بخشی از مقاله
خلاصه
با گسترش و پیشرفت در زمینه شبکه های بی سیم، واضح است که طراحی چنین شبکه هایی چالش ها و مشکلات خاصی به همراه دارد یکی از این چالش ها وقوع ازدحام می باشد ازدحام موجب از دست رفتن اطلاعات و هدر رفتن انرژی محدود موجود درگره ها می شود در این مقاله، یک روش جدید کنترل ازدحام با استفاده از منطق فازی برای این نوع شبکه ها پیشنهاد شده است که با استفاده از سه پارامتر اصلی میزان انرژی باقی مانده سطح گره، چگالی بار و پهنای باند تشخیص، اعلان و کنترل ازدحام صورت می گیرد که نتایج ارزیابی با شبیه ساز آپ نت1 انجام شده، نشان می دهد که با استفاده از این روش میانگین تاخیر رسیدن بسته ها کاهش می یابد و نیز انرژی کمتری از گره ها مصرف و طول عمر شبکه نیز افزایش می یابد.
-1 مقدمه
با توجه به توسعهی سریع حسگرهای ویدیویی شبکه شده در سالهای اخیر، تقاضاهای رو به رشدی در شبکههای حسگر بیسیم چندرسانهای، مانند نظارت چندرسانهای، نظارت ترافیک و سیستمهای ردیابی شیء بلادرنگ وجود دارد. شبکههای حسگر بیسیم چندرسانهای میتواند بهعنوان گروهی از حسگرهای بیسیم همبند توصیف شود که دادههای چندرسانهای را همراه با دادههای عددی از محیط جمعآوری کرده و آنها را به ایستگاه پایه انتقال میدهد. دستیابی به کیفیت بالای ویدیو در ایستگاههای پایه، یک هدف مهم WMSN2 ها بوده و ترافیک حاصله از آن باعث ایجاد ازدحام در شبکه میشود.
تعداد قابلتوجهی از تلاشهای تحقیقاتی در حل مسئلهی ازدحام از شبکههای حسگر صورت گرفته است؛ که میتوان در یک جمعبندی کلی آنها را به چهار دستهی عمده تقسیم کرد: - 1 پروتکلهای کمک صف - 2 پروتکلهای آگاه از اولویت - 3 پروتکلهای تشکیل توپولوژی - 4 پروتکلهای کنترل منابع. پروتکلهای کمک صف، بیشتر روی طول صف و گرهها تمرکز میکنند و از یک روش تنظیم نرخ مانند افزایش و کاهش چند جزئی استفاده میکنند.
پروتکلهای آگاه از اولویت، اولویتهای مختلف گرهها را در شرایط ازدحام در نظر میگیرند و سعی میکنند که خدمات برابر برای گرهها در همان کلاس اولویت فراهم کنند. پروتکلهای شکلگیری توپولوژی با توجه به نرخ ورودی گرههای ازدحام تنظیمشدهو معمولاً از طریق فعال و یا غیرفعال کردن گرههای نزدیک منطقهی ازدحام این روند انجام میگیرد. بااینحال، تغییر توپولوژی شبکه همیشه عملی نیست و ممکن است برای شبکههای پراکنده، دارای کارایی کمتری باشد.
پروتکلهای کنترل منبع نیز میزان مصرف منابع در گرههای نزدیک ناحیهی ازدحام را کنترل مینماید. بهطورکلی با توجه به محدودیت منابع در این شبکهها و تعداد گرههای حسگر توزیعشده جهت پوشش محیط عملیاتی، ازدحام و تراکم اطلاعات در گرههای میانی رخ خواهد داد؛ زیرا گرههای حسگر برای ارسال اطلاعات خود با گرههای حسگر همسایه برای دسترسی به کانال ارتباطی بیسیم رقابت مینمایند و با توجه به تعداد زیاد گرهها و محدودیت منابع آنها ارسال اطلاعات از طریق کانال مشترک باعث ایجاد تراکم و ازدحام خواهد شد.
ازدحام اطلاعات در شبکههای حسگر بیسیم، تأثیر منفی بر روی کارایی این شبکهها داشته و باعث کاهش گذردهی، افزایش انرژی مصرفی به ازای هر بسته ارسالی، افزایش تأخیر و افزایش تعداد بستههای ازدسترفته میشود. از طرف دیگر، الگوی ترافیکی متمرکز در شبکههای حسگر بیسیم، باعث ایجاد ازدحام در این شبکههای میگردد؛ زیرا تمامی اطلاعات به سمت یک چاهک ارسال میگردند. درصورتیکه بار تزریقی به شبکه از ظرفیت آن بیشتر شده و یا پهنای باند پیوند ارتباطی به خاطر مشکلات کانالهای بیسیم کاهش یابد، ازدحام رخ خواهد داد.
بنابراین جهت کاهش تعداد بستههای ازدسترفته به خاطر ازدحام بافر گرهها و ارسال اطلاعات بهموقع و کارآمد ازلحاظ انرژی مصرفی و جلوگیری از بنبست شبکه، ارائه پروتکلی برای کنترل ازدحام - تشخیص، اطلاعرسانی و جلوگیری از ازدحام - برای شبکههای حسگر بیسیم چندرسانهای لازم و ضروری میباشد. بر این اساس در مقاله حاضر سعی شده با استفاده از منطق فازی و پارامترهای مهمی همچون انرژی گره ها و پهنای باند در دسترس و چگالی بار ازدحام کنترل شود. سوالی که مطرح می شود این است که آیا با استفاده از منطق فازی و پارمترهای مهم حسگر بی سیم، می توان مصرف انرژی گره ها و نرخ ارسال بسته را کاهش داده و در نهایت ازدحام حسگر ها را کنترل کنیم؟
-2 پیشینه تحقیق
در شبکههای حسگر بیسیم، مکانیزم تشخیص ازدحام معمولاً به محاسبه زمان سرویس بسته، نسبت میان زمان سرویس بسته و زمان ورود بسته [1]، یا طول صف [2,3] در یک گره میانی بستگی دارد. چندین پروتکل کنترل ازدحام برای شبکههای حسگر بیسیم وجود دارد و تفاوت اصلی این پروتکلها در شیوه تشخیص ازدحام، نحوه انتشار اطلاعات مربوط به ازدحام و یا درروش تنظیم نرخ، موقعی که ازدحام رخ میدهد، میباشد.
علیرغم مزایای کنترل ازدحام بهصورت انتها به انتها، ارسال اطلاعات مربوط به ازدحام بین گرههای ابتدا و انتها، باعث کندی سیستم خواهد شد. کنترل ازدحام بهصورت گامبهگام جهت کاهش بستههای ازدسترفته سریعتر بوده و برای شبکههای حسگر بیسیم مناسب میباشد. بهطورکلی ازدحام در شبکههای حسگر بیسیم میتواند در سطح گره و یا پیوند ارتباطی باشد. ازدحام در سطح گره به خاطر سرریز گره پدید آمده و باعث از دست رفتن بستهها و افزایش تأخیر صف میگردد. ازدحام در سطح پیوند ارتباطی به خاطر ویژگی کانالهای بیسیم و ویژگی رقابتی گرههای حسگر برای دسترسی به کانال ارتباطی میباشد.
پروتکل FUSION از سه تکنیک کنترل ازدحام: -1 کنترل گامبهگام جریان ارسال داده -2 محدود کردن نرخ ارسال گره مبدأ -3 کنترل اولویت دسترسی به رسانه انتقال استفاده مینمایند. این پروتکل با محدود کردن نرخ ارسال داده گره میانی و گره مبدأ باعث کاهش ازدحام میگردد. بااینهمه برای محدود کردن نرخ ارسال اطلاعات گرهها بهصورت پیوسته رفتار گرههای والد خود را تماشا مینمایند که باعث مصرف انرژی بیشتر میشود .[4]
پروتکل CCF از پارامترهای زمان سرویس بسته و نرخ سرویس موجود برای تشخیص ازدحام در گره میانی استفاده میکند. اطلاعات ازدحام بهصورت منفی گزارش میشود. این پروتکل ازدحام را به روش گامبهگام کنترل میکند و در آن هرکدام از گرهها یک راهکار تنظیم نرخ دقیقی را که بر نرخ سرویس موجود خود و تعداد گرههای فرزند مبتنی است به کار میبرد این پروتکل بیطرفی ساده را تأمین میکند بهطوریکه هرکدام از گرهها توان عملیاتی یکسانی را کسب میکنند. راهکار تنظیم نرخ در این پروتکل فقط پارامتر زمان سرویس بسته را مدنظر قرار میدهد؛ که این کار موجب کاهش کارایی شبکه میگردد .[5]
پروتکل PCCP یک متغیر جدید به نام درجه ازدحام را که برابر است با نسبت بین میانگین زمان سرویس بسته و میانگین زمان ورود بسته، در هر گره حسگر در نظر میگیرد. درجه ازدحام نشاندهنده سطح ازدحام جاری هر یک از حسگرها است. این پروتکل بر اساس درجه ازدحام یک روش تنظیم نرخ گامبهگام به نام تنظیم نرخ، مبتنی بر اولویت را به کار میگیرد. این الگوریتم تنها قادر است نرخ ارسال هر یک از گرهها را در یک شبکه حسگر بیسیم که از الگوریتم مسیریابی تک مسیره استفاده میکند، تنظیم کند و برای استفاده در شبکهای که از الگوریتم مسیریابی چندمسیره استفاده میکند، کارایی ندارد. هر دو پروتکل CCF و PCCP بهرهوری جاری صف که باعث افزایش تأخیر میگردد را در نظر نمیگیرد. عمدهترین محدودیتی که این پروتکل دارد عدم بازیابی بستههای از بین رفته میباشد .[6]
پروتکل XLP از مقایسه نرخ ورود بستهها به یک گره و نرخ خروج آنها، ازدحام را در گره تشخیص میدهد و با کاهش نرخ ارسال بستهها توسط گرههای میانی و گره مبدأ اقدام به کاهش ازدحام مینمایند .[7] پروتکل DPCC بهصورت پویا وجود ازدحام در گرههای شبکه را از قبل پیشبینی کرده و ترافیک شبکه را در کل شبکه توزیع مینمایند تا از ازدحام در شبکه جلوگیری نمایند. درواقع سعی میکند تا از ازدحام در شبکههای حسگر بیسیم چندرسانهای با در نظر گرفتن پارامتر اولویت متغیر تا حد ممکن جلوگیری نماید.
این پروتکل از سه نوع ترافیک متفاوت پشتیبانی میکند. ترافیک نوع ضروری و فوری که درواقع ترافیک بلادرنگ و مهم میباشد، ترافیک نوع سریع که در اصل ترافیک بلادرنگ ولی نه خیلی مهم هست و ترافیک نوع معمولی. هرکدام از این ترافیکها در ابتدا بهصورت پیشفرض دارای اولویتهای متفاوتی میباشند که این اولویتها میتوانند با قرارگیری در فازهای مختلف ازدحام تغییر کنند. این الگوریتم از پارامتری به نام شاخص ازدحام تنها برای متعادل کردن نرخ ترافیک گرههای موجود در نزدیکی ایستگاه پایه استفاده میکند .[8]
پروتکلQCCP-PS یک پروتکل کنترل ازدحام مبتنی بر صف اولویتدار است که طول صف بهعنوان شاخص درجه تراکم میباشد. این پروتکل ازدحام را، بر اساس اولویت گرههای حسگر و درنتیجه اولویت بستههای مرتبط با آن گره کنترل میکند. این پروتکل کارایی PCCP را با کنترل دقیق صف بهبود میبخشد اما هیچ مکانیزمی برای رسیدگی به اولویتبندی ترافیک ناهمگن در شبکه ندارد. نرخ ارسال هر منبع ترافیک در QCCP-PS بر اساس درجه تراکم و شاخص اولویت آن افزایش و یا کاهش مییابد. تنظیم نرخ ترافیک برای هر منبع بر اساس شاخص اولویت آن و نیز درجه تراکم فعلی آن میباشد .[9]
