بخشی از مقاله
چکیده
پیشرفتهای اخیر در زمینهی مخابرات بیسیم، توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربردهای متنوع با نام شبکههای حسگر بیسیم را فراهم نموده است. ساختار این شبکهها به شکلی است که گرههای حسگر در مکانهای غیرقابل دسترس قرار داده میشوند به همین دلیل امکان شارژ یا تعویض باطری آنهاتقریباً غیر ممکن است. است با توجه به محدودیت منابع این گرهها، چالش اصلی در این شبکهها مدیریت مصرف انرژی و افزایش طول عمرشبکه میباشد.
هدف اصلی بیشتر پروتکلهای کنترل دسترسی رسانه - - MAC، کاهش مصرف انرژی است، در این مقاله پس ازمعرفی و ارزیابی چند پروتکل MAC، به منظور کاهش مصرف انرژی گرهها یک پروتکل کنترل دسترسی رسانه چند کاناله غیرهمگام ارائه میکند که در آن به صورت وفقی و غیرهمگام زمان خواب و بیداری گرهها و همچنین ملاقات گرهها با یکدیگر به منظور تبادل داده، تنظیم میکند. این پروتکل بدون سربار همگام سازی، استفاده از چند کانال را برای ارسال و دریافت فریمها ممکن میسازد. استفاده از چند کانال به این شکل، باعث کاهش تصادم شده و ارسالهای همزمان در حوزه تصادم گرهها را میسر میسازد و در نتیجه باعث کاهش مصرف انرژی و افزایش نرخ ارسال بستهها در شبکه میشود.
.1مقدمه
شبکه های حسگر بیسیم - 1 - WSN ، یکی از انواع سیستم های توزیع شده می باشد که در سال های اخیر مورد توجه پژوهشگران مختلفی قرار گرفته و در بسیاری از مکان ها از قبیل محیط های نظامی، بانک ها، فرودگاه ها و دیگر مکان ها، بمنظور بکارگیری در سیستم های حفاظتی مورد استفاده قرار گرفته شده است. شبکههای حسگر بیسیم نوعی از شبکههای چند هاب ادهاک هستند که از تعداد زایادی نود سنسود کم قیمت تشکیل شده است. نودها بصورت بیسیم متصل اند و توانایی ارتباط و پردازش دارند - - Qingyao Y, 2017گرههای حسگر، دستگاههای کوچک و هوشمند با قابلیت ارتباط بیسیم هستند که میتوانند دادههای مختلفی نظیر نور، صوت، دما و غیره را دریافت و پردازش کنند و در نهایت به سایر گرهها انتقال دهند.
وظیفهی اصلی این گرهها جمعآوری دادهها در بازههای زمانی منظم است. بعد از جمعآوری دادهها، همه گرهها دادهها را برای پردازش بیشتر به یک گره مرکزی به نام گره چاهک ارسال میکنند. گره چاهک هم پس از پردازش اولیه دادهها را به صورت مستقیم یا با واسطه به یک ایستگاه مرکزی ارسال میکند تا مدیریت نهایی در آنجا انجام گیرد - Hoang, 2007 - با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه میکند.
در واقع قدرت شبکههای بیسیم حسگر در توانایی بهکارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی همزمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند - Enz, 2004 - گستره کاربردی شبکههای حسگر بیسیم بسیار وسیع بوده و از کاربردهای کشاورزی، پزشکی و صنعتی2 تا کاربردهای نظامی3 را شامل میشود.
از متداولترین کاربردهای این تکنولوژی، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. به عنوان مثال، نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه یا حملات هستهای، شیمیایی و میکروبی دشمن، میتواند توسط صدها حسگر که به طور خودکار یک شبکه بیسیم را تشکیل میدهند، نظارت شده و در هنگام بروز مشکلات به سرعت به مرکز اطلاع داده شود . - Tang,2013 - چالشهای مختلفی برای این نوع از شبکهها وجود دارد که از همه مهمتر، مشکل محدودیت منابع آنها است - Lim, 2015 - عوامل مختلفی منجر به اتلاف انرژی در گرههای حسگر میشود. مهمترین عوامل موجود که در کارهای انجام شده به منظور مدیریت مصرف انرژی، به بررسی یک یا چند مورد از آنها پرداخته شده است عبارتند از - : - Huang, 2012
· برخورد4
· شنود5
· سربار پروتکل6
· گوش دادن غیر فعال7
· Overemitting
در بیشتر تحقیقات مرتبط با شبکههای حسگر بیسیم، به منظور کاهش مصرف انرژی گرهها از الگوریتمهای مسیریابی، روش-های تجمیع و رفع افزونگی دادهها و یا پروتکلهای کنترل دسترسی رسانه استفاده شده است - Jung, 2011 - در ادامه این مقاله در بخش2 ، چند پروتکل دسترسی رسانه را معرفی میکند. بخش 3 پروتکل MAC پیشنهادی را با بیان ویژگیها بیان میکند. بخش چهارم به پیادهسازی، ساختار و مدل شبکه پرداخته و در بخش 5 نتابج حاصل از پیاده سازی روش پیشنهادی در معیار مصرف انرژی و چند معیار دیگر ارائه میشود. بخش 6 این مقاله یک نتیجه-گیری کلی ارائه میدهد.
.2 پروتکل کنترل دسترسی رسانه
پروتکلهای کنترل دسترسی رسانه8در لایههای پایینتر معرفی میشوند و عملکرد اصلی آنها، ایجاد دسترسی به یک رسانه مشترک به منظور اجتناب از تصادم گرههای مختلف است. در شبکههایی با رسانه مشترک، کنترل دستیابی به رسانه به منظور انجام عملیات موفقیت آمیز شبکه ضروری است. علاوه بر این عملکرد اصلی، پروتکل کنترل دسترسی رسانه باید فاکتورهای دیگری را به منظور ارتقا کارایی شبکه و تأمین سرویسهایی متناسب با کاربردهای مختلف، در طراحی خود بگنجاند.
در شبکههای حسگر بیسیم این عوامل عمدتاً شامل بهرهوری انرژی، مقیاسپذیری، تطبیقپذیری، بهرهوری کانال، تاخیر، گذردهی و تسهیم عادلانه میباشند. اما بهرهوری انرژی دارای ارزش بیشتری است - Verma, 2015 - با توجه به اینکه هدف اصلی پروتکلهای کنترل دسترسی رسانه، کاهش مصرف انرژی است، بنابراین مهمترین اقدام شناسایی مواردی است که باعث اتلاف مصرف انرژی میشوند سپس پروتکل مورد نظر سعی در بهبود این موارد خواهد داشت.
به منظور اجتناب از تصادم، پروتکلهای کنترل دسترسی رسانهمعمولاً به دو دسته رقابتی و بدون رقابت تقسیم بندی میشوند در کنترل دسترسی رسانه رقابتی، تمام گرهها از یک رسانه مشترک استفاده کرده و در آن برای انتقال داده با یکدیگر رقابت میکنند. بنابراین ممکن است تصادمهایی در طول فرآیند رقابت رخ دهد. به منظور جلوگیری از بروز تصادم، میتوان از پروتکل کنترل دسترسی رسانه برای انجام دسترسی به کانال مشترک از طریق مختصات احتمالی استفاده کرد.
پروتکل ALOHA و پروتکل CSMA رایجترین نمونههای پروتکلهای کنترل دسترسی رسانه رقابتی هستند. در کنترل دسترسی رسانه بدون رقابت، رسانه مشترک از نظر زمانی، فرکانسی و یا کدهای شبه نویز متعامد به تعدادی کانال فرعی تقسیم میشود. هر گره یک کانال فرعی را اشغال میکند. تخصیص کانالهای مجزا به گرههای متفاوت، امکان دسترسی به رسانه مشترک را بدون تداخل فراهم میآورد. بنابراین در این روش به شکل مؤثر از تصادم گرههای متفاوت اجتناب میشود. رایجترین نمونه پروتکلهای کنترل دسترسی رسانه بدون رقابت عبارتند از TDMA, FDMA, CDMA, TDMA کانال مشترک را به بازههای زمانی ثابتی تقسیم کرده و این بازهها را به گونهای پیکربندی میکند که به صورت تناوبی تکرار میشوند. در این روش به هر گره یک بازه زمانی اختصاص داده میشود تا در همان چهارچوب انتقال را انجام دهد.
1 .2معرفی چند پروتکل کنترل دسترسی رسانه
تابهحال پروتکلهای کنترل دسترسی رسانهی متعددی معرفی شدهاند که هر کدام به شکلی سعی در برطرف کردن چالشهای موجود در شبکههای حسگر بیسیم، دارند. در ادامه برخی از این پروتکلها معرفی و ارزیابی میشوند.
