Rete di sensori wireless mobile - Mobile wireless sensor network

Una rete di sensori wireless mobile ( MWSN ) può essere semplicemente definita come una rete di sensori wireless (WSN) in cui i nodi del sensore sono mobili. I MWSN sono un campo di ricerca emergente più piccolo in contrasto con il loro predecessore ben consolidato. I MWSN sono molto più versatili delle reti di sensori statici in quanto possono essere implementati in qualsiasi scenario e far fronte a rapidi cambiamenti della topologia . Tuttavia, molte delle loro applicazioni sono simili, come il monitoraggio o la sorveglianza dell'ambiente . Comunemente, i nodi sono costituiti da un ricetrasmettitore radio e un microcontrollore alimentato da una batteria , nonché da una sorta di sensore per rilevare luce , calore , umidità , temperatura , ecc.

Sfide

In generale, ci sono due serie di sfide nei MWSN; hardware e ambiente. I principali vincoli hardware sono la potenza della batteria limitata e i requisiti di basso costo. La potenza limitata significa che è importante che i nodi siano efficienti dal punto di vista energetico. I limiti di prezzo spesso richiedono algoritmi a bassa complessità per microcontrollori più semplici e l'uso di una sola radio simplex . I principali fattori ambientali sono il mezzo condiviso e la topologia variabile. Il mezzo condiviso impone che l'accesso al canale debba essere regolato in qualche modo. Questa operazione viene spesso eseguita utilizzando uno schema MAC ( Medium Access Control ), come CSMA ( Carrier Detection Multiple Access ), FDMA ( Frequency Division Multiple Access ) o CDMA ( Code Division Multiple Access ). La topologia variabile della rete deriva dalla mobilità dei nodi, il che significa che i percorsi multihop dai sensori al sink non sono stabili.

Standard

Attualmente non esiste uno standard per MWSN, quindi spesso vengono presi in prestito i protocolli dei MANET, come Associativity-Based Routing (AR), Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV), Dynamic Source Routing (DSR) e Greedy Perimeter Stateless Routing ( GPSR). I protocolli MANET sono preferiti in quanto sono in grado di funzionare in ambienti mobili, mentre i protocolli WSN spesso non sono adatti.

Topologia

La selezione della topologia gioca un ruolo importante nell'instradamento perché la topologia della rete decide il percorso di trasmissione dei pacchetti di dati per raggiungere la destinazione corretta. Qui, tutte le topologie (piatta / non strutturata, cluster, albero, catena e topologia ibrida) non sono realizzabili per una trasmissione dati affidabile sulla mobilità dei nodi dei sensori. Invece della topologia singola, la topologia ibrida svolge un ruolo fondamentale nella raccolta dei dati e le prestazioni sono buone. Gli schemi di gestione della topologia ibrida includono il CIDT (Cluster Independent Data Collection Tree ). e il VELCT (Velocity Energy-efficient and Link-aware Cluster-Tree ); entrambi sono stati proposti per reti di sensori wireless mobili (MWSN).

Routing

Poiché non esiste una topologia fissa in queste reti, una delle maggiori sfide è l'instradamento dei dati dall'origine alla destinazione. Generalmente questi protocolli di routing traggono ispirazione da due campi; WSN e reti mobili ad hoc (MANET). I protocolli di routing WSN forniscono la funzionalità richiesta ma non sono in grado di gestire l'alta frequenza di modifiche alla topologia. Considerando che, i protocolli di instradamento MANET possono gestire la mobilità nella rete ma sono progettati per la comunicazione a due vie, che nelle reti di sensori spesso non è richiesta.

I protocolli progettati specificamente per MWSN sono quasi sempre multihop e talvolta adattamenti dei protocolli esistenti. Ad esempio, Dynamic Source Routing (ADSR) basato sull'angolo, è un adattamento del protocollo di rete mesh wireless Dynamic Source Routing (DSR) per MWSN. ADSR utilizza le informazioni sulla posizione per calcolare l'angolo tra il nodo che intende trasmettere, i potenziali nodi di inoltro e il sink. Questo viene quindi utilizzato per assicurare che i pacchetti vengano sempre inoltrati verso il sink. Inoltre, il protocollo LEACH ( Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy ) per WSN è stato adattato a LEACH-M (LEACH-Mobile), per MWSN. Il problema principale con i protocolli gerarchici è che i nodi mobili sono inclini a passare frequentemente tra i cluster, il che può causare grandi quantità di overhead dai nodi che devono riassociarsi regolarmente a diverse teste di cluster.

Un'altra tecnica di instradamento popolare consiste nell'utilizzare le informazioni sulla posizione da un modulo GPS collegato ai nodi. Questo può essere visto in protocolli come ZBR (Zone Based Routing), che definisce i cluster geograficamente e utilizza le informazioni sulla posizione per mantenere i nodi aggiornati con il cluster in cui si trovano. In confronto, Geographically Opportunistic Routing (GOR), è un protocollo piatto che divide l'area di rete in griglie e quindi utilizza le informazioni sulla posizione per inoltrare opportunisticamente i dati il più lontano possibile in ogni hop.

I protocolli multipath forniscono un meccanismo robusto per il routing e quindi sembrano una direzione promettente per i protocolli di routing MWSN. Uno di questi protocolli è il Data Centric Braided Multipath (DCBM) basato su query.

Inoltre, RASeR (Robust Ad-hoc Sensor Routing) e LASeR (Location Aware Sensor Routing) sono due protocolli progettati specificamente per applicazioni MWSN ad alta velocità, come quelle che incorporano UAV. Entrambi sfruttano il multipath routing, facilitato da una tecnica di "blind forwarding". L'inoltro cieco consente semplicemente al nodo trasmittente di trasmettere un pacchetto ai suoi vicini, è quindi responsabilità dei nodi riceventi decidere se inoltrare il pacchetto o lasciarlo cadere. La decisione se inoltrare o meno un pacchetto viene presa utilizzando una metrica del gradiente a livello di rete, in modo tale che i valori dei nodi trasmittenti e riceventi vengano confrontati per determinare quale è più vicino al sink. La differenza fondamentale tra RASeR e LASeR è nel modo in cui mantengono le metriche del gradiente; RASeR utilizza la trasmissione regolare di piccoli pacchetti beacon, in cui i nodi trasmettono il loro gradiente corrente. Considerando che, LASeR si basa sullo sfruttamento delle informazioni sulla posizione geografica che sono già presenti sul nodo del sensore mobile, che è probabilmente il caso in molte applicazioni.

Controllo di accesso medio

Esistono tre tipi di tecniche MAC (Medium Access Control): basate su divisione di tempo , divisione di frequenza e divisione di codice . A causa della relativa facilità di implementazione, la scelta più comune di MAC è basata sulla divisione del tempo, strettamente correlata al popolare CSMA / CA MAC. La stragrande maggioranza dei protocolli MAC che sono stati progettati pensando ai MWSN , sono adattati dai MAC WSN esistenti e si concentrano su schemi a basso consumo energetico e duty-cycle.

Validazione

I protocolli progettati per MWSN sono generalmente convalidati con l'uso di risultati analitici, di simulazione o sperimentali. I risultati analitici dettagliati sono di natura matematica e possono fornire buone approssimazioni del comportamento del protocollo. Le simulazioni possono essere eseguite utilizzando software come OPNET , NetSim e ns2 ed è il più comune metodo di convalida. Le simulazioni possono fornire approssimazioni molto ravvicinate al comportamento reale di un protocollo in vari scenari. Gli esperimenti fisici sono i più costosi da eseguire e, a differenza degli altri due metodi, non è necessario fare ipotesi. Questo li rende la forma di informazione più affidabile quando si determina come un protocollo funzionerà in determinate condizioni.

Applicazioni

Il vantaggio di consentire ai sensori di essere mobili aumenta il numero di applicazioni oltre a quelle per le quali vengono utilizzati WSN statici. I sensori possono essere collegati a una serie di piattaforme:

Persone
Animali
Veicoli autonomi
Veicoli senza pilota
Veicoli con equipaggio

Al fine di caratterizzare i requisiti di un'applicazione, può essere classificata come monitoraggio costante, monitoraggio degli eventi, mappatura costante o mappatura degli eventi. Le applicazioni di tipo costante sono basate sul tempo e come tali dati vengono generati periodicamente, mentre le applicazioni di tipo evento sono unità di eventi e quindi i dati vengono generati solo quando si verifica un evento. Le applicazioni di monitoraggio sono costantemente in esecuzione per un periodo di tempo, mentre le applicazioni di mappatura vengono solitamente distribuite una volta per valutare lo stato attuale di un fenomeno. Esempi di applicazioni includono il monitoraggio della salute, che può includere frequenza cardiaca, pressione sanguigna, ecc. Questo può essere costante, nel caso di un paziente in ospedale, o guidato da eventi nel caso di un sensore indossabile che segnala automaticamente la tua posizione a un'ambulanza squadra in caso di emergenza. Gli animali possono avere sensori collegati a loro al fine di tracciare i loro movimenti per modelli di migrazione, abitudini alimentari o altri scopi di ricerca. I sensori possono anche essere collegati a veicoli aerei senza pilota (UAV) per la sorveglianza o la mappatura ambientale. Nel caso della ricerca e soccorso assistita da UAV autonomi, questa sarebbe considerata un'applicazione di mappatura degli eventi, poiché gli UAV sono impiegati per cercare un'area ma trasmetteranno i dati solo quando una persona è stata trovata.

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