joi , 21 iunie 2018
roen

Art. 05 – Vol. 21 – Nr. 2 – 2011

Unele contribuţii privind modelarea topologică a reţelelor de senzori fără fir (RSff)

Petru Junie
junpetre2000@yahoo.com
Cristian Eremia
cristian_valentin2003@yahoo.com
Universitatea „Politehnica” Bucureşti

Rezumat: Lucrarea prezintă câteva din rezultatele obţinute prin cercetarea ştiintifică doctorală proprie în domeniul modelării topologiei reţelelor de senzori. Aceste rezultate vizează afişarea grafică a locaţiilor nodurilor-senzor şi a legăturilor dintre noduri. Sunt introduse unele inovaţii pentru descrierea formală a topologiei în RSff în vederea simulării în Matlab a topologiei  RSff.

Cuvinte cheie: reţele de senzori fără fir, modelarea topologică, simulare, Matlab, graf, mono-hop, multi-hop

Introducere: Reţelele de senzori wireless au captat un număr mare de cercetători din momentul în care în 1999 revista BusinessWeek [1]a anunţat 21 din cele mai noi tehnologii importante pentru secolul 21. Printre acestea figura şi tehnologia bazată pe RSff a cărei arhitectură este compusă  din micro-senzori de unică folosinţă care pot fi implementaţi pe sol, în aer, sub apă, în interiorul clădirilor, pe vehicule, pe corpuri umane ori pe corpuri de origine animală (fig.1). Ele pot fi utilizate în anumite poziţii pre-determinate sau la întâmplare (aruncate din helicopter), aceasta permiţând desfăşurarea senzorilor în zonele inaccesibile. De obicei, nodurile senzor au o arhitectură hardware care conţine: un senzor, o unitate de prelucrare, o unitate de emisie-recepţie şi o unitate care asigură sursa de alimentare cu energie electrică .Există aplicaţii care au nevoie în plus de alte componente, cum ar fi: găsirea automată a locaţiei (de exemplu, GPS).

Câteva exemple de reţele de senzori wireless ad-hoc sunt următoarele:

  1. RS militare pentru a detecta şi achiziţiona cât mai multe informaţii posibile cu privire la mişcările inamicului, locaţia exploziilor, şi alte fenomene de interes;
  2. RS pentru a detecta şi caracteriza procesele chimice, biologice, radiologice, nucleare, şi (CBRNE) mediile explosive;
  3. RS pentru a detecta şi monitoriza schimbările de mediu în câmpii, păduri, oceane, etc.;
  4. RS wireless de trafic pentru a monitoriza traficul vehiculelor pe drumurile aglomerate sau în anumite părţi ale unui oraş;
  5. RS wireless de supraveghere pentru asigurarea securităţii în mall-uri, garaje şi alte facilităţi;
  6. RS wireless de parcare pentru a determina locurile de parcare ocupate şi pe cele gratuite.

Lista de mai sus sugerează că RSff oferă capabilităţi şi anumite îmbunătăţiri în eficienţa operaţională în aplicaţii civile, precum şi în sprijinirea efortului naţional de a creşte vigilenţa la potenţialele ameninţări teroriste.

S-au impus două moduri de a clasifica RSff dacă conţin sau nu noduri adresabile individual şi dacă datele din reţea sunt sau nu sunt agregate. De exemplu, nodurile-senzor într-o RS de parcare ar trebui să fie adresabile individual, astfel încât să se poată determina toate spaţiile libere. Această aplicaţie arată ce poate fi necesar pentru a difuza un mesaj la toate nodurile din reţea. Dacă unul din senzori determină temperatura în colţul unei camere, atunci adresabilitatea nu poate fi atât de importantă. Orice nod în regiunea dată poate răspunde. Capacitatea de reţea de senzori pentru a agrega datele colectate poate reduce semnificativ numărul de mesaje care trebuie transmise în întreaga reţea. Obiectivele de bază ale unui senzor fără fir într-o reţea depind, în general, de cererile formulate la proiectare, dar următoarele sarcini sunt comune pentru cele mai  multe reţele:

  1. determinarea valorii unor parametri într-o anumită locaţie: într-o reţea de mediu, s-ar putea să cunoască o temperatură, presiunea atmosferică, cantitatea de lumină a soarelui şi umiditatea relativă la un număr de locaţii. Acest exemplu arată că un nod senzor dat poate fi conectat la diferite tipuri de senzori, fiecare cu o rată de eşantionare diferită şi o gamă de valori premise;
  2. detectarea apariţiei unor evenimente de interes şi a parametrilor de estimare a evenimentului detectat sau evenimente: în reţea de senzori de trafic s-ar putea dori pentru a detecta un vehicul în mişcare printr-o intersecţie şi estima viteza şi direcţia vehiculului;
  3. clasificarea unui obiect detectat: este un vehicul într-o reţea de senzori de trafic: o maşină, un camion, un autobuz, etc.;
  4. urmărirea unui obiect: într-o reţea de senzori militară, urmărirea unui obiect inamic care se mişcă prin zona geografică acoperită de reţea.

În aceste patru sarcini o cerinţă importantă a reţelei de senzori este că datele cerute pot fi diseminate de către utilizatorii finali. În unele cazuri, există destule cerinţe stricte de timp privind această comunicare. De exemplu, detectarea unui intrus într-o reţea de supraveghere ar trebui să fie comunicată imediat la poliţie, astfel încât măsurile necesare pot fi luate.

Principalele cerinţe impuse unei RS includ următoarele:

  1. Numărul mare de senzori (cea mai mare parte staţionare): în afară de implementarea de senzori pe suprafaţa oceanului sau utilizarea telefoanelor mobile, senzori fără pilot, robotizare în operaţiuni militare, cele mai multe noduri într-o reţea de senzori inteligenţi sunt staţionare. Reţelele de 10.000 sau chiar 100000 noduri sunt prevăzute, astfel încât scalabilitatea este o problemă majoră.
  2. Consum scăzut de energie: din moment ce în multe aplicaţii nodurile senzorului vor fi plasate într-o zonă de la distanţă, serviciile de un nod nu pot fi disponibile. În acest caz, durata de viaţă a unui nod poate fi determinată de viaţa bateriei, care necesită astfel reducerea la minimum a cheltuielilor de energie.
  3. RS cu auto-organizare: având în vedere numărul mare de noduri şi plasarea lor în locuri potenţial ostile, este esenţial ca reţeaua să se poată auto-organiza: configurarea manuală nu este fezabilă. În plus, nodurile pot eşua (fie din lipsă de energie sau datorită distrugerii fizice), şi nodurile noi ar putea adera la reţea. Prin urmare, reţeaua trebuie să aibă posibilitatea de a se reconfigura periodic în sine, astfel încât aceasta să poată continua să funcţioneze. Nodurile individuale se pot conecta de la restul reţelei, dar un grad ridicat de conectivitate trebuie să fie menţinută.
  4. Colaborare in prelucrarea semnalului: cu toate acestea, un alt factor care diferenţiază aceste reţele din MANETs este faptul că scopul final este de detectare / estimare a unor evenimente de interes şi nu doar de comunicaţie. Pentru a îmbunătăţi detectarea / performanţa estimării este adesea destul de util ca datele de la senzori să aibă siguranţă multiplă. Această fuziune a datelor necesită transmiterea de date şi mesaje de control şi aşa se pot pune constrângeri privind arhitectura reţelei.
  5. Capacitatea de interogare: un utilizator poate dori să interogheze un nod individual sau un grup de noduri privind informaţiile colectate în regiune. În funcţie de cantitatea de date efectuate de fuziune, nu poate fi posibil de a transmite o cantitate mare de date prin reţea. În schimb, diverse noduri locale tip chiuvetă vor colecta date dintr-o anumită zonă şi vor crea mesaje rezumat. O interogare poate fi direcţionată către nodul chiuveta cel mai apropiat de locaţia dorită.

Această lucrare introduce în secţiunea 2 unele noţiuni privind reprezentarea algebrică a grafului reţelei, iar în secţiunea 3 se prezintă  o metodologie originală de generare automată  a grafului RS folosind resursele limbajului Matlab.

Vizualizează articolul complet

Concluzii: 

În această lucrare se prezintă unele rezultate ale cercetării ştiinţifice proprii privitoare la modelarea topologiei reţelelor de senzori fără fir (RSff) care s-au concretizat în următoarele contribuţii:

1) procedura descompunerii grafului – model al RSff în clustere ce deschide perspective promiţătoare referitoare la modelarea topologiei RSff de foarte mari dimensiuni şi optimizarea căii de comunicaţie între un nod sursă şi un nod destinatar;

2) inovaţia de reprezentare vectorial-matriceală a datelor iniţiale pentru simularea în Matlab a topologiei RSff;

3) conceperea şi implementarea unui sistem interactiv pentru trasarea automată asistată de calculator a grafului aferent topologiei RSff.

În ceea ce priveşte perspectivele dezvoltării în continuare a cercetării în această problemă apreciem că rezultatele obţinute pot fi dezvoltate în continuare în direcţia optimizării topologiei RSff.

BIBLIOGRAFIE:

  1. 21 ideas for the 21 century. Business Week, august, 1999, pp. 78–167.
  2. PARK, S.; SAVVIDES A.; SRIVASTAVA M. B. SENSORSIM: A Simulation Framework for Sensor Networks. În the Proceedings of MSWiM 2000, 2000.
  3. AMARIEI, C.; TEODOROV C.; FABIANI E.; POTTIER B. Modeling Sensor Networks as Concurrent Systems. Proceeding of Fourth International Conference on Networked Sensing Systems,INSS’07, Braunschweig, Germany, June 2007.
  4. BERGE, C. Theorie des graphes et ses applicatons. Ed. DUNOD, Paris, 1987.
  5. GHINEA, M.; FIRETEANU V. MAILAB-calcul numeric-grafică –aplicaţii. Ed. Teora , Bucureşti, 1995.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.