ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СХЕМ РЕТРАНСЛЯЦИИ СИГНАЛА В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ ДАТЧИКОВ

  • Алалван Амин Раад Джихад Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
  • Шаммари Наджм Абед Мандила Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
  • Д. А. Мищенко Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
  • А. А. Львов Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
  • М.С. Светлов Институт проблем точной механики и управления РАН
Ключевые слова: Беспроводные сети датчиков, повторная передача пакета, сетевое исчисление, кривая прибытия, кривая обслуживания

Аннотация

Беспроводные сети датчиков (БСД) активно внедряются в различных системах дис-
танционного наблюдения и мониторирования распределенных объектов. БСД обладают
целым рядом несомненных достоинств: гибкость, эффективность, относительная деше-
визна и возможность быстрого развертывания. Однако обмен информацией и данными
производится в БСД с помощью беспроводных каналов связи, подверженных воздействию,
как правило, неконтролируемых помех, вызывающих ошибки передачи и даже потерю пе-
редаваемых пакетов данных, что представляет собой одну из главных проблем обеспече-
ния надежности БСД. Другой не до конца решенной проблемой является неравномерное
распределение потребляемой энергии внутри БСД в условиях жестких ограничений и тре-
бований к источникам энергии. В настоящее время для предотвращения потерь передавае-
мых данных наиболее широко используются две схемы повторной передачи информации –
пошаговая и сквозная. Большинство известных исследований, посвященных вопросам надеж-
ной передачи данных в БСД с использование этих схем, выполнено экспериментальным пу-
тем. Кроме того, до сих пор отсутствуют аналитические методы оценки различных на-
дежных транспортных решений, что затрудняет анализ предлагаемых БСД. Поэтому цель
настоящей работы – синтез аналитических методов и алгоритмов исследования рабочих
характеристик ретрансляционных схем сигналов в БСД. Предлагаются аналитические ме-
тоды оценки схем повторной передачи в БСД, основанные на относительно новой теоре-
тической базе – сетевом исчислении для сетей с коммутацией пакетов, представляющем
собой инструмент определения размеров сети. Сначала вводятся модели трафика, обслу-
живания и затрат энергии. На основе этих моделей и сетевых расчетов осуществляются
аналитические оценки максимальной задержки времени передачи пакетов и энергоэффек-
тивности пошаговой и сквозной повторной передач. По результатам эксперимента срав-
ниваются в нескольких сценариях максимальная задержка и наибольшее энергопотребле-
ние этих двух схем. Кроме того, максимальная задержка, вычисленная аналитически,
сравнивается с результатами моделирования. С помощью предлагаемого метода можно
выбрать подходящую схему повторной передачи на основе различных устанавливаемых
требований и ограничений.

Литература

1. Stankovic J.A., Wood A.D., HeGreig D. Realistic Applications for Wireless Sensor Networks,
Theoretical Aspects of Distributed Computing in Sensor Networks. Monographs in Theoretical
Computer Science. An EATCS Series. Springer, Berlin, Heidelberg, 2011, pp. 835-863.
2. Akyildiz I.F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. Wireless Sensor Networks: a Survey,
Computer Networks, 2002, Vol. 38, No. 4, pp. 393-422.
3. L’vov A.A., Klenov D.V., Kuzin S.A., Svetlov M.S., L’vov P.A. Radar-Based Wireless Sensor
Network for Distributed Measurement Systems, Proc. of the Int. Conf. on Systems of Signal
Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications. Minsk, Belarus, 2018,
pp. 1-6. DOI: 10.1109/SYNCHROINFO.2018.8457040/.
4. L’vov A.A., L’vov P.A., Svetlov M.S., Kuzin S.A. Raspredelyonnaya sistema datchikov dlya
avioniki, upravlyaemaya po besprovodnomu kanalu [Distributed sensor system for avionics,
wirelessly controlled], Nadezhnost’ i kachestvo [Re iabi ity and Qua ity]: TRudy’ Mezhdunar. Symp.
[Proc. of Int. Symp.]. Penza: PSU, 2017, Vol. 1, pp. 100-103.
5. Klenov D.V., L'vov A.A., L'vov P.A., Kuzin S.A., Svetlov M.S. Raspredelennaya sistema
datchikov dlya upravleniya na osnove besprovodnogo radiokanala svyazi [Distributed sensor
system for control based on wireless radio communication channel], Sistemnyy sintez iprikladnaya sinergetika: Sb. tr. VIII Vseros. nauch. konf. [System synthesis and Applied
Synergetics: Proceedings of the VIII All-Russian Scientific Conference]. Rostov-on-Don; Taganrog:
Izd-vo YuFU, 2017, pp. 306-313.
6. Kuzin S.A., Sokolov D.N., Ivzhenko S.P., Umnova E.G., Pchelintseva E.G., Frolova N.B.
Model' besprovodnoy sensornoy seti povyshennoy proizvoditel'nosti i nadezhnosti [A model
of a wireless sensor network of increased performance and reliability], Problemy upravleniya,
obrabotki i peredachi informatsii: Sb. tr. VI Mezhdunar. nauch. konf. [Problems of control,
processing and transmission of information: Proceedings of the VI International Scientific
C nference]. Sarat v: OOO SOP «L di», 2019, pp. 495-502.
7. Klenov D.V., L'vov A.A., L'vov P.A., Svetlov M.S., Svetlova M.K. Informatsionnyy kanal
povyshennoy pomekhoustoychivosti v raspredelennykh besprovodnykh bortovykh sistemakh
[Information channel of increased noise immunity in distributed wireless onboard systems],
Sistemnyy sintez i prikladnaya sinergetika: Sb. tr. VIII Vseros. nauch. konf. [System synthesis
and applied synergetics: Proceedings of the VIII All-Russian Scientific Conference]. Rostovon-
Don; Taganrog: Izd-vo YuFU, 2017, pp. 314-321.
8. L'vov A.A., Kuzin S.A., Svetlov M.S., L'vov P.A. Modelirovanie raspredelennoy sistemy
datchikov davleniya na osnove besprovodnogo radiokanala svyazi [Modeling a distributed system
of pressure sensors based on a wireless radio communication channel], Virtual'noe
modelirovanie, prototipirovanie i promyshlennyy dizayn: Mater. V Mezhdunar. nauch.-prakt.
konf. [Virtual modeling, prototyping and industrial design: materials of the V International
scientific-practical conference]: in 3 vol. Vol. 1. Tambov: Izd. tsentr «TGTU», 2018, Issue 5,
pp. 54-60.
9. Kuzin S.A., Al'-Tai O.D.M., Belyanskaya I.A. Model'nye issledovaniya energoeffektivnoy
peredachi signalov dannykh v besprovodnoy sensornoy seti [Model studies of energy-efficient
transmission of data signals in a wireless sensor network], Problemy upravleniya, obrabotki i
peredachi informatsii: Sb. tr. VI Mezhdunar. nauch. konf. [Problems of management, processing
and transmission of information: Proceedings of the VI International Scientific Conference].
Saratov: OOO SOP «L di», 2019, pp. 503-513.
10. Alalvan A.R.D., L'vov P.A., Svetlov M.S., L'vov A.A., Mishchenko D.A., Nikiforov A.A.
Problemy obespecheniya nadezhnosti besprovodnykh setey datchikov [Problems of ensuring
the reliability of wireless sensor networks], Sistemnyy sintez i prikladnaya sinergetika: Sb. tr.
X Vseros. nauch. konf. [System synthesis and Applied Synergetics: Proceedings of the X All-
Russian Scientific Conference]. Rostov-on-Don; Taganrog: Izd-vo YuFU, 2021, pp. 273-280.
11. J., Mukherjee B., Ghosal D. Wireless Sensor Network Survey, Computer Networks, 2008,
Vol. 52, pp. 2292-2330.
12. Prodanovic R., Rancic D., Vulic I., Zoric N., Bogicevic D., Ostojic G., Sarang S., Stankovski S.
Wireless Sensor Network in Agriculture: Model of Cyber Security, Sensors, 2020, Vol. 20
(6747), pp. 1-22. DOI: 10.3390/s20236747.
13. Muduli L., Mishra D.P., Jana P.K. Application of wireless sensor network for environmental
monitoring in underground coal mines: A systematic review, Journal of Network and Computer
Applications, 2018, Vol. 106, pp. 48-67.
14. Culler D., Estrin D., Srivastava M. Overview of Sensor Networks, IEEE Computer, 2004,
Vol. 37, No. 8, pp. 41-49.
15. Park S.J., Vedantham R., Sivakumar R., Akyildiz I.F. A Scalable Approach for Reliable Downstream
Data Delivery in Wireless Sensor Networks, Proc. of the 5th ACM Int. Symp. on Mobile ad
hoc Networking and Computing, 2004, pp. 78-89.
16. Wan C.Y., Campbell A.T., Krishnamurthy L. PSFQ: a Reliable Transport Protocol for Wireless
Sensor Networks, Proc. of the 1st ACM Int. Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications,
2002, pp. 1-11.
17. Pai H., Sung J., Han Y.S. Adaptive Retransmission for Distributed Detection in Wireless Sensor
Networks, IEEE Int. Conf.e on Sensor Networks, Ubiquitous, and Trustworthy Computing
(SUTC’06), 2006, pp. 2-7.
18. Boudec J., Thiran P. Network Calculus: A Theory of Deterministic Queuing Systems for the
Internet. Springer, LNCS 2050, 2004.
19. Schmitt J.B., Roedig U. Sensor Network Calculus – a Framework for Worst Case Analysis,
Proc. IEEE/ACM Int. Conf. on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS’05), 2005,
pp. 141-154.
20. Koubaa A., Alves M., Tovar E. Modeling and Worst-case Dimensioning of Cluster-tree Wireless
Sensor networks, Proc. 27th IEEE Int. Real-time Systems Symp. (RTSS’06), 2006, pp. 412-421.
21. Roedig U., Gollan N., Schmitt J.B. Validating the Sensor Network Calculus by Simulations,
Proc. 2nd Performance Control in Wireless Sensor Networks Workshop at the 2007 WICON
Conf., 2007, Article No. 34, pp. 1-8.
22. Liu B., Ren F., Lin C., Ouyang Y. Performance Analysis of Retransmission and Redundancy
Schemes in Sensor Networks, Proc. IEEE Int. Conf. on Communications (ICC’08), 2008,
pp. 4407-4413.
23. Schmitt J.B., Zdarsky F.A., Thiele L. A Comprehensive Worst Case Calculus for Wireless Sensor
Networks with In-network Processing, Proc. 28th IEEE Int. Real-time Systems Symposium
(RTSS’07), 2007, pp. 193-202.
24. Xia F. QoS Challenges and Opportunities in Wireless Sensor/Actuator Networks, Sensors,
2008, Vol. 8, No. 2, pp. 1099-1110.
25. Raghunathan V., Schurgers C., Park S., Srivastava M.B. Energyaware Wireless Microsensor
Networks, IEEE Signal Processing Magazine, 2002, Vol. 19, No. 3, pp. 40–50.
26. Taddia C., Mazzini G. On the Retransmission Method in Wireless Sensor Networks, 28th
IEEE Int. Real-Time Systems Symp., 2007, pp. 193-202.
27. Crossbow Technology. Mica2 Data sheet. Available at: http://www.xbow.com/ products/
Product pdf files /Wireless pdf/MICA2 Datasheet.pdf (accessed 12 May 2021).
Опубликован
2021-12-24
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ