Министерство
образования и науки РФ
Федеральное государственное
автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Школа естественных
наук
Кафедра информационных
наук
Курсовая работа
на тему:
«Качество сервиса
в сенсорных сетях»
Проверил доцент:
Верещагина Е.А.
Владивосток
2012
Содержание
Аннотация. 3
1. Введение 3
2. Применение
беспроводных сенсорных сетей. 5
2.1 Военное применение. 5
2.2 Экологическое
применение. 6
2.3 Применение
в медицине. 7
2.4 Применение
в доме. 7
3. Факторы влияющие
на разработку моделей сенсорных сетей. 8
3.1 Отказоустойчивость. 8
3.2 Масштабируемость 8
3.3 Расходы
на производство 8
3.4 Аппаратные
особенности 9
3.5 Топология
сети 10
3.5.1 Предварительное
развертывание 10
3.5.2 Фаза после
развертывания сети 11
3.5.3 Фаза развертывания
дополнительных узлов 11
3.6 Окружающая
среда 12
3.7 Способы передачи
данных 12
3.8 Мощность
потребления 13
3.8.1 Связь 14
3.8.2 Обработка
данных 14
4. Архитектура
сенсорных сетей. 15
Литература 17
5. Подходящие транспортные протоколы
для беспроводных сенсорных сетей………………………………………………18
Аннотация 18
6. Введение 18
7. Характеристики
траспортных протоколов 19
7.1 Управление
перегрузкой. 19
7.2 Надежность. 19
7.3 Энергоэффективность 19
7.4 Эффективность
использования ресурсов 20
8. Предложенные
транспортные протоколы 20
8.1 PSFQ. 20
8.2 ESRT. 20
8.3 RMST. 21
8.4 DTC. 21
8.5 Оптимизация
поперечного уровня. 22
9. Нерешенные
проблемы 22
10. Выводы 23
Литература 24
Аннотация
Статья описывает концепции
сенсорных сетей, реализация которых
стала возможна в результате объединения
миктроэлектро-механических систем, беспроводной
связи и цифровой электроники. Изучены
задачи и потенциал сенсорных сетей, сделан
обзор фактов влияющих на их разработку.
Также рассмотрена архитектура построения
сенсорных сетей, разработанные алгоритмы
и протоколы для каждого слоя архитектуры.
В статье исследованы вопросы о реализации
сенсорных сетей.
1. Введение
Последние достижения
в области технологий микро-электро-механических
систем (MEMS), беспроводной связи и цифровой
электроники позволили создавать недорогие,
маломощные, многофункциональные моты
(узлы), они небольшие и «общаются» непосредственно
друг с другом. Сенсорных сети основанных
на совместной работе большого числа крошечных
узлов, которые состоят из модулей сбора
и обработки данных, передатчика. Такие
сети имеет значительные преимущества
перед набором традиционных датчиков.
Вот две ключевые особенности традиционных
датчиков:
• Датчики могут быть
расположены далеко от наблюдаемого
явления. При таком подходе требуется
много датчиков, которые используют
некоторые сложные методы, чтобы
выделить цели из шума.
• Можно развернуть
несколько датчиков, которые выполняют
только сбор данных. Тщательно
разработать позиции датчиков
и топологию. Они будут передавать
наблюдения в центральные узлы, где
и будет выполнятся сбор и обработка данных.
Сенсорная сеть состоит
из большого числа узлов (мотов),
которые густо расположены близко
к наблюдаемому явлению. Положение
мотов не нужно предварительно
рассчитывать. Это позволяет случайным
образом располагать их в труднодоступных
местностях или использовать
для операций по оказанию помощи,
которые требуют быстрого реагирования.
С другой стороны, это означает,
что сетевые протоколы и алгоритмы
работы мотов должны обладать
возможностью самоорганизации. Еще
одной уникальной особенностью
сенсорных сетей является совместная
работа отдельных узлов. Моты оснащены
процессором. Поэтому вместо передачи
исходных данных, они могут их обрабатывать,
выполняя простые вычисления и передавать
далее только необходимые и частично обработанные
данные. Описанные выше особенности обеспечивают
широкий спектр применения сенсорных
сетей. Такие сети можно применять в здравоохранении,
для военных нужд и безопасности. Например,
физиологические данные о пациенте может
контролироваться удаленно врачом. Это
удобно как для пациента, так и позволяет
врачу понять его текущее состояние. Сенсорные
сети могут быть использованы для выявления
инородных химических агентов в воздухе
и воде. Они могут помочь определить тип,
концентрацию и расположение загрязнителей.
В сущности, сенсорные сети позволяют
лучше понять окружающую среду. Мы предполагаем,
что в будущем, беспроводные сенсорные
сети будут неотъемлемой частью нашей
жизни, более, чем современных персональных
компьютеров. Реализация этих и других
проектов, требующих использование беспроводных
сенсорных сетей, требуют специальных
методов. Многие протоколы и алгоритмы
были разработаны для традиционных беспроводных
одноранговых сетей, поэтому они не очень
хорошо подходит для уникальных особенностей
и требований сенсорных сетей. Приведем
различия сенсорных и одноранговых сетей:
• Количество узлов сенсорной
сети может быть на несколько порядков
выше, чем узлов в одноранговой
сети.
• Узлы плотно расположены.
• Узлы подвержены
сбоям.
• Топология сенсорных
сетей может часто изменяться
• Узлы в основном
используют широковещательные сообщения,
в то время как большинство
одноранговых сетей основаны на связи
"точка-точка".
• Узлы ограничены
в питании, вычислительных мощностях,
и памяти.
• Узлы не могут
иметь глобальный идентификационный
номер (ИН) из-за большого количества
накладных расходов и большого
количества датчиков.
Так как узлы в
сети расположены плотно, соседние
узлы могут оказаться очень
близко друг к другу. Следовательно,
multi-hop связи в сенсорных сетях будут потреблять
меньше энергии, чем прямые связи. Кроме
того, можно использовать низкую мощность
сигнала передачи данных, что полезно
в скрытых наблюдениях. Multi-hop связи могут
эффективно преодолевать некоторые трудности
при распространении сигнала на дальние
расстояния в беспроводной связи. Одним
из наиболее важных ограничений для узлов
является малое потребление энергии. Моты
имеют ограниченные источники энергии.
Итак, в то время как традиционные сети
направлены на достижение высокого качества
сигнала, сетевые протоколы мотов должны
сосредоточиться главным образом на сохранение
энергии. Они должны обладать механизмами,
которые дают пользователю возможность
продления времени жизни мота за счет
либо снижения пропускной способности,
либо увеличения времени задержки передачи
данных. Многие исследователи в настоящее
время участвуют в разработке схем, которые
выполняют эти требования. В данной статье
мы сделаем обзор протоколов и алгоритмов,
существующих в настоящее время для сенсорных
сетей. Наша цель – предоставить лучшее
понимание текущих вопросов научных исследований
в этой области. Мы также попытаемся исследовать
ограничения, накладываемые на разработку,
и выявить инструменты, которые можно
использовать для решения задач проектирования.
Статья организована так: во втором разделе,
мы опишем потенциала и полезность сенсорных
сетей. В разделе 3 мы обсудим факторы,
которые влияют на проектирование таких
сетей. Подробное исследование существующих
методик в этой области рассмотрим в разделе
4. И подведем итоги в 5 разделе.
2. Применение беспроводных
сенсорных сетей
Сенсорные сети могут
состоять из различных типов
датчиков, например сейсмических, датчиков
определения магнитного поля, тепловых,
инфракрасных, акустических, которые
в состоянии осуществлять самые
разнообразные измерения условий
окружающей среды. Например, такие
как [23]:
• температура,
• влажность,
• автомобильное движение,
• состояние молнии,
• давление,
• состав почвы,
• уровень шума,
• наличие или отсутствие
некоторых объектов,
• механическая нагрузка
• динамические характеристики,
такие как скорость, направление
и размер объекта.
Моты могут использоваться
для непрерывного зондирования,
обнаружения и идентификации
событий. Концепция микро - зондирования
и беспроводное соединение обещают много
новых областей применения для таких сетей.
Мы классифицировали их по основным направлениям:
военное применение, исследование окружающей
среды, здравоохранение, использование
в домах и других коммерческих областях.
Но можно расширить эту классификацию
и добавить больше категорий, например
исследование космического пространства,
химическая обработка и ликвидации последствий
стихийных бедствий.
2.1. Военное применение
Беспроводные сенсорные
сети могут быть неотъемлемой
частью военного управления, связи,
разведки, наблюдения и систем
ориентирование (C4ISRT). Быстрое развертывание,
самоорганизации и отказоустойчивость
– это характеристики сенсорных
сетей, которые делают их перспективным
инструментом для решения поставленных
задач. Поскольку сенсорные сети
могу быть основаны на плотном
развертывании одноразовых и
дешевых узлов, то уничтожение
некоторых их них во время
военных действий не повлияет
на военную операцию так, как
уничтожение традиционных датчик.
Поэтому использование сенсорных
сетей лучше подходит для сражений.
Перечислим еще некоторые способы
применение таких сетей: мониторинг
вооружения и боеприпасов дружественных
сил, наблюдение за боем; ориентация
на местности; оценка ущерба
от битв; обнаружение ядерных,
биологических и химических атак.
Мониторинг дружественных силы,
вооружения и боеприпасов: лидеры
и командиры могут постоянно
контролировать состояние своих
войск, состояние и наличие
оборудования и боеприпасов на
поле боя с помощью сенсорных
сетей. К каждому транспортному
средству, оборудованию и важным
боеприпасам могут быть прикреплены
датчики, которые сообщают их
статус. Эти данные собирается
вместе в ключевых узлах, и
направляются руководителям. Данные
также могут быть переадресованы
на верхние уровни иерархии
командования для объединения
с данными из других частей.
Наблюдения боя: критические участки,
пути, маршруты и проливы могут
быть быстро покрыты сенсорными
сетями для изучения деятельности
сил противника. Во время операций или
после разработки новых планов сенсорные
сети могут быть развернуты в любое время
для наблюдения за боем. Разведка сил противника
и местности: Сенсорные сети могут быть
развернуты на критических территориях,
и могут быть собраны в течении нескольких
минут ценные, подробные и своевременные
данные о силах противника и местности,
прежде чем враг сможет их перехватить.
Ориентация: сенсорные сети могут быть
использованы в системах наведения интеллектуальных
боеприпасов. Оценка ущерба после боя:
непосредственно перед или после нападения,
сенсорные сети могут быть развернуты
в целевой области для сбора данных об
оценке ущерба. Обнаружение ядерных, биологических
и химических атак: при применении химического
или биологического оружия, использование
которого близко к нулю, важное значение
имеет своевременное и точное определение
химических реагентов. Могут быть использованы
сенсорные сети в качестве систем предупреждения
химических или биологических атак и данные
собранные в короткие сроки помогут резко
уменьшить количество жертв. Также можно
использовать сенсорные сети для подробной
разведки, после обнаружения таких атак.
Например, можно осуществлять разведку
в случае радиационных заражений не подвергая
людей радиации.
2.2. Экологическое
применение
Некоторые из направлений
в экологии, где применяют сенсорные
сетей: отслеживание движения
птиц, мелких животных и насекомых;
мониторинг состояния окружающей
среды, с целью выявления ее
влияния на сельскохозяйственные
культуры и скота; орошения; широкомасштабный
мониторинга земли и исследования
планет; химическое / биологическое
обнаружение; обнаружение лесных
пожаров; метеорологические или
геофизические исследования; обнаружение
наводнений; и исследование загрязнения
[2, 8, 10, 11, 14, 31, 35, 39, 40, 42, 61, 81, 88, 89]. Обнаружение
лесных пожаров: поскольку моты
могут быть стратегически и
плотно развернуты в лесу, то
они могут ретранслировать точное
происхождение огня до того, как
пожар станет неконтролируемым.
Миллионы датчик могут быть
развернуты на постоянной основе.
Они могут быть оснащены солнечными
батареи, т.к узлы могут быть оставлены
без присмотра на месяцы и даже годы. Моты
будут работать сообща для выполнения
задач распределенного зондирования и
преодоления препятствий, таких как деревья
и скалы, которые блокируют работу проводных
датчиков. Отображение био состояния окружающей
среды [11]: требует сложных подходов к интеграции
информации во временных и пространственных
масштабах [26,87]. Прогресс в области технологии
дистанционного зондирования и автоматизированный
сбор данных, позволили значительно снизить
затраты на исследования [15]. Преимущество
данных сетей в том, что узлы могут быть
соединены с Интернетом, который позволяет
удаленным пользователям осуществлять
контроль, мониторинг и наблюдения за
окружающей средой. Хотя спутниковые и
бортовые датчики являются полезными
в наблюдении за большим разнообразием,
например, пространственной сложности
видов доминирующих растений, они не позволяют
наблюдать за мелкими элементами, которые
составляет большую часть экосистемы
[43]. В результате возникает потребность
в развертывании на местах узлов беспроводных
сенсорных сетей. Одним из примеров применения
это составление биологической карты
окружающей среды в заповеднике в Южной
Калифорнии [11]. Три участка покрыты сетью,
в каждой их которых по 25-100 узлов, которые
используются для постоянного наблюдения
за состоянием окружающей среды. Обнаружение
наводнений [7]: примером обнаружения наводнений
является система оповещения [90] в США.
Несколько типов датчиков, размещенных
в системе оповещения, определяют уровень
осадков, уровень воды и погоду. Научно-исследовательские
проекты, такие как COUGAR Device Database Project в
Корнельском университете [7] и проект
DataSpace в Университете Rutgers [38], изучают различные
подходы к взаимодействию с отдельными
узлами в сети для получения снимков и
долго собираемых данных. Сельское хозяйство:
преимуществом сенсорных сетей также
является возможность контролировать
уровень пестицидов в воде, уровень эрозии
почвы и уровень загрязнения воздуха в
режиме реального времени.