مقاله طرحی کارا برای انتقال داده¬های چند رسانه¬ای در شبکه¬های حسگر بی¬سیم چند رسانه¬ای

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه تحقیقات زیادی بر روی شبکههای حسگر بیسیم انجام میگیرد و کاربردهای زیادی نیز برای این نوع شبکهها بوجود آمده است. کاربردهای مختلف این شبکهها مانند نظارت بر محیط ، پیگیری رویدادها و اتوماسیون منزل و غیره باعث ایجاد شبکههای حسگر بیسیم چندرسانهای یا Wireless Multimedia Sensor Network - WMSN - شده است.

واضح است که طراحی و ایجاد چنین شبکههایی چالشها و مشکلات خاصی را به همراه خواهد داشت. یکی از این چالشها احتمال زیاد وقوع ازدحام است که به دلیل بالا بودن نرخ و خاصیت انفجاری جریانهای ویدیویی و همچنین محدودیت منابع در شبکههای حسگر پدید میآید. در این مقاله، یک روش جدید برای انتقال داده های چند رسانهای برای این نوع شبکهها معرفی شده است.

.1 مقدمه

در سالهای اخیر تحقیقات گستردهای بر روی شبکههای حسگر بیسیم[1] 1 انجام شده است و باعث توسعه شبکههای حسگر چندرسانهای بیسیم یا WMSN2 شده است WMSN .[2] علاوه بر کاربردهای فعلی مانند پیگیری رویدادها، اتوماسیون منزل، نظارت بر محیط و غیره کاربردهای جدیدی نیز دارد .[3],[2] واضح است که طراحی و ایجاد چنین شبکههایی چالشها و مشکلات خاصی به همراه خواهد داشت.

دلیل این امر محدودیتها و مشکلاتی است که هم در ذات شبکههای حسگر وجود دارد - محدودیت انرژی و حجم بافر کم - و هم در انتقال اطلاعات چندرسانهای و کاربردهایی که از این اطلاعات استفاده می کنند - حساسیت به تاخیر - . به همین منظور لازم است که لایههای مختلف شبکههای WMSN به درستی تحلیل شود و مکانیسمهای مناسب برای انتقال اطلاعات چندرسانهای در شبکههای حسگر برای هر لایه معرفی گردد.

یکی از این لایهها, لایه انتقال است، که میتوان گفت که این لایه با توجه به دلایل زیر در شبکههای WMSN نسبت به شبکههای حسگر سنتی مهمتر و حساستر است .[2] در میان کاربردهای چندرسانهای، کاربردهایی که با انتقال ویدیو در ارتباط هستند، به دلیل نرخ تولید داده خیلی بالا و همچنین خاصیت انفجاری، خیلی بیشتر از سایر کاربردها در معرض خطر ازدحام قرار دارند.

بنابراین در این مقاله سعی شده است که یک مکانیسم مناسب برای کنترل ازدحام در شبکههای WMSN با ترافیک ویدیوئی ارائه گردد. از آنجا که نرخ ترافیک ویدیویی بسیار بالا و از نوع انفجاری است، احتمال وقوع ازدحام در این شبکهها، بسیار بالا است. چنین مکانیسمی باید هم محدودیتهای گرههای حسگر و هم نیازمندیهای جریانهای ویدیویی را در نظر بگیرد.

.2 مروری برکارهای گذشته

تکنیکها وپروتکلهای مختلفی برای لایه انتقال WSN معرفی شده است. در یک تقسیم بندی کلی این پروتکلها به دو دسته تقسیم میشوند. پروتکلهایی برای کنترل ازدحام و پروتکلهای برای تضمین قابلیت اعتماد. تعداد محدودی ازاین پروتکلها نیز در هر دو دسته قرار دارند در ادامه تعدادی از پروتکلهای معرفی شده برای لایه انتقال شبکههای حسگر بی سیم به اختصار معرفی میشود و بیان میشود هیچ کدام ازاین پروتکلها مناسب استفاده در لایه انتقال WMSN نمی باشند :CODA هدف از این پروتکل، کنترل ازدحام در شبکههای حسگر است.

در این روش هر گره میتواند ازدحام را تشخیص دهد و سپس به دیگران ازدحام را اعلام کند و خود نیز نرخ خود را تنظیم کند. به دلایل زیر این پروتکل برای کاربردهای ویدیو مناسب نیست: .1 کشف دیر هنگام ازدحام .2 توقف ارسال گرهها با وقوع ازدحام .3 عدم در نظر گرفتن قابلیت اعتماد برای بستههای اولویتدار. : ESRT یک پروتکل لایه انتقال در شبکههای حسگر است که قابلیت اعتماد را به جای اینکه برای بستهها فراهم بکند برای رخدادها فراهم میکند. الگوریتم ESRT در مقصد اجرا می شود و از این رو لزومی ندارد که گرههای حسگر، برای این کار مصرف انرژی داشته باشند.

این پروتکل بر این اصل استوار است که قابلیت اعتماد کشف رخدادها و فرکانس گزارشگیری رخدادها به یکدیگر وابسته هستند. . این پروتکل تنها برای برخی کاربردهای چندرسانهای که بر پایه رخداد هستند، مناسب است و برای کاربردهایی که به صورت پیوسته کار می کنند مناسب نیست. همچنین در این پروتکل تاخیر و تغییرات آن و اولویت بندی حذف شدن بستهها در هنگام ازدحام در نظر گرفته نشده است.

RMST :این پروتکل تحویل و دریافت تمام بستهها در گیرنده را تضمین می کند. این پروتکل Nack-based می باشد که با توجه به خاصیت بافرینگ در گرهها، امکان قابلیت اعتماد گام به گام را به جای انتها به انتها در شبکههای حسگر فراهم می کند. در صورت وقوع ازدحام بستههایی که به مقصد نرسیدهاند، دوباره ارسال میشوند. از آنجا که این پروتکل هیچ تضمینی برای دریافت به موقع بستههای بیدرنگ نمی دهد و همچنین در برابر ازدحام هیچگونه تنظیم نرخی انجام نمیدهد، برای انتقال ویدیو در شبکههای حسگر مناسب نیست.

:PSFQ برخی از اهداف این پروتکل عبارتند از: اطمینان از رسیدن دادهها به گیرنده و فراهم کردن یک مرز تاخیر نه چندان قوی برای تحویل دادهها به گیرنده. دراین پروتکل قابلیت اعتماد برای همه بستهها به صورت گام به گام فراهم میشود. این پروتکل احتمال رسیدن بسته به گره بعدی را - برای تضمین حد تاخیر - افزایش میدهد.

:STCP یک پروتکل متداول برای لایه انتقال شبکههای حسگر است. در این پروتکل هم مسئله قابلیت اطمینان و هم مسئله کنترل ازدحام در نظر گرفته شده است. این پروتکل از طول صف به عنوان معیار تشخیص ازدحام استفاده می-کند. هر گاه طول صف از حد آستانه پایین کمتر شود، بیت اعلان ازدحام در سرآیند بستههای ارسالی به سمت گره مقصدصفر میشود. هرگاه طول صف از حد آستانه بالا بیشتر شود بیت اعلان ازدحام در سرآیند همه بستهها یک می- شود.

گره مقصد با در بستههای ACK که برای مبدا آن بسته ارسال میکند، بیت ازدحام رایک میکند. مبدا پس از دریافت بسته ACK اعلان کننده ازدحام وارد فاز کنترل ازدحام میشود. در این مرحله به دو شیوه کنترل ازدحام می-کند: -1 نرخ ارسال را به آرامی پایین میآورد-2 بستههای متوالی را در مسیرهای مختلف ارسال میکند. در این پروتکل خاصیت دادههای ویدیویی در نظر گرفته نمیشود.

درمراجع و پروتکلها و مکانیسمهای مختلفی برای کنترل ازدحام و قابلیت اطمینان رو به بالا و رو به پایین برای لایه انتقال شبکههای حسگر معرفی شده است. با توجه به مطالب بیان شده مشخص است که روشهای موجود برای لایه انتقال شبکههای حسگر، به خوبی نمیتوانند کنترل ازدحام را برای جریانهای ویدیویی انجام دهند و ارائه مکانیسمی برای این کار ضروری است. در بخش بعد روش استفاده شده در این مقاله شرح داده میشود.

.3 معماری شبکه

شکل 1نمونه معماری WMSN نشان میدهد. WMSNمیتواند شامل حسگرهای همگن یا ناهمگن باشد. WMSN دارای دو نوع متفاوتی از معماری است: معماری تک لایه شبکه و معماری چند لایه شبکه. شکل 1 - الف - و - ب - دو نمونه متفاوت از پیادهسازی معماری تک لایه شبکه را نشان میدهد. با این حال شکل - c - 1 نمونه معماری شبکههای چند لایه را نشان میدهد.

.3روش پیشنهادی

همانطور که بیان شد، در WMSN اطلاعات چندرسانهای از محیط دریافت و از طریق ارتباطات درون شبکهای به یک گره مقصد ارسال میشوند در این مقاله فرض شده که گرههای حسگر دارای دوربینهایی برای گرفتن اطلاعات ویدیویی و ارسال آنها به گره مقصد هستند. بنابراین در شبکه صرفا ترافیک ویدیویی وجود دارد. در ادامه روش پیشنهادی توصیف میشود و سپس ارزیابی روش ارائه میشود. روش پیشنهادی در سه فاز: -1 فازتشخیص ازدحام، -2 فازاعلان ازدحام و-3 فاز تنظیم نرخ توصیف میشود.

کشف ازدحام: در مکانیسمهای کنترل ازدحام معرفی شده برای شبکههای حسگر از روشهای متفاوتی برای کشف ازدحام استفاده شده است در حالتی که اطلاعات ویدیو در شبکه ارسال میشوند، ازدحام باید خیلی سریع کشف و کنترل شود. دلیل این امر بیدرنگ بودن کاربردهای ویدیو است که در آنها تاخیر بسیار مهم و حیاتی است. در هنگام ازدحام بستههای زیادی حذف خواهند شد که ارسال مجدد آنها نیز فایدهای برای کاربردهای ویدیویی ندارد.