بخشی از مقاله
چکیده
امروزه شبکههای حسگر در کاربردهای زیادی مانند کنترل ترافیک شهری، مراقبت از بیماران و نظارت بر محیط استفاده میشود. در بسیاری از این کاربردها یک نود حسگر، دادههای متنوعی را منتقل مینمایند. ممکن است سطح اهمیت این دادهها متفاوت باشد و لذا شبکه حسگر باید برای ارسال دادههای بااهمیت بیشتر منابع بیشتری را هزینه کند. در این نوع از شبکهها میتوانیم سطوح مختلف کیفیت سرویس را برای ترافیکهای مختلف تعریف و یک کلاس ترافیکی به هر یک اختصاص دهیم.
تعداد کلاسهای ترافیکی وابسته به کاربرد است. در این مقاله یک روش جهت کنترل ازدحام با استفاده از منطق فازی در شبکههای حسگر بیسیم ارائهشده است. در این روش بهمنظور جلوگیری از ازدحام و استفاده بهتر از پهنای باند، ابتدا تنظیم نرخ فرزندان با توجه به اولویت آنها انجام میشود. سپس با استفاده از یک زمانبند وزندار مبتنی بر کلاس فازی، از ازدحام در هر یک از صفهای یک گره جلوگیری میشود. بدین منظور در خروجی صفها یک زمانبند صف عادلانه وزندار مبتنی بر کلاس - CBWFQ - استفاده میشود که در هرلحظه با استفاده از یک کنترلکننده فازی پهنای باند اختصاص دادهشده به هر کلاس را تعیین میکند.
.1 مقدمه
پیشرفتهای اخیر در ساخت مدارات مجتمع کمتوان در اندازههای کوچک از یکسو و توسعه فناوریهای ارتباطات بیسیم از سوی دیگر زمینهساز استفاده از شبکههای حسگر بیسیم در کاربردهای زیادی شده است. شبکههای حسگر بیسیم متشکل از حسگرهای کوچک و کمهزینهای هستند که بهصورت تصادفی در محیط موردنظر پخش میشوند تا دادههای متنوعی را از قبیل داده، صوت، تصویر و چندرسانهای را از محیط جمعآوری و پس از پردازشی محدود به گره مرکزی ارسال کنند.
شبکههای حسگر در کاربردهای زیادی مورد استفاده قرار میگیرند که هر یک از این کاربردها نیازمندیهای کیفیت سرویس مختلفی از قبیل نیاز به پهنای باند بالا، تأخیر کم و اتلاف کم دارند. لذا شبکه حسگر باید برای ارسال دادههای بااهمیت بیشتر، منابع بیشتری را هزینه کند. بنابراین طراحی یک سیستم که بتواند علاوه بر تأمین نیازمندیهای اینگونه دادهها، ازدحام را نیز در شبکه کنترل کند، کار سادهای نیست. علاوه بر آن محدودیت انرژی در گرههای حسگر مسئله مهمی است که باید در طراحی پروتکل در نظر گرفته شود. دو نوع ازدحام ممکن است در شبکه رخ دهد.
ازدحام در سطح گره که در اثر سرریز بافر در گره رخ میدهد و باعث از دست رفتن بستهها و افزایش تأخیر صف میشود. ایننوع ازدحام معمولاً در گرههای نزدیک به گره مقصد بیشتر است. در شبکههای حسگر بیسیم که کانالهای بیسیم بین چند گره به اشتراک گذاشته میشود، احتمال برخورد در حین تخصیص کانال بیسیم بین چند فرستنده بهصورت همزمان وجود دارد که باعث ازدحام در سطح لینک میگردد و منجر به افزایش زمان سرویسدهی بسته و پایین آمدن بهرهوری کانال میشود. یکی از دلایل بروز ازدحام عدم هماهنگی و تناسب بین نرخ ارسال بستهها در فرستنده و منابع شبکه - ظرفیت بافرهای میانی و سرعت گرههای میانی و گیرنده در انتقال و پردازش اطلاعات - است.
بروز ازدحام در شبکه باعث افزایش طول صف در گرههای میانی و درنتیجه افزایش اتلاف بستهها و تأخیر انتها به انتها و کاهش بهرهوری شبکه میگردد. برای کنترل ازدحام، یا باید نرخ ارسال فرستندهها کم شود - کنترل ترافیک - و یا باید منابع در دسترس بیشتر شود - کنترل منبع - .[3] در این مقاله الگوریتم کنترل ازدحامی ارائهشده است که با در نظر گرفتن کلاسهای مختلف ترافیکی و تغییر الگوی خروج بستهها از صف با استفاده از کنترلکننده فازی، فاکتورهای کیفیت سرویس - قابلیت گذردهی ، تأخیر و بستههای ازدسترفته - را تا حد خوبی بهبود میدهد.کنترل ازدحام عموماً از وظایف لایه انتقال میباشدو معمولاً بهصورت انتها به انتها و یا پرش به پرش انجام میشود.
برای کنترل ازدحام پروتکلهای مختلفی ارائهشده است که تفاوت آنها در نحوه تشخیص ازدحام، اعلام ازدحام و یا مکانیسمهای کنترل ازدحام میباشد.[4] ازاینرو در ادامه، این پروتکلها را در سه دستهبندی فوق با یکدیگر مقایسه خواهیم کرد.
ادامه این مقاله به شرح ذیل سازماندهی شده است. در بخش دوم مروری بر کارهای گذشته انجامشده و تعدادی از پروتکلهای کنترل ازدحام بهطور مختصر بررسیشدهاند. در بخش سوم پروتکل پیشنهادی ارائهشده است. نتایج شبیهسازی و ارزیابی در بخش چهارم بیانشده و در بخش پنجم نتیجهگیری ارائه گردیده است.
.2کارهای مرتبط
هر گره برای اندازهگیری سطح ازدحام میتواند معیاری را بر اساس پارامترهای مختلف مثل طول صف، نرخ اتلاف، بار کانال و ... محاسبه کند. برای مثال در[6 ,5] از طول صف و در[7] از نرخ اتلاف بسته برای تشخیص ازدحام استفادهشده است. بههرحال اگر کانال بیسیم به دلیل نوع پروتکل MAC دارای قابلیت ارسال مجدد نباشد و یا شرایط کانال ناپایدار باشد، حتی باوجود بیشتر بودن نرخ ترافیک ورودی به گره از نرخ ترافیک خروجی از گره، بازهم طول صف به دلیل تصادم کم باقی میماند و به این دلیل طول صف و یا میزان اتلاف بستهها بهتنهایی نمیتوانند پارامترهای مناسبی باشند.
در این قسمت تعدادی از پروتکلهای کنترل ازدحام توضیح داده میشوند:
پروتکل[4]PCCP تلاش میکند ضمن تضمین عدالت وزندار باعث کاهش از دست دادن بسته شود. این پروتکل برای اندازهگیری ازدحام در هر گره از نسبت زمان بین سرویسدهی بستهها به زمان بین ورود آنها استفاده میکند. در این روش برای اعلام ازدحام بصورت ضمنی، اطلاعات ازدحام در سرآیند بستههای داده قرارگرفته و به سمت مقصد ارسال میشوند. با توجه به فضای بیسیم همسایههای پشت سر گره نیز بسته را دریافت و از اطلاعات ازدحام آن استفاده میکنند.
در این پروتکل اگر سرعت ارسال داده در یک گره کاهش یابد، درجه ازدحام در گره کاهش مییابد. در این وضعیت برای جلوگیری از کاهش بهرهوری شبکه نرخ سرویسدهی گرههای همسایه افزایش مییابد. همچنین اگر سرعت ارسال داده یکی از گرهها افزایش یابد، درجه ازدحام افزایش یافته و در این صورت گرههای همسایه باید نرخ ارسال خود را کاهش دهند.
در روش [8]LACAS یک اتوماتا در هر گره قرار داده میشود که قابلیت یادگیری داشته و طوری برنامهریزی میشود که نرخ بهینه جریان بستهها را بر اساس تعداد بستههای حذفشده مشخص کند.
آنچه قابلتوجه است این است که فقط نودهای میانی، اتوماتای خود را وادار به کنترل محلی ازدحام برای آن گره مینمایند. بدینوسیله روش از پیش تعیینشدهای در کنترل نرخ جریان بستهها استفاده میشود و ازاینرو کارایی کلی شبکه بهبود پیدا میکند . بااینوجود عدم کاهش نرخ ارسال فرستنده توسط گرههای میانی باعث میشود که اگر شبکه دچار ازدحام شود آنگاه طول صف در گرههای میانی افزایشیافته و اتلاف بسته نیز زیاد میشود. در چنین شرایطی نیاز به تغییر مسیر، توزیع بار یا کاهش نرخ ارسال فرستنده هاست.
در [9] یک روش مبتنی بر اولویت برای سرویسهای متمایز و کنترل ازدحام در شبکههای حسگر بیسیم چندرسانهای بیان شده است. کلاسبندی ترافیک شبکه به ما این امکان را میدهد تا از جنبههای کیفیت سرویس استفاده نماییم. در این پروتکل به ازای هر کلاس ترافیکی یک بافر در نظر گرفته میشود. هر نود میانی حداکثر نرخ انتقال برای هر فرزند را مشخص میکند و هر نود فرزند این عمل را برای فرزندان خود ادامه میدهد تا درنهایت حداکثر نرخ ارسال تمام نودها مشخص شود. درنهایت واحد اعلام ازدحام نرخ جدید را به اطلاع تمام نودها میرساند. تنظیم نرخ بر اساس اولویت و بهصورت پرش به پرش میباشد. درصورتیکه در شبکه ازدحام بوجود آید اعلام ازدحام بهصورت ضمنی انجام میگیرد. درنهایت کارایی این پروتکل با دو زمانبند اولویتدار PQ و WRR ارزیابی میشود.
پروتکل [10]ECODAیک روش جلوگیری از ازدحام برای کلاسهای مختلف ترافیکی میباشد. در ECODA برای تشخیص ازدحام از دو آستانه در بافر و همچنین تفاضل بافر وزندار استفادهشده است. با توجه به این دو آستانه، بافر برای پذیرش و یا رد بستهها سه حالت پذیرش، فیلتر و رد را روی بستههای رسیده اعمال میکند. اولویت پویا در این روش با توجه به اولویت ثابت بسته، تأخیر بسته از زمان تولید تا زمان حال و تعداد پرشها تا گره مقصد تعریف میشود. در خروجی هر گره نیز از یک زمانبند صف قابلانعطاف استفاده میکند که بهطور پویا بسته بعدی را برای ارسال انتخاب مینماید. مشابه سایر پروتکلهای موجود با دریافت پیام backpressure نرخ ارسال در آن به روش AIMD تنظیم میشود.
