بخشی از مقاله
يک استراتژي بهينه سازي براي پروتکل MCSMAC
چکيده : در اين مقاله يک بهينه سازي انجام شده بر روي پروتکل MCSMAC مطرح شده است . MCSMAC يک پروتکل کنترل دسترسي رسانه (MAC) چند کاناله براي شبکه هاي سنسوري بي سيم مي باشد. MCSMAC بر اساس پروتکل S-MAC طراحي شده است و يک پروتکل مبتني بر مذاکره مي باشد. پروتکل هاي MACي که براي شبکه هاي سنسوري طراحي مي شوند بايد شرايط آنرا نيز در نظر بگيرند. از مهم ترين اين خصوصيات مي توان منبع توان محدود، تراکم بالاي شبکه و طبيعت ناپايدار بودن گره هاي شبکه را نام برد. در گره هاي حسگر ارتباط بي سيم عمده مصرف انرژي را دارد. ما اين بهينه سازي را براي کاهش مصرف انرژي و کاهش تاخير در ارسال بسته ها انجام داديم و نتايج حاصل از شبيه سازي اين را نشان مي دهد. اين پروتکل در شبکه هاي با تراکم بالا و پويا کارکرد خوبي را دارد. مصرف توان و تاخير اين پروتکل روي توپولوژي هاي گوناگون با ترافيک هاي مختلف ارزيابي شده است تا موازنه هايي براي انتخاب مناسب پارامترهاي پروتکل براي کاربردهاي مختلف ارائه شود.
کلمات کليدي : شبکه هاي سنسوري بي سيم ، کنترل دسترسي رسانه ، تصادم ، FDMA
١. مقدمه
پيشرفت هاي انجام گرفته در ارتباطات بي سيم ، وسايل الکترونيک با توان مصرفي کم ، و فرکانس راديويي کم مصرف ، توسعه گره هاي سنسوري کم مصرف را با قابليت ارتباط بي سيم ، پردازش و حس کردن را فراهم کرده است . اين گره هاي سنسوري ريز در شبکه بصورت خودسازمانده مي باشند و با همديگر براي انجام وظايف مشترک مانند حس کردن صنعتي ، نظارت بر محيط ، يا ردگيري وسايل با ارزش همکاري مي کنند. معمولا، ارتباطات با استفاده از ارتباط بي سيم چند گامه (Multi Hop) مابين گره هاي سنسوري و نقطه مرکزي ايجاد مي شود که معمولا به عنوان sink شناخته مي شوند. هر چند ساير ارتباطات مانند ارتباطات يک به يک مابين سنسورها در اکثر کاربردها مشاهده شده است [١]. يکي از چالشهاي اصلي در ارتباطات شبکه هاي سنسوري بهره وري انرژي کانالهاي بي سيم مي باشد. طبيعت همه پخشي رسانه بي سيم ملزم مي کند که براي ارتباط موفق يک ارتباط منحصر به فرد مابين ارسال کننده و دريافت کننده برپا شود. پروتکل کنترل دسترسي رسانه (MAC) مسئوليت ايجاد چنين ارتباط منحصر به فردي را در شبکه بر عهده دارد.
پروتکلهاي MAC بصورت گسترده در ارتباطات بي سيم صدا و داده بررسي شده اند. دو گروه عمده براي استراتژي هاي طراحي پروتکل MAC در شبکه هاي بي سيم وجود دارد. آنها پروتکلهاي مبتني بر زمانبندي و مبتني بر مذاکره مي باشند [٣]. پروتکلهاي MAC مبتني بر زمانبندي ، بر مبناي زمانبندي و رزرو کردن مي باشند که نمونه مثالي از آن (TDMA) در شکل ١ نشان داده شده است .
پروتکلهاي MAC مبتني بر مذاکره از مذاکره بر اساس مکانيزم مشخص شده براي دسترسي به رسانه اشتراکي استفاده مي کنند. نمونه اي از اين نوع پروتکل CSMA مي باشد. در پروتکل CSMA.CA،CA براي اجتناب از تصادم مي باشد. اين پروتکل بوسيله IEEE ٨٠٢.١١ براي شبکه هاي محلي بي سيم سازگار شده است [٦]. در اين نوع پروتکل از توالي بسته هاي RTS.CTS.DATA.ACK استفاده مي شود که در شکل ٢ نشان داده شده است .
بخاطر خصوصيات منحصربه فرد شبکه هاي سنسوري نياز به تجديد نظر در تکنيکهاي MAC رايج وجود دارد. اولا، پروتکلهاي MAC سنتي براي شبکه هاي تک گامه (Single-hop) طراحي شده اند و مناسب ارتباطات چند گامه نمي باشند. دوما، يکي از فاکتورهاي مهم در شبکه هاي سنسوري مصرف انرژي مي باشد که در پروتکلهاي MAC سنتي فاکتور انرژي در طراحي آنها در نظر گرفته نشده است . سوما، يک شبکه سنسوري از صدها و يا هزاران گره سنسوري تشکيل شده است و چينش آنها از پيش مشخص شده نيست ، در نتيجه ، پروتکل MAC نياز دارد که بصورت خود سازمانده ، شبکه را شکل دهد.
به خاطر محدوديتهاي انرژي در گره هاي سنسوري کارايي انرژي يکي از اهداف اصلي براي طراحي پروتکل MAC در شبکه هاي سنسوري مي باشد. برخي از منابع اتلاف انرژي براي پروتکلهاي MAC مبتني بر مذاکره CSMA گوش دادن بي کار ( Idle listening)، تصادم ، استراق سمع (Overhearing)، سربار پروتکل و تغييرات ترافيک مي باشد [٥].
در طراحي پروتکل MAC براي شبکه هاي سنسوري يکي از مواردي که بايد در نظر گرفته شود راه کارهاي مقابله با منابع اتلاف انرژي مي باشد. برخي از فاکتورهاي مهمي که نياز دارد در نظر گرفته شود[٤] عبارتند از اجتناب موثر از برخورد، مقياس پذيري و انطباق ، بهره وري کارآمد از کانال ، تاخير، توان عملياتي (Throughput) و عدالت (Fairness).
براي طراحي پروتکلهاي MAC تحقيقات زيادي انجام شده و پروتکلهاي متعددي طراحي شده از ان جمله مي توان به S-MAC [٤]، MCSMAC [٢]، CL-MAC [٧] و COSMIC [٩] اشاره کرد. همچنين فعاليتهايي نيز براي ارزيابي اين پروتکلها براي کاربردهاي مختلف به عمل آمده است [٥,٨,١٠,١١] که مي توان از آنها براي انتخاب پروتکل مناسب براي کاربرد خود استفاده کرد.
٢. مروري بر MCSMAC
MCSMAC [٢] پروتکل MACي مي باشد که براي شبکه هاي سنسوري بي سيم طراحي شده است . اين پروتکل از نوع پروتکلهاي مبتني بر مذاکره مي باشد. طراحي اين پروتکل بر مبناي S-MAC [٤] انجام شده است . اين پروتکل سعي دارد موارد هدر دهنده انرژي را که در بخش قبلي مطرح شده است ، کاهش دهد.
بخشهاي بعدي روشهايي را توضيح مي دهد که با استفاده از آنها MCSMAC سعي کرده است موارد هدر دهنده انرژي را در گره هاي سنسوري کاهش دهد.
٢-١- گوش دادن و خوابيدن دوره اي
در گره هاي سنسوري عمده منابع مصرف کننده انرژي پردازش ، حس کردن و ارتباط بي سيم مي باشد. از اين ميان ارتباط بي سيم مصرف انرژي بيشتري دارد. از اين رو يکي از عمده منابع هدر دهنده انرژي راديوي گره ها مي باشد[٤]، بويژه زماني که بيکار مي باشد و هيچ عملي را انجام نمي دهد. راه حلي که براي اين مسئله وجود دارد خاموش کردن راديو در مواقع غير ضروري مي باشد. در MCSMAC به منظور کاهش مصرف انرژي در مواقع بي کاري راديو خاموش خواهد شد و گره سنسوري در حالت sleep قرار خواهد گرفت . اين کار بر اساس برنامه زمانبندي شده انجام مي شود. شکل شماره ٣ اين تغيير حالتهاي گره هاي سنسوري که بصورت دوره اي و بر اساس برنامه زمانبندي شده انجام مي شود نشان مي دهد.
سيکل کامل گوش دادن و خوابيدن يک فريم مي ناميده مي شود. نسبت بازه گوش دادن به طول فريم سيکل کاري گره مي باشد. بازة خوابيدن مي تواند در کاربردهاي مختلف متفاوت بوده و تغيير نمايد، که در حقيقت سيکل کاري را تغيير مي دهد.
چون در حالت خواب راديو کاملا خاموش مي باشد به همين دليل امکان هيچگونه ارتباطي وجود نخواهد داشت و گره از تمام ارتباطات ممکن نيز بي اطلاع خواهد بود، و فقط در حالت بيداري امکان تبادل را خواهد داشت . مسئله ديگر اين است که گره ي که مي خواهد به گره ديگر اطلاعاتي را ارسال کند نمي داند که گره مقصد در چه حالت قرار دارد. ممکن است هنگام خواب بودن مقصد، مبدا بيدار و همگام بيدار بودن مبدا، مقصد در خواب باشد. در چنين وضعيتي امکان هيچگونه ارتباطي وجود نخواهد داشت . براي حل اين مشکل بايد تمام گره هاي بازه هاي خواب و بيداري خود را با همديگر هماهنگ نمايند. اين عمل در بازه سنکرون سازي انجام مي شود. در [٢]
نحوه هماهنگ سازي بصورت کامل توضيح داده شده است .
تمام گره ها براي انتخاب زمانبندي هاي خواب .بيداري خود آزاد هستند. گره ها زمانبندي هاي خود را به وسيله همه پخشي دوره اي بسته SYNC با همسايه هاي مستقيم مبادله مي کنند. بازه اي که يک گره بسته SYNC را مي فرستد، بازه سنکرون سازي ناميده مي شود.
درست است که اين کار مصرف انرژي را کاهش خواهد داد اما از طرف ديگر به خاطر خوابيدن دوره اي تاخير افزايش مي يابد. در [٤] از مکانيزمي با نام adaptive listening براي کاهش اين تاخير در S-MAC توضيح داده شده است که چنين مکانيزمي نيز براي MCSMAC نيز قابل استفاده شده مي باشد.
٢-٢- اجتناب از تصادم
اگر چندين گره همسايه موقعي که شروع به گوش دادن مي کنند بخواهند شروع به ارسال کنند، در چنين حالتي تصادم ايجاد خواهد شد و بسته هاي ارسالي از بين مي روند، اين حالت يکي از موارد اتلاف کننده انرژي مي باشد. در اين حالت گره ها نياز خواهند داشت براي رسانه رقابت کنند. پروتکلهاي مبتني بر رقابتي مانند، ٨٠٢.١١ IEEE ،S-MAC و MCSMAC روش مشابهي [٢,٤,٦] را در اجتناب از تصادم دارند. اين پروتکلها حس کردن حامل مجازي و فيزيکي ، و مبادلة RTS.CTS را براي مسئله ترمينال مخفي بکار گرفته اند. در اين پروتکلها از توالي بسته هاي RTS.CTS.DATA.ACK براي ارسال داده استفاده مي شود.
