(سایت پایان نامه ) - پژوهش

متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینید

چکیده
پژوهش حاضر، درمورد مسئله مقیاس پذیری در شبکه های سنسوری بدون سیم با قابلیت تصویربرداری است که با در نظر گرفتن یک سناریوی نسبتا کاربردی از شبکه سنسوری، و براساس معیارهای عملکرد ظرفیت قطع (outage) و ظرفیت ارگادیک (ergodic) شبکه، مقیاسپذیری را مورد تحلیل، مدلسازی ریاضی و شبیه سازی قرار داده است.
مقیاس پذیری اصولا برای تعیین اثرات افزایش یا کاهش تعداد سنسور ها در پارامتر مورد نظر می باشد، هنگامیکه هدف، جلوگیری از هزینه های زیاد ساخت شبکه به علت ازدیاد غیر ضروری تعداد سنسور ها یا کاهش بیش از حد بازدهی شبکه ناشی از کمبود چگالی تعداد سنسور ها، است. برای نیل به این هدف، ابتدا سعی شده تا از سناریوی ای استفاده کنیم که از خوشه بندی شبکه بهره می برد. ابتدا با بدست آوردن توزیع های فاصله برای سنسورها با یکدیگر و با سرخوشه(هِدِر) و نیز توزیع فاصله سرخوشه ها تا ایستگاه اصلی، از طریق شبیه سازی، توانستیم توزیع تداخل و نتیجتا توزیع نسبت سیگنال به نویز و تداخل را در این شبکه، برای هر دو لایه درون خوشه و برون خوشه، بدست آوریم و سپس با استفاده از فرمول بندی های شبکه اقتضایی و سپس تعمیم به حالت خاص سناریوی شبکه سنسوری، فرم های مناسب و فرم بسته را در هردو لایه شبکه، برای تخمین تابع توزیع ظرفیت به دست آورده ایم. با مقایسه این نتایج تحلیلی با نتایج حاصل از شبیه سازی ها، صحت آنها را تصدیق نمودیم.
برای بررسی مسئله مقیاس پذیری نیز با کمک شبیه سازیها به ازای پارامتر های مختلف شبکه، مانند تغییر چگالی سنسورها و سرخوشه ها در سطح شبکه، تغییر مقادیر نمای تضعیف کانال، تغییر حدآستانه برای ظرفیت قطع، اضافه نمودن فیدینگ (با توزیع رایلی) و ... مقادیر میانگین و مجموع ظرفیت ارگادیک و قطع را در هر حالت بدست آورده و مقایسه نموده ایم. با شروع از سناریوی پراکنده(تنک) و حرکت به سمت سناریوی متراکم (چگال)، ابتدا مقادیر ظرفیت کل با اضافه شدن تعداد سنسور ها و نیز افزایش توان دریافتی در سرخوشه ها، افزایش یابد، اما با ادامه این روند، اثرات تداخلی بر این عوامل غالب شده و مقدار ظرفیت ها بعد از رسیدن به نقاط ماکزیمم، که بعنوان حد بهینه چگالی ها مطرح میشود، شروع به کاهش نماید. همچنین برای توزیع های احتمال ظرفیت و نسبت سیگنال به نویز و تداخل، در هردو لایه شبکه، فرمولهای تحلیلی و یا تقریب های آنها ارائه شده است و بر این اساس تلاش شده تا نقاط بهینه برای چگالی سنسورها وسرخوشه ها را بدست آوریم.
کلمات کلیدی: شبکه سنسوری بدون سیم، ظرفیت ارگادیک و قطع، خوشه بندی، مقیاس پذیری.
فهرست مطالب
TOC o "1-3" h z u چکیده PAGEREF _Toc343615030 h viفهرست مطالب PAGEREF _Toc343615031 h viiفصل اول : مقدمه ای بر شبکه های سنسوری بدون سیم PAGEREF _Toc343615033 h 11-1- مقدمه PAGEREF _Toc343615034 h 21-2- کاربرد های شبکه سنسوری بدون سیم PAGEREF _Toc343615035 h 61-2-1- کاربرد های پزشکی PAGEREF _Toc343615036 h 61-2-2- کاربرد های نظامی و دفاعی PAGEREF _Toc343615037 h 71-2-3- کاربرد های کنترلی و نظارتی در طبیعت، محیط زیست و کشاورزی PAGEREF _Toc343615038 h 81-2-4- کاربردهای عمومی و صنعتی PAGEREF _Toc343615039 h 91-3- مرور بر پیشینه و تحقیقات انجام شده در شبکه های حسگر بدون سیم PAGEREF _Toc343615040 h 101-4- هدف پروژه PAGEREF _Toc343615041 h 211-5- ساختار پایان نامه PAGEREF _Toc343615042 h 22فصل دوم : مدل مسئله ومعرفی سناریوی شبکه سنسوری بدون سیم PAGEREF _Toc343615044 h 232-1- مقدمه PAGEREF _Toc343615045 h 242-2- تعاریف کلی از مفاهیم مطرح شده PAGEREF _Toc343615046 h 242-3- معیار عملکرد PAGEREF _Toc343615047 h 252-3-1- نسبت سیگنال به نویز و تداخل PAGEREF _Toc343615048 h 252-3-2- نرخ خطای بیت PAGEREF _Toc343615049 h 262-3-3- تعریف ظرفیت شانون (ارگادیک) برای شبکه بدون سیم PAGEREF _Toc343615050 h 262-3-4- ظرفیت قطع شبکه PAGEREF _Toc343615051 h 262-4- مدل سیستم و سناریوی مورد بررسی در شبکه حسگربدون سیم PAGEREF _Toc343615052 h 27فصل سوم : تحلیل ریاضی وفرمولبندی پارامترها در شبکه حسگر بدون سیم PAGEREF _Toc343615054 h 333-1- مقدمه PAGEREF _Toc343615055 h 343-2- ظرفیت و مروری بر تعاریف آن PAGEREF _Toc343615056 h 343-3- مدلهای توزیع نسبت سیگنال به نویز و تداخل(SINR) PAGEREF _Toc343615057 h 373-3-1- مدل تقریبی PAGEREF _Toc343615058 h 373-3-2- مدل دقیق PAGEREF _Toc343615059 h 453-4- محاسبه تابع های توزیع و چگالی ظرفیت PAGEREF _Toc343615060 h 533-5- محاسبه نقطه اکسترمم ظرفیت با تغییر تعداد گره های شبکه PAGEREF _Toc343615061 h 56فصل چهارم : شبیه سازی شبکه سنسوری بدون سیم و تحلیل نتایج PAGEREF _Toc343615063 h 594-1- مقدمه PAGEREF _Toc343615064 h 604-2- چگونگی شبیه سازی PAGEREF _Toc343615065 h 604-3- نتایج شبیه سازی و اثر پارامتر ها و تحلیل آنها PAGEREF _Toc343615066 h 624-4- نتایج شبیه سازی و تطابق با تحلیل ها PAGEREF _Toc343615067 h 944-5- نتایج شبیه سازی تغییر تعداد گره ها و بررسی مقیاسپذیری PAGEREF _Toc343615068 h 100فصل پنجم : جمع بندی و نتیجه گیری PAGEREF _Toc343615070 h 1155-1- مقدمه PAGEREF _Toc343615071 h 1165-2- جمع بندی و نتیجه گیری PAGEREF _Toc343615072 h 1165-3- پیشنهادات برای توسعه تحقیقات PAGEREF _Toc343615073 h 120فهرست مراجع PAGEREF _Toc343615074 h 123Abstract PAGEREF _Toc343615075 h 127

فصل اولمقدمه ای بر شبکه های سنسوری بدون سیم
1-1- مقدمه
شبکه های سنسوری یکی از پرکاربردترین مباحث روز در بحث جمع آوری اطلاعات از محیط پیرامون زندگی انسان میباشد. نه تنها بررسی محیط اطراف بلکه کنترل آن نیز از کاربردهای شبکه های سنسوری است. در حالتی که سنسورها بدون سیم باشند، در کنار افزوده شدن پیچیدگی، کاربردها و مزایای زیادی نیز حاصل میگردد
این شبکه از صد ها یا هزاران سسنسور تشکیل شده اند و به هر سنسور نام گره اتلاق می شود. در یک سیستم سیمی، نصب حسگرهای زیاد معمولا به خاطر افزایش هزینه سیم کشی میسر نمیباشد. جاهائی که تا پیش از این غیرقابل دسترس بودند مانند داخل موتور های کارخانجات و نیز مکان های خطرناک و متحرک به وسیله WSN ها قابل دسترسی است [14].
از نظر ساختاری، شبکه های بدون سیم را میتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد. یک دسته با ساختار سلولی هستند که همه گره ها مستقیما با ایستگاه مرکزی در ارتباط هستند و ارسال و دریافت اطلاعات از یک گره به گره دیگر، با واسطه این ایستگاه مرکزی صورت گرفته و کنترل میشود. دسته دوم شبکه های با ساختار اقتضایی (موردی، ادهاک) هستند. در این شبکه ها همه گره ها از نظر توانایی ها و وظایفی که دارند، یکسان هستند. به این ترتیب شبکه های اقتضایی بدون سیم، از تعدادی گره تشکیل میشود که قادرند بدون نیاز به ایستگاه مرکزی یا هرگونه تجهیزات زیرساخت پیش ساخته، بصورت خودکار یک شبکه تشکیل دهند [6] .
در چنین شبکه هایی در غیاب ایستگاه مرکزی، خود گره ها کلیه وظایف مسیریابی و کنترل شبکه را عمدتا با استفاده از الگوریتم های کنترلی توزیع شده، بر عهده دارند [3 ] . بدلیل وجود این ویژگی شبکه های بدون سیم اقتضایی این ویژگی را دارند که با استفاده از گره های موجود، به سرعت تشکیل و راه اندازی شوند.
شبکه های سنسوری بدون سیم که زیر مجموعه ای از شبکه های اقتضایی میباشند، تفاوت مختصری با آن دارند؛ احتیاج است نهایتا تمام اطلاعات جمع آوری شده از محیط را، مشابه با روشهای مسیریابی و رله کردن اطلاعات در شبکه های اقتضایی، به سمت یک ایستگاه مرکزی منتقل کنند. اما این ایستگاه مرکزی بر خلاف شبکه های سلولی، نقشی در چگونکی تولید شبکه و کنترل بر نحوه مسیریابی و ارتباط میان گره ها یا همان سنسور ها، ندارد [26].
در شبکه حسگر بدون سیم، هر حسگر علاوه بر وظیفه دیجیتال کردن اطلاعات دریافتی، وظیفه دارد تا حدی پردازشهای سبک را بر روی دادههای جمعآوری شده، انجام دهد و نیز قابلیت برقراری ارتباط با سایر گرهها را نیز داشته باشد؛بدین صورت که هر گره به عنوان یک منبع ،خود به عنوان یک فرستندهی داده عمل میکند و در صورت لزوم داده های ارسالی از سایر گره ها را به مقصد ارسال میکند. این روش بر خلاف شبکه های با ساختار سلولی می باشد که تمام گره ها فقط با ایستگاه مرکزی در ارتباط هستند و ارتباط هر گره با گره دیگر توسط آن انجام میشود. نیاز نیست که موقعیت این حسگر ها از قبل تعیین شده باشد بلکه محل این حسگر ها می تواند به صورت تصادفی انتخاب شود[11] .
گره ها در WSN مانند یک شبکه Ad-Hoc توزیع شده و در بیشتر زمان خود، غیر فعال هستند اما ناگهان زمانی که رخدادی را تشخیص میدهند فعال میشوند. وقتی که حسگرها، پدیده مورد نظر را رصد کردند، رخداد مورد نظر به یک ایستگاه مرکزی گزارش داده میشود.
کاربردهای مختلف و حالت تصادفی شبکههای سنسوری بدون سیم چالشهای بسیاری برای تحقیق در این زمینه بوجود آورده است، مثلا : کنترل دسترسی رسانه ، پروتکلیهای مسیریابی، کنترل توان و مقیاس پذیری (قابلیت تغییر اندازه شبکه و چگالی سنسورها) [11] .
مشخص نبودن توپولوژی و تغییرات کانال در طول زمان، مشکلات متعددی را در زمینه تحقیقات، طراحی و پیادهسازی این شبکهها به وجود آورده است. چنین تغییراتی، الگوریتم های مسیریابی ، تخمین کارائی شبکه، پوشش شبکه، گسترش پذیری و مقیاس پذیری و ... را با پیچیدگیهای خاصی روبرو کرده است که بررسی آنها زمینه تحقیقات متداول امروزی است [10و24و25و26] . نیاز به کاهش پیچیدگی شبکه های سنسوری بدون سیم محققان را بر آن داشته که از منابع محدود کننده، مانند محدودیت کانال ارتباطی در حوزه های زمان و فرکانس و کد، محدودیت انرژی و طول عمر و ... ، به نحو هرچه مناسبتر استفاده کرده و به سمت هرچه بهینه تر شدن اشتراک منابع پیش روند.
کاربرد های مختلف برای انواع سنسور ها، در تعیین اولویت های تقسیم منابع، نقش تعیین کننده ای را ایفا میکند؛ به عنوان مثال هنگامیکه فقط از سنسورهای کنترل دما یا رطوبت استفاده شود، میزان اطلاعات اندک خواهد بود و بنابراین بالاتر رفتن طول عمر شبکه در اولویت اول و کاهش حجم اطلاعات تداخلی در اولویت دوم قرار می گیرد. در کاربرد های دیگری مثل کاربردهای نظامی برای کنترل جامع از محیط، نیاز است تا همکاری بسیار بیشتری بین سنسور ها برقرار گردد و در نتیجه پارامتر هایی چون رله اطلاعات و مسیریابی از اولویت بیشتری برخوردار خواهند بود. در کاربرد های پزشکی نیاز است تا دقت جمع آوری اطلاعات بالا باشد و از طرفی در کاربردی مانند تصویر برداری تشدید مغناطیسی رسیدن به این دقت بالا نیازمند جمع آوری حجم زیادی از اطلاعات است و مباحث فشرده سازی و تجمیع اطلاعات مطرح خواهد شد؛ و در نهایت برای کاربرد هایی همچون تصویر برداری که حجم اطلاعات بالاست اما نسبت به کاربرد های پزشکی، بزرگی ناحیه تحت پوشش شبکه بسیار بیشتر است، علاوه بر دقت بالا نیاز است تا مکانیابی، کنترل نحوه جمع آوری اطلاعات، چگونگی همکاری بین سنسور ها چه برای جمع آوری و چه برای ارسال اطلاعات مورد توجه قرار گیرد؛ خصوصا اینکه تعداد مورد نیاز سنسور ها در واحد سطح یا چگالی سنسور ها نقش تعین کننده ای در این بین ایفا میکند. اگر تعداد سنسور ها خیلی بالا باشد با اینکه دقت افزایش می یابد اما علاوه بر افزایش هزینه های شبکه، عواملی همچون تداخل و چگونگی مسیریابی, از بازدهی آن میکاهند. از طرفی کم بودن بیش از حد تعداد سنسور ها، امکان نظارت دقیق بر شبکه و جمع آوری کامل اطلاعات را دچار بحران خواهد نمود.
برای بالا بردن دقت و نزدیک تر شدن به واقعیت، باید حجم داده ها افزایش یابد . بدین منظور باید تعداد گره های شبکه افزایش یابد. با افزایش تعداد گره های یک شبکه حسگر در واحد سطح، علاوه بر افزایش نسبت سیگنال به نویز و تداخل و یا کاهش نرخ خطای بیت (BER ) به علت افزایش توان، توان سیگنالهای تداخلی رسیده به هر گره نیز بیشتر می شود. رسیدن به نقطه بهینه که در آن نسبت سیگنال به نویز و تداخل بیشینه ویا BER کمینه شود، یکی از اهداف ما در این پروژه است که همراه با معیار ظرفیت مطرح می گردد.
از طرفی باید شرایط کانال همچون تلفات سایه و محو شدگی در بررسی پارامتر های شبکه نیز لحاظ گردد .
یک مسئله مطرح در مورد شبکه های حسگر تصویر برداری بدون سیم، بررسی قابلیت مقیاس پذیری این شبکه هاست [14] . رسیدن به اینکه در واقع چه تعداد سنسور می تواند در عین حداقل بودن، برای بدست آوردن اطلاعات کامل از محیط، دارای تعداد مناسب و کافی باشد، مبحث اصلی ما در این پایان نامه است که آنرا با عنوان مقیاس پذیری، بیان میکنیم. مقیاس پذیری اینگونه بیان میشود که با درنظر گرفتن یک معیار خاص به عنوان معیاری برای کنترل عملکرد، کم شدن یا اضافه کردن چگالی سنسور ها در واحد سطح (اگر ناحیه توزیع سنسور ها را دو بعدی در نظر بگیریم) چه تاثیری در بهبود یا بدتر شدن این معیار عملکرد، خواهد داشت. میتوان بهینهترین حالت را برای چگالی مناسب سنسور ها در سناریو های مختلف توزیع شبکه و برای معیارهای مختص هر کاربرد، محاسبه نمود و درکنار کاهش هزینه های اضافه، به بهترین بازدهی سیستم نیز نزدیک شد.
در نگاه ما، از زاویه دید لایۀ فیزیکی به شبکه، معیار های ظرفیت ارگادیک و ظرفیت قطع، و بالتبع نسبت سیگنال به نویز و تداخل، مورد توجه خواهند بود؛ در این میان تخمین ظرفیت شبکه مسئله ایست که به نوعی با سایر مسائل ذکر شده در ارتباط است. تعیین ظرفیت شبکه علاوه بر آنکه برای تضمین کیفیت سرویس برای کاربران آن مورد نیاز است، در مسیریابی مناسب و کارامد شبکه نیز موثر است. در شرایطی که بالاتر از حد ظرفیت شبکه به آن بار تحمیل شود، به دلیل وجود تراکم در بعضی گره ها، تعدادی از بسته های اطلاعات حذف میشوند. با حذف این بسته ها نه تنها بخشی از دیتای شبکه از بین میرود، بلکه مقداری از اطلاعات مربوط به مسیریابی هم از بین میرود [27] .
ارتباط حداکثر میزان ظرفیت یا نرخ انتقالی که می تواند به هر گره اختصاص یابد با تعداد گره های شبکه مسئله مقیاس پذیری شبکه را مطرح میکند؛ از یک طرف با افزایش تعداد گره ها، قابلیت اطمینان و پوشش شبکه افزایش می یابد اما از طرف دیگر هرچه سطح زیر پوشش شبکه بیشتر باشد، برای به مقصد رسیدن اطلاعات ارسالی لازم است که سایر گره ها در مسیریابی و رله اطلاعات همکاری کنند. بنابر این ظرفیت یا نرخ انتقال ای که به هر گره اختصاص می یابد، تنها به ترافیک آن گره وابسته نیست و به باری که از جانب سایر گره ها به آن تحمیل میشود نیز بستگی دارد. این مسئله می تواند شدیدا روی ظرفیت سیستم تاثیر منفی بگذارد [27و 28 ] .
بدست آوردن ظرفیت برای سناریو های مختلف بطور تحلیلی، کار دشواری است و نیاز به بهره بردن از تقریب های آماری برای رسیدن به نتایج منطبق بر شبیه سازی هاست. هدف ما اینست که با در نظر گرفتن سناریوی نسبتا پیچیده اما کاربردی و دارای مزایای فراوان و با در نظر داشتن فرض های ساده کننده وتا حد امکان عملی، مقدار و توزیع ظرفیت را بطور تحلیلی و همراه با شبیه سازی بدست آورده و با بررسی مقیاس پذیری در این شبکه ها، اثرات تعداد سنسور ها را بر این معیار های عملکرد بسنجیم و در صورت امکان مقادیر بهینه ای را برای تعداد مناسب سنسور ها بیابیم.
1-2- کاربرد های شبکه سنسوری بدون سیم
کاربرد های بسیاری را می توان برای این شبکه ها نام برد که به عنوان نمونه یکی از رایج ترین کاربردهای WSN نظارت محیطی است؛ کاربردهای نظامی، نظارت بر محیط زیست و مانیتورینگ صنعتی به خاطر هزینه کمتر و فراهم نمودن قابلیت های جدید، نیز از دیگر کاربرد های آن است .

متن کامل در سایت امید فایل 

کاربردهای شبکه حسگر بدون سیم در چهار دسته کلی قرار میگیرند: [46]
کاربرد های پزشکی
کاربرد های نظامی و دفاعی
کاربرد های کنترلی و نظارتی در کشاورزی
کاربردهای عمومی و صنعتی
1-2-1- کاربرد های پزشکی [46]
نظارت پزشکی، شاید بهترین کاربرد این نوع شبکه ها در پزشکی باشد، حسگر های پوشیدنی میتوانند در شبکه بیسیسم سطح بدن یا محیط مجتمع سازی شوند تا بر علائم حیاتی، پارامترهای محیطی و موقعیت جغرافیای نظارت کنند و نظارت بلند مدت و سیار از بیماران و افراد مسن را فراهم کند و بی درنگ در موارد اضطراری به افراد اعلام خطر کند، درباره وضعیت سلامتی فعلی کاربران به آنها خبر دهد و پرونده های پزشکی کاربران را به صورت بلادرنگ بروز کنند.
به عنوان مثال در یک بیمارستان، بخش کودکان بیشتر از هرجای دیگری باید تحت مراقبت مداوم باشد. به این دلیل که کودکان، خود، آگاهی لازم برای خبر کردن پرستار در مواقع اورژانسی را ندارند و یا اینکه حساس تر و ضعیف تر هستند. بنابراین برای مراقبت مداوم کودکان می توان از شبکه های بی سیم سنسوری استفاده کرد. این کار با کار گذاشتن سنسور در جایی از بدن کودکان یا روی تخت آن ها و یا در اتاقشان قابل انجام است. پارامترهایی مانند دمای بدن، فشار خون، ضربان قلب و ... توسط سنسور اندازه گیری شده و به پردازشگر مرکزی از طریق بدون سیم ارسال می شود. اگر اوضاع بحرانی شود، سیستم پرستار را آگاه می کند تا اقدامات لازم در کمترین زمان انجام شود.
کاربردهای مراقبت از سلامتی، شبکه های سنسوری بدون سیم می توانند برای نظارت و مراقبت از بیماران و افراد مسن برای مقاصد مراقبت از سلامتی استفاده شوند. که این امر می تواند کمبود شدید کارکنان مراقبت از سلامتی را بطور مهم بهبود دهد و هزینه های مراقبت از سلامتی در سامانه مراقبت از سلامتی فعلی را کاهش دهد.
کنترل رفتار، می توان سنسور ها را در خانه بیماران قرار داد تا بر رفتار های بیمار نظارت کرد. بعنوان مثال می توان در زمانی که بیمار به زمین افتاده است و به رسیدگی فوری پزشکی نیاز دارد، دکتر را خبر کرد. می توان بر کارهایی که بیمار انجام می دهد نظارت کرد و تذکرات و دستورالعمل ها را توسط تلویزیون یا رادیو برای او فراهم کرد.
1-2-2- کاربرد های نظامی و دفاعی [46]
شبکه های WSN در حال قرار گرفتن به عنوان قسمتی از سیستم های هوشمند، ارتباطی و کنترلی نظامی هستند، می توان حسگر های بدون سیم را به سرعت در میدان جنگ یا منطقه دشمن بدون هیچ زیرسازی مستقر کرد.به خاطر مزایایی که شبکه های حسگری دارند، نقش مهمتری را در در آینده در سیستم های هوش مصنوعی نظامی بازی خواهند کرد و جنگ های آینده را هوشمند تر و کم انسان تر خواهند کرد.
نظارت بر محیط نبرد و شناسائی دشمن، می توان حسگر ها را در میدان نبرد مستقر کرد تا بر حضور نیرو ها و وسایل نقلیه دشمن نظارت کرد و حرکت آنها را ردگیری کرد تا دیدبانی مناسب تری از نیروهای دشمن داشت.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *