Ruting i trådløse sensornettverk

Abstract

I militære operasjoner er det et stort behov for sikring av militære posisjoner. Forsvar av slike posisjoner gjøres ved en kombinasjon av fysisk sikring, overvåkning og reaksjon; som alle tre må balanseres. Elektronisk sensormateriell er et viktig virkemiddel for å oppnå tidlig varsling av inntrenging og dermed redusert reaksjonstid. Det finnes en rekke sensortyper på markedet beregnet for varsling av inntrenging. Av disse vil trådløse sensorer være å foretrekke ved beskyttelse av posisjoner av midlertidig karakter. Trådløse sensorer gir kortere deployeringstid og større frihet i valg av sensorplassering enn trådbaserte systemer. Det vil dessuten være mulig å benytte et større antall sensorer, noe som i kombinasjon med dataaggregering kan minske sannsynligheten for falske alarmer. Trådløse sensorer introduserer på den annen side noen kommunikasjonsutfordringer. Da slike sensorer i tillegg er batteridrevne, og gjerne er tallrike, er det spesielt viktig at kommunikasjonsprotokollene er energieffektive og skalerbare. Rutingprotokollen sørger for at meldinger (alarmer og målinger) som produseres i et sensornettverk transporteres fra sensor til ønsket mottaker. I denne rapporten undersøkes følgende problemstillinger knyttet til ruting og energieffektivitet i trådløse sensornettverk: i) Samtidig posisjonering og ruting; ii) dataaggregering; iii) kommunikasjon mot eksterne systemer; iv) plassering av sinknoder og ruting i fler-sinksnettverk; og v) kommunikasjon i et miljø med radioforstyrrelser. Det er utført en rekke simuleringer og laboratorieforsøk som adresserer disse problemstillingene. En hovedhensikt med arbeidet har vært å finne metoder som gir effektiv ruting i sensornettverk samtidig som en god energiutnyttelse sikres. En av de beste måtene å oppnå dette på er å bruke flere sinknoder i nettverket. Dette gir både høy effektivitet og god redundans og er en veldig enkel metode dersom scenarioet tillater bruk av multiple sinker. Dette kan også kombineres med dataagreggering. F.eks. ved beskyttelse av en base over et lengre tidsrom, vil det være fornuftig å benytte flere sinker for å øke redundansen og redusere antall hopp i nettverket. Samtidig kan man gjøre aggregering og filtrering av sensormeldinger i nettverket for å minske sannsynligheten for falske alarmer og for å øke energieffektiviteten ytterligere. En annen hovedkonklusjon er at krysslagskoblinger mellom rutingprotokollen og andre protokoller kan bidra både til vesentlig ytelsesforbedring og økt funksjonalitet i sensornettverket. For eksempel kan krysslagskoblinger muliggjøre både aggregering, som gir lengre levetid til nettverket, og lokasjon, som er en nødvendig funksjon i mange sensornettverk. En siste anbefaling gjelder militære sensornettverk som er spesielt sårbare for radioforstyrrelser som f.eks. jamming. I rapporten anbefales det å benytte en hybrid rutingprotokoll. Denne protokollen gir god balanse mellom pakkeleveringsrate og energieffektivitet, både når nettverket er utsatt for høy og lav grad av radioforstyrrelse.

In military operations, there is a great need for protecting military positions. This is typically accomplished by a balanced combination of physical protection, surveillance and elimination of the threat. The use of electronic sensors is an important means to achieve early warning of intrusions and thus reduced reaction time. There is a variety of sensor types on the market intended for the detection of intrusion. Among these are wireless sensors preferable for protecting temporary camps and positions.Wireless sensors provide shorter deployment time and greater freedom regarding sensor placement compared to wired systems. Furthermore, a large number of sensors can be deployed, which can reduce the false-alarm probability when combined with other techniques such as data aggregation. Wireless sensors do on the other hand introduce a range of communication challenges. Considering that wireless sensors are battery powered and often abundant, it is very important that the communication protocols are energy efficient and scalable. The routing protocol ensures that messages (alarms and measurements) produced in the sensor network is transported from the sensor to the desired recipient. This report investigates the following issues related to routing and energy efficiency in wireless sensor networks: i) Simultaneously positioning and routing; ii) data aggregation; iii) interoperability with external systems; iv) sink node placement and routing in a multi-sink network; and v) communication interferred environment. A number of simulations and laboratory experiments are performed to address these issues. The main purpose of this work has been to find methods for efficient routing in sensor networks while ensuring good energy utilization. One the recommended ways to achieve this is to use multiple sink nodes in the network. The use of multiple sinks provides both high efficiency and redundancy. Multiple sinks can also be combined with data aggregation. Another main conclusion is that cross-layer optimizations between the routing protocol and other protocols can contribute both to a significant performance improvement and to increase the functionality in the sensor network. For example, cross layer optimizations can enable data aggregation, which provides prolonged network lifetime, and a location service, which is a necessary feature in many sensor networks. One last recommendation in the report applies to military sensor networks subjected to interference or jamming. The report recommends a hybrid routing protocol for this purpose. This protocol provides a good balance between packet delivery rate and energy efficiency, both in circumstances when the network is subjected to high interference and when it is subjected to low interference.