авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка и исследование моделей нагрузки в беспроводных сенсорных сетях

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПРОКОПЬЕВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ НАГРУЗКИ

В БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЯХ

05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2012

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедре сетей связи

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кучерявый Андрей Евгеньевич

Официальные оппоненты: Сиверс Мстислав Аркадьевич

доктор технических наук, профессор,

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, зав. кафедрой радиопередающих устройств и средств подвижной связи

Юркин Юрий Викторович

кандидат технических наук, доцент, Петербургский государственный университет путей сообщения,

доцент кафедры электрическая связь

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

университет аэрокосмического

приборостроения

Защита состоится "___" ______________ 20__ г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Санкт-Петербургском Государственном Университете Телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, д. 61, ауд. 205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв об автореферате в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Автореферат разослан "___" ____________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Харитонов В.Х.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Беспроводные сенсорные сети все активнее проникают в окружающую среду. По прогнозам ведущих экспертов в области телекоммуникаций до 7 триллионов беспроводных устройств будет использоваться в мире к 2017-2020 годам. Сенсорные сети как часть Интернета вещей (Internet of Things) займут важнейшее место в сетях связи уже в среднесрочной перспективе.

Перестав быть объектом исключительно академических исследований, сенсорные сети сейчас поставляются множеством производителей, что привело к появлению разнообразных индустриальных стандартов, не обеспечивающих взаимодействия между оборудованием различных производителей. Основные работы в области стандартизации протоколов, используемых в сенсорных сетях, проводятся Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), Международным союзом электросвязи (ITU), Инженерным советом Интернета (IETF) и Международной организацией по стандартизации (ISO).

Результатом этих работ стало семейство стандартов IEEE 802.15.4, регламентирующих физический и канальный уровни для организации беспроводных сенсорных сетей, но оставляющих неопределенными сетевой и прикладной уровни. Последующее развитие IP сетей привело к формированию рабочей группы IETF 6LoWPAN для решения проблемы передачи IPv6 пакетов поверх каналов IEEE 802.15.4 способом, удовлетворяющим открытым стандартам и предоставляющим взаимодействие с другими IP каналами и устройствами в той же мере, как и с устройствами IEEE 802.15.4.





Стандартизация протоколов взаимодействия в сенсорных сетях требует проведения классификации приложений по типу создаваемой нагрузки. Параметры качества обслуживания для пакетных сетей связи рассмотрены в рекомендациях МСЭ-Т Y.1540 и Y.1541. В рекомендации Y.1540 определяются параметры, которые могут быть использованы для оценки эффективности скорости, точности, надежности и доступности пакетной передачи IP. Рекомендация Y.1541 регламентирует классы обслуживания для сетей связи следующего поколения (NGN). В связи с особенностями приложений, в которых применяются сенсорные сети, требуется уточнение и изменение рекомендаций Y.1540 и Y.1541.

Важной особенностью беспроводных сенсорных сетей является самоорганизующаяся природа таких сетей. Локально сгруппированные узлы образуют между собой сеть и через один или несколько шлюзов могут передавать данные для последующей обработки, например, в сети связи общего пользования. Наличие соединений между сенсорными сетями и сетями связи общего пользования требует проведения расчета параметров данных шлюзов, для чего необходимо исследовать природу нагрузки, циркулирующей в беспроводных сенсорных сетях.

Исследованию характеристик сенсорных сетей, в первую очередь алгоритмов выбора головного узла в кластерах, были посвящены работы зарубежных и отечественных ученых I.F. Akyildiz, L. Borsani, M.Younis, W. Heinzelman, A. Salim, А.Е. Кучерявого, Е.А. Кучерявого, Д.А. Молчанова, В.А. Мочалова. Вопросам же разработки и исследования моделей нагрузки в беспроводных сенсорных сетях до настоящего времени не уделялось должного внимания.

Передача данных является основным компонентом инфокоммуникационных систем и модели нагрузки имеют важнейшее значение для оценки их эффективности. Исследования телетрафика сетей связи, в том числе WAN, LAN сетей показали, что широко распространенные модели на базе Пуассоновского или связанных с ним процессов не в состоянии описать самоподобный характер нагрузки. Эти модели приводят к излишне оптимистичной оценке производительности инфокоммуникационных сетей, недостаточности выделения ресурсов для передачи и обработки данных и трудностям в обеспечении качества обслуживания.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании моделей нагрузки в беспроводных сенсорных сетях для приложений сбора данных со стационарных и смешанных (стационарных и подвижных) объектов. Поставленная цель достигается за счет решения следующих основных задач:

  1. Анализ архитектуры, приложений и протоколов беспроводных сенсорных сетей.
  2. Разработка комплекса параметров качества обслуживания для беспроводных сенсорных сетей с учетом рекомендации Y.1541 МСЭ-Т.
  3. Разработка модели сети и формируемой сенсорными узлами нагрузки в беспроводных сенсорных сетях для приложения сбора данных со стационарных объектов.
  4. Разработка модели сети и формируемой сенсорными узлами нагрузки в беспроводных сенсорных сетях для приложения сбора данных со стационарных и подвижных объектов.
  5. Имитационное моделирование типовых сценариев обслуживания нагрузки в моделях беспроводных сенсорных сетей для приложений сбора данных со стационарных и смешанных (стационарных и подвижных) объектов.
  6. Разработка моделей нагрузки с учетом фактора самоподобия и представление в форме вейвлетов Морле и Хаара.

Методы исследования. При проведении исследований применялись методы теории телетрафика, вейвлет преобразований и имитационного моделирования.

Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:

  1. Разработана классификация нагрузки в соответствии с приложениями беспроводных сенсорных сетей.
  2. Разработана модель агрегированного потока для приложений сбора данных со стационарных и смешанных (стационарных и подвижных) объектов.
  3. Доказано, что агрегированная нагрузка в беспроводных сенсорных сетях для приложений сбора данных со стационарных объектов имеет средний уровень самоподобия и получена численная оценка значения параметра Херста.
  4. Доказано, что агрегированная нагрузка в беспроводных сенсорных сетях для приложений сбора данных со смешанных (стационарных и подвижных) объектов имеет средний уровень самоподобия и получена численная оценка значения параметра Херста.
  5. Доказано, что нагрузка сигнализации и реконфигурации в беспроводных сенсорных сетях для приложений сбора данных со смешанных (стационарных и подвижных) объектов имеет высокий уровень самоподобия и получена численная оценка значения параметра Херста.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов для проектирования, планирования и расчета предельных характеристик беспроводных сенсорных сетей. Результаты работы используются в учебном процессе СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, а также Сектором стандартизации Телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т) при разработке рекомендаций.

На основе полученных результатов был представлен вклад в МСЭ-Т по дополнению рекомендации Y.1541 и раздел по характеристикам нагрузки для сенсорных сетей в рекомендацию Q.3925 МСЭ-Т.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на двух международных конференциях The 11th International Conference on Advanced Communication Technology ICACT 2009, The 11th International Conference on Next Generation Wired/Wireless Networking NEW2AN 2011, на 62-й, 63-й, 64-й и 65-й научно-технических конференциях посвященных Дню радио (2007, 2008, 2009 и 2010 годы соответственно), а также на заседаниях кафедры «Сети связи» СПб ГУТ.

Публикации. Материалы, отражающие основные результаты диссертационной работы, опубликованы в сборниках научно-технических конференций и в журналах отрасли. Всего опубликовано 10 работ, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает содержание, список сокращений, введение, четыре главы, заключение, библиографический список и одно приложение. Работа содержит 136 страниц текста, 42 рисунков и библиографический список из 104 наименований, а также 1 приложение.

Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Классификация нагрузки в соответствии с приложениями беспроводных сенсорных сетей.
  2. Модель сети и формирования нагрузки для приложения сбора данных со стационарных объектов
  3. Модель сети и формирования нагрузки для приложения сбора данных со смешанных (стационарных и подвижных) объектов.
  4. Агрегированная нагрузка в беспроводных сенсорных сетях для приложения сбора данных со стационарных объектов имеет средний уровень самоподобия.
  5. Агрегированная нагрузка в беспроводных сенсорных сетях для приложения сбора данных со смешанных (стационарных и подвижных) объектов имеет средний уровень самоподобия.
  6. Агрегированная нагрузка реконфигурации и сигнализации в беспроводных сенсорных сетях для приложения сбора данных со смешанных (стационарных и подвижных) объектов имеет высокий уровень самоподобия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, рассматривается состояние исследуемой проблемы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены основные научные результаты, полученные в диссертации, определены практическая ценность и область применения результатов, приведены сведения об апробации работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводятся современные концепции развития сетей связи общего пользования, рассматриваются и классифицируются типовые приложения для беспроводных сенсорных сетей. В начале главы описана эволюция сетей связи, приведшая к возникновению сетей связи следующего поколения (NGN – Next Generation Networks), а также структуры входящие в состав данной концепции.

Распространение беспроводных сетей IEEE 802.11 привело к созданию самоорганизующихся сетей, работающих без инфраструктуры. Самоорганизующаяся сеть, как и все сети связи, состоит из сетей доступа и транзитной сети. Сеть доступа называется Ad Hoc (целевая сеть), а транзитная сеть – mesh (ячеистая). Узлы сети Ad Hoc не имеют функций маршрутизации и могут осуществлять взаимосвязь лишь с ближайшими узлами. В связи с этим достаточно часто узлы Ad Hoc называют дочерними.

В период интенсивного развития концепции NGN сетевые структуры беспроводных сенсорных сетей входили в NGN как составная часть. В то время считалось, что клиентскую база WSN составят сотни миллионов сенсорных узлов. Однако, стремительное развитие этой новой технологии, появление концепций Интернета вещей (IoT – Internet of Things) и Вэба вещей (WoT – Web of Things), привели к пересмотру перспектив развития сенсорных сетей и в соответствии с современными прогнозами число беспроводных устройств составит 7 триллионов на 7 миллиардов человек к 2017 – 2020 годам.

Сектор стандартизации Международного Союза Электросвязи в настоящее время рассматривает возможность замены концепции NGN на концепцию Умных Всепроникающих Сетей (SUN – Smart Ubiquitous Networks), включающую в себя концепцию NGN как одну из составных частей.

Далее в главе анализируются наиболее распространенных приложений для беспроводных сенсорных сетей, реализованных в различных странах. Рассматривая все эти приложения, можно заметить повторяющиеся шаблоны передаваемой нагрузки. Классифицируя данные шаблоны, выделим следующие основные виды нагрузки:

  • Аварийная сигнализация - сообщения этого типа передаются с минимальными задержками и потерями.
  • Речевые данные – данные, чувствительные к джиттеру и потерям.
  • Протокольная сигнализация
  • Данные обслуживания, такие как микропрограммы и конфигурации, а также статичные файлы, например фото - требуют гарантированной доставки, но не чувствительны к задержкам
  • Данные телеметрии - допускают низкий уровень потерь
  • Все остальные данные, передающиеся без каких либо гарантий.

Современные сети предоставляют многообразие услуг по единым каналам данных. При этом, каждая из сетей может иметь собственные требования по обеспечению качества обслуживания.

Для сохранения качества передаваемого голоса при одновременной передаче данных были введены классы обслуживания, а также нормируемые параметры качества обслуживания.

МСЭ-Т в рекомендации Y.1541 определяет 6 классов обслуживания для сетей с коммутацией пакетов на базе IP. Для определения параметров классов обслуживания используются нормируемые величины, рассмотренные в рекомендации Y.1540. Определяемые параметры применяются к услугам IP вида точка-точка, конечный узел к конечному узлу и сетевым частям, которые обеспечивают или способствуют предоставлению таких услуг. Транспортному потоку без установления соединения, уделяется особое внимание в данной рекомендации.

Рекомендация Y.1540 определяет четыре основных параметра, на основе которых можно описать классы качества обслуживания по IP сетям:

  • средняя задержка пакетов (IPTD - IP Packet Time Delay)
  • вариация задержки пакетов (джиттер) (IPDV - IP Packet Delay Variation)
  • вероятность потери пакета (IPLR - IP Packet Lost Rate)
  • вероятность ошибочной передачи пакета (IPER - IP Packet Error Rate)

Условия применения и назначение сенсорных сетей не позволяют в полной мере использовать классы обслуживания, регламентированные в рекомендации Y.1541. Сравнивая существующий набор классов спецификации Y.1541 и предложенный набор для беспроводных сенсорных сетей, можно определить наличие двух классов, не представленных в существующей рекомендации: данные аварийной сигнализации и данные требующие гарантированной доставки, но не чувствительные к задержкам. Важной особенностью данных аварийной сигнализации является то, что задержки при передаче таких данных могут вноситься только на физическом уровне.

Результаты данной классификации были представлены в виде вклада в МСЭ-Т по дополнению рекомендации Y.1541 и на их основе формировался раздел по характеристикам нагрузки для сенсорных сетей в проект рекомендации Q.3925.

Во второй главе проводится обзор существующих технологий для построения беспроводных сенсорных сетей. Особенностью данных сетей является то что они образуются множеством совместно функционирующих автономных устройств для выполнения поставленной перед сетью задачи. Примерами таких задач служат сбор данных с датчиков, автоматизация технологических процессов, "умные" дома и т.д.

Основная задача WSN (Wireless Sensor Network – Беспроводные сенсорные сети) заключается в организации сети сенсоров с использованием большого числа относительно простых датчиков вместо традиционного подхода, предполагающего размещение нескольких дорогих и сложных модулей зондирования. Потенциальными преимуществами сенсорных сетей перед традиционным подходом являются: большая зона охвата, точность и надежность при меньших затратах.

Беспроводные персональные сети IEEE 802.15.4 нашли свое применение в области сенсорных сетей. Часто такие сети называют LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network – Низкоскоростная беспроводная персональная сеть).

При создании протокола IEEE 802.15.4 были предъявлены определенные требования: сеть должна была быть надежной, легкой в развертывании, с простым протоколом и низким электропотреблением, позволяющим работать длительное время устройствам с аккумуляторным источником питания. При этом, требования по дальности действия и скорости передачи достаточно просты.

Сети IEEE 802.15.4 можно охарактеризовать с помощью следующих параметров:

  • Скорости передачи 250 kb/s, 40 kb/s и 20 kb/s
  • Работа в топологии звезда или каждый-с-каждым
  • Использование короткой 16-ти или расширенной 64 битной адресации
  • Назначение гарантированных временных интервалов (Guaranteed Time Slot – GTS)
  • Использование множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – CSMA-CA)
  • Протокол с подтверждениями для гарантированной передачи
  • Низкое потребление энергии
  • Обнаружение сигнала (Energy Detection – ED)
  • Индикатор качества канала связи (Link Quality Indicator – LQI)
  • 16 каналов в полосе частот 2450 MHz, 10 каналов в полосе частот 915 MHz и 1 канал в полосе частот 868 MHz.

Далее в диссертации рассмотрены основные архитектурные принципы построения беспроводных сенсорных сетей, а также технологии, позволяющие организовать надежную и безопасную передачу данных в таких сетях.

Сети IEEE 802.15.4 поддерживают три типа архитектур построения: звезда, кластерное дерево и каждый-с-каждым (ячеистая). Рис. 1 демонстрирует доступные виды архитектур. В архитектуре звезда связь устанавливается между устройствами и единым центральным контроллером, называемым координатором. Устройства, как правило, имеют ряд сопутствующих применений и являются либо узлом начала передачи, либо узлом назначения для сеансов связи в сети. В сети с архитектурой дерева передача данных и сообщений управления через сеть осуществляется с использованием иерархической стратегии выбора маршрута и может производится под централизованным управлением, для чего на физическом уровне требуется использовать периодические сигналы маяков от координаторов IEEE 802.15.4. Ячеистые сети используют одноранговые связи, маршрутизация в таких сетях является децентрализованным, распределенным по сети процессом.

 Архитектуры для сетей IEEE 802.15.4 Для-0

Рис. 1. Архитектуры для сетей IEEE 802.15.4



Pages:   || 2 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.