بخشی از مقاله

چکیده –

شبکه هاي حسگر بیسیم مبتنی بر استاندارد IEEE802.15.4 که براي انتقال اطلاعات با نرخ دادة نسبتاً کم و در فاصلههاي کوتاه استفاده میشوند، علیرغم داشتن مزایاي متعدد، هنوز بهطور گسترده در شبکه هوشمند صنعت برق بهکار گرفته نشدهاند. تنظیم صحیح پارامترهاي زیرلایه کنترل دسترسی به رسانه در رفتار این شبکهها نقش کلیدي دارد. در این مقاله رفتار زیرلایه کنترل دسترسی به رسانه مبتنی بر این استاندارد در مواجهه با انواع مختلف ترافیک ورودي از حیث قطعی یا تصادفی بودن - مشخصاً دو مدل ترافیکی M/M/1 و - D/M/1 و اثر وجود بافر ورودي بر کیفیت خدمات مورد بررسی قرار گرفته است.

نتایج این تحلیل نشان داد با انتخاب مناسب پارامترها، میتوان براي ترافیک ورودي قطعی، به تأخیر نسبتاً ثابت و قابلیت اطمینان مناسب که مستقل از نرخ ورودي و تعداد گرههاي شبکه است دست یافت. اما در مقابل، ترافیک تصادفی وابستگی تأخیر و قابلیت اطمینان را به نرخ ورودي و تعداد گرهها نشان میدهد.

-1  مقدمه

امروزه فن آوري هاي حسگري و مخابرات بی سیم، نقش مهمی در صنایع مختلف یافتهاند. رشد چشم گیر استفاده از شبکه هاي حسگر بی سیم، امکان پایش و کنترل تجهیزات را در هر لحظه، هر جا و از طریق هر برنامه کاربردي فراهم ساخته است. لذا این شبکهها با فراهم نمودن یک شبکه همه جا حاضر، امکان تعامل و همکاري بین اشیاء و برنامههاي کاربردي را در راستاي رسیدن به اهداف هوشمندسازي فراهم می سازند و به عنوان یکی از فنآوريهاي مهم و مطرح در تحقق مفهوم اینترنت اشیاء1 و ارتباطات ماشین به ماشین2 در کاربردهاي صنعتی محسوب میشوند.

ارتباطات ماشین به ماشین شامل انواع ارتباطات بین دو یا چند ماشین بدون مداخله انسان است و از اصلیترین زیرساخت ها جهت تحقق شبکه هوشمند برق محسوب میشود. در فواصل کوتاه، ارتباطات مبتنی بر استاندارد IEEE 802.15.4 با توجه به قابلیت هایی ازجمله توان کم، نرخ پایین و سهولت راه اندازي، گزینه مناسبی براي ارتباطات در سطح دستگاه هاي حسگر محسوب می شود. اما مطمئناً تضمین کیفیت خدمات3 در انتخاب و بهکارگیري فن آوري هاي ارتباطی، امري اجتناب ناپذیر است. از آنجا که مشخصات زیرلایه کنترل دسترسی به رسانه بهطور مستقیم بر کارایی شبکه مخابراتی تأثیرگذار است، لذا بهشدت نیاز به بررسی رفتار آن تحت شرایط مختلف از جمله نوع ترافیک ورودي احساس میشود.

در خصوص کارایی زیرلایه MAC براساس استاندارد IEEE 802.15.4 مراجع متعددي به ارائه تحلیل پرداختهاند و اکثراً مبتنی بر مدلی هستند که براي اولین بار توسط bianchi [2] در سال 2000 براي زیرلایه MAC مبتنی بر استاندارد IEEE 802.11 ارائه شده است. از معتبرترین کارهاي ارائه شده براي تحلیل زیرلایه MAC با سازوکار CSMA/CA شیاردار5 در مد رقابتی6 براساس استاندارد IEEE 802.15.4، میتوان به 3] تا [9 اشاره نمود که در آن ها به تحلیل این زیرلایه با در نظر گرفتن وضعیت بی کاري، یعنی براي ترافیک اشباع نشده، پرداخته شده است. در کلیه این تحلیل ها نوع ترافیک ورودي به صورت تصادفی M/ M/1/K در نظر گرفته شده است.

بهطور کلی در زیرلایه M AC شبکههاي بیسیم با سازوکار CSMA/CA شیاردار و درمد رقابتی، در دسترس گرفتن رس انه بهصورت تصادفی است. لذا ارائه خدمات نیز تصادفی در نظر گرفته می شود. اما از آنجاکه تر افیک ورودي پایه مربوط به لایه کاربرد در بسیاري از کاربردهاي مربوط به عملیات پایش تجهیزات در شبکه هوشمند برق، عموماً مربوط به ارسال متناوب داده هاي حسگرها است، می توان آن را به صورت ترافیک ورودي قطعی در نظر گرفت .[10] البته با توجه به ماهیت کاربرده اي فوق، ترافیک با نرخ ورودي تصادفی نیز براي ارسال وقایع و هشدارها وجود دارد. بنابراین در این مقاله اثر هر دو نوع ترافیک ورودي تصادفی و قطعی بر رفتار زیرلایه M AC مورد بررسی قرار گرفته است.

در ادامه در قسمت دوم مقاله به معرفی زیرلایه کنترل دسترسی به رسانه به رو ش شیاردار مبتنی بر استاندارد و در قسمت سوم به توصیف مدل تحلیلی زنجیرة مارکف آن پرداخته شده است.

در قسمت چهارم مدلهاي ترافیک ورودي براي کاربردهاي شبکه هوشمند بیان شده است و در قسمت پنجم با استفاده از مدل تحلیلی زنجیرة مارکف، نتایج بررسی و مقایسه تأثیر دو نوع ترافیک ورودي از حیث قطع ی یا تصادفی بودن بر کیفیت خدمات از لحاظ میزان تأخیر، متو سط زمان انتظار در صف و قابلیت ااطمینان مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در انتها به جمعبندي و نتیج هگیري پردا خته شده است.

-2  معرفی مشخصات زیرلایه لاطخ شیاردار مبتنی بر

 شکل :1 خلاصاي از حالتهاي روش .CS MA/CA

در این روش در زیرلایه MAC با آماده شدن بسته داده براي ارسال، شمارنده اي به اندازة تعداد ت صادفی از دورة عقبگرد5 در محدودة [0, 2BE -1] فعال میش ود. دورة تناوب هریک از شمار ش هاي این شمارنده برابر با سمبل - است. پس از خاتمه شمار ش، گره اولین حس کردن کانال - CCA1 - 6 را انجام میدهد و در صورت فعال بودن رسانه، با توجه به تعداد پنجرة رقابت، براي دومین بار CCA2 انجام می شو د.

مدت زمان در نظر گرفته ش ده براي حس کردن رسانه به اندازة 8 سمبل است. در صورت آزاد بودن رسانه در هر دو مرحله ، ارسال بسته داده میتواند اتفاق افتد. در صورتیکه در هریک از دو مرحله رسانه اشغال باش د، به تعداد دفعات مرحله عقب گ رد - m acMaxCSMA Backoffs - مجدداً سه پارامتر تعداد عقب گردها، پنجرة رقابت و عقب گرد نمایی7 مقداردهی اولیه شده و این سازوکار تکرار می شود. پس از خاتمه تعداد مرحله هاي عقب گرد و عدم ارسال موفق بسته، اگر سازوکار ارسال مجدد نیز در نظر گرفته ش ده باشد، مجدًدا سه پارامتر تعداد عقب گر دها، پنجرة رقابت و عقب گرد نمایی مقداردهی ولیه شده و براي ارسال بسته تلاش می شود. این سازوکار به تعداد دفعات ار سال مجدد - macFrameRetries - تکرار می شود.

در این مقاله، کلیه پارامترهاي مربوط به زیرلایه MAC براساس مقادیر پیش فرض در استاندارد [11] IEEE 802 .15.4 انتخاب شده است.

-3  مدل تحلیلی زیرلایه 

در این قس مت از مقاله، تح لیل زنجیرة مارکف سه بعدي زمان گسسته زیرلایه MAC به رو ش CSMA/CA شیاردار، براساس مدل زنجیرة مارکف و روابط ریاضی 4] و [5 مده است. در این مدل تحلیلی، ی ک شبکه حسگر بی سیم مبتنی بر استاندارد I EE 802.15.4 با همبندي ستاره داراي N گره که زیرنظر یک هماهنگ کننده هستند، مورد استفاده رار گرفته است.

به طورکلی حالت هاي در نظر گرفته شده در زنجیرة مارکف، شامل شش بخ ش اصلی است : - 1 - حالت هاي بیکاري1، - 2 - حالت هاي عقب گرد، - 3 - حالت هاي حس کردن کانال، - 4 - حالت هاي ارسا ل بسته، - 5 - حالت هاي تصادم2  و - 6 - حالت هاي ارسال مجدد.

مدل زنج یرة مارک ف زیرلایه MAC مبتنی بر در شکل 2 ن شان داده شده ست. در این مدل فرض بر این است که گرهها بهصورت غیرهمزمان با احتمال  1- بسته هایی را تولید می کنند و با احتمال q بدون اینکه بسته اي تولید کنند، می توانند به مدت L0Sb در این ح الت باقی بمانند L0 - یک عدد حقیقی و Sb واحد زمانی معادل aUnit ackoffPeriod است - .

همچنین فر ض شده است که گره ها وضعیت شغال و بیکار ي را در حالت بدون خطا دریافت میکنند و در ص ورت دریافت بسته تصدیق، ارسال موفق بسته ها در نظر گرفته می شود. حالته اي مختلفی که در لحظهه اي مختلف، گرة فرستندة بسته با آن مواجه می شود به صورت فرآیندهاي آماري s - t - ، c - t - و r - t - در نظر گ فته شده که به ترتیب مربوط به وضعیت عقب گرد، شمارندة عقبگرد و شمارندة ارسال مجدد می باشند. بنابراین هر حالت با سه پارامتر و بهصور ت - i, j, k - مشخص میشود.

شکل :2 مدل زنجیرة مارکف براي زیرلایه دسترسی به رسانه

با در نظر گرفتن شرایط نرمالیزه براي کلیه حالتهاي زنجیرة مارکف میتوان رابطه - 1 - را نوشت و احتمال هر حالت را استخراج نمود   

در این قسمت تعاریف مربوط به معیارهاي تأخیر و قابلیت اطمینان آمده است. فاصله زمانی ار سال یک بسته آماده موجود در صف ورودي به زیرلایه MAC تا زمان دریافت تصدیق بسته

به عنوان تأخیر انتها به انتها براي دریافت موفق یک بسته داده در نظر گرفته شده و از آن متوسط گیري شده   است با دانستن مقادیر مدت زمان انتظار براي دریاف ت فریم تصدیق زمان فریم تصدیق - Lack - ، منقضی ش دن زمان تصدیق - tm,ack - ، فاصله بین فریمها - IFS - 3، و مدت ط ول بسته داده و سربار - L - ، میتوان مدت زمان ارسال موفق بسته - TS - و مدت زمان تصادم بسته - TC - را از روابط - 2 - و - 3 - بهدست آورد

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید