Mobile Computing

5.6 Tehnike za uštedu energije

Iz razloga što se većina senzorskih čvorova oslanja na baterijama, potrošnja energije

mora biti efikasna. Senzor mora biti u stanju mirovanja približno 99,9 % vremena da bi se

obezbedio duži period trajanja baterije. Neke od tehnika koje se primenjuju za uštedu energije

su: uključivanje primopredajnika samo tokom aktivne komunikacije, isključivanje centralne

procesorske jedinice (CPU) između zahteva za obradu, i isključivanje ulaznih i izlaznih (I / O)

podsistema kada nisu u upotrebi. Broj faktora, uključujući zahteve aplikacije i hardver koji se

koristi, određuju vreme trajanja baterije.

Mrežni stek smanjuje potrošnju energije eliminacijom komunikacije ili isključivanjem

emitovanja kada nema potrebe za komunikacijom. Mogući načini za uštedu energije uključuju

obradu podataka na lokalnom nivou, i komunikaciju samo kada se detektuje potreba za time.

Agregacija može smanjiti komunikaciju i, samim tim, potrošnju energije. Na primer, ako

aplikacija treba da odredi prosečnu temperaturu osenčenih čvorova na određenom

geografskom području, samo će podskup čvorova biti izabran za nadgledanje.

Table 5.3 Air interface comparision

ZigBee Bluetooth

DSSS FHSS

11 chips / symbol 1,600 hops / s

62,500 symbols / s 1 million symbols / s

4 bita / symbol 1 bit / symbol

Odabir se vrši na nivou „listova“ u stablu, a zatim čvorovi šalju svoje prikupljene podatke

naviše. Svaki čvor prenosi najviše jedan paket da bi obezbedio statistički pregled njegovog

podstabla.

Kompresija i planiranje čuvaju energiju na nižim nivoima. Kontrolna informacija može

biti “piggybackovana1” zajedno sa porukom podataka. Planiranjem se smanjuje konflikt koji

nastaje između dva čvora kao i vreme u kojem je radio aktivan. Mreža može dodeliti

1 Piggybacking se koristi za efikasno korišćenje opsega. Potvrda o prijemu prethodnog segmenta se šalje zajedno sa prenosom trenutnog segmenta

Mobilno računarstvo 2016

specifične odgovornosti, kao na primer retransmisiju, određenim čvorovima. Sa druge strane,

mreža može odbiti nepoželjne pakete isključivanjem radija nakon prijema određenog dela

poruke.

Table 5.4 Timing characteristics

ZigBee Bluetooth

New slave enumeration 30 ms 3 s, typically 20 s

Sleep mode to AM 15 ms 3s

Active slave channel access

time

15 ms 2 ms

Životni ciklus određenog senzora za različite primene iznosi između dve i pet godina.

Senzorski čvor sa napajanjem od 1.5 V alkalne baterije i prosečnom potrošnjom energije u

opsegu od 100 do 10 µW obično izdrži između dve i sedam godina. Radio primopredajnik

troši desetine milivati. Radi očuvanja energije, čvor mora biti u stanju mirovanja većinom

vremena; ovo se može postići korišćenjem radnog ciklusa reda 0.1 do 1 % , i sve to dok se

održava nizak nivo upotrebe struje u stanju mirovanja, ne veći od propusnog opsega baterije.

Smanjenje potrošnje energije zahteva optimizaciju na svim slojevima. MAC sloj ima

najvažniju ulogu za energetsku efikasnost protokola za komunikaciju, naročito za mrežu sa

niskim radnim ciklusom radija.

Mikrokontoleri koji rade na frekvenciji od 10MHz zahtevaju 1mW. U stendbaj stanju,

potrošnja energije iznosi oko 1 µW. Ukoliko je uređaj aktivan samo 1 % ukupnog vremena,

njegova prosečna potrošnja energije je samo nekoliko mikrovati. Energija za rad ovih uređaja

se može dobiti iz različitih izvora, na primer, solarne ćelije ( 10 do 100 µW / cm 2 ), vibracijom

prozora i pomoću kanala za klimatizaciju ( 100 µW ). Rad bežične senzorske mreže u

optimalnim uslovima zahteva napajanje od par baterije na godišnjem nivou.

Potrošnja energije može takođe biti minimizovana smanjenjem i eliminacijom

potrošnje energije izazvane sledećim faktorima :

2


Idle listening: Čvor osluškuje i čeka da stigne paket.

Оveremitting: Čvor šalje određeni paket drugom čvoru, koji u tom momentu nije

spreman za prijem paketa.

Overhearing: Čvor osluškuje poruku koja je namenjena drugom čvoru.

Collision: Dva čvora isporučuju paket u istom trenutku, što uzrokuje pojavu kolizije.

Oni moraju izvršiti ponovno slanje kasnije.

Protocol overhead: Zaglavlje frejma i signalizacija koje zahteva MAC protokol.

Wireless Sensor MAC (WiseMAC) je protokol jednokanalnog „contention2-a“ zasnovan

na ne tako trajnom CSMA protokolu. Osnovni razlog njegovog dizajniranja jeste smanjenje

potrošnje energije tokom „downlink” prenosa u infrastrukturi bežičnih senzorskih mreža. U

ovoj vrsti mreže, AP ima neograničeno napajanje, dok se senzorski čvorovi napajaju iz

baterija. Downlink slanje predstavlja slanje od pristupne tačke, do čvora. Iz razloga što nije

moguće unapred odrediti kada će AP imati paket namenjen određenom čvoru, izazov

predstavlja kako se izboriti sa downlink slanjem bez zahtevanja da senzorski čvor osluškuje

kanal konstantno, jer to povećava potrošnju energije. Za ostvarivanje ovoga, potrebno je

smanjiti ili eliminisati “idle listening” i “overhearing”.

Senzorski čvorovi povremeno sempluju medijum za proveru prenosa. Ovo se može uraditi

radi provere da li je medijum slobodan, tako da se može pokrenuti prenos. Svi senzorski

čvorovi sempluju medijum povremeno za konstantni period, ali su njihovi rasporedi

semplovanja nezavisni. Ako je medijum zauzet, senzorski čvor nastavlja da osluškuje sve dok

je paket podataka primljen ili dok medijum postane slobodan. Zbog toga što ne postoji način

na koji će čvor saznati da li neki paket na čekanju, on nastavlja da osluškuje sve dok medijum

ne postane slobodan, trošeći dragocenu energiju.

WisMAC umanjuje ovaj problem tako što dozvoljava pristupnoj tački da zapamti

raspored semplovanja svih čvorova, tako da ona može rasporediti prenos paketa u pravom

trenutku, tako smanjujući potrošnju energije senzorskog čvora. Svakom paketu prethodi

preambula kojom se utvrđuje da je čvor aktivan kada prenos paketa počne. AP održava

aktuelni sempling raspored svih čvorova u svojoj nadležnosti. Senzorski čvor piggybackuje

2 Termin se koristi naročito u mrežama da opiše situaciju u kojoj dva ili više čvorova pokušavaju da prenesu poruku preko istog kanala istovremeno.

3


informaciju pristupnoj tački o vremenu koje je preostalo do početka planiranog sepmplovanja

slanjem paketa potvrde. AP koristi ove informacije za ažuriranje tabele rasporeda

semplovanja. Kolizija nije moguća u downlink kanalu zbog toga što AP jedina može pokrenuti

prenos.

„Polling3“ je još jedan mehanizam koji može biti iskorišćen za smanjenje potrošnje

energije. Ovaj pristup koristi PTIP protokol. Paketi namenjeni senzorskom čvoru se baferuju u

AP, i senzorski čvorovi redovno šalju POLL poruke za preuzimanje baferovanih paketa.

Nakon prijema POLL poruke, AP vraća paket podataka, ukoliko takav čeka na slanje

određenom čvoru. U suprotnom, šalje kratak kontrolni paket. POLL poruke se šalju

upotrebom CSMA protokola. Interval između POLL poruka se određuje nasumično, kako bi

se izbegao „contention“ između sinhronizovanih čvorova. Kada senzorski čvor dobije tačan

odgovor na POLL poruku, ide u stanju mirovanja do vremena u kojem će se izvršiti sledeći

polling. Nije neophodno slanje poruke potvrde o uspešnoj realizaciji. Ako potvrda o uspešnoj

realizaciji nije primljena, slanje POLL poruka se nastavlja sve dok se ta potvrda ne dobije.

Broj sekvence zadnjeg ispravno primljenog podatka se piggibackuje u sledećoj POLL poruci

radi informisanja AP-a da je paket podataka uspešno primljen, i tako, nema potrebe za

ponovnim slanjem.

IEEE 802.15.4 standardi koriste sličan pristup kao i PTIP. Ovaj standard definiše PSM

(Power Save Mode) koji smanjuje potrošnju energije po ceni većeg kašnjenja. Ova šema se

sastoji od četvoro-paketnog prenosa: POLL-ACK-DATA-ACK. AP baferuje saobraćaj

namenjen senzorskom čvoru. „Beacon4“ koji sadrži mapu saobraćaja (TIM – Traffic Indication

Map) se šalje povremeno. TIM sadrži listu senzorskih čvorova sa paketima koji su baferovani

u AP-u. Senzorski čvorovi prelaze iz režima mirovanja u aktivan režim kako bi primili TIM, i

ako čvor pronađe sebe na listi, šalje POLL poruku AP-u za prijem baferovanih podataka. Kada

AP primi POLL poruku, vraća potvrdu o prijemu poruke, koji nalaže senzorskom čvoru da

ostane u modu osluškivanja. AP zatim pronalazi odgovarajući paket i šalje paket podataka

senzorskom čvoru. Nakon prijema paketa, senzorski čvor šalje nazad poruku potvrde.

3 Komunikaciona tehnika koja određuje kada je terminal spreman za slanje podataka.4 Beacon su pre svega radijski, ultrazvučni, optički, laserski ili drugi tipovi signala koji ukazuju na blizinu, lokaciju ili spremnost uređaja za obavljanje određenog zadatka.

4


I WiseMAC i PSM se koriste u zaglavlju paketa podataka radi ukazivanja da postoji jedan

ili više paketa u baferu koji čeka na preuzimanje od strane određenog senzorskog čvora. Ako

je viši bit postavljen na 1, to nalaže čvoru da ostane u modu osluškivanja nakon slanja poruke

potvrde jer će sledeći paket biti poslat. PSM zahteva da senzorski čvor pošalje još jednu POLL

poruku za preuzimanje sledećeg paketa.

Različiti pristupi uštede energije se mogu ometati međusobno. Kombinacija različitih

pristupa mogu biti razvijeni u zavisnosti od zahteva aplikacije.

5.7 Mreža i Komunikacije

Za razliku od tradicionalnih Internet aplikacija, aplikacije zasnovane na senzorskim

mrežama zahtevaju protokole koji su optimizovani za njihov jedinstveni komunikacioni

šablon. Standardi za senzorske mreže su 802.15.4 i ZigBee protokol. 802.15.4 standard

precizira Radio Frekvencijski kanal i protokol signalizacije. ZigBee je izgrađen na vrhu

protokola 802.15.4 i on precizira aplikacijski nivo komunikacijskog protokola između uređaja.

802.15.4 standard određuje koji radijski hardver treba koristiti, i ZigBee određuje sadržaj

poslate poruke.

Suprotno od komunikacije na Internetu, komunikacije u bežičnim senzorskim mrežama se

obično obavljaju u agregaciji. Učesnici se identifikuju pomoću atributa kao što su fizička

lokacija ili opseg senzora. Ova vrsta usmeravanja, poznata kao direktna difuzija, je proces u

gde čvorovi izražavaju interesovanje za podatke pomoću atributa. Bežične senzorske mreže

koriste mrežu tolerantnu na poremećaje (DTN – Disruption-Tolerant Network), gde se gomila

podataka šalje „hop-by-hop5“ prenosom. DTN model bolje odgovara promenljivoj vezi od

dinamičkog okruženja i potrebe za radnim ciklusom.

Svaki senzorski čvor ima radio koji omogućava komunikacionu vezu do susednog čvora.

Oni obavljaju distribuirani algoritam da bi odredili kako da usmere podatke. Fizički plasman

5 U komunikaciji hop predstavlja jedan deo staze između izvora i odredišta. Paketi podataka prolaze kroz različite rutere i gateway-eve tokom slanja. Svaki put kada podatak pređe u naredni uređaj, javlja se hop.

5


određuje vezu, ali druge promenljive, kao što je opstrukcija, interferencija, i orijentacija

antene, otežavaju određivanje prethodne veze.

Senzori koriste radio emitovanje. Najniži nivo kontroliše fizički radio uređaj. Kada jedan

čvor šalje, signal prima nekoliko susednih čvorova, osim ako nije izobličen od strane drugog

prenosa. Sloj veze je odgovoran za izbegavanje contention-a u radio kanalu. On osluškuje

kanal i šalje samo u trenutku kada je kanal slobodan, što je slično načinu rada CSMA/CD

protokola. Kada čvor ne šalje ništa, on skenira kanal za prenos iz drugog čvora. Sloj paketa

upravlja baferovanjem, rasporedom paketa u radiju, otkrivanjem ili ispravljanjem grešaka,

upravlja gubicima paketa, i prosleđivanjem paketa sistemskim ili aplikacionim

komponentama.

Oglašavanje informacija uključuje protokol „poplave“. Koren čvor emituje paket koji

sadrži određeni ID. Prijemni čvor ponovo retransmituje paket, tako da i najudaljeniji čvor

primi informaciju. Čvor može primiti drugačiji oblik iste poruke od različitih susednih

čvorova. ID u paketu se koristi za detekciju i izbegavanje dupliranja paketa. Mreža koristi

oglašavanje radi izdavanja naredbi, slanje upozorenja, i podešavanje mreže. Oglašavanje se

takođe koristi za uspostavljanje putanje. Svaki paket identifikuje predajnik i njegovu

udaljenost od korane. Mreža koristi obrnuto komunikacijsko stablo za prikupljanje podataka

usmeravanjem podataka nazad do korena, ili za agregaciju, obradom podataka na svakom

nivou stabla. Koren stabla se može ponašati kao prolaz do mnogo snažnije mreže, ili kao tačka

agregacije unutar senzorske mreže.

Senzorski podaci koji se moraju poslati na udaljene lokacije, moraju biti rutirani „hop by

hop“ metodom kroz čvorove. Iz razloga što je komunikacija jedna od operacija sa najvećom

potrošnjom energije (svakim bitom se troši energija kojom se može obaviti 1000 instrukcija),

bežične senzorske mreže moraju vršiti obradu podataka unutar mreže kad god je moguće.

5.8 Konfiguracija Bežičnih Mreža

ASCENT (Adaptive Self-Configuring sEnsor Network Topologies) je mehanizam koji

omogućava prilagodljivo sopstveno-konfigurisanje senzorskih mreža (Cerpa i Estrin 2004).

6


Kako se broj senzora na određenom području povećava, nije neophodno da svi čvorovi budu

aktivni istovremeno. Dozvoljavanje čvorovima mogućnost da se sopstveno konfigurišu,

određivanjem koji čvor može biti aktivan dok su ostali u stanju mirovanja, omogućava

čvorovima uštednju energije koja je ključna za senzorske čvorove. ASCENT koristi

prilagodljivi pristup zbog toga što bi centralizovano rešenje izazvalo sva ograničenja

centralizovanog sistema, naročito u smislu skalabilnosti i robusnosti. Zbog toga što

samostalni, centralni čvor ne može odrediti stanje drugih čvorova, mora biti stalno ažuriran o

statusu ostalih čvorova, i na taj način, stvara više saobraćaja i povećava potrošnju energije za

prenos ili prijem ažuriranja. Ovaj mehanizam podrazumeva sledeće uslove:

Ad hoc6 razvoj: Mala je verovatnoća za ravnomerno raspoređivanje senzora. Čak iako

je to slučak, to ne mora značiti da postoji povezanost između svih čvorova zbog

nepredvidljivih efekata rasprostranjivanja.

Energetska ograničenost: Senzorski čvorovi rade zahvaljući napajanju koje se dobija

od baterije. Veoma je važno da se potrošnja energije minimizuje radi očuvanja trajanja

baterije.

Samostalan rad u životnoj sredini: Mogućnost ručnog podešavanja za veliki broj

čvorova je nemoguć. Dinamika životne sredine isključuje mogućnost prekonfiguracije

vremena dizajna.

ASCENT vrši odabir aktivnih čvorova u mreži. Aktivni čvor ostaje budan i obavlja

„multihop7“ rutiranje podataka. Preostali čvorovi ostaju pasivni i povremeno proveravaju da li

bi trebali preći u aktivno stanje. Na osnovu Slike 5.10a, u početku, samo je nekoliko čvorova

aktivno dok ostali pasivno osluškuju pakete, a ne prenos. Izvor počinje prenos podataka kroz

otvor, ali iz razloga što je otvor ograničen radio dometom, nastaje veliki gubitak izvorišnih

paketa. Ovo je poznato kao komunikaciona rupa. Da bi se ovaj problem prevazišao, otvor šalje

poruke susednim čvorovima koji su u stanju osluškivanja, kako bi signalizirao da mu je

potrebna pomoć, i zahteva od njih da se priključe mreži.

6 Ad hoc mreža je lokalna mreža (LAN) koja nastaje spontano, povezivanjem uređaja. Umesto oslanjanja na baznu stanicu radi koordinacije protoka poruke do svakog čvora u mreži, ovde svi čvorovi u mreži prosleđuju pakete međusobno.7 Multihop rutiranje uključuje slanje podataka kroz više kratkih zaustavljanja umesto jedne duge putanje.

7


Kada susedni čvor primi poruku, može odlučiti da se priključi mreži (Slika 5.10b).

Pridruživanjem mreži, čvor započinje prenos i prijem paketa, to jest, postaje aktivni sused.

Čim se čvor pridruži mreži, on oglašava svoje aktivno stanje ostalim pasivnim susedima

slanjem poruke. Ovo se nastavlja sve dok se broj aktivnih čvorova stabilizuje na nekoj

vrednosti, i tada ciklus prestaje (Slika 5.10c). Kada je proces završen, grupa aktivnih suseda

koji su se pridružili mreži dovodi do pouzdanijeg prenosa podatka od izvora do odredišta.

Proces se pokreće ponovo ukoliko neki budući mrežni (npr. kvar čvora) ili efekat životne

sredine (npr. nova prepreka) uzrokuje povećanje gubitaka paketa.

Čvor može biti u stanju spavanja, pasivnom, test, ili aktivnom stanju. Kada se čvor

rasporedi, slučajni vremenski brojač se pokreće radi izbegavanja sinhronizacije, i on se

pokreće u test stanju. Čvorovi u test stanju razmenjuju podatke i rutiraju kontrolne poruke.

Čvorovi u test stanju podešavaju tajmer Tt i šalju susedu poruku obaveštenja. Ukoliko, pre

nego što Tt istekne, broj aktivnih suseda prelazi NT , ili je prosečan gubitak podataka

(downlink) veći od prosečnog gubitka pre prelaska u test stanje, čvor prelazi u pasivno stanje.

U suprotnom, čvor prelazi u aktivno stanje kada vreme Tt istekne. Svrha ovog test stanja je da

se odredi da li će dodavanje novog čvora u mreži poboljšati vezu.

Kada čvor pređe u pasivno stanje, podešava tajmer Tp i šalje novu poruke obaveštenja o

pasivnim čvorovima, koje koriste aktivni čvorovi za procenu ukupne gustine čvorova u

komšiluku.

Aktivni čvorovi šalju procenu gustine novim pasivnim čvorovima. Kada Tp istekne, čvor

prelazi u stanje spavanja. Ukoliko se sledeći događaj desi pre nego što Tp istekne, čvor prelazi

u test stanje:

Broj suseda je manji od NT-a i downlink je veći od LT-a

Downlink je manji od LT-a, ali čvor prima poruku u kojoj aktivni čvor traži njegovu

pomoć.

Tabela 5.5 rezimira parametre koje koristi ASCENT:

Table 5.5 ASCENT Parametri

8


Parametar Opis

Neighbor threshold (NT) Određuje prosečan stepen povezanosti

mreže. Vrednost se ažurira dinamički u

zavisnosti od događaja koji se dešavaju na

određenom području mreže, na primer,

povećanje kapaciteta mreže.

Loss threshold (LT) Maksimalna količina downlinka koju

aplikacija može tolerisati pre nego što

zatraži pomoć za poboljšanje povezanosti

mreže. Vrednost je aplikaciono zavisna.

Test timer (Tt) Maksimalno vreme u kojem čvor ostaje u

test stanju.

Passive timer (Tp) Maksimalno vreme u kojem čvor ostaje u

pasivnom stanju.

Sleep Timer (Ts) Vreme u kojem čvor „spava“ radi štednje

baterije.

9


Slika 5.10 Network self-configuration (From Cerpa, A., and Estrin, D., 2004. ASCENT: Adaptive

Self-Configuring sEnsor Networks Topoligies. IEEE Transactions on Mobile Computing

3(3):272.) Korišćeno sa dopuštenjem.

10


Kada su u pasivnom stanju (samo osluškivanje), radio čvorova je uključen i oni su u

mogućnosti da osluškuju sve pakete koji se šalju od strane njihovih aktivnih suseda, ali oni ne

rutiraju ili prosleđuju pakete. Cilj ovog stanje je prikupljanje informacija o stanju mreže bez

mešanja sa ostalim čvorovima. Energija se i dalje troši u pasivnom stanju, jer je radio

uključen. Čvorovi u pasivnim i test stanjima konstantno ažuriraju broj aktivnih suseda i

downlink vrednost. Čvor koji pređe u stanje „spavanja“ isključuje radio, postavlja tajmer Ts, i

prelazi u stanje spavanja. Čvor prelazi u pasivnom stanju kada vreme Ts istekne.

Čvor u aktivnom stanju nastavlja sa prosleđivanjem podataka i rutiranjem paketa sve

dok mu ponestane energije. Ako je downlink vrednost manja od LT-a, aktivni čvor emituje

poruku za pomoć.

ASCENT ima dve prednosti. Prvo, njegova sposobnost prilagođavanja dozvoljava

aplikacijama podešavanje topologije zasnovane na njihovim potrebama uz uštedu energije

kojom se produžava rok trajanja baterije. On nema pretpostavku o tome kako bi model trebao

da izgleda, stepenu povezanosti, ili kapacitetu koji je potreban. Drugo, ima koristi od tehnike

samo-konfigurisanja koja reaguje na uslove rada koji se mere lokalno, i koji nisu ograničeni

samo na model radio propagacije, geografske distribucije čvorova, ili mehanizme rutiranja.

5.9 Bežične Senzorske Mreže i Aplikacije za reagovanje u vanrednim

situacijama

11


12

Documents

Mobile Computing