Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком

Актуальность работы.

Последние достижения технологического прогресса сделали возможным создание недорогих миниатюрных вычислителей с чрезвычайно малым энергопотреблением, способных объединяться в сеть и взаимодействовать друг с другом посредством беспроводных каналов связи. Сети таких устройств получили название беспроводных сенсорных сетей (БСС), что, в частности, подчеркивает их основное назначение — сбор данных с датчиков (сенсоров) для последующего накопления, анализа и выдачи управляющих команд.

Актуальными направлениями в области БСС являются создание новых аппаратных платформ, разработка стеков сетевых протоколов и специализированных операционных систем, разработка алгоритмов доступа к среде и маршрутизации для сложных сетевых топологий, имеющих целью повышение энергоэффективности БСС, что позволяет увеличить время жизни (автономной работы) БСС.

Проводимые в диссертационной работе исследования находятся на стыке двух приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: «Информационно-телекоммуникационные системы» и «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика». Повышением эффективности сенсорных сетей активно занимаются ведущие российские организации, среди которых Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН, Нижегородский государственный университет, Московский авиационный институт, а также международные — Калифорнийский Университет в Беркли, Массачусетский Технологический Университет (США) и многие другие.

Одной из проблем, препятствующих повышению энергоэффективности.

БСС, является проблема неравномерного потребления энергии узлами сети, заключающаяся в том, что сеть становится неработоспособной в тот момент, когда энергия заканчивается у нескольких узлов, в то время как большинство остальных имеют значительный запас энергии.

Существует ряд методов, направленных на решение данной проблемы. К ним относятся индивидуальный подбор емкости батарей, плотности размещения узлов, мощности передатчиков, применение энергоэффективных протоколов маршрутизации, позиционирование узлов сети. Относительно недавно был предложен новый класс перспективных методов, использующих в качестве ресурса для энергетической балансировки мобильность узлов сети, предусматривающую динамическое изменение конфигурации (топологии) сети.

Серьезным препятствием проведения дальнейших исследований является отсутствие математических моделей динамически реконфигурируемой сенсорной сети. В связи с этим задача исследования и разработки комплексной модели, позволяющей, во-первых, оценивать время жизни автономных сетей, конфигурации которых меняются с течением времени, и во-вторых, оптимизировать их работу по критерию максимизации времени жизни, является актуальной.

Цель диссертационной работы состоит в разработке математической модели и метода динамической реконфигурации беспроводной сенсорной сети для увеличения времени ее жизни.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен обзор и анализ подходов к определению понятия времени жизни сенсорных сетей, дано новое определение.

2. Разработана математическая модель динамически реконфигурируемой сенсорной сети с мобильным стоком.

3. Разработан численный метод решения задачи планирования движения стока.

4. Исследованы и разработаны эвристические алгоритмы для динамического управления мобильным стоком в случае изменяющихся условий функционирования сети.

5. Разработан комплекс программ имитационного моделирования с целью получения зависимостей времени жизни от параметров функционирования сети.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Дано новое определение времени жизни сенсорной сети, позволяющее фиксировать момент ее выхода из строя с учетом возможного самовосстановления.

2. Разработана модель сенсорной сети, позволяющая оценивать время ее жизни при динамических реконфигурациях.

3. Разработан метод динамической реконфигурации сенсорной сети, позволяющий оптимизировать движение стока по критерию максимизации времени ее жизни.

4. Разработан алгоритм управления движением мобильного стока в сенсорной сети, учитывающий возможные изменения условий ее функционирования.

Практическая значимость. Создан комплекс компьютерных программ для моделирования работы динамически реконфигурируемой беспроводной сенсорной сети, а также для моделирования алгоритмов планирования движения мобильного стока.

Создан малогабаритный макет беспроводного устройства сенсорной сети на базе приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4, реализующего необходимые алгоритмы по поддержке мобильности стока, включающие его позиционирование в пространстве.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Определение времени жизни самовосстанавливающейся сенсорной сети.

2. Модель сенсорной сети, позволяющая оценивать время ее жизни при динамических реконфигурациях.

3. Метод динамической реконфигурации сенсорной сети, позволяющий оптимизировать движение стока по критерию максимизации времени се жизни.

4. Алгоритм управления движением мобильного стока в сенсорной сети, учитывающий возможные изменения условий ее функционирования.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ (2008 — 2013гг.), научно-практическом семинаре ВШЭ «Системный анализ, управление и информационные системы» (19.03.2013), XVI и XVII Международной студенческой конференции-школе-семинаре «Новые информационные технологии» (2008;2009гг.), на международных исследовательских семинарах в Университете Шеффилда и Университете Бирмингема (Великобритания, 2011 г.). Результаты работы вошли в научно-технические отчеты по НИОКР «Разработка программных средств в целях внедрения информационных технологий в промышленность» (номер государственной регистрации НИОКР 1 201 056 220), «Разработка системы активного беспроводного сбора данных в интралогисти-ке» (номер государственной регистрации НИОКР 1 200 961 253).

Результаты работы были применены при проектировании динамически реконфигурируемой сети в рамках совместного Российско-Германского научно-исследовательского проекта.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 6 статей в сборниках трудов конференций.

Получены патент на полезную модель № 87 259 от 11.06.2009, патент на полезную модель № 98 623 от 30.06.2010, патент на полезную модель № 121 947 от 10.11.2012, патент на изобретение № 2 429 549 от 30.06.2010.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии, включающей 95 наименований, и 4 приложений. Общий объем диссертации без учета приложений составляет 128 страниц.

4.4. Выводы к главе 4.

Было проведено комплексное имитационное моделирование предлагаемых в диссертационной работе методов и алгоритмов. Оно подтвердило перспективность использования методов динамической реконфигурации сети с мобильным стоком. Однако максимальные результаты достигаются при соблюдении ряда требований к сенсорной сети:

• Сеть состоит из более чем 50 узлов маршрутизации.

• Все узлы периодически переходят в режим пониженного энергопотребления.

• Мобильный сток неограничен в ресурсах.

Разработанный алгоритм динамического управления стоком СМЬ также позволяет добиться серьезного увеличения времени жизни сети. Он дает выигрыш приблизительно в 80% от максимально возможного, что намного превосходит существующие эвристические алгоритмы. При этом он использует только локальную информацию о состоянии сети в зоне вокруг стока.