پایان نامه ها

مسیریابی، گرهها، حسگر، شبکههای، گرههای، بیسیم

میرود [12].
ب) نمونهبرداری توافقی: سنجش نمونههای غیرضروری بر منابع ارتباطات و هزینههای پردازش تاثیر میگذارد. تکنیکهای نمونهبرداری توافقی، نرخ نمونهبرداری در هر حسگر را با توجه به نیازهای برنامههای کاربردی از قبیل پوشش و بدست آوردن اطلاعات دقیق، تنظیم میکند [13].
پ) كدينگ شبكه(NC): کدینگ شبکه(NC) به منظور کاهش ترافیک در سناریوهای پخش با ارسال یک ترکیب خطی از چند بسته به جای یک کپی از هر بسته استفاده میشود. گرههای دریافت کننده نیز میتوانند با استفاده معادلات خطی رمزگشایی بستهها را تفکیک کنند [14].
ت) فشردهسازی اطلاعات: با استفاده از تکنیکهای خاص با قابلیتهای محاسباتی و قدرتهای گرههای بیسیم کدگذاری اطلاعات برای بدست آوردن بارهای ارسالی با بیتهای کمتر انجام میگیرد، که این روش باعث بهروری از انرژی میشود [15].
طرح خواب و بیدار واحدهای رادیو در زمانهای بیکاری، منابع اصلی مصرفکننده انرژی هستند. هدف از طرح خواب و بیدار قرار دادن رادیو در حالت خواب و بیدار با توجه به فعالیت گره در جهت صرفهجویی انرژی میباشد.
الف) برنامه روشن و خاموش شدن دورهای حسگرها: به منظور تغییر حالت واحد رادیو گره وابسته به فعالیتهای شبکه برای به حداقل رساندن زمان گوش دادن در حالت بیکاری طراحی شدهاند. این برنامهها معمولا به سه دسته وابسته به تقاضا، غیرهمزمان و مطابق با برنامه تقسیم میشود. پروتکلهای مبتنی برروشن و خاموش شدن دورهای قطعا باعث بیشتر شدن بهرهوری انرژی میشود اما به شدت افزایش تاخیر ارتباطات را به همراه دارند. همچنین گرهها در این شرایط برای ارسال اطلاعات هنگامی که خود یا گره بعدی در حالت خواب میباشد، رنج میبرند [17,16].
ب) رادیو جانبی بیدار: برای از بین بردن نقاط ضعف برنامه روشن و خاموش شدن دورهای حسگرها، از یک رادیو کم قدرت برای دریافت اطلاعات در زمانیکه یک گره در حالت خواب قرار دارد، استفاده میشود و برای ارسال اطلاعات ترافیکی از یک رادیو پر قدرت استفاده میشود [18].
پ) کنترل توپولوژی : هنگامی که گرههای حسگر بسیار زیادی به منظور حصول اطمینان از پوشش خوب از فضای مورد نظر مستقر میکنند، میتوان بعضی از گرهها را با در نظر گرفتن حفظ عملیات و اتصالات شبکه در حالت غیر فعال قرار دهیم. پروتکلهای کنترل توپولوژی به صورت پویا تعداد گره فعال را با توجه به نیازهای برنامه به منظور بهرهبرداری بیشتر انرژی در شبکه تعیین میکند [20,19].
مسیریابی با کارایی انرژی بار اضافی در مسیریابی به طور جدی میتواند ذخایر انرژی را تحت تأثیر قرار دهد. به طور خاص، در الگوریتمهای چند گام، گرههایی که به جمع کننده نزدیک هستند، انرژی باتری خودشان را سریعتر از بقیه گرهها از دست میدهند، که این امر منجر به فروپاشی شبکه میشود. آنچه که ما در این پایان نامه به دنبال آن هستیم، مکانیزم صرفهجویی انرژی در الگوریتمهای مختلف مسیریابی میباشد. در ادامه برخی از روشهای مسیریابی حساس به انرژی را برای شناخت بیشتر از موضوع این پایان نامه مورد بررسی قرار میدهیم.
الف) روشهای خوشه بندی: تکنیکهایی خوشهبندی به منظور ارتقاء بهرهوری انرژی با استفاده از محدود کردن مصرف انرژی از طریقهای مختلف زیر انجام میشود.
الف) کاهش محدوده ارتباطات در داخل خوشه که نیاز به توان ارسال کمتردارند، (ب) کاهش تعداد ارسال با استفاده از تجمیع اطلاعات توسط سرخوشه، (ج) کاهش انرژی عملیاتهایی مانند هماهنگی و تجمیع در سر خوشه، (د) غیرفعال کردن برخی از گرههای داخل خوشه زمانی که سرخوشه مسئولیت ارسال اطلاعات رابر عهده دارند، (و) به تعادل رساندن مصرف انرژی در بین گرههای موجود در خوشه از طریق چرخش گره سرخوشه پیشنهاد شده است.
علاوه بر بهرهوری انرژی، معماری خوشهبندی، مقیاسپذیری شبکهها را با حفظ شبکه سلسله مراتبی بهبود میبخشد [22,21].
ب) مسیریابی مبتنی بر انرژی: در نظر گرفتن انرژی به عنوان یک معیار در مرحله راهاندازی مسیر یکی دیگر از راهحلهای گسترش طول عمر شبکههای حسگر است. با انجام این الگوریتم، گرههای حسگر در مسیریابی نه تنها بر کوتاهترین مسیر تمرکز دارد بلکه انرژی باقیمانده گام بعدی را نیز در نظر میگیرند [23].
پ) مسیریابی چندمسیره: در حالی که پروتکلهای مسیریابی تک مسیره به طور کلی سادهتر از پروتکلهای مسیریابی چند مسیره هستند، میتوانند انرژی گرهای که به عنوان هاپ بعدی انتخاب کردهاند را به سرعت تخلیه کنند. در مقابل، مسیریابی چند مسیره قادر است توسط انتخاب متناوب گرههای ارسالی انرژی مصرفی را در میان گرهها متعادل کنند. پروتکلهای مسیریابی چند مسیره با ارائه مسیرهای چندگانه، توانایی شبکه برای بازیابی شبکه را بعد از تخلیه انرژی یک گره افزایش میدهد، این در حالی که در مسیریابی تک مسیره، هنگامی که انرژی یک گره به پایان میرسد، یک مسیر جدید باید مجددا محاسبه شود [25,24].
ت) قرار دادن گره رله: الگوریتم مسیریابی میتواند با اضافه کردن چند گره رله از تخلیه زودرس انرژی گرهها در یک منطقه خاص به خاطر فاصله زیاد از گره بعدی اجتناب کرد. این کار به بهبود تعادل انرژی بین گرهها کمک میکند، و از به وجود آمدن حسگر پر مصرف جلوگیری میکند [27,26].
ث) گره جمعکننده متحرک: در معماری شبکه حسگر بیسیمی که از یک ایستگاه پایه ثابت استفاده میکنند، گرههای واقع در نزدیکی ایستگاه پایه سریعتر از دیگر گرهها باتری خود را خالی میکنند و منجر به قطع زودرس در شبکه میشوند. این یک واقعیت است که تمام ترافیک به سمت گره جمعکننده فرستاده میشود و باعث افزایش حجم کار در گرههای نزدیک به گره جمعکننده میگردد. برای افزایش طول عمر شبکه و امکان به تعادل رساندن بار بین گرهها از یک ایستگاه پایه متحرک استفاده میشود که با حرکت در اطراف شبکه به جمعآوری اطلاعات از گرهها میپردازد. تحرک گره جمعکننده باعث بهبود اتصالات در معماری شبکههای پراکنده و افزایش قابلیت اطمینان به دلیل ارتباطات تک گامه میشود. بنابراین زمان رقابت، تصادم و از دست دادن پیام را نیز کاهش میدهد [29,28].
راهحل شارژ مطالعات تحقیقات اخیر در جهت رسیدگی به برداشت انرژی و تکنیکهای شارژ بیسیم میباشد. هدف از ارائه هر دو راهحل، شارژ باتری حسگر بدون دخالت انسان میباشد.
الف) برداشت انرژی: فنآوریهای جدید برای فعال کردن حسگرها برای برداشت انرژی از اطراف محیطزیست خود مانند انرژی خورشیدی، باد و انرژی جنبشی توسعه یافتهاند. در مقایسه با حسگرهای سنتی، حسگرهای قابل شارژ از لحاظ نظری میتواند به طور مداوم برای مدت زمان نامحدودی کار کنند. آنها انرژی محیط را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند و سپس آن را به طور مستقیم مصرف یا برای استفادههای بعدی خود ذخیره میکند [31,30].
ب) شارژ بیسیم: با پیشرفتهای اخیر در ارسال قدرت بیسیم انتظار میرود که شبکههای حسگر بیسیم از پایداری بیشتری بهرهمند شوند. این تکنیک میتواند برای ارسال قدرت بین دستگاهها بدون نیاز به هر گونه تماس بین فرستنده و حسگر مورد استفاده قرار گیرد. شارژ بیسیم در شبکه حسگر بیسیم میتواند به دو روش تابش الکترومغناطیس و جفت رزونانس مغناطیسی به دست آورد. تحقیقات اخیر بر روی به اشتراک گذاشتن انرژی گرهها در بین همسایههای خود تمرکز دارند. بدین ترتیب، پیشبینی میشود که در آینده، هر گره در شبکههای حسگر بیسیم قادر به برداشت انرژی از محیطزیست و ارسال انرژی به گرههای دیگر را دارا باشد، که یک شبکه خود کفا را ارائه میدهد [33,32].
روشن است که تلاشهای بسیاری از طریق انواع مکانیسمهای ذخیرهسازی انرژی به منظور ارتقاء طول عمر شبکههای حسگر بیسیم انجام شده است. این نیز به نظر میرسد که بهرهوری انرژی و برنامههای کاربردی دیگر به شدت وابسته و نیازمند به معیارهای عملکرد مختلف بهینهسازی به طور مشترک هستند.
ویژگیهای شبکههای حسگر بیسیم از منظر مسیریابی با توجه به اینکه در این پایاننامه افزایش طول عمر شبکه با استفاده از روشهای مسیریابی را در نظر گرفته شده است. به همین دلیل، در بخش بعدی برخی از الزامات الگوریتم مسیریابی مورد استفاده در شبکههای حسگر را بیان نمودهایم. پیش از پرداختن به الزامات طراحی پروتکل مسیریابی به ویژگیهای شبکههای حسگر از منظر مسیریابی مختصراً در زیر اشاره میکنیم.
الف) خصوصیات شبکه
* تعداد و چگالی گرهها و قطر شبکه: این خصوصیت بر روی تعداد گزینههای جدولهای مسیریابی
در گرهها و همچنین میزان تأخیر و اتلاف ناشی از گامهای طی شده توسط بسته ها مؤثر است.
* اتصال: به دلیل شرایط محیط فیزیکی ممکن است لینکهای شبکه حالات مختلفی از اتصال را تجربه کنند. این امر لزوم پویایی بالا در الگوریتم مسیریابی و عدم اکتفا به مسیرهای منحصر بفرد را در شبکههای حسگر را آشکار میسازد.
* پویایی: شبکههای حسگر و عملگر بیسیم به دلیل امکان حرکت برخی از گرهها، از همبندی پویا برخوردار هستند و تغییر همبندی اغلب موجب تغییر در مسیر بستهها میشود. علاوه بر حرکت گرهها، ورود گرههای جدید به شبکه یا خروج برخی از گرهها به دلیل خالی شدن باتری نیز میتواند باعث تغییر در همبندی شبکه شود.
* استقرار: محل استقرار گرهها در شبکههای حسگر میتواند به صورت تصادفی مثلاً با پخش کردن گرهها از طریق هواپیما در محیط مورد نظر باشد. علاوه بر این محل استقرار گرههای جمعکننده که نقش دروازه ارتباط به شبکههای دیگر را نیز دارند در عملکرد پروتکل مسیریابی مؤثر است.
* طرحهای ترافیکی: بنا بر کاربرد خاص، طرحهای ترافیکی مختلفی مانند نقطه به نقطه، نقطه به گروه و گروه به نقطه در این شبکهها قابل تصور است.
* کیفیت سرویس: در صورت نیاز کاربردهای مختلف به کیفیت سرویسهای مختلف، ممکن است نیاز به تعریف کلاسهای سرویس چندگانه و استفاده از معیارهای مختلف مسیریابی به صورت توأم داشته باشیم.
ب) خصوصیات گرهها
* سرعت پردازش و حجم حافظه: محدودیتهای موجود روی این پارامترها در ابعاد جداول مسیریابی و چگونگی پردازش آنها تأثیرگذار هستند.
* میزان مصرف توان و منبع انرژی گره: تعداد و محل استقرار گرههای با منبع باتری و گرههای متصل به برق در شبکه، تأثیر مستقیم روی سیاستهای مسیریابی مبتنی بر افزایش طول عمر شبکه خواهد داشت.
* گسترة ارسال: گستره ارسال گرهها که وابسته به قدرت سیگنال رادیویی آنهاست میتواند در همبندی شبکه و میزان چگالی گرهها و اتصال آنها به یکدیگر مؤثر باشد.
* بار ترافیکی: میزان بار ترافیکی گرهها میتواند در کیفیت مسیریابی تأثیرگذار باشد. تـقسیم بار بین گرهها میتواند یکی از سیاستهای مهم در مسیریابی بهینه در این گونه شبکهها باشد.
ج) خصوصیات لینکها
* گذردهی: نرخ بیت لینکهای بیسیم در شبکههای مبتنی بر IEEE802.15.4 پایین و حداکثر برابر 250 kbpsاست. البته این نرخ بیت بر اساس شرایط لایه فیزیکی و همچنین میزان تداخل لینکهای مجاور میتواند کمتر از این نیز باشد. ضمناً بازههای خواب و بیداری و یا شرایط ترافیکی حاکم نیزمیتواند نرخ بیت لینکها را کاهش دهد.
* تأخیر: میزان تأخیر ارسال روی یک لینک IEEE802.15.4 بر اثر ایجاد صف در گرهها و همچنین زمان لازم برای رقابت بر سر کانال میتواند افزایش یابد.
* کیفیت اتصال: شبکههای حسگر به دلیل شرایط لایه فیزیکی و مصرف توان پایین، دارای لینکهای نامطمئن هستند. این خصوصیت لینک با فاکتورهایی مانند شاخص قدرت سیگنال دریافتی، شاخص کیفیت اتصال و یا نرخ خطای کانال نشان داده میشود.
الزامات طراحی الگوریتمهای مسیریابی در شبکههای حسگر با در نظر گرفتن ویژگیهایی که در بخش قبل در مورد شبکههای حسگر بیان گردید، الزاماتی در طراحی الگوریتمهای مسیریابی برای این شبکهها قابل تصور است که در ادامه به آنها اشاره خواهیم نمود.
الف) الزامات جهت پشتیبانی از خصوصیات شبکه
1. الگوریتم مسیریابی باید شرایط عدم پاسخگویی گرهها در اثر خواب رفتن تناوبی آنها را در نظر بگیرد. جهت دستیابی به این قابلیت استفاده از اطلاعات لایههای پایینتر میتواند مدنظر قرار گیرد. بنابر کاربرد پیاده شده در شبکه، گرهها با نرخهایی مانند 1 بسته در هر ثانیه یا در هر دقیقه یا بیشتر به تولید بستههای اطلاعاتی میپردازند و لذا در مابقی زمان خود به منظور صرفهجویی در انرژی به خواب میروند. گرههایی که به عنوان هدایتکننده بسته دیگر گرهها عمل میکنند ممکن است به دلیل اتصال به برق، همواره بیدار باشند؛ در غیر اینصورت، زمان خواب آنها باعث افزایش تأخیر بستهها و احتمال از بین رفتن آنها میشود که میتواند به عنوان هزینهای در تابع انتخاب مسیر منعکس شود.
2. الگوریتم مسیریابی با استفاده از اطلاعات لایههای پایینتر در خصوص میزان انرژی باقیمانده گرهها باید در خصوص ایجاد یا بروز رسانی جدولهای مسیریابی اقدام نماید. همچنین شاخص کیفیت لینک نیز باید به عنوان معیاری در انتخاب مسیر مناسب مورد توجه قرار گیرد.
3. الگوریتم مسیریابی باید به نحوی طراحی شود که قابلیت مقیاسپذیری و همچنین صرف کمترین منابع برای بروز رسانی جداول مسیریابی را داشته باشد. شبکههای حسگر و عملگر بیسیم ممکن است از چندین میلیون گره تشکیل شده باشند. در چنین شرایطی گروه بندی گرهها در دستههای 100 تا 10000تایی و استفاده از الگوریتمهای مسیریابی سلسله مراتبی جهت سادهسازی مسیریابی در شبکه و افزایش مقیاسپذیری به عنوان بهترین راهکار شناخته شده است [35,34].
4. استفاده از روشهای تعمیر و بازیابی مسیرها به نحوی که در صورت از بین رفتن بخشی از مسیر، نیاز به تکرار پروسه مسیریابی از مبدأ تا مقصد نباشد. این امر سربار ناشی از بستههای مسیریابی را در شبکه کاهش داده و باعث بهبود گذردهی و تأخیر ارسال بستهها میشود.
5. پشتیبانی از تغییرات همبندی شبکه ناشی از حرکت گرهها یا تغییر شرایط لینکها. به عنوان مثال در شبکههای خانگی زمان لازم برای اعمال تغییرات همبندی و بازسازی مسیرها توسط الگوریتم مسیریابی نباید از 20 ثانیه تجاوز نماید [36]. برخی کاربردها که نیاز به تبادل آنی اطلاعات دارن

متن کامل پایان نامه ها در 40y.ir

پاسخی بگذارید

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