Протоколы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях: основанные на местоположении узлов и направленные на агрегацию данных

Протоколы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях: основанные на местоположении узлов и направленные на агрегацию данных

Ключевые слова: беспроводные сенсорные сети, протоколы маршрутизации, энергосбережение, сенсоры, узлы, самоорганизация.

Протоколы маршрутизации играют значительную роль в работе беспроводных сенсорных сетей (БСС). Благодаря им осуществляется самоорганизация узлов и доставка пакетов оптимальными маршрутами в соответствии с алгоритмами, декларированными в используемом в сети протоколе. С помощью протоколов маршрутизации можно оптимизировать использование ресурсов сенсорной сети, таких как расход энергии, использование процессорного времени, памяти и др. Следовательно, применение эффективных протоколов маршрутизации позволяет максимизировать время жизни сети. Это очень важно для БСС, поскольку узлы являются необслуживаемыми, и время жизни сети определяется как временем от начала ее работы до момента выхода из строя первого узла. В большинстве случаев выход из строя узлов сети обусловлен истощением источника энергии. Представлено исследование существующих протоколов маршрутизации БСС и их возможности применения в зависимости от специфики категории, в которую входит протокол.

Ерохин С.Д.,

к.т.н., доцент, МТУСИ,

s.d.erokhin@gmail.com

Махров С.С.,

аспирант, МТУСИ,

SlavaM4@yandex.ru

Беспроводные сенсорные сети - самоорганизующиеся, распределенные, масштабируемые сети, состоящие из множества автономных сенсоров (сенсорньх узлов), объединенных посредством радиоканала. Целью сети является мониторинг детектируемых параметров некоторой внешней среды (температуры, звука, давления, шума, задымления, движение и т.д.) или воздействие на них или на некоторый объект управления. БСС состоят из множества узлов с функциями детектирования, вычисления и поддержки беспроводной связи. Узлы имеют ограниченный энергоресурс, диапазон передачи, также как и возможности по обработке и хранению данных. Сенсорные сети делятся на IP mesh и прочие в зависимости от способа адресации (идентификации) узлов сети.

Использование протокола, который бы эффективно обеспечивал работу БСС в заданных условиях, при определенных параметрах и в зависимости от типа детектируемых (измеряемых) величин, является важной проблемой. Кроме того, одной из важных задач в этой связи является обеспечение максимально долгого времени жизни БСС, решение которой возлагается также и на протокол маршрутизации, под управлением которого функционирует

БСС. Следовательно, эффективность и адекватность получаемых данных и время жизни БСС напрямую зависит от протокола маршрутизации, который должен быть правильно выбран согласно решаемой задаче мониторинга или контроля параметров внешней среды.

Протоколы маршрутизации в БСС решают следующие задачи:

1. Самоорганизация узлов сети (самокон-фигурирование, самовосстановление и само-оптимизация);

2. Маршрутизация пакетов данных и адресация узлов;

3. Минимизация энергопотребления узлов сети и увеличение общего времени жизни всей сети;

4. Сбор и агрегация данных;

5. Регулирование скорости передачи и обработки данных в сети;

6. Максимизация зоны покрытия сети;

7. Качество обслуживания (QoS);

8. Защита от несанкционированного доступа.

Протоколы маршрутизации БСС отвечают за поддержку маршрутов в сети и должны гарантировать надежную связь даже в жестких неблагоприятных условиях. Многие протоколы маршрутизации, управления электропитанием, распространения данных, были специально разработаны для БСС, где энергосбережение является существенной проблемой, на решение которой направлен протокол. Другие же были разработаны для общего применения в беспроводных сетях, но нашли свое применение и в БСС.

Таблица 1

Протоколы маршрутизации BCC

Категория протоколов Протоколы

Основанные на местоположении узлов MECN, SMECN, 6AF, GEAR, Span, TBF, BV6F, GeRaF

Направленные на агрегацию данных SPIN, Directed Diffusion, Rumor Routing, COUGAR, ACQUIRE, EAD, Information-Directed Routing, Gradient-Based Routing, Energy-aware Routing, Information-Directed Routing, Quorum-Based Information Dissemination, Home Agent Based Information Dissemination

Иерархические LEACH, PEGASIS, HEED, TEEN, APTEEN

Основанные на мобильности SEAD, TTDD, Joint Mobility and Routing, Data MULES, Dynamic Proxy Tree-Base Data Dissemination

Мульти-ориентиро ванные Sensor-Disjoint Multipath, Braided Multipath, N-to-1 Multipath Discovery

Основанные на гетерогенности IDSQ CADR, CHR

Основанные на качестве обслуживания (QoS) SAR, SPEED, Energy-aware routing

Рассматриваются наиболее известные протоколы маршрутизации, применяемые в современных БСС. Протоколы маршрутизации для БСС могут быть разделены на семь категорий, как показано в табл. 1.

Согласно приведенной выше классификации, рассмотрены некоторые протоколы из следующих категорий:

• Основанные на местоположении;

• Ориентированные на данные.

Протоколы, основанные на местоположении узлов

Связь между узлами основана на их месторасположении. Это может быть также применено для вычисления расстояния между двумя определенными узлами с целью оценки потребления энергии.

Geographic Adaptive Fidetity

Энергосберегающий протокол. В основе протокола лежит принцип проецирования на виртуальную решетку (рис. 1) местоположений сенсорных узлов, получаемых с помощью GPS или других систем. Такое представление позволяет оценить стоимость маршрутизации пакета до целевого узла, где стоимость выражается в энергозатратах на передачу пакета в соответствие с энергетической моделью [1]. Чем дальше располагается квадртант узла-адресата, тем стоимость выше. Причем, узлы, размещенные в одном и том же квадранте, будут равны по стоимости маршрутизации пакета до них.

Каждый из узлов сети может находиться в трех состояниях: обнаружение, активное сон (рис. 2):

Geographic and Energy-Aware Routing

Маршрутизация основана на знании каждым узлом своего местоположения узлов с по-

мощью GPS (или другим систем) и об уровне своей остаточной. GEAR использует рекурсивный алгоритм географической эстафетной передачи для распространения пакета внутри целевого региона [2].

Trajedory-Based Forwarding

В TBF [3] источник определяет маршрут в пакете, но явно не указывает маршрут в виде прыжков "хопов". Основываясь на информации о местоположении своих соседей. Передающий сенсорный узел принимает решение определить следующий "хоп", который будет являться самым приближенным к маршруту, установленному сенсором-источником.

Bounded Voronoi Greedy Forwarding [BVGF]

На основании местоположения сенсоров строится диаграмма Воронова [4]. Маршрутизация производится в соответствии с этой диаграммой, при этом, для определения пути вычисляется короткое Евклидово расстояние до пункта назначения среди всех имеющих права соседей. BVGF не рассматривает энергию как метрику [5].

Geographic Random Forwarding

Предложен Зорзи и Рао [6]. Концепция протокола состоит в передаче пакета от источника к приемнику с помощью ретрансляции пакетов первого, зона покрытия которого называется зоной передачи. В свою очередь, эта зона разделена на несколько областей со своими приоритетами. Самой приоритетной является область, самая близкая к приемнику. Источник стремится выбирать ретранслятор в самой высокоприоритетной области, так, чтобы за наименьшее количество "хопов" передать пакет приемнику. Если такого ретранслятора нет, то выбирается область с более низким приоритетом. В случае отсутствия сенсора-ретранслято-

ра, по достижении определенного количества попыток, пакет будет отброшен.

Minimum Energy Communication Network

Вычисляется остовое дерево с корнем от приемника, которое называется минимальной мощностной топологией, содержащей только минимальные пути, на основании количества остаточной энергии, от каждого сенсора до приемника. Концепция основана на расположении сенсоров на плоскости и состоит из двух главных фаз, а именно: построение графа включения и распределения стоимостей пути

[7].

Small Minimum-Energy Communication Network

Протокол SMECN [8] был предложен для улучшения MECN. Каждый сенсор производит обнаружение своих соседей, с помощью широковещательного сообщения. В начале используется некоторый уровень начальной энергии р, с мощностью которого рассылается сообщение. Если не один из соседей не ответил, то эта энергия увеличивается и сообщение рассылается заново. В SMECN также строится граф и вычисляется самый короткий по стоимости энергозатрат путь, как и в MECN.

Протоколы, направленные на агрегацию данных

В протоколах, направленных на агрегацию данных, сенсоры, располагающиеся между источниками и БС, могут осуществлять агрегацию данных и посылать БС уже сведенные данные. Этот процесс позволяет сенсорным узлам экономить энергию.

Sensor Protocols for information via Negotiation

Протоколы SPIN [9, 10] основаны на двух ключевых механизмах: на согласовании и адаптации ресурса. SPIN позволяет сенсорам производить согласование друг с другом перед

Рис. 1. Пример виртуальной решетки в GAF

Рис. 2. Диаграмма перехода состояний GAF

любым распространением данных в сети, во избежание введения бесполезной и избыточной информации в сеть. SPIN использует метаданные, как описатели данных, которые сенсоры распространяют. Понятие мета-данных предотвращает возникновение наложения для данного сенсора.

В семействе SPIN существует два протокола: SPIN-1 (или SPIN-PP) и SPIN-2 (или SPIN-EC) [10]. В то время как SPIN-1 использует механизм согласования перед любым распространением данных в сети, чтобы уменьшить потребление ресурсов сенсорами, а также во избежание введения бесполезной и избыточной информации в сеть. SPIN-2 использует ресур-со-уведомляющий механизм для энергосбережения.

Direcied Diffusion

Протокол [11, 12] имеет несколько основных компонентов: именование данных, интересы и градиенты, распространение данных и укрепление. Процесс передачи данных в таком протоколе описывается как направленная диффузия. В начале направленной диффузии приемник определяет низкую скорость передачи данных для всех поступающих событий. После этого приемник может "укрепить" один определенный сенсор, позволив ему увеличить скорость, отправляя "сообщение-интерес" приемнику. Аналогично, если соседний сенсор получит это "сообщение-интерес" и найдет, что у "интереса" отправителя есть более высокая скорость передачи данных чем прежде, и эта скорость передачи данных выше чем тот у любого существующего градиента, то это "укрепит" один или более его сенсоров-соседей.

Rumor Routing

Ключевым механизмом протокола является агент - пакет с большим временем жизни, который пересекает сеть и сообщает каждому сенсору о событиях, которые он встретил на своем пути во время пересечения сети. Агент будет путешествовать по сети до определенного числа "хопов" и затем прекратит свою жизнь. Каждый сенсор, включая агента, содержит список событий, в котором приведены пары событие-расстояние, где расстояние обозначает фактическое расстояние, выраженное в количестве "хопов" к соответствующему событию от сенсора, который он посетил. Когда агент встречается с сенсорами на своем пути, то он синхронизирует список событий в каждом сенсоре, так, чтобы в них были кратчайшие пути к событиям, происходящим в сети [13].

Cougar

В Cougar [14] сеть представляется в виде огромной распределенной базы данных, где каждый сенсор имеет своё подмножество данных. Протоколом предоставляются пользовательские и прикладные программы с возможностью декларативных запросов данных, которые детектируют сенсоры-источники. Такой подход позволяет абстрагировать пользователя от способа выполнения запросов и обработки данных, предоставляя в конечном итоге только результат. Протокол выделяет уровень запросов, который находится между сетевым и прикладным уровнем и связан со своим прокси-запросом. Прокси-запрос предоставляет высокоуровневые сервисы через запросы, которые могут быть получены от узла-шлюза. Cougar более выгоден, если набор детектируемых данных мог бы быть синтезирован и представлен в виде одного объекта, понятного для пользователя.

Active Query Forwarding in Sensor Networks

Протокол ACQUIRE [15] предоставляет механизм запросов для именованных данных. Это обеспечивает оптимизацию для ответа на определенные типы запросов, которые называются в протоколе как "одно-сложные запросы для реплицируемых данных". Запрос ACQUIRE состоит из нескольких подзапросов, для которых несколько простых ответов обеспечиваются соответствующими им сенсорами. Каждому подзапросу приходит ответ на основании хранимых в текущий момент данных в соответствующем сенсоре. ACQUIRE позволяет сенсору вводить в сеть активный запрос, либо случайно, либо по указанной траектории до тех пор, пока на запрос не ответят сенсоры, используя локализованный механизм обновления. В отличие от других механизмов запросов, ACQUIRE, позволяет вводить сложный запрос в сеть, который при этом, будет отправлен пошагово через последовательность сенсоров.

Energy-Aware Data-Cenhic Routing

EAD [16] выстраивает дерево радиопередачи с корнем в роли шлюза, активных сенсоров в роли ствола и сенсоров с выключенными радио-модулями, которые представляют листья. Протокол аппроксимирует оптимальное дерево охвата сенсоров с минимальным числом листьев, уменьшая размер ствола, сформированной активными сенсорами. Подход EAD позволяет информировать о количестве энергии и помогает увеличить время жизни сети. Шлюз играет роль приемника данных или приемника событий, тогда как каждый сенсор действует

как источник событий или хранилище данных.

В данной статье представлено исследование некоторых протоколов в соответствии с приведенной классификацией.

Протоколы, основанные на местоположении узлов, наиболее всего подходят для работы в физической области, где нет препятствий связи с системами определения местоположения. В основном, это открытые территории, где возможна беспрепятственная связь со спутником. Важным здесь также являются погодные условия, при которых должна работать БСС. В целом, факт зависимости от систем определения местоположения является самой главной проблемой данной категории протоколов, что делает их ненадежными и ставит под угрозу гарантированность маршрутизации данных между узлами.

Протоколы, направленные на агрегацию данных могут быть применены для работы в условиях с плохой проходимостью радиосигнала, поскольку обеспечивает снижение объема передаваемых данных и, следовательно, могут передать необходимый объем данных в значительной малых по объему пакетах.

Одной из главных проблем в разработке протоколов маршрутизации для БСС является эффективность использования энергии, вследствие ограниченных энергетических ресурсов сенсорных узлов. Протокол должен поддерживать работоспособность сети настолько долго, насколько это возможным, тем самым, продлевая время жизни сети. При этом важно заметить, что потребление энергии, в основном, преобладает во время приема или передачи данных.

Таким образом, протоколы маршрутизации в БСС должны обеспечивать сбережение энергии настолько, насколько это возможно, для того чтобы продлить время жизни отдельных узлов, и следовательно, время жизни всей сети.

Второй проблемой является обеспечение самоорганизации, при которой в работу сети будет включено как можно больше узлов. При этом, конечной целью является задействование всех узлов сети. Эта проблема возникает, поскольку при дислокации узлов в целевую область, вследствие препятствий, возможны проблемы с обнаружением узлами друг друга и в итоге, неверной или неполной самоорганизацией сети.

Важным аспектом является соответствие используемого протокола маршрутизации решаемой задаче. Следовательно, необходим правильный выбор протокола в зависимости от условий, в которых предполагается его работа, а также тип и способ сбора, обработки и передачи данных

Литература

1. Y. Xiu, J. Heidemann, and D. Estrin, "Geography-informed energy conservation for ad-hoc routing", Proceedings ACM/IEEE MobiCom'01, Rome, Italy, July

2001, pp. 70-84.

2. Y. Yu, R. Gov ndan, and D. Eslrin, "Geographical and energy aware routing: A recursive data dissemination protocol for w'reless sensor networks", Technical Report UCLA/CSD-TR-01-0023, UCLA Computer Science Department, May 2001.

3. Ndlh and D. Niculescu, "Routing on a curve", ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol. 33, no.1, Jan. 2003, pp. 155-160.

4. Jamal Al-Kaidd, and Ahmed E Kamal, "Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey", IEEE Communications Magazine, vol 11, no. 6, Dec. 2004, pp. 6

5. G. Xing, C Lu, R. Pless, and Q. Huang, "On

greedy geographic routing algorithms in sensing-covered networks", Proceedings ACM MobiHoc'04, Tokyo, Japan, May 2004, pp. 31-42.

6. M. Zona and R. R. Rao, "Geographic random forwarding (GeRaF) for ad hoc and sensor networks: Mutlihop performance", IEEE Transactions on mobile Computing, vol. 2, no. 4, Oct.-Dec. 2003, pp. 337348.

7. V. Rodoplu and T. H. Meng, "Minimum energy mobile wireless networks", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 17, no. 8, Aug. 1999, pp. 1333-1344.

8. L. Li and J. Y. Hdpem, "Minimum-energy mobile

wireless networks revisiled", Proceedings IEEE ICC'01, Helsinki, Finland, June 2001, pp. 278-283.

9. W. R. Ha'nzdman, J. Kulik, and H. Baldoishnan, "Adaptive protocols for information dissemination in w'reless sensor networks", Proceedings ACM MobiCom '99, Seattle, WA, Aug.1999, pp. 174-185.

10. J. Kulik, W. Heinzelman, and H. BalOkrishnan, "Negotiation-based protocols for disseminating information in wireless sensor networks", Wireless Networks, vol.

8, no. 2/3, Mar.-May 2002, pp. 169-185.

11. C Inlanagoпw'Wd, R. Govindan, and D. Eslrin, "Directed diffusion: A scalable and robust communication paradigm for sensor networks", Proceedings ACM MobiCom'00, Boston, MA, Aug. 2000, pp. 56-67.

12. C. Intanagonwiwat, R. Govindan, D. Estnn, J. Heidemann, and F. Silva, " Directed diffusion for wireless sensor networking", IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 11., no. 1, Feb. 2003, pp. 2-16.

13. D. Braginsky and D. Estnn, "Rumor routing algorithm in sensor networks", Proceedings ACM WSNA, in conjunction with ACM MobiCom'02,Atlanta, GA, Sept.

2002, pp. 2214. Y. Yao and J. Gehrke, 'The Cougar approach

to in-network query processing in sensor networks", SGI-MOD Record, vol. 31, no. 3, Sept. 2002, pp. 9-18.

15. N. Sadagopan, B. Krishnamachari, and A Helmy, 'The ACQUIRE mechanism for efficient querying in sensor networks", Proceedings SNPA'03, Anchorage, AK, May 2003, pp. 149-155.

16. A. Boukerche, X Cheng, and J. Lnus, "Energy-aware data-centric routing in microsensor networks", Proceedings ACM MSWiM, in conjunction with ACM MobiCom, San Diego, CA, Sept. 2003, pp. 42-49.

Routing protocols in wireless sensor networks: location-based units and aimed at the aggregation of data

Erohin S. Ph.D., Associate Professor, MTUCI, sderokhin@gmail.com Makhrov S.SV graduate student, MTUCI, SlavaM4@yandex.iv

Abstract

Routing protocols play an important role in wi'reless sensor networks (WSN). Because of them is produced a self-organization of nodes and packet delivery by optimal routes in accordance with the algorithms, declared in using network protocol. In addition, with help of routing protocols is possible to optimize using of sensor network resources, such as power consumption, CPU time, memory, etc. Therefore, a using of efficient routing protocols is allow to maximize the lifetime of the network. It is very important for WSN, because the nodes are maintenance-free, and the lifetime of the network is defined as the time from the beginning of its operation until the failure of the first node. In most cases, the failure of the nodes in the network relates with depletion of the energy source. This paper presents a research of exsting routing protocols in WSN and their ability to use depending on the specific category, which includes protocol.

Keywords : wireless sensor networks, routing protocols, sensors, nodes, self-organization.