بخشی از مقاله
خلاصه
شبکه های حسگر بیسیم مجموعهای از دستگاههای کوچک حسگر با انرژی محدود و قیمت کم هستند که توانایی برقراری ارتباطات بیسیم را دارا میباشند. این دستگاهها در جمعآوری اطلاعات از محیط با یکدیگر همکاری میکنند. عواملی مانند محدودیت منابع انرژی این دستگاهها، پیچیدگی یافتن مسیرهایی با پارامترهای کیفی مناسب و همچنین تخصیص بهینه این مسیرها به ترافیکهای موجود باعث یک چالش عظیم در پشتیبانی از ترافیک چندرسانهای با نیازهای کیفی میشود. در این مقاله یک پروتکل مسیریابی تامین کیفیت سرویس برای شبکههای حسگر بیسیم ارائه شده است که مسیریابی و ارائه کیفیت سرویس را با یکدیگر در میآمیزد. برای این منظور از ساختار سلسله مراتبی، مسیریابی چندمسیره، توزیع محاسبات، پله ای کردن پارامترهای کیفی و نظریه بازیها استفاده شده است تا علاوه بر پشتیبانی از ترافیک چندرسانهیا بتوانیم طول عمر شبکه را نیز افزایش دهیم. برای ارزیابیِ کارایی روش پیشنهادی بر مبنای پارامترهای کیفی، از روشهای تحلیلی و شبیهسازی استفاده شده است. نتایج ارزیابی روش پیشنهادی بیان کننده بهبود کارایی در زمینه فراهم کردن نیازهای کیفی ترافیکهای چندرسانهای هستند، به طوری که نتایج ارائه شده نشان از عملکرد مناسب در کاهش از دست رفتن بستهها و همچنین کاهش نرخ رد درخواستها هستند.
کلمات کلیدی: مسیریابی، کیفیت سرویس، نظریهبازیها، شبکههای حسگر بیسیم
.1 مقدمه
در سال های اخیر شبکههای حسگر بیسیم توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است، این امر به سبب چالشهای تئوری و عملی فراوان این شبکهها است. رشد گرایش به سمت این شبکهها به سبب کاربردهای فراوان آنهاست، شبکههایی با مقیاس بزرگ از دستگاههایی کوچک که توانایی جمعآوری اطلاعات از محیط فیزیکی را داشته و میتوانند پردازشهای اولیه را بر روی دادههای جمع آوری شده انجام داده و نهایتاً دادههای به دست آمده را به موقعیتی در دور دست ارسال کنند.[1] نتایج فراوان در این شاخه در چند سال اخیر نشان از گسترش فراوان کاربردهای نظامی و غیرنظامی این شبکهها دارد. به طوری که امروزه، بیشتر شبکههای حسگر بیسیم گسترش یافته، پدیدههای فیزیکی عددی مانند دما،فشار، رطوبت و یا مکان اشیاء را اندازه گیری و گزارش میکنند. به صورت کلی، اکثر کاربردها دارای درخواستهایی با پهنای باند کم و معمولاً تحمل پذیر تأخیر هستند.
به تازگی، دسترسی به سخت افزارهای ارزان قیمت مانند دوربینهای CMOS و میکروفنهایی که قادرند محتوای چندرسانهای را از محیط ضبط کنند باعث ترویج و گسترش شبکههای بیسیم حسگرهای چندرسانهای شده است.[2] شبکههایی از حسگرهایی که به صورت بیسیم به یکدیگر متصل هستند و امکان دریافت جریانهای تصویری، صوتی، تصویر ثابت و دادههای عددی را فراهم میکنند. با پیشرفت های سریع در حوزهی کوچک سازی سخت افزار امروزه یک دستگاه حسگر میتواند مجهز به واحدهای جمع آوری اطلاعات صوتی و تصویری باشد.
علاوه بر توانایی دریافت دادههای چندرسانهای، شبکهی حسگرهای بیسیم چندرسانهای یا به اختصار WMSN همچنین قادر به ذخیره، پردازش بلادرنگ، کشف همبستگیها و ترکیب دادههای به دست آمده از منابع ناهمگون هستند.[3] شبکه های حسگرهای بیسیم چندرسانهای نه تنها کاربردهای شبکههای حسگری موجود را مانند ردگیری، اتوماسیون خانه و پایش محیط بهبود میبخشند بلکه کاربردهای جدیدی را نیز به این مجموعه میافزایند مانند : شبکه های حسگر نظارت چندرسانهای: حسگرهای تصویری و صوتی برای بهبود و کامل کردن سیستمهای مراقبت موجود در برابر جنایات و حملات تروریستی استفاده میشوند. شبکههای بزرگی از حسگرهای ویدئویی توانایی مراکز اعمال قانون را برای نظارت بر محیطهای عمومی و خصوصی افزایش میدهد. ذخیرهی فعالیتهای بالقوه مرتبط - دزدیها ، تصادفات ماشینها، تخلفهای ترافیکی و ... - : حسگرهای تصویری و صوتی میتوانند گزارشهایی را برای جستجو در آینده در مورد فعالیتهای انجام شده ضبط کنند.
سیستم های کنترل و اجرای جلوگیری از ترافیک: امکان نظارت بر ترافیک ماشینها در شهرهای بزرگ و بزرگ راهها فراهم میشود و همچنین سرویس پیشنهاد مسیر برای جلوگیری از ازدحام ایجاد میشود. ارائه مراقبتهای بهداشتی پیشرفته: با یکپارچه کردن شبکههای حسگر پزشکی و شبکههای حسگرهای چندرسانهای میتوان خدمات بهداشت و درمان در همه جا را فراهم نمود.دستیار خودکار برای نظارت بر افراد سالمند و اعضای خانواده: شبکهای از حسگرهای پوشیدنی یا تصویری و صوتی میتوانند شرایط اضطراری را گزارش داده و افراد سالخورده را به سرعت با خویشاوندان و یا سرویسهای پزشکی متصل کنند. نظارتهای محیطی: نظارت بر محیطهای مسکونی از طریق حسگرهای تصویری و صوتی، به طور مثال استفاده از حسگرهای تصویری برای تعیین تغییرات جزیرهها توسط اقیانوس شناس ها. سرویس های یابندهی افراد: میتوان از دادههای تصویری و یا تصویرثابت به همراه تکنیکهای پردازش سیگنال برای یافتن افراد گم شده و یا شناسایی جنایتکاران و تروریستها استفاده کرد.
کنترل فرآیندهای صنعتی: میتوان از دادههای چندرسانهای مانند تصویر، دما و فشار و ... برای کنترل فرآیندهای صنعتی که حساس به زمان هستند استفاده کرد. همان طور که دیده میشود شبکههای حسگری چندرسان های افق سیستمهای نظارت و پایش سنتی را با ابزارهای زیر بسط میدهد:
-1گسترش میدان دید : یک سیستم توزیع شده از حسگرهای چندرسانهای - مثل دوربینها - امکان درک محیط از چند زاویه متفاوت را فراهم میکند و باعث گسترش دید محیطی میگردد.
-2بهبود دید: افزونگی دادههای حسگرهای همپوشان، ناهمگن و چندگانه میتواند درک بهتری از محیط فراهم کند. -3امکان دید با وضوح چندگانه: برای توصیف چندکیفیتی صحنه و تولید سطوح چندگانه انتزاع میتوان جریانهایچندگانه متفاوت با کیفیتهای مختلف از یک زاویه دید به دست آورد. بسیاری از کاربردهای بالا نیازمند تجدیدنظر در شبکههای حسگر هستند. منظور بازنگری در نیاز به مکانیزمی برای تحویل محتوای چندرسانهای با سطح خاصی از کیفیت سرویس است. از آنجایی که تلاش برای کمینه کردن مصرف انرژی، بیشتر پژوهش ها در حوزهی شبکههای حسگر را به خود اختصاص داده است، مکانیزمهای ارائهی سطوح کیفیت سرویس و نگاشت نیازهای کیفی به معیارهای لایه شبکه مانند Delay ، jitter و ... جزء اولویتهای اصلی تحقیق در شبکههای حسگر قرار نگرفته است.[4] در کارهای انجام شده در حوزه تامین کیفیت سرویس نیز، تنها تاخیر به عنوان معیار کیفیت سرویس در نظر گرفته شده است، این در حالی است که ترافیک با محتوای چندرسانهای نیازمند پارامترهای چندگانه و همزمان کیفیت سرویس هستند. هر چند ویژگیهای اصلی شبکههای حسگری تحویل کیفی محتوای چندرسانهای در این شبکهها را بسیار چالشیتر و تا حد زیادی بررسی نشده باقی گذاشته است مسائلی مانند:
محدودیتهای منابع: محدودیتهایی از نظر باتری، حافظه، توانایی محاسباتی و نرخ داده قابل دستیابی.ظرفیت متغیر کانال: به طور مثال در شبکههای بیسیم چندگامه ظرفیت هر لینک بیسیم به سطح تداخل مشاهده شده در دریافت کننده وابسته است.وابستگی ویژگیهای بین لایهای: در شبکههای بیسیم چندگامه به سبب طبیعت اشتراکی کانال ارتباطی کارکردهای لایههای مختلف پشته ارتباطی وابسته به یکدیگر است. پردازش درون شبکهای چندرسانهای: پردازش و تحویل محتوای چندرسانهای از سطوح کیفی قابل ارائه مستقل نیست و این دو تأثیرات و برهم کنشهایی با یکدیگر دارند.[5]
.2 روش پیشنهادی
ما فرض میکنیم گرههای حسگر به صورت تصادفی در محیط شبکه یعنی فضایی که میخواهیم اطلاعاتی از آن به دست آوریم پخش شدهاند. وظیفه هر گره حسگر جمع آوری دادهها از محیط و ارسال آنها برای گره sink است. از آنجایی که ابعاد شبکه معمولاً بسیار بیشتر از آن است که هر حسگر بتواند مستقیماً داده های خود را به sink ارسال کند هر گره نیاز دارد تا به نحوی مسیری چندگامه به سمت sink پیدا کند. این کار به وسیله روش Flooding انجام میشود.[6] روش Flooding دارای هزینه و سربار زیادی از نظر زمان به دست آمدن مسیر - مسیرها - و همچنین انرژی مصرف شده است به همین دلیل پروتکلهای مسیریابی سعی در به حداقل رساندن تعداد انجام این عمل دارند . ما برای کاهش اعمال روش Flooding از ساختار سلسله مراتبی استفاده میکنیم به این صورت که گرههای حسگر را در گروههایی با مرکزیت یک گره به نام سرخوشه دستهبندی میکنیم.[7]
هر گره که دادهای برای ارسال داشته باشد، درخواستی برای سرخوشه ارسال میکند مبنی بر اینکه به مسیری برای ارسال اطلاعات نیاز دارد و این سرخوشه است که تنها یک بار این عمل را - flooding - برای همهی اعضای خوشه انجام میدهد و با این کار باعث صرفه جویی بسیار زیاد در مصرف انرژی شده، طول عمر شبکه را افزایش میدهد و از طرف دیگر زمان به دست آوردن مسیر برای سایر گرهها به طور قابل ملاحظهای کاهش مییابد. در حالت عادی با هر بار انجام عمل Flooding تنها یک مسیر بین دو گره منبع و مقصد ایجاد میشود درحالیکه وجود تنها یک مسیر جوابگوی نیازهای کیفی ترافیک چندرسانهای نخواهد بود.در حالت عادی انجام عمل Flooding گره مقصد با دریافت اولین بستهی رسیده از طرف گره درخواست دهندهی مسیر، بستهای را در همان مسیر به سمت گره درخواست دهنده ارسال میکند و بدین ترتیب یک مسیر بین مبدأ و مقصد ایجاد میشود. در این حالت سایر بستههای درخواست مسیر که از دیگر مسیرها به گره مقصد میرسند حذف میگردند. ما برای بهبود نتایج حاصل از عمل Flooding به این صورت عمل میکنیم که، گره مقصد با دریافت هر بستهی درخواست
