МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ МАРШРУТИЗАЦИИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЯХ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

METHODS OF ROUTING OPTIMIZATION IN WIRELESS SENSOR NETWORKS FOR THE INTERNET OF THINGS

Bolshepaev Iakov Alekseevich

Student, Department of Management and Informatics in Technical Systems, Moscow State Technological University "Stankin",

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье исследуются методы повышения энергоэффективности передачи данных в беспроводных сенсорных сетях, применяемых в концепции интернета вещей. Проанализированы основные проблемы ограничения аппаратных ресурсов конечных узлов. Рассмотрены алгоритмы кластеризации и адаптивной маршрутизации, например: протоколы LEACH и RPL. Предложен подход к оптимизации выбора пути на основе композитной метрики, учитывающей остаточный заряд батареи и качество канала связи. Описаны результаты моделирования, подтверждающие увеличение продолжительности жизни сети.

ABSTRACT

The article examines methods for improving the energy efficiency of data transmission in wireless sensor networks used in the Internet of Things concept. The main problems of limiting the hardware resources of end nodes are analyzed. Clustering algorithms and adaptive routing are considered, for example: LEACH and RPL protocols. An approach to optimizing path selection based on a composite metric that takes into account the residual battery charge and the quality of the communication channel is proposed. Simulation results confirming an increase in the network lifetime are described.

Ключевые слова: интернет вещей; беспроводные сенсорные сети; маршрутизация; энергоэффективность; кластеризация.

Keywords: internet of things; wireless sensor networks; routing; energy efficiency; clustering.

Стремительное развитие концепции интернета вещей обуславливает массовое внедрение беспроводных сенсорных сетей в различные сферы промышленности и городского хозяйства. Конечные узлы таких сетей представляют собой миниатюрные устройства, оснащенные датчиками, микроконтроллерами и радиопередатчиками. Ключевой проблемой эксплуатации подобных инфраструктур является ограниченный ресурс автономных источников питания сенсоров. Замена батарей на тысячах распределенных устройств экономически нецелесообразна или физически невозможна, например: при размещении датчиков внутри бетонных конструкций или в агрессивных средах [1, с. 12]. Следовательно, задача минимизации энергопотребления на программном уровне становится критически важной.

Наибольшие затраты энергии в беспроводных сенсорных сетях приходятся на работу радиомодуля во время передачи и приема пакетов данных. Классические протоколы маршрутизации, разработанные для традиционных компьютерных сетей, не подходят для интернета вещей из-за высоких накладных расходов на поддержание топологии. В связи с этим в современной инженерной практике применяются специализированные методы оптимизации, базирующиеся на изменении логики выбора следующего узла ретранслятора. Основным подходом является использование алгоритмов кластеризации, например: протокола LEACH. Данный метод предполагает разделение сети на группы, в каждой из которых динамически выбирается главный узел - кластерная голова. Рядовые сенсоры передают данные только своему главному узлу, который осуществляет агрегацию информации и отправляет ее на базовую станцию. Динамическая смена ролей позволяет равномерно распределить энергетическую нагрузку между всеми участниками сети.

Альтернативным направлением оптимизации является модификация стандарта маршрутизации RPL, разработанного специально для сетей с низким энергопотреблением. В базовой реализации этот протокол строит направленный ациклический граф на основе единственной метрики, например: качества линии связи или ожидаемого количества передач. Для повышения отказоустойчивости предложено использовать композитную метрику, которая вычисляется как взвешенная сумма нескольких параметров. В формулу расчета вводятся показатели остаточного заряда батареи соседнего узла, загруженности его буфера и уровня затухания сигнала. Перенаправление трафика через узлы с максимальным запасом энергии предотвращает преждевременный выход из строя критически важных участков графа [2, с. 88].

Таблица 1.

Сравнительный анализ методов маршрутизации

Проведенное программное моделирование топологии из ста узлов подтвердило теоретические расчеты. Применение композитной метрики позволило снизить количество потерянных пакетов при деградации сети и отсрочить отключение первого сенсора на существенный промежуток времени по сравнению со стандартными реализациями. Внедрение рассмотренных методов оптимизации маршрутизации требует дополнительных вычислительных ресурсов со стороны микроконтроллера, однако эти затраты полностью компенсируются значительной экономией энергии радиомодуля. Предложенные архитектурные решения формируют надежную базу для развертывания масштабируемых индустриальных сетей интернета вещей [3, с. 210].

Список литературы:

1. Кучерявый А. Е. Интернет вещей / А. Е. Кучерявый. - СПб.: Лотос, 2020. - 350 с.
2. Макаров В. В. Протоколы маршрутизации в сенсорных сетях: учебное пособие. - М.: Радиотехника, 2021. - 128 с.
3. Игнатов А. Н. Технологии беспроводной передачи данных в системах промышленной автоматизации. - Казань: КГТУ, 2022. - 275 с.