Реалізація моделі бездротової сенсорної мережі при мультимодальному розподілі вузлів

Abstract

Існує багато різних реалізацій бездротових сенсорних мереж (БСМ). Ці мережі можуть відрізнятися розміром (геометрією зони обслуговування), кількістю вузлів, інтенсивністю трафіку, просторовим розташуванням вузлів та їхньою мобільністю. Вибір методу організації радіоканалів та протоколу, що використовується для управління логічною структурою мережі, залежить від цих параметрів [1]. Різні застосування БСМ вимагають використання фіксованих або мобільних вузлів для організації мережі. Логічна структура БСМ визначається використовуваними правилами маршрутизації. У найпростішому випадку при побудові мережі збору даних часто використовується зіркоподібна структура, де всі вузли мережі розташовані в зоні обслуговування кластерного головного вузла (ГВ). Кластерний головний вузол зазвичай також виконує роль шлюзу. У цьому випадку зона обслуговування обмежена зоною ГК, яка зазвичай обмежена кількома сотнями метрів. Щоб подолати обмеження цієї структури, для виконання функцій збору даних часто використовується структура з ретрансляційною організацією та мобільними кластерними вузлами (МКВ) [2]. Використання МКВ може значно розширити зону обслуговування БСМ та покращити зв'язок з мережею. Якщо траєкторію руху МКВ обрано таким чином, щоб вона проходила через зону зв'язку кожного вузла мережі протягом певного часу, то, вибравши відповідну швидкість руху, можна зібрати дані з заданої кількості вузлів протягом цього часу [3]. У цьому випадку тривалість збору даних залежить від швидкості руху голови кластера, кількості вузлів мережі та розміру зони обслуговування. Вимога до тривалості збору даних залежить від конкретного прикладного завдання, яке має вирішити мережа. Наприклад, у мережі для моніторингу температури навколишнього середовища та вологості ґрунту тривалість збору даних може обчислюватися хвилинами або десятками хвилин, тоді як у мережі для моніторингу наявності шкідливих речовин в атмосфері тривалість збору даних повинна бути порядку секунд. На основі попередніх досліджень зазначимо, що для скорочення часу збору даних слід збільшити кількість МКВ. У цьому випадку виникають проблеми як у виборі кількості таких вузлів, так і в їх мобільності в межах зони обслуговування мережі, від чого залежить ефективність використання таких вузлів. Очевидно, що занадто велика кількість вузлів збільшує вартість мережі, тобто знижує ефективність мережі. Мережі мобільного зв'язку (ММЗ) зазвичай набагато дорожчі за фіксовані вузли, оскільки для їх переміщення потрібні транспортні засоби та енергія, а також підключення до глобальної мережі. У крайньому випадку від фіксованих вузлів можна повністю відмовитися, залишивши лише вузли мобільного зв'язку (ВМЗ), оснащені шлюзами, що 5 мінімізує час збору даних. У цьому випадку вартість мережі є найвищою. У проміжному випадку кількість мобільних вузлів повинна бути достатньою для забезпечення необхідної тривалості збору даних, але тривалість залежить не лише від кількості мобільних вузлів, але й від мобільності мобільних вузлів. Тому, як новий внесок цієї статті, ми розробляємо метод побудови мережі мобільних вузлів для підвищення ефективності використання ресурсів бездротових сенсорних мереж (БСМ). Новий метод дозволяє вибирати кластери з різною щільністю вузлів. Ідентифікація таких кластерів дозволяє використовувати мобільні головки кластерів для організації збору даних та вибору найкращої швидкості мобільного зв'язку в кожному кластері. Аналіз та моделювання демонструють ефективність запропонованої моделі. Крім того, ефективність використання мобільних головок кластерів може бути покращена відповідно до неоднорідності мереж Інтернету речей. Метою квалiфiкацiйнаої рoбoти є проектування мережі Інтернету речей у житлових районах та розробка бездротової сенсорної мережі на основі технології зв'язку ZigBee. Об’єктом дослідження виступають технології Інтернету речей у житловому районі. Практична цінність бакалаврської кваліфікаційної роботи полягає у вивчені, аналізі та класифікації систем Інтернету речей. Крім того, цей проект також досліджує існуючу систему зв'язку в житлових районах Манхеттена та вибирає пристрої, що використовуються для побудови бездротової сенсорної мережі (БСМ). БСМ моделюється за допомогою програми OMNET++. Під час процесу проектування та моделювання необхідно розрахувати такі параметри, як споживання енергії, шум у тракті передачі/прийому, дальність зв'язку, рівень затухання та співвідношення сигнал/шум.мультимодальний розподіл вузлів, мобільні кластерні вузли.There are many different implementations of wireless sensor networks (WSNs). These networks can vary in size (geometry of the service area), number of nodes, traffic intensity, spatial arrangement of nodes, and their mobility. The choice of radio channel organization method and protocol used to manage the logical structure of the network depends on these parameters [1]. Different WSN applications require the use of fixed or mobile nodes to organize the network. The logical structure of the WSN is determined by the routing rules used. In the simplest case, a star-shaped structure is often used when building a data collection network, where all network nodes are located in the service area of a cluster master node (HM). The cluster master node usually also acts as a gateway. In this case, the service area is limited to the GC area, which is usually limited to several hundred meters. To overcome the limitations of this structure, a structure with a relay organization and mobile cluster nodes (MCNs) is often used to perform data collection functions [2]. The use of MCUs can significantly expand the service area of the BSM and improve communication with the network. If the trajectory of the MCU movement is chosen so that it passes through the communication area of each network node for a certain time, then by choosing the appropriate speed of movement, it is possible to collect data from a given number of nodes during this time [3]. In this case, the duration of data collection depends on the speed of movement of the cluster head, the number of network nodes and the size of the service area. The requirement for the duration of data collection depends on the specific application task that the network must solve. For example, in a network for monitoring ambient temperature and soil moisture, the duration of data collection can be calculated in minutes or tens of minutes, while in a network for monitoring the presence of harmful substances in the atmosphere, the duration of data collection should be on the order of seconds. Based on previous studies, we note that to reduce the data collection time, the number of MCUs should be increased. In this case, problems arise both in choosing the number of such nodes and in their mobility within the network service area, which determines the efficiency of using such nodes. Obviously, too many nodes increases the cost of the network, i.e. reduces the efficiency of the network. Mobile communication networks (MCNs) are usually much more expensive than fixed nodes, since their movement requires vehicles and energy, as well as connectivity to the global network. In the extreme case, fixed nodes can be completely abandoned, leaving only mobile communication nodes (MCNs) equipped with gateways, which minimizes the data collection time. In this case, the cost of the network is the highest. In the intermediate case, the number of mobile nodes should be sufficient to ensure the required duration of data collection, but the duration depends not only on the number of mobile nodes, but also on the mobility of mobile nodes. Therefore, as a new 7 contribution of this article, we develop a method for building a mobile node network to improve the resource utilization efficiency of wireless sensor networks (WSNs). The new method allows us to select clusters with different node densities. Identification of such clusters allows us to use mobile cluster heads to organize data collection and select the best mobile communication speed in each cluster. Analysis and simulation demonstrate the effectiveness of the proposed model. In addition, the efficiency of using mobile cluster heads can be improved according to the heterogeneity of the Internet of Things networks. The purpose of the qualification work is to design an Internet of Things network in residential areas and develop a wireless sensor network based on ZigBee communication technology. The object of the research is Internet of Things technologies in a residential area. The practical value of the bachelor's qualification work is to study, analyze and classify Internet of Things systems. In addition, this project also investigates the existing communication system in residential areas of Manhattan and selects devices used to build a wireless sensor network (WSN). WSN is modeled using the OMNET++ program. During the design and modeling process, it is necessary to calculate parameters such as energy consumption, noise in the transmission/reception path, communication range, attenuation level and signal-to-noise ratio.