Аннотация
Беспроводные сенсорные сети (WSN) представляют собой новую область интересов в исследованиях и разработках. Они находят применение в военном надзоре, здравоохранении, мониторинге окружающей среды, обнаружении лесных пожаров и умных средах. Важной проблемой исследования WSN является покрытие, так как стоимость, площадь и срок службы напрямую подтверждаются ими. В этом документе мы представляем обзор WSN и пытаемся уточнить проблемы покрытия и подключения в беспроводных сенсорных сетях.
1. Введение
В последние годы беспроводные сенсорные сети (WSN) проявляют большой интерес к исследованиям и разработкам благодаря широкому спектру приложений. Беспроводные сенсорные сети обеспечивают широкий спектр приложений, начиная с наблюдения за безопасностью в вооруженных силах и на боевых полях, контролируя ранее незаметные явления окружающей среды, в умных домах и офисах, улучшая здравоохранение, промышленную диагностику и многое другое. Например, сенсорная сеть может быть развернута на удаленном острове для мониторинга среды обитания диких животных и их поведения или вблизи кратера вулкана для измерения температуры, давления и сейсмической активности.
Рисунок 1 – Компонент узла датчика
Во многих из этих приложений окружающая среда может быть враждебной, когда вмешательство человека невозможно, и, следовательно, узлы датчиков будут развернуты беспорядочно или посыпаны воздухом и будут оставаться без присмотра в течение нескольких месяцев или лет без замены батареи. Поэтому потребление энергии или, в общем, управление ресурсами имеет решающее значение для этих сетей. WSN обеспечивают жизнеспособную альтернативу нескольким существующим технологиям. Например, крупные здания содержат сотни датчиков окружающей среды, которые являются широкими для центральной системы кондиционирования и вентиляции.
Сенсорные сети используются для сбора измеренных данных и передачи их на базовую станцию. Сенсорный узел является сердцем сети датчиков. В беспроводной сенсорной сети каждый узел обычно оснащен микроконтроллером, приемопередатчиком, внешней памятью, источником питания и одним или несколькими датчиками. Узлы датчиков воспринимают среду и собирают информацию и передают эту информацию другим узлам или базовой станции беспроводным способом.
2. Покрытие и подключение
Основным требованием WSN является охват и возможность подключения. Покрытие и подключение являются двумя важными свойствами WSN. Если говорить об ограничениях технологии датчиков, мы можем легко сказать, что проблема покрытия влияет на качество обслуживания (QoS). Основная часть сенсорной сети - это сенсорный узел, который напрямую влияет на размер, вес и конструкцию сети. Поскольку узел несет ограничение срока службы батареи, обработки и связи, замена узла и замена батареи невозможны, поэтому нам необходимо принять определенную сеть или топологию, которая потребляет малую мощность.
Рисунок 2 – Беспроводная сетевая архитектура датчика
Три типа покрытия были определены измерительным прибором:
- Охват покрытия - для достижения статического расположения сенсорных узлов, который максимизирует скорость обнаружения целей, появляющихся в чувствительном поле;
- Барьерное покрытие - для достижения статического расположения сенсорных узлов, что минимизирует вероятность необнаруженного проникновения через барьер;
- Охват развертки - перемещение нескольких сенсорных узлов через чувствительное поле таким образом, чтобы они учитывали заданный баланс между максимизацией скорости обнаружения и минимизацией количества пропущенных детектировок на единицу площади.
3. Проблема целевого покрытия
Целевое покрытие означает, что все целевые показатели должны покрываться с целью максимизации времени жизни сети. Возможно, каждая цель контролируется по крайней мере одним узлом датчика при охвате целей, необходимо учитывать несколько вопросов, таких как максимальное время жизни сети, минимальное участие узлов датчика, минимальное потребление энергии и т.д., чтобы достичь эффективного целевого охвата. В зависимости от энергопотребления датчик может находиться в одном из следующих четырех состояний: передача, прием, простоя или сон. Состояние холостого хода-это когда приемопередатчик не передает и не принимает сигнал, а спящий режим-это когда радио выключено. Интересным замечанием является то, что для приема и простоя может потребоваться столько же энергии, сколько для передачи, в то время как в традиционных беспроводных сетях ad-hoc передача может использовать в два раза больше мощности приема.
Рисунок 3 – Целевое покрытие
В соответствии с этими четырьмя состояниями датчики отправляют информацию о местоположении на базовую станцию, а затем базовая станция выполняет алгоритм планирования датчиков и широко применяет расписание, когда каждый узел активен. Каждый датчик планирует себя для активного/сна внутреннего.
4. Методы покрытия
Были предприняты широкие исследовательские усилия для разработки энергоэффективных схем, объединяющих охват и возможности подключения для беспроводной сети датчиков. В зависимости от целей и приложений покрытия их можно условно разделить на три категории: зональное покрытие, покрытие точек и покрытие пути.
1) Площадь покрытия:
В зоне покрытия основной целью сети беспроводных датчиков является охват (мониторинг) Области интересов. Каждая точка региона должна контролироваться, потому что требуется полный охват для действительных данных, в противном случае выходят отверстия для покрытия.
2) Точка покрытия:
В плане охвата цель состоит в том, чтобы охватить набор точек (цели) с известным местоположением, которое необходимо контролировать. Схема охвата точек фокусируется на определении точных позиций узлов датчиков. В общем случае покрытие очков является особым случаем покрытия зоны. В области покрытия некоторые моменты остаются необнаруженными из-за некоторой проблемы; в этом случае применяется точечное покрытие. В некоторых приложениях, когда сеть достаточно плотная, площадь покрытия может быть аппроксимирована гарантией покрытия точек. В этом случае все точки беспроводных устройств могут использоваться для представления всей области, и рабочие датчики должны покрывать все датчики и контролировать цель.
3) Путь покрытия:
Путь охвата - один из примеров мониторинга, где WSN развертываются для определения конкретного пути и сообщают о возможных попытках вторжения нарушителей. При развертывании в ручном режиме желаемый уровень охвата покрытия может быть достигнут путем правильного размещения датчиков по площади. Когда невозможно развернуть сеть вручную, используется случайное развертывание, например, падение датчиков с самолета. Из-за случайности расположения датчиков, охват сети выражает стохастическое поведение и желаемый (полный) покрытие пути не гарантируется.
5. Вывод
Беспроводная сенсорная сеть полностью зависит от использования батарей. Покрытие конкретных целей набирает популярность с каждым днем. Проблемой покрытия может быть зональное покрытие, целевой охват и покрытие, охватывающие максимальный путь поддержки / нарушения. Проводится ряд исследовательских работ по проблеме целевого покрытия. В будущей сфере работ мы разработаем алгоритм целевого охвата с целью достижения улучшенного срока службы и минимального потребления энергии. Несмотря на то, что было предложено много схем и был достигнут прогресс в проблемах покрытия WSN, по-прежнему существует множество открытых проблем исследований. Более аутентичная модель узлов датчиков должна быть включена в схемы покрытия, чтобы превосходно выполнять различные реальные приложения. Следует предложить эффективную схему охвата для реализации реальных приложений, но ограничивается теоретическим исследованием. Поэтому большинство существующих централизованных и локализованных алгоритмов или протоколов.
Список использованной литературы
[1] Chi-Fu Huang, Yu-Chee Tseng, Hsiao-Lu Wu. Distributed Protocols for Ensuring Both Coverage and Connectivity of a Wireless Sensor Network. National Chiao-Tung University, ACM Journal Name. V, (N), M 20YY: 1–22.
[2] Mihaela Cardei, Jie Wu, Energy-Efficient Coverage Problems in Wireless Ad Hoc Sensor Networks. Florida Atlantic University, Boca Raton, FL 33431
[3] K Kar, S Banerjee. Node Placement for Connected Coverage in Sensor Networks. Proc. of WiOpt Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks. 2003.
[4] Chi-Fu Huang, Yu-Chee Tseng, Hsiao-Lu Wu. Distributed Protocols for Ensuring Both Coverage and Connectivity of a Wireless Sensor Network. National Chiao Tung University, ACM Journal Name. V, (N), M 20YY.
[5] Zongheng Zhou, Samir R Das, Himanshu Gupta. Connected K-Coverage Problem in Sensor Networks. Proceedings of the International Conference On Computer Communications and Networks (ICCCN 2004). Chicago, IL, USA 2004
[6] X Wang, G Xing, Y Zhang, C Lu, R Pless, CD Gill. Integrated Coverage and Connectivity Configuration in Wireless Sensor Networks. Proceedings of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Los Angeles. 2003: 28-39.
[7] S Slijepcevic, M Potkonjak. Power efficient organization of wireless sensor networks. IEEE International Conference on Communications. 2001; 2: 472-476.
[8] M Cardei, J Wu, Energy-Efficient Coverage Problems in Wireless Ad Hoc Sensor Networks. Computer Communications Journal (Elsevier). 2006; 29(4): 413- 420.
[9] Zorbas D, Glynos D, Douligeris C. Connected partial target coverage and network lifetime in wireless sensor networks. Wireless Days. 2009; 2nd IFIP: 1–5.
[10] D Tian, ND Georganas. A Coverage-Preserving Node Scheduling Scheme for Large Wireless Sensor Networks. Proc. First ACM Int'l Workshop Wireless Sensor Networks and Applications. 2002; 32-41.
[11] S Meguerdichian, F Koushanfar, M Potkonjak, M Srivastava. Coverage Problems in Wireless Ad-Hoc Sensor Networks. IEEE Infocom. 2001: 1380-1387.
[12] M Cardei, MT Thai, Y Li, W Wu. Energy efficient target coverage in wireless sensor net-works. Proceedings of IEEE INFOCOM’05, Miami. 2005; 1976–1983.
[13] M Cardei, DZ Du. Improving Wireless Sensor Network Lifetime through PowerAware Organizzation. ACM Wireless Networks. 2005; 11(3): 333-340.
[14] Edoardo Biagioni, Kent Bridges. The application of remote sensor technology to assist the recovery of rare and endangered species. In Special issue on Distributed Sensor Networks for the International Journal of High Performance Computing Applications. 2002; 16(3).
[15] Loren Schwiebert, Sandeep KS Gupta, Jennifer Weinmann. Research challenges in wireless networks of biomedical sensors. In Mobile Computing and Networking. 2001; 151-165.
[16] Mani B Srivastava, Richard R Muntz, Miodrag Potkonjak. Smart kindergarten: sensorbased wireless networksfor smart developmental problem-solving environments. InMobile Computing and Networking. 2001: 132-138.
[17] V Raghunathan, C Schurgers, S Park, MB Srivastava. Energy-Aware Wireless Microsensor Networks. IEEE Signal Processing Magazine. 2000; 19: 40-50.
[18] F Ye, G Zhong, J Cheng E, L Zhang. Peas: A robust energy conserving protocol for long-lived sensor networks. In Proceedings of the 23rd International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS03). 2003; 28–37.
[19] Ya Xu, John Heidemann, Deborah Estrin. Geography-informed energy conservation for Ad-Hoc routing.
[20] F Ye, G Zhong, J Cheng, S Lu, L Zhang. Peas: A robust energy conserving protocol for long-li lived sensor networks. In Proceedings of the 23rd International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS ’03). 2003; 28–37.
[21] C Gui, P Mohapatra. Power conservation and quality of surveillance in target tracking sensor networks. In Proceedings of the 10th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (Mobicom ’04). 2004; 129-143.