).
Соответственно для оценки будут созданы 3 типа моделей сенсорных сетей, которые в свою очередь включают 3 подтипа. Далее необходимо описать какие параметры критичны для каждой модели и присвоить этим параметрам максимальный вес, то есть произвести ранжирование. Также необходимо не забывать, что сумма всех весов должна быть равна 1. После этого расставить по приоритетности остальные параметры. У каждой модели получится своя таблица весов на основе экспертного мнения. Таких таблиц будет 9. Весовой критерий позволяет учесть значимость частных критериев, полученных на начальном этапе оценки. В итоге комплексная оценка, а именно показатель эффективности функционирования сенсорной сети рассчитывается по следующей формуле:
n
Э = Х вес{Э{,
i=\
где, как легко догадаться, Э - показатель эффективности, - частные параметры сенсорной сети и eeci - их значимость в рассматриваемой сенсорной сети. Для устранения компенсации одного частного критерия другим х значения используются в приведённом к максимуму форме. Весовые коэффициенты берутся положительными для максимизируемых и отрицательными для минимизируемых частных критериев.
После того как посчитали количественную характеристику эффективности беспроводной сенсорной сети необходимо объективно оценить в процентном соотношении на сколько она близка к «идеалу». Также необходимо составить базу правил на основе которой, мы получим качественную характеристику сети, такую, например, как:
Правило: если «показатель эффективности» не больше 20%, то сеть «неисправна». Предложенная методика в данной статье позволяет дать комплексную оценку работы системы, в отличие от существующей методики оценки по одному критерию, которая не позволяет в полной мере оценить эффективность функционирования сенсорной сети.
Литература
1. Лекционный материал // учеб. пособие по мероприятию программы повышения квалификации для учителей школ г.Москвы по направлению «Беспроводные динамические сенсорные сети» URL: http://miet.ru/.
2. Методы оценки эффективности работы беспроводной сенсорной сети / О.В. Тужилкин, Н.С. Ульянин // Известия ЮФУ Технические науки, 05.2012 г. URL: http://izv-tn.tti.sfedu.ru/.
3. Сергиевский М. Беспроводные сенсорные сети // Компьютер Пресс №8. - 2007. URL: http://compress.ru.
4. Скрипов С.А. Имитационное моделирование беспроводных сенсорных сетей со сложной структурой // Молодой ученый, №1. - 2008 г. - С. 59-66.
5. Смурыгин И.М. Концепция организации беспроводных сенсорных сетей и их применение // Молодежный научно-технический вестник. - М.: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Баумана». - 2012 г.
