Всепроникающие сенсорные сети. Сенсорная сеть распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков ( сенсоров ) и исполнительных устройств, объединенных. - презентация

1 Всепроникающие сенсорные сети

2 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

3 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

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

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

6 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 )

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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.

12 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

13 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

14 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

15 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

16 Пример подсоединения сенсорной сети к ССОП

17 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

18 Кластерная архитектура USN

19 Архитектура сенсоров Аппаратная часть Программное обеспечение

20 Архитектура сенсоров

21 Подсистемы : Мониторинг и восприятие Обработка данных Коммуникационная подсистема Источник питания

22 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

23 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

24 Важнейшие технические аспекты реализации сенсора Архитектура Операционная система Сетевое взаимодействие

25 Акторный узел Элемент, имеющий возможность воздействовать на объект

26 Архитектура комбинированного сенсорно - акторного узла

27 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

28 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