دانلود پایان نامه ارشد: بهبود مسیریابی داده های حساس به تاخیر در شبکه های حسگر بیسیم

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته کامپیوتر

گرایش : نرم افزار

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

دانشگاه آزاد اسلامی

دانشگاه علوم تحقیقات خراسان جنوبی

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته کامپیوتر

گرایش نرم افزار

عنوان:

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 شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

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

فهرست مطالب:

فصل اول:کلیات تحقیق

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

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

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

1-4سؤالات تحقیق:……………………………………………………………………………………………………………………..16

1-5 فرضیه‏های تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………16

فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق

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 استفاده 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 استفاده 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

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 خلاصه سازی فرصت طلبانه (opportunistic data aggregation)………………………………43

2-7-7 خلاصه 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 دلایل 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 استفاده 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 تحقیق

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 استفاده 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 نحوه 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 استفاده 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 استفاده 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 تحقیق

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

5-2 پیشنهادهای تحقیق……………………………………………………………………………………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 نحوه 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 نحوه اتصال گره‌ها………………………………………………………………………… 71

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

شکل 3-6 استفاده 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 استفاده از روش‌های در مختلف شبکه…………………………………… 81
(نمودار 4-2 ) درصد بسته های گم شده نسبت به تعداد گره‌های مورد استفاده………………………………….. 82
(نمودار 4-3) میانگین تعداد گام در حالت های چاهک متحرک و چاهک ثابت و راه‌کار کنونی در خالت استفاده از 35 گره………………………………………………………………………………………………………………………..84

چکیده

یکی از چالش های مطرح در زمینه شبکه‌های حسگر ،نحوه 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 می‌گردد 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 شده  ،امروزه به عنوان یکی از مباحث بسیار داغ علمی مطرح است و تاکنون کارهای زیادی در جهت بهبود و افزایش کارایی در زمینه جمع‌آوری اطلاعات در این حوزه ، صورت گرفته است. یکی از روش‌های مطرح در این زمینه، روش استفاده از چاهک متحرک است که در این روش با حرکت چاهک در کل شبکه اطلاعات از گره‌های حسگر جمع‌آوری می‌گردد. این روش، پایه بسیاری از روش‌های مطرح شده بعدی در جهت حل مشکلات مطرح شده در حوزه مسیریابی و جمع‌آوری اطلاعات در شبکه‌های حسگر را تشکیل می‌دهد که در این پایان‌نامه مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند و در نهایت از لحاظ قابلیت و نقاط ضعف 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 است 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 شده را  نشان می‌دهد .

1-1مقدمه

امروزه بحث سیستم‌های کنترل و نظارت از راه دور یکی از مباحث پرچالش در زمینه علوم الکترونیک و کامپیوتر می‌باشد. لذا 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 شد.

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 منظور اندازه گیری میزان 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 برقرار 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 استفاده نباشند. روند توسعه این شبکه‌ها در حدی است که مطمئناً این شبکه‌ها در آینده نزدیک،‌نقش مهمی را در زندگی روزمره ما ایفا خواهند کرد. از کاربردهایی که در حال حاضر برای شبکه حسگر مطرح می‌شود و روزبه‌روز بر تعدادشان افزوده می‌شود، می توان به کاربردهایی نظیر عمل 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 انسان در آنها خطرناک است و بسیاری کاربردهای دیگر اشاره کرد.

شبکه های حسگر در واقع تجمع تعداد زیادی از گره‌های حسگر می‌باشند که در محیط پراکنده شده‌اند و هر کدام به طور 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 برقرار کند و اطلاعات خود را در اختیار گره دیگری قرار دهد و در نهایت وضعیت محیط تحت نظر، به یک گره مرکزی گزارش می شود.

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

  • هزینه پائین : بایستی سیستم نهایی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. چون تعداد گره‌ها خیلی زیاد بوده و برآورده هزینه هر گره در تعداد زیادی (بالغ بر چند صدهزار) ضرب می گردد، بنابراین هر چه از هزینه هر گره کاسته شود، در سطح کلی شبکه صرفه جویی زیادی صورت خواهد گرفت و سعی می شود 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. لذا هر چه این نسبت کمتر باشد به همان نسبت کارایی بالاتر می رود و از طرفی در اکثر موارد برای اینکه گره‌ها جلب توجه نکند و یا بتوانند در برخی مکان‌ها قرار بگیرند نیازمند داشتن حجم بسیار کوچک می باشند.
  • توان مصرفی پایین : منبع تغذیه در گره‌ها محدوده می باشد و در عمل امکان تعویض یا شارژ مجدد آن مقدور نیست، لذا بایستی از انرژی موجود به بهترین نحو ممکن استفاده گردد.
  • نرخ بیت پائین : به خاطر وجود سایر محدودیتها، عملاً میزان 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 است شرایط در هر زمانی دچار تغییر و تحول شود. مثلاً برخی از گره‌ها خراب گردند. لذا هر گره بایستی بتواند وضعیت خود را با شرایط بوجود آمده جدید تطبق دهد.

همانطور که در  قبل نیز بیان شد، شبکه های حسگر در حالت کلی ماهیت داده – محور دارند و بنابراین ساختار ارتباطی بین گره‌های حسگر باید طوری طراحی شوند که با ماهیت این شبکه‌ها هماهنگی داشته باشند. چون اکثر کاربردهای شبکه های حسگر در مواردی است که عملاً امکان اتصال گره‌ها به یکدیگر عملی یا مقرون به صرفه نیست، در این گونه شبکه‌ها عموماً از ارتباط بیسیم استفاده می شود. و ساختار کلی این شبکه‌ها به این صورت است که تعداد زیادی گره همسان، در محیط پراکنده می‌شوند و پس از جمع‌آوری اطلاعات مورد نظر، آن را به یک چاهک (Sink) ارسال می‌کنند. چاهک، گرهی دارای میزان 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 استفاده کرد 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 استفاده می‌شود. علاوه بر این مورد، در اکثر موارد بین بسیاری از گره‌ها و گیرنده‌های مرکزی به علت مسایلی مانند فاصله زیاد یا موانع جغرافیایی، ممکن است دید مستقیمی بین گره و گیرنده مرکزی وجود نداشته باشد. روشهای متنوعی جهت پراکندن اطلاعات در شبکه های حسگر، پیشنهاد شده است 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 است.

تکنیک‌ها و شیوه های مورد استفاده 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. لذا امروزه در سرتاسر دانشگاه‌های معتبر و مراکز تحقیقاتی کامپیوتری، الکترونیکی و بخصوص مخابراتی، شبکه‌های حسگر بیسیم، یک زمینه تحقیقاتی بسیار جذاب و پرطرفدار محسوب می‌شود. تحقیقات و پیشنهادات زیادی در مباحث مختلف ارائه شده است و همچنان حجم تحقیقات در این زمینه سیر صعودی دارد.

هدف اصلی تمامی این تلاش‌ها 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 در مقابل 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. لذا محققین جنبه‌های مختلف را تحلیل و بررسی می‌نمایند و سعی می‌کنند ایده‌های بهینه و کارا را استخراج کنند. این ایده‌ها می‌توانند از محیط وحش اطرافمان الهام گرفته شده باشد و با استفاده از قوانین ریاضی و نظریات تئوری و آماری می‌توان آنها را تحلیل نمود.

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

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

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 میزان 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 میزان زیادی مصرف می‌گردد این موضوع باعث می‌شود که قسمتی از شبکه بعد از مدتی، انرژی‌اش تمام شود و از کار بیافتد و در نتیجه نتواند اطلاعاتی در رابطه با آن ناحیه به چاهک برساند ، از طرفی در آن شبکه ،ناحیه ای وجود دارد 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 بیان می‌کند که در یک قسمت از شبکه انرژی زیادی در حال استفاده 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 است. در چنین پیکربندی،مصرف کننده انرژی،ماژول ارتباطات هر گره می‌باشد. در عمل، برای ارسال اطلاعات گره‌ها به چاهک، به ارتباطات چندگانه نیاز است. با توجه به این که در هر ارتباط از انرژی شبکه کاسته می‌شود، انرژی شبکه به میزان نسبتا زیادی به ازای یک بسته کاهش پیدا خواهد کرد. در این گونه شبکه‌ها مشکل دیگری نیز وجود دارد و آن این است 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 می‌شود که انرژی آن‌ها زود تمام شود، 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 ضعف استفاده از چاهک ثابت به شمار می‌آید .

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

راه‌کار دیگری در این زمینه توسط[1] بیان گردید و آن، استفاده 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 می‌کند. این روش میزان 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، استفاده از چاهک متحرک در این گونه شبکه‌ها است. این رویکرد در خیلی از موارد شبیه استفاده از چندین گره ثابت است، در حالی که در حالت استفاده از چند گره ثابت نیاز به استفاده از یک ارتباط عمومی برای جمع‌آوری تمام داده‌ها در یک نقطه پایانی است. برای غلبه بر نقص های موجود در یک چاهک ثابت، استفاده از چاهک متحرک پیشنهاد شده است. 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 تفصیل، هریک را توضیح خواهیم داد.

روش استفاده از چاهک متحرک، مشکلات تمام شدن انرژی گره‌های اطراف چاهک و همچنین ارتباطات چندگامه و تاخیر انتها به انتها را به نسبت روش چاهک ثابت برطرف می‌کند 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 شد 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 برخی از این ترافیک‌ها مانند ترافیک‌های چندرسانه‌ای، حتی ترتیب دریافت بسته حایز اهمیت می‌باشد. بنابراین، روش استفاده از چاهک متحرک، برای این‌گونه ترافیک‌ها نتیجه عکس خواهد داشت. استفاده از چاهک متحرک، معایب دیگری نیز دارد که در این جا به برخی از آن‌ها به اختصار اشاره خواهد شد و توضیحات کامل تر را در فصل بعد ارایه خواهیم کرد .از دیگر مشکلات 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 استفاده شده دیگر، در این حوزه  استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان است. در برخی کاربرد‌ها نیاز است تا ارتباط گره‌ها با چاهک همواره برقرار باشد. یکی از این موارد، ترافیک‌های حساس به تاخیر است. 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 است. یکی از مهمترین راه‌کارهای ارائه شده، استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان می‌باشد. این روش در مقلات علمی مختلف بیان 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 وجود دارد. مانند اتصال قسمت عظیمی از شبکه به چاهک ثابت و دیگری، مسیریابی همیشگی مجدد به چاهک متحرک است. در قسمت ضرورت انجام تحقیق مفصل تر در رابطه با این موضوع سخن خواهیم گفت.

1-2بیان مساله

همانطور که در مقدمه نیز بیان 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 موارد نشان داده شده که چاهک متحرک در متعادل سازی بار مسیریابی و در نتیجه کاهش انرژی گره‌ها کمک می‌کند. اگرچه این موضوع واضح هست که چاهک متحرک بالانس بار بین گره‌ها را بهبود می‌بخشد، اما این یک سوال باز است که آیا این مساله در بهبود کارایی انرژی شبکه WSN مفید است یا خیر؟ برای اینکه این مساله را مورد متوجه قرار دهیم ابتدا 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 استفاده می‌شود، این است 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 است. با این همه مشخص است که در مورد یک چاهک ثابت، مصرف انرژی گره‌ها در طول شبکه به شدت متغیر است. علت این موضوع این هست که، گره‌های اطراف چاهک، تحت بار سنگین‌تری هستند و عملیات پاسخ آنها، نسبت به گره‌های دورتر از چاهک بیشتر است. بنابراین 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 نحوه مصرف انرژی را همزمان با حفظ کیفیت سرویس، از طریق ارائه راهکاری در مسیریابی شبکه، با استفاده از چاهک ثابت و متحرک، کاهش دهیم.

چتد عامل در بهینگی عوامل بیان 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 موارد را توضیح خواهیم داد.

اول: معمولا WSNها از سنسورهای ثابت ریزی تشکیل شده است که در محیط جغرافیایی پارامترهای مورد نظر را حس کرده و پارامترهای مورد علاقه را بررسی می‌کنند. توسعه نامتقارن رندوم باعث شده که همیشه یکی از پارامترهای مهم، بدست آوردن انرژی بهینه باشد و همیشه باید 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 می‌کند 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 می‌کند.هر چند شبکه‌های ad-hoc  با ساختار شبکه‌های حسگر بیسیم متفاوت می‌باشند اما می‌توان از برخی روش‌های آن‌ها برای تحرک چاهک استفاده 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 صورت که برای دستیابی به توپولوژی شبکه به صورت فراگیر[1]، یک بسته را به تمام شبکه ارسال می‌شود. در جواب بسته ارسالی، برگشت داده داریم. در مقدمه تاثیر چاهک متحرک، در مصرف انرژی بیان گردید. اما روش پرواکتیو، به دلیل این که چاهک متحرک در هر زمان در یک قسمت از شبکه می‌باشد، باعث می‌شود که شبکه متناوبا به مسیریابی مجدد تا گره مرتبط با چاهک بپردازد ، ارسال بسته به تمامی شبکه، باعث مصرف انرژی زیادی می‌گردد. با توجه به این موضوع، یکی از مشکلات استفاده 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 باید برای رسیدن به چاهک از چند گام عبور نمایند. افزایش تاخیر انتها به انتها ،به دلیل ارسال بسته‌ها توسط چند گام، یکی از مشکلات استفاده از چاهک ثابت می‌باشد. افزایش تاخیر انتها به انتها در ترافیک‌های حساس به تاخیر مساله مهمی می‌باشد. این در حالی است که ارسال اطلاعات به چاهک متحرک می تواند به صورت  یک گام انجام شده یا توسط چند گام محدود، انجام شود. . ارسال اطلاعات با استفاده از چند گره، کیفیت سرویس را کاهش می‌دهد. علاوه برآن، ارسال اطلاعات با استفاده 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 می‌شود 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. بنابراین در روش ارائه شده،موضوع ارتباطات چندگانه را مورد توجه قرار می‌دهیم.

چهارم : یکی از مشکلات استفاده 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 است، قادر به ارسال داده به سمت چاهک ثابت نیستند. در این حالت‌ها مشکل نقاط کور وجود دارد و باعث می‌شود که با وجود مصرف انرژی، گره‌ها نتوانند اطلاعات خود را به چاهک ارسال نمایند . در روش استفاده از چاهک متحرک،چاهک طوری برنامه ریزی می‌گردد 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 طور یکنواخت در محیط پخش نشده اند و از طرفی ترافیک شبکه نیز در تمامی شبکه به طور یکنواخت نمی‌باشد. این مشکل باعث می‌شود که مصرف انرژی در تمامی شبکه به یک میزان نباشد در نتیجه باعث می‌شود که قسمتی از شبکه انرژی اش به سرعت تمام شود.

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 توجه به نوع برنامه مورد استفاده 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 می‌گردد، اما بسته‌های با اولویت بالا، با تاخیر زیادی ارسال می‌گردند.

با توجه به ضعف هریک از روش‌های استفاده از چاهک ثابت و چاهک متحرک، روش پیشنهادی بسیاری از محققین ، استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان است

تعداد صفحه : 115

قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

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

پشتیبانی سایت :        09199970560        info@arshadha.ir

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.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید