بخشی از مقاله
بررسي روش هاي تحمل پذيري خطا براي شبکه هاي حسگر بي سيم
چکيده : دسته بندي، يک پروتکل ارتباطي و کنترل توپولوژي موثر در شبکه هاي حسگر بي سيم مي باشد. با اين حال محيط هاي آرايش يافته نا هموار، محدوديت منابع گره ها و حجم کاري غير متوازن بين گره ها، شبکه هاي حسگر دسته بندي شده را در برابر خطا ها و نواقص ارتباطي آسيب پذير مي سازد و قابليت اطمينان شبکه را پايين مي آورد. بنا براين مکانيسم هاي توسعه تحمل پذيري خطا در کاربرد هاي واقعي حسگر ها لازم مي باشند. هدف اين مقاله معرفي و بررسي روش هاي تحمل پذيري خطا است که تمامي اين روش ها تلاش مي کنند مصرف انرژي را کاهش داده و طول عمر شبکه را افزايش دهند. مکانيسم اول بنام CMATO دسته ها را به صورت انفرادي در نظر گرفته و از مونيتورينگ همديگر در داخل دسته براي کشف و احياي خطا ها به روش موثر و کارامد استفاده مي کند. مکانيسم دوم بنام FTPASC شبکه را به دسته هاي ايستا تقسيم بندي کرده و بار انرژي را بين گره هاي حسگر پر قدرت توزيع مي کند. اين روش برقراري ارتباط قابل اطمينان را بين گره هاي حسگر و گره هاي متحرک تضمين مي کند. مکانيسم سوم براي افزايش طول عمر، شبکه را به دسته هاي مجزا تقسيم بندي مي کند و گره با انرژي بالا را بنام درگاه در نظر مي گيرد.
کلمات کليدي : تحمل پذيري خطا - شبکه هاي حسگر بي سيم دسته بندي شبکه
١- مقدمه
پيشرفت هاي اخير در مدار هاي مجتمع (IC) ظهور نسل جديد حسگر
- هايي با توان مصرفي پايين ، اندازه کوچک و قيمت مناسب را فراهم کرده است . در شبکه هاي حسگر بي سيم ١[١]، دسته بندي٢ مکانيسم موثر و مفيد براي کنترل توپولوژي و گردآوري داده مي باشد[٤]- [٢].
در سناريو دسته بندي، شبکه به دسته هايي تقسيم شده و سر دسته بعنوان مهره اصلي شبکه عمل مي کند. هر گره در مهره اصلي داده ها را از گره هاي عضو ادغام کرده و به ايستگاه مرکزي٣ ارسال مي کند.
بنابراين باعث کاهش انتقال داده مي شود. با اين حال ، دسته بندي مشکلاتي را هنگام ملاحظه مباحث تحمل پذيري خطا٤ براي شبکه هاي حسگر بي سيم فراهم مي آورد.
در اين مقاله مکانيسم CMATO ٥ مي تواند با موانع سردسته ها مقابله کرده و گره ها را در برابر خطا حفظ نموده و با گسيختگي پيوند ها در داخل دسته ، با ايجاد دسته هاي حسگر تحمل پذير خطا مقابله نمايد و نشان مي دهد که نسبت به مکانيسم تحمل پذيري خطا مبني بر سر دسته (CHATO) کارکرد بهتري دارد.
مکانيسم دوم FTAPSC ٦ با ايجاد دسته هاي ايستا و توزيع بار انرژي بين گره هاي حسگر پر قدرت ، طول عمر شبکه را افزايش داده و مصرف انرژي را کاهش مي دهد و نشان مي دهد که نسبت به روش هاي قديمي در اولويت قرار دارد.
در مکانيسم سوم حسگر هاي اختصاص يافته به گره هاي داراي خطا بدون خاموش کردن کامل سيستم دوباره سازماندهي مي شوند و اطلاعات باز يابي در طول دسته بندي ايجاد مي شوند که فرايند باز- يابي يا احيا را تسهيل مي سازد. انواع سناريو هاي خطاي ارتباطي ملاحظه شده در طول باز يابي رفع مي شوند. اين روش باعث پيشرفت قابل توجه اي در پايداري سيستم شده و سر بار دسته بندي دوباره و پيکر بندي دوباره را کاهش مي دهد.
هدف اين مقاله معرفي روش هاي مختلف تحمل پذير خطا مي باشد.
در ادامه به بررسي و مقايسه مکانيسم CMATO با CHATO و مکانيسم FATPASC با LEACH [٥] مي پردازيم و همين طور مکانيسم سوم را مورد بررسي قرار داده و با هم مقايسه مي کنيم .
در ادامه در بخش ٢ به بررسي مدل خطا مي پردازيم . در بخش ٣ روش کشف و احياي خطا توصيف مي شود. بخش ٤ به ارزيابي هر يک از روش ها و بيان مزايا و معايب هر کدام مي پردازد و در نهايت بخش ٥ نتيجه گيري را شامل مي شود.
٢- مدل خطا :
به علت منابع محدود گره ها و محيط آرايش يافته ناهموار، شبکه هاي حسگر در مقابل انواع خطاها و نواقص آسيب پذير مي باشند. روش هاي متفاوت براي دسته بندي اين نواقص وجود دارد. نقص ها يا عيب ها را مي توان به سه دسته : زودگذر، متناوب و دائمي تقسيم کرد.
معايب و خطاهاي زودگذر به نواقصي ارتباط دارند که در زمان کوتاه اتفاق افتاده و گره ها مي توانند به طور خودکار بهبود يابند. خطاهاي متناوب مشابه خطاهاي زود گذر هستند با اين تفاوت که آنها مدت زمان زيادي طول مي کشد تا به طور خودکار احيا شوند. خطاهاي دائمي مهم تر و خطرناک تر هستند. زماني که اين خطاها اتفاق مي- افتند گره ها نمي توانند به حالت اوليه بر گشته و ارتباط براي هميشه قطع مي شود. بر اساس ساختار ارتباطي، ما مي توانيم خطاها را به دو دسته : معايب محيطي يا رسانه اي و معايب گرهي تقسيم بندي کنيم .
معايب رسانه اي زماني اتفاق مي افتد که مداخله اي در رسانه صورت مي گيرد که پيوند بي سيم به آن بستگي دارد. براي مثال پيوند ممکن است هنگام وجود موانع در مسير بين دو گره قطع شود. معايب گره ها، خطاها يا خرابي هاي ايجاد شده با اشتباهات سخت افزاري و نرم افزاري يا خسارت بيروني مي باشند. در سناريو دسته بندي ، وقتي گره ها به صورت سر دسته عمل مي کنند هنگام بروز نقص کل دسته نمي تواند ارتباط برقرار کرده و باعث کاهش در دسترس قرار گيري شبکه هاي حسگر مي شود. در اين مقاله مکانيسم هاي تحمل پذيري خطا را در مورد خطاهاي دائمي ايجاد شده بين سر دسته و اعضاي دسته مورد بررسي قرار مي دهيم .
٣-کشف و احياي خطا :
شکل (١) نحوه عملکرد مکانسيم CMATO را نشان مي دهد. در شکل (a)١ گره ها در داخل دسته ، سر دسته ٧و همسايگان داخل دسته شان را رديابي مي کنند. بنابراين اعضاي دسته مي توانند عدم موفقيت سر دسته را به سرعت کشف کنند. در شکل (b)١ وقتي تمام گره ها از شکست سر دسته E اطلاع مي يابند (نواحي که با خاکستري روشن مشخص شده اند)، برخي گره ها به دسته هاي مجاور مي پيوندند. در حالي که سايرين به دسته جديدًا ساخته شده 'E مي پيوندند. (نواحي که با خاکستري سياه مشخص شده اند). علاوه بر اين چهار وضعيت براي گره وجود داردکه در شکل (٢) نشان داده شده است . در شکل (٢) انتقال ازحالت error- detecting به ch-error ,error-free يا
medium-error مرحله کشف خطاست در حالي که انتقال از حالت
ch-error يا medium-error به error-free مرحله احياي خطا مي- باشد.
شکل (٢) : گراف حالت انتقال
در CMATO از مکانيسم مشاوره درون دسته اي براي دسته بندي نوع نواقص استفاده مي کنيم . اصل اين مکانيسم چنين است که اگر α در صد گره ها در دسته شکست پيوند ها به سر دسته را کشف کنند سر دسته بايد شکست خود را اعلام دارد. CMATO از unable-list براي نشان دادن ليست اعضاي دسته اي که از سر دسته قطع شده اند استفاده مي کند. پس unable-list در بين اعضاي دسته انتشار مي- يابد و به روز مي شود. اگر طول بسته بيش از
تعداد گره هاي عضو در دسته c مي باشد)، سر دسته به صورت نا موفق گزارش مي شود. گرهي که طول unable-list آن از همه بزرگتر باشد شکست سر دسته را با پخش پيام ch-fail اعلام مي دارد. اعضاي دسته اي که پيام ch-fail را دريافت مي دارد. فورًا وارد فاز احيا مي- شود. در اين مرحله با توجه به اينکه در CMATO سر دسته ها از طريق ارسال پيام هاي راهنما در ارتباط هستند اعضاي دسته از فعال بودن سر دسته ها اطلاع مي يابندو مي توانند به سر دسته هاي مجاور اضافه شوند. و در صورتي که هيچ سردسته ي همسايه اي وجود نداشته باشد سر دسته جديد بايد براي احياي اين گره ها انتخاب شود.
اگر خطاي ايجاد شده از نوع رسانه اي باشد اعضاي دسته سعي خواهند کرد به دسته هاي مجاور بپيوندند. اگر مجموعه سر دسته هاي مجاور خالي نباشد پيام درخواست پيوند را به بهترين سر دسته همسايه ارسال مي کنند. سر دسته همسايه با تائيد اين پيام ، آماده دريافت داده هاي اين گره خواهد شد. در صورتي که سر دسته همسايه خالي باشد اعضاي دسته بايستي گرهي از همسايگان خود را به عنوان گره امدادي [٦]
انتخاب کرده و براي احياي خود به آن تکيه نمايند.
در روش FTPASC در هر دسته ، گره حسگر با حداکثر انرژي به عنوان سر دسته انتخاب مي شود. علاوه بر اين ، گره ديگري در هر دسته به عنوان سازماندهي کننده در نظر گرفته مي شود که وظيفه اين گره تنظيم شبکه قبل از عملکرد نرمال مي باشد. همچنين اين گره ارتباط جديدي را با گره هاي متحرک ايجاد کرده و عملکرد سر دسته را نظارت نموده و چارچوب تحمل پذيري خطا را براي اصلاح عملکرد گره هاي حسگر تشکيل مي دهد. در FTPASC چون دسته ها پويا نمي- باشند بنابراين دسته هاي ايستا تنها يک بار قبل از عملکرد عادي شبکه ايجاد مي شوند. انتخاب گره سازماندهي کننده نيز در همين مرحله انجام مي گيرد. در ابتداي اين مرحله ايستگاه مبنا پيام شروع راه - اندازي حاوي مکان هاي جغرافيايي مطلوب از گره هاي سازماندهي- کننده را پخش مي کند. اين مکان هاي مطلوب طوري انتخاب مي- شوند که متوسط تعداد گره هاي حسگر در دسته هاي مختلف يکسان بوده و متوسط فاصله بين گره هاي حسگر در هر دسته به حداقل برسد.
چنين معياري مصرف توان را کاهش داده و بار انرژي را بين گره ها در شبکه تقسيم مي کند. بنابراين طول عمر شبکه طولاني شده و تمام گره ها هم زمان از بين مي روند. بنابراين ما شانس حس هر يک از حوزه هاي پايه را در طول عمر شبکه از دست نمي دهيم . در اين روش هر گره حسگر داراي زمان مشخص شده براي ارسال داده هاي خود به سر دسته ها مي باشد. بنابراين تغيير سر دسته بر زمان عملکرد دسته تاثيري ندارد. پس از اينکه گره سازماندهي کننده پيام شروع بسته را مي فرستد، گره هاي حسگر داده هاي خود را در برهه زماني خودشان ارسال کرده و سر دسته داده ها را جمع آوري و در نهايت به ايستگاه مرکزي مي فرستد. سپس سر دسته پيام دعوتي را براي درک ورود گره متحرک جديد ارسال مي کند و به اين ترتيب گره هاي متحرک جديد رديابي شده و به عضويت دسته در مي آيند. توجه داشته باشيد که سازماندهي کننده عملکرد سر دسته را مشاهده مي کند. اگر سر دسته بنا به دلايلي موفق نشود سازمان دهي کننده سر دسته را بر اساس توان گره هاي حسگر در دسته تغيير مي دهد. همچنين سر دسته عملکرد سازماندهي کننده را بررسي کرده و سازماندهي کننده جديد را در صورت از بين رفتن انتخاب مي کند. در اين روش براي کاهش تداخل درون دسته اي، هر دسته از يک کد انتشار منحصر به فرد استفاده کرده و تمام گره ها در دسته داده هاي خود را با استفاده از اين کد انتشار به سر دسته ارسال مي کنند. داده ها از گره هاي سر دسته به ايستگاه مرکزي با استفاده از کد انتشار ثابت و برنامه CSMA ارسال مي شوند.
هدف اصلي در روش سوم احياي زمان اجراي حسگرها از دسته دچار اشکال مي باشد. مدل شبکه در شکل (٣) نشان داده شده است . در اين مدل تمام حسگر ها و درگاه ها داراي ID منحصر به فرد و انرژي اوليه و برنامه TDMA مي باشند. تمام گره ها از وضعيت خود از طريق برخي سيستم هاي GPS مطلع هستند. در اين مدل فرض مي شود که تمام درگاه ها در دامنه ارتباطي با يکديگر قرار دارند. برنامه اولين ارتباط درون درگاهي براي تمام درگاه ها در طول خودراه اندازي مشخص مي شود و هيچ ارتباطي بين درگاه ها و حسگر در طول برقراري ارتباط درون درگاهي برنامه ريزي نمي شود.
شکل (٣) : شبکه حسگر دسته بندي شده چند درگاهي
در اين روش به منظور احياي حسگر ها از دسته ناموفق ، از مدل توافق عمومي درگاه ها روي يک اشکال خاص در سيستم استفاده مي شود که براي حفظ همزمان سازي در شبکه با توجه به کاردينال بودن درگاه لازم مي باشد، که کاردينال يک درگاه تعداد حسگر متعلق به دسته درگاه مي باشد.
کشف خطاي درگاه اولين مرحله تحمل پذيري خطا در سيستم مي- باشد. تمام گره ها در شبکه حسگر هويت هاي
