Влияние маршрутизации на энергоэффективность в сенсорных сетях

Сенсорные сети предполагают использование большого количества узлов, поэтому эффективная и надежная реализация такой большой, динамичной и сложной сетевой среды является алгоритмически и технологически сложной задачей. Из-за таких особенностей сенсорных сетей, как: огромное количество узлов, жесткие условия потребления энергии, ограничения вычислительных мощностей и памяти, плотное размещение узлов, частые отказы узлов имеется множество возможностей проектирования, анализа и реализации сети, которые по своему существу отличается от других типов сетей. Так, сенсорная сеть отличается от одноранговой сети по ряду следующих характеристик:

• -    число узлов в сенсорной сети чрезвычайно велико по сравнению с другими типам сетей;

• -    сенсорные сети склонны к ошибкам;

• -    высокая динамичность сети и постоянно изменяемая топология;

• -    высокая плотность узлов в развернутых сенсорных сетях;

• -    серьезные ограничения в области энергопотребления, вычислительной мощности и памяти.

Из-за указанных выше характеристик сенсорных сетей, используемые протоколы и алгоритмы должны быть эффективными, учитывая характеристики сети, а, следовательно, должны обладать следующими свойствами:

Масштабируемость. Протоколы, используемые для сенсорных сетей должны поддерживать высокую степень масштабируемости, так они должны эффективно работать в очень больших сетях, состоящих из огромного числа узлов.

Эффективность. Из-за жестких ограничений по энергопотреблению узлами сети, а также из-за быстрых изменений внутри сети протоколы для сенсорных сетей должны быть особенно эффективными в этих областях.

Отказоустойчивость. При большом количестве узлов сети, многие из узлов постоянно или временно выходят из строя. Причинами для отказа служат: физическое повреждение во время развертывания или во время операции, постоянное (или временное) прекращение работы в случае переутомления узла или в случае энергосбережения сети [1].

Одним из самых жестких ограничений сенсорных устройств является их ограниченная энергия снабжение, то разработке эффективных протоколов маршрутизации для беспроводных сенсорных сетей с минимальной потребляемой энергией является одной из наиболее важных задач [2].

Протоколы маршрутизации можно классифицировать на: прямые, иерархические, основанные на местоположении, и гибридные.

Прямые протоколы маршрутизации можно разбить на активный и проактивный тип. Так, в прямых протоколах активного типа узел начинает процесс поиска маршрута только когда есть информация, подлежащая передаче. Преимущество этой стратегии заключается в том, что маршруты могут быть адаптированы к среде, которая может постоянно изменяться (из-за постоянного внедрения и удаления узлов сети). Каждый узел может один раз обновлять свою таблицу маршрутизации, когда это происходит изменение топологии, а затем, определяет новые маршруты. Однако такой способ подразумевает постоянное перерасчет во время передачи данных, что увеличивает латентность и энергопотребление сети. Примерами таких протоколов являются протоколы DSR и AODV.

Прямые протоколы маршрутизации проактивного типа при изменении топологии сети последовательно обновляют информацию о маршрутизации путем передачи данных от каждого узла ко всем остальным узлам сети. Использование такого типа протоколов рекомендуется только для определенных типов приложений потому, что значительная часть пропускной способности сети исключительно расходуется на ведение таблиц маршрутизации сетевых узлов. Примерами таких протоколов являются протоколы OLSR и DSDV.

Обычно когда сенсорная сеть растет сверх определенного предела, то плоские протоколы маршрутизации становятся неэффективными из-за накладных расходов при передаче и обработки данных. Способ решения этой проблемы заключается в использовании протоколов иерархического типа маршрутизации. Иерархическая маршрутизация основана на идее компоновки узлов в группы по определенным характеристикам. Таким образом, размер таблицы маршрутизации сокращается за счет использования части сети под группу, а не полной сети. Это экономит много ресурсов при обновлении таблицы маршрутизации, увеличивая скорость обновления данных. Наиболее распространенный способ реализации такого алгоритма – это группировки узлов по физическому их расположению, недалеко друг от друга. Каждый узел в таком кластере имеет лидера, который самостоятельно взаимодействует с другими узлами кластера. Протоколы CGSR и LEACH являются примерами традиционной иерархической маршрутизации.

Протоколы маршрутизации на основе географического местоположения используют информацию о положение узлов, чтобы лучший маршрут передачи данных. Положение узла в сети определяется при помощи GPS. Такие протоколы могут быть, как простого, так и иерархического типа, благодаря встраиваемости устройств геолокации. Протоколы на основе определения местоположения редко используются в WSN из-за аппаратных дополнений, и, особенно, дополнительного потребления энергии каждым узлом. Примерами протоколов, основанных на местоположении являются GEAR и GPSR-TPC.

Гибридные протоколы маршрутизации могут объединить характеристики плоских и иерархический протоколов, используя при необходимости методы геолокации. Эти протоколы были разработаны для повышения масштабируемости сети. Близкие узлы работают вместе, формирую кластеры, уменьшая, таким образом, перегрузку сети от обнаружения маршрута. Поиск оптимального маршрута осуществляется с помощью техники активного протокола между соседними узлами и с помощью техники проактивного протокола при определении маршрута между удаленными узлами сети. Примерами гибридных протоколов являются DDR и ZRP. Гибридный тип протоколов маршрутизации наиболее популярен, например ZRP используются в протоколе связи ZIGBEE.

В статье были рассмотрены основные виды алгоритмов маршрутизации в сенсорных сетях и протоколы, работающие на этих алгоритмах. Полученный обзор можно использовать для выбора нужного протокола при проектировании WSN сети. Хочется отметить, что новые возможности для применения WSN сетей ужесточают требования к сенсорным сетям. В том числе и к маршрутизации сети, поэтому появление новых, более эффективных алгоритмов маршрутизации является делом времени.