Балансировка энергетических характеристик сенсоров в беспроводных сенсорных сетях

УДК 621.316.1.681.586:003.13

DOI 10.21685/2307-4205-2018-3-12

А. П. Адамов, С. Г. Семенцов, А. Т. Темиров

БАЛАНСИРОВКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕНСОРОВ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЯХ1

A. P. Adamov, S. G. Sementsov, A. T. Temirov

BALANCING THE ENERGY PERFORMANCE OF SENSORS

IN WIRELESS SENSOR NETWORKS

Аннотация. В работе предложен метод балансировки энергетических характеристик сенсоров в беспроводных сетях. Метод основан на использовании энергии в радиодиапазоне сенсоров, передающих данные. Неактивные в данный момент сенсоры могут принимать и детектировать пакеты данных и использовать их для подзарядки источника питания. Эффективность использования энергии определяется точностью согласования приемной антенны с входным контуром и падением напряжения на выпрямительном модуле. Проведен анализ относительных потерь в зависимости от частоты для типовой антенны беспроводного диапазона.

Ключевые слова: беспроводные сенсорные сети, кластеризация, выбор вершины кластера, динамическая балансировка нагрузки, энергия радиодиапазона, импеданс приемной антенны, зарядка от беспроводного интерфейса.

Abstract. The paper proposed a method of balancing the energy characteristics of sensors in wireless networks. The method is based on the use of energy in the radio range of sensors transmitting data. The currently inactive sensors can receive and detect data packets and use them to recharge the power supply. Energy efficiency is determined by the accuracy of matching the receiving antenna with the input circuit and the voltage drop across the rectifier module. The analysis of relative losses depending on the frequency for a typical antenna of the wireless range.

Key words: wireless sensor networks, clustering, cluster vertex selection, dynamic load balancing, radio band energy, receiving antenna impedance, charging from a wireless interface.

Введение

Актуальность работы обусловлена все более широким распространением беспроводных сенсорных сетей и необходимостью продления срока их жизни, которая определяется в основном разрядом встроенного в сенсор источника питания. Целью работы является разработка метода балансировки энергетических характеристик сенсоров в беспроводной сети.

Базовый алгоритм кластеризации в подобных сетях не учитывает запас энергии каждого сенсора при выборе вершины кластера. В результате в качестве вершины кластера может быть выбран сенсор с недостаточными энергетическими характеристиками, что приведет к потере данных.

В то же время в сетях, регистрирующих некое событие, сенсоры находятся в неактивном состоянии до наступления события. Это позволяет использовать пакеты данных между базовой станцией и активными сенсорами для подзарядки источников питания наиболее разряженных сенсоров.

Поскольку в беспроводных сенсорных сетях пакеты данных могут принимать не только источник и приемник сигнала, то не активные в данный момент сенсоры могут принимать и детектировать эти пакеты.

Беспроводной интерфейс за счет применения диапазона СВЧ 2,4ГГц в случае наличия траф-фика в сети и близкого расположения принимающего сенсора от источника сигнала обеспечивает после детектирования достаточную мощность для эффективной подзарядки источников питания сенсоров. Эффективность детектирования в данном случае определяется согласованностью импеданса приемной антенны с входным контуром и потерями на детектирующих диодах.

1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке по Гранту РФФИ №17-07-00689.

Предложенный в работе метод позволяет осуществлять балансировку энергетических параметров сенсоров в сети за счет энергии беспроводного диапазона. Данный подход отличает от известных аналогов не использование более сложных протоколов обмена, учитывающих энергетические характеристики каждого сенсора, а динамическую балансировку заряда источников питания сенсоров существенно продлевающую время жизни сети.

Беспроводные сенсорные сети (БСС) все шире проникают во все сферы современной жизни. Они используются для мониторинга технических систем и наблюдения за природными явлениями. Разработка методов и средств управления подобными сетями является наиболее перспективным направлением развития современных беспроводных технологий.

В общем случае БСС включает в себя набор сенсорных элементов (узлов) и одну (или несколько) базовую станцию, осуществляющую прием информации. В задачи сенсора входит не только регистрация одного или нескольких параметров среды, но и первичная обработка собранных данных, а также передача этих данных соседнему узлу или базовой станции.

Сенсоры в общем случае имеют в своем составе чувствительный элемент, блок первичной обработки данных и приемопередатчик. В зависимости от решаемых задач набор функциональных элементов может дополняться, но базовый набор блоков присутствует практически во всех современных БСС.

Сенсоры БСС, ориентированные на длительный мониторинг или рассчитанные на работу в агрессивной среде, как правило не предполагают замены встроенных источников питания. Таким образом, время работы от такого источника питания определяет время жизни БСС в целом.

В БСС, регистрирующих некое событие, для экономии энергии используются специализированные протоколы обмена, реализующие динамическую кластеризацию, при которой сенсоры переходят в активное состояние только после регистрации события. Далее формируется кластер из активных сенсоров и синтезируется дерево транзакций, позволяющее передать данные базовой станции с минимальными потерями энергии и с заданной надежностью.

В настоящее время разработано большое число подобных специализированных протоколов [1-4], позволяющих оптимизировать тот или иной набор параметров БСС. В то же время лишь немногие из этих протоколов используют информацию о энергетическом состоянии каждого сенсора, что может привести к потере данных, в случае если запаса энергии источника питания сенсора окажется недостаточно для установки связи с базовой станцией.

В данной работе предпринята попытка решения этой задачи за счет использования механизма динамической балансировки энергетических параметров с помощью детектирования энергии активных в данный момент сенсоров, передающих пакеты данных беспроводного интерфейса БСС базовой станции и соседним сенсорам.

Анализ расхода энергии элементами сенсорной сети

Типовое потребление энергии различными блоками сенсора представлено на рис. 1 [5]. На чувствительный элемент тратится около 4 % от суммарного энергопотребления. В то же время 90 % энергии расходуется на организацию радиосвязи с соседними узлами или базовой станцией в зависимости от используемого протокола обмена.

Сенсор МС11 \ ТХ ДХ Простой Сон

Рис. 1. Распределение потребления энергии сенсора [1]

Вместе с тем БСС в основном используются для регистрации неких событий, временные интервалы между которыми весьма значительны. В таком режиме сенсор до 99 % времени находится в неактивном состоянии, в котором функционирует только чувствительный элемент. В активное состояние сенсор переходит только при наступлении события, когда сигнал с чувствительного элемента превышает некоторое пороговое значение, либо по команде с базовой станции или от соседнего узла. Для таких БСС, ориентированных на регистрацию события, разработан целый класс протоколов организации информационного обмена, позволяющих минимизировать расходы энергии, сократить время доставки информации, повысить надежность передаваемых данных и контролировать перегрузку в сети [6-8].

С точки зрения энергоэффективности в БСС наибольший практический интерес представляют модификации базового протокола передачи данных - Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), который представляет собой TDMA-протокол с адаптивной кластеризацией [9]. Задача протокола - минимизация энергии, необходимой для создания и обслуживания динамически организуемых кластеров сенсоров. LEACH является иерархическим протоколом, в котором сенсоры передают данные вершине кластера, где происходит накопление и компрессия данных и далее их передача базовой станции. LEACH-протокол предполагает, что каждый сенсор имеет запас энергии достаточный для передачи данных непосредственно базовой станции или ближайшей вершине кластера.

Сенсоры, которые уже были вершиной кластера, не могут ей стать в течение P сеансов связи, где P - процент вершин кластеров, задаваемый пользователем. После этого каждый сенсор имеет вероятность 1/P стать вершиной кластера в течение данного сеанса связи. В конце каждого сеанса связи сенсоры, которые не были вершинами кластеров, выбирают новую вершину кластера, ближайшую к ним, и соединяются с ней. Вершина кластера затем готовит список транзакций для каждого сенсора, входящего в данный кластер.

LEACH является эффективным алгоритмом с точки зрения потребления энергии сети в целом, но в то же время LEACH не обеспечивает выбор сенсорного узла с достаточным запасом энергии в качестве вершины кластера. Поскольку в алгоритме LEACH не используется информация о текущем энергетическом состоянии сенсорного узла, то в качестве головного может быть выбран давно не избираемый член кластера с недостаточным запасом энергии, что приведет к потере данных. Таким образом балансировка запасов энергии между элементами кластера является важнейшей задачей, обеспечивающей надежность передаваемых данных.

Балансировка энергопотребления в сенсорной сети

Балансировка может осуществляться как за счет применения более сложных алгоритмов, учитывающих запас энергии каждого узла, так и за счет подзарядки источников питания наиболее разряженных узлов непосредственно от беспроводного интерфейса.

В неактивном состоянии приемная часть каждого узла, не участвующего в кластере, может принимать и накапливать энергию пакетов беспроводного интерфейса. При использовании диапазона 2,4 ГГц и достаточно большом числе узлов, участвующих в обмене данными с базовой станцией и соседними узлами, энергии, принимаемой неактивными сенсорами, достаточно для эффективной подзарядки сенсора [10]. Накопление энергии может происходить на конденсаторе достаточно большой емкости (ионисторе), после разряда которого при переходе сенсора в активный режим происходит его переключение на основной неперезаряжаемый источник питания.

Рассмотрим вариант структурного построения системы накопления энергии сенсора, работающей в диапазонах беспроводной связи (рис. 2).

При работе в различных частотных диапазонах беспроводных интерфейсов изменяются только параметры входного контура. К выпрямителю предъявляются требования максимального выходного напряжения. Поэтому выпрямитель может быть реализован по схеме удвоителя напряжения на СВЧ-диодах Шоттки с минимальным прямым падением напряжения.

Основные потери энергии в данном случае обусловлены большим расстоянием между источником и приемником сигнала сети (обычно более 10 м), низким траффиком в сети и несогласованностью импеданса приемной антенны с входным контуром [11-15].

Рис. 2. Структурная схема источника энергии с приемником беспроводного интерфейса

При рассогласовании импеданса приемной антенны с входным контуром блока выпрямителя часть энергии будет теряться. Поэтому важнейшей задачей является точное согласование импеданса во всем диапазоне работы БСС.

На рис. 3 приведена зависимость потерь от частоты для типовой антенны сенсора, работающей в диапазоне Wi-Fi 2,4 ГГц. Как можно заметить, во всем диапазоне относительные потери не превышают 10дБ. Минимум потерь наблюдается в диапазоне 2,401-2,473 ГГц.

Рис. 3. Относительные потери во входном контуре

Мощность на выходе выпрямителя определяется потерями в выпрямителе и расстоянием от базовой станции. Потери в данном случае обусловлены наличием порогового падения напряжения на СВЧ-диодах. На рис. 4 показана выходная мощность на выпрямителе как функция от мощности радиосигнала при удалении от базовой станции. Результаты представлены для трех различных каналов Wi-Fi диапазона.

При максимальной мощности радиосигнала на выходе выпрямителя мощность достигает 100 мкВт для всех трех каналов. При увеличении расстояния до базовой станции и уменьшении мощности радиосигнала мощность на выходе выпрямителя падает экспоненциально до уровня менее 1 мкВт при мощности радиосигнала - 17 дБм.

m

го

160 140

; 120 | 100

I 80

60 40 20 0

Г...............1 1..................1 1..................1 1 л ! CH1 — г CH6 —к- -;гн11 —1—

- i jrf -

' 1 1....."1 ' ' i i ~

-20 -16 -12 -8 -4 0 4 Мощность радиосигнала, сШт

Рис. 4. Зависимость мощности на выходе выпрямителя в зависимости от мощности радиосигнала

Заключение

Использование при организации подсистемы питания сенсоров БСС энергии беспроводного интерфейса позволяет существенно увеличить время жизни сети и повысить ее надежность за счет перераспределения энергии между сенсорами. Такой подход особо эффективен для БСС, регистрирующих событие, когда 99 % времени сенсоры находятся в режиме ожидания. За время ожидания накопительный элемент сенсора может быть полностью заряжен при наличии интенсивного информационного обмена между близлежащими элементами БСС.

Библиографический список

1. Akyildiz, F. Wireless sensor networks: a survey / F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci // Computer Networks. - 2002. - № 38(4). - P. 393-422.

2. Reshma, I. Leach Protocol in Wireless Sensor Network: A Survey. Tandel, Shri S'adVidya / I. Reshma. - Gujarat, India : Mandal Institute of Technology, 2016. - P. 1894-1896.

3. Taruna, S. Event Driven Routing Protocols For Wireless Sensor Network / S. Taruna, M. R. Tiwari, S. Shringi // International Journal on Computational Sciences & Applications (IJCSA). - 2013. - Vol. 3, № 2.

4. Fodor, V. Detecting low-power primary signals via distributed sensing to support opportunistic spectrum access / V. Fodor, I. Glaropoulos, L. Pescosolido // Proceedings of IEEE ICC'09 (Dresden, Germany, June 2009). -2009.

5. VigilNet: an integrated sensor network system for energy-efficient surveillance / T. He, S. Krishnamurthy, J. A. Stankovic, T. Abdelzaher, L. Luo, R. Stoleru, T. Yan, L. Gu, G. Zhou, J. Hui, B. Krogh // ACM Transactions on Sensor Networks. - 2006. - № 2 (1). - P. 38.

6. Jaikaeo, C. Diagnosis of sensor networks / C. Jaikaeo, C. Srisathapornphat, C. Shen // In Proceedings of IEEE ICC'01 (Helsinki, Finland, June 2001). - 2001. - Vol. 5. - P. 1627-1632.

7. Design and deployment of industrial sensor networks: experiences from a semiconductor plant and the North Sea / L. Krishnamurthy, R. Adler, P. Buonadonna, J. Chhabra, M. Flanigan, N. Kushalnagar, L. Nachman, M. Yarvis // Proceedings of SenSys'05. - San Diego, CA, USA, 2005. - P. 64-75.

8. Адамов, А. П. Способ надежного питания элементов сенсорной сети от беспроводного интерфейса / А. П. Адамов, С. Г. Семенцов // Надежность и качество сложных систем. - 2018. - № 1 (21). - С. 79-83.

9. Адамов, А. П. Классификация состояний беспроводной сенсорной сети с использованием методов машинного обучения / А. П. Адамов, А. А. Адамова, М. Н. Юлдашев // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). - 2016. - № 2. - С. 248-251.

10. Власов, А. И. Гауссовские процессы в регрессионном анализе состояний беспроводной сенсорной сети с учетом электромагнитных помех / А. И. Власов, М. Н. Юлдашев // Технологии электромагнитной совместимости. - 2017. - № 3 (62). - С. 35-43.

11. Власов, А. И. Анализ методов и средств обработки информации сенсорного кластера / А. И. Власов, М. Н. Юлдашев // Датчики и системы. - 2018. - № 1 (221). - С. 24-30.

12. Адамов, А. П. Методы обеспечения надежности в беспроводных сенсорных сетях по критерию сетевой нагрузки / А. П. Адамов, А. А. Адамова, М. Н. Юлдашев // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2016. - Т. 1. - С. 197 - 199.

13. Власов, А. И. Визуальные модели синтеза эффективных энергосистем / А. И. Власов // Энергосбережение и эффективность в технических системах : материалы V Междунар. науч.-техн. конф. студентов, молодых ученых и специалистов. - М., 2018. - С. 90-92.

14. Отчет по НИР № 17-07-00689. Исследование методов синтеза распределенных сенсорных систем по критерию минимизации сетевой нагрузки / А. А. Адамова, А. Н. Алфимцев, А. И. Власов, С. Г. Семенцов, Т. А. Цивинская, М. Н. Юлдашев. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. - 75 с.

References

1. Akyildiz F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. Computer Networks. 2002, 38 (4), pp. 393-422.

2. Reshma I. Leach Protocol in Wireless Sensor Network: A Survey. Tandel, Shri S'adVidya. Mandal Institute of Technology. 2016, pp. 1894-1896.

3. Taruna S., Tiwari Megha R., Shringi S. International Journal on Computational Sciences & Applications (IJCSA). 2013, vol. 3, no. 2.

4. Fodor V., Glaropoulos I., Pescosolido L. Proceedings of IEEEICC'09 (Dresden, Germany, June 2009). 2009.

5. He T., Krishnamurthy S., Stankovic J. A., Abdelzaher T., Luo L., Stoleru R., Yan T., Gu L., Zhou G., Hui J., Krogh B. ACM Transactions on Sensor Networks. 2006, no. 2 (1), p. 38.

6. Jaikaeo C., Srisathapornphat C., Shen C. In Proceedings of IEEE ICC'01 (Helsinki, Finland, June 2001). 2001, vol. 5, pp. 1627-1632.

7. Krishnamurthy L., Adler R., Buonadonna P., Chhabra J., Flanigan M., Kushalnagar N., Nachman L., Yarvis M. Proceedings of SenSys'05 (San Diego, CA, USA, 2005). 2005, pp. 64-75.

8. Adamov A. P., Sementsov S. G. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system [Reliability and quality of complex systems]. 2018, no. 1 (21), pp. 79-83.

9. Adamov A. P., Adamova A. A., Yuldashev M. N. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nano-elektronnykh sistem (MES) [Problems of development of perspective micro-and nanoelectronic systems (MES)]. 2016, no. 2, pp. 248-251.

10. Vlasov A. I., Yuldashev M. N. Tekhnologii elektromagnitnoy sovmestimosti [Electromagnetic compatibility technologies]. 2017, no. 3 (62), pp. 35-43.

11. Vlasov A. I., Yuldashev M. N. Datchiki i sistemy [Sensors & systems]. 2018, no. 1 (221), pp. 24-30.

12. Adamov A. P., Adamova A. A., Yuldashev M. N. Trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma Nadezhnost' i kachestvo [Proceedings of the International Symposium Reliability and Quality]. 2016, vol. 1, pp. 197-199.

13. Vlasov A. I. Energosberezhenie i effektivnost' v tekhnicheskikh sistemakh: materialy VMezhdunar. nauch.-tekhn. konf. studentov, molodykh uchenykh i spetsialistov [Energy saving and efficiency in technical systems: materials V international. scientific.- techn. Conf. students, young scientists and specialists]. 2018, pp. 90-92.

14. Adamova A. A., Alfimtsev A. N., Vlasov A. I., Sementsov S. G., Tsivinskaya T. A., Yuldashev M. N. Otchet po NIR № 17-07-00689. Issledovanie metodov sinteza raspredelennykh sensornykh sistem po kriteriyu minimizatsii setevoy nagruzki [Report on research № 17-07-00689. Study of methods of synthesis of distributed sensor systems by the criterion of minimizing the network load]. Moscow: MGTU im. N. E. Baumana, 2017. - 75 p.

Адамов Александр Петрович

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РД, кафедра микроэлектроники, Дагестанский государственный технический университет

(367026, Дагестан, г. Махачкала, ул. И. Шамиля, 70) E-mail: info@iu4.bmstu.ru

Семенцов Станислав Григорьевич

доктор технических наук, профессор,

кафедра проектирования и технологии

производства электронной аппаратуры,

Московский государственный технический

университет им. Н. Э. Баумана

E-mail: siemens_off@mail.ru

Adamov Aleksandr Petrovich

doctor of technical sciences, professor,

honored worker of science RD,

sub-department of microelectronics,

Dagestan State Technical University

Sementsov Stanislav Grigorievich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of design and production technology of electronic equipment, Bauman Moscow State Technical University

Темиров Алибулат Темирбекович

кандидат технических наук, доцент, декан факультета радиоэлектроники, телекоммуникаций и мультимедийных технологий, Дагестанский государственный технический университет

(367026, Дагестан, г. Махачкала, ул. И. Шамиля, 70) E-mail: ali.temirov@rambler.ru

Temirov Alibulat Temirbekovich

candidate of technical sciences, associate professor, dean of the faculty of radio electronics, telecommunications and multimedia technologies, Dagestan State Technical University

УДК 621.316.1.681.586:003.13 Адамов, А. П.

Балансировка энергетических характеристик сенсоров в беспроводных сенсорных сетях /

А. П. Адамов, С. Г. Семенцов, А. Т. Темиров // Надежность и качество сложных систем. — 2018. — № 3 (23). - С. 98-104. - ВОТ 10.21685/2307-4205-2018-3-12.