بخشی از مقاله
چکیده
توسعه شبکههای حسگر بیسیم با دو چالش اساسی، یعنی کاهش هزینه مخابراتی و متعادل کردن مصرف انرژی مواجه است. حسگری فشرده راهکار مناسبی برای کاهش هزینه مخابراتی است. تکنیکی از حسگری فشرده تحت عنوان "حسگری فشردهی مکان- زمان" با استفادهی توام از همبستگی مکانی و زمانی قرائت حسگرها، میتواند نرخ فشردهسازی را افزایش دهد. حسگری فشردهی توزیع شده - DCS - روشی مبتنی بر تکنیک حسگری فشردهی مکان- زمان است که در آن، ساختار ماتریس اندازه - ماتریس سنجش - ، به صورت قطری- بلوکی است، که قطر آن شامل ماتریسهایی از اندازهی قرائتهای زمانی حسگرها است.
مشکل اساسی در DCS که ناشی از ساختار ماتریس اندازه میباشد، این است که DCS در شبکههایی که تجمیع داده در آنها به صورت چند جهشی است،نمیتواند مکانیزم متعادلی در مصرف انرژی داشته باشد. ما در این مقاله با تغییر ساختار ماتریس اندازه در DCS، روش بهبودیافتهای از DCS را برای شبکه حسگر بیسیم چند جهشی ارائه نمودیم کهمیتواند علاوه بر متعادل کردن مصرف انرژی، میزان مصرف انرژی را نیز به طور موثری کاهش دهد. بر اساس نتایج به دست آمده، روش پیشنهادی در مقایسه با DCS معمولی و نیز سایر تکنیکهای مبتنی بر حسگری فشردهی مکان- زمان، کارائی بهتری را در مصرف انرژی نشانمی دهد.
کلید واژه - حسگری فشرده، حسگری فشردهی مکان- زمان، حسگری فشردهی توزیع شده - DCS - ، شبکه حسگر بی سیم.
-1 مقدمه
شبکههای حسگر بیسیم امروزه کاربردهای مختلفی را در حوزه نظارت زیرساختها و طبیعت پیدا کردهاند .[1] از این رو میتوان انتظار داشت که تعداد حسگرها در شبکههای حسگربیسیم به صدها و هزارها حسگر برسد. در چنین شرایطی ارسال دادهها از طریق مسیرهای چندجهشی1 صورت خواهد گرفت. ایجاد موفق چنین شبکههای حسگر بزرگی با دو چالش اساسی مواجه است: کاهش هزینه مخابراتی و متعادل کردن بار در مصرف انرژی. نیاز به کاهش هزینه مخابراتی، به دلیل وجود حجم زیادی از داده هایی است که توسط صدها و هزارها حسگر تولید شده و به مقصد2 ارسال می شوند. از طرفی به دلیل ارسال دادهها در توپولوژی چندجهشی، نیاز به متعادل کردن مصرف انرژی در شبکه نیز ضرورت مییابد .[2]
تجمیع داده ها در شبکههای حسگر بیسیم، یکی از مهمترین روشهای کاهش مصرف انرژی در شبکه است. فشردهسازی که یکی از روشهای تجمیع داده است، راه کاری برای نیل به این هدف خواهد بود. اماروشهای مرسوم در فشردهسازی [3-5] معمولا نیاز به ارسال بیشتر بستههای داده دارند و پیچیدگی محاسباتی بالاتری را در گرهها بوجود میآورند .[2] از این رو امروزه حسگری فشرده3 به عنوان راهکاری برای تجمیع داده ها در شبکه حسگر مورد استفاده قرار میگیرد .[6] در اغلب تکنیکهای فشردهسازی مبتنی برحسگری فشرده، فقط از همبستگی مکانی4 قرائت حسگرها استفاده میشود.
اما به کار گیری حسگری فشرده بر مبنای حسگری مکان- زمان5 میتواند فشردهسازی در دو بعد مکان و زمان را به صورت توام محقق سازد. با توجه به اینکه قرائت حسگرها در یک شبکه حسگر بی سیم، می تواند هم از نظر زمانی و هم از نظر مکانی همبسته باشد، بنابراین فشردهسازی توام بر اساس همبستگیهای زمانی و مکانی میتواند نرخ فشردهسازی را افزایش دهد. شکل1 مفهوم همبستگی مکانی و زمانی را در حسگری فشردهی مکان- زمان نشان میدهد. پدیده های طبیعی اغلب نشاندهندهی قابلیت فشرده شدن در حوزههای زمان و مکان هستند.
در این مقاله ابتدا به بررسی تکنیک 6DCS که یک روش حسگری فشردهی مکان- زمان در شبکههای حسگر بیسیم است پرداخته و با تحلیل مصرف انرژی در این تکنیک نشان میدهیم که این تکنیک به دلیل هزینهی مخابراتی بالا در ارسال و دریافت دادهها و عدم تعادل مصرف انرژی در آن، موجب کاهش کارائی شبکه خواهد شد. سپس با تغییر ماتریس اندازه در تکنیک DCS و تحلیل مصرف انرژی نشان می دهیم که هزینه مخابراتی ارسال و دریافت دادهها بطور موثری کاهش یافته و مصرف انرژی در شبکه نیز متعادل میشود. همچنین، روش پیشنهادی را با سایر تکنیکهای حسگری فشردهی مبتنی بر حسگری مکان- زمان مقایسه کرده و نشان میدهیم که روش پیشنهادی، کارائی بهتری در خصوص مصرف انرژی خواهد داشت.
-2 کارهای مرتبط
بطور کلی حسگری فشرده در یک ساختار توزیع شدهای مانند شبکه حسگر بیسیم، بر مبنای سه تکنیک کلی پیادهسازی میشود. این تکنیکها عبارتند از: حسگری فشردهی بیسیم[7] 6 - CWS - ، تجمیع دادههای فشرده [8] 7 - CDG - و حسگری فشردهی توزیع شده .[9] 8 - DCS -
-1-2 تکنیک CWS
اگر X ، بردار سیگنال قرائت شدهی مکانی توسط حسگرهاو یک تبدیل پایهی مناسب باشد، در اینصورت پس از تبدیل بردار X در حوزهکه موجب تنک9 سازی سیگنال میشود،بردار،که یک سیگنال قرائت شدهی مکانی است، به دست خواهد آمد. اندازهی این بردار، برابر تعداد حسگرهای شبکه خواهد بود . همچنین اگر یک ماتریس اندازه10 - ماتریس سنجش - در تکنیک حسگری فشرده باشد، دراینصورت ماتریسی با m سطر و N ستون است که در آن N تعداد کل حسگرهای شبکه و m تعداد اندازهی مورد نیاز برای حصول حسگری فشرده خواهد بود. برای این منظور، m باید ازرابطهی: پیروی کند .[10] دراین رابطه C یک مقدار ثابت بزرگتر از یک ،kعدد تنکی و ضریب همدوسی بین ماتریس های پایهی تبدیل واندازه است.
ماتریس، شامل m برداری است که بطورتصادفی ازماتریس انتخاب شدهاند. حاصلضرب ماتریسی کههمان بردار اندازه است، نسبت به بردار طول کمتری خواهد داشت. نهایتا در مقصد، می توان بردار را از روی برداربدست آورد .[11] در CWS، سادهترین حالت، توپولوژی ستاره است. ماتریس دارای N ستون است که iامین ستون آن،متعلق به iامین حسگر است. هر حسگر، قرائتهای خود - - را در بردار ستونی متعلق به خودش که بخشی از ماتریس است، ضرب میکند. اگر مجموعه را در نظر بگیریمکه در آن مقدار قرائت شده توسط حسگر i و، iامین بردارماتریس است، در اینصورت هنگامی که همه حسگرهامحاسبات مربوط به ضرب بردار خود را انجام دادند، بردار آماده ی ارسال از هر حسگر میشود. به عنوان مثال، در حسگر nام، بردار به صورت تشکیل خواهد شد:
در نهایت اگر همه حسگرها، های خود را در یک زمان ارسال کنند، حاصلضرب ماتریسی در مقصد به وجود خواهد آمد:
این تحلیل را میتوان به توپولوژیهای دیگری مانند توپولوژی زنجیرهای نیز در این تکنیک تعمیم داد .[12]
-2-2 تکنیک CDG
پیاده سازی عملی مفهوم CWS اولین بار توسط Luo و همکاران مطرح شد .[2] پس از آن، در سال2010 نسخهی توسعه یافته ای از CWS برای شبکههای حسگر بیسیم بزرگ، تحت عنوان تکنیک CDG پیشنهاد شد .[8] این تکنیک قادر به تشخیص قرائتهای غیرنرمال در شبکه حسگر بی سیم نیز بود.
-3-2 تکنیک DCS
Wakin و همکاران [11] حسگری فشرده توزیع شده را با ارائه مدلی از شبکه حسگر بیسیم که در آن هر گره ارتباط مستقیم با مقصد برقرار میکرد، معرفی نمود. در DCS نه تنها همبستگی مکانی سیگنال توزیع شده مورد ملاحظه قرار می-گرفت، بلکه همبستگی زمانی در یک پریود زمانی معین نیز در نظر گرفته میشد. به این ترتیب برای نخستین بار، حسگری فشرده ی مکان- زمان با تکنیک DCS معرفی شد .[9] در DCS فرض براین است که دو مولفه در سیگنال مکان- زمان نقش دارند: مولفه اول، مولفه مشترکی است که توسط همه ی حسگرها قرائت میشود و مولفه دوم، مولفه ای است که هر یک از حسگرها منحصرا آن را قرائت میکنند، که البته میتواند تنک باشد. براساس این ساختار، سه مدل تحت عنوان مدلهای تنکی توام 11 - JSM - تعریف میشوند که به نام های JSM-1، JSM-2 و JSM-3 شناخته میشوند .[13]
در مدلJSM-1 همهی سیگنالهای زمانی، یک مولفه مشترک را که در حوزه قابل فشرده شدن است، به اشتراک میگذارند. در این حالت، هر حسگر میتواند یک مولفه اختصاصی تنک نیز داشته باشد. در مدل JSM-2 سیگنالهای قرائت شده توسط همه حسگرها با یک پایهی اورتونرمال ثابت تصویرسازی می شوند، اما ضرائب هر یک از مقادیر پایه برای هر یک از حسگرها متفاوت خواهد بود. مدل JSM-3 را میتوان به عنوان مدل منشعب شدهای از مدل JSM-1 در نظر گرفت. زیرا در این مدل نیازی به سیگنال مشترک تنک در حوزه نیست. در این مدل مقادیر اختصاصی تنک نیز وجود دارند.
اگر شبکه حسگر بیسیمی را در تکنیک DCS در نظر بگیریم که شامل n گره حسگر ثابت است، در اینصورت هر عضو از بردار - یعنی بردار داده های قرائت شده توسط حسگرهای شبکه - معرف مقداری است که توسط یک حسگر قرائت شده است.
به عبارت دیگر اگر نشان دهنده iامین عضو بردارباشد، آنگاه مقدار قرائت شده توسط حسگر iام خواهد بود. در سیگنالهای زمانی، هر حسگر، بطور معمول در هرt ثانیه، S بار نمونهبرداری میکند و بنابراین نرخ نمونهبرداری آن s/t نمونه در هر ثانیه خواهد بود. سیگنال گسستهی زمانی که توسط یک حسگر قرائت میشود، سیگنالی است که اندازهی آن S است و هر t ثانیه نیز تکرار می شود. این سیگنال به صورت بردار نشان داده میشود. نتیجه اینکه در یک شبکه حسگر بی سیم با n حسگر، s نمونه در هر واحد زمانی t قرائت میشود و بنابراین یک سیگنال مکان- زمانی تولید میگردد که به صورت بردار نشان داده میشود که در آناست.
اگر فقط نمونهبرداری مکانی انجام شود، N و n برابر هستند و اگر فقط نمونهبرداری زمانی مورد نظر باشد میتوان از N یا n برای نشان دادن اندازه سیگنال استفاده کرد. ماتریس اندازه در تکنیک مکان - زمان به روش DCS، یک ماتریس قطری- بلوکی12 است که قطر آن، شامل ماتریس هایی از اندازهی قرائتهای زمانی حسگرها است. به عبارت دیگر، در این تکنیک، iامین حسگر، نمونه را در هر واحد زمانی T قرائت کرده و بردار را بوجود میآورد. قرائتهای زمانی هر یک از حسگرها، یک چنین سیگنال زمانی گسستهای را بوجود آورده و همه آنها روی هم، یک بردار سیگنال مکان- زمان، به فرم زیر را به وجود خواهند آورد:طول این بردار خواهد شد - [.]TP عملگر ترانهاده است - . بر همین اساس، بردار اندازه متشکل از n زیربردار به صورت زیر خواهد بود:
