بهبود مسیریابی داده های حساس به تاخیر در شبکه های حسگر بیسیم

استاد راهنما  :

دکتر مزینانی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

فهرست مطالب:

فصل اول:کلیات پژوهش

1-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………4

1-2بیان مساله……………………………………………………………………………………………………………………………..11

1-3اهمیت و ضرورت پژوهش……………………………………………………………………………………………………….14

1-4سؤالات پژوهش:……………………………………………………………………………………………………………………..16 دانلود متن کامل در سایت sabzfile.com

1-5 فرضیه‏های پژوهش…………………………………………………………………………………………………………………16

فصل دوم: مروری بر ادبیات پژوهش

2-1 WSn ‌ها با یک چاهک ثابت…………………………………………………………………………………………………19

2-1-1 مشکل اتمام انرژی در گره‌های اطراف چاهک……………………………………………………………………19

2-1-2 بهبود حالت چاهک ثابت ……………………………………………………………………………………………….20

2-2 WSN با یک چاهک متحرک…………………………………………………………………………………………………21

2-2-1 مزایای چاهک متحرک …………………………………………………………………………………………………..22

2-2-2  عیب بهره گیری از چاهک متحرک………………………………………………………………………………………23

2-2-3 انواع حرکت چاهک متحرک …………………………………………………………………………………………..23

2-2-3-1 جابجایی تصادفی ……………………………………………………………………………………………………23

2-2-3-2 شبکه های موبایل ثابت …………………………………………………………………………………………..24

2-2-3-3 جابجایی کنترل موبایلیتی ………………………………………………………………………………………….25

2-3  ارسال داده های حساس به تاخیر …………………………………………………………………………………………29

2-4 بهره گیری از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان………………………………………………………………..29

2-5 روش ارایه شده در  EEQR ……………………………………………………………………………………………….32

2-5-1 معرفی مشکل نقاط کور…………………………………………………………………………………………………….33

2-6 مسیریابی در شبکه‌های حسگر بیسیم………………………………………………………………………………………33

2-6-1 اهداف مسیریابی……………………………………………………………………………………………………………33

2-6-2 معیارهای تعیین مسیر بهینه …………………………………………………………………………………………….34

2-6-3 مسیریابی در شبکه‌های بیسیم ………………………………………………………………………………………….34

2-6-3-1 مسیریابی بردار فاصله ………………………………………………………………………………………………35

2-6-3-2 مسیریابی حالت اتصال …………………………………………………………………………………………….36
جستجو در سایت :   


2-6-3-3 مسیریابی مبدا …………………………………………………………………………………………………………36

2-7 روش های انتشار اطلاعات ………………………………………………………………………………………………….36

2-7-1 روش همه پخشی (Flooding)……………………………………………………………………………………..37

2-7-2 روش شایعه پراکنی (gossiping)………………………………………………………………………………….38

2-7-3 روش SPIN………………………………………………………………………………………………………………….40

2-7-4 پیغام های SPIN …………………………………………………………………………………………………………40

2-7-5  SPIN-1 یک روش دست تکانی سه مرحله ای ……………………………………………………………..41

2-7-6 اختصار سازی فرصت طلبانه (opportunistic data aggregation)………………………………43

2-7-7 اختصار سازی حریصانه(greed data aggregation) ……………………………………………………43

2-7-8 پرسش تو رد تو(nested query) …………………………………………………………………………………44

2-8  الگوریتم خوشه بندی …………………………………………………………………………………………………………44

2-8-1 معیارمطلوبیت خوشه ها …………………………………………………………………………………………………45

2-8-2 ویژگی‌های یک الگوریتم خوشه بندی مناسب …………………………………………………………………..46

2-8-3 معایب روش خوشه بندی ……………………………………………………………………………………………..46

2-8-4 انواع خوشه بندی ………………………………………………………………………………………………………….46

2-8-5  الگوریتم kmeans ……………………………………………………………………………………………………..47

2-8-5-1  مراحل کار …………………………………………………………………………………………………………….47

2-8-6 پیش پردازش داده ها …………………………………………………………………………………………………….48

2-8-7 انواع ویژگی ها در خوشه‌بندی  ………………………………………………………………………………………48

2-8-8 علت های اصلی پیش پردازش داده‌ها …………………………………………………………………………………….48

2-8-9 عملیات اصلی پیش پردازش داده ها ………………………………………………………………………………..49

2-8-10 آلودگی‌ها در خوشه بندی …………………………………………………………………………………………….49

2-8-11 روشهای مورد بهره گیری در پیش پردازش …………………………………………………………………………50

2-8-12 روش (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)…………………………………..50

2-8-12-1 جزئیات الگوریتم LEACH …………………………………………………………………………………52

2-8-12-2 فاز تبلیغات……………………………………………………………………………………………………………52

2-8-12-3 فاز تشکیل دسته‌ها…………………………………………………………………………………………………53

2-8-12-4 فاز تشکیل برنامه……………………………………………………………………………………………………53

2-8-12-5 فاز انتقال داده‌ها…………………………………………………………………………………………………..54

فصل سوم :روش پژوهش

3-1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………..56

3-2 فاز  اول: استقرار اولیه  ………………………………………………………………………………………………………..58

3-2-1 توسعه اولیه …………………………………………………………………………………………………………………58

3-2-2خوشه‌بندی …………………………………………………………………………………………………………………..58

3-2-2-1 بهره گیری از روش BSK-Means  برای خوشه بندی گره ‌ها …………………………………………61

3-2-3 مسیریابی………………………………………………………………………………………………………………………63

3-2-3-1  مسیریابی جهت اتصال به گره سرخوشه……………………………………………………………………64

3-2-3-2  مسیریابی سرخوشه به سمت فوق گره……………………………………………………………………….64

3-2-3-3 مسیریابی به سمت چاهک متحرک …………………………………………………………………………….65

3-2-3-4 مسیریابی وایجاد کانال خصوصی بین فوق‌گره‌ها…………………………………………………………..65

3-3 فاز دوم : حیات و ادامه زندگی شبکه……………………………………………………………………………………..66

3-3-1  اولویت بندی اطلاعات………………………………………………………………………………………………….66

3-3-2 تصمیم گیری برای ارسال داده‌ها ……………………………………………………………………………………..67

3-3-3 تصمیم‌گیری در مورد جهش حرکت چاهک متحرک…………………………………………………………..68

3-3-4 چگونگی آگاهی فوق‌گره متصل به چاهک متحرک، به سایر فوق‌گره ها و نرک ایستگاه…………………..70

3-3-5 ارسال  غیر مستقیم اطلاعات چاهک متحرک……………………………………………………………………..70

3-4 مقایسه روش های ارایه شده………………………………………………………………………………………………….71

3-4-1 روش چاهک ثابت…………………………………………………………………………………………………………71

3-4-2 روش چاهک متحرک……………………………………………………………………………………………………..72

3-4-3 بهره گیری از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان(DualSink)…………………………………….73

3-4-4 روش ارایه شده …………………………………………………………………………………………………………….74

3-5 طرح و نقشه ……………………………………………………………………………………………………………………….75

3-6 مزایای بهره گیری از این روش نسبت به سایر روش‌ها…………………………………………………………………..76

فصل چهارم :تجزیه و تحلیل داده ها و ارزیابی کارایی

4-1  ارزیابی کارایی ………………………………………………………………………………………………………………….78

4-1-1 جزییات شبیه سازی …………………………………………………………………………………………………….78

4-1-2 مدل انرژی مصرفی گره‌ها ……………………………………………………………………………………………80

4-1-3 مقایسه انرژی مصرف شده در روش ارایه شده ……………………………………………………………….80

4-1-4 تاثیر روش ارایه شده ،بر نرخ گم شدن بسته‌ها ………………………………………………………………..82

4-1-5 متوسط تعداد گام طی نموده برای رسیدن به چاهک ………………………………………………………….83

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادهای پژوهش

5-1نتایج………………………………………………………………………………………………………………………………86

5-2 پیشنهادهای پژوهش……………………………………………………………………………………87

فهرست جداول

جدول4-1 پارامترهای شبیه سازی………………………………………………………………………………………………..79

فهرست اشکال

شکل 1-1معماری ارتباطی شبکه های حسگر بیسیم…………………………………………………………………………. 6

شکل 1-2 ساختمان داخلی گره  حسگر…………………………………………………………………………………………. 6

شکل 2-1 انواع خوشه بندی در شبکه های حسگر بیسیم……………………………………………………………….. 21

شکل 2-2یک چاهک سیال در حال حرکت در طول یک خط مستقیم……………………………………………… 28

شکل2-3  انواع روش های جابه حایی کنترل شده…………………………………………………………………………. 29

(شکل 2-4 )روش ارایه شده در EEQR……………………………………………………………………………………. 32

(شکل 2-5) پدیده تصادم…………………………………………………………………………………………………………… 37

(شکل 2-6) پدیده هم پوشانی…………………………………………………………………………………………………….. 38

شکل 2-7 روش شایعه پراکنی…………………………………………………………………………………………………….. 39

شکل 2-8 روش دست تکانی……………………………………………………………………………………………………… 42

شکل 2-9 چگونگی دسته بندی در زمان های t و t+c………………………………………………………………………… 51

شکل 2-10 میران نرمال شده مصرف  انرژی سیستم درصد گره‌های سردسته……………………………………. 52

شکل3-1 نمایه ای از طرح پیاده‌سازی شده…………………………………………………………………………………… 58

شکل 3-2  خوشه بندی با روش Leach ……………………………………………………………………………………. 62

شکل 3-3 روش خوشه‌بندی با روش BSK-Means…………………………………………………………………… 63

شکل 3-4 نمایه چاهک ثابت و چگونگی اتصال گره‌ها………………………………………………………………………… 71

شکل 3-5 نمایه روش چاهک متحرک و چگونگی اتصال گره‌ها……………………………………………………………. 72

شکل 3-6 بهره گیری از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان (Dual Sink) ………………………………. 73

شکل 3-7 نمایش گرافیکی طرح پیشنهادی………………………………………………………………………………….. 74

فهرست نمودارها

(نمودار 3-1) مصرف انرژی  BSK-Means، در مقایسه با روش‌های دیگر، در شبکه‌‌های حسگر بیسیم. 61

(نمودار 3-2)کارایی الگوریتم BSK-means  برای ارسال اطلاعات در مقایسه با سایر روش‌ها…………… 62

(نمودار 4-1) نمودار مصرف انرژی در بهره گیری از روش‌های در مختلف شبکه…………………………………… 81

(نمودار 4-2 ) درصد بسته های گم شده نسبت به تعداد گره‌های مورد بهره گیری………………………………….. 82

(نمودار 4-3) میانگین تعداد گام در حالت های چاهک متحرک و چاهک ثابت و راه‌کار کنونی در خالت بهره گیری از 35 گره………………………………………………………………………………………………………………………..84

چکیده

یکی از چالش های مطرح در زمینه شبکه‌های حسگر ،چگونگی مسیریابی و جمع‌آوری اطلاعات از گره‌های شبکه می‌باشد .از آنجا که این شبکه‌ها از لحاظ منابع انرژی و پردازشی محدودیت دارند،نیازمند روش‌های خاصی برای مسیریابی و انتقال اطلاعات می‌باشند که مصرف انرژی پایینی داشته باشند.

برای واضح تر شدن موضوع ،در شبکه های حسگر معمولی یک گره چاهک در وسط شبکه قرار دارد که اطلاعات حس شده توسط آن، به سوی چاهک هدایت می گردد اما طول عمر پایین شبکه به علت از بین رفتن گره‌های اطراف چاهک و تاخیر انتها به انتهای زیاد گره به علت انتقال اطلاعات از طریق تعداد نسبتا زیادی گره برای رسیدن به چاهک ، دو مشکل اساسی در ارسال اطلاعات در شبکه های حسگر بی‌سیم معمولی هستند. دو مشکل ذکر گردیده  ،امروزه به عنوان یکی از موضوعات بسیار داغ علمی مطرح می باشد و تاکنون کارهای زیادی در جهت بهبود و افزایش کارایی در زمینه جمع‌آوری اطلاعات در این حوزه ، صورت گرفته می باشد. یکی از روش‌های مطرح در این زمینه، روش بهره گیری از چاهک متحرک می باشد که در این روش با حرکت چاهک در کل شبکه اطلاعات از گره‌های حسگر جمع‌آوری می گردد. این روش، پایه بسیاری از روش‌های مطرح شده بعدی در جهت حل معضلات مطرح شده در حوزه مسیریابی و جمع‌آوری اطلاعات در شبکه‌های حسگر را تشکیل می‌دهد که در این پایان‌نامه مورد بحث و مطالعه قرار گرفته اند و در نهایت از لحاظ قابلیت و نقاط اشکال و قوت، با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفته اند.

در این پایان‌نامه قصد داریم تا با ارایه روشی جامع، ساده و کارا دو مشکل مطرح در این گونه شبکه‌ها که باعث کارایی پایین این شبکه‌ها گردیده را بهینه تر نماییم. روش ارایه شده مبنی بر حرکت چاهک متحرک در طول شبکه می باشد که در آن شبکه به صورت خوشه‌بندی شده می باشد و با در نظر گرفتن اولویت بسته‌ها در ارسال اطلاعات به چاهک می‌باشد .نتایج به دست آمده بهبود دو پارامتر ذکر گردیده را  نشان می‌دهد .

1-1مقدمه

امروزه بحث سیستم‌های کنترل و نظارت از راه دور یکی از موضوعات پرچالش در زمینه علوم الکترونیک و کامپیوتر می‌باشد. پس محققان در هر زمان به دنبال راه حلی می‌باشند تا شرایط خاص و انتظارات مدنظر را پاسخ دهد؛ در شرایط و کیفیت کاری یکسان هر چه نسبت هزینه به کارائی پائینتر باشد، همان قدر محبوبیت آن شیوه بیشتر خواهد گردید.

برای آگاهی از تغییرات محیط اطراف و یا وضعیت هر مجموعه ،نیازمند یکسری تجهیزات هستیم که بعنوان حسگر شناخته می شوند.حسگر‌ها تغییرات مدنظر (تغییرات فیزیکی یا شیمیایی) را در قالب یک پاسخ، به مقصود اندازه گیری اندازه تغییرات و یا وجود تغییر، ارائه می دهند. پس از جمع آوری اطلاعات مورد نیاز می‌توان سایر عملیات را بر اساس پاسخ ارائه شده، انجام داد.

پیشرفتهای اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی سیم باعث شده ،بتوانیم گره‌های حسگر چندکاره، با توان مصرفی پایین و هزینه کم داشته باشیم که از نظر اندازه خیلی کوچک هستند و برای مسافت های کوتاه می‌توانند با هم ارتباط مستقر کنند. این گره‌های حسگر کوچک طبق نظریه شبکه های حسگر، دارای تجهیزات حس کردن، پردازش داده‌ها و مخابره می‌باشند. تفاوت اصلی شبکه های حسگر با سایر شبکه‌ها در ماهیت داده– محور (data – centric) و همچنین منابع انرژی و پردازشی بسیار محدود در آنهاست که موجب شده تا روش های مطرح شده جهت انتقال داده‌ها در سایر شبکه‌ها و حتی شبکه‌هایی که تا حد زیادی ساختاری مشابه شبکه‌های حسگر دارند مانند شبکه های موردی(AdHoc)، در این شبکه‌ها قابل بهره گیری نباشند. طریقه توسعه این شبکه‌ها در حدی می باشد که مطمئناً این شبکه‌ها در آینده نزدیک،‌تأثیر مهمی را در زندگی روزمره ما اعمال خواهند نمود. از کاربردهایی که در حال حاضر برای شبکه حسگر مطرح می گردد و روزبه‌روز بر تعدادشان افزوده می گردد، می توان به کاربردهایی نظیر اقدام ردیابی در محیط های گسترده جغرافیایی، سیستم‌های امنیتی، نظارت بر سازه‌های بزرگ، نظارت بر بیماران دارای وضعیت حساس و همچنین نظارت بر پارامترهای محیطی در مناطقی که حضور بشر در آنها خطرناک می باشد و بسیاری کاربردهای دیگر تصریح نمود.

شبکه های حسگر در واقع تجمع تعداد زیادی از گره‌های حسگر می‌باشند که در محیط پراکنده شده‌اند و هر کدام به گونه خودمختار و با همکاری سایر گره‌ها هدف خاصی را دنبال می‌کنند. گره‌ها، به هم نزدیک هستند و هر گره ای با گره دیگری می تواند ارتباط مستقر کند و اطلاعات خود را در اختیار گره دیگری قرار دهد و در نهایت وضعیت محیط تحت نظر، به یک گره مرکزی گزارش می گردد.

عواملی زیرا اقتصادی بودن سیستم، تواناییهای مورد انتشار، تعداد انبوه گره‌ها موجب گشته هر گرهی یکسری محدودیتهای سخت افزاری داشته باشد. این محدودیتها بایستی در پیاده سازی سیستم های مختلف در این گونه شبکه‌ها مورد توجه قرار گیرد. بعضی از محدودیت‌های این گونه شبکه‌ها عبارتند از :

  • هزینه پائین : بایستی سیستم نهایی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. زیرا تعداد گره‌ها خیلی زیاد بوده و برآورده هزینه هر گره در تعداد زیادی (بالغ بر چند صدهزار) ضرب می گردد، پس هر چه از هزینه هر گره کاسته گردد، در سطح کلی شبکه صرفه جویی زیادی صورت خواهد گرفت و کوشش می گردد هزینه هر گره به کمتر از یک دلار برسد.
  • حجم کوچک : گره به نسبت محدوده ای که زیر نظر دارند، بخشی را به حجم خود اختصاص می دهند. پس هر چه این نسبت کمتر باشد به همان نسبت کارایی بالاتر می رود و از طرفی در اکثر موردها برای اینکه گره‌ها جلب توجه نکند و یا بتوانند در بعضی مکان‌ها قرار بگیرند نیازمند داشتن حجم بسیار کوچک می باشند.
  • توان مصرفی پایین : منبع تغذیه در گره‌ها محدوده می باشد و در اقدام امکان تعویض یا شارژ مجدد آن مقدور نیست، پس بایستی از انرژی موجود به بهترین نحو ممکن بهره گیری گردد.
  • نرخ بیت پائین : به خاطر وجود سایر محدودیتها، عملاً اندازه نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در گره‌ها، نسبتاً پایین می باشد.
  • خودمختار بودن : هر گره ای بایستی از سایر گره‌ها مستقل باشد و بتواند وظایف خود را طبق تشخیص و شرایط خود، به انجام برساند.

قابلیت تطبیق پذیری : در طول انجام نظارت بر محیط، ممکن می باشد شرایط در هر زمانی دچار تغییر و تحول گردد. مثلاً بعضی از گره‌ها خراب گردند. پس هر گره بایستی بتواند وضعیت خود را با شرایط به وجودآمده جدید تطبق دهد.

همانطور که در  قبل نیز اظهار گردید، شبکه های حسگر در حالت کلی ماهیت داده – محور دارند و پس ساختار ارتباطی بین گره‌های حسگر بایستی طوری طراحی شوند که با ماهیت این شبکه‌ها هماهنگی داشته باشند. زیرا اکثر کاربردهای شبکه های حسگر در مورد هایی می باشد که عملاً امکان اتصال گره‌ها به یکدیگر عملی یا مقرون به صرفه نیست، در این گونه شبکه‌ها عموماً از ارتباط بیسیم بهره گیری می گردد. و ساختار کلی این شبکه‌ها به این شکل می باشد که تعداد زیادی گره همسان، در محیط پراکنده می شوند و پس از جمع‌آوری اطلاعات مورد نظر، آن را به یک چاهک (Sink) ارسال می‌کنند. چاهک، گرهی دارای اندازه انرژی بالا و تجهیزات مورد نیاز می باشد و در واقع واسط بین شبکه حسگر و محیط اطراف می‌باشد. در شبکه‌های با وسعت جغرافیایی زیاد، می توان از چندین چاهک بهره گیری نمود تا مسیر ارسال داده‌ها به گیرنده‌ها، بیش از حد طولانی نگردد.

از آنجایی که ارسال مستقیم رادیویی در فواصل زیاد، به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد، در شبکه‌های حسگر از روش‌های انتقال اطلاعات به صورت گام به گام بهره گیری می گردد. به علاوه مورد، در اکثر موردها بین بسیاری از گره‌ها و گیرنده‌های مرکزی به علت مسایلی مانند فاصله زیاد یا موانع جغرافیایی، ممکن می باشد دید مستقیمی بین گره و گیرنده مرکزی وجود نداشته باشد. روشهای متنوعی جهت پراکندن اطلاعات در شبکه های حسگر، پیشنهاد شده می باشد که تعدادی از آنها در فصل بعد، مختصراً آورده شده اند. در شکل 1-1 و 1-2شمایی از معماری ارتباطی در شبکه های حسگر نشان داده شده می باشد.

تکنیک‌ها و شیوه های مورد بهره گیری در چنین شبکه‌ها وابستگی شدیدی به ماهیت کاربرد شبکه دارد و ساختار توپولوژی شبکه، شرایط جوی و محیطی، محدودیت‌ها و … عوامل موثری در پارامترهای کارایی و هزینه شبکه می باشند. پس امروزه در سرتاسر دانشگاه‌های معتبر و مراکز تحقیقاتی کامپیوتری، الکترونیکی و بخصوص مخابراتی، شبکه‌های حسگر بیسیم، یک زمینه تحقیقاتی بسیار جذاب و پرطرفدار به شمار می رود. تحقیقات و پیشنهادات زیادی در موضوعات مختلف ارائه شده می باشد و همچنان حجم تحقیقات در این زمینه سیر صعودی دارد.

هدف اصلی تمامی این کوشش‌ها و ارائه راه‌کارها، داشتن سیستمی با شیوه های کنترلی ساده، آسان و با هزینه پائین می‌باشد که در نهایت با پاسخگویی به نیازمندی‌های ما ، بتواند پیش روی محدودیتها (پهنای باند، انرژی ، ‌دخالت‌های محیطی ، فیدینگ و …) ایستادگی کند و شرایط کلی را طبق خواسته‌ها و تمایلات ما (انتقال حجم زیاد اطلاعات پرمحتوا، بقاء پذیری و طول عمر بالا، هزینه پائین و ..) را فراهم سازد. پس محققین جنبه‌های مختلف را تحلیل و مطالعه می‌نمایند و کوشش می‌کنند ایده‌های بهینه و کارا را استخراج کنند. این ایده‌ها می‌توانند از محیط وحش اطرافمان الهام گرفته شده باشد و با بهره گیری از قوانین ریاضی و نظریات تئوری و آماری می‌توان آنها را تحلیل نمود.

به علت های ذکر گردیده در بالا،‌بحث شبکه های حسگر در حال حاضر یکی از موضوعات داغ در محافل علمی می باشد و روز به روز بر تعداد مقاله‌هایی که در این مورد منتشر می شوند افزوده می گردد. در سالهای اخیر نیز چند کنفرانس معتبر IEEE نیز در همین زمینه برگزار شده می باشد.

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد رشته هوش مصنوعی: شناسایی تشکل‌های همپوشان در شبکه‌های پویا

یکی از چالش‌های مطرح در زمینه شبکه‌های حسگر، چگونگی مسیریابی و انتقال اطلاعات جمع‌آوری شده، در گره‌های این شبکه هاست. از آنجایی که این شبکه‌ها از لحاظ اندازه انر‍ژی قابل دسترسی و منابع پردازشی موجود، محدودیت دارند، نمی توان از روش‌های مطرح شده برای سایر شبکه‌ها، در شبکه‌های حسگر بهره گیری نمود.

دو نوع مصرف انرژی در  شبکه در بین محققان مطرح می‌باشد

  • میانگین مصرف انرژی گره‌ها در شبکه که در اصطلاح به آن Ebar   می‌گویند
  • بیشترین اندازه مصرف انرژی در شبکه در بین گره‌ها که در اصطلاح به آن Emax می گویند

یک شبکه حسگر را در نظر بگیرید که در قسمتی از شبکه انرژی گره‌های یک قسمت از شبکه به اندازه زیادی مصرف می گردد این موضوع باعث می گردد که قسمتی از شبکه بعد از مدتی، انرژی‌اش تمام گردد و از کار بیافتد و در نتیجه نتواند اطلاعاتی در ارتباط با آن ناحیه به چاهک برساند ، از طرفی در آن شبکه ،ناحیه ای هست که مصرف انرژی پایینی دارد ،در این صورت میانگین مصرف انرژی شبکه مشکلی را در این شبکه نشان نمی‌دهد اما پارامتر  Emax  این موضوع را اظهار می کند که در یک قسمت از شبکه انرژی زیادی در حال بهره گیری می‌باشد .

در طراحی‌های اخیر یک WSN معمولا تشکیل شده از یک سری گره ثابت و یک چاهک ثابت که در میان ناحیه جغرافیایی قرار گرفته می باشد. در چنین پیکربندی،مصرف کننده انرژی،ماژول ارتباطات هر گره می‌باشد. در اقدام، برای ارسال اطلاعات گره‌ها به چاهک، به ارتباطات چندگانه نیاز می باشد. با در نظر داشتن این که در هر ارتباط از انرژی شبکه کاسته می گردد، انرژی شبکه به اندازه نسبتا زیادی به ازای یک بسته کاهش پیدا خواهد نمود. در این گونه شبکه‌ها مشکل دیگری نیز هست و آن این می باشد که در صورتی که شبکه دارای یک چاهک ثابت در محیط باشد تمامی گره‌های شبکه اطلاعات خود را  به سوی چاهک ارسال می‌کنند. هرچند چاهک، از بابت مصرف انرژی دارای محدودیتی نمی‌باشد، اما گره‌های اطراف چاهک تعداد بسته های زیادی را مبادله می کنند و این موضوع باعث می گردد که انرژی آن‌ها زود تمام گردد، با وجود این که گره‌های دور از چاهک همچنان انرژی دارند و قادر به رصد محیط می‌باشند، اما نمی‌تواننداطلاعات خود را به چاهک ارسال نمایند.

از طرفی احتمال ایجاد نقاط کور برای دسترسی درشبکه‌های با چاهک ثابت  به صورت بارزی امکان پذیر می‌باشد.از طرفی به دلیل محدودیت های جغرافیایی و یا عدم امنیت یک مسیر، برای ارسال اطلاعات حسگرها نمی‌توانند اطلاعات خود را به چاهک ثابت ارسال نمایند. این موضوع به عنوان یکی از نقاط اشکال بهره گیری از چاهک ثابت به شمار می‌آید .

یک راه‌کار ارایه شده در این حوزه ،بهره گیری از چند چاهک ثابت در شبکه می‌باشد. اما بهره گیری از چندین چاهک، به دلیل هزینه زیاد و محدودیت‌هایی که در مورد مکان چاهک می‌باشد مانند محیط‌های نظامی (که چاهک لزوما بایستی در نقطه امنی از شبکه حضور داشته باشد)، معمولا مورد بهره گیری قرار نمی‌گیرد.

راه‌کار دیگری در این زمینه توسط[1] اظهار گردید و آن، بهره گیری از رویکرد سلسله مراتبی در ارسال اطلاعات به چاهک می‌باشد. در این روش هر گره خود را در یک مجموعه بزرگ تر عضو می‌نماید و اطلاعات خود را از طریق گره ای که نماینده آن گروه می‌باشد ارسال می کند. این روش اندازه مسیریابی‌های مجدد و هم‌پوشانی در ارسال اطلاعات را کاهش می‌دهد. اما تاثیر قابل توجهی در ترافیک اطلاعات ارسالی به چاهک ثابت نخواهد داشت.

رویکرد دیگری که برای افزایش طول عمر شبکه کاربرد دارد، بهره گیری از چاهک متحرک در این گونه شبکه‌ها می باشد. این رویکرد در خیلی از موردها شبیه بهره گیری از چندین گره ثابت می باشد، در حالی که در حالت بهره گیری از چند گره ثابت نیاز به بهره گیری از یک ارتباط عمومی برای جمع‌آوری تمام داده‌ها در یک نقطه پایانی می باشد. برای غلبه بر نقص های موجود در یک چاهک ثابت، بهره گیری از چاهک متحرک پیشنهاد شده می باشد. یک چاهک متحرک، می‌تواند انواع مختلفی از جابه‌جایی را در میان سنسورها داشته باشد. مانند حرکت تصادفی، حرکت ثابت و پیش‌بینی شده از قبل و حرکت های کنترل شده که نتیجه آن بهبود در مصرف انرژی و جمع‌آوری داده می‌باشد، که به صورت کامل، هریک را تبیین خواهیم داد.

روش بهره گیری از چاهک متحرک، معضلات تمام شدن انرژی گره‌های اطراف چاهک و همچنین ارتباطات چندگامه و تاخیر انتها به انتها را به نسبت روش چاهک ثابت برطرف می کند اما دارای مشکلاتی نیز می‌باشد. در این گونه شبکه‌ها، اطلاعاتی که در یک منطقه از شبکه ایجاد می‌گردند، نمی‌توانند خود را به دلیل نبود چاهک متحرک در آن ناحیه، به موقع به چاهک برسانند.این موضوع زمانی بدتر خواهد گردید که شبکه دارای ترافیک‌های حساس به تاخیر باشد . ترافیک‌های حساس به تاخیر، اطلاعاتی هستند که دارای محدودیت زمانی در ارسال و دریافت توسط مقصد هستند. در بعضی از این ترافیک‌ها مانند ترافیک‌های چندرسانه‌ای، حتی ترتیب دریافت بسته حایز اهمیت می‌باشد. پس، روش بهره گیری از چاهک متحرک، برای این‌گونه ترافیک‌ها نتیجه عکس خواهد داشت. بهره گیری از چاهک متحرک، معایب دیگری نیز دارد که در این جا به بعضی از آن‌ها به اختصار تصریح خواهد گردید و توضیحات کامل تر را در فصل بعد ارایه خواهیم نمود .از دیگر معضلات این روش، افزایش تاخیر انتها به انتها و مسیریابی مدام به چاهک متحرک و مشکل بودن شناسایی حضور چاهک متحرک توسط چاهک ثابت را می‌توان نام برد.

راه‌کار بهره گیری شده دیگر، در این حوزه  بهره گیری از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان می باشد. در بعضی کاربرد‌ها نیاز می باشد تا ارتباط گره‌ها با چاهک همواره مستقر باشد. یکی از این موردها، ترافیک‌های حساس به تاخیر می باشد. در این گونه ترافیک‌ها، داده‌ها برای ارسال به چاهک دارای محدودیت در زمان دریافت هستند. در بعضی کاربرد‌ها، مانند رشته های ویدیویی حتی ترتیب دریافت نیز اهمیت دارد. در این خصوص، راه‌کارهای مختلفی ارایه شده می باشد. یکی از مهمترین راه‌کارهای ارائه شده، بهره گیری از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان می‌باشد. این روش در مقلات علمی مختلف اظهار گردیده و مورد علاقه بسیاری از محققین می‌باشد. مزیت این روش حضور همیشگی حداقل یک چاهک برای ارسال اطلاعات می‌باشد. اما در این روش نیز خلاهایی هست. مانند اتصال قسمت عظیمی از شبکه به چاهک ثابت و دیگری، مسیریابی همیشگی مجدد به چاهک متحرک می باشد. در قسمت ضرورت انجام پژوهش مفصل تر در ارتباط با این موضوع سخن خواهیم گفت.

1-2بیان مساله

همانطور که در مقدمه نیز اظهار گردید، روشهای زیادی برای پروتکل‌های مسیریابی طراحی شده‌اند تا بهینه‌سازی مصرف انرژی در جمع‌آوری داده‌ها در شبکه حسگر بیسیم را فراهم کنند. در مورد روش چاهک ثابت،گره‌های مستقر شده در مجاورت چاهک، انرژی‌شان را خالی می‌کنند و خیلی زودتر از گره‌های قرار گرفته در دور از چاهک، به خاطر بار پاسخگویی بالاتر زودتر می‌میرند. به خاطر اینکه این مساله را مورد توجه قرار دهیم، متحرک‌سازی چاهک را معرفی می‌کنیم که در آن چاهک می‌تواند در یک مسیر معین درون شبکه حرکت کند همچنین در خیلی از موردها نشان داده شده که چاهک متحرک در متعادل سازی بار مسیریابی و در نتیجه کاهش انرژی گره‌ها کمک می کند. اگرچه این موضوع واضح هست که چاهک متحرک بالانس بار بین گره‌ها را بهبود می‌بخشد، اما این یک سوال باز می باشد که آیا این مساله در بهبود کارایی انرژی شبکه WSN مفید می باشد یا خیر؟ برای اینکه این مساله را مورد متوجه قرار دهیم آغاز نیازمند این هستیم که معیارهای مناسبی را برای کمی سازی کارایی انرژی تعریف کنیم.

1- دو پارامتر ممکن که برای مقایسه استراتژی های متحرک سازی چاهک بهره گیری می گردد، این می باشد که تمام انرژی مصرف شده گره‌ها در WSN را برای تمام بار کاری انجام شده توسط WSN مقایسه کنیم.ارزیابی اول، کاهش انرژی متوسط به ازاء همه گره‌ها می‌باشد. برای مثال میانگین کاهش انرژی برای تمامی گره‌ها در WSN در طول مدت زمان مشخص می باشد. با این همه مشخص می باشد که در مورد یک چاهک ثابت، مصرف انرژی گره‌ها در طول شبکه به شدت متغیر می باشد. علت این موضوع این هست که، گره‌های اطراف چاهک، تحت بار سنگین‌تری هستند و عملیات پاسخ آنها، نسبت به گره‌های دورتر از چاهک بیشتر می باشد. پس Emax، قطعا یکی از پارامترهای نماینده ممکن برای تعیین طول عمر WSN در یک محیط انتزاعی می‌باشد. اغلب کارهای انجام شده در مقالات در زمینه طول عمر یک WSN، به دو پارمتر میانگین اتلاف انرژی گره‌های شبکه و بیشینه مصرف انرژی شبکه توجه کرده‌اند.

در این پایان نامه می خواهیم این دو نوع چگونگی مصرف انرژی را همزمان با حفظ کیفیت سرویس، از طریق ارائه راهکاری در مسیریابی شبکه، با بهره گیری از چاهک ثابت و متحرک، کاهش دهیم.

چتد عامل در بهینگی عوامل اظهار شده تاثیرگذار می باشد، که قصد داریم تاثیر این عوامل را بر مصرف انرژی شبکه کم یا حذف نماییم در ادامه به اختصار هر یک از موردها را تبیین خواهیم داد.

اول: معمولا WSNها از سنسورهای ثابت ریزی تشکیل شده می باشد که در محیط جغرافیایی پارامترهای مورد نظر را حس کرده و پارامترهای مورد علاقه را مطالعه می‌کنند. توسعه نامتقارن رندوم باعث شده که همیشه یکی از پارامترهای مهم، بدست آوردن انرژی بهینه باشد و همیشه بایستی به فکر اثر تکنولوژی‌ها در تغییر ارسال داده‌ها باشیم. در شبکه های ad-hock، در یک محیط جغرافیایی بزرگ که پارامترهای مورد نظر را حس می‌کنند، یک استقرار شبکه غیر کنترل شده و تصادفی، یک توپولوژی غیر قابل درک و نامفهوم را در یک محیط پویا با پهنای باند کم، انرژی باتری پایین و حافظه گره‌های کم ایجاب می کند که هر گره یک مسیر کارآمد از نظر انرژی را به شبکه معرفی کند. استقرار ad-hock گره‌ها، برنامه نویسان را از جداول مسیریابی پیکربندی شده روی هر گره در گره‌های حسگر محدود می کند.هر چند شبکه‌های ad-hoc  با ساختار شبکه‌های حسگر بیسیم متفاوت می‌باشند اما می‌توان از بعضی روش‌های آن‌ها برای تحرک چاهک بهره گیری نمود. تکنیک های گوناگونی برای حفظ مسیرهای مسیریابی شده و به روز شدهی چاهک ارائه شده‌اند. [2]. روش پرواکتیو(در روش‌هایی که تغییر توپولوژی مسیریابی به کندی صورت می‌گیرد) روش بهتری برای کاهش مصرف انرژی می‌باشد، به این شکل که برای دستیابی به توپولوژی شبکه به صورت فراگیر[1]، یک بسته را به تمام شبکه ارسال می گردد. در جواب بسته ارسالی، برگشت داده داریم. در مقدمه تاثیر چاهک متحرک، در مصرف انرژی اظهار گردید. اما روش پرواکتیو، به دلیل این که چاهک متحرک در هر زمان در یک قسمت از شبکه می‌باشد، باعث می گردد که شبکه متناوبا به مسیریابی مجدد تا گره مرتبط با چاهک بپردازد ، ارسال بسته به تمامی شبکه، باعث مصرف انرژی زیادی می گردد. با در نظر داشتن این موضوع، یکی از معضلات بهره گیری از چاهک متحرک، مسیریابی چند باره می‌باشد که در روش ارایه شده، مورد توجه قرار می‌دهیم

دوم: در شبکه‌های حسگر بیسیم معمولی، چاهک درمرکز شبکه،ثابت می‌باشد و بسته‌های اطلاعاتی بایستی برای رسیدن به چاهک از چند گام عبور نمایند. افزایش تاخیر انتها به انتها ،به دلیل ارسال بسته‌ها توسط چند گام، یکی از معضلات بهره گیری از چاهک ثابت می‌باشد. افزایش تاخیر انتها به انتها در ترافیک‌های حساس به تاخیر مساله مهمی می‌باشد. این در حالی می باشد که ارسال اطلاعات به چاهک متحرک می تواند به صورت  یک گام انجام شده یا توسط چند گام محدود، انجام گردد. . ارسال اطلاعات با بهره گیری از چند گره، کیفیت سرویس را کاهش می‌دهد. علاوه برآن، ارسال اطلاعات با بهره گیری از چند گره تاثیر زیادی بر افزایش انرژی مصرفی در شبکه دارد. یکی از هدف‌های این پایان نامه کاهش ارتباطات چند گامه برای ارسال اطلاعات به چاهک می‌باشد

سوم : اگر چه روش چاهک متحرک بهینگی مصرف انرژی و کاهش تاخیرانتهابه انتها را بهبود می‌دهد‌، اما مشکل اساسی این روش انتظار برای حضور چاهک متحرک برای ارسال اطلاعات می‌باشد .این مشکل باعث می گردد که تاخیر انتهابه انتها در نقاطی که چاهک متحرک در آن منطقه حضور ندارد به شدت افزایش یابد و این موضوع برای ترافیک‌های حساس به تاخیر چندرسانه‌ای قابل قبول نمی‌باشد. پس در روش ارائه شده،موضوع ارتباطات چندگانه را مورد توجه قرار می‌دهیم.

چهارم : یکی از معضلات بهره گیری از چاهک ثابت عدم دسترسی به نقاط کور در شبکه می‌باشد .در این‌گونه شبکه‌ها، تعدادی از گره‌ها معمولا به علت پدیده‌های جغرافیایی با توزیع ناهمگن در قسمتی از شبکه و یا تمام شدن انرژی گره‌هایی که اطلاعات یک ناحیه توسط آن‌ها به چاهک ثابت انتقال داده می‌شده می باشد، قادر به ارسال داده به سمت چاهک ثابت نیستند. در این حالت‌ها مشکل نقاط کور هست و باعث می گردد که با وجود مصرف انرژی، گره‌ها نتوانند اطلاعات خود را به چاهک ارسال نمایند . در روش بهره گیری از چاهک متحرک،چاهک طوری برنامه ریزی می گردد که در مناطق دور از شبکه نیز حضور داشته باشد و در نتیجه در مقایسه با حالت چاهک  ثابت نقاط کور را بهتر پوشش می‌دهد .

پنجم: در شبکه‌های حسگر بیسیم ، گره‌های حسگر به گونه یکنواخت در محیط پخش نشده اند و از طرفی ترافیک شبکه نیز در تمامی شبکه به گونه یکنواخت نمی‌باشد. این مشکل باعث می گردد که مصرف انرژی در تمامی شبکه به یک اندازه نباشد در نتیجه باعث می گردد که قسمتی از شبکه انرژی اش به سرعت تمام گردد.

ششم : کیفیت سرویس در برنامه‌های مختلف‌،متفاوت می‌باشد. در این پایان‌نامه نیز تمرکز بر روی داده‌های حساس به تاخیر می‌باشد در این‌گونه برنامه‌ها، هر بسته اطلاعاتی با در نظر داشتن نوع برنامه مورد بهره گیری آن، می‌تواند دارای اولویت خاصی، نسبت به بسته اطلاعاتی دیگری می‌باشد. در شبکه های حسگر بیسیم معمولی، اولویت خاصی به بسته های ورودی برای ارسال به چاهک لحاظ نمی‌گردد. در نتیجه بسته‌های با اولویت پایین ،بدون هیچ تاخیری ارسال می گردد، اما بسته‌های با اولویت بالا، با تاخیر زیادی ارسال می‌گردند.

با در نظر داشتن اشکال هریک از روش‌های بهره گیری از چاهک ثابت و چاهک متحرک، روش پیشنهادی بسیاری از محققین ، بهره گیری از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان می باشد

تعداد صفحه : 115

قیمت : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***