La rete di sensori wireless (WSN) è un insieme di piccoli nodi sensore con capacità di rilevamento, calcolo e trasmissione. Poiché le funzioni di un singolo nodo sensore sono limitate, in particolare l'immagazzinamento dell'energia e la memorizzazione dei dati, è necessario sviluppare una buona topologia di rete e un protocollo di routing. Il presente lavoro si concentra sulla rete di sensori wireless Zig Bee, basata sullo standard IEEE 802.15.4, e propone un'efficiente topologia di raggruppamento MSCT basata sul minimum spanning tree (MST). L'obiettivo finale è quello di costruire una topologia di rete con il costo minimo. La topologia proposta tiene conto anche degli ambienti interni, proponendo metriche per gestire la perdita di percorso e l'attenuazione del segnale causate da muri e ostacoli e calcolando i pesi dei collegamenti tra i nodi. Infine, la topologia MSCT proposta nel documento è più vantaggiosa della topologia Cluster-Tree per quanto riguarda la perdita di energia e la durata della rete.
Ognuna delle tre strutture di rete Zigbee ha i suoi vantaggi. La rete Zigbee ha attualmente tre architetture: a stella, ad albero e a maglia. È possibile scegliere la struttura di rete Zigbee appropriata in base alle effettive esigenze del progetto.
1. Topologia a stella
È la forma più semplice di topologia. Contiene un nodo coordinatore e una serie di nodi end device. Ogni nodo End Device può comunicare solo con il nodo Coordinatore. Se è necessaria una comunicazione tra due nodi End Device, le informazioni devono essere inoltrate attraverso il nodo Coordinatore.
2. Topologia ad albero
La topologia ad albero comprende un coordinatore e una serie di nodi router e dispositivi finali. Il coordinatore collega una serie di router e dispositivi finali e il suo sotto-nodo router può anch'esso collegare una serie di router e dispositivi finali. Questa procedura può essere ripetuta per più livelli. La struttura della topologia ad albero è illustrata nella figura seguente:
devono essere consapevoli:
I nodi Coordinatore e Router possono contenere i propri nodi figli.
Il dispositivo finale non può avere nodi figli propri.
I nodi con lo stesso nodo padre sono chiamati nodi fratelli.
I nodi con lo stesso nodo nonno sono chiamati nodi cugini.
Regole di comunicazione nella topologia ad albero:
Ogni nodo può comunicare solo con il proprio nodo genitore e con i nodi figli.
Se i dati devono essere inviati da un nodo all'altro, le informazioni vengono trasmesse lungo il percorso dell'albero fino al nodo antenato più vicino e poi giù fino al nodo di destinazione.
Lo svantaggio di questa topologia è che esiste un solo canale di instradamento per le informazioni. Inoltre, l'instradamento delle informazioni è gestito dal livello dello stack protocollare e l'intero processo di instradamento è completamente trasparente al livello applicativo.
La costruzione della rete è diversa dalla struttura Cluster-Tree descritta in precedenza. Si basa sul minimum spanning tree. Si supponga che il grafo G = (V, E) rappresenti la topologia di una rete di sensori statica, dove V rappresenta un nodo sensore ed E rappresenta il peso del collegamento tra due nodi collegati. In teoria, il peso del collegamento di una rete di sensori rappresenta la distanza euclidea tra due nodi, ma come spiegato nella sezione precedente, occorre tenere conto della perdita di percorso e dell'attenuazione del segnale dovuta agli ostacoli presenti nell'ambiente interno. I pesi vengono ordinati utilizzando l'algoritmo di "Kruskal" [6-7] (Algoritmo 1, mostrato di seguito). In base a questo algoritmo, è possibile ottenere la topologia con il minimo costo di trasmissione della comunicazione.
3. Topologia della rete
La topologia a rete comprende un coordinatore e una serie di router e dispositivi finali. Questa forma di topologia di rete è identica alla topologia ad albero; si rimanda alla topologia di rete ad albero menzionata in precedenza. Tuttavia, la topologia di rete mesh ha regole di instradamento delle informazioni più flessibili e i nodi di instradamento possono comunicare direttamente tra loro quando possibile. Questo meccanismo di instradamento rende più efficiente la comunicazione delle informazioni e significa che, se si verifica un problema su un percorso di instradamento, le informazioni possono essere trasmesse automaticamente su altri percorsi di instradamento. Di seguito è riportato un diagramma schematico di una topologia a rete:
Di solito, nell'implementazione della rete mesh di supporto, il livello di rete fornisce la funzione di esplorazione del percorso corrispondente. Questa funzione consente al livello di rete di trovare il percorso ottimale per la trasmissione delle informazioni. Va notato che le funzioni sopra descritte sono tutte implementate dal livello di rete e il livello applicativo non ha bisogno di alcuna partecipazione.
La topologia di rete mesh MESH ha potenti funzioni. La rete può comunicare attraverso "hop multilivello"; questa topologia può anche formare una rete estremamente complessa; la rete ha anche funzioni di auto-organizzazione e auto-riparazione;
Con il rapido sviluppo delle reti di sensori wireless, la tecnologia wireless è ampiamente utilizzata nelle stazioni base che trasmettono dati di rilevamento e mappatura [1]. Nelle applicazioni pratiche, le reti di sensori wireless richiedono una distribuzione su vasta area. Una volta completato il dispiegamento, è relativamente difficile modificarlo di nuovo. Per questo motivo è necessario utilizzare in modo efficiente le risorse limitate di ciascun nodo della rete. Esistono molti campi di applicazione dei sensori wireless, come il monitoraggio della temperatura e dell'umidità, la domotica, il monitoraggio dei soccorsi, ecc. La maggior parte delle applicazioni richiede una trasmissione wireless su larga scala e deve essere supportata da standard come IEEE802.11b. Studi pertinenti hanno dimostrato che gli standard wireless tradizionali, come Bluetooth e WLAN [2], non sono più adatti per le applicazioni nella domotica e negli scenari industriali di rilevamento in ambienti chiusi. Lo standard IEEE802.15.4 viene solitamente scelto per questo scenario applicativo. Il presente lavoro si concentra sullo studio di una topologia di clustering efficiente MSCT basata sul minimum spanning tree (MST) in condizioni di interferenza delle pareti interne. 1Tipologia di rete Cluster-Tree Cluster-Tree è una topologia di rete basata sullo standard IEEE802.15.4. Nelle reti di sensori wireless, il consumo energetico è un aspetto importante da considerare. Questo articolo studierà innanzitutto l'efficienza della topologia di rete Cluster-Tree in termini di consumo energetico [3]. La topologia di rete Cluster-Tree è suddivisa in due relazioni gerarchiche, genitore e figlio, come illustrato nella Figura 1. In questa topologia, ogni cluster ha una relazione gerarchica con il proprio figlio. In questa topologia, ogni nodo cluster comunica attraverso il nodo capo di questo livello e il nodo capo di ogni livello è controllato dal coordinatore PAN [4]. La topologia è costruita attraverso richieste di associazione e risposte di associazione. Per ottenere il miglior effetto di controllo del tipo di rete ZigBee, il numero e la profondità di estensione dei nodi figli di ciascun nodo genitore devono essere compresi in un certo intervallo. La profondità si riferisce alla distanza tra il coordinatore PAN e il nodo. Ad esempio: il nodo del coordinatore PAN è considerato di livello 0 e il nodo figlio del coordinatore PAN è considerato di livello 1.
Parole chiave: terminale di trasmissione dati
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