بخشی از مقاله
چکیده
شبکه موردی متحرک - - MANET مجموعهای از گرههای مستقل است که از طریق لینکهای بیسیم، بدون نیاز به زیرساخت ثابت یا مدیریت متمرکز تشکیل یافته است. گرههای متحرک بستهها را به یکدیگر ارسال می کنند و اجازه می دهند ارتباط بین گره ها، گام به گام برقرار شود. بعلت ماهیت زیرساخت های پویا و عدم نظارت متمرکز، حفظ قابلیت اطمینان یکی از چالشهای مهم این حوزه به شمار می رود که به استحکام لینک بین گرههای شبکه بستگی دارد. در مطالعات اخیر، قابلیت اطمینان این شبکهها با وجود گرههای خراب، بر اساس محدوده انتقال گرهها و فاصله بین آنها، با استفاده از یک مدل دودویی بررسی شده است. اما، از آنجایی که قدرت سیگنال بنا به دلایلی مانند نویز، محو شدن و یا اثرات تداخل، حتی در محدوده انتقال، بدتر می شود، در نتیجه احتمال ارتباط موفق نیز کاهش می یابد. از اینرو در این مقاله، مدل قابلیتاطمینان لینک مبتنی برانتشار بجای یک مدل دودویی ارائه شده که از گرههایی با توزیع شکست معین برای ارزیابی قابلیتاطمینان شبکهMANETاستفاده می نماید و سپس با ارائه یک روش جدید سعی شده قابلیتاطمینان شبکه حتی پس از خرابی گرهها حفظ شود.
کلید واژه- اتصال، شبکه موردی متحرک، شکست، قابلیتاطمینان شبکه، مدل انتشار
-1 مقدمه
در سالهای اخیر، با عمومیت یافتن استفاده از شبکه های موردی متحرک در کاربردهای حساس مانند کاربردهای نظامی و حوزه های شهری، لزوم توجه به قابلیتاطمینان در این شبکه ها، تبدیل به یک موضوع اساسی و حیاتی شده است. این شبکهها بدلیل سرعت توسعه بالا، عدم نیاز به زیرساخت خاص، پیکربندی خودکار، استقلال از مدیریت شبکه اصلی، سادگی و صرف هزینه پائین جهت پیادهسازی مورد توجه بسیاری می باشند. نمونههای بسیاری وجود دارد که در آن راهاندازی زیرساخت شبکه به دلیل محدودیتهای پوشش، نقص شبکه، ازدحام و غیره امکانپذیر و مطلوب نیست. ازجمله این موارد می توان به شبکههای شخصی، تلفنهای سلولی، محیطهای نظامی، شبکه تاکسیرانی، اتاقهای ملاقات، میادینورزشی و ورزشگاهها، عملکردهای فوری و خدمات پزشکی، بلایای طبیعی - آتش، سیل، زلزله و ... - ، محیط های علمی وغیره اشاره کرد.
شبکه MANET یک شبکه بی سیم غیرمتمرکز است. این شبکه شامل مجموعهای از گرههای توزیع شده است که بدون هیچ زیرساخت یا مدیریت مرکزی یک شبکه موقت را تشکیل می دهند. هر گره می تواند هم بعنوان مسیریاب و هم بعنوان میزبان عمل کند. ویژگی خاصMANET یعنی قابلیت خود سازماندهی و قابلیت تحرک بالای گرههای سیار - MN - ، باعث ایجاد یک توپولوژی پویا می شود، بنابراین، با توجه به اینکه گرهها می توانند بطور پیوسته موقعیت خود را تغییر دهند، به روشی نیاز است که توانایی سازگاری با این تغییرات را داشته باشد. وجود اتصال قوی بین گرههای سیار در محدوده پوشش، آن را از سایر شبکهها متمایز می کند. نقص گره در یک MANET میتواند به واسطه دلایل مختلفی از جمله محدوده انتقال کم، خارج از محدوده پوشش بودن، اثرات جوی، موانع فیزیکی و عمر محدود باتری باشد. به عبارت دیگر، متوسط زمان خرابیMN از چند توزیع آماری پیروی می کند. همچنین فرض میشود لینک بین گرهها بنا به دلایلی مانند تحرک، تداخل، توپولوژی بسیارپویا، ازدحام لینکهای بیسیم و یا فراتر از محدوده ارسال قرارگرفتن گرهها از بین می رود.
توپولوژی شبکه بطور مداوم، به سرعت و غیرقابل پیش بینی تغییر میکند در نتیجه قابلیتاطمینان معیار مهمی در بررسی این سیستمها محسوب میشود. از بین رفتن اتصال ممکن است بدلیل خرابی گره یا لینک یا هر دو باشد. این بدان معنی است که اتصال یک عامل مهم برای قابلیتاطمینان شبکه به شمار میرود. برای محاسبه قابلیتاطمینان شبکه MANET، بکارگیری روشهای محاسبه قابلیت اطمینان شبکههای سیمی بعلت اینکه اندازه شبکه ها بطور نمایی در حال گسترش است، پیچیده و غیرقابل استفاده است.در این مقاله، روشی برای محاسبه میزان قابلیتاطمینان در شبکههای موردی متحرک با در نظر گرفتن قابلیتاطمینان لینکهای ارتباطی گرهها، ابتدا بدون درنظر گرفتن خرابی گرهها ارائه شده و سپس اثر تعمیر گره بر روی قابلیت اطمینان شبکه در روش پیشنهادی بررسی و به همراه نتایج ضروری ذکر شده است. برای این منظور، گراف اتصالات با در نظر گرفتن فاصله گره ها نسبت به یکدیگر تشکیل می شود.
از آن جایی که یکی از عوامل موثر بر میزان قابلیتاطمینان، لینکهای ارتباطی بین گرههاست، برای توصیف این لینک ها از گراف باینری استفاده نموده ایم.بر اساس تعداد ارتباط گره ها، قابلیتاطمینان شبکه به صورت قابلیتهای اطمینان دو ترمینالی - 2TR - ، تمام ترمینالی - ATR - ، K ترمینالی - KTR - و تمام ترمینال عملیاتی - AoTR - تعریف میشود. احتمال اینکه یک جفت معینی از گرهها - منبع s و سینک - t، با احتمال موفقیت/شکست معلوم همچنان متصل باقی بماند به عنوان قابلیتاطمینان دو ترمینالی تعریف می شود. احتمال اینکه هر گره قادر به ارتباط با هر گره دیگر در شبکه باشد قابلیت اطمینان تمام ترمینالی است. به طور مشابه احتمال اینکه حداقلkگره طراحی شده بتواند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند قابلیتاطمینانk ترمینالی نامیده می شود.
احتمال اینکه همه ی گرههای عملیاتی بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرارکنند به عنوان قابلیتاطمینان ترمینال تمام عملیاتی شناخته می شود.ادامه مقاله، به این صورت سازماندهی شده است. بخش 2 به مروری بر کارهای گذشته می پردازد. بخش3 فرضهای مربوط به مدل شبکه را بیان می کند. بخش 4، برخی پیشنیازهای روش، یعنی، مدل انتشار FS-TRG، مدل شبکه، قابلیتاطمینان گره،مدل قابلیتاطمینان لینک، مدل تحرک و قابلیت اطمینان شبکه را شرح می دهد. الگوریتم پیشنهادی محاسبهی قابلیت اطمینان شبکه MANET ، در صورت بروز خطا و رفع نقص، در بخش 5 بحث می شود و در بخش 6 مثال عددی برای اجرا به دنبال نتایج شبیهسازی گسترده فراهم می شود - اثر همه معیارهای سناریو یعنی، منطقه پوشش شبکه، محدوده ارسال و اندازه شبکه در 2TRm ، ATRm و . - AoTRm در نهایت، نتیجه این مطالعه در بخش 7 آورده شده است.
-2 مروری بر کارهای گذشته
تقاضا برای شبکه مطمئن برای کاربردهای خاص، محققان را جذب کار بر روی جنبههای قابلیت های اطمینان آنها از طریق گسترش زیر ساختهای مبتنی بر شبکهها در MANET کرده است. رامیرز و همکارانش2008، الگوریتمی را برای حل مسئله تخصیص قابلیت اطمینان تمام ترمینالی از طریق حداقل کردن هزینه طراحی شبکه ارائه کرده اند.[1] آنها فرض کردند که شبکه شامل تعداد معینی از اجزاء معادل از نظر عملکردی است که می تواند برای تامین افزونگی استفاده شود. در نتیجه برای دستیابی به قابلیت اطمینان مناسب، اجزای افزونه حذف شده یا در نظر گرفته نمی شوند. در مطالعات متعدد، خواص توپولوژیکی، ارتباطی، سنجش، مقیاسپذیری و مسیریابی مورد بررسی قرار گرفته اند. اخیراً، برخی محققان روی مطالعه اتصال و ارزیابی قابلیت اطمینان [8,5,4] شبکههای ادهاک با استفاده از گراف تصادفی هندسی - [7,10] - GRG و شبیه سازی مونت کارلو - - MCS بر اساس مدل تحرک نقطه تصادفی - RWPM - تاکید داشته اند.[8]
بابیو2006، تحقیق بر روی تجزیه و تحلیل قابلیت اطمینان برای مسیرهای معین انجام داده است تا مسیر بهینه یافت شود.[3] مدل ارائه شده دیگری به نام مدل قابلیتاطمینان لینک مبتنی بر انتشار[5] مورد بررسی قرار گرفته است که نشان میدهد احتمال وجود لینک با افزایش فاصله تا محدوده انتقال آن، کاهش مییابد. روش ارائه شده توسط کوک 2009، به محاسبه قابلیت اطمینان شبکه MANET با شناسایی لینکهای حیاتی در شبکه پرداخته است.[12] چاتورودی و همکارانش 2013، با ارائه یک مدل با استفاده از عبارات ریاضی خاص، برای محاسبه اتصال مبتنی بر گام در شبکه، به محاسبه این پارامتر پرداخته اند. اشکال این روش در استخراج عبارات ریاضی میباشد که تعداد گام ها در آن 3 یا بیشتر از 3 است. تمامی مطالعات ذکر شده در بالا [4,5,8,11,12] پارامتر تحرک MN را برای ارزیابی قابلیت اطمینان MANET در نظر گرفته اند.
مقالات و مطالعات نشان میدهند که در پژوهشهای چندین محقق[21-16] مدلهای قابلیتاطمینان لینک مختلفی برای ایجاد ارتباط و همچنین دستیابی به ارتباط موفق بین گرههای طراحی شده، توسعه داده و ارائه شده است. مدلهای قابلیت اطمینان لینک به عنوان یک وسیله اندازه گیری سراسری برای بررسی عملکرد شبکه های تک کاره استفاده می شوند.خاندانی و همکارانش 2005، دو مدل قابلیت اطمینان لینک مختلف برای شبکه های ارتباط بی سیم ارائه نموده اند.[17] مدل اول فرض میکند که گره مقصد، اطلاعات را با قطعیت دریافت می کند بشرطی که اطلاعات منتقل یا ارسال شده توسط گره منبع دارای حداقل سطح انرژی فرستنده باشد، که از طریق فاصله آن از گره مقصد تعیین می شود؛ مدل دوم قابلیتاطمینان اتصال را به عنوان احتمال دریافت صحیح اطلاعات در گره مقصد تعریف میکند و به صورت تابعی از محدوده ارسال، فاصله بین زوج گرههای طراحی شده و حالت محو کانال مدلسازی میکند.
با استفاده از این مدلها، آنالیز قابلیتاطمینان برای مسیرهای معین، گسترش یافته تا مسیر مطمئن بهینه در مرجع[18] پیدا شود. ایده خاندانی و همکارانش 2008، [18]، بیشتر در مطالعه موسز2009، [19]، در مورد شبکههای بیسیم چندجهشی برای یافتن قابلیتاطمینان لینک بهینه بین یک جفت گره معین نسبت به قدرت انتقال، فاصله و نسبت سیگنال به نویز استفاده می شود.الگوریتمی که قابلیت اطمینان اتصال شبکههای ایستا و پویا را بر اساس مدل های انتشار ارزیابی میکند نیز ارائه شده است.[ 21] بطور خلاصه، اکثر محققان مدلهای قابلیت اطمینان لینک گوناگونی را ارائه نموده اند که در شبکه های بیسیم برای تعیین یک مسیر بهینه مطمئن بین زوج گره های معین، بهبود قابلیت اطمینان اتصال و غیره به کار برده شده است.
در این مقاله، با استفاده از مدل قابلیتاطمینان لینک مبتنی بر انتشار و گرههای ناقص، شبیه ساز مونت کارلو - - MCS، روشی برای ارزیابی قابلیتاطمینان شبکه MANET ارائه شده است. گرهها بر طبق مدل تحرک نقطه تصادفی - RWPM - در یک منطقه جغرافیایی حرکت می کنند و متوسط زمان خرابی time- - - to-failure با توزیع آماری معین مقرر می شود. قابلیت اطمینان اتصال با ترکیبی از مدل انتشار فضای خالی - FS - و مدل انتشار - TRG - two-ray ground مدلسازی می شود. بر اساس این فرض که در یک لحظه توپولوژی یا موقعیت شبکه تثبیت خواهد شد، قابلیتاطمینان شبکه در آن لحظه خاص را می توان به صورت حاصلضرب قابلیت های اطمینان k| نود معین و قابلیت اطمینان شبکه، - G |k - ، با - n- k| - نود و اتصالات ناقص محاسبه کرد. این مقاله همچنین تاثیر معیارهای سناریو بر قابلیتاطمینان MANET را بررسی می نماید.
-3 فرضیات
متوسط زمان خرابی گرههای شبکه می تواند از هر توزیع شکستی پیروی کند، نمایی، نرمال یا ویبول. از آنجا که از توزیع ویبول در همه جا برای مدلسازی الگوی خرابی سیستمها و اجزاء مختلف به واسطه تطبیقپذیری آن استفاده شده است تا رفتار محصول را در طی چرخه کامل عمر آن تقلید کند، فرض می کنیم متوسط زمان خرابی شبکه توسط توزیع شکست ویبول تعیین و کنترل می شود. مدل RWPM بطور وسیع در مطالعات شبیه سازی استفاده شده است و مدلی مبنا است که از عملکرد حرکت گره های سیار تقلید می نماید. بنابراین، مفروضات زیر را برای ارزیابی قابلیت اطمینان MANET بکار می گیریم:
- 1 - شبکه در شروع ماموریت، همگن و قابل استفاده است.
- 2 - حرکت گره از مدل RWPM با زمان توقف صفر، سرعت توزیع شده بصورت یکنواخت - Vmin, Vmax - و جهت گره - 0, - 2 پیروی می کند.
- 3 - گرهها بطور یکنواخت و تصادفی در سراسر ناحیه قرار گرفته اند.
- 4 - فرض می شود که متوسط زمان خرابی گرهها از توزیع ویبول با پارامتر مقیاس - - و پارامتر شکل - - پیروی می کند.
- 5 - خرابی گرهها از لحاظ آماری مستقل هستند و هنگامی که یک گره خراب میشود در مدت زمان باقی مانده ماموریت خراب باقی میماند.
- 6 - همه لینک ها بدون هیچ محدودیتی در ظرفیت حمل بار خود، دو طرفه هستند.
- 7 - تداخل سیگنال بین گره ها وجود ندارد.
-4 پیش نیاز های روش
-1-4مدل انتشار FS-TRG
