Всепроникающие сенсорные сети

Сенсорная сеть распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков ( сенсоров ) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. USN (Ubiquitous Sensor Networks) – самые перспективные технологии 21 века

Сенсорная сеть В зависимости от типов сенсоров может быть развернута на земле, в воздухе, под и над водой, внутри живых организмов Применение : военное дело, управление кризисными и чрезвычайными ситуациями, брьба с терроризмом и тд Все сенсоры д. б. построены в соответствии с опр. архитектурой : сенсорное устройство, память, антенна, источник питания

Основные требования к USN Объединение большого числа сенсоров в сеть Низкое потребление энергии Самоорганизация сети

Объединение большого числа сенсоров в сеть Стационарное положение сенсоров Их количество может достигать нескольких десятков тысяч Масштабируемость сети Развитие мобильных всепроникающих сенсорный сетей

Низкое потребление энергии Нахождение сенсоров в труднодоступных местах Замена или зарядка источника питания – сложно выполнимая задача Время жизни сенсора ограничено временем жизни сенсора Автономные источники питания, например солнечные батареи ( но оно ограничивает область применения сенсоров )

Самоорганизация сети Сенсоры распределяются случайным образом по некоторой заданной траектории Такой набор сенсоров должен самоорганизовываться в сеть, тк участие администратора невозможно Самоорганизация должна быть динамическая, на случай уничтожения или выхода из строя сенсора

История создания сенсорной сети Работы ведутся более 40 лет Впервые работы были инициированы в оборонном секторе США Система SOSUS (Sound Surveillance System) – система наблюдения за советскими малошумными подлодками, состоящая из набора акустических сенсоров, размещенных на дне океана Сейчас эта система используется для мониторинга сейсмической активности

SOSUS (Sound Surveillance System) Набор сенсоров Использование аэростатов в качестве точек осуществления контроля и сбора информации Позже дополнена самолетами воздушного предупреждения Прототип первых сенсорных сетей Здесь ведущую роль играл человек

История развития сенсорной сети Работы продолжились в 80 е годы. Исследование « Распределенные сенсорные сети » Проведено DARPA ( разработчики сети Интернет ) Слабая аппаратная база для реализации сенсоров Следовательно не только определение концепции сенсорных сетей, но и аппаратная разработка

История развития сенсорной сети В 80 е годы были созданы следующие сенсорные сети : Тестовая сенсорная сеть под управлением операционной системы Accent, Carnegie Mellon University ( США ), 1981 г. Тестовая акустическая сенсорная сеть для наблюдения за маршрутами вертолетов, Massachusetts Institute of Technology ( США ), 1984 г. Тестовая сенсорная сеть, усложненная алгоритмами распределённых вычислений,Advanced Decision Systems ( США ) 1986 г.

Современное состояние развития сенсорных сетей Разработаны технологии, позволяющие производить сенсоры малого размера, оснащенные достаточным количеством процессорной мощности и памяти Оптимизация различных алгоритмов и протоколов, снижение энергопотребления сенсорами Снижение стоимости сенсоров

Архитектура сенсорных сетей Это самоорганизующиеся Ad Hoc сети, в которых нет общей архитектуры, за исключением шлюзов связи с другими сетями Каждый из узлов должен иметь возможность функционировать как оконечный и как транзитный узел Сенсорная сеть – большое количество сенсоров, распределенных в некоторой области с достаточно высокой плотностью В области покрытия радиосигнала должен находится минимум еще один сенсор

Архитектура сенсорных сетей Чем больше соседей у каждого из сенсоров – тем более высокой точностью и надежностью обладает сенсорная сеть Высокая плотность распределения в пространстве Присоединение к сети связи общего пользования Присоединение реализуется при помощи некоторого шлюза, выполняющего и функции защиты Шлюз как правило не является сенсором, а представляет собой более стабильный сетевой узел В большой сенсорной сети должна быть структуризация

Архитектура сенсорных сетей Предпочтительна кластерная организация Наиболее известный механизм для обеспечения функционирования сенсорных сетей и выбора головных узлов – это LEACH (Low Energy Adaptive Cluster Hierarchy) LEACH предусматривает вероятностный выбор сенсорного узла на роль головного в начале функционирования сенсорной сети

Пример подсоединения сенсорной сети к ССОП

Алгоритм HEED Hybrid Energy – Efficient Distribution Использует гибридный критерий для выбора головного узла на основе анализа остаточной энергии и расположения близлежащий узлов Максимизация длительности функционирования сенсорных узлов и сети в целом Задача качества обслуживания Непрерывность мониторинга

Кластерная архитектура USN

Архитектура сенсоров Аппаратная часть Программное обеспечение

Архитектура сенсоров

Подсистемы : Мониторинг и восприятие Обработка данных Коммуникационная подсистема Источник питания

Архитектура сенсора Мониторинг : Позволяет собирать данные об окружающей среде : температура, сила света, вибрация, ускорение, магнитное поле, химический состав воздуха, акустика и т. п. Определяет ту область или приложение в котором сенсор может быть использован Содержит аналоговое устройство, непосредственно снимающее определенную статистику и аналогово - цифровой конвертор, преобразующий аналоговые данные в цифровые для последующей обработки

Архитектура сенсора Обработки данных Включает в себя память и центральный процессор, позволяющие хранить и обрабатывать как генерируемые сенсором данные, так и служебные данные, необходимые для корректного и эффективного функционирования коммуникационной подсистемы

Важнейшие технические аспекты реализации сенсора Архитектура Операционная система Сетевое взаимодействие

Акторный узел Элемент, имеющий возможность воздействовать на объект

Архитектура комбинированного сенсорно - акторного узла

Алгоритмы маршрутизации USN Невозможность использования классических алгоритмов маршрутизации для сенсорных сетей в виду отсутствия у них постоянной инфраструктуры При разработке схем маршрутизации должны учитываться следующие факторы : Самоорганизация Энергетическая эффективность Гибкость Масштабируемость Толерантность к отказам Точность и качество

Классификация алгоритмов маршрутизации в USN КритерийКатегорияПримеры Сетевая структура Одноуровневая SPAN Иерархическая LEACH Знания о ресурсахНа основе остаточной энергии HEED На основе точности располож - я Directed Diffusion Управления протоколами Централизованное SPAN Географическое GFG На основе QoS SAR На основе теории очередей COUGAR