Mobilní bezdrátová síť senzorů - Mobile wireless sensor network

Mobilní bezdrátové sítě čidlo ( MWSN ) může být jednoduše definován jako bezdrátové sítě senzorů (WSN), ve kterém jsou uzly čidla jsou mobilní. MWSN jsou na rozdíl od svého dobře zavedeného předchůdce menší a rozvíjející se oblastí výzkumu. MWSN jsou mnohem univerzálnější než sítě statických senzorů, protože je lze nasadit v jakémkoli scénáři a zvládnout rychlé změny topologie . Mnoho z jejich aplikací je však podobných, například monitorování prostředí nebo dohled . Uzly se běžně skládají z rádiového vysílače a přijímače a mikrokontroléru napájeného baterií , stejně jako jakési senzory pro detekci světla , tepla , vlhkosti , teploty atd.

Výzvy

Obecně řečeno, v MWSN existují dva soubory výzev; hardware a prostředí. Hlavní hardwarová omezení jsou omezená kapacita baterie a nízké náklady. Omezený výkon znamená, že je důležité, aby uzly byly energeticky účinné. Cenová omezení často vyžadují algoritmy nízké složitosti pro jednodušší mikrokontroléry a použití pouze simplexního rádia. Hlavními faktory prostředí jsou sdílené médium a různá topologie. Sdílené médium určuje, že přístup ke kanálu musí být nějakým způsobem regulován. To se často provádí pomocí schématu řízení středního přístupu (MAC), jako je vícenásobný přístup pro snímání nosiče (CSMA), vícenásobný přístup s frekvenčním dělením (FDMA) nebo vícenásobný přístup s dělením kódu (CDMA). Měnící se topologie sítě vychází z mobility uzlů, což znamená, že cesty vícehopů od senzorů k jímce nejsou stabilní.

Standardy

V současné době neexistuje žádný standard pro MWSN, takže se často vypůjčují protokoly z MANETů, jako je například Associativity-Based Routing (AR), Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV), Dynamic Source Routing (DSR) a Greedy Perimeter Stateless Routing ( GPSR). Preferovány jsou protokoly MANET, protože jsou schopné pracovat v mobilních prostředích, zatímco protokoly WSN často nejsou vhodné.

Topologie

Výběr topologie hraje při směrování důležitou roli, protože topologie sítě rozhoduje o přenosové cestě datových paketů k dosažení správného cíle. Zde všechny topologie (plochá / nestrukturovaná, klastrová, stromová, řetězová a hybridní topologie) nejsou možné pro spolehlivý přenos dat na mobilitu uzlů senzoru. Místo jediné topologie hraje při sběru dat zásadní roli hybridní topologie a výkon je dobrý. Schémata správy hybridní topologie zahrnují Cluster Independent Data Collection Tree ( CIDT ). a Veloct energeticky efektivní a propojený klastrový strom ( VELCT ); oba byly navrženy pro mobilní bezdrátové senzorové sítě (MWSN).

Směrování

Vzhledem k tomu, že v těchto sítích není pevná topologie, je jednou z největších výzev směrování dat ze zdroje do cíle. Obecně tyto směrovací protokoly čerpají inspiraci ze dvou polí; WSN a mobilní sítě ad hoc (MANET). Směrovací protokoly WSN poskytují požadovanou funkčnost, ale nemohou zpracovat vysokou frekvenci změn topologie. Zatímco směrovací protokoly MANET se mohou zabývat mobilitou v síti, ale jsou navrženy pro obousměrnou komunikaci, která v senzorových sítích často není nutná.

Protokoly navržené speciálně pro MWSN jsou téměř vždy multihopové a někdy adaptace stávajících protokolů. Například Úhel založené na dynamickém směrování zdrojů (ADSR) je adaptací protokolu bezdrátového síťového síťového protokolu Dynamic Source Routing (DSR) pro MWSN. ADSR používá informace o poloze k určení úhlu mezi uzlem, který má být vyslán, potenciálními předávacími uzly a jímkou. To se pak používá k zajištění toho, aby pakety byly vždy předávány směrem k umyvadlu. Také Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy protokol (LEACH) pro WSNs byla přizpůsobena Leach-M (LEACH-Mobile), pro MWSNs. Hlavním problémem hierarchických protokolů je, že mobilní uzly jsou náchylné k častému přepínání mezi klastry, což může způsobit velké množství režijních nákladů z uzlů, které se musí pravidelně znovu přidružovat k různým hlavám klastrů.

Další populární technikou směrování je využití informací o poloze z modulu GPS připojeného k uzlům. To lze vidět v protokolech, jako je Zone Based Routing (ZBR), které definuje klastry geograficky a používá informace o poloze k udržování aktualizovaných uzlů s klastrem, ve kterém se nacházejí. Pro srovnání, Geografically Opportunistic Routing (GOR), is a flat protocol který rozděluje oblast sítě na mřížky a poté používá informace o poloze k oportunistickému předávání dat, pokud je to možné, v každém směrování.

Vícecestné protokoly poskytují robustní mechanismus směrování, a proto se zdají být slibným směrem pro směrovací protokoly MWSN. Jedním takovým protokolem je dotazovaný datový centrický pletený multipath (DCBM).

Kromě toho jsou Robust Ad-hoc Sensor Routing (RASeR) a Location Aware Sensor Routing (LASeR) dva protokoly, které jsou navrženy speciálně pro vysokorychlostní aplikace MWSN, jako jsou ty, které obsahují UAV. Oba využívají výhod vícecestného směrování, které usnadňuje technika „slepého předávání“. Blind forwarding jednoduše umožňuje vysílajícímu uzlu vysílat paket svým sousedům, pak je odpovědností přijímajících uzlů rozhodnout, zda mají paket předat nebo jej zahodit. Rozhodnutí, zda předat paket nebo ne, se provádí pomocí metriky gradientu v celé síti, takže se porovnávají hodnoty vysílacích a přijímacích uzlů, aby se určilo, která je blíže k jímce. Klíčovým rozdílem mezi RASeR a LASeR je způsob, jakým udržují své metriky přechodu; RASeR používá pravidelný přenos malých majákových paketů, ve kterých uzly vysílají svůj aktuální přechod. Zatímco LASeR spoléhá na využití výhod informací o geografické poloze, které jsou již přítomny v uzlu mobilního senzoru, což je pravděpodobně případ mnoha aplikací.

Střední kontrola přístupu

Existují tři typy technik řízení středního přístupu (MAC): na základě časového dělení , frekvenčního dělení a dělení kódu . Vzhledem k relativní snadnosti implementace je nejběžnější volba MAC založená na časovém dělení, která úzce souvisí s populárním MAC CSMA / CA. Drtivá většina protokolů MAC, které byly navrženy s ohledem na MWSN , jsou přizpůsobeny stávajícím MAC adresám WSN a zaměřují se na schémata s nízkou spotřebou energie a cykly provozu.

Validace

Protokoly určené pro MWSN jsou obvykle validovány pomocí analytických, simulačních nebo experimentálních výsledků. Podrobné analytické výsledky jsou matematické povahy a mohou poskytnout dobrou aproximaci chování protokolu. Simulace lze provádět pomocí softwaru, jako je OPNET , NetSim a ns2, což je nejběžnější metoda ověřování. Simulace mohou poskytnout blízké aproximace skutečného chování protokolu v různých scénářích. Provádění fyzikálních experimentů je nejdražší a na rozdíl od ostatních dvou metod není třeba vytvářet žádné předpoklady. Díky tomu jsou nejspolehlivější formou informací, když určují, jak bude protokol fungovat za určitých podmínek.

Aplikace

Výhodou umožnění mobilních senzorů se zvyšuje počet aplikací nad rámec těch, pro které se používají statické WSN. Senzory lze připojit k řadě platforem:

  • Lidé
  • Zvířata
  • Autonomní vozidla
  • Bezpilotní vozidla
  • Vozidla s posádkou

Aby bylo možné charakterizovat požadavky aplikace, lze ji kategorizovat jako neustálé monitorování, monitorování událostí, konstantní mapování nebo mapování událostí. Aplikace s konstantním typem jsou založeny na čase a jako taková se data generují pravidelně, zatímco aplikace typu událostí jsou jednotkou událostí, a tak se data generují pouze při výskytu události. Monitorovací aplikace neustále běží po určitou dobu, zatímco mapovací aplikace se obvykle nasazují jednou, aby bylo možné vyhodnotit aktuální stav jevu. Mezi příklady aplikací patří monitorování zdraví, které může zahrnovat srdeční frekvenci, krevní tlak atd. To může být konstantní, v případě pacienta v nemocnici, nebo událost řízená v případě nositelného senzoru, který automaticky hlásí vaši polohu sanitce tým v případě nouze. Zvířata mohou mít k sobě připojena čidla, která sledují jejich pohyb pro migrační vzorce, stravovací návyky nebo jiné výzkumné účely. Senzory mohou být také připojeny k bezpilotním vzdušným prostředkům (UAV) pro účely sledování nebo mapování prostředí. V případě autonomního pátrání a záchrany pomocí UAV by se to považovalo za aplikaci pro mapování událostí, protože UAV jsou nasazeny k prohledávání oblasti, ale budou přenášet data zpět pouze v případě, že byla nalezena osoba.

Viz také

Reference