Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами

Стаття присвячена розробці нової архітектури побудови системи управління безпроводовою сенсорною мережею з різнорідними сенсорами, здатними до сомоорганізації інформаційного обміну, а також адаптивними до умов функціонування, які неможливо передбачити у процесі проектування....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Романюк, В.А., Лисенко, О.І., Алєксєєва, І.В., Романюк, А.В., Новіков, В.І.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут проблем математичних машин і систем НАН України 2017
Schriftenreihe:	Математичні машини і системи
Schlagworte:	Обчислювальні системи
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125557
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами / В.А. Романюк, О.І. Лисенко, І.В. Алєксєєва, А.В. Романюк, В.І. Новіков // Математичні машини і системи. — 2017. — № 2. — С. 15-23. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-125557
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1255572025-02-09T14:55:24Z Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами Подходы к разработке новой архитектуры системы управления неоднородными беспроводными сенсорными сетями Approaches to the development of a new architecture of management system of heterogeneous wireless sensor networks Романюк, В.А. Лисенко, О.І. Алєксєєва, І.В. Романюк, А.В. Новіков, В.І. Обчислювальні системи Стаття присвячена розробці нової архітектури побудови системи управління безпроводовою сенсорною мережею з різнорідними сенсорами, здатними до сомоорганізації інформаційного обміну, а також адаптивними до умов функціонування, які неможливо передбачити у процесі проектування. Статья посвящена разработке новой архитектуры построения системы управления беспроводной сенсорной сетью с разнородными сенсорами, способными к самоорганизации информационного обмена, а также адаптивными к условиям функционирования, которые невозможно предусмотреть в процессе проектирования. The purpose of this research is to develop a new architecture of building management system of wireless sensor network with heterogeneous sensors that are able to self-organize information exchange as well as are adaptive to conditions of functioning that are impossible to predict in design process. 2017 Article Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами / В.А. Романюк, О.І. Лисенко, І.В. Алєксєєва, А.В. Романюк, В.І. Новіков // Математичні машини і системи. — 2017. — № 2. — С. 15-23. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1028-9763 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125557 621.396 uk Математичні машини і системи application/pdf Інститут проблем математичних машин і систем НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Обчислювальні системи Обчислювальні системи
spellingShingle	Обчислювальні системи Обчислювальні системи Романюк, В.А. Лисенко, О.І. Алєксєєва, І.В. Романюк, А.В. Новіков, В.І. Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами Математичні машини і системи
description	Стаття присвячена розробці нової архітектури побудови системи управління безпроводовою сенсорною мережею з різнорідними сенсорами, здатними до сомоорганізації інформаційного обміну, а також адаптивними до умов функціонування, які неможливо передбачити у процесі проектування.
format	Article
author	Романюк, В.А. Лисенко, О.І. Алєксєєва, І.В. Романюк, А.В. Новіков, В.І.
author_facet	Романюк, В.А. Лисенко, О.І. Алєксєєва, І.В. Романюк, А.В. Новіков, В.І.
author_sort	Романюк, В.А.
title	Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами
title_short	Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами
title_full	Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами
title_fullStr	Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами
title_full_unstemmed	Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами
title_sort	підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами
publisher	Інститут проблем математичних машин і систем НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Обчислювальні системи
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125557
citation_txt	Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами / В.А. Романюк, О.І. Лисенко, І.В. Алєксєєва, А.В. Романюк, В.І. Новіков // Математичні машини і системи. — 2017. — № 2. — С. 15-23. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
series	Математичні машини і системи
work_keys_str_mv	AT romanûkva pídhodidorozrobkinovoíarhítekturisistemiupravlínnâneodnorídnimibezprovodovimisensornimimerežami AT lisenkooí pídhodidorozrobkinovoíarhítekturisistemiupravlínnâneodnorídnimibezprovodovimisensornimimerežami AT alêksêêvaív pídhodidorozrobkinovoíarhítekturisistemiupravlínnâneodnorídnimibezprovodovimisensornimimerežami AT romanûkav pídhodidorozrobkinovoíarhítekturisistemiupravlínnâneodnorídnimibezprovodovimisensornimimerežami AT novíkovví pídhodidorozrobkinovoíarhítekturisistemiupravlínnâneodnorídnimibezprovodovimisensornimimerežami AT romanûkva podhodykrazrabotkenovojarhitekturysistemyupravleniâneodnorodnymibesprovodnymisensornymisetâmi AT lisenkooí podhodykrazrabotkenovojarhitekturysistemyupravleniâneodnorodnymibesprovodnymisensornymisetâmi AT alêksêêvaív podhodykrazrabotkenovojarhitekturysistemyupravleniâneodnorodnymibesprovodnymisensornymisetâmi AT romanûkav podhodykrazrabotkenovojarhitekturysistemyupravleniâneodnorodnymibesprovodnymisensornymisetâmi AT novíkovví podhodykrazrabotkenovojarhitekturysistemyupravleniâneodnorodnymibesprovodnymisensornymisetâmi AT romanûkva approachestothedevelopmentofanewarchitectureofmanagementsystemofheterogeneouswirelesssensornetworks AT lisenkooí approachestothedevelopmentofanewarchitectureofmanagementsystemofheterogeneouswirelesssensornetworks AT alêksêêvaív approachestothedevelopmentofanewarchitectureofmanagementsystemofheterogeneouswirelesssensornetworks AT romanûkav approachestothedevelopmentofanewarchitectureofmanagementsystemofheterogeneouswirelesssensornetworks AT novíkovví approachestothedevelopmentofanewarchitectureofmanagementsystemofheterogeneouswirelesssensornetworks
first_indexed	2025-11-27T01:30:22Z
last_indexed	2025-11-27T01:30:22Z
_version_	1849905152065011712
fulltext	© Романюк В.А., Лисенко О.І., Алєксєєва І.В., Романюк А.В., Новіков В.І., 2017 15 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 УДК 621.396 В.А. РОМАНЮК * , О.І. ЛИСЕНКО , І.В. АЛЄКСЄЄВА , А.В. РОМАНЮК , В.І. НОВІКОВ ПІДХОДИ ДО РОЗРОБКИ НОВОЇ АРХІТЕКТУРИ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ НЕОДНОРІДНИМИ БЕЗПРОВОДОВИМИ СЕНСОРНИМИ МЕРЕЖАМИ * Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації, Київ, Україна ** Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна Анотація. Стаття присвячена розробці нової архітектури побудови системи управління безпро- водовою сенсорною мережею з різнорідними сенсорами, здатними до сомоорганізації інформацій- ного обміну, а також адаптивними до умов функціонування, які неможливо передбачити у процесі проектування. Ключові слова: безпроводова сенсорна мережа, сенсорний вузол, функціональна модель системи управління мережею. Аннотация. Статья посвящена разработке новой архитектуры построения системы управления беспроводной сенсорной сетью с разнородными сенсорами, способными к самоорганизации ин- формационного обмена, а также адаптивными к условиям функционирования, которые невоз- можно предусмотреть в процессе проектирования. Ключевые слова: беспроводная сенсорная сеть, сенсорный узел, функциональная модель системы управления сетью. Abstract. The purpose of this research is to develop a new architecture of building management system of wireless sensor network with heterogeneous sensors that are able to self-organize information exchange as well as are adaptive to conditions of functioning that are impossible to predict in design process. Keywords: wireless sensor network, sensor node, functional model of the network management system. 1. Вступ Безпроводові сенсорні мережі (БСМ) визначені як одна з найважливіших технологій XXI сторіччя. БСМ – це сукупність розподілених на території мініатюрних безпроводових сен- сорних вузлів (стаціонарних і мобільних, призначених для збору інформації про параметри оточуючого середовища і передачі цієї інформації на спеціальні інформаційні центри). Одержана безпроводовим сенсорним вузлом інформація передається на один або декілька шлюзів безпосередньо або шляхом ретрансляції через проміжні сенсорні вузли. У випадку, коли території для моніторингу дуже великі, як шлюзи можуть використовуватися сенсор- ні вузли на базі безпілотних літальних апаратів (БЛА) або мобільних роботів. Простота установлення, відносна дешевизна та висока ефективність БСМ сприяли широкому застосуванню в різноманітних галузях: сільському господарстві, промисловості, охороні навколишнього середовища тощо [1]. Проте наведені приклади застосування БСМ передбачають їх попередню інсталяцію і налаштування, що часто неможливо в умовах мо- ніторингу об’єктів критичної інфраструктури, територій у зонах стихійного лиха (техно- генних аварій), а також при веденні активних бойових дій у тактичній ланці управління військами. В таких умовах можливим виходом із ситуації є використання БСМ, побудова- них за принципом MANET (Mobile Ad-Hoc Networks), що дозволяє створювати радіомере- жу, здатну до самоорганізації і адаптації вузлів до умов функціонування, які неможливо передбачити у процесі проектування. Такі БСМ будуть функціонувати в автоматичному або напівавтоматичному режимі, тому сенсорні вузли повинні мати можливість приймати рішення щодо управління вузло- вими і мережевими ресурсами без участі людини. 16 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 БСМ критичного застосування будуть неоднорідними і можуть складатися з сукуп- ності сенсорів (і, відповідно, мереж) різних типів: стаціонарних, мобільних, повітряних, підводних тощо, що дозволяють моніторити значну кількість фізичних параметрів на знач- них територіях (просторах). Особливістю сенсорних мереж є обмеженість ресурсів (енергетичних, обчислюва- льних, пам’яті, радіо). Цілі управління БСМ значно відрізняються від цілей управління традиційними мережами. Сенсорні вузли повинні здійснювати: – тривалий моніторинг заданих параметрів середовища і передачу одержаної інфо- рмації моніторингу до споживачів; – забезпечити розподілене кооперативне функціонування в умовах обмежених ре- сурсів; – підтримувати задану продуктивність мережі; – мінімізувати витрати енергії тощо. Для реалізації даних функцій у склад БСМ повинна входити система управління (СУ), яка має забезпечувати моніторинг і передачу трафіка моніторингу з заданою якістю в умовах несприятливих зовнішніх впливів. Тобто ефективність функціонування БСМ бага- то в чому залежить від ефективності процесів управління даною мережею і, відповідно, варіантів (способів) побудови системи управління. 2. Аналіз останніх публікацій Класичні підходи, пов’язані з побудовою систем управління мережами, орієнтовані на ста- тичні умови їх функціонування і передбачають наявність виділеної мережі обміну службо- вою інформацією [2]. Підходи до побудови СУ мережами MANET [3] не враховують значну обмеженість ресурсів вузлів БСМ, хоча можуть слугувати основою при створенні СУ БСМ. Запропоновані підходи [4–9] до побудови СУ БСМ розглядають різні аспекти управління даними мережами. В [4] наводиться класифікація і розглядаються різноманітні варіанти побудови СУ БСМ. Так, системи управління MANNA (Management Architecture for Wireless Sensor Net- works) і BOSS (Bridge Ofthe SensorS) представляють традиційні підходи управління мере- жею, основані на моніторингу стану мережі і управлінні нею. Також аналізуються СУ БСМ, орієнтовані на управління ресурсами потужності: Agent-BasedPowerManagement, SenOS, AppSleep, Node-EnergyLevelManagement або які реалізують функції управління трафіком: Siphon, DSN RM, WinMS та інші. У роботі [5] запропоновано функціональний підхід до управління БСМ. Розгляда- ються підсистеми управління маршрутизацією, трафіком, витратами енергії і виявленням відмов. У роботі [6] запропонована центральна система управління, побудована на SNMP- протоколі (Simple Network Management Protocol) і яка дозволяє управляти роботою неве- ликої сенсорної мережі. У [7] акцентовано увагу на необхідність координації цільових функцій управління топологією і маршрутизацією при їх реалізації в системі управління. У [8] розглянуті питання усунення відмов у мережі. У [9] багатоагентний підхід, при якому кожний агент СУ виконує певну функцію управління. У [10] пропонується здійснювати багатокритеріальну оптимізацію ряду задач управління (максимізувати покриття, мінімізувати потужність передачі, мінімізувати кіль- кість активних вузлів з одержанням зв’язкової топології) з використанням генетичних ал- горитмів. ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 17 Метою статті є розробка нової архітектури побудови системи управління БСМ з рі- знорідними сенсорами критичної інфраструктури. 3. Основна частина Підходи до побудови СУ БСМ базуються на досягненнях сучасної теорії управління мере- жами і теорії розподілених систем. Виділимо основні особливості системи управління БСМ: – багатовимірність, що обумовлена великою кількістю підсистем, елементів і зв’язків між ними; – багатопараметричність, що визначається різноманітністю цілей окремих підсис- тем, різноманітність їх характеристик, вимог і показників ефективності; – багатофункціональність та ієрархічність, що випливає з необхідності розв’язання різних задач управління на різних рівнях і етапах функціонування системи; – сильна залежність характеру функціонування від параметрів БСМ і зовнішніх впливів. У той же час до системи управління БСМ висуваються такі основні вимоги: – забезпечення моніторингу заданих об’єктів (зон) у заданий час; – передача різних типів трафіка (дані, відео, голосові повідомлення) моніторингу з заданою якістю; – забезпечення адаптивного і розподіленого функціонування мережі з можливістю її самоорганізації; – прийняття рішень у реальному або близькому до реального масштабу часі; – оптимізація характеристик мережі (в першу чергу максимізація часу її життя, мі- німальне завантаження мережі службовою інформацією, максимізація площі покриття, баланс витрати енергії вузлів, мінімізація потужності передачі вузлів, мінімізація кількості активних вузлів, оптимізація топології і зв’язності активних вузлів тощо); – максимальна автоматизація процесів управління мережею. Архітектура СУ БСМ може бути реалізована централізованим, децентралізованим та ієрархічним способами. У централізованій СУ провідну роль відіграє базова станція. Вона збирає інформа- цію про всі вузли і керує всією мережею. Переваги даної архітектури – це необмеженість ресурсів базової станції, що дозволяє проводити аналіз стану мережі, вирішувати задачі управління значної обчислювальної складності і розраховувати необхідні параметри для всієї мережі, зменшуючи тим самим витрати енергоресурсу самих сенсорних вузлів. Недо- ліками можна вважати низьку живучість даної системи і концентрацію трафіка навколо базової станції. Децентралізовані системи управління, що реалізовані на кожному сенсорному вузлі, мають високу живучість, але потребують міжвузлової координації і значного службового трафіка при зміні умов функціонування мережі. До того ж необхідна розробка ефективних децентралізованих алгоритмів функціонування і витрат обчислювальних і зв’язкових ресу- рсів на їх виконання, що, у свою чергу, призводить до додаткової витрати енергоресурсів вузлів. Ієрархічна архітектура передбачає введення в мережі множини головних вузлів, які з’єднані з певними групами сенсорних вузлів і відповідають за їх функціонування, і засто- совується при значній розмірності мережі. Всі головні вузли підключено до базової стан- ції. Виходячи з особливостей СУ і вимог, що пред’являються до неї, можна визначити основні принципи її функціонування: адаптивність, функціональність, ієрархічність, роз- поділеність і координація взаємодії, оптимальність. 1. Принцип адаптивного управління. Внаслідок значної початкової невизначеності 18 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 мережі, що обумовлена інерційністю системи контролю її стану і її ідентифікації, а також невизначеністю стану зовнішнього середовища, оперативне управління повинно бути ада- птивним. 2. Принцип функціональності управління. Об’єднання функцій системи управління у відносно незалежні групи дозволяє здійснити декомпозицію управління мережею на дві основні підсистеми (що значно спрощує задачу розробки математичного забезпечення управління): управління процесом моніторингу і управління процесом передавання цієї інформації. У свою чергу ці підсистеми управління мережею будуть включати такі функ- ції: контроль елементів мережі і якості обслуговування потоків даних; збирання службової інформації про стан мережі; управління побудовою і підтримкою маршрутів; управління топологією мережі; управління безпекою; управління радіоресурсами; управління наван- таженням; планування, коригування і навчання тощо. 3. Принцип координації та взаємодії. Внаслідок децентралізованого управління рі- шення задач управління передбачає взаємодію між вузлами за цілями, функціями управ- ління, розподілом ресурсів тощо. 4. Принцип оптимальності управління. Оптимальне управління є компромісом між оперативністю та обґрунтованістю керуючих впливів, що є однією з найскладніших задач, які належить розв’язати при побудові системи управління БСМ. 5. Принцип автоматизації та інтелектуалізації процесів управління. Його реаліза- ція повинна мінімізувати участь людини у процесі управління тактичними мережами. 6. Принцип ієрархічності управління. Функціональну структуру системи управління можна представити ієрархічною структурою з вертикальними зв’язками, які визначають підпорядкованість задач, що виконуються: на нижньому рівні вирішуються задачі управ- ління сенсорним вузлом мережі; на верхньому – задачі управління всією БСМ. Пропонується нова функціональна модель системи управління мережею, яка врахо- вує цикл управління (рис. 1): 1. Збір інформації про стан мережі (при цьому системі управління необхідно прий- мати рішення за обсягом, типом, способом, рівнями, функціями збору службової інформа- ції). Цикл управління БСМ Збір інформації про стан БСМ Прийняття рішення За обсягом За типом За способом -фізичний; -канальний; Аналіз -глобальний; -локальний (зоновий) -в міру необхідності; -періодичний; -за подіями; -“джерел” -хвильовий; -напр. хвиля; -підмережа -маршрутизація; -управління топологією; -управління навантаженням; -управління радіоресурсом; -оптимізація БСМ; -управління передачею пакетів за маршрутами За рівнями OSI -мережевий; -транспортний; За функціями -фіксований -адаптивний; За цілями -оптимізація зони БСМ; Реалізація рішення -пасивний; -активний -безперервний -супровідної інформації -управління безпекою; -окремими повідомленнями; - кооперовано; - ізольовано -оптимізація напряму За способом -утримання параметрів; -прикладний Моніторинг Передача Рис. 1. Класифікація задач оперативного управління в циклі управління БСМ 2. Аналіз даної інформації – ідентифікується ситуація в мережі, визначаються рі- вень виконання мережею своїх функцій, необхідність керуючого впливу, цілі управління з подальшою деталізацією їх на підцілі. 3. Прийняття рішення (вибір способу моніторингу, обчислення маршруту, вибір ме- тоду передачі, способу розсилання службової інформації тощо). ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 19 4. Реалізація рішення (розсилання службової інформації, резервування ресурсу, установлення потужності передачі тощо). Функціональна модель складається з таких основних підсистем (рис. 2): – збір та зберігання інформації про стан мережі; – аналіз і прийняття рішень: окремо по моніторингу і процесу передавання даних; – інтелектуалізація та координація; – управління витратами енергоресурсу вузлів; – реалізація рішень щодо управління мережею. Неоднорідні сенсорні мережі Підсистема збору і зберігання Інформації про стан мережі Підсистема управління витратами енергоресурсу вузлів Підсистема координації і інтелектуалізації Підсистема реалізації рішень Вузол Система управління мережею База методів управління по функціях управління: – управління розгортанням; – управління топологією; – управління моніторингом; – управління маршрутизацією; – управління якістю передачі та ін. База даних Підсистема управління навантаженням Управління мережею за передачею даних Підсистема управління радіоресурсом Підсистема управління маршрутизацією Підсистема управління топологією Підсистема забезпечення безпекою Підсистема управління якістю обслуговування при передачі інформації База методів управління по передачі даних по OSI: – прикладного рівня; – мережевого рівня; – транспортного рівня; – канального рівня; – фізичного рівня База знань по реалізації методів управління Підсистеми аналізу та прийняття рішень Підсистема управління розгортанням Управління моніторингом Підсистема управління покриттям Підсистема управління якістю моніторингу Підсистема ідентифікації об‘єктів (цілей) Рис. 2. Функціональна модель системи оперативного управління БСМ 1. Підсистема збору і зберігання інформації про стан мережі повинна здійснювати збір інформації про стан мережі та її збереження в базі даних. Методи збирання інформації можна класифікувати (рис. 1): – за обсягом – глобальний та локальний (зоновий); – за типом – фіксований і адаптивний; – за регулярністю – періодичний, за подіями (у міру необхідності) і неперервний; – за аналізом транзитного трафіка – пасивний (не передбачає розсилання службової інформації) і активний; – за способом передавання службової інформації – «хвильовий» ( напрямлена «хви- ля», за виділеною під мережею) і «джерельний» (передача інформації за завчасно визначе- ним маршрутом). Різні функції (рівні) управління вимагають різного обсягу (кількості параметрів) і глибини збору інформації про стан мережі. Глибина збору i-м вузлом мережі зазвичай ви- значається відстанню (площею при наявності системи позиціонування), вираженою кількі- стю ретрансляційних дільниць від даного вузла. Звісно, знання повної інформації про ме- режу дозволяє приймати більш обґрунтовані рішення, проте призводить до значного росту службового трафіка в умовах динаміки топології і вхідного трафіка. Тому класичні рішен- ня оптимального розподілу потоків у мережі не прийнятні в БСМ, оскільки потребують знання глобального контролю мережі, що неможливо в БСМ. Отже, необхідний пошук 20 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 рішень користувальницької оптимізації при мінімізації ресурсів мережі та їх одержання в умовах неповної інформації про її стан. 2. Підсистема аналізу і прийняття рішень по процесах моніторингу та передачі да- них. Управління моніторингом включає такі функції: – управління розгортанням – збір інформації про об’єкти спостереження, визначен- ня методів (способів) розміщення вузлів, вибір типу і кількості сенсорних вузлів з ураху- ванням параметрів і середовища моніторингу, типу організації сенсорної мережі, одержан- ня зв’язної мережі тощо; – управління покриттям – визначення типу покриття об’єкта (цілі, площі, зони, сек- тора, вибір моделі покриття в залежності від ступеня і коефіцієнта покриття); – управління спостереженням – розрахунок активних сенсорних вузлів, сесій спо- стереження сенсорів і мережевої зв’язності тощо; – управління якістю моніторингу. Процес прийняття рішень по управлінню моніторингом включає таку послідовність дій: аналіз об’єкта моніторингу (кількість, площа, час, кількість параметрів моніторингу тощо) – вибір мережі (способу) моніторингу – визначення функції управління – визначен- ня рівня реалізації OSI для процесу передачі. Управління процесом передачі містить такі етапи (рис. 3): 1. Збір інформації про стан мережі (СУ приймає рішення про обсяг, частоту, глиби- ну способу збору інформації). Система управлінія (вузла, базової станції)) Вимоги до якості обслуговування Вибір керуючого впливу Визначення параметрів оптимізації Визначення поточної цільової функції Множина мережевих цільових функцій Визначення об’єкта впливу Узгодження поточної цільової функції з іншими сенсорами Інформація про стан сенсора Сенсор Идентифікація стану мережі (зони) Множина цільових функцій для користувача Множина цільових функцій моніторингу Координація цільових функцій СУ СУ СУ Сенсор Сенсор База даних стану ме- режі Узгодженість поточної цільової функції Рішення Рис. 3. Процес прийняття рішення системою управління 2. Аналіз інформації про стан мережі. СУ ідентифікує ситуацію в мережі (зоні і са- мому вузлі), перевіряє виконання мережею своїх функцій і визначає необхідність керуючої дії. 3. Виявлення цілі управління з наступною деталізацією їх на підцілі і прийняття рі- шення. Система управління БСМ: – визначає поточну множину параметрів оптимізації – мережевих і користувальни- цьких; – визначає об’єкти управління (вузол, зона, напрямок); ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 21 – визначає поточну цільову функцію (функції) управління (маршрутизація, енерго- забезпечення тощо); – узгоджує (координує) її з сусідніми сенсорними вузлами (якщо вузли одного ран- гу) або призначає її підпорядкованим сенсорним вузлам (якщо це центр управління БСМ або головний вузол зони БСМ); – вибирає керуючу дію по етапах. 3. Підсистема реалізації рішення здійснює установлення певних параметрів мережі: потужності передавання вузлів, способу моніторингу, резервування ресурсу, розсилання службових повідомлень тощо. 4. Підсистема координації інтелектуалізації. Існуючі підходи до проектування теле- комунікаційних мереж зв’язку передбачають незалежність функцій управління за рівнями OSI. Так, стек протоколів кожного рівня працює незалежно. Проте даний підхід не врахо- вує особливості БСМ і не дозволяє забезпечити оптимізацію показників ефективності на кожному рівні OSI (або в цілому) при різних умовах функціонування мережі і вимогах пе- вного типу трафіка (інформації моніторингу). В умовах змішаного управління (частка функцій виконується централізовано центрами управління БСМ, а друга децентралізовано – вузлами) можна визначити дві вза- ємозалежні групи цілей: мережеві (зонові) – оптимізація мережевих або зонових показників ефективності; користувальницькі – досягнення заданої якості передачі між сенсорними вузлами та шлюзами, тобто оптимізація за напрямком передачі. До мережевих (зонових) цілей управління можна віднести оптимум таких парамет- рів 1 2{ , ,..., }i nC C C C : 1C – ступінь покриття території моніторингу сенсорними вузлами (рухомими чи стаціонарними); 2C – час функціонування БСМ (її зони) у разі її автономної роботи; 3C – продуктивність всієї БСМ чи її зони; 4C – структурна надійність (зв'язність) мережі, її зон; 5C – кількість ресурсів (стаціонарних та мобільних сенсорів, аероплатформ тощо), які необхідно задіяти для досягнення певної мети; 6C – потужність передач вузлів мережі чи її зони; 7C – обсяг службового трафіка, який генерується для збору інформації про стан БСМ; 8C – час планування, розгортання, відновлення БСМ; 9C – параметри безпеки і т.д. Для координації управління по моніторингу і передавання (за рівнями OSI) пропо- нується введення надбудови координації (cross-level). Пропонується введення в підсистему координації і інтелектуалізації бази методів управління, кожен з яких ефективний при різних ситуаціях на мережі. Методи управління розбиті на дві підгрупи: за рівнями OSI і функціями управління. На етапі оперативного управління за прийнятими критеріями ефективності СУ пос- тійно оцінює стан сенсорної мережі і вживає заходів (у відповідності з планом і реальною ситуацією) щодо утримання її показників ефективності функціонування в заданих межах або здійснюється їх оптимізація. В умовах обмеженості інформації про стан мережі, її неповноти для ідентифікації ситуації і прийняття рішень по вибору методів управління пропонується використовувати методи штучного інтелекту. 22 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 Ф у н к ц ії у п р а в л ін н я Система управління БСМ Uм – управління моніторингом Uтп – управління топологією Uмр- управління маршрутизацією Uбп-управління безпекою Uен-управління витратою енергоресурсу Гібридна мережа Наземні стаціонарні сенсорні мережі UQoS – управління якістю обсл.: – по передачі інформації; – по моніторингу U ф -н а ф із и ч н о м у р ів н і U м -н а м ер еж ев о м у р ів н і U т- н а тр ан сп о р тн о м у р ів н і U п -н а п р и к л ад н о м у р ів н і U к -н а к ан ал ьн о м у р ів н і Мережа сенсорів мобільних Повітряна сенсорна мережа на БЛА Uр – управління розгортанням Цілі управління Рівні OSI Неоднорідні сенсорні мережі Координація Інтелектуалізація Рис. 4. Рівні та функції системи управління БСМ Під час прийняття рішень система управління повинна ідентифікувати ситуацію – стан мережі (зони, напрямку), визначити цільові функції управління і вибрати із множини можливих методів управління оптимальний (раціональний) для даної ситуації і заданої цілі управління з урахуванням можливих обмежень ресурсів сенсорних вузлів. Кількість і конкретні задачі оперативного управління визначаються характеристи- ками і умовами функціонування мережі, а також прийнятими технологічними рішеннями на етапі її проектування. Пропонується нова архі- тектура побудови системи управління неоднорідними БСМ, яка передбачає: для неод- норідної мережі – координацію і інтелектуалізацію процесів при- йняття рішень для кожного кла- су БСМ; для кожної мережі БСМ – координацію і інтегра- цію, рівну OSI по цілях і функ- ціях управління (рис. 4). 5. Підсистема управління витратами енергоресурсу вузлів реалізує одну з основних задач управління БСМ, яка повинна бути реалізована при моніторингу і передачі даних із координацією по всіх моделях OSI. 4. Висновки Для рішення задач управління різнорідними сенсорними мережами критичної інфраструк- тури пропонуються принципово нові підходи до побудови системи управління даними ме- режами. Запропонована нова архітектура побудови системи управління даними мережами. Її особливостями є розбиття задач управління на функціональні підзадачі (збору інформа- ції, моніторингу, передачі даних, управління енергоспоживанням, реалізацією рішень). Для підвищення якості рішень, що приймаються, і, відповідно, ефективності функціонування даних мереж запропоновано здійснювати координацію цільових функцій управління і ін- телектуалізувати процес прийняття рішень по вибору методів управління в залежності від ситуації на мережі. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Achatterjee A. Practical Applications Of Wireless Sensor Network Based On Military / A. Achatterjee, M. Pandey // Environmental, Health And Home Applications: A SurveyInternational Journal of Scientific & Engineering Research. – 2014. – Vol. 5, Issue 1. – Р. 1043 – 1050. 2. Subramanian M. Network Management: Principles and Practice (2nd Ed.) / Subramanian M. – Kindle Edition, 2012. – 726 p. 3. Minochkin A. Control System of Mobile Ad-hoc Networks / A. Minochkin, V. Romanyuk // Proc. of International Conference Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science (TCSET 2008). – Lviv, 2008. – P. 414 – 415. 4. Winnie L.L. Management in Wireless Sensor Networks / L.L. Winnie, A. Datta, R. Cardell-Oliver. – Режим доступу: https://pdfs.semanticscholar.org/587b/046f91dc60568045579ae39cbd1b23c7a713.pdf. 5. Georgoulas D. Sensor Network Management and Functionality: An Overview / D. Georgoulas, K. Blow // Wireless Sensor Network. – 2009. – Vol. 1. – doi:10.4236/wsn.2009.14032 (Published Online, Novem- ber 2009). – P. 257 – 267. 6. An Efficient Management System for Wireless Sensor Networks / Y.-W. Ma, J.-L. Chen, Y.-M. Huang [et al.] // Sensors. – 2010. – Vol. 10, Issue 12. – P. 11400 – 11413. http://www.viti.edu.ua/files/rom/2008/2_2008.pdf http://www.viti.edu.ua/files/rom/2008/2_2008.pdf http://www.viti.edu.ua/files/rom/2008/2_2008.pdf https://pdfs.semanticscholar.org/587b/046f91dc60568045579ae39cbd1b23c7a713.pdf ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2017, № 2 23 7. Slama I. Topology Control and Routing in Large Scale Wireless Sensor Networks [Електронний ре- сурс] / I. Slama, B. Jouaber, D. Zeghlache // Wireless Sensor Network. – 2010. – Vol. 2. – P. 584 – 598. – Режим доступу: http://www.SciRP.org/journal/wsn. 8. Paradis L., A Survey of Fault Management in Wireless Sensor NetworksJournal of Network and Sys- tems Management / L. Paradis, Q. Han // Journal of Network and Systems Managemen. – 2007. – Vol. 15. – P. 171 – 190. 9. Multi-Agent Architecture for the Design of WSN Networks [Електронний ресурс] / A. Hamzi, M. Koudil, J.-P. Jamont [et al.] // Applications Wireless Sensor Network. – 2013. – Vol. 5, N 25. – 14 p. – Режим доступу: http://dx.doi.org/10.4236/wsn.2013.52003. 10. Jameii S.M. Multiobjective Optimization for Topology and Coverage Control in Wireless Sensor Net- works [Електронний ресурс] / S.M. Jameii, K. Faez, M. Dehghan // International Journal of Distributed Sensor Networks. – 2015. – Vol. 11, Issue 2. – Режим доступу: http://dx.doi.org/10.1155/2015/363815. 11. Lisenko A. Objective control functions of mobile ad-hoc networks using unmanned aerial vehicles. Actual problems of unmanned aerial vehicles developments / A. Lisenko, S. Danylyuk, V. Romanyuk // IEEE 3rd international Conference. – 2015. – P. 243 – 246. Стаття надійшла до редакції 15.05.2017 http://www.scirp.org/journal/wsn http://dx.doi.org/10.4236/wsn.2013.52003 http://dx.doi.org/10.1155/2015/363815 http://www.viti.edu.ua/files/rom/2015/7_2015.pdf http://www.viti.edu.ua/files/rom/2015/7_2015.pdf http://www.viti.edu.ua/files/rom/2015/7_2015.pdf

Підходи до розробки нової архітектури системи управління неоднорідними безпроводовими сенсорними мережами

Institution

Ähnliche Einträge