Метод визначення координат об'єктів на етапі ініціалізації гомогенної бездротової сенсорної мережі

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ КООРДИНАТ ОБ'ЄКТІВ НА ЕТАПІ ІНІЦІАЛІЗАЦІЇ ГОМОГЕННОЇ БЕЗДРОТОВОЇ СЕНСОРНОЇ МЕРЕЖІ

Спеціальність 05.12.02 ? телекомунікаційні системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Власова Вікторія Олександрівна

Харків 2014

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Зеленін Анатолій Миколайович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри мереж зв'язку.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Зеленський Олександр Олексійович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», завідувач кафедри прийому, передачі та обробки сигналів;

кандидат технічних наук, доцент Руккас Кирило Маркович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, доцент кафедри теоретичної та практичної інформатики.

Захист відбудеться «____» __________ 2014 р. о ____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.64.052.09 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд. _____.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «___» __________ 2014 г.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Є.В. Дуравкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнє десятиліття відзначено великою кількістю робіт, присвячених таким інфокомунікаційним системам як «Бездротові сенсорні мережі» (БСМ). Основною їх відмінністю від класичних бездротових інформаційних мереж є використання в якості вузлів мережі великого числа мініатюрних і недорогих пристроїв з автономним живленням, які оснащені датчиками і здатні до самоорганізації. Будування таких мереж має ряд специфічних проблем. Протоколи і методи, які використовуються в інших телекомунікаційних мережах, виявляються зовсім неефективними для сенсорних мереж, тому що для БСМ головним показником ефективності є споживання енергії джерел живлення.

Існує велика кількість робіт, де предметом дослідження є характеристики телекомунікаційного взаємодії вузлів БСМ ? мотів. Це і питання, пов'язані з: організацією роботи мережі (протоколи різних рівнів моделі взаємодії відкритих систем OSI), розробкою енергоефективних алгоритмів, створенням програмного забезпечення, питаннями визначення місця розташування об'єктів мережі відносно один одного, прив'язкою до географічних координат тощо.

Визначення місця розташування вузлів БСМ внутрішніми ресурсами роблять ці мережі привабливими для використання у важкодоступних місцях. Відсутність необхідності використання додаткових модулів роблять вузол БСМ дешевшим і зменшує енергоспоживання, а, отже, розгортання таких мереж значно спрощується. Можливість використання великого числа резервних мотів дозволяє спростити алгоритми взаємодії вузлів, тому боротьба з недоліками каналу зв'язку стає енергетично невигідною. Таким чином, знижуються вимоги до обчислювальної потужності вузла, що також веде до зниження енергоспоживання. Також слід зазначити, що визначення взаємного розташування вузлів використовується в усіх бездротових мережах для адаптації рівня сигналу, що передається, що в мережах з автономним живленням дає ще одну перевагу по енергоспоживанню.

На сьогоднішній день опубліковано ряд робіт з позиціонування у БСМ на основі інформації про взаємне розташування об'єктів, яка доступна в процесі роботи (визначення відстані, напрямку, азимута та ін.) Однак, для реалізації цих алгоритмів із заданою точністю локалізації необхідно велике число ітерацій. Це призводить до того, що або точні координати об'єктів БСМ стають відомими тільки на останньому етапі «життя мережі», або на початковому етапі розгортання мережі необхідно затратити енергію на численні ітерації, що не забезпечує вимоги з енергоефективності. Інші алгоритми, які найбільш економно витрачають енергію вузла, не можуть забезпечити задану точність. Результати такого позиціонування можуть бути використані тільки на малих відстанях. Тому завдання визначення місця розташування вузлів БСМ за відсутності інформації про топологію мережі (на початковому етапі ? ініціалізації мережі), без використання додаткових модулів і вирішення складних оптимізаційних алгоритмів, з максимально можливою точністю, мінімальними витратами по енергоспоживанню і використанням внутрішніх ресурсів мережі актуальна для проведення подальших досліджень.

Науковим завданням дисертації є розробка методу визначення координат об'єктів бездротової сенсорної мережі на етапі ініціалізації із заданою точністю за одну ітерацію обміну даними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації пов'язані з науковими дослідженнями, які виконувалась згідно з наказом Міністерства освіти і науки України №1177 від 30.11.2010 р. з держбюджетної НДР №263-4 «Технології та засоби надання інтегрованих послуг зв'язку, навігації та спостереження в мережах мобільного зв'язку наступного покоління» (№ДР0111U002629), в якій здобувач був виконавцем.

Метою дисертаційної роботи є підвищення енергоефективності визначення місця розташування об'єктів на етапі ініціалізації БСМ із забезпеченням заданої точності.

Відповідно до цього, завданнями дисертаційної роботи є:

1. Виявлення енергоефективних методів позиціонування елементів БСМ шляхом порівняльного аналізу існуючих методів позиціонування.

2. Розробка алгоритму взаємодії елементів мережі на етапі ініціалізації.

3. Розробка моделі для оцінки енергоспоживання вузлами сенсорної мережі при різних режимах роботи (крайовий вузол, ретранслятор).

4. Дослідження залежності мінімальної дисперсії помилки визначення місця розташування від мережі.

5. Розробка методу визначення місця розташування за одну ітерацію обміну даними, заснованого на інформації про рівень прийнятого сигналу та отримання співвідношень для реалізації корекції відстаней (підвищення точності). бездротовий сенсорний мережа енергоспоживання

6. Створення імітаційної моделі мережі з реалізацією запропонованого методу, оцінка її адекватності та аналіз результатів моделювання.

Об'єктом дослідження є процес визначення місця розташування об'єктів бездротової сенсорної мережі.

Предметом дослідження є новий метод визначення локальних і географічних координат об'єктів гомогенної бездротової сенсорної мережі на етапі розгортання (ініціалізації).

Методи досліджень ? обчислювальна математика, теорія оцінювання, імітаційне моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Удосконалено метод самоорганізації елементів сенсорної мережі на етапі розгортання (ініціалізації) за рахунок створення ситуаційних кластерів та їх об'єднання в ланцюг зв'язків, що, на відміну від інших методів, забезпечило отримання інформації, необхідної для корекції розташування вузлів.

2. Удосконалено моделі для оцінки споживання енергії вузлами БСМ за рахунок того, що в них враховані залежності енергетичних витрат від довжини повідомлення, швидкості передачі, кількості сусідів тощо. Це дозволяє отримати оцінку енергетичних характеристик мережі при різних режимах роботи (крайовий вузол, ретранслятор), для модулів різних виробників і для різних принципів організації взаємодії елементів мережі.

3. Розроблено новий метод визначення координат об'єктів сенсорної мережі з поєднаним експериментально-аналітичним циклом, який, за рахунок коригувальних коефіцієнтів, отриманих порівнянням відстаней розрахованих за методом ToF і RSSI, дозволив забезпечити задану точність визначення координат, зменшити енергоспоживання і знизити час ініціалізації.

Новизна отриманих результатів підтверджується об'єктами інтелектуальної власності Патент №65765 України, МКП H04W 64/00, Спосіб позиціонування у бездротових сенсорних мережах. - 12.12.2011, Бюл. №23. - 6 с. та Патент №70948 України, МКП H04W 64/00, Спосіб позиціювання вузлів у польових ZigBee мережах. - 25.06.2012, Бюл. №12. - 7 с.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в роботі результати можуть бути використані в бездротових сенсорних мережах з маршрутизацією на основі місця розташування на етапі їх ініціалізації для початкового оціночного позиціонування об'єктів мережі з подальшим їх уточненням і прив'язкою до географічних координат (або без цього, якщо до мережі не пред'явлені високі вимоги до точності визначення місця розташування об'єктів).

Наведені співвідношення для розрахунку витрати енергії вузлами БСМ можуть бути використані при проектуванні сенсорної мережі для оцінки часу життя або для вибору варіанта взаємодії елементів. Створена комп'ютерна модель, яка моделює польову БСМ за запропонованими в роботі принципам взаємодії об'єктів мережі, може бути використана в бездротових сенсорних мережах, як для їх моделювання, так і для візуалізації процесів між об'єктами мережі на етапі ініціалізації.

Практичні результати роботи відображені у матеріалах науково-технічних звітів за держбюджетними НДР №263-4 «Технології та засоби надання інтегрованих послуг зв'язку, навігації та спостереження в мережах мобільного зв'язку наступного покоління» (№ДР0111U002629) в 2011-12 р.

За матеріалами дисертаційної роботи розроблений і поставлений новий магістерський курс «Бездротові сенсорні мережі».

Використання результатів дисертаційної роботи підтверджується двома актами про впровадження.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є завершеним, виконаним самостійно науковим дослідженням. Всі розрахунки, моделі та програми виконані автором особисто. У роботах, проведених у співавторстві, науковому керівнику належить обговорення постановки завдання і результатів досліджень, автор виконувала постановку завдань, розробляла методи їх вирішення, брала участь в аналізі результатів. Зокрема, в [1] автору належить ідея інтеграції БСМ в структуру інфокомунікаційних мереж та спосіб впровадження інформаційних технологій в промислових мережах. В [3] автору належить метод розрахунку загальної кількості інформації, необхідної для функціональної стійкості БСМ і методів її забезпечення. В [4] автором досліджено взаємозв'язок часткових характеристик БСМ. В [5] автором запропоновані алгоритм і структура інформаційно-комунікаційного взаємодії елементів автоматизованої системи. В [6] автором розроблений алгоритм взаємодії елементів БСМ на етапі ініціалізації. В [7] автором запропоновані аналітичні співвідношення оцінки енергетичних витрат вузлів при різних режимах роботи. В [9] автором зроблено порівняльний аналіз основних методів позиціонування з точки зору застосування в БСМ. В [10] автору належить ідея перенесення аспектів функціонування RFID-систем в БСМ. В [18-19] автору належить алгоритм коригування координат (відстаней до маяків) і в [19] метод підвищення стійкості до неідеальності каналу зв'язку.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися й обговорювалися на 8 міжнародних науково-технічних конференціях, форумах і наукових семінарах кафедри мереж зв'язку: 15-17 молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в 21 столітті», ІV-й Міжнародний Радіоелектронний Форум "Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку" (МРФ-2011), Науково-технічна конференція «Сучасні тенденції розвитку технологій в інфокомунікаціях та освіті» (2011 р.), Міжнародна наукова конференція «Наукова періодика слов'янських країн в умовах глобалізації» (2012 р.), 23-я Міжнародна конференція «НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології» (КриМиКо'2013 ), Перша Міжнародна науково-практична конференція «Проблеми інфокомунікацій. Наука та технології» (PICS&T-2013).

Публікації. З тематики дисертаційного дослідження опубліковано 19 наукових праць, в тому числі: 1 розділ у колективній монографії [1], 7 статей у наукових фахових виданнях [2-8], 2 статті в зарубіжних виданнях [9-10] (Казахстан), 7 тез доповідей на міжнародних конференціях і форумах [11-17], 2 патенти [18-19].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, 4 додатків і включає 165 сторінок тексту, 50 малюнків, 30 таблиць, перелік використаних джерел, що включає 87 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проведених в дисертаційній роботі наукових досліджень, сформульовані мета і завдання дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих у роботі результатів.

У першому розділі дисертаційної роботи наводиться аналіз та характеристика структури та елементів сенсорних мереж, а також визначення функціональних завдань елементів мережі. Проаналізовано етапи життєвого циклу БСМ. Проведено аналіз можливостей стандарту і порівняльна оцінка протоколів позиціонування.

Головна особливість БСМ ? велика кількість вузлів (мотів), що покривають контрольовану область з певним ступенем рівномірності. Це дозволяє передавати інформацію від одного вузла до іншого і далі на базову станцію (БС), що заощаджує енергію. У більшості випадків БСМ являє собою багатокоміркову мережу, що має один вузол збору даних і управління.

Після розміщення мотів і встановлення БС починається процес ініціалізації мережі ? самоорганізований перехід від неструктурованих до структурованих бездротових multi-hop мереж з ефективним рівнем доступу до середовища (MAC). Етап ініціалізації ? це не тільки перший етап життя мережі, але і важливий процес, тому що у щойно розгорнутої мережі вузли не мають надійної інфраструктури для зв'язку.

Вибір алгоритму маршрутизації ? один з найскладніших питань, що вирішуються при проектуванні сенсорної мережі. По-перше, маршрутизація вимагає координації роботи всіх вузлів мережі. По-друге, алгоритм маршрутизації повинен справлятися з виходами з ладу вузлів шляхом перенаправлення трафіку і оновлення баз даних. По-третє, для досягнення найкращих результатів алгоритм маршрутизації повинен мати можливість змінювати маршрути при перевантаженні деяких областей мережі.

Згідно з однією з класифікацій, протоколи маршрутизації в БСМ поділяються на: рівномірні, ієрархічні і засновані на географічному розташуванні пристроїв.

Третього виду маршрутизації, заснованому на географічному розташуванні пристроїв, віддається перевага при реалізації БСМ з огляду на їх простоту і точність. Для забезпечення працездатності цих алгоритмів повинні бути відомі координати, що ще раз підтверджує актуальність теми дисертаційної роботи.

При реалізації методів позиціонування об'єктів БСМ необхідно враховувати: обмеженість системних ресурсів, щільність вузлів, неопуклі топології, перешкоди і фізичні особливості місцевості, організацію системи.

За протоколом 802.15.4, що є частиною стека протоколів ZigBee, використання методу RSSI є невід'ємною частиною мережних пристроїв. Вони мають протокольну функцію оцінки якості зв'язку (LQI), дія якої зводиться до визначення потужності прийнятого сигналу. Результат цього виміру можна вивести, відкалібрувати по деякій відомій відстані і оцінити дальність до джерела. Тому в мережі, побудованої на основі пристроїв стандарту 802.15.4, переважним алгоритмом є RSSI, так як всі приймачі цього стандарту апаратно підтримують цю можливість.

Результати аналізу роблять обґрунтованим висновок про те, що в даний час однозначного і універсального рішення задачі визначення відстаней/ координат в сенсорних мережах не існує, а тому ця область представляє інтерес для проведення подальших наукових досліджень.

Другий розділ присвячений питанням ініціалізації та самоорганізації БСМ ? етапу життя мережі, на якому вже необхідна інформація про місце розташування вузлів для побудови маршрутів і вибору рівня передачі. Наведено методику вибору початкових умов для проектування БСМ, таких як число мотів, варіанти розміщення, конструктивні особливості БС та ін. Досліджені основні методи самоорганізації.

Найпершим етапом роботи мережі є процес ініціалізації. Про важливість цього етапу було сказано вище. У даному розділі докладно описаний запропонований алгоритм самоорганізації. Початковим етапом ініціалізації є оціночне позиціонування елементів мережі. У бездротових сенсорних мережах позиціонування необхідно для маршрутизації на основі місця розташування, візуалізації сенсорного поля на пульті управління (ПУ), можливості контролювати окремі зони і реагувати на критичні ситуації локально, пошуку (наприклад, пошук радіоактивного сміття) тощо. На етапі ініціалізації мережі розробник отримує інформацію і про те, скільки працездатних мотів (сенсорів) визначатимуть надалі «життя» БСМ, що розгортається.

Спочатку БС обмінюються пілот-сигналами і визначають своє взаємне розташування за методом ToF, який має найвищу точність. Далі по черзі всі БС розсилають пілот-сигнали, а моти приймають їх і вимірюють рівні отриманих сигналів від кожної БС за методом RSSI і ці рівні записуються у відповідні регістри.

Цей масив значень відстаней фактично визначає розташування кожного мота в системі відносних координат базових станцій. Після циклу збору інформації, отриманої шляхом ретрансляції від одного вузла іншому до найближчої БС, стають відомими параметри мотів на сервері. Але, отримані таким чином оціночні координати не є достатньо точними в силу недоліків методу (рівень сигналу непостійний параметр і схильний спотворень). Тому завдання підвищення точності визначення оціночних координат без використання додаткових модулів і без істотного ускладнення програмного забезпечення носить не тільки академічний, але і практичний характер.

Третій розділ присвячений розробці моделі оцінки енергоспоживання вузлами БСМ і всебічному дослідженню задачі позиціонування вузлів сенсорної мережі з точки зору енергоефективності мережі.

Розроблено модель енергоспоживання вузлів при різних режимах їх роботи, які дозволяють оцінити витрату енергоресурсу батареї для різних способів організації пошуку місця розташування вузла.

У роботі отримані співвідношення для визначення енергії, що витрачається на забезпечення виконання функцій вузлом мережі (передача, ретрансляція даних, позиціонування). Зокрема, для оцінки енергії, що витрачається крайовим вузлом за 1 ітерацію використовується (1), що ілюструється енергоциклограмою рис. 1.



Рис. 1 Циклограма енергоспоживання мота при ретрансляції агрегованої інформації

. (1)

де - струм, споживаний мотом за 1 цикл; - тривалість циклу; - кількість запитів за цикл; - час включення МК; - час включення передавача; - час включення приймача; - час вимірювання; - час очікування сигналу приймачем; - час прослуховування каналу; - час обробки інформації МК; - струм, споживаний в режимі сну; - струм, споживаний МК; - струм, споживаний передавачем; - струм, споживаний приймачем; - струм, споживаний АЦП; - кількість символів результату вимірювання; - кількість символів адреси; - кількість символів синхронізації; - кількість службових символів; - розрядність контрольної суми; - швидкість передачі інформації.

Наведено аналіз методу позиціонування RSSI за допомогою теорії оцінювання (нерівність Крамера-Рао), в результаті чого отримано залежність точності координат від кількості ітерацій ? взаємодій мотів з БС, необхідних для отримання довірчої інформації про місцезнаходження вузлів, тобто багаторазової передачі, що тягне за собою збільшення енергоспоживання і часу.

Отримані співвідношення для знаходження нижньої межі дисперсії помилки локалізації Крамера-Рао для позиціонування з використанням квантованного RSSI, які дають можливість аналізувати вплив різних параметрів на величину дисперсії помилки розташування. Середньоквадратичне відхилення (СКВ) дисперсії помилки місця розташування:

- зменшується із збільшенням кількості рівнів квантування значення RSSI , поки не досягне певного значення;

- зменшується при збільшенні щільності мережі;

- збільшується від збільшення номера шару розташування маяків;

- збільшується зі збільшенням розміру мережі (якщо маяки не налаштовані в шарі, так що число зовнішніх вузлів і число внутрішніх вузлів збалансовані);

- зменшується від збільшення щільності маяків у межах до 30%.

Зазначені особливості наведених алгоритмів позиціонування та інших аспектів, що впливають на точність і ефективність визначення місця розташування, а також структура інформації доступною об'єкту в бездротової мережі (стандарту 802.15.4) дозволяють сформулювати основні вимоги до радіонавігаційної системи, призначеної для використання в сенсорній мережі:

- Первинне визначення координат об'єктів мережі має бути проведене вже на етапі розгортання (ініціалізації) мережі.

- Необхідність в оснащенні частки об'єктів мережі датчиками систем глобального позиціонування має бути мінімальною.

- Переважне використання об'єктом мережі даних, отриманих в результаті взаємодії з базовими станціями, об'єктами, на які не накладаються обмеження по енергоспоживанню (для зниження навантаження на мережу та підвищення її енергоефективності).

- Визначення й уточнення координат доцільно проводити одночасно в рамках суміщеного експериментального і аналітичного циклів, щоб не збільшувати число ітерацій між об'єктами мережі, тобто економити енергоресурс мотів (сенсорів).

- У польовий мережі сенсорів необхідну щільність розподілу об'єктів доцільно забезпечувати тільки виходячи з умов вирішення завдання зв'язаності мережі, а не з умов визначення координат (які є більш жорсткими, в тому числі і по рівномірності розподілу сенсорів).

- У процесі реалізації задачі визначення координат з необхідною точністю бажано використовувати тільки ті можливості, які представлені відкритими стандартами, протоколами, специфікаціями, додатками і апаратно-програмними платформами.

Значною мірою цим критеріям відповідає розроблений метод позиціонування з суміщеним експериментально-аналітичним циклом.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений обґрунтуванню, розробці та моделюванню методу визначення координат з суміщеним експериментально-аналітичним циклом. При цьому розглядається два варіанти реалізації методу, один з яких показав більшу ефективність.

Суть розробленого способу позиціонування полягає у визначенні коригуючих коефіцієнтів для пілот-сигналів від кожної БС шляхом порівняння відстаней, отриманих за методом RSSI і високоточним методом ToF. Тим самим зменшується систематична похибка, що виникає внаслідок неідеальності траси. Завдяки чому досягається необхідна точність визначення місця розташування вузлів за одну ітерацію (передача базовими станціями по одному пілот-сигналу). Отримати такий результат дозволило використання додаткових мотів, аналогічних мотам мережі. Через що зменшується ймовірність появи похибки через різнорідність характеристик приймачів, а просторове рознесення додаткових мотів відносно БС, на якій вони встановлені, зменшує вплив наслідків багатопроменевого поширення радіохвиль.

На основі розробленого способу позиціонування, сформульованих початкових умов і запропонованого алгоритму роботи та взаємодії елементів мережі на етапі ініціалізації (самоорганізації) була розроблена комп'ютерна модель для дослідження алгоритму визначення координат. Програма написана в середовищі розробки Code Gear C++ Builder 2007 з використанням вбудованих модулів і бібліотек. Інтерфейс програми складається з полів для введення значень: кількість мотів, площа поля, додаткового загасання від БС А, В, C і D і максимальної випадкової похибки (рис. 2).

Рис. 2 Результат моделювання процесу позиціонування

Як видно на наведеному рис. 2 відхилення обчислених координат в середньому становить 40,74 м. Це підтверджує дані, що наводяться в літературних джерелах про те, що у відкритому просторі точність методу RSSI становить приблизно (відстані). З цієї особливості RSSI очевидна залежність точності (СКВ обчислених координат) від площі поля (рис. 3). Залежність СКВ координат від величини максимальної випадкової похибки за методом RSSI (обчислених) і після корекції представлена ??на рис. 4.

Як видно з рис. 4 СКВ корегованих координат (суцільний графік) приблизно в 5 разів менше, ніж для методу RSSI (штриховий графік), що є задовільним результатом позиціонування для однієї ітерації обміну даними.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для визначення точності методу була зроблена вибірка з 15 випадкових експериментів для 11 значень випадкової похибки. Усереднивши похибку визначення координат за методом RSSI і розробленим методом для кожного значення випадкової похибки отримали середню похибку позиціонування від випадкової похибки (табл. 1).

Таблиця 1

Залежність похибки позиціонування від величини випадкової похибки

Величина випадкової похибки, м	Середня точність координат RSSI	Середня точність корегованих координат
0,5	28,9313	0,0575
1	28,9667	0,2639
2	29,0353	0,9133
3	29,1327	1,5917
4	29,2147	2,2993
5	29,3667	3,0043
6	29,5027	3,5845
7	29,6780	4,2592
8	29,9053	5,0021
9	30,0930	5,8310
10	30,3087	6,4694

Після корекції середня точність координат знаходиться в діапазоні від 0,06% до 6,47% залежно від максимальної випадкової похибки від 0,5 м до 10 м. Моделювання випадкової складової похибки, яка в реальному середовищі може бути наслідком динамічних зовнішніх перешкод, показало, що даний метод частково (приблизно на 30%) її компенсує.

В результаті моделювання оцінки енергоспоживання і часу, витраченого на ініціалізацію мережі, отримані наступні залежності (рис. 5, де суцільний графік ? розроблений метод, а штриховий ? стандартний ZigBee (RSSI).



Рис. 5 Витрата загальномережної енергії

Для моделювання була використана мережа зі 100 мотами з джерелом живлення ємністю 1,25 А/ч. Витрата енергії мережі розраховується за параметрами модулів XBee-PRO ZB RF Module з розподілом: 20% кінцевих вузлів і 80% ретрансляторів. Загальний обсяг посилки 128 біт, дані передаються 1 раз на годину. Кількість посилок пілот-сигналів для досягнення необхідної точності позиціонування для розробленого методу по 1 від кожної БС, а для стандартного ZigBee ? по 3000 від кожної БС. Таким чином, за результатами моделювання отримано, що розроблений спосіб за час ініціалізації дозволяє зберегти 85,67% енергії і скоротити тривалість ініціалізації на 62%.

Результати порівняння різних методів позиціонування об'єктів БСМ і запропонованого методу наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Порівняння способів позиціонування

Спосіб/Метод	Початкові умови	Середнє відхилення	Кількість ітерацій	Кіл-сть витраченої ел. енергії, мА/г
RSSI		0,5 відстані	1	16,12
		?1%	3000	112,54
ToF	Дf=2 МГц	<1 м	3000	710,87
	Дf=5 МГц	<0,7 м	1000	135,71
	Дf=100 МГц	<0,35 м	10	16,73
Комбінований метод [Курпатов Р.О., 2011]	Пряма видимість	1 м	85	17,65
	Приміщення	0,6 м	250	20,82
Спосіб локалізації із застосуванням фільтра Калмана [Іванов Є.В., 2008]	10-60 м з кроком 5 м	12%	по 30 (усього 330)	22,46
З суміщеним експериментально-аналітичним циклом	Відстань >30 м	2,29% (вип. похиб. - 4 м)	1	16,12

У висновках наводяться основні результати та висновки дисертаційної роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача, яка полягає у розвитку методів і засобів визначення взаємного розташування вузлів бездротової сенсорної мережі з корекцією точності і можливістю прив'язки до географічних координат на етапі ініціалізації мережі.

За результатами вирішення поставлених завдань зроблені такі висновки:

1. Виявлені енергоефективні методи визначення місця розташування елементів БСМ шляхом порівняльного аналізу існуючих методів позиціонування.

2. Розроблено метод самоорганізації мережі на етапі ініціалізації, що дозволяє мережі організувати систему зв'язків для передачі інформації без необхідності високої обчислювальної потужності. При цьому забезпечена можливість передати на сервер максимально можливий обсяг даних про стан мережі в той час як енергетичні витрати на дану процедуру мінімальні. Також розроблений алгоритм надає всю необхідну інформацію для реалізації запропонованого способу позиціонування.

3. Запропонована модель оцінки витрати енергії вузлами мережі при різних режимах роботи, яка дозволяє визначити важливий параметр автономних мереж ? енергоспоживання ? і може бути критерієм у визначенні енергоефективності організації взаємодії елементів БСМ.

4. Досліджені залежності мінімальної дисперсії помилки визначення місця розташування від параметрів мережі, що дало можливість сформулювати основні вимоги до радіонавігаційної системі для польових БСМ.

5. Розроблено метод визначення координат об'єктів гомогенної бездротової сенсорної мережі на етапі ініціалізації з поєднаним експериментально-аналітичним циклом, що дозволив на 62% скоротити час, необхідний для визначення місця розташування вузлів БСМ і на 85,67% зменшити енергоспоживання на етапі ініціалізації. При цьому точність склала від 0,06% до 6,47% залежно від випадкової похибки від 0,5 м до 10 м.

6. Розроблена імітаційна модель процесу позиціонування згідно запропонованого методу, яка дозволяє візуалізувати сам процес визначення місця розташування вузлів, порівняти середньоквадратичне відхилення до корекції і після, досліджувати можливості методу для різних початкових умов.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Зеленин А.Н. Беспроводные сенсорные сети как часть инфокоммуникационной структуры [Текст]/ А.Н. Зеленин, В.А. Власова// Наукоемкие технологии в инфокоммуникациях: обработка и защита информации: коллективная монография/ под ред. В.М. Безрука, В.В. Баранника. Харьков: Компания СМИТ, 2013. С. 184-193.

2. Иваненко В.А. Анализ протоколов передачи данных от узлов в беспроводных сенсорных сетях [Текст]/ В.А. Иваненко// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2011. №2/10 (50). С. 9-12.

3. Иваненко В.А. Информационные аспекты при разработке сенсорных сетей (Часть 1) [Текст]/ В.А. Иваненко, А.Н. Зеленин// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2011. №3/4 (51). С. 46-49.

4. Иваненко В.А. Информационные аспекты при разработке сенсорных сетей (Часть 2) [Текст]/ В.А. Иваненко, А.Н. Зеленин// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2011. №4/2 (52). С. 11-13.

5. Власова В.А. Проблемы ЖКХ и информационные технологии [Текст]/ В.А. Власова, А.Н. Зеленин// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2012. №2/2 (56). С. 48-53.

6. Зеленин А.Н. Фаза инициализации в беспроводных сенсорных сетях [Текст]/ А.Н. Зеленин, В.А. Власова// Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях. 2012. №26. С. 55-61.

7. Зеленин А.Н. Анализ энергоциклов узлов беспроводных сенсорных сетей [Текст]/ А.Н. Зеленин, В.А. Власова// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2012. №3/9 (57). С. 13-17.

8. Власова В.А. Модель процесса позиционирования элементов гомогенной беспроводной сенсорной сети [Текст]/ В.А. Власова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2013. №4/9 (64). С. 44-48.

9. Власова В.А. Обзор основных методов позиционирования в беспроводных сенсорных сетях [Текст]/ В.А. Власова, А.Н. Зеленин, А.С. Рыженкова, Л.Б. Минаев// Оралды? ?ылым жаршисы (Казахстан). 2012. ? №2 (38). С. 68-72.

10. Власова В.А. RFID-технология и «интернет вещей» [Текст]/ В.А. Власова, С.Е. Нетёса, Т.А. Бардакова, А.Н. Зеленин// Оралды? ?ылым жаршисы (Казахстан). 2013. ? №10(58). С. 5-14.

11. Иваненко В.А. Исследование особенностей проектирования беспроводных сенсорных сетей [Текст]: тез. докл. 15-го Международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке». Сб. материалов форума. Т. 4. Харьков: ХНУРЭ, 2011. С. 168-169.

12. Иваненко В.А. Метод позиционирования узлов в беспроводных сенсорных сетях [Текст]: тез. докл. 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная электроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2011. Сб. научн. трудов. Т. 2: Международная конференция «Телекоммуникационные системы и технологии». Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2011. С. 276-278.

13. Власова В.А. Проблемы позиционирования в БСС [Текст]: тез. докл. 16-го Международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке». Сб. материалов форума. Т. 4. Харьков: ХНУРЭ, 2012. С. 176-177.

14. Власова В.А. Аспекты позиционирования в сенсорных сетях [Текст]: тез. докл. Международная научная конференция «Научная периодика славянских стран в условиях глобализации». Ч.1. Спецвыпуск: Сб. материалов. Т. «Системы и процессы управления». К., 2012. №4/1(6). С. 3-4.

15. Власова В.А. Способ позиционирования узлов беспроводной сенсорной сети с совмещенным экспериментально-аналитическим циклом [Текст]: тез. докл. 17-го Международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке». Сб. материалов форума. Т. 4. Харьков: ХНУРЭ, 2013. С. 251-252.

16. Власова В.А. Способ определения местоположения узлов беспроводной сенсорной сети на этапе инициализации [Текст]: тез. докл. 23-й Международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Сб. материалов форума. Севастополь, 2013. С. 294-295.

17. Власова В.А. Имитационная модель процесса позиционирования гомогенной БСС на этапе инициализации [Текст]: тез. докл. 1-ой международной научно-практической конференции «Проблемы инфокоммуникаций. Наука и технологии (PIC S&T'2013)». Харьков, 2013. С. 216-218.

18. Спосіб позиціонування вузлів у бездротових сенсорних мережах [Текст]: пат. України: МКП H04W 64/00/ Зеленін А.М., Іваненко В.О.; заявник та патентовласник Харківський національний університет радіоелектроніки. ? №65765; заявл. 17.06.11; опубл. 12.12.2011, Бюл. №23. 6 с.

19. Спосіб позиціювання вузлів у польових ZigBee мережах [Текст]: пат. України: МКП H04W 64/00/ Власова В.О., Зеленін А.М.; заявник та патентовласник Харківський національний університет радіоелектроніки. ? №70948; заявл. 30.12.11; опубл. 25.06.2012, Бюл. №12. 7 с.

АНОТАЦІЯ

Власова В.О. Метод визначення координат об'єктів на етапі ініціалізації гомогенної бездротової сенсорної мережі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2014.

Робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі, яка полягає у розвитку методів знаходження координат об'єктів гомогенної бездротової сенсорної мережі (БСМ) шляхом розробки методу визначення місця розташування елементів мережі з поєднаним експериментально-аналітичним циклом на етапі ініціалізації.

Розроблено спосіб уточнення координат вузлів, отриманих на етапі ініціалізації, який базується на знаходженні і компенсації похибки загасання в реальному середовищі розповсюдження. Даний метод дозволяє обчислити координати вузлів з високою точністю, при цьому використовуючи мінімальну кількість додаткових модулів на мережу і за одну ітерацію обміну інформацією між мотами і базовими станціями.

Розроблено сценарій етапу ініціалізації бездротової сенсорної мережі, який включає позиціонування по запропонованому методу.

У рамках запропонованих алгоритмів розроблено імітаційну модель процесу позиціонування БСМ. У ході моделювання отримано підтвердження теоретичних викладок, виявлена універсальність методу незалежно від виробничої спрямованості мережі з урахуванням накладених обмежень.

Ключові слова: бездротова сенсорна мережа, позиціонування, ініціалізація, мот, енергоефективність, імітаційне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Власова В.А. Метод определения координат объектов на этапе инициализации гомогенной беспроводной сенсорной сети. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2014.

Работа посвящена решению актуальной научно-прикладной задачи, состоящей в развитии методов нахождения координат объектов гомогенной беспроводной сенсорной сети (БСС) путем разработки метода определения местоположения элементов сети с совмещенным экспериментально-аналитическим циклом с целью повышения энергоэффективности определения местоположения объектов на этапе инициализации БСС с обеспечением заданной точности.

В рамках поставленной задачи и проведенного анализа показано, что позиционирование в БСС является одной из функций, обеспечивающих ее эффективное функционирование. В первую очередь информация о координатах узлов необходима для доставки информации в ad-hoc сетях (маршрутизация), так как данные передаются путем ретрансляции от одного узла к другому в направлении шлюза, соединенного с сервером - получателем информации. Информация о расстоянии между узлами является основной для управления мощностью передачи, а, следовательно, и энергопотреблением - что является одним из самых критичных параметров для автономных сетей. Также знание местоположения узлов необходимо для формирования некой «карты» контролируемой области непосредственно оператору для эффективного использования полученных данных. Существуют и другие вспомогательные задачи, которые используют информацию о местоположении.

Существующие методы позиционирования имеют ряд недостатков: использование дополнительного оборудования, высокие требования к вычислительной мощности, недостаточная точность на больших расстояниях, большое количество итераций и т.п.

Рразработан способ уточнения координат узлов, полученных на этапе инициализации сети, который базируется на нахождении и компенсации погрешности затухания в реальной среде распространения. Данный метод позволяет вычислить координаты узлов с высокой точностью, при этом используя минимальное количество дополнительных модулей на сеть и за одну итерацию обмена информацией между мотами и базовыми станциями. Предложенный метод основан на открытом стандарте.

Разработан сценарий этапа инициализации беспроводной сенсорной сети, который включает позиционирование по предложенному методу. Данный алгоритм прост для использования на устройствах с малой вычислительной мощностью, но позволяет организовать связи между узлами и доставить информацию на сервер.

В работе предложена модель энергопотребления узлами сети при различных режимах работы (оконечный узел, ретранслятор и т.д.), которая позволяет определить важный параметр автономных сетей - энергопотребление ? и может быть критерием в определении энергоэффективности организации взаимодействия элементов БСС и методов позиционирования. Предложенные модели учитывают зависимости энергетических затрат от длины сообщения, скорости передачи, количества соседей и т.д., что позволяет получить оценку энергетических характеристик сети для модулей различных производителей.

В представленной работе исследованы зависимости минимальной дисперсии ошибки определения местоположения от параметров сети. Данное исследование позволило выявить характер зависимости точности позиционирования от количества итераций (передач пилот-сигналов), размера и плотности сети, расположения и плотности маяков, количества уровней квантования принятого пилот-сигнла и т.п. Это дало возможность сформулировать основные требования к радионавигационной системе для полевых гомогенных БСС, которым в значительной мере обладает предложенный метод с совмещенными аналитическим и экспериментальным циклами.

В рамках предложенных методов разработана имитационная модель процесса позиционирования БСС. В ходе моделирования получено подтверждение теоретических выкладок, выявлена универсальность метода вне зависимости от производственной направленности сети с учетом наложенных ограничений. Анализ результатов моделирования подтвердил: способность предложенного метода обеспечить заданную точность определения координат за 1 итерацию при заданных ограничениях, сокращение энергетических затрат на определение местоположения и снижение времени, необходимого на инициализацию сети.

Ключевые слова: беспроводная сенсорная сеть, позиционирование, инициализация, мот, энергоэффективность, имитационное моделирование.

ABSTRACT

Vlasova V.A. The method of determining of objects coordinates on the stage of homogeneous wireless sensor networks initialization. - Manuscript.

Ph.D. thesis by specialty 05.12.02 - telecommunication systems and networks. - Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2014.

The work is devoted to solving important scientific and applied problems, which is to develop methods for finding the coordinates of objects of homogeneous wireless sensor network (WSN) by developing a method for determining the location of the network elements by combined experimental and analytical cycle at the stage of initialization.

Based on the information-theoretic concept was developed a method of the coordinates of nodes obtained at the stage of initialization elaboration, which is based on finding and compensation of propagation attenuation error in a real environment. This method allows us to calculate the coordinates of the nodes with high precision, while using a minimum number of additional modules on the network and one iteration of information exchange between motes and base stations.

Was developed a initialization phase script of a wireless sensor network, which includes positioning by the proposed method.

As part of the proposed algorithms a simulation model of positioning WSN was developed. During the simulation a proofs of theoretical calculations were obtained, discovered the versatility of the method, regardless of production orientation of network considering the imposed restrictions.

Keywords: wireless sensor network, positioning, initialization, mote, energy efficiency, simulation.

Размещено на Allbest.ru