CC BY
14
УДК 004.94:004.7
Вкт.В. ГНАТУШЕНКО, ГС.ДМИТРШВА
Нащональна металургшна академ1я Укра1ни
1МОВ1РН1СНИЙ АНАЛ1З СПОЖИВАННЯ ЕНЕРГП У БЕЗДРОТОВИХ
СЕНСОРНИХ МЕРЕЖАХ
Проведено iMoeipmmm aHcmi3 часу життя бездротовог сенсорног мережi i it ey3nie. В якостi основного параметра тривcлостi життя використовуеться кыьтсть спожитог енергп. Розроблено модель для mcni3y розподыу споживання енергп в БСМ i отримаш розподти часу життя вузла i вЫег мережi. Показано, що при достатньо великому перiодi розгляду системи, споживання енергп сходиться до нормального розподту, що значно спрощуе обчислення при виконанш cнcлiзy. Пропонуеться iмовiрнiсний пiдхiд споживання енергп та ан^зу часу кнування бездротовог сенсорног мережi. Розроблена модель тдтверджена стендовими експериментами i моделюванням. Результати показують, що розроблена модель точно вiдображае розподы споживання енергп i фжсуе випадковий характер бездротових сенсорних мереж. Скорочення робочого циклу знижуе споживання енергп, збыьшення або зменшення швидкостi трафк на 0.05 пакет/хв призводить до зменшення ймовiрностi досягнення поставленого термту служби вЫег мережi. Запропонована методика забезпечуе результати для середнього споживання енергп з похибкою менш 3.5%.
Ключовi слова: бездротова сенсорна мережа, ймовiрнiсть, аналiз, енергоспоживання.
Викт.В. ГНАТУШЕНКО, И.С.ДМИТРИЕВА
Национальная металлургическая академия Украины
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ АНАЛИЗ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ
СЕТЯХ
Представлен вероятностный анализ времени жизни беспроводной сенсорной сети и ее узлов. В качестве основного параметра продолжительности жизни используется количество потребленной энергии. Разработана модель для анализа распределения потребления энергии в БСС и получены распределения времени жизни узла и всей сети. Показано, что при достаточно большом периоде рассмотрения системы, потребление энергии сходится к нормальному распределению, что значительно снижает стоимость вычислений при выполнении анализа. Предлагается вероятностный подход потребления энергии и анализа времени существования беспроводной сенсорной сети. Разработанная модель подтверждена стендовыми экспериментами и моделированием. Результаты показывают, что разработанная модель точно отображает распределение потребления энергии и фиксирует случайность беспроводных сенсорных сетей. Сокращение рабочего цикла снижает потребление энергии, увеличение или уменьшение скорости трафика на 0.05 пакет/мин, приводит к уменьшению вероятности достижения поставленного срока службы всей сети. Предложенная методика обеспечивает результаты для среднего потребления энергии с погрешностью менее 3.5%.
Ключевые слова: беспроводная сенсорная сеть, вероятность, анализ, энергопотребление.
VIKT.V.HNATUSHENKO, I. DMYTRIEVA
National Metallurgical Academy of Ukraine
PROBABILISTIC ANALYSIS OF ENERGY CONSUMPTION IN WIRELESS SENSOR NETWORKS
A probabilistic analysis of the lifetime of a wireless sensor network and its nodes is presented. As the main parameter of life expectancy, the amount of energy consumed is used. A model for analyzing the distribution of energy consumption in the WSN was developed and the distribution of the lifetime of the node and the network. It is shown that for a sufficiently long period of system consideration, the energy consumption converges to the normal distribution, which significantly reduces the cost of calculations in the analysis. A probabilistic approach of energy consumption and analysis of the lifetime of a wireless sensor network is proposed. The developed model is confirmed by bench experiments and simulations. The results show that the model developed accurately reflects the distribution of energy consumption and fixes the randomness of wireless sensor networks. Reducing the operating cycle reduces power consumption, increasing or decreasing the traffic speed by 0.05 package / min leads to a decrease in the probability of reaching the set lifetime of the entire network. The proposed methodology provides results for the average energy consumption with an error of less than 3.5%.
Keywords: wireless sensor network, probability, analysis, power
Постановка проблеми
У бшьшосп додатшв бездротових сенсорних мереж (БСМ) вузли розраховаш на живлення ввд батаре!, замша яко!, як правило, е незручною або недощльною. Коли енерпя виснажуеться, вузли стають неактивними, втрачають сво! сенсорш, комушкацшш i функцюнальш можливосп. Енерпя - це самий дефщитний ресурс, що визначае тривалють роботи мережа Деяш сфери застосування БСМ (особливо оборона i безпека) вимагають повного покриття площi об'екта зонами мониторингу датчишв. Iнодi потрiбно багаторазове перекриття площi об'екта датчиками з забезпеченням заданого ступеня зв'язносл вузлiв та надшносл збору даних мониторингу. Для цього перед розгортанням БСМ здшснюеться планування мюць
розташування вузлiв. Але юнують области застосування БСМ, в яких детермiноване розгортання вузлiв недоцiльно (або неможливо) через велик! часовi або економiчнi витрати на розмщення (в разi бойових дш, у важкодоступних районах i т.п.). У таких випадках для оперативного розгортання мереж! може використовуватися розсшвання вузл!в над районом мониторингу з використанням лгтальних апарапв. При цьому через випадкове розмщення вузл!в максимально покрити сенсорами район мониторингу можливо т!льки з використанням досить великого числа вузл!в. Велика к!льк!сть вузл!в дозволить забезпечити необхщне покриття, але призведе до зростання числа кол!зш при передач! через збшьшення р!вня взаемних перешкод, затримок передач! даних, дублювання шформаци мониторингу та зайвих витрат ресурав батарей на повторш передач!.
1снуюч! дослщження анал!зу часу життя розглядають споживання енерги як основний напрямок забезпечення максимального термшу функцюнування мереж!. Однак через випадкову природу бездротового середовища, в критично важливих додатках, де потр!бна надшна мережа, недостатньо знання пльки середнього споживання енерги i середнього часу життя. Зашсть середнього споживання енерги i часу життя, необхщно дослвджувати !х !мов!ршсш розподши. При цьому розподш споживання енерги i часу життя представляе ймов!ршсть того, що енерг!я, яка споживаеться в будь-який даний перюд, нижче, шж задане значення, i ймов!ршсть того, що термш служби бiльше, шж заданий перюд. Це дозволяе знайти компромю м!ж бажаним часом життям i ймов!ршстю досягнення цього часу.
Через те, що бездротовi мереж1 можуть розгортатися у вiддалених i важкодоступних середовищах, алгорштшчне забезпечення процесiв передачi даних та використання енерги мають першорядне значення, вони повинш забезпечувати максимальний час функцiонування вузл!в, надшшсть i в!дмовостшк!сть, автоматичне конфiгурування.
Анaлiз останшх дослiджень
Бшьшють юнуючих роб!т з дослвдження споживання енерги в БСС та аналiзу тривалостi життя зосереджено на оцшщ середнiх м!р: оцiнюеться середня ефективнiсть використання енерги для конкретних протокол!в [1, 2], запропоноваш аналiтичнi моделi споживання енерги [3, 5]. Споживання енерги в мереж! аналiзуеться для операцш з низьким споживанням потужносп, i втрати при кол!з!ях не беруться до уваги. Представлена модель анал!зу i знаходження кращого ршення обм!ну даними i енерпею в мереж1 при однокрокових передачах i багатокрокових передачах на коротш вщсташ [4, 6]. Та ж сама проблема дослвджена в [7], однак модел! енерги зосереджеш на апаратному р!вн! Щ модел! забезпечують високу оцшку середнього споживання енерги для певних протокол!в, не пропонуючи статистики вищого порядку i не розглядаючи шш1 протоколи маршрутизаци. В [8] представлена анал!тична модель для оцшки споживання енерги i часу життя кластера БСС. Тривалють життя вим!рюеться з точки зору збору даних, в якому середня кшьк!сть енерги визначаеться для кожного вузла. В [9] час життя анал!зуеться для вае! мереж1 одночасно, i проблема управлшня енерпею е б!льш складною. В [10] запропоновано модель управлшня циклами додатшв в БСС. Для задано! швидкосп надходження подш, модель отримуе середнш термш служби вузла. На жаль, дослвджеш пльки статистика часу життя першого порядку. В [11] представлений !мов!ршсний анал!з часу життя мереж1 на основ! керованих подш i використовуваних додатк1в для задано! тополог!! мережь Розподш часу життя вузла моделюеться для кластера на основ! тополог!! мереж!, використовуючи протокол TDMA MAC (time division multiple access - TDMA, media access control - MAC). Однак даний метод не показаний для шших мережевих топологш, таких як сичасп i однорангов! мереж!, шших протокол!в.
Формулювання цшей CTaTTi (постановка завдання)
Метою роботи е виб!р ефективного режиму роботи елеменпв БСМ за допомогою !мов!ршсного шдходу до ошгашзаци часу юнування бездротово! сенсорно! мереж! за розрахунку впливу енерговитрат при передач!, обробщ та зчитуванш даних в вузлах при поширенш трафжу, а також проведення !мгтацшного моделювання, що забезпечуе отримання оптимального ршення.
Основна частина
Надшшсть бездротових сенсорних мереж визначаеться багатьма факторами, найбшьш суттевими з яких е: надшшсть апаратного i програмного забезпечення вузл!в, область розгортання мереж!, взаемне розташування вузл!в, перюд регламентного обслуговування мереж!, !нтенсивн!сть збору i передач! !нформац!! к!нцевими вузлами, розм!р переданих пакет!в !нформац!!.
Великий клас додатк!в бездротових сенсорних мереж (БСМ) покладаеться на детерм!новане розгортання вузл!в датчик!в, наприклад, тополог!я «сгтка». Це окремий випадок, де ефект випадковост! через тополог!ю не спостер!гаеться, тому споживання енерг!! протягом даного перюду часу виражаеться
fE(x, T)(e) = fEs(x, T)(e) * fEcp(x, T)(e). (1)
Розпод!л споживання енерг!! для виявлення fEs(XjT)(e) сумуеться з розподшом споживання енерг!! для зв'язку i обробкиfEcp(x,T)(e).
Щд час будь-якого !нтервалу T, який починаеться в t0, тобто перюд [t0, t0+T), для деякого датчика к з
пеpioдичним iнтеpвaлoм зчшування Tsk i сгоживанням енеpгiï пiд час виявлення esk, пoзнaчимo пеpше активне зчитyвaння для датчика k пiсля t0 чеpез tkl. Kiлькiсть aктивниx зчитyвaнь тд час T дopiвнюe nk(T)=[(t0+T-tk1)/Tsk]. Так як t0 не залежить вiд дiй зчитyвaння, тo (tk1 —10) piвнoмipнo poзпoдiленo в дiaпaзoнi [0,Tsk). Toмy, фyнкцiя poзпoдiлy ймoвipнoстей (ФPЙ) nk(T) визначаеться наступним чинoм:
L (t )(n) = <
Ns, - n +1, n = [N,¿ ] +1, n +1 - Ns,, n = [Ns,k ], 0, иначе,
(2)
де
Nsk =
T
T
s,k
Фyнкцiя poзпoдiлy ймoвipнoстей спoживaння енеpгiï для всix K датчишв пiд час T визначаеться як
K
fE(T) (e) = ZZ n ^ 5(e - fnk(J) (n)) = k=1 n
[( Ns,k-L Ns, J)^5(e-(L N„ J + 1) es,k +
_+(L Ns, J + 1 - Ns, )^5(e-L Ns, J es,, )
=Z
(3)
Poзpoбленo мoдель для aнaлiзy сгоживання енеpгiï пpи кoмyнiкaцiï i o6po6^ Ecp(T). Енеpгiя, щo витpaчaeться ^и кoмyнiкaцiï i oбpoбцi дaниx в кoжнoмy вyзлi меpежi, мoделюeться в дискpетнoмy чaсi системи мaсoвoгo oбслyгoвyвaння в oдиницю чaсy Tu, яка xapara^proye йoгo poзпoдiл мiж нaдxoдженнями тpaфiкy i пpoцесoм oбслyгoвyвaння.
Спoживaння енеpгiï пpедстaвленo дискpетнo-чaсoвим ланцюгом Mapкoвa (ДЧЛЫ) {Xn}, якiй poздiленo на piвнi зв'язку, де M - дoвжинa чеpги. Koжен iз стaнiв являе сoбoю пoдiю, яка вiдбyвaeться y вyзлi в плиш часу Tu, тaкi як oчiкyвaння (сoн), пеpедaчa a6o пpoслyxoвyвaння. Haпpиклaд, oпеpaцiï poбoчoгo циклу, як пpaвилo, пpедстaвленi y виглядi ланцюжшв сну i aктивниx стaнiв {In} i кшьшсть стaнiв кoжнoгo типу залежить ввд poбoчoгo циклу £..
Koжне стан v тaкoж гов'язан з кiлькiстю енеpгiï ev, яке сгоживаеться пpи вiдпoвiдниx пoдiï пiд час Tu. Пoведiнкa ^и кoмyнiкaцiï i oбpoбки дaниx кoжнoгo вузла пpедстaвленi пеpеxoдaми мiж станами в {Xn}. Гpyнтyючись на ДЧЛЫ, ФPЙ спoживaння енеpгiï oдиничнoгo вузла ^и кoмyнiкaцiï i oбpoбки дант Ecp(T) знaxoдиться для бyдь-якoï даго1' тpивaлoстi T.
Пpoведенi пеpевipкa адекватгосп мoделi poзпoдiлy енеpгiï oдиничнoгo вузла та aнaлiз poзпoдiлy спoживaння енеpгiï пpи детеpмiнoвaнoмy poзгopтaннi з ввдстанями дo стoкy 2,6м i 3,5м пpoтягoм T = 60с для двox вyзлiв. Pезyльтaти poзпoдiлy сгоживання енеpгiï для кoжнoгo з двox вyзлiв пoкaзaнi на pисyнкy 1. nox^ra aнaлiтичнoгo poзpaxyнкy стaнoвить менше 5% в пopiвняннi з вимipaми для кoжнoгo вузла. Це спoстеpiгaeться пpи piзкoмy збiльшеннi енеpгiï дo piвня 0,6 Ас пpи r=3,5 м. 1снуе висoкa ймoвipнiсть того, щo вyзoл спoживae саме 0,6 В, щo вiдпoвiдae випадку, шли вузли викoнyють свoï звичaйнi oropaqn poбoчoгo циклу. Moделювaння пpoведенo для 100 piзниx тoпoлoгiй. Moдель каналу така, щo пеpедaчa пaкетiв завжди yспiшнa, якщo вiдстaнь вiдпpaвник-oдеpжyвaч знaxoдиться в межax певнoгo дiaпaзoнy, незалежго вiд пoмилoк в кaнaлi a6o кoлiзiй. Дiaпaзoн oбpaнo таким чигом, щoб на цiй вiдстaнi сеpеднe вiднoшення сигнал/шум не пеpевищyвaлo пopoгoве, яке викopистoвyeться в пpoтoкoлi.
Oтpимaнi pезyльтaти свiдчaть пpo те, щo pезyльтaти мoделювaння в пopiвняннi з пpoведеними експеpиментaми пo чaстoтi гояви пoмилoк не пеpевищyють 5%. Таким чигом, в годальшт дoслiдженняx викopистoвyeться iмiтaцiйне мoделювaння для пеpевipки адекватгосп зaпpoпoнoвaниx мoделей oцiнки пpoдyктивнoстi бездpoтoвиx сенсopниx меpеж випaдкoвoгo poзгopтaння великж мaсштaбiв, на oснoвi часу життя oдиничнoгo вузла i всieï меpежi.
Зaстoсyвaння мoделей пpи пpoектyвaннi БСM
Дoслiдженo взaeмoзв'язoк мiж чaсoм юнуванням вузла i всieï меpежi iз зaдaнoю вipoгiднiстю i piзними меpежевими пapaметpaми, викopистoвyючи poзпoдiл часу життя, для пiдтвеpдження ефективнoстi зaпpoпoнoвaниx мoделей i метoдiв пpи пpoектyвaннi меpежi. В експеpиментax poзглядaeться наступна ap^rara^a меpежi: щiльнiсть меpежi p, poбoчий цикл Ç i швидкiсть тpaфiкy X lc для всix вyзлiв piзнi. Значення циx пapaметpiв 0,05, 0,2 i 0,1 пакетов, paдiyс пеpедaчi 20 м, пoтyжнoстi бaтapеï С = 2000мA•гoд, iншi пapaметpи залишаються незмiнними.
Iмoвipнiсть тoгo, щo теpмiн служби вузла на вщсташ r=12 м бiльше, нiж 500 годин гоказаго на pисyнкax 2а-2в. Для мaксимaльнoï ймoвipнoстi дoсягнення ^oro часу життя щiльнiсть пoвиннa бути не менше 0,053. Moжнa гомггити, щo ймoвipнiсть piзкo зpoстae вщ 0 дo 1 пpи змш щiльнoстi вyзлiв вiд 0,002 вузла/м2 дo 0,097 вyзлiв/м2. Ця ^ута змiнa пoв'язaнa з тим, щo змiнa часу життя меpежi невелика ^и детеpмiнoвaнoï тoпoлoгiï.
1,2
LO LO LO
rj m h
ГЧ о
о о
LOLOLOLOLOLOLOLOLOLOLO г-J ^J- Г^- f—r^l LO Г^- f—щ г^-
■d- -d- " 1Л in " IÛ ю
LO LO LO СО
м h s ri
^ о ^
о о
Энергия. Ac
a)
g 'Г,
С I
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
□ эксперимент jj^l 1 ■ ■ ■ И ■
А модель
—H— а нал ит.расчет р
1 1 Й i i i i i i i i i i i i
LO LO LO LO LO LO LO LO LO LO lo LO LO LO LO LO LO
r-j го о r-J «51-. о" r-J LO ö" г-J LO ö" r^l
го о" го о LO сГ LO LO о LO ö"
о" о" о о о" сГ ö" ö" о ö"
Энергия. А с
б)
Рис. 1. Функщя розподлу споживання енерги протягом 1 хвилини пiд час проведення експерименту, моделювання та
анал1тичному розрахунку
KpiM того, скорочення робочого циклу безпосередньо знижуе споживання eHepriï (рисунок 2б). Зб!льшення або зменшення швидкостi трафжу на 0,05 пакет/хв призводить до зменшення ймовiрностi досягнення поставленого термiну служби.
Iмовiрнiсть досягнення часу життя мереж1 в 500 годин показана на рисунку 2г для рiзноï щшьносп вузлiв. Для досягнення цього часу життя, оптимальна щ№нють бiльше шж 0,097, оск1льки робота мереж1 розглядаеться тiльки, коли всi вузли е функцiональними.
Висновки та перспективи подальших дослiджень Запропоновано iмовiрнiсний пiдхiд оптимiзацiï часу iснування бездротовоï сенсорноï мереж!, який мiстить метод розрахунку енерговитрат БСМ при передач!, обробщ та зчитуванш даних в вузлах при поширенш траф!ку на основ! !мов!ршсного анал!зу розподшу часу життя, який дозволяе здшснювати виб!р ефективного режиму роботи елеменпв БСМ. Споживання енерги сходиться до нормального розпод!лу при тривалих перюдах спостереження. Розроблена модель шдтверджена стендовими експериментами i моделювання. Результати показують, що розроблена модель точно вшображае розподш споживання енерги i фжсуе випадковють бездротових сенсорних мереж. Скорочення робочого циклу знижуе споживання енерги, збшьшення або зменшення швидкосп траф!ку на 0.05 пакет/хв призводить до зменшення ймов!рносп досягнення поставленого термшу служби вае1' мереж! Запропонована методика забезпечуе результати для середнього споживання енерги з похибкою менш 3.5%.
1 0,4
ГШ О ТНО СТЬ у 'ЗЛОБ, у з л о в/ м
0,15 0,175 0,2 0,225 0,5 рабочий цикл
1,2
I 0,8 |
I 0,4
0,2 0
0,094 0,095 0,096 0,097 0,098
ГШ ОТНО СТЬ, у 3 л о в/м2
в) г)
Рис. 2. 1мов1ртсть заданого часу життя вузла i мереж протягом 500 годин з р1зною щшьтстю вузл1в, швидк1стю траф1ку i
робочим циклом
Список використано'1 лггератури
1. MICA2 sensor node. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.xbow.com.
2. NI USB-6210 multifunction DAQ. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ni.com.
3. TinyOS. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://webs.cs.berkeley.edu/tos/.
4. Hnatushenko, Vikt. The distribution of energy consumption in wireless networks to anycast protocol . Power Engineering and Information Technologies in Technical Objects Control - 2016 - p. 195-201
5. Van Hoesel, L. Prolonging the lifetime of wireless sensor networks by cross-layer interaction/ L. Van Hoesel, T. Nieberg, J. Wu, and P.J.M. Havinga // IEEE Wireless Communications. - 2014.- p. 79
6. Vural, S. Probability distribution of multi-hop-distance in onedimensional sensor networks / S. Vural, E. Ekici// Computer Networks. - 2007.- vol.51(13).- p.3727-3749
7. Vuran, M. C. XLP: A cross layer protocol for efficient communication in wireless sensor networks/ M. C. Vuran, I. F. Akyildiz. // IEEE Trans. on Mobile Computing, Nov 2010.- vol.9(11).- p.1578-1591
8. Wang, D. Coverage and lifetime optimization of wireless sensor networks with gaussian distribution / D. Wang, B. Xie, D.P. Agrawal // IEEE Trans. on Mobile Computing, Dec 2008.- vol.7(12).- p.1444-1458
9. Wang, Q. A realistic power consumption model for wireless sensor network devices / Q. Wang, M. Hempstead, W. Yang // In Proc. of IEEE SECON 2006. - p. 286-295
10. Xie, M. Towards an end-to-end delay analysis of wireless multihop networks / M. Xie, M. Haenggi. // Ad Hoc Networks, July 2009.- vol.7(5).-p.849 - 861
11. Xue, Y. Cost-efficiency of anycast-based forwarding in duty-cycled WSNs with lossy channel / Y. Xue, M. C. Vuran, B. Ramamurthy. // In Proc. of IEEE SECON 2010.- p. 657-684
