Mobilt trådlöst sensornätverk

Ett mobilt trådlöst sensornätverk ( MWSN ) kan helt enkelt definieras som ett trådlöst sensornätverk (WSN) där sensornoderna är mobila. MWSN är ett mindre, framväxande forskningsfält i motsats till deras väletablerade föregångare. MWSN:er är mycket mer mångsidiga än statiska sensornätverk eftersom de kan distribueras i alla scenarier och klara av snabba topologiförändringar . Men många av deras applikationer liknar varandra, till exempel miljöövervakning eller övervakning . Vanligtvis består noderna av en radiosändtagare och en mikrokontroller som drivs av ett batteri , samt någon form av sensor för att detektera ljus , värme , luftfuktighet , temperatur , etc.

Utmaningar

I stort sett finns det två uppsättningar utmaningar i MWSN:er; hårdvara och miljö. De huvudsakliga hårdvarubegränsningarna är begränsad batterikraft och lågkostnadskrav. Den begränsade effekten gör att det är viktigt att noderna är energieffektiva. Prisbegränsningar kräver ofta lågkomplexa algoritmer för enklare mikrokontroller och användning av endast en simplexradio . De viktigaste miljöfaktorerna är det delade mediet och varierande topologi. Det delade mediet dikterar att kanalåtkomst måste regleras på något sätt. Detta görs ofta med hjälp av ett medium åtkomstkontrollsystem (MAC), såsom bärvågsavkännande multipelåtkomst (CSMA), frekvensdelad multipelåtkomst (FDMA) eller koddelad multipelåtkomst (CDMA). Nätverkets varierande topologi kommer från nodernas rörlighet, vilket gör att flerhoppsvägar från sensorerna till diskbänken inte är stabila.

Standarder

För närvarande finns det ingen standard för MWSN, så ofta lånas protokoll från MANETs, såsom Associativity-Based Routing (AR), Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV), Dynamic Source Routing (DSR) och Greedy Perimeter Stateless Routing ( GPSR). MANET-protokoll är att föredra eftersom de kan fungera i mobila miljöer, medan WSN-protokoll ofta inte är lämpliga.

Topologi

Topologival spelar en viktig roll vid routing eftersom nätverkstopologin bestämmer överföringsvägen för datapaketen för att nå rätt destination. Här är alla topologier (Flat / Ostrukturerad, kluster, träd, kedja och hybridtopologi) inte möjliga för tillförlitlig dataöverföring på sensornodernas mobilitet. Istället för enkel topologi spelar hybridtopologi en viktig roll vid datainsamling, och prestandan är bra. Hybridtopologihanteringsscheman inkluderar Cluster Independent Data Collection Tree ( CIDT ). och det hastighetsenergieffektiva och länkmedvetna klusterträdet ( VELCT ); båda har föreslagits för mobila trådlösa sensornätverk (MWSN).

Routing

Eftersom det inte finns någon fast topologi i dessa nätverk är en av de största utmaningarna att dirigera data från dess källa till destinationen. Generellt hämtar dessa routingprotokoll inspiration från två fält; WSN och mobila ad hoc-nätverk (MANET). WSN-routningsprotokoll tillhandahåller den funktionalitet som krävs men kan inte hantera den höga frekvensen av topologiändringar. Medan MANET routingprotokoll kan hantera mobilitet i nätverket men de är designade för tvåvägskommunikation, vilket i sensornätverk ofta inte krävs.

Protokoll designade specifikt för MWSN är nästan alltid multihop och ibland anpassningar av befintliga protokoll. Till exempel är vinkelbaserad Dynamic Source Routing (ADSR), en anpassning av det trådlösa mesh-nätverksprotokollet Dynamic Source Routing (DSR) för MWSN. ADSR använder platsinformation för att räkna ut vinkeln mellan noden som avser att sända, potentiella vidarebefordrannoder och sänkan. Detta används sedan för att säkerställa att paket alltid vidarebefordras mot diskbänken. Dessutom Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) för WSN:er anpassats till LEACH-M (LEACH-Mobile), för MWSN:er. Huvudproblemet med hierarkiska protokoll är att mobilnoder är benägna att ofta växla mellan kluster, vilket kan orsaka stora mängder overhead från att noderna regelbundet måste återassociera sig med olika klusterhuvuden.

En annan populär routingteknik är att använda platsinformation från en GPS- modul som är ansluten till noderna. Detta kan ses i protokoll som Zone Based Routing (ZBR), som definierar kluster geografiskt och använder platsinformationen för att hålla noderna uppdaterade med det kluster de befinner sig i. I jämförelse är Geographically Opportunistic Routing (GOR) ett platt protokoll som delar upp nätverksområdet i rutnät och sedan använder platsinformationen för att opportunistiskt vidarebefordra data så långt som möjligt i varje hopp.

Flervägsprotokoll ger en robust mekanism för routing och verkar därför vara en lovande riktning för MWSN-routingprotokoll. Ett sådant protokoll är det frågebaserade Data Centric Braided Multipath (DCBM).

Dessutom är Robust Ad-hoc Sensor Routing (RASeR) och Location Aware Sensor Routing (LASeR) två protokoll som är designade specifikt för höghastighets MWSN-applikationer, till exempel de som innehåller UAV. Båda drar fördel av flervägsdirigering, som underlättas av en "blind forwarding"-teknik. Blind vidarebefordran tillåter helt enkelt den sändande noden att sända ett paket till sina grannar, det är sedan de mottagande nodernas ansvar att bestämma om de ska vidarebefordra paketet eller släppa det. Beslutet om huruvida ett paket ska vidarebefordras eller inte görs med hjälp av ett nätverksomfattande gradientmått, så att värdena för de sändande och mottagande noderna jämförs för att bestämma vilken som är närmare sinken. Den viktigaste skillnaden mellan RASeR och LASeR är hur de upprätthåller sina gradientmått; RASeR använder vanlig överföring av små beaconpaket, där noder sänder sin nuvarande gradient. Medan LASeR förlitar sig på att dra fördel av geografisk platsinformation som redan finns på den mobila sensornoden, vilket sannolikt är fallet i många applikationer.

Medium åtkomstkontroll

Det finns tre typer av medium access control (MAC) tekniker: baserad på tidsdelning , frekvensdelning och koddelning . På grund av den relativa enkla implementeringen är det vanligaste valet av MAC tidsindelningsbaserat, nära relaterat till den populära CSMA/CA MAC. De allra flesta MAC-protokoll som har utformats med MWSN:er i åtanke, är anpassade från befintliga WSN MAC:er och fokuserar på låg strömförbrukning, duty-cycle system.

Godkännande

Protokoll utformade för MWSN:er valideras vanligtvis med hjälp av antingen analytiska, simulerings- eller experimentella resultat. Detaljerade analysresultat är matematiska till sin natur och kan ge goda approximationer av protokollbeteende. Simuleringar kan utföras med programvara som OPNET , NetSim och ns2 och är den vanligaste metoden för validering. Simuleringar kan ge nära approximationer till det verkliga beteendet hos ett protokoll under olika scenarier. Fysiska experiment är de dyraste att utföra och till skillnad från de andra två metoderna behöver inga antaganden göras. Detta gör dem till den mest tillförlitliga formen av information när de ska bestämma hur ett protokoll kommer att fungera under vissa förhållanden.

Ansökningar

Fördelen med att låta sensorerna vara mobila ökar antalet applikationer utöver de för vilka statiska WSN:er används. Sensorer kan fästas på ett antal plattformar:

människor
Djur
Autonoma fordon
Obemannade fordon
Bemannade fordon

För att karakterisera kraven på en applikation kan den kategoriseras som antingen konstant övervakning, händelseövervakning, konstant kartläggning eller händelsekartläggning. Applikationer av konstant typ är tidsbaserade och som sådan genereras data periodiskt, medan applikationer av händelsetyp är händelsedrivna och därför genereras data bara när en händelse inträffar. Övervakningsapplikationerna körs ständigt under en tidsperiod, medan kartapplikationer vanligtvis distribueras en gång för att bedöma det aktuella tillståndet för ett fenomen. Exempel på applikationer inkluderar hälsoövervakning, som kan inkludera hjärtfrekvens, blodtryck etc. Detta kan vara konstant, när det gäller en patient på ett sjukhus, eller händelsestyrt i fallet med en bärbar sensor som automatiskt rapporterar din plats till en ambulans team i nödfall. Djur kan ha sensorer fästa på sig för att spåra deras rörelser för migrationsmönster, matvanor eller andra forskningsändamål. Sensorer kan också kopplas till obemannade flygfarkoster (UAV) för övervakning eller miljökartläggning. I fallet med autonom UAV-stödd sökning och räddning, skulle detta betraktas som en händelsekartläggningsapplikation, eftersom UAV:erna är utplacerade för att söka i ett område men bara kommer att överföra data tillbaka när en person har hittats.

Se även