Мобильная беспроводная сенсорная сеть
A Мобильная беспроводная сенсорная сеть (MWSN ) может быть просто определена как беспроводная сенсорная сеть (WSN), в которой сенсорные узлы являются мобильными. MWSN — это небольшая развивающаяся область исследований, в отличие от своих устоявшихся предшественников. Сети MWSN гораздо более универсальны, чем сети статических датчиков, поскольку их можно развернуть в любом сценарии и справляться с быстрыми изменениями топологии. Однако многие из их приложений схожи, например, мониторинг окружающей среды или наблюдение. Обычно узлы состоят из радио приемопередатчика и микроконтроллера с питанием от батареи, а также какого-то типа датчик для обнаружения света, тепла, влажности, температуры и т. д.
Проблемы
В целом, MWSN сталкиваются с двумя группами проблем; оборудование и окружающая среда. Основными аппаратными ограничениями являются ограниченный заряд батареи и низкая стоимость. Ограниченная мощность означает, что для узлов важно быть энергоэффективными. Ценовые ограничения часто требуют алгоритмов низкой сложности для более простых микроконтроллеров и использования только симплексного радио. Основными факторами окружающей среды являются общая среда и изменяющаяся топология. Совместно используемая среда требует, чтобы доступ к каналу каким-то образом регулировался. Это часто делается с использованием схемы управления доступом к среде (MAC), такой как множественный доступ с контролем несущей (CSMA), множественный доступ с частотным разделением (FDMA) или множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). Различная топология сети происходит из-за мобильности узлов, что означает, что многопозиционные пути от датчиков к приемнику нестабильны.
Стандарты
В настоящее время не существует стандарта для MWSN, поэтому часто протоколы из MANET заимствуются, например, Маршрутизация на основе ассоциативности (AR), Ad hoc Векторная дистанционная маршрутизация по запросу (AODV), Динамическая маршрутизация от источника (DSR) и жадная маршрутизация по периметру без сохранения состояния (GPSR). Протоколы MANET являются предпочтительными, поскольку они могут работать в мобильных средах, тогда как протоколы WSN часто не подходят.
Топология
Выбор топологии играет важную роль в маршрутизации, поскольку топология сети определяет путь передачи пакетов данных для достижения надлежащего пункта назначения. Здесь все топологии (плоская / неструктурированная, кластерная, древовидная, цепная и гибридная) не подходят для надежной передачи данных при мобильности сенсорных узлов. Вместо единой топологии жизненно важную роль в сборе данных играет гибридная топология, при этом производительность остается хорошей. Схемы управления гибридной топологией включают кластерно-независимое дерево сбора данных (CIDT ). и дерево кластеров с энергоэффективностью и поддержкой каналов связи (VELCT ); оба были предложены для мобильных беспроводных сенсорных сетей (MWSN).
Маршрутизация
Поскольку в этих сетях нет фиксированной топологии, одной из самых серьезных проблем является маршрутизация данных от источника к месту назначения. Обычно эти протоколы маршрутизации основаны на двух областях; WSN и мобильные одноранговые сети (MANET). Протоколы маршрутизации WSN обеспечивают необходимую функциональность, но не могут справиться с высокой частотой изменений топологии. Принимая во внимание, что протоколы маршрутизации MANET могут иметь дело с мобильностью в сети, но они разработаны для двусторонней связи, которая в сенсорных сетях часто не требуется.
Протоколы, разработанные специально для MWSN, почти всегда являются многоходовыми, а иногда и адаптируются к существующим протоколы. Например, динамическая маршрутизация от источника (ADSR) на основе угла представляет собой адаптацию протокола беспроводной ячеистой сети Динамическая маршрутизация от источника (DSR) для MWSN. ADSR использует информацию о местоположении для определения угла между узлом, намеревающимся передавать, потенциальными узлами пересылки и приемником. Затем это используется, чтобы гарантировать, что пакеты всегда пересылаются в приемник. Кроме того, протокол иерархии адаптивной кластеризации с низким энергопотреблением (LEACH) для WSN был адаптирован для LEACH-M (LEACH-Mobile) для MWSN. Основная проблема с иерархическими протоколами заключается в том, что мобильные узлы склонны к частому переключению между кластерами, что может вызвать большие накладные расходы из-за того, что узлы должны регулярно повторно связывать себя с разными головками кластера.
Другой популярный метод маршрутизации заключается в использовании информации о местоположении от модуля GPS, прикрепленного к узлам. Это можно увидеть в таких протоколах, как зональная маршрутизация (ZBR), которая определяет кластеры географически и использует информацию о местоположении для обновления узлов в соответствии с кластером, в котором они находятся. Для сравнения, географически оппортунистическая маршрутизация (GOR) — это простой протокол. который делит сетевую область на сети, а затем использует информацию о местоположении для удобной пересылки данных как можно дальше в каждом переходе.
Многопутевые протоколы обеспечивают надежный механизм маршрутизации и поэтому кажутся многообещающим направлением для протоколов маршрутизации MWSN. Одним из таких протоколов является основанный на запросе Data Centric Braided Multipath (DCBM).
Кроме того, Robust Ad-hoc Sensor Routing (RASeR) и Location Aware Sensor Routing (LASeR) — это два протокола, которые разработаны специально для высокой скорости Приложения MWSN, например, для БПЛА. Оба они используют многопутевую маршрутизацию, которая обеспечивается методом «слепой пересылки». Слепая пересылка просто позволяет передающему узлу транслировать пакет своим соседям, и тогда принимающие узлы должны решить, следует ли им пересылать пакет или отбрасывать его. Решение о том, пересылать пакет или нет, принимается с использованием метрики градиента в масштабе всей сети, так что значения передающего и принимающего узлов сравниваются, чтобы определить, какой из них ближе к приемнику. Ключевое различие между RASeR и LASeR заключается в том, как они поддерживают свои метрики градиента; RASeR использует обычную передачу небольших пакетов маяка, в которых узлы транслируют свой текущий градиент. Принимая во внимание, что LASeR полагается на использование информации о географическом местоположении, которая уже присутствует на мобильном сенсорном узле, что, вероятно, имеет место во многих приложениях.
Управление доступом к среде
Существует три типа методов управления доступом к среде (MAC): на основе временного разделения, частотного разделения и кодовое деление. Из-за относительной простоты реализации наиболее распространенным выбором MAC является MAC с временным разделением, тесно связанный с популярным MAC CSMA / CA. Подавляющее большинство протоколов MAC, которые были разработаны с учетом MWSN, адаптированы из существующих MAC WSN и ориентированы на низкое энергопотребление и схемы рабочего цикла.
Валидация
Протоколы, разработанные для сетей MWSN, обычно проходят валидацию с использованием аналитических, имитационных или экспериментальных результатов. Подробные аналитические результаты имеют математический характер и могут дать хорошее приближение к поведению протокола. Моделирование может выполняться с использованием программного обеспечения, такого как OPNET и ns2, и это наиболее распространенный метод проверки. Моделирование может обеспечить близкое приближение к реальному поведению протокола при различных сценариях. Физические эксперименты — самые дорогие в исполнении, и, в отличие от двух других методов, не нужно делать никаких предположений. Это делает их наиболее надежной формой информации при определении того, как протокол будет работать в определенных условиях.
Приложения
Преимущество мобильности датчиков увеличивает количество приложений, помимо тех, для которых используются статические WSN. Датчики могут быть прикреплены к ряду платформ:
- Люди
- Животные
- Беспилотные автомобили
- Беспилотные автомобили
- Пилотируемые автомобили
В порядке Чтобы охарактеризовать требования приложения, его можно разделить на постоянный мониторинг, мониторинг событий, постоянное отображение или отображение событий. Приложения константного типа основаны на времени, и поэтому данные генерируются периодически, тогда как приложения типа событий являются движущими силами событий, и поэтому данные генерируются только при возникновении события. Приложения мониторинга постоянно работают в течение определенного периода времени, тогда как приложения для картографии обычно развертываются один раз, чтобы оценить текущее состояние явления. Примеры приложений включают мониторинг состояния здоровья, который может включать частоту сердечных сокращений, артериальное давление и т. Д. Оно может быть постоянным, если пациент находится в больнице, или определяться событием в случае носимого датчика, который автоматически сообщает о вашем местонахождении в скорую помощь. бригада на случай ЧП. К животным могут быть прикреплены датчики для отслеживания их перемещений, моделей миграции, привычек питания или других исследовательских целей. Датчики также могут быть прикреплены к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) для наблюдения или картирования окружающей среды. В случае автономного поиска и спасания с помощью БПЛА это будет считаться приложением для картирования событий, поскольку БПЛА используются для поиска местности, но передают данные только тогда, когда человек был найден.