Механизмы кластеризации беспроводных сенсорных сетей

Выбор головных узлов сенсорной сети выполняется таким образом, что- бы обеспечить баланс расхода энергии. Практика реализации показала, что кла- стеризованные (иерархические) сенсорные сети «живут» дольше одноранговых.

Количество головных узлов зависит от размера беспроводной сенсорной сети и обычно не превышает 25% от общего числа СУ. Ближайшие к головному узлу сенсорные устройства образуют вокруг него кластер. Головной узел для своих СУ задает расписание передачи данных.

Известны несколько механизмов кластеризации, такие как LEACH, PEGASIS, TEEN и другие. Объединяет их общее правило – каждая базовая станция имеет возможность стать головным узлом.

Алгоритм LEACH (Low Energy Adaptive Cluster Hierarchy) предусматри- вает вероятностный выбор головного узла на основе энергетических характери- стик в каждом новом цикле функционирования сенсорной сети.

По алгоритму PEGASIS (Power-Efficient Gathering Sensor Information Systems) сенсорные узлы в каждом новом цикле функционирования сети орга- низуются в последовательные цепочки таким образом, чтобы только первые уз- лы цепочек передавали информацию на базовую станцию.

В соответствии с алгоритмом TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols) передача данных головному узлу от СУ происходит только, если ко- личество накопленных данных достигло определенного уровня.

После назначения головных узлов остальные СУ начинают формировать- ся в кластеры на основе сигнала RSS (Received Signal Strength), получаемого от головного узла. Мощность RSS является параметром, позволяющим измерить расстояние от СУ до головного узла – число хопов.

После формирования кластеров головной узел каждого из них широко- вещательной рассылкой передает на СУ сведения о себе – адрес, расстояние и т. п. СУ после передачи данных на головной узел могут перейти в спящий режим до следующего временного цикла.

 

6.3.4. Разрешение коллизий источников данных в кластере БСС

Когда множество СУ начинают передавать данные на головной узел, то могут возникнуть коллизии.

Коллизией, или конфликтом, называется наложение сигналов от разных СУ друг на друга. Существуют следующие методы разрешения коллизий в кла- стере БСС – опроса, прерываний и множественного доступа.

При применении метода опроса сенсорные устройства начинают переда- чу данных только по запросу головного узла. Если у СУ нет подготовленного пакета данных, то формируется пакет с идентификационным номером (ID) сен- сорного устройства.

 

СУ 1      Слот

 

1

2

3

...

N

...

СУ 2

 

 

СУ N

Окно i

размером W i

Окно i + 1 размером W i +1

 

а                                                                      б

Рис. 6.8. Метод опроса: а – обобщенная схема режима опроса;

б – разделение времени опроса на окна и слоты

Время отдельного опроса – временной интервал, который разделен на блоки – окна. Размер окон определяется количеством слотов, на которые они делятся. Размер слота – фиксированная величина для каждого сенсорного устройства. Так как слот – это тоже временной интервал, его размер определя- ется скоростью передачи данных от СУ до узла, т. е. его определяет оборудова- ние, используемое в системе. Пример разделения времени опроса приведен на рис. 6.8.

В начале процесса узел посылает сигналы «опроса» всем СУ, которые находятся в зоне его покрытия. В этих сигналах содержится время начала до- ступа и продолжительность, то есть количество слотов. СУ, приняв эти сиг- налы, случайным образом выбирают слот, в котором будут передавать свои данные.

В процессе доступа в слоте возможно возникновение трех состояний. Пу- сто – в том случае, когда ни одно из СУ не выбрала текущий слот для передачи данных. Успех – когда только одно СУ передает данные в текущем слоте. Кон- фликт – когда более одного СУ начинают передавать данные в текущем слоте.

Опрос СУ, находящихся в зоне покрытия головного узла, заканчивается, когда в окне появляются только слоты с успешной передачей и пустые слоты.

Головной узел анализирует каждый слот и снимает информацию, передан- ную в них.

 

Продолжительность обслуживания сенсорного устройства при опросе включает время, затрачиваемое на передачу сигнала опроса и время передачи ответа.

Полный цикл взаимодействия головного узла с N сенсорными устрой- ствами составляет случайное (из-за возможных коллизий – пока не ответят все) суммарное время T.

Связь этих переменных представлена на рис. 6.9.

Головной узел

 

СУ 1

СУ 2

СУ N

Рис. 6.9. Временная диаграмма реализации режима опроса

Отличие метода прерываний от опроса состоит в том, что вместо посыл- ки сигналов опроса головной узел принимает и ставит в очередь сигналы от СУ о готовности начать передачу. Система, управляемая по прерываниям, предпо- лагает соперничество за право передать данные на узел. СУ спонтанно посыла- ют запросы на передачу данных головному узлу, который выстраивает их в очередь и направляет подтверждения. Если по истечении определенного интер- вала времени такое подтверждение не поступает, запрос автоматически повто- ряется. При свободном канале узел принимает данные от запрашивающего СУ. После завершения передачи узел переходит к приему данных от следующего в очереди запроса. На рис. 6.10 приведена схема и временная диаграмма реализа- ции метода прерываний.

Время обслуживания сенсорного устройства в методе прерываний – случайная величина и включает время доступа, время ожидания в очереди и время передачи данных от СУ.

Режим множественного доступа предполагает доступ к головному уз- лу в соответствии с управляемым вероятностным арбитражем. При наличии данных на обработку СУ начинает передачу пакета на узел. Передача аварийно завершается и заново планируется сенсорным устройством при обнаружении пресечения с пакетами других СУ. В отсутствии пересечения пакет будет по- слан по назначению. Во избежание повторения конфликтов сенсорные устрой- ства осуществляют повторную передачу в случайные интервалы времени.

Данный множественный доступ по исключению коллизий аналогичен рассмотренному в разделе 3.4.1.

 

СУ 1

 

СУ

 

Головной

 

 

Головной узел

Очередь запросов

 

 

СУ 1

 

СУ 3

 

 

Пакет

 ta

СУ 7

 

...

 

t, с

 

 

Рис. 6.10. Схема и временная диаграмма реализации метода прерываний

Интернет вещей

В настоящее время уже существуют готовые интеллектуальные системы на базе беспроводных сенсорных сетей, получившие название «Интернет ве- щей» (Internet of Things, IoT).

Сенсорное устройство, интегрированное в какой-либо объект, получило название − «вещь». Совместно вещи образуют некое множество объектов, спо- собных взаимодействовать друг с другом и пользователями (владельцами ве-

щей), создавая временные или постоянные сети.

IoT может работать как поверх сетей общего пользования, так и в изоли- рованных инсталляциях. Управление вещами со стороны пользователей вы- полняется при помощи различных типов клиентских устройств и интерфейсов (графических, телефонных, SMS и др.).

 

Архитектура интернета вещей

Архитектура IoT включает четыре функциональных уровня (рис. 6.11).

Уровень взаимодействия со средой (сенсоры и сенсорные сети) – это самый нижний уровень архитектуры IoT, который состоит из «умных» (смарт) объектов (вещей), интегрированных с СУ. Сенсоры реализуют соединение физического и виртуального (цифрового) миров, обеспечивая сбор и обработку информации в реальном масштабе времени. Вещи соединяются с базовыми станциями (маршрутизаторами, шлюзами), образуя локальные вычислительные сети, такие как Ethernet, Wi-Fi или персональную сеть WPAN, стандарт которой разработан рабочей группой IEEE 802.15.

 

 

 

 

Рис. 6.11. Архитектура интернета вещей

Сетевой уровень обеспечивает транспорт данным, создаваемым вещами и их владельцами, на первом уровне IoT. Сетевая инфраструктура создается путем интеграции разнородных сетей в единую сетевую платформу.

Сервисный уровень содержит набор услуг, которые автоматизируют технологические операции в IoT: хранение данных, их анализ, обработку, обеспечение безопасного доступа к вещам, управление бизнес-процессами.

Уровень приложений включает различные готовые решения IoT в таких областях, как энергетика, транспорт, торговля, медицина, образование, и других прикладных областях. Приложения могут быть «вертикальными», когда они являются «специфическими» для конкретной области, а также «горизонталь- ными», которые могут использоваться в различных сферах деятельности.