презентация

1.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ С.М. КИРОВА»
Исследование беспроводных сенсорных сетей на
математических моделях
Подготовил:
Иван Андреевич Грац
Научный руководитель: к.т.н., доцент
Карманов Андрей Геннадиевич
Санкт-Петербург - 2026

2.

Актуальность темы
Однако проектирование и
эксплуатация БСС сопряжены с
рядом фундаментальных вызовов:
Беспроводные сенсорные сети
(БСС) являются ключевым
компонентом инфраструктуры
Интернета вещей (IoT), умных
городов, промышленного
мониторинга, систем
безопасности и экологического
контроля.
Цифровая
трансформация
требует
•Ограниченность энергоресурсов
•Изменчивость топологии сети
•Нестабильность передачи радио сигналов
•Требования к задержкам и пропускной
способности
надежных
сенсорных сетей. Поэтому важной задачей является их
исследование и оптимизация с помощью математического
моделирования.
2

3.

Цель работы — повышение
эффективности беспроводных
сенсорных сетей для заданных
сценариев применения.
Задачи:
Провести анализ архитектур, основных протоколов передачи
данных и ключевых показателей эффективности беспроводных
сенсорных сетей.
Исследовать и систематизировать математические модели,
используемые для анализа характеристик БСС: модели
распространения сигнала, модели трафика и задержек, модели
энергопотребления.
Разработать методику исследования БСС на основе
имитационного моделирования, включая выбор инструментария,
определение сценариев и критериев оценки.
Реализовать выбранные математические модели в среде
имитационного моделирования и провести вычислительные
эксперименты для различных конфигураций сети.
Проанализировать полученные результаты и сформулировать
практические рекомендации по выбору параметров и протоколов
для оптимизации работы БСС.
3

4.

Объект исследования — беспроводные
сенсорные сети.
Предмет
исследования
—
математические модели для анализа
характеристик беспроводных сенсорных
сетей.
Практическая значимость Разработанные
модели,
методика
исследования и полученные выводы могут
быть использованы при проектировании и
оптимизации беспроводных сенсорных
сетей для конкретных прикладных задач:
систем мониторинга и промышленного IoT.
4

5.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ
5
СЕТЕЙ
Архитектура и компоненты беспроводных
сенсорных сетей
Основные задачи сети:
Беспроводная сенсорная сеть (БСС) —
• мониторинг параметров среды
распределённая самоорганизующаяся сеть автономных
• сбор и обработка данных
устройств (сенсорных узлов), соединённых радиоканалом.
• передача информации на базовую станцию
Особенности БСС:
• ограниченные ресурсы узлов
• высокая масштабируемость
• самоорганизация
• отказоустойчивость

6.

Архитектура сенсорного узла
6
Основные компоненты узла БСС:
• Сенсорная подсистема — датчики (температура,
Типы узлов в сети (по стандарту IEEE
802.15.4 / ZigBee):
давление, влажность), АЦП для сбора данных.
• Подсистема обработки — микроконтроллер и память.
• Координатор один — на сеть. Инициирует сеть,
Управление датчиками, обработка данных, протоколы,
назначает ID, часто служит шлюзом во внешние
энергосбережение.
сети.
• Подсистема
связи
(радиомодуль)
—
приемопередатчик для беспроводного обмена данными
с другими узлами.
• Маршрутизатор (FFD) — ретранслирует данные
и расширяет зону покрытия сети.
• Конечное устройство (RFD) — собирает и
• Система электропитания — батареи (основной
передает данные родительскому узлу. Не участвует
ресурс). Продление времени жизни — ключевая задача.
в ретрансляции. Минимальное энергопотребление.

7.

Основные топологии логической организации
связи
«Звезда»:
связываются
Все
напрямую
7
Ячеистая сеть (Mesh):
узлы
Децентрализованная топология,
с
где каждый узел (или многие узлы)
координатором.
может выступать ретранслятором.
«Дерево» (кластерное дерево):
Иерархическая структура, где узлы
нижнего уровня соединяются с
родительскими узлами более
высокого уровня
Кластерная архитектура является частым случаем иерархической организации для повышения энергоэффективности.

8.

Стандарт IEEE 802.15.4 и протоколы маршрутизации в БСС
8
Основой большинства БСС является стандарт IEEE
Задача протоколов балансировка энергии,
802.15.4, определяющий:
физический уровень (PHY) — диапазоны 868 МГц, 915
продление жизни сети, надежность.
Классы протоколов:
МГц, 2.4 ГГц
канальный уровень (MAC) — управление доступом к
маршрут по запросу
радиоканалу.
Основные особенности:
скорость передачи до 250 Кбит/с
низкое энергопотребление
высокая устойчивость к помехам
На
базе
Плоские (AODV, DSR) — все узлы равноправны,
IEEE
802.15.4
Иерархические (LEACH) — кластеры + головные
узлы, агрегация данных, экономия энергии
Географические
(GPSR)
—
навигация
по
координатам (GPS)
реализованы
Уровни:
сетевые
технологии:
ZigBee — сети «умного дома», промышленный мониторинг
6LoWPAN — интеграция сенсорных сетей с IPv6 и IoT
Thread — надёжные mesh-сети для устройств IoT
Транспортный
—
редуцирован
(PSTCP
для
надежности)
Прикладной — MQTT-SN (телеметрия, издательподписчик)

9.

Ключевые показатели эффективности и качества
обслуживания
Ключевые
показатели
эффективности
(KPI)
—
интегральные показатели того, насколько хорошо
сеть выполняет свою функцию.
Качество
обслуживания
(QoS)
—
параметры
характеризуют качество доставки каждого пакета
данных
Классификация ключевых метрик БСС:
Энергетические
Надёжность
Время
Масштабируемость
Стоимость/Безопасность
9
Проектирование БСС — поиск баланса между
противоречивыми требованиями:
Энергопотребление vs Задержка — сонные
режимы экономят энергию, но увеличивают
задержку.
Пропускная способность vs Масштабируемость —
больше узлов → выше конкуренция → падение
пропускной способности на узел.
Надёжность vs Энергопотребление —
избыточность и кодирование повышают
надёжность, но требуют больше энергии.
Стоимость vs Время жизни — ёмкие батареи
увеличивают стоимость, но продлевают жизнь сети.

10.

Математические модели анализа беспроводных сенсорных
10
сетей (детерминированные/статистические)
Детерминированная модель распространения в
свободном пространстве (Friis Free Space Model)
Формула Фрииса