Mobiles drahtloses Sensornetzwerk - Mobile wireless sensor network

Ein mobiles drahtloses Sensornetzwerk ( MWSN ) kann einfach als ein drahtloses Sensornetzwerk (WSN) definiert werden, in dem die Sensorknoten mobil sind. MWSNs sind im Gegensatz zu ihren etablierten Vorgängern ein kleineres, aufstrebendes Forschungsgebiet. MWSNs sind viel vielseitiger als statische Sensornetzwerke, da sie in jedem Szenario eingesetzt werden können und schnelle Topologieänderungen bewältigen können . Viele ihrer Anwendungen sind jedoch ähnlich, z. B. die Überwachung der Umgebung oder die Überwachung . Üblicherweise bestehen die Knoten aus einem Funk- Transceiver und einem Mikrocontroller, der von einer Batterie gespeist wird , sowie einer Art Sensor zum Erfassen von Licht , Wärme , Feuchtigkeit , Temperatur usw.

Herausforderungen

Grundsätzlich gibt es in MWSNs zwei Arten von Herausforderungen. Hardware und Umgebung. Die Hauptbeschränkungen für die Hardware sind eine begrenzte Batterieleistung und niedrige Kostenanforderungen. Aufgrund der begrenzten Leistung ist es wichtig, dass die Knoten energieeffizient sind. Preisbeschränkungen erfordern häufig Algorithmen mit geringer Komplexität für einfachere Mikrocontroller und die Verwendung nur eines Simplex- Radios. Die wichtigsten Umweltfaktoren sind das gemeinsame Medium und die unterschiedliche Topologie. Das gemeinsam genutzte Medium schreibt vor, dass der Kanalzugriff auf irgendeine Weise geregelt werden muss. Dies erfolgt häufig unter Verwendung eines MAC-Schemas ( Medium Access Control ), wie z. B. CSMA ( Carrier Sense Multiple Access ), FDMA ( Frequency Division Multiple Access ) oder CDMA ( Code Division Multiple Access ). Die unterschiedliche Topologie des Netzwerks beruht auf der Mobilität der Knoten, was bedeutet, dass Multihop-Pfade von den Sensoren zur Senke nicht stabil sind.

Standards

Derzeit gibt es keinen Standard für MWSNs. Daher werden häufig Protokolle von MANETs ausgeliehen, z. B. assoziatives Routing (AR), Ad-hoc-Distanzvektor-Routing (AODV), dynamisches Quellrouting (DSR) und Greedy Perimeter Stateless Routing (DSR) GPSR). MANET-Protokolle werden bevorzugt, da sie in mobilen Umgebungen arbeiten können, während WSN-Protokolle häufig nicht geeignet sind.

Topologie

Die Auswahl der Topologie spielt beim Routing eine wichtige Rolle, da die Netzwerktopologie den Übertragungspfad der Datenpakete entscheidet, um das richtige Ziel zu erreichen. Hier sind nicht alle Topologien (flache / unstrukturierte, Cluster-, Baum-, Ketten- und Hybridtopologie) für eine zuverlässige Datenübertragung auf die Mobilität von Sensorknoten nicht realisierbar. Anstelle einer einzelnen Topologie spielt die Hybridtopologie eine wichtige Rolle bei der Datenerfassung, und die Leistung ist gut. Zu den hybriden Topologieverwaltungsschemata gehört der Cluster Independent Data Collection Tree ( CIDT ). und der Velocity Energy-effiziente und Link-Aware Cluster-Tree ( VELCT ); Beide wurden für mobile drahtlose Sensornetzwerke (MWSNs) vorgeschlagen.

Routing

Da es in diesen Netzwerken keine feste Topologie gibt, besteht eine der größten Herausforderungen darin, Daten von der Quelle zum Ziel zu leiten. Im Allgemeinen lassen sich diese Routing-Protokolle von zwei Bereichen inspirieren. WSNs und mobile Ad-hoc-Netzwerke (MANETs). WSN-Routing-Protokolle bieten die erforderliche Funktionalität, können jedoch die hohe Häufigkeit von Topologieänderungen nicht bewältigen. MANET-Routing-Protokolle können zwar die Mobilität im Netzwerk bewältigen, sind jedoch für die bidirektionale Kommunikation ausgelegt, die in Sensornetzwerken häufig nicht erforderlich ist.

Protokolle, die speziell für MWSNs entwickelt wurden, sind fast immer Multihop-Protokolle und manchmal Anpassungen bestehender Protokolle. Beispielsweise ist Angle-based Dynamic Source Routing (ADSR) eine Anpassung des Dynamic Source Routing (DSR) für MWSNs. ADSR verwendet Standortinformationen, um den Winkel zwischen dem zu sendenden Knoten, potenziellen Weiterleitungsknoten und der Senke zu ermitteln. Dies wird dann verwendet, um sicherzustellen, dass Pakete immer zur Senke weitergeleitet werden. Außerdem wurde das LEACH-Protokoll ( Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy ) für WSNs an LEACH-M (LEACH-Mobile) für MWSNs angepasst. Das Hauptproblem bei hierarchischen Protokollen besteht darin, dass mobile Knoten häufig zwischen Clustern wechseln, was zu einem hohen Overhead führen kann, da sich die Knoten regelmäßig mit verschiedenen Clusterköpfen neu verknüpfen müssen.

Eine andere beliebte Routing-Technik besteht darin, Standortinformationen von einem an die Knoten angeschlossenen GPS- Modul zu verwenden. Dies zeigt sich in Protokollen wie dem zonenbasierten Routing (ZBR), das Cluster geografisch definiert und die Standortinformationen verwendet, um die Knoten mit dem Cluster auf dem neuesten Stand zu halten. Im Vergleich dazu ist das geografisch opportunistische Routing (GOR) ein flaches Protokoll Dadurch wird der Netzwerkbereich in Raster unterteilt und die Standortinformationen verwendet, um Daten in jedem Hop opportunistisch so weit wie möglich weiterzuleiten.

Multipath-Protokolle bieten einen robusten Routing-Mechanismus und scheinen daher eine vielversprechende Richtung für MWSN-Routing-Protokolle zu sein. Ein solches Protokoll ist der abfragebasierte Data Centric Braided Multipath (DCBM).

Darüber hinaus sind Robust Ad-hoc Sensor Routing (RASeR) und Location Aware Sensor Routing (LASeR) zwei Protokolle, die speziell für Hochgeschwindigkeits-MWSN-Anwendungen entwickelt wurden, z. B. solche, die UAVs enthalten. Beide nutzen das Multipath-Routing, das durch eine "Blind Forwarding" -Technik erleichtert wird. Die blinde Weiterleitung ermöglicht es dem sendenden Knoten einfach, ein Paket an seine Nachbarn zu senden. Es liegt dann in der Verantwortung der empfangenden Knoten, zu entscheiden, ob sie das Paket weiterleiten oder verwerfen sollen. Die Entscheidung, ob ein Paket weitergeleitet werden soll oder nicht, wird unter Verwendung einer netzwerkweiten Gradientenmetrik getroffen, so dass die Werte der Sende- und Empfangsknoten verglichen werden, um zu bestimmen, welche näher an der Senke liegen. Der Hauptunterschied zwischen RASeR und LASeR besteht in der Art und Weise, wie sie ihre Gradientenmetriken beibehalten. RASeR verwendet die reguläre Übertragung kleiner Beacon-Pakete, bei denen Knoten ihren aktuellen Gradienten senden. Während LASeR darauf angewiesen ist, geografische Standortinformationen zu nutzen, die bereits auf dem mobilen Sensorknoten vorhanden sind, was in vielen Anwendungen wahrscheinlich der Fall ist.

Mittlere Zugangskontrolle

Es gibt drei Arten von MAC-Techniken (Medium Access Control): basierend auf Zeitteilung , Frequenzteilung und Codeteilung . Aufgrund der relativ einfachen Implementierung ist die häufigste Wahl von MAC zeitteilungsbasiert und eng mit dem beliebten CSMA / CA- MAC verwandt. Die überwiegende Mehrheit der MAC-Protokolle, die unter Berücksichtigung von MWSNs entwickelt wurden, sind an vorhandene WSN- MACs angepasst und konzentrieren sich auf Duty-Cycle-Schemata mit geringem Stromverbrauch.

Validierung

Für MWSNs entwickelte Protokolle werden normalerweise anhand von Analyse-, Simulations- oder experimentellen Ergebnissen validiert. Detaillierte Analyseergebnisse sind mathematischer Natur und können gute Annäherungen an das Protokollverhalten liefern. Simulationen können mit Software wie OPNET , NetSim und ns2 durchgeführt werden und sind die häufigste Validierungsmethode. Simulationen können unter verschiedenen Szenarien genaue Annäherungen an das tatsächliche Verhalten eines Protokolls liefern. Physikalische Experimente sind am teuersten durchzuführen und im Gegensatz zu den beiden anderen Methoden müssen keine Annahmen getroffen werden. Dies macht sie zur zuverlässigsten Form von Informationen, wenn bestimmt wird, wie ein Protokoll unter bestimmten Bedingungen funktioniert.

Anwendungen

Der Vorteil, dass die Sensoren mobil sein können, erhöht die Anzahl der Anwendungen, die über die Anwendungen hinausgehen, für die statische WSNs verwendet werden. Sensoren können an eine Reihe von Plattformen angeschlossen werden:

  • Menschen
  • Tiere
  • Autonome Fahrzeuge
  • Unbemannte Fahrzeuge
  • Bemannte Fahrzeuge

Um die Anforderungen einer Anwendung zu charakterisieren, kann sie entweder als konstante Überwachung, Ereignisüberwachung, konstante Zuordnung oder Ereigniszuordnung kategorisiert werden. Anwendungen vom Typ Konstant sind zeitbasiert und werden daher regelmäßig generiert, während Anwendungen vom Ereignistyp Ereignislaufwerk sind und Daten daher nur generiert werden, wenn ein Ereignis auftritt. Die Überwachungsanwendungen werden über einen bestimmten Zeitraum ständig ausgeführt, während Zuordnungsanwendungen normalerweise einmal bereitgestellt werden, um den aktuellen Status eines Phänomens zu bewerten. Beispiele für Anwendungen sind die Gesundheitsüberwachung, die Herzfrequenz, Blutdruck usw. umfassen kann. Dies kann im Fall eines Patienten in einem Krankenhaus konstant sein oder im Fall eines tragbaren Sensors, der Ihren Standort automatisch an einen Krankenwagen meldet, ereignisgesteuert sein Team im Notfall. An Tieren können Sensoren angebracht sein, um ihre Bewegungen für Migrationsmuster, Ernährungsgewohnheiten oder andere Forschungszwecke zu verfolgen. Sensoren können auch an unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) zur Überwachung oder Umgebungskartierung angebracht werden. Im Fall einer autonomen UAV-gestützten Suche und Rettung wird dies als Ereigniszuordnungsanwendung angesehen, da die UAVs zum Durchsuchen eines Bereichs eingesetzt werden, jedoch nur dann Daten zurücksenden, wenn eine Person gefunden wurde.

Siehe auch

Verweise