بخشی از مقاله
چکیده
شبکه های اجتماعی سیار نوعی از شبکههای تحمل پذیر تاخیر است که در آن گره ها معمولاً افرادی با دستگاههای دستی قابل حمل هستند. گرهها در این شبکهها ویژگیهای اجتماعی مانند: سن، جنسیت، حرفه و غیره دارند. کاربران در چنین شبکهای داده را در حین حرکت با خود حمل و برای انتشار اطلاعات آن را به دیگران منتقل میکنند. جمعآوری داده یکی از عملیات بسیار مهم شبکههای اجتماعی سیار است. در طول جمع آوری داده، دادههای حس شده از حسگرهای مختلف، درگرههای میانی ترکیب میشوند و در نهایت به ایستگاه پایه برای پردازش بیشتر منتقل میشوند. استفاده از گوشیهای هوشمند به عنوان وسیلههای جمعآوری داده و تحرک انسان در مناطق شهری یک رویکرد جدید برای جمعآوری دادهها از شبکه های اجتماعی سیار است.
اگر بازهی جمعآوری داده کم باشد مصرف انرژی در گوشیهای هوشمند زیاد خواهد بود و اگر این بازه زیاد باشد بعضی از دادهها از بین خواهد رفت. در روشهای ارائه شده برای جمعآوری داده، فاصلهی جمعآوری داده، زمان ثابتی در نظر گرفته شده است و بیشتر روی نحوهی جمعآوری دادهها کار شده است در حالیکه به نظر میرسد جمعآوری داده به صورت تطبیقی و براساس دادههای جمع آوری شده از مصرف انرژی میکاهد. بنابراین در این مقاله، از روش تعیین بازهی زمانی جمع آوری دادهها مبتنی بر اختلاف دادههای جمعآوری شده منطبق بر تغییرات در شبکههای اجتماعی سیار استفاده شده که باعث کاهش مصرف انرژی میشود. نتایج حاصل از شبیهسازی با استفاده از نرم افزار نشان میدهد که مصرف انرژی با استفاده از این روش کمتر از روشهای دیگر است.
-1 مقدمه
شبکههای اجتماعی سیار یک سیستم ارتباطی سیار کاربر محور است که در آن گرههامعمولاً افرادی با دستگاههای دستی قابلحمل هستند. گرهها در این شبکهها دارای ویژگیهای اجتماعی مانند: سن، جنسیت، حرفه و غیره هستند.
چنین شبکهای برای انتقال داده روش ذخیره، حمل و ارسال را به کار میگیرد که در آن یک گره داده را درحالی که حرکت میکند با خود حمل و هنگام رویارویی، آن را به یک گره رله ارسال میکند و داده به رلههای بعدی پخش میشود تا به مقصد برسد.
این نوع از شبکه از ویژگیهای اجتماعی انسان مانند: روالروزانه، الگوی تحرک و علاقهمندی برای به اشتراکگذاری اطلاعات و ارسال داده بهره میبرد. شبکههای اجتماعی سیار با توجه به ساختار شبکهای دارای تاخیرهای بزرگ، اختلالات مکرر و عدم وجود مسیرهای ثابت بین گرهها هستند. بر این اساس چنین شبکههایی دارای چالشهایی از قبیل: مسیریابی، اطلاعات شبکه محدود، مدت زمان اتصال نامشخص و منابع محدود، امنیت، موضوع حریم خصوصی، جمعآوری داده و غیره هستند
جمع آوری داده یکی از چالشهای بسیار مهم شبکههای اجتماعی سیار است. در طول جمعآوری داده، دادههای حس شده از سنسورهای مختلف, در گرههای میانی ترکیب میشوند و در نهایت به ایستگاه پایه - سینک داده - برای پردازش بیشتر منتقل میشوند.
استفاده از گوشیهای هوشمند به عنوان دستگاههای جمعآوری داده و استفاده از تحرک انسان در مناطق شهری، یک رویکرد جدید برای جمعآوری دادهها از شبکههای اجتماعی سیار است. یکی از معیارهای مهم در طراحی روش جمعآوری داده کارآمد، محدودیت انرژی و به حداکثر رساندن طول عمر شبکه است. روشهای ارائه شده، دادهها را در دورههای زمانی ثابت و یا بر اساس وقوع یک رخداد، جمعآوری میکنند، که جمعآوری داده در بازهی زمانی ثابت باعث افزایش مصرف انرژی و دریافت دادههای تکراری میشود و جمعآوری داده براساس وقوع یک رخداد باعث سربار مدیریتی میشود که هر گره، کی شروع به جمعآوری داده کند. در این مقاله ما برای کاهش مصرف انرژی گوشیهای هوشمند از روش تعیین بازهی زمانی جمعآوری دادهها مبتنی بر اختلاف دادههای جمعآوری شده در شبکههای اجتماعی سیار استفاده میکنیم.
در روش ارائه شده، بازهی زمانی به صورت پویا و تطبیقی تعیین میشود. اگر اختلاف دادههای جمعآوری شده کمتر باشد برنامهی جمعآوری داده با فاصلهی زمانی بیشتر داده جمعآوری میکند و اگر اختلاف دادههای جمعآوری شده زیاد باشد با فاصلهی زمانی کمتر جمعآوری داده را انجام میدهد. روش پیشنهادی ما باعث کاهش مصرف انرژی در گرههای هوشمند میشود.
ادامهی مقاله در چهار بخش سازماندهی شده است. در بخش بعدی، مروری بر کارهای تحقیقاتی پیشین در زمینهی جمعآوری داده انجام شده است. در بخش دوم روش پیشنهادی با جزئیات کامل بررسی میشود. بخش سوم، به ارزیابی کارایی روش پیشنهادی به همراه مقایسه آن با برخی از سیاستهای موجود براساس پارامترهای مورد ارزیابی، پرداخته است. در بخش چهارم، جمعبندی کلی از روش پیشنهادی به همراه زمینههای کاری آتی تنظیم و ارائه شده است.
-2 -1کارهای مرتبط
یکی از زمینههایی که نیاز به پژوهش بیشتری در شبکههای اجتماعی سیار دارد، جمعآوری داده است. در طول جمعآوری داده، دادههای حس شده از حسگرهای مختلف، در گرههای میانی ترکیب میشوند و در نهایت به ایستگاه پایه برای پردازش بیشتر منتقل میشوند. انواع روشهای جمعآوری داده برای شبکههای اجتماعی سیار طراحی شدهاند که هدف الگوریتمهای جمعآوری داده، مصرف حداقل انرژی و انتقال با کمترین تاخیر است. در این بخش روشهای جمعآوری داده که تاکنون ارائه شدهاند، مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
در سال zuhal 2015 و همکارش به جمعآوری داده با استفاده از گوشیهای هوشمند پرداخته است و سه روش جمعآوری داده مبتنی بر تحرک کاربران، مبتنی بر بازدید کاربران و مبتنی بر دورهی ازدحام را ارائه کردهاند، که در ادامه توضیح داده خواهند شد.
روش جمعآوری داده مبتنی بر تحرک کاربران، برای جلوگیری از استفادهی بیش از حد انرژی گوشیهای هوشمند به دلیل ارتباط با حسگرهای زیست محیطی، جمعآوری داده را وقتی کاربر شروع به حرکت میکند، انجام میدهد. ابتدا زمانی که یک کاربر ساکن و بیتحرک است تعیین میشود، برای این کار فرض میشود یک کاربر ساکن است اگر فاصلهی زمانی بین دو خواندن جیپیاس آن بیشتر از یک حد آستانه باشد. بنابراین حد آستانه باید به اندازهی کافی برای ارزیابی حرکت کاربران و تضمین این که یک کاربر دیگر حرکت نمیکند طولانی باشد. با توجه به نتایج بدست آمده اگر برنامهی جمعآوری دادهها تنها زمانی که کاربر حرکت میکند اجرا شود، اکثر مواقع آنتن گوشیهای هوشمند خاموش خواهد بود و گوشیهای هوشمند انرژی کمتری برای جمعآوری داده صرف خواهند کرد که همین امر کاربران گوشیهای هوشمند را برای شرکت در جمعآوری دادهها تشویق خواهد کرد.
در روش مبتنی بر بازدید کاربر گوشی هوشمند، دورههای خواب و بیداری گرهها، براساس بازدید گرههای مجاور به وسیله کاربران گوشیهای هوشمند تنظیم میشود. هنگامی که یک گره توسط کاربر گوشی هوشمند بازدید میشود این گره میتواند گره بازدیدی بعدی را پیش بینی کند. طبق نتایج بدست آمده، 90 درصد کل بازدیدها، از بازدیدکنندگان گرههای مجاور میآیند. بنابراین یک برنامه خواب و بیداری مبتنی بر بازدید گره مجاور میتواند یک روش مفید برای کاهش مصرف انرژی در گرهها باشد.
در این روش، هر گره وقتی که کاربر گوشی هوشمند در اطراف سفر نمیکند، برنامهی خواب و بیداری را با دورهی بیداری کوتاهتر اجرا میکند. اگر یک گره ارتباطی را با گوشی هوشمند تشخیص دهد، آن گره در طول بازدید گوشیهوشمند، به سایر گرههای مجاور، بازدید گوشی هوشمند را خبر میدهد، پس از دریافت پیام اعلان، گره مجاور جهت احتمال برقراری ارتباط، در یک دورهی طولانی به صورت گوش دادن فعال میماند.
در سال Stephanie 2002 و همکارانش روش جمعآوری داده کارا از لحاظ انرژی در حسگرها را ارائه کردند. این روش که برای سیستمهای اطلاعاتی گرههای حسگر، کارایی مصرف انرژی را بهبود میبخشد به اختصار - - PEGASIS1 نام دارد که یک پروتکل جمعآوری داده محسوب میشود. این پروتکل با این پیش فرض کار میکند که تمامی گرهها از موقعیت مکانی یکدیگر مطلع هستند و اطلاعات مسیریابی مربوط به توپولوژی در هر گره موجود است. این پروتکل، جمعآوری داده را از طریق ایستگاه پایه، گره رهبر و گرههای حسگر دیگر انجام میدهد.
اهداف این پروتکل عبارتند از: کاهش فاصله ارسال بین هر گره، کاهش سربار ناشی از همه پخشی، کاهش تعداد کل پیامهایی که میبایست به سمت ایستگاه پایه ارسال شوند و توزیع استفاده یکنواخت از انرژی بین تمامی گرههای حسگر.
در سال Pradhan 2012 و همکارانش روش دودویی را برای جمعآوری داده ارائه کردهاند. این روش که بر پایه زنجیره طراحی شده است، شبیه روش PEGASIS طراحی شده است که در آن گرهها به گروههای گوناگون تقسیم میشوند و هر گره داده را به نزدیکترین همسایهاش در یک سطح معین از سلسله مراتب منتقل میکند. همه گرههایی که دادهها و پیامها را جمعآوری میکنند به سطح بعدی پیش میروند. در هر سطح تعداد گرهها نسبت به سطح قبلی نصف میشود. از جمله مزایای این روش کاهش مصرف انرژی است و ثابت بودن بازهی جمعآوری داده یکی از معایب این روش میباشد.
در سال shivendra 2013 و همکارانش به بررسی روشهای جمعآوری داده پرداختند. روش سه سطحی یکی از روشهایی است که در مقالهی آنها ارائه شده است. در این روش، زنجیرهای شبیه آنچه در روش PEGASIS بود ساخته میشود، زنجیره به چندین گروه جدا از هم تقسیم میگردد تا فضایی را برای ارسال همزمان فراهم سازد، به عبارت دیگر از این طریق واسطها را کاهش میدهد. در هر گروه، گرههای حسگر یک همه پخشی تنها را در یک زمان انجام میدهند. یک گره ازهر گروه، دادهای که از تمامی اعضای گروه شروع شده را تجمیع میکند و به مرحله بعد صعود میکند. شاخص گره رهبر به مرحله بعد تخصیص مییابد، در سطح بعدی، تمامی گرهها به دو گروه جدا از هم تقسیم میگردد، در سطح سوم تمامی پیامهایی که در هر یک از دو گروه قبلی با یکدیگر رد و بدل شده است را در هم ادغام میکند. در نهایت گره رهبر یک پیام تنها را به سمت ایستگاه پایه ارسال میکند.
در سال Heinzelman 2000 و همکارانش برای اولین بار روش سلسله مراتب خوشه بندی تطبیقی کم انرژی - - LEACH2 برای جمعآوری داده ارائه کردند. در این روش، شبکه به طور کامل به خوشههای متعدد تقسیم میشود و سرخوشه دادهها را جمعآوری و به سینک ارسال میکند. سرخوشه به صورت تصادفی انتخاب میشود. این پروتکل مبتنی بر خوشهبندی است که اتلاف انرژی در شبکههای حسگر بیسیم را به حداقل میرساند.[10]
در سال Madden 2002 و همکارانش روش جمعآوری داده مبتنی بر درخت را ارائه کردند. این روش، جمعآوری داده را بوسیله ساخت یک درخت تجمع انجام میدهد. که در آن گره سینک به عنوان گره ریشه و گره منبع به عنوان گرههای برگ در نظر گرفته میشود.
جریان اطلاعات از گرههای برگ تا مقصد شروع میشود و این روش دارای دو بخش توزیع و جمعآوری است.. در بخش توزیع درخواست مجموعهها داخل شبکه فشرده سازی میشود و در بخش جمعآوری مقادیر یا ارزشهای مجموعهها به طور مداوم از گرههای برگ تا گرههای والد مسیردهی میشوند. در واقع گرههای والد دادهها را از برگها یا فرزندان جمعآوری میکنند و به سمت گره ریشه یا سینک ارسال میکنند. نقطه ضعف این روش، شکست بستههای داده در هر سطح درخت است، داده نه تنها در یک سطح واحد بلکه برای کل زیر درخت مرتبط گم خواهد شد.
در سال Gatani 2006 و همکارانش، روش چند مسیری را برای جمعآوری داده ارائه کردند. این روش، برای غلبه بر استحکام ناقص روش مبتنی بر درخت پیشنهاد شده است، که در آن گرهها بستههای داده را به همسایگان متعدد خود ارسال میکنند. از این رو بسته داده از گره مبدا تا گره ریشه از مسیرهای متعدد جریان مییابد وگرههای میانی بین گرههای برگ و گره ریشه دادهها را جمع آوری میکنند.
استفاده از این روش برای ارسال داده نسبت به استفاده از یک مسیر قابلیت اطمینان بیشتری دارد. در مسیر انفرادی که هر گره را به سینک متصل میکند صرفهجویی انرژی وجود دارد اما در معرض خطر فروپاشی لینک است اما روش چند مسیری این مشکل را ندارد. در این روش احتمال تحویل بسته به سینک افزایش مییابد اما ارسال داده از مسیرهای متعدد باعث مصرف بیشتر انرژی میشود در این روش اگر یک مسیر با شکست مواجه شود داده از مسیر دیگر به مقصد میرسد.
در جدول - 1 - ، روشهای ارائه شده باهم مقایسه شده و نقاط قوت و ضعف آنها بیان شده است. در تمامی روشهای فوق، بازهی زمانی جمعآوری داده به صورت ثابت در نظر گرفته شده است که باعث افزایش مصرف انرژی میشود. برای رفع این مشکل، روش تعیین بازهی زمانی جمعآوری داده مبتنی بر اختلاف دادههای جمعآوری شده پیشنهاد میشود که باعث کاهش مصرف انرژی در گوشیهای هوشمند میشود. در بخش بعدی این روش با جزئیات بررسی خواهد شد
-2 روش پیشنهادی
روش پیشنهادی شامل دو بخش جمع آوری داده و تعیین بازهی زمانی جمعآوری داده است، که در ادامه به ترتیب هر بخش به طور جداگانه توضیح داده میشود:
-1-2 روش پیشنهادی: مراحل جمع آوری داده
در این بخش روش پیشنهادی، نحوهی جمع آوری داده، که مراحل آن عبارتند از: استقرار گرهها، حس کردن و دریافت داده ها از محیط، ارسال داده به گرههای هوشمند و ارسال داده ی جمعآوری شده
