Готовая дипломная работа

Введение 5

Обзор стандартов беспроводных сенсорных сетей 7

Перспективы развития беспроводных сенсорных сетей 14

1. Анализ протоколов и алгоритмов синхронизации беспроводных сенсорных сетей 18

1.1. IEEE 802.15.4 WPAN 18

1.2. ZigBee 30

1.3. 6LoWPAN 41

2. Разработка модели синхронизации в в беспроводных сенсорных сетях на основе спецификации ZigBee 54

2.1 Разработка моделей синхронизации беспроводных сенсорных сетей 54

2.2 Разработка алгоритма моделирования синхронизации в беспроводных сенсорных сетях 57

3. Анализ алгоритмов синхронизации в беспроводных сенсорных сетях 62

3.1. Оценка агрегации данных в БСС и анализ трафика изменения дисперсии 62

3.2. Аппроксимация автокорреляционной функции и моделирование сценария синхронизации в БСС 65

3.3. Анализ синхронизации данных сенсорных сетей 74

Заключение 87

Список использованных источников 89

В последнее время все стремительнее входят в окружение человека беспроводные сенсорные сети (БСС). Уже в недалеком будущем сенсорные сети как неотъемлемый элемент Интернета вещей смогут занять существенное место в сетях связи. Перестав являться предметом только академических изысканий, сенсорные сети в наши дни поставляются большим количеством производителей, что послужило причиной возникновения всевозможных индустриальных стандартов, которые не обеспечивают взаимную связь между оборудованием разных изготовителей.
По результатам таких работ появилось поколение стандартов IEEE 802.15.4, которые регламентируют канальный и физический уровни для формирования БСС, однако оставляют неопределенными прикладной и сетевой уровни. Дальнейшее совершенствование IP сетей обеспечило создание рабочей группы IETF 6LoWPAN с целью решить вопросы передачи пакетов IPv6 поверх каналов IEEE 802.15.4 методом, который соответствует открытым стандартам и предоставляет взаимную связь с остальными IP каналами и устройствами такими как и в стандарте IEEE 802.15.4.
Немаловажным характерным признаком беспроводных сенсорных сетей можно считать самоорганизующуюся природу подобных сетей. Узлы, сгруппированные локально между собой создают сеть и посредством одного либо нескольких шлюзов осуществляют передачу данные для дальнейшей обработки, к примеру, в сетях связи общественного пользования. Для существования соединений между сетями связи общественного пользования и сенсорными сетями требуется проведение расчета характеристик этих шлюзов, для чего следует провести исследование природы нагрузки, которая циркулирует в БСС.
Изучению сенсорных сетей посвящались работы российских и зарубежных ученых Д.А. Молчанова, Е.А. Кучерявого, В.А. Мочалова, А.Е. Кучерявого, A. Salim, W. Heinzelman, M.Younis, L. Borsani, I.F. Akyildiz. Проблемам исследования и разработки алгоритмов синхронизации в БСС до сегодняшнего дня должного внимания не уделялось.
Процесс передачи данных считается главным элементом инфокоммуникационных систем, и алгоритмы синхронизации имеют существенное значение, когда оценивается их эффективность. По результатам изысканий телетрафика сетей связи, включая LAN, WAN сети установили, что широко применяемые модели на основе Пуассоновского либо процессов связанных с ним не могут дать описание самоподобному характеру нагрузки. Такие модели могут привести к слишком оптимистической оценке пропускной способности информационно-коммуникационных сетей, недостаточному количеству ресурсов для обработки и передачи данных и сложностям в процессе гарантирования качественного обслуживания сетей.
Цель работы является исследование алгоритмов синхронизации в беспроводных сенсорных сетях, а также научное исследование нагрузки в рассматриваемых сетях как основный элемент, влияющий на синхронизацию.
Для достижения заданной цели необходимо выполнить ряд задач:
- провести исследование стандартов беспроводных сенсорных сетей;
- проанализировать актуальное применение беспроводных сенсорных сетей в современных научных исследованиях и рассмотреть перспективы развития сетей для утверждения актуальности темы исследования;
- провести исследование самых актуальных протоколов беспроводных сенсорных сетей с точки зрения синхронизации, таких как IEEE 802.15.4 WPAN, ZigBee и 6LoWPAN;
- провести анализ исходных данных для реализации моделей синхронизации в беспроводных сенсорных сетях и разработать алгоритм предлагаемого научного исследования;
- провести оценку агрегации данных и анализ трафика изменения дисперсии как ключевого момента в организации синхронизации данных беспроводных сетей;
- провести аппроксимации автокорреляционной функции и моделирование сценария синхронизации в БСС;
- на основе проведенных исследований исследовать синхронизацию данных сенсорных сетей по времени и составить соответствующие выводы по работе.

В предоставленной диссертации разрабатывались и исследовались алгоритмы синхронизации в беспроводных сенсорных сетях. Главные результаты данной работы сведены к таким положениям:
1. Рассмотрена классификация нагрузки и установлены соответственные параметры для каждого из типов обслуживания согласно типовым приложениям для БСС.
2. Создана модель сети и организации нагрузки исследования синхронизации в БСС для сбора данных с неподвижных объектов.
3. Создана модель сети и организации нагрузки исследования синхронизации в БСС для сбора данных со смешанных объектов.
4. В процессе моделирования разнообразных топологий БСС при синхронизации нагрузки определено две стадии обслуживания нагрузки - стационарный процесс и переходный процесс. Переходный процесс, при этом, не превышает 200 с для анализируемых приложений.
5. В процессе моделирования синхронизации, в частности нагрузки со смешанных объектов определено, что переходные процессы более низкого уровня появляются в течении всего процесса моделирования.
6. Обосновано, что нагрузка в результате синхронизации беспроводных сенсорных сетей имеет свойства самоподобия со средней степенью самоподобности, что дает возможность более точного описания модели нагрузки и может применяться для расчета шлюзов между общими и сенсорными сетями.
7. Обосновано, что нагрузка в беспроводных сенсорных сетях в со смешанных объектов данных имеет свойства самоподобия с высокой степенью самоподобности.
8. При помощи моделирования синхронизации были получены значения Херста для ее оценки: с неподвижных узлов среднее значение составило 0.675, для смешанных узлов - 0.687, а для нагрузки сигнализации и реконфигурации - 0.829.
9. Приобретенные результаты моделирования также изображены в виде вейвлетов Хаара и Морле, что свидетельствует о наличии самоподобия для рассмотренных процессов.
10. Описанный в работе метод синхронизации часов узлов беспроводной сенсорной сети предоставляет возможность обеспечения точности синхронизации часов 0,5 мс при периодичности в сеансах связи примерно 15 с. Гарантируется преимущество в энергопотреблении больше чем в 800 раз в сравнении с системами, которые обеспечивают синхронизацию с точностью 500 мс.