بخشی از مقاله
چکیده
درون شبکه سیار بیسیم در هر گره احتمال رخ دادن ازدحام وجود دارد. مهمترین پارامتر برای کنترل ازدحام در شبکه استفاده بهینه از منابع در شبکه میباشد و اینکه بار اطلاعات در حال گذر را بر اساس ظرفیت لینکها به آنها داد. یکی از مهمترین مسائل در شبکههای بیسیم چند گامی، مسئله محدودیت شدید انرژی است بنابراین لحاظ نمودن الگوریتمهای ذخیره انرژی در طراحی پروتکل مسیر توازن بار برای سینک متحرک در شبکههای بیسیم چند گامی با عمر طولانی، امری حیاتی است.
در این تحقیق بر اساس الگوریتم DCDR عمل کرده ولی در لایه چهارم یک هوش برای انتخاب گره بهتر در نظر گرفته شده است. بر اساس تلفیق روش مسیریابی چند گامی PSO با مسیریابی فعال سینک ، الگوریتم PSO به صورت تصادفی میانگین طول صف در پورت های نودها را تخمین میزند که با تکرار الگوریتم مجموعه ای بهینه از گره ها بدست می آید. با توجه به تحقیق صورت گرفته، ایجاد توازن بار باعث مصرف بهینه انرژی و افزایش طول عمر شبکههای بیسیم چند گامی میشود. شبیهسازی توسط نرمافزار NS2 نسخه 2 .35 انجام گرفته است. الگوریتم پیشنهادی ما قدرت مسیریابی را افزایش داده و از هدر رفتن انرژی در درون شبکه جلوگیری به عمل اورده است.
- 1 مقدمه
پیشرفتهای اخیر در ساخت مدارهای مجتمع با اندازههای کوچک از یکسو و توسعه فناوری ارتباطات بیسیم از سوی دیگر زمینهساز طراحی شبکههای حسگر بیسیم میباشد. با توجه به الگوی جدید جمعآوری اطلاعات توسط شبکههای حسگر بی سیم این شبکهها در زمینههای مختلف از قبیل مراقبتهای پزشکی، کنترل محیط، گزارش بلایای طبیعی، سیستمهای نظامی، سیستمهای امنیتی، سیستمهای نظارت و کنترل ترافیک کاربرد دارند.[1]
ازآنجاکه کاربردهای مختلف در شبکههای حسگر بیسیم نیازمند برآورده سازی پارامترهای کیفی متفاوتی - مانند میزان تأخیر، میزان قابلیت اطمینان، میزان پهنای باند لازم و غیره - میباشند، ضروری است پروتکلهایی طراحی شوند که با توجه به مشکلاتش از ویژگیهای منحصربهفرد شبکههای حسگر بیسیم - مانند توان و پهنای باند محدود، ارتباطات غیرقابلاعتماد، آسیبپذیری نودهای و غیره - ، نیازمندیهای مربوط به کیفیت خدمات - QoS - را در این شبکهها در نظر بگیرند.[2] پروتکلهای مسیریابی مختلفی تاکنون برای شبکههای حسگر بیسیم طراحی شده است.[3]
بسیاری از این پروتکلها برای انتقال دادهها، تنها از یک مسیر بهینه استفاده میکنند. این مسیر بر اساس معیارهایی نظیر جهت انتقال دادهها، فاصله تا نود مقصد و سطح انرژی باقیمانده در هر نود، تعیین میشود. در این دسته از پروتکلها هنگامیکه یک مسیر اصلی بین نودهای منبع و مقصد شناسایی شد دادهها از طریق مسیر شناساییشده ارسال میشوند؛ اما استفادهی مداوم از یک مسیر باعث میشود انرژی نودهای موجود در آن مسیر سریعتر از سایر نودهای شبکه مصرف شود و در مدت کوتاهی دسترسی به نودهایی که در همسایگی نودهای مسیر اصلی قرارگرفتهاند امکانپذیر نباشد. بهاینترتیب شبکه به چند بخش مجزا تفکیکشده و ازآنپس کارایی لازم را نخواهد داشت.
در ضمن با توجه به پایین بودن قابلیت اطمینان کانالهای بیسیم، استفاده از یک مسیر منجر به کاهش قابلیت اطمینان در ارسال دادهها خواهد شد. بنابراین با توجه به موارد ذکرشده، پروتکلهای مسیریابی تک مسیری کارایی لازم را در شبکههای حسگر بیسیم نخواهند داشت. گروهی از پروتکلهای مسیریابی به نام مسیریابی چندگانه، کلاسی از الگوریتمهای مسیریابی را معرفی میکنند که به هر نود منبع اجازه میدهند برای ارسال دادهها چندین مسیر مختلف را به سمت نود مقصد شناسایی کند. با استفاده از این تکنیک میتوان ترافیک شبکه را با توجه به کیفیت هر مسیر، روی چندین مسیر تقسیم نمود.
بهاینترتیب از منابع سیستم به بهترین نحو استفادهشده و کیفیت خدمات لازم برای هر کاربرد نیز فراهم میشود. مسیریابی چندگانه برای اهداف متفاوتی - نظیر افزایش پهنای باند، کاهش تأخیر، کاهش ازدحام در شبکه، تحملپذیری در مقابل خرابیها و بهبود قابلیت اطمینان - در شبکههای مختلف بکار گرفتهشده است[4]؛ اما محدودیتهای موجود در شبکههای حسگر بیسیم نیازمندیهای جدیدی را در استفاده از این تکنیکها مطرح میکند.
2 -مسیر یابی چند گامی
مسیریابی چندگامی توجه زیادی را در سالهای اخیر به خود معطوف کرده است، چراکه یک مبدأ را برای ارسال همزمان پیامها به چندین مقصد قادر میسازد. تکنولوژیهای مخابرات بیسیمa و تجهیزات موبایل کاربردهای مهم و مفیدی از شبکههای MANET بسیار پیشرفته را تحقق بخشیده است. مسیریابی چندپخشی نقش حساسی را در انتقال اطلاعات همانند دادههای تصویری و دیگر دادههای جریانی بازی میکند.
MANET ها شبکههایی هستند بدون ساختار ثابت و متشکل از تعدادی گرههای سیار که توسط لینکهای بیسیم به هم متصل شدهاند. ازآنجاییکه دارای یک ساختار متمرکز نیست کنترل در بین نودهای سیار در شبکه توزیعشده است زیرا ارتباطات نودهای سیار با یکدیگر به همراه محدودیت پهنای باند، ظرفیت مشخص، خرابیهای مکرر و کانالهای ناامن وایرلس، لینکهای بیسیم ظرفیت مشخص کمتری نسبت به لینکهای سیمی دارند. همچنین میزان انرژی که میتواند توسط نودها حمل شود نیز محدودیت دارد؛ بنابراین این محدودیت انرژی باعث محدودیت در سرویس و کاربردهای پشتیبانی شونده توسط این نودها میشود - کاربردها را کاهش میدهد - بنابراین این محدودیتها نیازمند این است که ترافیک در سطح شبکه پخش شود.
توپولوژی MANET به خاطر حرکت و انرژی محدود نودها بسیار متغیر میباشد. گرهها در هرزمانی به شبکه میپیوندند و موقعیت خود را تغییر میدهند. پروتکلهای مسیریابی باید این تغییرات را بپذیرند و ارتباط بین گرهها را که به دلیل شکسته شدن لینکها توسط نودهای سیار قطع میشود، در هر ثانیه از زمان حفظ کنند. بسیاری از پروتکلهایی که برای مسیریابی MANET پیشبینیشده از مسیریابی تکی استفاده میکنند.
برای بالا بردن قابلیت اطمینان مسیریابی چند مسیری پیشنهاد شد. در مسیریابیهای تکی مسیرهای بین نودهای سیار بهراحتی شکسته میشوند که این عمل باعث لغو شدن انتقال و تأخیر در شبکه میشود که همچنین یک مسیریابی غیرقابلاطمینان را به وجود میآورد. همچنین مسیریابی تکی زمانی را صرف بازیابی مسیرهای شکسته شده میکند. برای برطرف شدن تمامی این محدودیتها مسیریابی چند مسیری بین یک مبدأ و مقصد مشخص پیشنهاد شد. همگی اینها نشان میدهد استفاده از مسیریابی چند مسیری نسبت به مسیریابی تکی در شبکههای ادهاک بازدهی بالاتری دارند.
تعادل بار و کنترل ازدحام از موارد بسیار ضروری برای بالا بردن کیفیت سرویس برای کاربردهای حساس به زمان هستند. مشکلات حمایت از کیفیت سرویس در محیط MANET، سیار بودن نودها، سربار مسیریابی و محدودیت عمر باطری است.[5]یک ویژگی مهم MANET عدم وجود زیرساختهای ثابت میباشد. ارتباط هر گره با گرههای دیگر بدون وجود هرگونه پیش زیرساختی میباشد.
تحرک، پهنای باند، محدودیت منابع، مشکلات ترمینالهای پنهان از مهمترین ویژگیهای طراحی پروتکلهای مسیریابی برای شبکه های MANET میباشند. همه گرهها در شبکههای MANET باقابلیتهای برابر مجهز شدهاند. یک پروتکل مسیریابی متحرک نیاز است برای لینکهای ارتباطی که ممکن است تعمیر یا شکسته شده باشند. پروتکلهای مسیریابی متحرک سربار بالایی دارند، ازآنجاییکه برای کشف مسیر نیاز به اعمال تغییرات دارد و در هنگام نیاز باید بتواند مسیر جدید را پیدا کند؛ که اینها کاملاً به شرایط شبکه وابسته است. بااینحال بهرهوری پروتکلهای مسیریابی بهطور غیرمستقیم به پروتکلهای mac پاسخ میدهند.[6]
- -1 2 پروتکل های مسیریابی مبتنی بر پایداری لینک
تحلیل پروتکل های جاری به ما اجازه داده تا فعالیت های قبلی را که بر روی پروتکل های مسیریابی مبتنی بر پایداری لینک متمرکز بودند، به دو کلاس تقسیم کنیم: پروتکل های مبتنی بر فاصله و پروتکل های مبتنی بر پویایی گره ها. عمده ی این پروتکل ها، پایداری لینک را بر مبنای موقعیت جغرافیایی گره ها ارزیابی می کنند که این کار باعث کاهش قطعی های مسیر و تضمین سایر نیازمندیهای QoS مانند نرخ تحویل بسته میشود[7]
- -2 2 پروتکل های مبتنی بر فاصله
در این بخش، رویکردی را بر روی فعالیت های صورت گرفته تاکنون ارائه داده و کلاس پروتکل های مبتنی بر فاصله را دسته بندی می کنیم. فاصله ی بین گرهها عموماً با استفاده از سیستم های محلی سازی و بر مبنای قدرت سیگنال پیام محاوره شده بین گره ها محاسبه می شود. در[8]، مؤلفین پروتکل SSODb - قدرت سیگنال مبتنی بر تقاضا - را ارائه دادند. این پروتکل مسیرهای را بر اساس متریک قدرت سیگنال برقرار میسازد. پس از دریافت چندین پیام پاسخ به وسیله ی منبع، مسیری انتخاب شده که مقدار کمینه ی قدرت سیگنال آن، در مقایسه با مقدار کمینهی سایر مسیرها بیشترین می باشد.
مسیری که اجتماع پارامترهای لینک آن بیشتر از سایر مسیرها می باشد، به عنوان پایدارترین مسیر انتخاب خواهد شد. روش Tpb-se که توسط Zhu پیشنهاد شد[9]، یک حالت بهبودیافته ای از پروتکل کاوش مبتنی بر تیکت - TBP - می باشد. این پروتکل، مسیرها را بر اساس نیازمندی های کیفیت سرویس برقرار می سازد ولی پایداری آنها را در نظر نمیگیرد. به همین دلیل مؤلفین پروتکل TBP-SE را به پروتکل خود به عنوان متریک دیگری برای پایداری در انتخاب مسیر استفاده کرده اند.
این متریک مبتنی بر فاصله ی بین گره ها بوده و بهوسیلهی اطلاعات بهدستآمده توسط GPS یا کیفیت سیگنال محاسبه میشود. در Alicia - 2006 - ، مؤلفین روشی را بر مبنای قدرت سیگنال پیشنهاد دادند که پایداری لینک را ارزیابی می کرد. برای همین، این مؤلفین دو معیار را پیشنهاد دادند: اولین معیار که مسیری را انتخاب می کند که کمترین قدرت سیگنال را داشته که قدرت آن از سیگنال سایر مسیرها بیشتر است و دومین متریک نیز مسیری را بسته به تعداد هاپها ایجاد کرده و متریک اول را بر روی آن بررسی میکند.
Nityananda Sarma پروتکلی را بر مبنای قدرت سیگنال ارائه داد که به تخمین پایداری لینک می پردازد. وی پایداری لینک را به همراه سایر متریک های QoS در نظر گرفت تا پروتکل مسیریابی مبتنی بر پایداری لینک را به دست آورد. این مسیر که دارای بیشترین ارزش از پایداری لینک می باشد، با سایر مسیرها مقایسه شده و بهعنوان بهترین مسیر انتخاب میشود[7]
- -3 2 پروتکل های مبتنی بر پویایی گره ها ×
چندین پروتکل وجود داشته که پویایی گرهها را برای تخمین مقدار پایداری لینک ها مانند جهت حرکت گره ها، سرعت آنها و احتمال باقی ماندن آن ها برای مدتی مشخص به عنوان گره های مجاور در نظر می گیرد. مؤلفین Tarng - 2006 - متدی را برای محاسبه ی اینکه یک گره سیگنالی را از همسایه اش باقدرتی بیشتر از آستانه ی از پیش تعریف شده دریافت کند، ارائه داد.
اطلاعات پویایی گره ها به وسیله ی سیستم محلی سازی - gps - دریافت می شود. این پروتکل مشابه با Aodv بوده و فاز ایجاد مسیر در آن، بر مبنای پایداری لینک ها می باشد و نه تعداد هاپها. در Li - 2010 - ، مؤلفین پروتکلی را پیشنهاد دادند که در آن انتخاب مسیر بر اساس دو متریک صورت می گیرد: انرژی باقی مانده و قابلیت پویایی گره ها. به همین دلیل، آن ها فرمولی را ارائه دادند تا اجتماع وزنهای دو متریک را محاسبه سازد.
مؤلفین متریک انرژی باقیمانده را بهعنوان انرژی باقیمانده از گره تقسیم بر نرخ ترافیکی که از این گره عبور کرده است محاسبه میکنند. دومین متریک نیز به عنوان تفاوت تعداد گره های همسایه در زمان T و زمان T-F - T - تقسیم بر تعداد گره های همسایه در زمان T محاسبه می شود. مؤلفین پروتکل AOVD را برای حل مسئله ی پایداری مسیر و محدودیت های انرژی باقی مانده پیشنهاد دادند.
این تغییرات، بر روی انتشار RREQc محاسبه می شود. به منظور ارزیابی پایداری لینک، آنها از متد پیشنهاد شده توسط su - 2001 - استفاده کردند که بر مبنای سیستم GPS می باشد. پروتکل مبتنی بر پایداری لینک که در Lian - 2008 - پیشنهاد شد، هدف این بوده که اطمینان حاصل شود که اولاً پهنای باند مؤثری در اختیار داریم و دوماً تأخیر ایجاد شده بر روی مسیرهای انتخاب شده قابل قبول باشد.
طول عمر مسیرها به وسیله ی تابعی از بردارهای سرعت و موقعیت گرهها محاسبه می شودسه. شِما در al-akaidi - 2007 - پیشنهاد شده است تا مسیرهایی را به سمت موقعیت های جغرافیایی از گره ی مقصد و با استفاده از سیستم محلی سازی ایجاد کنددر. شِمای اول، انتشار پیام های RREQ فقط برای گره هایی محاسبه می شود که در همان جهت با گره ی مقصد می باشنددر. شِمای دوم، ناحیه انتشار از بسته های RREQ تقسیم بر هشت ناحیهی 45 درجهای می شود که در آن، گره ی منبع درخواست هایی را به هر گره در هر ناحیه ارسال می کند. در شمای آخر، پیام های RREQ فقط به موقعیت های جغرافیایی گرهی مقصد ارسال میشود.
3 -شبکه های حسگر بیسیم
شبکه حسگر شبکهای است متشکل از تعداد زیادی گره کوچک که در هر گره تعدادی حسگر وجود دارد. شبکه حسگر بهشدت با محیط فیزیکی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و واکنش نشان میدهد. ارتباط بین گرهها بهصورت بیسیم است. هر گره بهطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و ازلحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیتهایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و ... هست این محدودیتها مشکلاتی را به وجود میآورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است.
