Метод синтеза отказоустойчивой структуры сенсорной сети при наличии ограничений по размещению узлов сети в разнородном пространстве

Метод синтеза отказоустойчивой структуры сенсорной сети при наличии ограничений по размещению узлов сети в разнородном пространстве

Предлагаемый метод позволяет осуществить построение отказоустойчивой структуры беспроводной сенсорной сети (БСС) при наличии ограничений по размещению узлов сети в разнородном пространстве и учете требований к структурной надежности и стоимости БСС. В предлагаемом методе область проектирования на первом этапе избыточно покрывается транзитными узлами. После этого с помощью разработанного итерационного алгоритма оптимизац ии осуществляется уд аление избыточных транзитных узлов с целью получения желаемой отказоустойчивой структуры БСС. Предлагаемый алгоритм удаления избыточных транзитных узлов основан на применении генетического алгоритма, функция приспособленности которого осуществляет многокритериальную нечеткую экспертную оценку различных параметров БСС, таких как структурная надежность и стоимость. Нечеткая экспертная оценка параметров БСС предоставляет проектировщику гибкость в настройке правил оценки параметров БСС и мягкость в принятии решений по выбору итоговой структуры беспроводной сенсорной сети. В работе продемонстрированы результаты проектирования БСС на объекте с пространственными ограничениями.

Ключевые слова: сенсорная сеть, отказоустойчивость, связность, синтез структуры, препятствия.

Мочалов В.А.,

к.т.н., доцент кафедры АИТиСС, mva@srd-mtuci.ru

К отличительным особенностям беспроводных сенсорных сетей (БСС) относится свойство самоорганизации сети, беспроводная среда передачи информации, программно-аппаратные ограничения и автономное питание узлов сети, фиксированное расположение узлов сети, ориентированность на задачи мониторинга и удаленного управления распределенными объектами на ограниченной территории, малый объем передаваемой по сети информации.

По размерам физической зоны размещения БСС относятся к классу беспроводных персональных вычислительных сетей (WPAN). В настоящее время при построении БСС чаще всего применяется стандарт IEEE 802.15.4. Также для построения БСС применяются и другие стандарты (например, IEEE 802.15.3, IEEE 802.15.4а, IEEE 802.15.5), а также проприетарные решения различных производителей.

В стандарте IEEE 802.15.4 выделяется два вида узлов БСС: 1. устройства с ограниченными функциями RFD (reduced-function device), осуществляющие сбор информации в некоторой окрестности точки своего размещения; 2. полнофункциональные устройства FFD (full-function device), выполняющие как ретрансляцию пакетов, так и сбор информации [1]. Стандарт IEEE 802.15.4 является базовой основой для более высокоуровневых протоколов (ZigBee. 6I0WPAN, DigiMesh WiretessHART 11 dp) и позволяет строить с помощью программных надстроек на сетевом уровне и выше следующие топологии: точка-точка, звезда, кластерное дерево и ячеистая (mesh) сеть [2].

Задача синтеза отказоустойчивой структуры БСС

в разнородном пространстве

На функциональном уровне БСС содержит узлы следующих видов: 1. функциональные узлы (Ф-узлы), осуществляющие сбор информации в некоторой окрестности точки размещения данного узла; 2. транзитные узлы (Т-узлы), выполняющие только передачу информации и управление маршрутизацией; 3. базовые станции (БС), осуществляющие глобальную координацию, организа-

цию и установку параметров сети. Беспроводная сенсорная сеть размещается на некотором объекте, распределенном в двумерном разнородном пространстве, причем заданы точки этого объекта, в которых обязательно должны быть размещены Ф-узлы сети. Информация, полученная Ф-узлами, должна быть передана с требуемой степенью надежности в центральный узел сети - базовую станцию с помощью определенным образом размещенных в пределах данного объекта транзитных узлов (рис. 1). Разнородное пространство определяет пространственные ограничения по размещению узлов БСС и функцию затухания электромагнитного сигнала в этом пространстве. Использование двумерного пространства не влияет на общность проводимых рассуждений для трехмерного пространства, но упрощает теоретическое рассмотрение предлагаемого метода и программную реализацию алгоритма синтеза отказоустойчивой структуры БСС.

Рис. 1. Схематичная иллюстрация задачи синтеза отказоустойчивой структуры БСС в разнородном пространстве

Отказоустойчивостью, т.е. устойчивостью системы к отказам своих элементов, называется свойство системы сохранять работоспособность (включая и возможность ее восстановления в течение допустимого интервала времени) при отказах какого-либо непустого подмножества ее элементов [3].

В процессе работы БСС возможны отказы как узлов, так и каналов связи. Под отказом узла понимается событие, состоящее в том, что узел не выполняет свои функции либо вследствие отказов его компонентов, либо вследствие разрядки батареи. Под отказом канала понимается событие, следствием которого является невозможность его использования для передачи какой-либо информации. В качестве показателя надежности узла принята вероятность безотказной работы в течение интервала времени Т (заданной наработки) при условии, что узлы являются невосстанавливаемыми, а их отказы независимы [4]. В качестве показателя надежности беспроводного канала связи между двумя узлами БСС в разнородном пространстве принята вероятность наличия канала с требуемыми свойствами за время Т.

Под отказом БСС понимаем событие, приводящее БСС в состояние, при котором достоверная информация с определенного количества точек размещения Ф-узлов не может быть доставлена на базовую станцию. Отказ БСС может быть следствием отказов как самих Ф-узлов, так и Т-узлов, с помощью которых информация доставляется на БС, а так же связывающих эти Т-узлы каналов [5].

Надежность структуры БСС при заданном множестве ее Ф-узлов {0/},/= к, определяется набором значений вероятностей связности Р), каждого из узлов заданного множества {£)/} с базовой станцией. В качестве показателя надежности структуры БСС может быть взято минимальное из этих значений Р^ = тт {Р^},/ = 1,.... к, где Р/, вычисляется для заданной наработки Т, т.е. Р/, = Р/,(Т).

Задача синтеза ОУ структуры БСС (в соответствии с функциональной схемой процесса проектирования ОУ БСС [5, 6]) является частью общей задачи проектирования ОУ БСС. В задаче синтеза отказоустойчивой (ОУ) структуры БСС в разнородном пространстве требуется разместить Т-узлы таким образом, чтобы р > р при

минимизации стоимости, где Ршп - это требуемая вероятность связности каждого из Ф-узлов множества {О/}, /= 1....к с БС.

Метод и алгоритм синтеза ОУ структуры БСС

в разнородном пространстве

В процессе синтеза ОУ структуры БСС появляется необходимость осуществить комплексную экспертную оценку очередного синтезированного варианта структуры БСС по критериям выполнения функциональных требований проектировщика. Для создания экспертной системы (ЭС) оценки различных параметров БСС в работе используется подход, основанный на применении коэффициентов достоверности, используемый как средство учета неопределенности. Использование механизма нечеткой экспертной оценки дает результат в виде процента удовлетворения требований к синтезируемой БСС, что обеспечивает мягкость в выборе структуры БСС [7].

Основная идея предлагаемого метода состоит в выполнении следующих систематизированных шагов:

Шаг 1: определить модель и функцию оценки вероятности наличия беспроводного канала с требуемыми свойствами в разнородном пространстве между двумя произвольными точками объекта размещения БСС за время Т,

Шаг 2: определить функции принадлежности нечетких множеств, характеризующих критерии выполнения различных функциональных требований проектировщика (например, структурная надежность, стоимость, общее время работы БСС до момента отказа и т.д.),

Шаг 3: определить функции расчета требуемых параметров БСС и реализовать нечеткую экспертную систему для получения итогового коэффициента достоверности удовлетворения функциональных требований проектировщика,

Ш аг 4: покрыть объект размещения БСС такой рациональной сеткой Т-узлов, при которой имеется решение, удовлетворяющее всем функциональных требований проектировщика кроме стоимости,

Шаг 5: свести задачу синтеза ОУ структуры БСС к поиску последовательности удаления избыточных Т-узлов сформированной сетки Т-узлов,

Шаг 6: выполнить итерационный процесс поиска последовательности удаления избыточных Т-узлов сформированной сетки, при которой совокупный коэффициент достоверности выбора итоговой ОУ структуры БСС максимален.

Описание предлагаемого алгоритма ОУ-4. основанного на выполнении вышеописанных шагов метода и применении генетического алгоритма (ГА).

Шаг 1: Считаем, что функции РП1(А,В) оценки вероятности

наличия беспроводного канала с требуемыми свойствами в разнородном пространстве между двумя произвольными точками (А и В) объекта размещения БСС за время Т известна, но в этой работе вопросы ее выбора не рассматриваются.

Шаг 2: Оптимизационными параметрами в работе являются структурная надежность БСС (повышение вероятности связности Ф-узлов с БС) и стоимость (минимизация количества размещенных Т-узлов). Проектировщику требуется выбрать и установить параметры нечетких множеств [8] “надежная структура БСС” и “недорогая структура БСС”. В случае нечеткого множества “надежная структура БСС” это могут быть функции принадлежности 5 или у, а в случае нечеткого множества “недорогая структура БСС” - /. или (1-3).

Шаг 3: Для получения оценки р\ показателя надежности

структуры БСС предлагается использовать нижние оценки р'(

вероятностей связности узлов множества {О/} с базовой станцией, т.е. р^ = тш{/£},/ = 1...НО-

Для оценки вероятности связности Ф-узла с БС можно использовать алгоритм, основанный на выделении независимых путей (НП) от Ф-узла к БС и применении в дальнейшем нижней граничной оценки Литвака-Ушакова [9].

Нижняя оценка вероятности связности некоторого Ф-узла Ре с БС вычисляется как:

Р}, =(1Ш

где Qf$ - вероятность того, что все НП от данного Ф-узла ^ к БС не работоспособны:

^/.= ГК’

А>еА/>

где с/# - вероятность того, что данный НП ///* между Ф-узлом Рс и БС неработоспособен, а/, = 1 - р\„ где р‘д - вероятность того, что к-й независимы путь р ^ между Ф-узлом Рс и БС работоспособен, определяемая как вероятность работоспособного состояния всех каналов и всех узлов, образующих этот путь, т.е.

р\= П р„ П/'.’

Ь.<В\

где ртнру- вероятности работоспособного состояния (т.е. отсутствия отказа), соответственно, узла Ьт и канала с,у (между некоторыми узлами Ь, и Ь))\ С*р - множество всех каналов, входящих в путь ркр\ В'), - множество всех узлов, входящих в путь ///*. Вероятность работоспособного состояния узла Ьт определяется как р„=рлрс, где рл - вероятность отсутствия аппаратного отказа компонентов узла за время Т,ъ рЕ- вероятность того, что батарея не разрядится за время Т. Примем, что для аппаратного отказа узла БСС справедлив экспоненциальный закон надежности (интенсивность аппаратных отказов компонентов Хо=соп$1), т.е. рА = е "°т

Описание алгоритма эвристической оценки вероятности того, что батарея Т-узла не разрядится за впемя Т

Примем, что все пакеты данных отправляются путем ретрансляции от Ф-узлов к БС через Т-узлы по расписанию без промежу-

точного объединения данных на Т-узлах и используется алгоритм маршрутизации, который с определенной периодичностью устанавливает для каждого Ф-узла новый маршрут передачи информации от этого узла к БС, выбираемый из множества имеющихся независимых путей. Под ретрансляцией при работе БСС по расписанию понимаем разнесенную по времени операцию приема и передачи пакета данных. Число выполняемых Т-узлом ретрансляций в течение одного периода сбора информации с БСС зависит от числа маршрутов передачи информации от Ф-узлов к БС, проходящих через данный Т-узел. Указанное число маршрутов, в свою очередь, зависит от числа независимых путей от различных Ф-узлов к БС, проходящих через данный Т-узел.

Известны требуемое время Т работы БСС момента отказа (час) и период т сбора информации оконечными

узлами (час). Считаем, что напряжение питания Т-узлов постоянно и что используются автономные источники питания с низким током саморазряда (например, литий-тионилхлоридные) и известными Ем. и Edis , где Елц — емкость батареи Т-узла (мА • ч), a Epis - потери за время Г от саморазряда автономного источника питания (мА ч).

Считаем, что Т-узел может находиться в двух состояниях: 1) в режиме пониженного энергопотребления

и средний ток потребления I в режиме ретрансляции (мА). Так как /яш> « 1 RlTft, то можно вычислить “относительную” доступную за время Т для операций ретрансляции емкость батареи Т-узла Е^ц следующим образом: Ещ) = E,ll - Ems - Т  ls,£F.r ПРИ этом дальнейшие расчеты по потреблению тока в режиме ретрансляции должны вестись относительно Т.е. /;ЛТЙ = 1ШК -.

Считаем, что известны (или вычислены с учетом I' при известных цьт и S^j , определяющих соответственно математическое ожидание и дисперсию длительности времени одной ретрансляции) математическое ожидание р и дисперсия S2 случайной величины “относительного” расходуемого заряда Ен (мА  ч ) за одну ретрансляцию Т-узла БСС с выбранным проектировщиком законом распределения.

Для оценки числа ретрансляций к, осуществляемых Т-узлом за один период сбора со всех Ф-узлов информации при ее отправке на БС выполним алгоритм ОЭ-2 [10]. Таким образом, оценка общего числа ретрансляций К, выполненных Т-узлом за время Т будет равна К=к-(Т1ТР).

После сложения К независимых одинаково распределённых величин er (в соответствии с центральной предельной теоремой) получим нормальное распределение N(K  fj,K S2) случайной величины суммарного расходуемого заряда ЕК за К ретрансляций. Выражая интеграл от плотности случайной величины £ через функцию ошибки erf, с помощью формулы (2) вычислим вероятность рЕ того, что узел БСС не разрядится за К ретрансляций (т.е. вычислим вероятность р(£ < Еми)):

pE=U\ + erf(E™ К'М)) 2 -42-K-S1

Теперь можно получить оценку р> показателя надежности

структуры БСС по формуле (1). Коэффициент достоверности cfl того, что структура БСС является надежной вычисляется следующим образом: cfl = цпаышу(' РпА где Мтьии/х) - это функция

принадлежности нечеткого множества “надежная структура БСС”.

В качестве показателя стоимости БСС может быть взята сумма стоимостей всех узлов БСС, т.е. чем больше будет размещено Т-узлов, тем дороже окажется БСС. Коэффициент достоверности cJ2 того, что структура БСС является недорогой вычисляется следующим образом: cf2 = //,,,,Cjprice•), где [1рпп(х) - это функция принадлежности нечеткого множества “недорогая структура БСС”, а price - это совокупная стоимость БСС.

Теперь можно применить следующее правило нечеткой оценки структурной надежности БСС и стоимости: “Если структура БСС надежная с коэффициентом достоверности eft и стоимость низка с коэффициентом достоверности cJ2, то с коэффициентом достоверности eft следует выбрать такую структуру БСС по надежности и стоимости”. В работе [11] предлагаются различные методы оценки и вычисления коэффициентов достоверности (КД) условий части "ЕСЛИ", объединения КД посылки с КД применения самого правила, вычисления комбинирующей функции для различных конъюнктивных зависимостей.

Таблица 1

Правила для объединения КДдля конъюнктивных зависимостей аргумента AND

Значение Описание Метод вычисления

MIN PAND AAND Минимальное значение Произведение AND Среднее значение AND MIN(CF,,CF:) CF,*CF,/100 MIN(CFi,CF:)+(CFi*CF2/I00)/2

Пример правила оценки надежности и стоимости структуры БСС, записанной на языке ЭС Drools, показан ниже:

global Double сО; // глобальная переменная “КД выбора структуры БСС (параметр сО из описанного правила выше)” rule "GoodReliabilityAndLowPrice" when

NetworkValue( name = "reliability", cfl : cf) // Антецедент: если структура БСС надежная с КД cfl и

Net\vorkValue( паше = "price" , с<2 : cf ) // Антецедент: если стоимость БСС низка с КД cf2 then

insert (new Net\vorkResult("snQuality",

"reliabilityANDpricc", cf3, new double[]{cfl,cf2}, Combine.MlN, Combine.P AND)); // Консеквент: добавить факт “выбрать структуру БСС по надежности и стоимости”, учитывая КД cfl и с/2, а также способы объединения антецедентов (Combine.MlN в данной ЭС) с коэффициентом достоверности всего правила (Combine.P AND в данной ЭС). end

Шаг 4: Покрыть объект размещения БСС ячеистой сеткой из Т-узлов с рангом г=3 (рис. 2). Длину стороны равностороннего треугольника ячейки на первой итерации формирования начальной сетки установить значением D дальности уверенной передачи радиосигнала Т-узла в свободном от препятсвий пространстве.

74

Т-Сотт, #10-2012

"И =

5 I 2 I 1 I 7 I 4 I 101 9 I 3 I 6 I 6 I 5 I 7 I 10 I 2 I В I 1 |9 I 3 I 6 I 4 I

Понщш! для скр.иишдтш Пг|1*(твлгниие гены

Рис. 4. Пример схемы скрещивания хромосом

Оператор мутации (рис. 5) с вероятностью рт выбирает два произвольных гена хромосомы и меняет их местами.

. I.........т'

Рис. 5. Пример мутации хромосомы

Для оценки функции приспособленности хромосомы выполнить следующий алгоритм: 1. создать массив

Т-узлов МТ. отсортированный в соответствии с последовательностью расположения Т-узлов в хромосоме; 2. в цикле каждый Т-узел Тс€Мт временно изъять из структуры БСС, после чего осуществить нечеткую экспертную оценку структуры БСС. Если без временно изъятого узла Тс оценка структуры БСС удовлетворяет требованиям проектировщика, то Тс удаляется из сети навсегда, в противном случае вериугь Тс в структуру БСС. После проверки возможности удаления каждого Т-узла хромосомы осуществить вычисление итогового КД удовлетворения требований проеютфовщика полученной структурой БСС.

Результаты работы алгоритма ОУ-4 приведены на правой части рис. 1. Исходное размещение БС и Ф-узлов приведено в левой части рис. 1. На рис. 6 показана экранная форма с некоторыми установленными параметрами для синтеза ОУ структуры БСС.

1 Параметры работы алгоритма

Количество особей 800

к оличество итераций алгоритма оценки числа ретрансляций узла 2

Коэффициент начального покрытия 1

2 Временные параметры

Период сбора информации, мс 5.000

Необходимое время работы БСС, ч 8.760

Мат ожидание длительности одной ретрансляции, с 0 01

Дисперсия длительности одной ретрансляции. с2 0 0000083

3 Параметры >иергопотре6ления

Емкость батареи Ф-узла, мАч 3.000

Емкость батареи Т-узла. мАч 3.000

Ток потребления в режиме сна мА 001

Средний ток потребления в режиме ретрансляции. мА 18

4 Параметры аппаратных отказов узлов БСС

Интенсивность отказа узла. 1/ч 0 000001

Учитывать интенсивность отказа узлов

Мин кол-во не зависимых путей от ф*узла к БС 2

Мин. вероятность связности Ф-уэла с БС за требуемое время 0 99

Нет Да

Рис. 6. Экранная форма установки параметров алгоритма ОУ-4

Литература

1. Прокопьев А.В. Перспективы использования протокола 6L0WPAN в сетях IEEE 802.15.4//Электросвязь. 2009.-№1 -С.33-36.

2. R. Ealudi. Building Wireless Sensor Networks // O'Reilly Media, 2010

- 320 c.

3. Турута E.H. Конспект лекций по дисциплине: "Распределенные вычислительные системы и сетевые технологии" - раздел "Отказоустойчивость распределенных вычислительных систем". - М.: МТУСИ, 2001.

4. Мочалов В.А., Турута Е.Н. Интеллектуальная процедура выбора отказоустойчивой топологии и компонентов сенсорной сети // Труды Международных научно-технических конференций "Интеллектуальные системы" (AIS08) и "Интеллектуальные САПР" (CAD-2008). - М.: Физмат-лит, 2008. - Т.1. - С. 385-392.

5. Мочалов В.А. Разработка и исследование алгоритмов построения отказоустойчивых сенсорных сетей: дисс. канд. техн. наук. — М., 2011. -160 с.

6. Мочалов В.А., Турута Е.Н. Функциональная схема процесса проектирования беспроводных сетей мониторинга // Датчики и системы, 2010.

- №2 - С. 40-44.

7. Мочалов В.А., Турута Е.Н. Нечеткая экспертная оценка параметров сенсорной сети // труды Конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT’10». Научное издание в 4-х томах.

- М.: Физматлит. 2010. - Т.З. - С. 185-193.

8. Д. Рутковская, М. Пилиньский, Л. Рутковский. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы; пер. И.Д. Рудинского. - М.: Горячая линия-Телеком, 2006. - 452 с.

9. К. Райншке, И.А. Ушаков. Оценка надежности систем с использованием графов. - М.: Радио и связь, 1988.

10. Мочалов В.А. Алгоритмы увеличения общего времени работы сенсорной сети до момента ее отказа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2010. - №7. - С. 12-19.

11. Лаврентьев B.C., Сергиенко Д.О., Овсянников В.И. Методические указания к лабораторному практикуму "Структуры данных и обработка информационных массивов в экспертных системах". - М.: МИФИ. 1992.-88 с.

12. Гладков Л.А., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы: Учебное пособие. - 2-е изд.. - М.: Физматлит, 2006. - 320 с.

METHOD OF DESIGNING FAULT-TOLERANT STRUCTURE IN THE PRESENCE OF SENSORY NETWORK RESTRICTIONS FOR PLACING NODES IN HETEROGENEOUS SPACE

Mochalov V.A., Associate Professor of AIT&CC, mva@srd-mtuci.ru

Abstract

The proposed method allows the construction of fault-tolerant wireless sensor network (WSN) structure with constraints on placement of nodes in a heterogeneous space and accounting requirements for structural reliability and cost. First, the design area is covered by transit nodes excessively. After that, we remove redundant transit nodes in order to obtain the desired fault-tolerant sensor network structure. The proposed algorithm for removing redundant transit nodes based on genetic algorithm which fitness function performs multiobjective fuzzy expert evaluation of various WSN parameters, such as structural reliability and cost. Fuzzy expert evaluation of WSN parameters provides the designer flexibility in setting the rules for assessing the WSN parameters and the softness in the decision-making.

Keywords sensor network, fault tolerance, connectivity, the synthesis of the structure, constraints