Сніжко Є.М., Витман І.О.

Дніпропетровський національний університет

Моделювання енергоефективності бездротової сенсорної мережі

.

Постановка проблеми. Бездротова сенсорна мережа (БСМ) призначена для , передачі інформації  від одного вузла до іншого, поки пакет даних не досягне базової станції. Вузли використовують датчики різних типів, мікроконтролери, та автономне живлення.  Вузли можуть обмінюватися між собою інформацією за допомогою трансиверів, що працюють у радіодіапазоні.

Серед основних параметрів БСМ можна виділити такі: енергоспоживання; дальність, надійність і, безпеку зв’язку; розміри, вагу, вартість, швидкість передачі;. Однією з найважливіших характеристик є час роботи, який визначається енергоефективністю організації передачі даних.

Стан проблеми.. Найбільш перспективна організація БСМ -  mesh-топологія, коли вузли можуть не тільки передавати дані, а й виступати як проміжний передавач даних від сусідніх вузлів [1]. Розглянуті протоколи можна віднести до таких типів: однорангові, локалізовані; ієрархічні[2]. Недоліком однорангових БСМ є велике енергоспоживання. Локалізовані БСМ використовують інформацію про місцезнаходження для ретрансляції даних. У більшості випадків це скорочує енерговитрати. Ієрархічні протоколи направлені на кластеризацію вузлів так, що кластери-бази можуть ігнорувати деякі дані для підвищення економії енергії. Ієрархічна передача має двошарову систему маршрутизації. Більшість з них беруть початок від протоколу LEACH [3]/

Вузли самоорганізовуються у кластери і вибирають координатора (КК), який  приймає дані, проводить їх обробку і передає на базову станцію. Періодично відбувається випадкова зміна КК і перекластерізація. LEACH складається з двох фаз: організація кластерів; передача даних КК  і на базову станцію

 

 

 

. Постановка задачі. Основною задачею роботи є  побудова моделі БСМ   , з метою дослідження  впливу параметрів датчиків на показники енерго­збереження, визначення найефективніших моделей для роботи мережі.

Методика виконання. Відомо багато мережевих симуляторів, таких як  OPNET , OMNET,  NS2, NS3 . QualNet[3]. Після аналізу їх можливостей був обраний відомий пакет  Matlab як найбільш  універсальний засіб.

Основні результати. Проведене моделювання енергозбереження у БСМ  ієрархічної структури з використанням протоколу організацій LEACH Дана модель має наступні вхідні параметри: область мережі задається двома параметрами – довжиною та шириною,  модель не враховує можливі перепади висот; позиція базової станції, задається координатою; енергія що витрачається звичайним вузлом для отримання даних; енергія що витрачається КК на передачу інформації на базову станцію; довжина пакета для отримання даних з датчиків; довжина пакета що відправляється на базову станцію  На рис 1 зображений етап роботи мережі з параметрами 200х200 метрів з кількістю вузлів 200. Круги та хрести – вузли двох типів, круги з крапками – КК, трикутники вузли з витраченою енергією.

200_1

Рис.1. Візуалізація роботи ієрархічної БСМ

Зроблено  більш ста експериментів, під час яких реєструвались такі дані: залежність кількості пакетів до кількості проходжень; залежність непрацюючих вузлів до кількості проходжень; залежність сумарної енергії до кількості проходжень. Результати наведені в табл..1.

 Результати  експериментів з моделлю БСМ                                    Табл.1

Відстань бази до центру мережі., м

Кількість вузлів що бере участь у експерименті

Кількість переданих пакетів.

Час життя мережі.

 

Вихід першого вузла..

 

200

200

9000

~900

~20

500

~800

~15

100

~600

~10

 

134

200

~1500

~70

500

~1400

~50

1000

~900

~20

 

В центрі

200

~1800

~450

500

~1500

~400

1000

~900

~300

 

Висновки та подальші перспективи досліджень. Кількість переданих даних суттєво впливає на енергоефективність. Місце розташування бази має значну роль; збільшується час життя мережі;  «смерть» вузлів настає пізніше що покращує покриття мережі.  Виходячи з наведених даних, можна дати такі рекомендації: ретельно визначити кількість потрібних даних для оптимізації мережі що буде розгорнута; виявити центр місця розгортання мережі і встановити там ретранслятор, що  дасть великий приріст енергетичної ефективності мережі.

Список ллітератури

1.Guide to Wireless Sensor Networks, ed. S.Misra, Springer, 2009,721 pp.

2.Wireless sensor and actuator networks, R.Verdone et al., Academic Press 2008,  352 pp.

3.Algorithms and protocols for wireless sensor networks / ed.by A.Boukerche, 2008, 538 pp.