В последнее время активное развитие получили технологии беспроводной связи, что в сочетании с достижениями в области микропроцессорной и измерительной техники сделало возможным создание нового класса систем передачи данных — беспроводных сенсорных сетей. Беспроводная сенсорная сеть (БСС) представляет собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказу сеть большого числа (до нескольких десятков тысяч) автономных электронных узлов, способных обмениваться сообщениями и ретранслировать их по беспроводному каналу связи.
Ключевые слова: беспроводные сенсорные сети, маршрутизация, автоматика, мониторинг, электропитания, топология, микропроцессор.
Маршрутизация пакетов является одной из наиболее актуальных задач в области БСС, и эффективность ее решения оказывает существенное влияние на энергопотребление, надежность, пропускную способность и другие показатели качества обслуживания сети.
Беспроводные сенсорные сети имеют ряд ключевых отличий от других типов беспроводных сетей передачи информации, таких как локальные беспроводные сети и мобильные эпизодические сети. Перечислим основные особенности БСС и требования, которые к ним предъявляются:
‒ большие масштабы сети — количество узлов в сети может достигать десятков тысяч;
‒ ограниченные ресурсы узлов — емкость автономного источника питания, вычислительная мощность и память микропроцессора, пропускная способность каналов связи и пр. очень ограничены;
‒ размещение узлов — расположение узлов в пространстве может быть случайным или детерминированным, их распределение по площади (объему) покрытия сети может быть как равномерным, так и неравномерным;
‒ сложная топология — в общем случае сеть имеет многоячейковую топологию, все или большинство узлов неподвижны;
‒ виды трафика — в зависимости от решаемой прикладной задачи требуется поддержка типов трафика «многие-к-одному», «один-ко-многим» и «многие-ко-многим»;
‒ модель генерации сообщений — узлы могут инициировать передачу пакетов по времени (периодически), по событию или по запросу от внешнего потребителя информации, а также возможны различные комбинации перечисленных вариантов;
‒ разнородность узлов и соединений — узлы могут иметь разные энергетические ресурсы, объемы памяти и т. п., а беспроводные каналы отличаются скоростью передачи данных, надежностью, дальностью связи и т. п.;
‒ самоорганизация и отказоустойчивость — узлы должны самостоятельно настраиваться на этапе развертывания системы, а также в процессе работы адаптироваться к условиям окружающего пространства и текущему режиму эксплуатации;
‒ масштабируемость — количество служебного сетевого трафика и требуемый объем памяти узлов должны минимально или совсем не зависеть от общего размера сети;
‒ время жизни сети — требуется обеспечить длительный срок эксплуатации сети при автономных источниках питания узлов.
На основе описанных характеристик БСС можно привести несколько причин того, что применение в БСС традиционных алгоритмов маршрутизации нецелесообразно или невозможно вовсе.
Во-первых, из-за большого количества узлов в сети невозможно организовать глобальную систему адресации, так как накладные расходы на поддержание адресов в актуальном состоянии будут слишком велики. Следовательно, традиционные техники маршрутизации на основе ІР-адресов неприменимы в БСС. Кроме того, крупные масштабы и эпизодический характер развертывания БСС делают недопустимыми на практике какие-либо действия по ручной настройке сетевого взаимодействия узлов.
Во-вторых, многие приложения БСС (например, распределенные системы мониторинга) основаны на типе трафика «многие-к-одному»: источниками данных могут быть все узлы сети, а потребителем является одна базовая станция (в некоторых случаях несколько), поэтому все потоки трафика направлены от оконечных узлов к, базовой станции, при этом для экономии ресурсов сети может выполняться агрегация данных по мере их передачи до потребителя. Тип трафика «один-ко-многим» может использоваться, например, для передачи команд управления от базовой станции до оконечных узлов или при обновлении встроенного программного обеспечения узлов. Наиболее общим вариантом является тип трафика «многие-ко-многим», при котором источниками и потребителями информации могут быть любые узлы сети. На такой тип трафика опираются, в частности, многие системы «внутрисетевого» хранения и обработки данных. Следовательно, механизмы маршрутизации для БСС должны обеспечивать эффективную передачу пакетов при различных типах трафика.
В-третьих, при разработке методов маршрутизации для БСС необходимо учитывать существенные ограничения ресурсов узлов (энергия, память и вычислительная мощность узлов, пропускная способность каналов связи и т. п.) и использовать их максимально эффективно, удовлетворяя при этом специфическим требованиям, предъявляемым к такого рода сетям.
В-четвертых, в большинстве приложений БСС после развертывания положение узлов в пространстве не изменяется, за исключением, возможно, нескольких мобильных узлов, в то время как в традиционных беспроводных сетях узлы могут часто и свободно перемещаться. Тем не менее, топология сенсорной сети является динамической из-за отказов узлов по различным причинам (физическое повреждение, отключение для технического обслуживания, истощение источника энергии и т. д.) и колебаний качества соединений между ними (изменение характеристик трасс прохождения сигналов, включение и отключение источников помех и т. д.), поэтому алгоритм маршрутизации должен обладать устойчивостью к этим изменениям и адаптироваться к условиям эксплуатации при минимальных затратах на передачу служебного трафика.
В-пятых, БСС являются узкоспециализированными системами, поэтому механизм маршрутизации должен обеспечивать гибкую настройку параметров качества обслуживания под особенности конкретной прикладной задачи для достижения максимальной эффективности. Как правило, первостепенным требованием является минимальное энергопотребление узлов, однако в некоторых задачах важны такие характеристики как латентность, равномерность распределения трафика и т. д.
Учитывая сказанное, перечислим основные задачи, которые необходимо решить для создания эффективного метода маршрутизации в БСС, и характерные для БСС свойства, которые следует при этом принимать во внимание:
Размещение узлов. Способ развертывания сети зависит от прикладной задачи. В некоторых из них узлы вручную помещаются в заранее известные места, при этом возможно наличие фиксированной стационарной инфраструктуры сети. В других приложениях размещение узлов по территории выполняется случайным образом (например, выброской с летательного аппарата), поэтому полученное в результате распределение узлов может быть неравномерным. Следовательно, поскольку для связи между узлами используются маломощные низко потребляющие радиочастотные прием передатчики, необходима «эстафетная» маршрутизация пакетов для покрытия всей площади развертывания сети, при этом в общем случае нельзя рассчитывать на возможность организации стационарной инфраструктуры сети.
Энергопотребление. Сенсорные узлы работают от автономных источников питания (например, батареи или аккумуляторы) с конечной емкостью, при этом от БСС в целом требуется длительный срок эксплуатации без замены источников питания узлов. Возможно также получение электроэнергии от окружающей среды, но генераторы, преобразующие, например, солнечную или механическую (в частности, вибрацию) энергию в электрическую, не вырабатывают достаточной мощности для того, чтобы не учитывать вопрос минимизации энергопотребления, а также дорогостоящи и далеко не всегда доступны к применению. Как правило, среди элементов узла приемопередатчик имеет наибольшую мощность потребления, поэтому главный способ уменьшить среднее энергопотребление узла заключается в минимизации активности в радиоканале (передача и прием данных, прослушивание канала). Учитывая, что каждый узел является не только источником или получателем информации, но и в случае необходимости промежуточным ретранслятором пакетов, оптимизация объемов и направлений потоков трафика является важной задачей уровня маршрутизации.
Модель генерации сообщений. В приложениях БСС могут встречаться различные варианты модели генерации сообщений: по времени (периодически), по событию, по запросу или комбинации перечисленного. Периодическая передача сообщений используется в системах сбора данных и мониторинга, то есть узлы периодически опрашивают подключенные к ним внешние датчики и передают обработанные данные базовой станции. Согласно моделям генерации сообщений по событию и по запросу данные передаются только в качестве реакции на какое-либо событие (например, сигнал с датчика превысил заданный порог) или в ответ на запрос базовой станции. Следовательно, способность метода маршрутизации поддерживать различные модели генерации сообщений будет существенно влиять на параметры сети.
Разнородность узлов и соединений. В большинстве работ по БСС предполагается, что сеть состоит из одинаковых узлов, но во многих прикладных задачах может потребоваться использование узлов с различными аппаратными возможностями (вычислительная мощность, емкость источника энергии и т. д.) в зависимости от их функционального назначения. Кроме того, беспроводные соединения между узлами могут отличаться пропускной способностью, дальностью, надежностью и т. д., поэтому в процессе маршрутизации необходимо учитывать разнородность составных элементов сети.
Отказоустойчивость. Предполагается, что условия эксплуатации БСС могут быть жесткими, поэтому часто будут иметь место выход из строя узлов и нарушение соединений между ними. Следовательно, для обеспечения высокой надежности всей системы в целом метод маршрутизации должен автоматически формировать новые маршруты в обход отказавших узлов, затрачивая на переконфигурацию как можно меньшие ресурсы.
Масштабируемость. БСС могут включать до нескольких десятков тысяч: узлов, поэтому количество служебного трафика и объем памяти; занимамый служебной информацией для обнаружения» и поддержания маршрутов в актуальном состоянии, должны, минимально или совсем не зависеть от общего количества узлов в сети;
Качество обслуживания. В большинстве задач первостепенным требованием является минимизация энергопотребления для увеличения времени жизни сети, но возможны и другие критерии качества обслуживания: задержка передачи сообщения (латентность), пропускная способность, равномерность распределения трафика и т. д.
Литература:
- Kulik, J. Negotiation-Based Protocols for Disseminating Information in Wireless Sensor Networks / J. Kulik, W. R. Heinzelman, H. Balakrishnan // Wireless Networks, 2002. — V. 8. — P. 169–185.
- C.Intanagonwiwat, C. Directed Diffusion for Wireless Sensor Networking / C. Intanagonwiwat, R. Govindan, D. Estrin, J. Heidemann, F. Silva // IEEE/ACM Transactions on Networking. — 2003. — V. 11, № 1. — P. 2–16.
- Braginsky, D. Rumor Routing Algorithm for Sensor Networks / D. Braginsky, D. Estrin // Proceedings of the First ACM International Workshop on Sensor Networks and Applications (WSNA), October 2002. — Atlanta GA, 2002. — P. 22–31.
- Schurgers, C. Energy Efficient Routing in Sensor Networks / C. Schurgers, M.Srivastava // The MILCOM Proceedings on Communications for Network-Centric Operations: Creating the Information Force, McLean VA, 2001. — P. 357–361.
- Karp, B. GPSR: Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Sensor Networks /B. Karp, H. T. Kung // Proceedings of the 6th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom’00), August 2000. — Boston MA, 2000. — P. 243–254.
