Prometno uravnoteženi usmerjevalni algoritmi za brezžična senzorska omrežja : doktorska disertacija

slovenski

doktorska dela

2010

Brezžična senzorska omrežja   Disertacije   protokoli usmerjanja   teorija grafov   uravnoteževanje obremenitev

Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko računalništvo in informatiko

Brezžične komunikacije, kot na primer GSM tehnologija, WiFi vstopne točke, digitalna televizija in drugo postajajo v naših življenjih vedno bolj prisotna. Cenovna dostopnost komponent in nagel industrijski razvoj je vzpodbudil uporabo brezžičnih komunikacij tudi v osebne namene (kot primer podajmo samo GSM telefon in BlueTooth slušalko). Ljudje smo vedno bolj vpeti v svet komunikacij pa se često tega niti ne zavedamo. Vedno manjše, cenejše in zmogljivejše komponente so pripomogle k uporabi brezžičnih komunikacij v prej nepredstavljivih aplikacijah. Eno izmed takšnih aplikacij predstavljajo tudi brezžična senzorska omrežja (BSO). Brezžična senzorska omrežja so omrežja sestavljena iz majhnih, baterijsko napajanih, pametnih senzorjev sposobnih brezžične komunikacije. Njihova radijska vidljivost je ponavadi majhna, cena pa tako nizka, da senzorske enote po uporabi preprosto zavržemo. Namenjena so spremljanju različnih fenomenov (sezmiologija, spremljanje habitata, spremljanje požarov, vojaške aplikacije... ). Med intenzivnejše raziskave brezžičnih senzorskih omrežij že od vsega začetka spadajo raziskave usmerjevalnih algoritmov. Standardni usmerjevalni algoritmi uporabljeni v standardih IEEE 802.11x zaradi posebnosti BSO niso uporabni ali pa je njihova uporaba v BSO nesmiselna (zaradi velike potrošnje procesorskih ali spominskih virov ter energije). Posledično so raziskave usmerjene v za brezžična senzorska omrežja posebej prilagojene protokole usmerjanja prometa. V tezi smo se omejili na raziskave prometno uravnoteženih algoritmov ki sporočila pošiljajo po najkrajši možni poti (minimalno število etap). Raziskovali smo usmerjanje v statičnih BSO, kjer senzorji s časom ne spreminjajo svoje lege ali pa jo spreminjajo v intenziteti, ki ni bistvena za delovanje algoritmov. Predlagan usmerjevalni protokol je sestavljen iz dveh algoritmov: BFS algoritma in optimalnega polprirejanja. Algoritem za izračun minimalnega števila potrebnih etap, da je sporočilo poslano od vozlišča do bazne postaje je v bistvu dodelan BFS algoritem. Z BFS algoritmom izračunamo nivo vsakega vozlišča (nivo predstavlja oddaljenost od bazne postaje v etapah) v omrežju. Vozlišča iz dveh sosednjih nivojev za potrebe algoritma iskanja optimalnega polprirejanja predstavimo kot virtualni dvodelni graf. Teh virtualnih grafov je za ena manj kot število nivojev vozlišč (n -1). Na vsak kem virtualnem dvodelnem grafu posebej izračunamo optimalno polprirejanje. Cilj optimalnega polprirejanja je uravnotežitev prometa med vozlišči. Skupen rezultat obeh algoritmov je topologija imenovana topologija prirejanja. Topologija prirejanja je v bistvu vpeto drevo, ki ga uporablja protokol usmerjanja. Kvaliteto uravnotežitve na vseh nivojih vpetega drevesa ocenimo po metriki faktorja uravnotežitve (Chebyshevo sumo). V delu predlagamo tudi nov, hitrejši algoritem za izračun optimalnega polprirejanja. Eksperimenti so pokazali, da je izvajanje algoritma vsaj 15 % hitrejše kot pri ostalih, do sedaj znanih algoritmih. Za testiranje in simuliranje usmerjevalnega protokola smo uporabili standardni MAC protokol (IEEE 802.15.4), temelječ na CSMA-CA izmikanju kolizij, kateremu smo dodali še RTS/CTS kontrolne okvirje. Za potrditev teze smo uporabili simulacijsko okolje OPNET kjer smo razvili model prototipa brezžičnega senzorskega vozlišča SPaRCMosquito razvitega v laboratoriju. Rezultati simulacij so potrdili, da protokol zaradi svojega načina delovanja pripomore k manjši porabi energije celotnega senzorskega omrežja in krajšim latentnim časom sporočil poslanih od senzorskih vozlišč do bazne postaje. Predlagan usmerjevalni algoritem smo implementirali na testno brezžično senzorsko omrežje sestavljeno iz 9 vozlišč SPaRCMosquito.

07.08.2023