Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям для автоматизированных систем мониторинга. Техническим результатом является обеспечение эффективной маршрутизации, продление времени жизни сети и повышение надежности. Предложен способ и система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения, где беспроводная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), где N узлы сети, а M грани, имеется K маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, а время жизни T i каждого узла определяется как

На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети . Максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2528415

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области беспроводной связи и может быть использовано в автоматизированных системах мониторинга, работающих как независимо, так и в составе многоуровневых информационно-управляющих системах, в частности в системах мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени с узлами, распределенными на больших территориях и не имеющими проводных линий связи и линий электропитания.

Уровень техники

В настоящее время сенсорные сети все больше занимают свое место в приложениях мониторинга различных мест и событий. В связи с развитием технологии беспроводной связи появилась возможность развития беспроводных распределенных сенсорных сетей (РСС). Распределенные сенсорные сети отличаются от обычных сетей ограниченным энергоресурсом, низкой вычислительной мощностью, необходимостью более плотного расположения и низкой ценой одного узла. Эти особенности от других сетей (например, сотовых) определяют новые цели и задачи их применения. Беспроводные сенсорные сети получили широкое применение во многих сферах деятельности человека, и поэтому им сейчас уделяется огромное внимание.

Распределенная сенсорная сеть состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как: сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена батарей питания, требует значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до разрядки батареи. Это свойство сенсорных сетей является очень важным при разработке алгоритмов маршрутизации в РСС, позволяющих повысить эффективность расходования энергоресурса сети.

Так, существует множество способов экономии энергоресурсов узлов в сенсорной сети, и на фиг.1 приведена их классификация. Способы можно разделить на три большие группы - это сохранение энергии при помощи циклов работы, основанные на количестве передаваемой информации и на мобильности.

К циклам работы относят контроль топологии и управление энергопотреблением. Контроль топологии направлен на использование или уменьшение избыточных связей в сети в целях экономии ресурса. Управлять потреблением можно, применяя различные энергосберегающие протоколы управления доступом к среде передачи (МАС-протоколы) и режимы работы устройств. Второй класс способов сохранения энергоресурса основан на количестве передаваемой информации, а также на получении этой информации экономичными способами. Энергия, потраченная на обработку информации, несравнимо меньше требующейся энергии для ее передачи, поэтому используется внутрисетевая обработка данных, сжатие или предсказание данных. Также используются ретрансляторы для экономии электроэнергии узлов сенсорных сетей.

Методы маршрутизации можно разделить на следующие категории: прямая, иерархическая и маршрутизация в зависимости от географического положения.

Прямая маршрутизация подразумевает передачу сообщений от узла к узлу в сети, где каждый узел выполняет одинаковую функцию передачи и/или ретрансляции, в отличие от иерархической, где выделяется один или несколько узлов сбора и обработки информации. Недостаток прямой маршрутизации заключается в том, что сети, собирающие информацию с какой-то области, будут посылать множество избыточной информации, особенно при значительной плотности сенсорной сети. Для того чтобы избежать избыточности информации, используют специальные алгоритмы, направленные на получение информации не от узлов, а от определенной области сети. Например, известен алгоритм Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN), где базовая станция посылает запрос к определенному региону сенсорной сети. Получив запрос, узлы области выполняют требование запроса, локально обмениваются данными и посылают обратно обобщенный ответ.

При иерархической маршрутизации для сбора и обработки требуется использовать узлы с большим запасом энергии, что хотя и позволяет экономить на передачи уже обработанных данных значительно меньшего объема, зачастую неприемлемо ввиду однородности используемых приборов или других трудностей. Для того чтобы не использовать специализированные узлы, существуют несколько технологий. Так, известна технология Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), когда функцию сбора принимают поочередно несколько узлов сенсорной сети, выбираемых по определенному алгоритму, тем самым распределяя нагрузку узла сбора.

Маршрутизация в зависимости от географического положения также еще называется геометрической маршрутизацией, потому что для нахождения маршрута используется геометрическое направление на базовую станцию. Также существует маршрутизация по виртуальным координатам, которые выстраиваются не только в зависимости от реального положения узла, но и учитывают естественные неровности поверхности, препятствия, уровень канала передачи и др.

Также известна многопотоковая маршрутизация, где доставка сообщения от одного узла возможна по нескольким путям. В последнее время большое внимание уделяется маршрутизации по запросу у базовой станции, например, на основе нахождения кратчайшего пути и поддержания его с учетом плохого канала и выхода из строя узлов. Однако узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети, под которым часто понимается время жизни первого вышедшего из строя узла. Поэтому имеется необходимость в создании технологии максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается тем или иным методом линейного программирования.

Так, в качестве близкого по сущности технического решения известен патент RU 2439812 C1, опубликован 2012-01-10, МПК H04W 36/00, где раскрыта самоконфигурируемая сенсорная сеть из множества датчиков и исполнительных устройств на основе маршрутизации в зависимости от географического положения. Сенсорная сеть состоит из центрального устройства обработки данных (ЦУОД) и N базовых станций (БС), расположенных равномерно или хаотически по границам территории покрытия сети, где БС имеют пространственную привязку к глобальным координатам позиционирования и содержат память для хранения значения коэффициента доверия, который представляет собой число в диапазоне от заданного минимального и максимального значений. Коэффициент доверия для БС устанавливают приблизительно равным максимальному значению. Внутри территории покрытия сенсорной сети равномерно или хаотически располагают М узлов, причем M>>N. Узлы оснащают памятью, предназначенной для хранения значений координат пространственной привязки, которую инициализируют случайными значениями в процессе производства, и для хранения коэффициента доверия, которую инициализируют значением, приблизительно равным минимальному значению коэффициента доверия. Каждый узел и БС устанавливают соединение не более чем с К соседними узлами и БС, причем значение К зависит от характеристик пропускной способности канала связи, характеристик быстродействия и энергопотребления микропроцессоров, входящих в их состав. После установления соединения узлы и БС выполняют операцию взаимного определения значений пространственных координат. Для этого каждый узел или БС циклически передает значения собственной памяти для хранения значений координат пространственной привязки и памяти для хранения значения коэффициента доверия. В каждом цикле обработки узел получает значения координат и коэффициентов доверия от всех соседних устройств, с которыми установлено соединение, и определяет расчетные значения собственных координат и собственного коэффициента доверия по методу взвешенного усреднения значений собственных координат и координат соседних устройств, используя в качестве весовых коэффициентов коэффициенты доверия самого устройства и соседних устройств. Таким образом, узлы сенсорной сети получают пространственную привязку. Для маршрутизации сообщения от ЦУОД к узлу с координатами (x, y, z) оно передает сообщение к одной или нескольким БС, ближайшим к требуемым координатам. Указанные БС передают сообщение ближайшим узлам, а узлы последовательно - своим ближайшим узлам в направлении вектора, направленного к требуемой точке (x, y, z). Узлы, пространственно привязанные к точкам, расположенным на расстоянии, не превышающем радиус чувствительности сенсорной сети r, воспринимают сообщение как адресованное им. Дальнейший арбитраж узлов для выбора окончательного адресата сообщения, а также отправку подтверждения о приеме сообщения производят по необходимости, исходя из технических требований к функционированию сети. Для маршрутизации сообщения от узла к ЦУОД узлы дополнительно оснащают памятью для хранения списка координат ближайших БС. Для передачи сообщения ЦУОД узел передает сообщение одному или нескольким соседним узлам в направлении вектора, направленного к точке с координатами БС, когда сообщение достигает БС, она передает сообщение непосредственно на ЦУОД и, при необходимости, отправляет в сторону передавшего узла сообщение о подтверждении передачи.

Недостатком такой самоконфигурируемой сенсорной сети и способа ее функционирования является сложность применяемого оборудования, связанная с необходимостью задавать и использовать координаты пространственной привязки узлов и базовых станций, а также такое решение не обеспечивает продолжительное время жизни всей сети в целом.

В качестве наиболее близкого аналога - прототипа можно предложить способ маршрутизации с максимальным временем жизни в беспроводной сети Ad-hoc, раскрытый в публикации Arvind Sankar and Zhen Liu, Maximum Lifetime Routing in Wireless Ad-hoc Networks, INFOCOM 2004, Twenty-third Annual Joint Conference of the IEEE, Computer and Communications Societies, vol.2, p.p.1089-1097, где формулируется задача максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается методом линейного программирования, а именно предложен алгоритм, чтобы минимизировать сумму потенциальных функций всех очередей.

Недостатком такого способа является низкая эффективность, поскольку узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, часто быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети.

Таким образом, имеется необходимость в решении вышеуказанных проблем предшествующего уровня техники.

Сущность изобретения

Техническим результатом, на достижение которого направлено предложенное изобретение, является, в частности: обеспечение эффективной маршрутизации и продление времени жизни беспроводной сенсорной сети для мониторинга различных объектов и параметров в режиме реального времени, где важна информация каждого узла, повышение функциональности, надежности и снижение стоимости использования систем для мониторинга. Использование предложенного решения позволит повысить эффективность эксплуатации контролируемого объекта за счет более продолжительного срока службы автономной батареи электропитания, что позволит регистрировать и передавать данные о параметрах объекта и/или окружающей среды в течение более продолжительного времени.

Сущность предложенного способа распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети заключается в применении нового алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения. Связь между упомянутыми узлами в сенсорной сети выполняется, например, по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому подходящему протоколу беспроводной связи. Распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M), который определяет набор упомянутых узлов и связи между ними, где N узлы сети, а М грани, также имеется К маршрутов. Информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, при этом время жизни T i каждого узла определяется как

Далее определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys

Таким образом, максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные узлы на основе его рассчитанного T i .

По меньшей мере, один узел источника содержит датчик измерения и мониторинга физических параметров (величин) с автономным питанием, который осуществляет мониторинг в заданной области сети и передачу сообщений (пакетов данных) с измеренными параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

Как вариант, в каждом узле для приведения данных мониторинга к единообразному виду могут выполнять первичную обработку полученных с датчиков физических параметров, например, путем их накопления в памяти, усреднения, аналого-цифрового преобразования в соответствующий код. В качестве измеряемых параметров для мониторинга, например, окружающей среды, используются различные параметры, такие как температура, давление, влажность, освещенность, задымление, уровень вибрации и др.

Как вариант, выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которые необходимо пройти до узла назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время передачи; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

Как вариант, в способе дополнительно осуществляют обновление значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимое при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

Как вариант, после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям (маршруту) реализуют при отправке пакета, каждый узел сети помещает адрес следующего узла в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровень).

Также предложена система распределенной балансировки трафика в распределенной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети согласно предложенному способу, содержащая: узел назначения, соединенный беспроводным каналом связи с узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник их питания, а узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

Как вариант, сенсорные модули могут быть разделены на группы, и каждая группа связана с узлом назначения беспроводной связью через свой приемопередатчик. Мониторинг экологических или промышленных параметров в реальном времени проводится точечно в заданной области, где первое подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга, а второе подмножество узлов источников выполняет только функции приемопередачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с первого подмножества узлов источников.

Эти и другие конструктивные и функциональные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из детального описания его вариантов, которые должны читаться совместно с чертежом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана известная классификация способов сохранения энергии узлов в сенсорной сети.

На фиг.2 показан алгоритм построения сенсорной сети на основе опроса.

На фиг.3 показана сенсорная сеть в виде графа G (N, M).

На фиг.4 показаны варианты определения маршрутов.

Подробное описание изобретения

Предложен алгоритм, на котором базируется технология автоматизированного сбора и передачи данных посредством предложенной РСС (сети автономных беспроводных самоорганизующихся мобильных устройств) на единую точку для построения модели исследуемого объекта или пространства. Данная модель преимущественно может быть использована для построения сетей мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени, мониторинга состояния в жизненном цикле зданий и сооружений, при проектировании и построении рекреационных зон и объектов санитарно-курортного строительства, а также в других различных областях автомобильной индустрии, на железнодорожном транспорте, в дорожном строительстве, в медицине.

Предложенное изобретение позволяет существенно повысить функциональность, надежность и снизить стоимость использования таких систем для мониторинга. Снижение стоимости неразрывно связано с конструктивной, функциональной и программной унификацией частей, из которых строится система, что предполагает тщательный анализ требований и проведение исследований способов построения универсальной программно-аппаратной платформы для создания систем мониторинга экологического состояния среды на основе технологии беспроводных сенсорных сетей. Для этого исследуются различные параметры: температура, давление, влажность, освещенность, задымление, вибрация, которые собираются посредством самоорганизующихся сенсорных сетей. РСС состоит из конечных устройств, промежуточных роутеров, координатора сети и выделенной точки сбора данных, иногда такую точку называют шлюзом сети, она служит для конвертации данных из радиоканала в сеть, организованную на оптических или медных проводах - Ethernet. Датчики сбора физических параметров крепятся к узлам сети - конечным устройствам, которые через координатор сети выстраиваются в единую структуру, например, посредством протокола ZigBee. Это позволяет развернуть сеть для мониторинга за короткий промежуток времени с минимальными затратами и достаточно высокой надежностью.

Каждый узел РСС снабжен автономным источником питания, что позволяет устанавливать их в труднодоступных местах для снятия требуемых показаний с минимальными трудозатратами. Особенностью предложенного изобретения является создание уникального масштабируемого программно-аппаратного обеспечения, состоящего из необходимого для внедрения набора модулей, позволяющего управлять устройствами для максимально возможного времени работы, и при этом формировать в автоматическом режиме достоверную модель пространственной гетерогенной среды. Связь между устройствами происходит по радиоканалу в различных стандартах связи, в том числе по протоколу Zigbee, в нелицензируемом диапазоне частот или по мобильной цифровой радиосети. Собранные для обработки данные позволяют использовать такую систему для построения экологической 3D модели исследуемой среды/пространства или исследуемого объекта, существенно сократив объем требуемого времени на обработку и получение информации и денежных ресурсов. Суть предложенного алгоритма, названного two ladder-logic, заключается в управлении элементами РСС, позволяющего балансировать нагрузкой на узлах сети таким образом, чтобы передаваемые данные отправлялись на ближайший узел сети не случайным образом, а на тот, который обладает наибольшим запасом энергии в текущий момент времени. Используемый алгоритм функционирования РСС позволяет изменять нагрузку на узлы сети таким образом, что вся сеть остается работоспособной максимально продолжительное время.

Применение РСС может обеспечить получение значительных преимуществ как в технологическом, так и в экономическом аспекте, перед традиционными системами сбора и обработки данных. Принципиальное возрастание производительности сбора и обработки цифровой телеметрии, достигаемое за счет использования РСС, позволяет агрессивно внедряться в рынок и перейти на технологические решения нового поколения, тем самым становится возможным и легко реализуемым появление новых автоматизированных систем, действующих в реальном времени на основе облачных технологий. По мере развития технологии должен произойти переход от соединенных локальных сетей мониторинга к крупномасштабным системам мониторинга, наблюдения и предсказания, основанным на беспроводной РСС.

На фиг.2 показан пример маршрутизации и построения сенсорной сети на основе опроса. РСС состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и малогабаритный источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена автономной батареи, требуют значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до истощения батареи питания.

Алгоритм маршрутизации позволяет строить маршрут на основании запросов и ответов. Координатор сети 1 отправляет широковещательный запрос HELLO и принимает ответы от маршрутизатора (роутера) 2. Каждый маршрутизатор также отправляет широковещательный запрос и получает ответы от соседних устройств, это могут быть другие маршрутизаторы или конечные устройства 3. На основе принятых ответов (силе сигнала, времени ответа и других параметров) координатором выстраивается таблица маршрутизации на каждом маршрутизаторе. Далее, выбор маршрута осуществляется в стандартном алгоритме путем определения весового графа с минимальным суммарным значением.

Как правило, сенсорные узлы оборудуются однотипными устройствами с определенным набором функций. После установки, в процессе эксплуатации сенсорные узлы должны сами организоваться в коммуникационную сеть, где каждый узел использует только те функции, которые необходимы для решения поставленной задачи. Маршрутизация также происходит в автоматическом режиме. Помимо первичной маршрутизации, требуется еще регулярное перестроение сети, потому что устройства могут терять канал связи или выходить из строя по причинам, связанным с внешними или внутренними факторами.

Работа каждого сенсорного узла направлена на измерение различных параметров среды, например температуры, давления, освещенности, влажности, задымления, уровня вибрации и др. Такое разнообразие параметров влечет за собой различные сферы применения, например сбор данных и мониторинг окружающей среды, мониторинг различных производственных объектов, размещенных как в отдельном здании, так и на большой территории, объектов нефтегазовой промышленности, транспортных объектов, военные применения и др. Сенсорные сети выполняют различные задачи, которые можно грубо разделить на две категории. Первая категория задач связана с детекцией событий, которые происходят очень редко, но требуют немедленного оповещения и/или обнаружения местонахождения. Во вторую категорию (мониторинг) входят задачи непрерывного измерения какой-либо величины в течение длительного промежутка времени. Здесь время задержки может быть равно характерному времени изменения измеряемого параметра. Мониторинг может проводиться точечно по какой-либо площади, при точечном измерении основная часть узлов играет роль передатчиков, и лишь незначительная часть узлов непосредственно осуществляет мониторинг.

Предложен алгоритм маршрутизации с балансировкой трафика в распределенной сенсорной сети. Для этого, распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M) с N узлами и М гранями, который представляет набор существующих узлов и возможные связи между ним, как показано на фиг.3. Каждый i-й узел изначально имеет запас энергии E i . Каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j. Считается, что есть К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c .

Время жизни T i каждого узла будет равняться в такой системе

Согласно используемому алгоритму определяется таблица маршрутизации координатором на каждом узле. Выстраивается вектор передачи сообщения. Далее проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Таким образом, целью является экономия суммарно затраченной энергии во всей сети на передачу одного пакета. Это эффективно для сетей передачи данных, когда время жизни сети определяется временем, в течение которого сеть способна передавать сообщения.

В сетях, где каждый узел осуществляет одновременно две функции: измерение какой-то величины и передачу сообщений, то есть сенсорная сеть выполняет функцию мониторинга физических величин в заданной области, для полноты картины важно значение каждого узла.

Тогда время жизни всей системы T sys определим как:

Задача максимизации времени жизни будет выглядеть: maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей системы необходимо распределять маршруты для передаваемой информации. Суть предложенного способа маршрутизации с балансировкой трафика в РСС состоит в том, что выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, которые могут быть задействованы при передаче данных. Иначе говоря, из возможных вариантов маршрута движения пакета данных исключаются наиболее затратные прыжки-хопы (транзитный участок или переход в сети между двумя узлами сети, по которому передается трафик), тем самым экономится энергия на каждом узле и снижается вероятность выхода узла из строя, что исключает крах всей сети измерений из-за того, что один узел уже перестал выполнять актуальные замеры.

Выбор варианта маршрута (показан на фиг.4) при формировании и обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как: длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до пункта назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время пересылки; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

После построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям алгоритм реализует тем, что при отправке пакета через маршрутизатор каждый узел локальной сети помещает в заголовок пакета на МАС-уровне адрес следующего получателя. Таким образом, в приведенном примере на фиг.3, исходя из минимума суммарных затрат (веса/цены) на узлах (фиг.4) будет выбран маршрут 1, с суммой затрат веса/цены - 9, как самой минимальной величины. Тем самым прохождение трафика по узлам маршрута 1 приведет в скорейшем времени к полному энергетическому истощению узла 4, что выведет из строя эти узлы и исключит возможность сбора параметров в нужных точках исследования.

Однако при использовании предложенного распределенного алгоритма балансировки трафика на основе весовых коэффициентов будет выбран маршрут 2, что позволит сенсорной сети существовать на порядок дольше. Такое возможно за счет того, что нагрузка на все узлы, в случае предложенного алгоритма, распределяется более планомерно по все узлам сети.

Предложенное изобретение может быть реализовано с использованием различных функциональных и/или аппаратных средств, программного обеспечения, процессоров специального назначения и/или их комбинации. Предпочтительно изобретение реализуется как комбинация аппаратных средств и программного обеспечения. Программное обеспечение предпочтительно реализуется как прикладная программа, материально осуществленная на устройстве хранения/считывания программ. Прикладная программа может быть выгружена или приведена в исполнение посредством ЭВМ, содержащей любую архитектуру, и реализуется на вычислительной платформе, имеющей аппаратные средства: один или более центральных процессоров, оперативное запоминающее устройство и интерфейсы ввода-вывода. Вышеописанные различные варианты осуществления изобретения представлены только для понимания и в качестве примера и не должны ограничиваться этими примерами.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ распределенной балансировки трафика на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети,

при этом распределенная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), который характеризует набор упомянутых узлов и связи между ним, где N узлы сети, а M грани, имеется К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j,

При этом время жизни T i каждого узла определяется как

определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения,

проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys

при этом максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника размещен датчик с автономным питанием, который осуществляет измерение и мониторинг физических параметров в заданной области и передачу пакетов данных с измеренными физическими параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве датчиков используются датчики измерения физических параметров для мониторинга окружающей среды на основе контроля следующих параметров: температуры, давления, влажности, освещенности, задымления, уровня вибрации.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника выполняют первичную обработку физических параметров, полученных с упомянутых датчиков, например, накопление, усреднение, аналого-цифровое преобразование.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, связь между узлами в сенсорной сети выполняется по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому протоколу беспроводной связи.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в канале связи между узлом источника и узлом назначения содержится маршрутизатор, который взаимодействует с этими узлами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до узла назначения, пропускная способность канала связи, прогнозируемое суммарное время передачи, количество остаточной энергии на узле, стоимость канала связи.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным маршрутам реализуют при отправке пакета, где каждый узел сети помещает в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровне) адрес следующего узла.

9. Способ по любому из пп.1, 6, 7, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап обновления значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимый при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

10. Система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети для мониторинга физических параметров согласно способу по любому из пп.1-9, содержащая множество узлов источника, соединенных между собой, и узел назначения, соединенный с, по меньшей мере, одним узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник питания, сенсорные модули разделены на группы и каждая группа связана с узлом назначения через свой приемопередатчик, при этом узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что мониторинг проводится точечно в заданной области, где, по меньшей мере, одно подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга посредством своих датчиков физических параметров, а другое подмножество узлов источников выполняет посредством своих приемопередатчиков только функции приемо-передачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с упомянутого подмножества узлов источников.

Уже близок тот день, когда сотни миллионов полупроводниковых сенсоров будут интегрироваться во все, что только возможно, начиная от брелока на ключе и заканчивая детской коляской. И все они будут в состоянии не только выступать в роли интеллектуальных датчиков, но и выполнять первичную обработку информации, а также взаимодействовать друг с другом, образуя единую беспроводную сенсорную сеть. При этом такие датчики практически не будут потреблять электроэнергию, так как встроенных миниатюрных аккумуляторов будет хватать на несколько лет, то есть на весь срок работы сенсоров. Это будет концептуально новый тип компьютерной системы, функционирующей с помощью беспроводной сенсорной сети. Такую сеть принято называть Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Термин Ad-hoc позаимствован из современных беспроводных сетей, действующих, например, в стандарте IEEE 802.11b. Такие беспроводные сети имеют два режима взаимодействия: режим Infrastructure и Ad-hoc. В режиме Infrastructure узлы сети взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях). В режиме Ad-hoc, который также называется Peer-to-Peer («точка-точка»), станции непосредственно взаимодействуют друг с другом. Соответственно и в беспроводных сенсорных сетях режим Ad-hoc означает, что все сенсоры напрямую взаимодействуют друг с другом, создавая своеобразную сотовую сеть

Беспроводные сенсорные сети - это своеобразный шаг на пути перехода в следующую эпоху - когда компьютеры будут непосредственно соединены с физическим миром и смогут угадывать желания пользователей, а также принимать за них решения.
Давайте немного помечтаем, что принесут нам такие сенсорные сети в будущем. Представьте себе детские кроватки, слушающие дыхание младенцев; браслеты, следящие за состоянием пациентов в клинике; детекторы дыма, которые могут не только в случае необходимости вызвать пожарных, но и заранее проинформируют их об очаге возгорания и степени сложности пожара. Электронные устройства смогут распознавать друг друга, источники питания будут напоминать о том, что им необходимо «подкрепиться».

Представьте сотни тысяч сенсорных датчиков, объединенных в общую сеть в лесу. В таком лесу просто невозможно будет заблудиться, поскольку передвижение человека будет фиксироваться, и анализироваться датчиками. Другой пример - датчики в поле, настроенные на контроль за состоянием почвы и в зависимости от меняющихся условий регулирующие полив и количество вносимых удобрений.
Не менее полезными будут сенсорные сети на дорогах. Общаясь друг с другом, они смогут регулировать поток машин. Это же мечта любого водителя - дороги без пробок! Такие сети смогут справляться с этой задачей значительно эффективнее, чем любое ведомство. Проблема контроля
правонарушений на дорогах решится при этом сама собой.

Использование сенсорных сетей для управления электроснабжением позволит достичь невероятной экономии электроэнергии. Представьте себе такую управляющую сеть у вас в квартире. Отслеживая ваше местонахождение, датчики смогут повсюду выключать за вами свет и включать его по мере необходимости. Ну а если использовать такие сети для контроля освещения улиц и дорог, то проблема нехватки электричества исчезнет сама собой. Для того, чтобы сенсорные сети стали реальностью завтрашнего дня, исследования в этом направлении ведутся уже сегодня. И лидером в этой области является корпорация Intel, которая поддерживает все передовые компьютерные технологии будущего. Особое внимание, уделяя разработке беспроводных много узловых сенсорных сетей, способных к самостоятельному автоматическому формированию и настройке по мере необходимости. Реализация этой технологии позволит развернуть сеть недорогих, но при этом весьма сложных полупроводниковых сенсорных устройств, которые смогут самостоятельно устанавливать связь друг с другом, докладывая о тех или иных изменениях в окружающей обстановке. К примеру, сенсор Mica оснащается 128 килобайтами программой флэш-памяти, 256 килобайтами флэш-памяти для хранения данных и радиопередатчиком, работающим на частоте 900 МГц.
Некоторые из этих устройств работают под управлением операционной системы
TinyOS , код этой операционной системы является открытым и состоит всего из
8.5 Кб.

Такие устройства найдут применение в принципиально новых областях, например в разработке интеллектуальных предметов одежды, подключенных одеял, которые будут следить за состоянием здоровья новорожденного и сообщать важнейшие показатели его жизнедеятельности, интеллектуальных фермерских хозяйств, в которых полупроводниковые датчики, установленные в почве, займутся управлением ирригационной
системой и внесением удобрений. Исследованием сенсорных сетей в корпорации Intel занимается
знаменитая исследовательская лаборатория Intel Berkeley Research laboratory, расположенная в штате Калифорния. Существующие сегодня экспериментальные сенсорные сети лишь отчасти удовлетворяют вышеизложенным требованиям. Так, на сегодняшний день сети состоят только из сотен сенсоров с ограниченной зоной покрытия и выполняют лишь четко определенные задачи. Они способны передавать лишь определенный тип информации от одного датчика к другому и только в заданной полосе пропускания. Потребление энергии также нельзя назвать ничтожно малым
- заряда батареи хватает всего на несколько дней. Существующие сенсорные датчики пока еще достаточно инертны, а о высокой надежности и незаметности в эксплуатации (хотя бы из-за размеров) и речи не идет. Ну и, конечно же, такие сенсоры стоят достаточно дорого, так что сеть, состоящая из сотни сенсоров, обходится недешево. Но надо помнить, что речь идет об экспериментальных сетях и о развитии технологии будущего. В то же время экспериментальные сенсорные сети уже сейчас приносят пользу. Одна из таких сенсорных сетей, созданная совместными усилиями исследовательской лаборатории Intel Berkeley, институтом Атлантики и Калифорнийским университетом, действует на Большом утином острове (Great Duck Island) в штате Мэн.

Задача этой сети - изучение микросреды обитания различных биологических организмов населяющих остров.
Любое человеческое вмешательство (даже с целью изучения) иногда излишне,
вот тут-то и приходят на выручку сенсорные сети, позволяющие без непосредственного участия человека собирать все необходимую информацию.

Сенсорная сеть использует в качестве узловых элементов две платы. На первой плате расположены температурный датчик, датчики влажности и барометрического давления и инфракрасный датчик. На второй плате находятся микропроцессор (частота 4 МГц), оперативная память объемом 1 Кбайт, флэш-память для хранения программ и данных, источник питания (две батарейки типоразмера АА) и радиопередатчик/
приемник, работающий на частоте 900 МГц. Сенсоры позволяют регистрировать всю необходимую информацию и передавать ее в базу данных главного компьютера. Все датчики предварительно проходят тщательное тестирование - плату с датчиками погружают в воду надвое суток и следят за ее функциональностью. Все сенсорные узлы образуют единую беспроводную сеть и способны обмениваться информацией. При этом передача информации от удаленного узла сети к шлюзу (Gateway Sensor) происходит по цепочке, то есть от одного узла сети к другому, что позволяет создавать большую зону покрытия.

Через шлюз информация достигает главного компьютера. Шлюз использует направленную антенну, что позволяет увеличить расстояние передачи до 300 м. С главного компьютера информация с помощью спутниковой связи передается через Интернет в исследовательский центр, расположенный в Калифорнии.

Не менее активно сотрудники лаборатории работают над прецизионной биологией, созданием биочипов. Кроме сенсорного восприятия мира твердых вещей, исследуется возможность "ощущать" жидкие среды и биологические, развивающиеся объекты. Подобные исследования открывают колоссальные перспективы для медицинских и фармацевтических разработок, осуществления химических процессов и изготовления биологических препаратов. Поскольку главное предназначение сенсорных сетей – восприятие и передача полезной информации, специалисты лаборатории Intel в Беркли заняты разработкой методики объединения сенсоров с предметами, мониторинг которых вменяется им в обязанность, а также исследуют возможность создания «актуаторов» - устройств на основе сенсоров, которые позволяют влиять на ситуацию, а не только регистрировать ее состояние. Сенсорные сети очевидным образом полезны для военных приложений, одна из возможных вариаций сетей проходила "боевые" испытания в Афганистане, где вооруженные силы США разместили несколько сот сенсоров с целью отслеживания передвижений боевой техники противника. Однако о внедрении
реальных сетей в нашу жизнь говорить рано, сеть уязвима в отказоустойчивости. Атакой в сенсорной сети, приводящей к отказу в обслуживании (Denial of Service - DoS), является любое событие, которое уменьшает или ликвидирует возможность сети выполнять ожидаемую от нее функцию. Авторы предлагают основывать протоколы сенсорных сетей на многоуровневой архитектуре, что может повредить эффективности сети, но повысит ее надежность. Обсуждаются виды DoS-атак, типичные для каждого уровня, и приемлемые методы защиты. Таким образом, уже сегодня, несмотря на несовершенство и пока еще достаточно узкий круг использования, сенсорные сети находят применение в науке, а в дальнейшем и в жизни.

Использовались материалы с сайтов:

Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям для автоматизированных систем мониторинга. Техническим результатом является обеспечение эффективной маршрутизации, продление времени жизни сети и повышение надежности. Предложен способ и система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения, где беспроводная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), где N узлы сети, а M грани, имеется K маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, а время жизни T i каждого узла определяется как

На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети T sys = min i ∈ N T i (q c) . Максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области беспроводной связи и может быть использовано в автоматизированных системах мониторинга, работающих как независимо, так и в составе многоуровневых информационно-управляющих системах, в частности в системах мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени с узлами, распределенными на больших территориях и не имеющими проводных линий связи и линий электропитания.

Уровень техники

В настоящее время сенсорные сети все больше занимают свое место в приложениях мониторинга различных мест и событий. В связи с развитием технологии беспроводной связи появилась возможность развития беспроводных распределенных сенсорных сетей (РСС). Распределенные сенсорные сети отличаются от обычных сетей ограниченным энергоресурсом, низкой вычислительной мощностью, необходимостью более плотного расположения и низкой ценой одного узла. Эти особенности от других сетей (например, сотовых) определяют новые цели и задачи их применения. Беспроводные сенсорные сети получили широкое применение во многих сферах деятельности человека, и поэтому им сейчас уделяется огромное внимание.

Распределенная сенсорная сеть состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как: сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена батарей питания, требует значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до разрядки батареи. Это свойство сенсорных сетей является очень важным при разработке алгоритмов маршрутизации в РСС, позволяющих повысить эффективность расходования энергоресурса сети.

Так, существует множество способов экономии энергоресурсов узлов в сенсорной сети, и на фиг.1 приведена их классификация. Способы можно разделить на три большие группы - это сохранение энергии при помощи циклов работы, основанные на количестве передаваемой информации и на мобильности.

К циклам работы относят контроль топологии и управление энергопотреблением. Контроль топологии направлен на использование или уменьшение избыточных связей в сети в целях экономии ресурса. Управлять потреблением можно, применяя различные энергосберегающие протоколы управления доступом к среде передачи (МАС-протоколы) и режимы работы устройств. Второй класс способов сохранения энергоресурса основан на количестве передаваемой информации, а также на получении этой информации экономичными способами. Энергия, потраченная на обработку информации, несравнимо меньше требующейся энергии для ее передачи, поэтому используется внутрисетевая обработка данных, сжатие или предсказание данных. Также используются ретрансляторы для экономии электроэнергии узлов сенсорных сетей.

Методы маршрутизации можно разделить на следующие категории: прямая, иерархическая и маршрутизация в зависимости от географического положения.

Прямая маршрутизация подразумевает передачу сообщений от узла к узлу в сети, где каждый узел выполняет одинаковую функцию передачи и/или ретрансляции, в отличие от иерархической, где выделяется один или несколько узлов сбора и обработки информации. Недостаток прямой маршрутизации заключается в том, что сети, собирающие информацию с какой-то области, будут посылать множество избыточной информации, особенно при значительной плотности сенсорной сети. Для того чтобы избежать избыточности информации, используют специальные алгоритмы, направленные на получение информации не от узлов, а от определенной области сети. Например, известен алгоритм Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN), где базовая станция посылает запрос к определенному региону сенсорной сети. Получив запрос, узлы области выполняют требование запроса, локально обмениваются данными и посылают обратно обобщенный ответ.

При иерархической маршрутизации для сбора и обработки требуется использовать узлы с большим запасом энергии, что хотя и позволяет экономить на передачи уже обработанных данных значительно меньшего объема, зачастую неприемлемо ввиду однородности используемых приборов или других трудностей. Для того чтобы не использовать специализированные узлы, существуют несколько технологий. Так, известна технология Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), когда функцию сбора принимают поочередно несколько узлов сенсорной сети, выбираемых по определенному алгоритму, тем самым распределяя нагрузку узла сбора.

Маршрутизация в зависимости от географического положения также еще называется геометрической маршрутизацией, потому что для нахождения маршрута используется геометрическое направление на базовую станцию. Также существует маршрутизация по виртуальным координатам, которые выстраиваются не только в зависимости от реального положения узла, но и учитывают естественные неровности поверхности, препятствия, уровень канала передачи и др.

Также известна многопотоковая маршрутизация, где доставка сообщения от одного узла возможна по нескольким путям. В последнее время большое внимание уделяется маршрутизации по запросу у базовой станции, например, на основе нахождения кратчайшего пути и поддержания его с учетом плохого канала и выхода из строя узлов. Однако узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети, под которым часто понимается время жизни первого вышедшего из строя узла. Поэтому имеется необходимость в создании технологии максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается тем или иным методом линейного программирования.

Так, в качестве близкого по сущности технического решения известен патент RU 2439812 C1, опубликован 2012-01-10, МПК H04W 36/00, где раскрыта самоконфигурируемая сенсорная сеть из множества датчиков и исполнительных устройств на основе маршрутизации в зависимости от географического положения. Сенсорная сеть состоит из центрального устройства обработки данных (ЦУОД) и N базовых станций (БС), расположенных равномерно или хаотически по границам территории покрытия сети, где БС имеют пространственную привязку к глобальным координатам позиционирования и содержат память для хранения значения коэффициента доверия, который представляет собой число в диапазоне от заданного минимального и максимального значений. Коэффициент доверия для БС устанавливают приблизительно равным максимальному значению. Внутри территории покрытия сенсорной сети равномерно или хаотически располагают М узлов, причем M>>N. Узлы оснащают памятью, предназначенной для хранения значений координат пространственной привязки, которую инициализируют случайными значениями в процессе производства, и для хранения коэффициента доверия, которую инициализируют значением, приблизительно равным минимальному значению коэффициента доверия. Каждый узел и БС устанавливают соединение не более чем с К соседними узлами и БС, причем значение К зависит от характеристик пропускной способности канала связи, характеристик быстродействия и энергопотребления микропроцессоров, входящих в их состав. После установления соединения узлы и БС выполняют операцию взаимного определения значений пространственных координат. Для этого каждый узел или БС циклически передает значения собственной памяти для хранения значений координат пространственной привязки и памяти для хранения значения коэффициента доверия. В каждом цикле обработки узел получает значения координат и коэффициентов доверия от всех соседних устройств, с которыми установлено соединение, и определяет расчетные значения собственных координат и собственного коэффициента доверия по методу взвешенного усреднения значений собственных координат и координат соседних устройств, используя в качестве весовых коэффициентов коэффициенты доверия самого устройства и соседних устройств. Таким образом, узлы сенсорной сети получают пространственную привязку. Для маршрутизации сообщения от ЦУОД к узлу с координатами (x, y, z) оно передает сообщение к одной или нескольким БС, ближайшим к требуемым координатам. Указанные БС передают сообщение ближайшим узлам, а узлы последовательно - своим ближайшим узлам в направлении вектора, направленного к требуемой точке (x, y, z). Узлы, пространственно привязанные к точкам, расположенным на расстоянии, не превышающем радиус чувствительности сенсорной сети r, воспринимают сообщение как адресованное им. Дальнейший арбитраж узлов для выбора окончательного адресата сообщения, а также отправку подтверждения о приеме сообщения производят по необходимости, исходя из технических требований к функционированию сети. Для маршрутизации сообщения от узла к ЦУОД узлы дополнительно оснащают памятью для хранения списка координат ближайших БС. Для передачи сообщения ЦУОД узел передает сообщение одному или нескольким соседним узлам в направлении вектора, направленного к точке с координатами БС, когда сообщение достигает БС, она передает сообщение непосредственно на ЦУОД и, при необходимости, отправляет в сторону передавшего узла сообщение о подтверждении передачи.

Недостатком такой самоконфигурируемой сенсорной сети и способа ее функционирования является сложность применяемого оборудования, связанная с необходимостью задавать и использовать координаты пространственной привязки узлов и базовых станций, а также такое решение не обеспечивает продолжительное время жизни всей сети в целом.

В качестве наиболее близкого аналога - прототипа можно предложить способ маршрутизации с максимальным временем жизни в беспроводной сети Ad-hoc, раскрытый в публикации Arvind Sankar and Zhen Liu, Maximum Lifetime Routing in Wireless Ad-hoc Networks, INFOCOM 2004, Twenty-third Annual Joint Conference of the IEEE, Computer and Communications Societies, vol.2, p.p.1089-1097, где формулируется задача максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается методом линейного программирования, а именно предложен алгоритм, чтобы минимизировать сумму потенциальных функций всех очередей.

Недостатком такого способа является низкая эффективность, поскольку узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, часто быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети.

Таким образом, имеется необходимость в решении вышеуказанных проблем предшествующего уровня техники.

Сущность изобретения

Техническим результатом, на достижение которого направлено предложенное изобретение, является, в частности: обеспечение эффективной маршрутизации и продление времени жизни беспроводной сенсорной сети для мониторинга различных объектов и параметров в режиме реального времени, где важна информация каждого узла, повышение функциональности, надежности и снижение стоимости использования систем для мониторинга. Использование предложенного решения позволит повысить эффективность эксплуатации контролируемого объекта за счет более продолжительного срока службы автономной батареи электропитания, что позволит регистрировать и передавать данные о параметрах объекта и/или окружающей среды в течение более продолжительного времени.

Сущность предложенного способа распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети заключается в применении нового алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения. Связь между упомянутыми узлами в сенсорной сети выполняется, например, по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому подходящему протоколу беспроводной связи. Распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M), который определяет набор упомянутых узлов и связи между ними, где N узлы сети, а М грани, также имеется К маршрутов. Информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, при этом время жизни T i каждого узла определяется как

Далее определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys

Таким образом, максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные узлы на основе его рассчитанного T i .

По меньшей мере, один узел источника содержит датчик измерения и мониторинга физических параметров (величин) с автономным питанием, который осуществляет мониторинг в заданной области сети и передачу сообщений (пакетов данных) с измеренными параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

Как вариант, в каждом узле для приведения данных мониторинга к единообразному виду могут выполнять первичную обработку полученных с датчиков физических параметров, например, путем их накопления в памяти, усреднения, аналого-цифрового преобразования в соответствующий код. В качестве измеряемых параметров для мониторинга, например, окружающей среды, используются различные параметры, такие как температура, давление, влажность, освещенность, задымление, уровень вибрации и др.

Как вариант, выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которые необходимо пройти до узла назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время передачи; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

Как вариант, в способе дополнительно осуществляют обновление значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимое при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

Как вариант, после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям (маршруту) реализуют при отправке пакета, каждый узел сети помещает адрес следующего узла в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровень).

Также предложена система распределенной балансировки трафика в распределенной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети согласно предложенному способу, содержащая: узел назначения, соединенный беспроводным каналом связи с узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник их питания, а узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

Как вариант, сенсорные модули могут быть разделены на группы, и каждая группа связана с узлом назначения беспроводной связью через свой приемопередатчик. Мониторинг экологических или промышленных параметров в реальном времени проводится точечно в заданной области, где первое подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга, а второе подмножество узлов источников выполняет только функции приемопередачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с первого подмножества узлов источников.

Эти и другие конструктивные и функциональные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из детального описания его вариантов, которые должны читаться совместно с чертежом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана известная классификация способов сохранения энергии узлов в сенсорной сети.

На фиг.2 показан алгоритм построения сенсорной сети на основе опроса.

На фиг.3 показана сенсорная сеть в виде графа G (N, M).

На фиг.4 показаны варианты определения маршрутов.

Подробное описание изобретения

Предложен алгоритм, на котором базируется технология автоматизированного сбора и передачи данных посредством предложенной РСС (сети автономных беспроводных самоорганизующихся мобильных устройств) на единую точку для построения модели исследуемого объекта или пространства. Данная модель преимущественно может быть использована для построения сетей мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени, мониторинга состояния в жизненном цикле зданий и сооружений, при проектировании и построении рекреационных зон и объектов санитарно-курортного строительства, а также в других различных областях автомобильной индустрии, на железнодорожном транспорте, в дорожном строительстве, в медицине.

Предложенное изобретение позволяет существенно повысить функциональность, надежность и снизить стоимость использования таких систем для мониторинга. Снижение стоимости неразрывно связано с конструктивной, функциональной и программной унификацией частей, из которых строится система, что предполагает тщательный анализ требований и проведение исследований способов построения универсальной программно-аппаратной платформы для создания систем мониторинга экологического состояния среды на основе технологии беспроводных сенсорных сетей. Для этого исследуются различные параметры: температура, давление, влажность, освещенность, задымление, вибрация, которые собираются посредством самоорганизующихся сенсорных сетей. РСС состоит из конечных устройств, промежуточных роутеров, координатора сети и выделенной точки сбора данных, иногда такую точку называют шлюзом сети, она служит для конвертации данных из радиоканала в сеть, организованную на оптических или медных проводах - Ethernet. Датчики сбора физических параметров крепятся к узлам сети - конечным устройствам, которые через координатор сети выстраиваются в единую структуру, например, посредством протокола ZigBee. Это позволяет развернуть сеть для мониторинга за короткий промежуток времени с минимальными затратами и достаточно высокой надежностью.

Каждый узел РСС снабжен автономным источником питания, что позволяет устанавливать их в труднодоступных местах для снятия требуемых показаний с минимальными трудозатратами. Особенностью предложенного изобретения является создание уникального масштабируемого программно-аппаратного обеспечения, состоящего из необходимого для внедрения набора модулей, позволяющего управлять устройствами для максимально возможного времени работы, и при этом формировать в автоматическом режиме достоверную модель пространственной гетерогенной среды. Связь между устройствами происходит по радиоканалу в различных стандартах связи, в том числе по протоколу Zigbee, в нелицензируемом диапазоне частот или по мобильной цифровой радиосети. Собранные для обработки данные позволяют использовать такую систему для построения экологической 3D модели исследуемой среды/пространства или исследуемого объекта, существенно сократив объем требуемого времени на обработку и получение информации и денежных ресурсов. Суть предложенного алгоритма, названного two ladder-logic, заключается в управлении элементами РСС, позволяющего балансировать нагрузкой на узлах сети таким образом, чтобы передаваемые данные отправлялись на ближайший узел сети не случайным образом, а на тот, который обладает наибольшим запасом энергии в текущий момент времени. Используемый алгоритм функционирования РСС позволяет изменять нагрузку на узлы сети таким образом, что вся сеть остается работоспособной максимально продолжительное время.

Применение РСС может обеспечить получение значительных преимуществ как в технологическом, так и в экономическом аспекте, перед традиционными системами сбора и обработки данных. Принципиальное возрастание производительности сбора и обработки цифровой телеметрии, достигаемое за счет использования РСС, позволяет агрессивно внедряться в рынок и перейти на технологические решения нового поколения, тем самым становится возможным и легко реализуемым появление новых автоматизированных систем, действующих в реальном времени на основе облачных технологий. По мере развития технологии должен произойти переход от соединенных локальных сетей мониторинга к крупномасштабным системам мониторинга, наблюдения и предсказания, основанным на беспроводной РСС.

На фиг.2 показан пример маршрутизации и построения сенсорной сети на основе опроса. РСС состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и малогабаритный источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена автономной батареи, требуют значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до истощения батареи питания.

Алгоритм маршрутизации позволяет строить маршрут на основании запросов и ответов. Координатор сети 1 отправляет широковещательный запрос HELLO и принимает ответы от маршрутизатора (роутера) 2. Каждый маршрутизатор также отправляет широковещательный запрос и получает ответы от соседних устройств, это могут быть другие маршрутизаторы или конечные устройства 3. На основе принятых ответов (силе сигнала, времени ответа и других параметров) координатором выстраивается таблица маршрутизации на каждом маршрутизаторе. Далее, выбор маршрута осуществляется в стандартном алгоритме путем определения весового графа с минимальным суммарным значением.

Как правило, сенсорные узлы оборудуются однотипными устройствами с определенным набором функций. После установки, в процессе эксплуатации сенсорные узлы должны сами организоваться в коммуникационную сеть, где каждый узел использует только те функции, которые необходимы для решения поставленной задачи. Маршрутизация также происходит в автоматическом режиме. Помимо первичной маршрутизации, требуется еще регулярное перестроение сети, потому что устройства могут терять канал связи или выходить из строя по причинам, связанным с внешними или внутренними факторами.

Работа каждого сенсорного узла направлена на измерение различных параметров среды, например температуры, давления, освещенности, влажности, задымления, уровня вибрации и др. Такое разнообразие параметров влечет за собой различные сферы применения, например сбор данных и мониторинг окружающей среды, мониторинг различных производственных объектов, размещенных как в отдельном здании, так и на большой территории, объектов нефтегазовой промышленности, транспортных объектов, военные применения и др. Сенсорные сети выполняют различные задачи, которые можно грубо разделить на две категории. Первая категория задач связана с детекцией событий, которые происходят очень редко, но требуют немедленного оповещения и/или обнаружения местонахождения. Во вторую категорию (мониторинг) входят задачи непрерывного измерения какой-либо величины в течение длительного промежутка времени. Здесь время задержки может быть равно характерному времени изменения измеряемого параметра. Мониторинг может проводиться точечно по какой-либо площади, при точечном измерении основная часть узлов играет роль передатчиков, и лишь незначительная часть узлов непосредственно осуществляет мониторинг.

Предложен алгоритм маршрутизации с балансировкой трафика в распределенной сенсорной сети. Для этого, распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M) с N узлами и М гранями, который представляет набор существующих узлов и возможные связи между ним, как показано на фиг.3. Каждый i-й узел изначально имеет запас энергии E i . Каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j. Считается, что есть К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c .

Время жизни T i каждого узла будет равняться в такой системе

Согласно используемому алгоритму определяется таблица маршрутизации координатором на каждом узле. Выстраивается вектор передачи сообщения. Далее проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Таким образом, целью является экономия суммарно затраченной энергии во всей сети на передачу одного пакета. Это эффективно для сетей передачи данных, когда время жизни сети определяется временем, в течение которого сеть способна передавать сообщения.

В сетях, где каждый узел осуществляет одновременно две функции: измерение какой-то величины и передачу сообщений, то есть сенсорная сеть выполняет функцию мониторинга физических величин в заданной области, для полноты картины важно значение каждого узла.

Тогда время жизни всей системы T sys определим как:

Задача максимизации времени жизни будет выглядеть: maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей системы необходимо распределять маршруты для передаваемой информации. Суть предложенного способа маршрутизации с балансировкой трафика в РСС состоит в том, что выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, которые могут быть задействованы при передаче данных. Иначе говоря, из возможных вариантов маршрута движения пакета данных исключаются наиболее затратные прыжки-хопы (транзитный участок или переход в сети между двумя узлами сети, по которому передается трафик), тем самым экономится энергия на каждом узле и снижается вероятность выхода узла из строя, что исключает крах всей сети измерений из-за того, что один узел уже перестал выполнять актуальные замеры.

Выбор варианта маршрута (показан на фиг.4) при формировании и обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как: длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до пункта назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время пересылки; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

После построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям алгоритм реализует тем, что при отправке пакета через маршрутизатор каждый узел локальной сети помещает в заголовок пакета на МАС-уровне адрес следующего получателя. Таким образом, в приведенном примере на фиг.3, исходя из минимума суммарных затрат (веса/цены) на узлах (фиг.4) будет выбран маршрут 1, с суммой затрат веса/цены - 9, как самой минимальной величины. Тем самым прохождение трафика по узлам маршрута 1 приведет в скорейшем времени к полному энергетическому истощению узла 4, что выведет из строя эти узлы и исключит возможность сбора параметров в нужных точках исследования.

Однако при использовании предложенного распределенного алгоритма балансировки трафика на основе весовых коэффициентов будет выбран маршрут 2, что позволит сенсорной сети существовать на порядок дольше. Такое возможно за счет того, что нагрузка на все узлы, в случае предложенного алгоритма, распределяется более планомерно по все узлам сети.

Предложенное изобретение может быть реализовано с использованием различных функциональных и/или аппаратных средств, программного обеспечения, процессоров специального назначения и/или их комбинации. Предпочтительно изобретение реализуется как комбинация аппаратных средств и программного обеспечения. Программное обеспечение предпочтительно реализуется как прикладная программа, материально осуществленная на устройстве хранения/считывания программ. Прикладная программа может быть выгружена или приведена в исполнение посредством ЭВМ, содержащей любую архитектуру, и реализуется на вычислительной платформе, имеющей аппаратные средства: один или более центральных процессоров, оперативное запоминающее устройство и интерфейсы ввода-вывода. Вышеописанные различные варианты осуществления изобретения представлены только для понимания и в качестве примера и не должны ограничиваться этими примерами.

1. Способ распределенной балансировки трафика на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети,
при этом распределенная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), который характеризует набор упомянутых узлов и связи между ним, где N узлы сети, а M грани, имеется К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j,
при этом время жизни T i каждого узла определяется как

определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения,
проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys


при этом максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника размещен датчик с автономным питанием, который осуществляет измерение и мониторинг физических параметров в заданной области и передачу пакетов данных с измеренными физическими параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве датчиков используются датчики измерения физических параметров для мониторинга окружающей среды на основе контроля следующих параметров: температуры, давления, влажности, освещенности, задымления, уровня вибрации.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника выполняют первичную обработку физических параметров, полученных с упомянутых датчиков, например, накопление, усреднение, аналого-цифровое преобразование.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, связь между узлами в сенсорной сети выполняется по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому протоколу беспроводной связи.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в канале связи между узлом источника и узлом назначения содержится маршрутизатор, который взаимодействует с этими узлами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до узла назначения, пропускная способность канала связи, прогнозируемое суммарное время передачи, количество остаточной энергии на узле, стоимость канала связи.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным маршрутам реализуют при отправке пакета, где каждый узел сети помещает в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровне) адрес следующего узла.

9. Способ по любому из пп.1, 6, 7, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап обновления значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимый при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

10. Система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети для мониторинга физических параметров согласно способу по любому из пп.1-9, содержащая множество узлов источника, соединенных между собой, и узел назначения, соединенный с, по меньшей мере, одним узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник питания, сенсорные модули разделены на группы и каждая группа связана с узлом назначения через свой приемопередатчик, при этом узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что мониторинг проводится точечно в заданной области, где, по меньшей мере, одно подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга посредством своих датчиков физических параметров, а другое подмножество узлов источников выполняет посредством своих приемопередатчиков только функции приемо-передачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с упомянутого подмножества узлов источников.

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для расширенной координации помех между ячейками. Технический результат - обеспечение возможности пользовательскому оборудованию идентифицировать защищенные ресурсы с уменьшенной помехой от соседних ячеек.

Изобретение относится к беспроводной связи и предназначено для того, что бы сигнал относительного предоставления и сигнал абсолютного предоставления могли быть обработаны на основании соотношения между относительным предоставлением и абсолютным предоставлением.

Изобретение относится к радиосвязи. Технический результат заключается в предоставлении в отчете информации, относящейся к состоянию канала в произвольной частотной полосе пропускания из множества частотных полос пропускания, и увеличении пропускной способности.

Изобретение относится к беспроводной связи и может быть использовано для определения аппаратурного шума. Технический результат - повышение точности определения значения аппаратурного шума, что обеспечивает решение проблемы, заключающейся в том, что результаты фиксированного измерения являются неточными из-за изменения аппаратурного шума вследствие изменения температуры.

Изобретение относится к беспроводной связи. Технический результат состоит в обеспечении нескольких уровней точности обратной передачи, гибком конфигурировании обратной передачи с различной точностью в соответствии с конкретными потребностями и эффективном использовании служебных данных обратной передачи.

Изобретение относится к системе беспроводной связи и предназначено для уменьшения вероятности интерференции между слоями, соответствующими различным потокам кодовых слов, и улучшения точности оценки каналов.

Изобретение относится к беспроводным системам. Технический результат - улучшение надежности приема HARQ-ACK, когда оно кодировано с использованием блочного кода относительно того, когда оно кодировано с использованием кода с повторением.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении идентификации точек доступа (фемто-ячеек), присутствующих в заданной области (области покрытия заданной макро-ячейки). Конфликт, возникающий в результате назначения одинаковых идентификаторов множеству узлов, разрешается путем использования способов детектирования конфликта и применения уникальных идентификаторов для этих узлов. В некоторых аспектах точка доступа и/или терминал доступа может выполнять операции, связанные с детектированием конфликта и/или предоставлением уникального идентификатора для разрешения конфликта. 4 н. и 29 з. п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении хендовера между доменами с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. Изобретение предназначено для обнаружения события активизации функции поддержки непрерывности речевого вызова с одним радиоинтерфейсом, указывающего на выполнение хэндовера пользовательского оборудования между доменом с коммутацией пакетов и доменом с коммутацией каналов (4A); для приостановки работы радиоканалов сигнализации плоскости управления согласно процедуре перемещения обслуживающей подсистемы радиосети (4B); для сброса приостановленных радиоканалов сигнализации (4C) и для возобновления работы приостановленных радиоканалов сигнализации в домене, в который передано обслуживание, при этом процедура возобновления работы включает защиту радиоканалов сигнализации плоскости управления домена, в который передано обслуживание, с использованием того же преобразованного ключа защиты, который применяется для шифрования каналов радиодоступа плоскости пользователя в домене, в который передано обслуживание (4D). 4 н. и 12 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу и устройству в системе связи, в частности, чтобы обеспечивать обратно совместимую собственную транзитную передачу в усовершенствованной сети универсального наземного радиодоступа (E-UTRAN). Техническим результатом является исключение или уменьшение помех, возникающих, когда линия связи самостоятельной транзитной передачи между донорным усовершенствованным узлом B (eNB) и ретрансляционным узлом (RN) и линиями радиодоступа в соте работают в одном частотном спектре. Указанный технический результат достигается тем, что создают, по меньшей мере, одно прерывание в упомянутых передачах по нисходящей линии связи из RN, по меньшей мере, в один мобильный терминал (UE); принимают передачи из донорного eNB в течение упомянутого, по меньшей мере, одного прерывания, при этом упомянутые передачи осуществляются в перекрывающихся полосах частот, и при этом упомянутое, по меньшей мере, одно прерывание создается посредством использования формата субкадра многоадресной/ широковещательной одночастотной сети (MBSFN-субкадра). 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении выравнивания нагрузки в точках доступа. Сотовая точка доступа из числа множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа принимает из первого устройства пользователя запрос попытки соединения, который приведет к превышению данной точкой доступа первой заданной пороговой величины пропускной способности. Сотовая точка доступа выбирает одно из ранее соединенных устройств пользователя и соответствующую одну из множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа. Сотовая точка доступа инициирует хендовер выбранного одного из ранее соединенных устройств пользователя в соответствующую одну из множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа и устанавливает соединение с первым устройством пользователя. 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к системам связи, в частности, для передачи данных с использованием размера данных с фиксированной длиной или переменной длиной. Технический результат заключается в усовершенствовании управления потоком данных. Указанный технический результат достигается тем, что мобильная система передачи данных включает в себя устройство управления и устройство базовой станции. Передачу данных между устройством управления и устройством базовой станции выполняют, используя размер данных фиксированной длины и размер данных переменной длины, при этом передают в устройство базовой станции сообщение запроса установки радиоканала (RADIO LINK SETUP REQUEST), которое инициирует процедуру установки радиоканала, при этом указанное сообщение включает в себя информацию о формате размера модуля данных протокола на уровне управления радиоканалом (RLC PDU); и отменяют процедуру, если сообщение RADIO LINK SETUP REQUEST не включает в себя информацию Maximum выделенный подуровень управления доступом к среде (MAC-d) PDU Size Extended, и информация о формате размера указывает, что размер данных RLC PDU имеет переменную длину. 7 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для синхронизации времени. Способ, осуществляемый в системном узле, обменивающемся информацией с группой базовых станций, каждая из которых содержит соответствующие внутренние часы, заключается в обеспечении каждой из базовых станций информацией о времени и получении от них такой информации, в формировании эталонного системного времени на основе, по меньшей мере, информации о времени, и в обеспечении одной из базовых станций, соответствующие внутренние часы которой не синхронизированы с внешней эталонной шкалой времени, информацией по синхронизации времени для синхронизации внутренних часов этой базовой станции с эталонным системным временем. Технический результат - синхронизации времени базовых станций, которые не получают сигнал от глобальной навигационной спутниковой системы. 5 н. и 40 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к беспроводной связи. Техническим результатом является обеспечение устойчивости соединений и экономии заряда батареи при использовании объединения несущих. Мобильная станция UE настоящего изобретения представляет собой мобильную станцию, осуществляющую связь с базовой радиостанцией, используя две или более несущих, включающих первую несущую и вторую несущую, причем указанная мобильная станция включает первый модуль связи, выполненный с возможностью осуществления связи на первой несущей, и модуль измерения второй несущей, выполненный с возможностью осуществления измерения второй несущей; при этом первый модуль связи выполнен с возможностью, если задан измерительный промежуток для измерения второй несущей, осуществления связи на первой несущей, не принимая во внимание указанный измерительный промежуток, когда вторая несущая активирована, и отказа от осуществления связи на первой несущей в указанном измерительном промежутке, когда вторая несущая не активирована. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи. Техническим результатом является простое и эффективное получение управляющим узлом в сети радиосвязи информации о качестве в сети радиосвязи. Раскрыто пользовательское устройство, имеющее режимы работы, представляющие собой, по меньшей мере, подключенный режим (CONN) и режим ожидания (IDLE), содержащее измерительный модуль, выполненный с возможностью измерения качества радиосвязи в режиме ожидания в соответствии с информацией о задании измерения, указывающей, что пользовательское устройство заранее настроено на сообщение измеренного значения качества радиосвязи в базовую станцию, модуль хранения, выполненный с возможностью хранения информации о задании измерения и измеренного значения качества радиосвязи, измеренного измерительным модулем, и передающий модуль, выполненный с возможностью, если удовлетворено заранее заданное условие о сообщении (условие наличия записи), передачи индикатора, указывающего на наличие измеренного значения качества радиосвязи, в базовую станцию в подключенном режиме и, в ответ на запрос из базовой станции, передачи сигнала сообщения, содержащего измеренное значение качества радиосвязи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям для автоматизированных систем мониторинга. Техническим результатом является обеспечение эффективной маршрутизации, продление времени жизни сети и повышение надежности. Предложен способ и система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения, где беспроводная сенсорная сеть представляется как граф G, где N узлы сети, а M грани, имеется K маршрутов, а информация генерируется со скоростью Qc и передается по каналу связи C со скоростью qc, причем i-й узел имеет запас энергии Ei, а каждая грань ij имеет весцену eij, которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, а время жизни Ti каждого узла определяется как. На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети Tsysmini∈N Ti. Максимизация времени жизни определяется как maximize Tsys, и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

«Реализация распределенного алгоритма балансировки трафика в сенсорной сети для увеличения времени жизни И.В. Воронин, М.Д. Хоменко...»

Реализация распределенного алгоритма балансировки трафика в

сенсорной сети для увеличения времени жизни

И.В. Воронин, М.Д. Хоменко

Институт проблем лазерных информационных технологий РАН

140700, МО, г. Шатура, Святоозерская д.1

Аннотация

Сенсорные сети все бол ьше занимают сво е место в прил ожениях

мониторинга ра зличных мест и событий. Особенность ю т аких

сетей является необходимость экономить огр аниченный заряд

бат ар еи. Один из способов эко номии – это эфф ективна я

мар шрутизация. Рабо та посвящ ена распред ел енному алгоритму мар шрутизации дл я бал ансировки тра фика в сенсорной сети. Он позволяет продлить время жизни сенсорной сети мо нитор инга, гд е ва жна информация ка ждого узл а.

Введение В связи с развитием элект ро ники и бе спр оводной связи в двадцать первом веке появил ась возможно ст ь р азвит ия бе спр овод ных распр еделенных с енсорных с етей (Р СС). РСС отличают ся от обычных сетей огр аниченным энерго ре сур сом, низкой вычислит ельной мо щно стью, необход имо стью более плотного расположения, и низкой ценой одного узла. Эти о собенно сти от дру гих с етей (например, сотовых) опр еделяют новые цели и зад ачи применения Р СС. Бе спроводные с ен сор ные с ети полу чили широко е применение во многих с ферах деятельно ст ь че ловека, и по этому к ним с ейчас уделяет ся огромно е внимание, как со сторо ны научного сообще ства, т ак и промышленно сти. Опубликовано и проводит ся множе ство научных р абот по исследованию проблем уст ановки и работы РСС.

Распр еделенная с енсорная с еть со стоит из множе ства дешевых, авто номных, много фу нкцио нальных у злов (мотов), которые находят ся в зоне мониторинга. Каждый узел со стоит из набора блоков, т аких как: с енсор, используемый для получения данных от окружающей ср ед ы, блок приема-передачи данных, микроконт роллер для о браб отки и упр авления сигна лами и источник энергии. Проце ссор пит ает ся от авто номной бат ареи с конечным энергоре сур сом, что приводит значит ельным ограничениям в энергопот реблении. Обслуживание с ен сор ных узло в, замена бат арей пит ания т ребу ют значительных зат рат в о собенно сти, когда узлы расположены в т руд нодо ступных ме ст ах, т ак что большин ство с ен сорных с ет ей являет ся необслуживаемыми и работ ают до истощения бат ар еи. Это сво йство с енсор ных с етей являет ся очень важным при разр аботке а лгор ит мов маршрутизации в Р СС.

Рисунок 1: Построение сети, путем опроса Ст андартный а лгоритм по зволяет ст роить маршрут на о сновании запро сов и ответов. Координато р с ет и (1, рис 1)- отправляет широковещательный запро с HE LLO и принимает от вет ы от Роу теро в (2) Каждый роутер, т акже отправляет широко вещат ельный запро с и полу чает ответы от со с едних уср ойств, это могут быть дру гие роут еры или конечные у ст ройст ва (3). На о снове принятых ответов (силе сигна ла, времени ответ а) выст раивает ся коо рдинатором т аблица мар шрутизации на каждом роутер е. Да лее выбо р мар шрут а о суще ствляет ся в ст андартном а лгоритм е - пу тем опр ед еления ве сового графа с минимальным суммарным значением.

Как пр авило, с енсор ные у злы оборуду ют ся од нотипными уст р ойствами с опр еделенным набором функций. По сле у ст ановки в проце сс е эксп луат ации с енсор ные узлы д олжны с ами организоват ься в комму никационную с еть, где каждый узел использует только те функции, которые необходимы для решения по ст авленной задачи. Мар шрутизация т ак же происходит в автоматиче ском режиме. Помимо первичной мар шрутизации т ребует ся еще регулярно е пере ст ро ение с ети, потому что уст р ойства часто могут выходит ь из ст роя по причинам связанным с внешними или внут ренними факто рами.

Работ а каждого с ен сорного узл а направлена на измерение различных парамет ро в среды, н апример температуры, давл ения, о свещенно сти и других. Тако е разнообразие парамет ров влечет за собо й различны е с феры применения, начиная мониторингом окружающей ср еды, заканчивая во енными применениями.

Сенсорные с ет и выполняют р азличные задачи, котор ые можно грубо разделить на две категор ии. Первая категория задач связана с детекцией событий, котор ые прои сходят очень редко, но т ребуют немедл енного оповещения и/или обнаружения ме стонахождения. Во вто рую кат егорию (монито ринг) вход ят задачи непрерывного измерения, какой либо величины в течение д лительного промежутка вр емени. Зд е сь время задержки может быть равно характерному вр емени и змен ения изм еряемого парамет ра. Мониторинг может проводиться точечно, либо по какой-либо площади. При точечном измерении о сно вная часть у злов играют роль передат чиков, и лишь не значительная часть нодов непо сред ственно о сущ е ствляет монито ринг.

Рисунок 2: Кл ассификация способов сохранения энергии Суще ст вует множе ство спо собо в экономии элект ро энергии узлов. В обзоре приведена их классификация, предст авленная на рису нке

1. Вс е спо собы сох ранения можно разделить на т ри большие группы

– это сохран ение энергии при помо щи циклов работы, о сно ванные на количе стве переда ваемой информации и на мобильно ст и. К циклам р аботы отно сят конт р оль топологии и управлени е энергопот реблени ем. Конт роль тополо гии направлен на использовани е или уменьшение избыточных связей в с ети в целях эко номии ре сурс а. Упр авлять пот р ебл ением можно применяя различные энерго с берегающие MAC протоколы и режимы работ ы уст р ойств. Второй класс спо со бов сохранения энер гор е сурс а о снован на количе стве перед аваемой информации, а т ак же на полу чение этой информации экономичными спо собами. Энергия пот раченная на обработку информации не сравнимо меньше т ребующей ся для ее передачи, по этому использует ся внут ри-с етевая обработ ка данных, сжатие или пр едсказание д анных. Так же использу ют ся мо бильные стоки или рет р ансляторы для экономии элект ро энер гии узло в сенсорных с етей.

В данной работе р ассмат р ивает ся разр аботка экономных алго ритмо в мар шру тизации си стем мониторинг а, провер ке разр абот анных а лгор ит мов в применение на пр едприятии. В первой с екции описывают ся изве стные а лгоритмы маршрутизации. Вторая описывает разр абот анный алгоритм маршрут изации, показан спо соб продления времени работы при помощи этого а лгоритма, оцен ено ре ально е время работы с енсорно й с ети бе з обслуживания. Эт а оценка экспер имент а льно провер ена на ре альной с енсо рной сети и позволяет судить о зат рат ах связанных с обслужи ванием распр еделенной с енсорной с ети.

1. Существующие методы маршрутизации в РСС Суще ст вующи е методы мар шрутизации можно разд елить на не сколько кат егорий прямая, иерар хиче ская и маршрут изация в зависимо сти от географиче ского положения. Прямая маршрутизация подр азумевает перед ачу соо бщений от узла к узлу в с ети где, каждый у зел выполняет од инаковую функцию пер едачи и/или рет р анс ляции, в отличие от иерар хиче ско й, где выделяет ся узел с бора и обр аботки информации. Минус прямой маршрут изации в том, что с ети собирающие информацию с какой-то области будут по сылать множе ство избыточной информации, о собенно при значительной плотно сти с енсо рной с ети. Для то го что бы избежать изб ыточно сти информации использу ют специ альные алгоритмы, направленные на получение информации не от узлов, а от опр ед еленной области сет и. Например, в раб оте о пис ан алгоритм SPIN 1, где б азовая ст анция по сы лает запро с к определенному региону с енсорной с ети. Получив запро с, у злы област и выполня ют т ребо вание запро с а, локально обменивают ся данными и по сылают обратно о бобщенный ответ.

При иерархиче ско й же мар шру тизации для сбор а и обработки т ребует ся использовать узлы с большим запасом энер гии, что хотя и позволяет экономить на передачи уже обр абот анных данных значительно меньшего объема зачасту ю не приемлемо ввиду од но родно сти используемых приборо в или других т рудно ст ей. Д ля что бы не использоват ь специа лизиро ванные узлы суще ст вуют не сколько т ехнологий. Например, в работе опис ана технология LE ACH 2, когда функцию сбора пр инимает поочередно не сколько узло в с енсор ной с ети выбираемых по опред еленному а лгор ит му, тем с амым распред еляя нагрузку узла с бора.

Мар шру тизация в зависимо сти от географиче ского положения т ак же еще называет ся геомет риче ская маршрутизация, потому что для нахождения маршрут а использует ся геом ет риче ско е напр авление на базовую ст анцию.

При т акой маршрутизации каждый узел пер едает сообщение сво ему со седу, у которо го географиче ско е положени е ближе к стоку. Помимо маршрутизации в географиче ских коо рдинат ах суще ствует мар шрутизация по виртуа льным коо рдинат ам , котор ые выст раивают ся не только в зави симо ст и от ре ального положения узла, а т ак же и учитывают е сте ственные неровно сти поверхно сти, препят ствия, уровень кана ла пер едачи и др.

SPIN - Sensor Protocols for Information via Negotiation LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Так же су ще ствует мно го потоковая маршрутизация, где до ст авка сообщения от одно го узла возможна по не скольким путям. В по следнее время появляет ся большо е количе ст во р абот по мар шру тизации обзо р, котор ых можно по смот реть в работ ах по запро су у базо во й ст анции. Пер вые работы (н апример ) по мар шру тизации были напр авлены на нахождение кр атчайшего пути, подд ержание его с учетом плохого канала и выхода из ст р оя у злов.

Однако узлы р асположенные на кр атчайшем расстоянии часто быст ро истощают ся что пр иводит к обрывам связи и уменьшени ю вр емени жизни с ети, кото ро е часто понимает ся, как время жизни первого вышедшего из ст роя у зла. По этому в по следних работ ах }