Определение координат в беспроводных сенсорных сетях

На сегодняшний день во всём мире всё более пристальное внимание привлекают к себе «беспроводные сенсорные сети» («Sensor Networks», далее просто сенсорные сети). Понятие «сенсорная сеть» появилось сравнительно недавно (несколько лет назад) но на сегодняшний день является уже вполне устоявшимся термином (Sensor Network), обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных элементов сеть, состоящую из большого числа малогабаритных и дешёвых полупроводниковых устройств, обменивающихся информацией по беспроводной связи, необслуживаемых и не требующих специальной установки. Каждое устройство может содержать различные датчики физических параметров окружающей среды (движение, свет, температура, влажность, давление и т. д.), а также средства для первичной обработки и хранения полученных данных. Количество объектов в такой сети теоретически определяется только областью применения и бюджетом, и благодаря низкой цене отдельных устройств (порядка нескольких долларов и ниже) может быть весьма велико (порядка нескольких тысяч и выше).

Данный подход к формированию сети позволяет адаптировать сенсорные сети к решению чрезвычайно широкого спектра задач. В частности одним из основных применений сенсорных сетей видится создание разнообразных систем мониторинга и контроля. Следует ожидать что в недалёком будущем сенсорные сети займут свою весьма обширную нишу среди имеющихся телекоммуникационных технологий использующих беспроводную радиосвязь.

В конструктивном плане основным отличием сенсорных сетей от классических телекоммуникационных радиосетей является использование в качестве объектов сети большого числа сверхминиатюрных и дешёвых устройств. Каждое устройство может содержать различные датчики физических параметров окружающей среды (освещённость, температура, влажность, давление, датчики вибраций и т. д.), а также средства для первичной обработки и хранения полученных данных. Количество объектов в такой сети теоретически определяется только областью применения и бюджетом, и благодаря низкой цене отдельных устройств (порядка нескольких долларов и ниже) может быть весьма велико (порядка нескольких тысяч и выше).

В эксплуатационном плане основными отличиями будут, во-первых, специфические системные требования (работа при различных внешних условиях, возможность случайных перемещений отдельных устройств и динамических изменений в топологии сети), и, во-вторых, жесткие реализационные ограничения (по энергопотреблению, вычислительной мощности встроенного процессора, объёму встроенной памяти и т. п.). При этом скромные возможности отдельных объектов сети предназначены в первую очередь для передачи небольших объёмов информации с малой скоростью.

К настоящему времени вопросам связанным с созданием и развёртыванием сенсорных сетей уже посвящено большое количество работ, преимущественно зарубежных авторов. Тематика работ простирается от узкоспециальных вопросов, связанных с созданием отдельных компонентов объектов сети приемопередатчиков, микроконтроллеров, датчиков и т. д.) с низкой ценой и низким энергопотреблением до проблем, которые возникают при эксплуатации сенсорных сетей, в частности:

1. вопросы связанные с организацией работы сети;

2. разработка программного обеспечения;

3. учёт ограничений по электропитанию при работе сети;

4. привязка месторасположения объектов к географическим координатам;

5. синхронизация внутренних часов отдельных объектов и др.

Кроме того, помимо сугубо научного теоретического интереса уже имеют место быть и конкретные практические шаги направленные к созданию и продвижению данной концепции. Здесь следует отметить факт стандартизации нижних уровней стека сетевых протоколов для использования в беспроводных сетях с малым энергопотреблением: принятие в 2003 году международного стандарта IEEE 802.15.4 [1] (физический и канальный уровни), а также набор спецификаций ZigBee [2] (сетевой уровень). Благодаря этому к настоящему времени уже целый ряд фирм выпускает готовые устройства, на основе которых уже можно создавать прототипы беспроводных сенсорных сетей.

Кроме документов [1] и [2] также следует отметить возможность организации беспроводной сенсорной сети на основе сверхширокополосных (Ultra-Wide Band, UWB) приёмопередатчиков. Данная возможность доступна только теоретически, т.к. соответствующий документ IEEE 802.15.4а так и не был принят в качестве стандарта. Тем не менее вне зависимости от формального статуса данная технология представляет интерес с точки зрения организации беспроводной радиосвязи в сенсорной сети. Поэтому технологии UWB также уделяется внимание в данной работе.

В отмеченных спецификациях рассмотрены основные вопросы, связанные с функционированием трёх нижних уровней стека сетевых протоколовраспределение частот, организация каналов связи и доступа к среде, транспортный протокол, маршрутизация трафика и т. п. Тем не менее ряд насущных вопросов (из приведённого выше списка) как правило либо остается за рамками данных спецификаций либо рассматривается недостаточно глубоко. По объективным причинам такие вопросы не имеют и не могут иметь стандартного решения что открывает простор для проведения дальнейших исследований по данной тематике.

Одной из насущных проблем является определение месторасположения отдельных объектов сети. Непременным условием при эксплуатации любых систем мониторинга и контроля является привязка данных, собранных всей системой к географическим координатам для отображения собранной информации на карте и последующего анализа. Кроме того, такая сеть (в отличие от традиционных радиосетей) при наличии встроенной подсистемы позиционирования отдельных объектов может быть развёрнута практически где угодно с минимальными затратами. Это может быть произведено, например, путём разбрасывания объектов сети с самолёта.

Помимо привязки полученных сетью в процессе работы данных к карте местности, информация о координатах объектов будет востребована в процессе функционирования самой сети (построение эффективных с точки зрения энергопотребления алгоритмов маршрутизации, сбор собранных данных).

Всвязи с этим разработка алгоритмов определения координат объектов в сенсорной сети становится весьма актуальной задачей. Основываясь на весьма богатом библиографическом материале представляемая работа имеет цель проанализировать и систематизировать уже известные подходы к определению координат в сенсорных сетях, а также рассмотреть один из возможных путей решения данной задачи.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является создание распределённого алгоритма определения координат в беспроводных сенсорных сетях использующего в качестве исходных данных только информацию от близлежащих соседей, реализуемого в условиях естественных ограничений характерных для сенсорных сетей.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Проведение сравнительного анализа существующих алгоритмов определения координат, рассмотрение возможных источников информации о географическом месторасположении объектов.

2. Разработка математической модели алгоритма определения координат.

3. Получение соотношений для вычисления месторасположения объекта на основе информации о взаимном месторасположении объектов сети и для оценки точности вычислений.

4. Изучение влияния ошибок измерений на работу алгоритмов определения координат.

5. Оценка применимости алгоритма в существующих беспроводных сетях стандарта IEEE 802.15.4.

Методы исследования. В диссертационной работе используются: методы теории вероятностей, теории калмановской фильтрации, теории стохастических процессов, вычислительной математики, а также методы имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан распределённый алгоритм определения координат для применения в условиях беспроводных сенсорных сетей при наличии ошибок в измерениях расстояний.

2. Предложен новый механизм итерационной оценки координат на основе калмановской фильтрации.

3. При оценке координат аналитически учитывается точность проводимых измерений.

4. В отличие от других алгоритмов, для определения коодинат используются только те данные, которые доступны по стандарту беспроводной связи.

5. Разработана методика оценки эффективности работы алгоритмов определения координат в сенсорных сетях.

Практическая ценность. Создан комплекс компьютерных программ для моделирования поведения беспроводной сенсорной сети, а также для моделирования работы алгоритмов определения координат. В составе комплекса реализована методика оценки эффективности работы алгоритмов определения координат. Создан малогабаритный макет мобильного беспроводного устройства на базе приёмопередатчика стандарта IEEE 802.15.4. В процессе работы использовалось только ПО с открытым исходным кодом.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах:

• Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение» в 2007 г.

• Научные семинары проводимые IEEE совместно с ЦП РНТОРЭС им. А. С. Попова «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» в 2007, 2008 гг.

• 63я Научная сессия РНТОРЭС им. А. С. Попова в 2008 г.

• Московская отраслевая научно-технической конференция «Технологии информационного общества» в 2005, 2007 гг.

• XLVII научная конференция МФТИ в 2005 г.

• Научно-техническая конференция «Радиолокация и связь — перспективные технологии» в 2007 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных работах (в том числе 2 статьи в журнале «Радиолокация и связь» и 3 публикации в трудах международных конференций).

Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. В работах, проведенных в соавторстве, научному руководителю принадлежит обсуждение постановки задачи и результатов исследований.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 97 наименований. Объем работы составляет 148 страниц текста, работа содержит 54 рисунка.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель взаимодействия объектов сенсорной сети и её использование для оценки координат;

2. Распределённый алгоритм определения координат на основе калмановской фильтрации;

3. Результаты исследования работы алгоритма определения координат при наличии ошибок в оценках расстояний;

4. Структурная схема малогабаритного объекта беспроводной сети с реализацией возможности определения координат.

Краткое содержание работы Во введении рассмотрена и обоснована актуальность работы, сформулирована основная цель, научная новизна и практическая значимость результатов, приведено краткое описание структуры диссертации.

В первой главе проводится анализ эволюции современных беспроводных телекоммуникационных сетей. Подчёркивается перспективность направления на миниатюризацию и удешевление объектов беспроводных сетей и как следствие появление качественно новых беспроводных сенсорных сетей. Также рассматриваются существующие стандарты беспроводной связи, которые могут быть использованы при создании беспроводных сетей распределённых датчиков. Подчёркивается необходимость и возможность реализации механизмов определения координат поверх/в рамках одного из уровней стека сетевых протоколов многих стандартов беспроводной связи.

Вторая глава посвящена всестороннему исследованию вопросов связанных с оценкой координат на основе измерений расстояний до близлежащих объектов сети применительно к беспроводным сенсорным сетям.

С этой целью производится математическая постановка задачи поиска координат распределённых датчиков при наличии возможности измерения расстояний между объектами сети. Рассматриваются необходимые начальные условия данной задачи, а именно: равномерность и плотность распределения объектов сети, наличие в сети доли объектов имеющих возможность определять свои координаты самостоятельно, точность производимых в процессе работы оценок расстояний между объектами. Предлагается математическое описание распределённого итерационного алгоритма определения координат на основе калмановской фильтрации.

В третьей главе на основе разработанного комплекса программ, проводится исследование точности измерений расстояний по уровню принимаемого сигнала в сетях стандарта IEEE 802.15.4, а также моделируется работа целой сенсорной сети и исследуется поведение предлагаемого алгоритма в зависимости от плотности сети, доли объектов с известными координатами, точности производимых оценок расстояний. Дается качественная и количественная интерпретация получаемых результатов, на основе которых делаются выводы о возможности использования предлагаемого алгоритма определения координат в беспроводных сенсорных сетях с радиочастью стандарта IEEE 802.15.4.

Четвертая глава посвящена аспектам технической реализации малогабаритного объекта беспроводной сети со встроенной возможностью определения координат, представляющую собой программную реализацию предлагаемого в данной работе алгоритма. Для создания объекта используется приёмопередатчик стандарта IEEE 802.15.4 и управляющая плата на основе микроконтроллера ARM7TDMI.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен алгоритм определения координат в беспроводных сенсорных сетях, который может использоваться в сетях стандарта IEEE 802.15.4 при условии развертывания сети вне помещения.

2. Исследованы критерии оценки работоспособности и применимости алгоритмов определения координат в сенсорных сетях.

3. Разработан комплекс специализированных программ для отработки и оценки поведения алгоритмов определения координат в сенсорных сетях на основе имитационного моделирования. На базе данного программного комплекса реализован предлагаемый алгоритм определения координат.

4. Получены качественные показатели работы предлагаемого алгоритма при изменении плотности сети и при возможном улучшении точности измерений расстояний.

5. Предложен опытный образец малогабаритного устройства с реализацией функции определения координат в сети подобных устройств.

6. При проведении диссертационной работы использовалось только программное обеспечение с открытым исходным кодом.

Заключение

.