بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله الگوریتم DAlPaS به منظور کنترل ازدحام در شبکه های حسگر بیسیم مورد مطالعه قرار گرفته و الگوریتم جدید F-DAlPaS مبتنی بر سیستم فازی در مرحله ایجاد مسیر جایگزین ارائه شده است. DAlPaS یک الگوریتم کنترل و جلوگیری از ازدحام به روش کنترل منبع می باشد که در وضعیت ازدحام یک مسیر جایگزین را انتخاب نموده و تعدادی از پارامترهای اصلی کارایی را در نظر می گیرد. چون نحوه قرارگیری گره ها در شبکه و به عبارت دیگر شکل گیری اولیه شبکه تاثیر زیادی بر ازدحام شبکه دارد، در چهار حالت قرارگیری قطعی - - Grid ، قرارگیری نیمه قطعی - Biased Random - ، انتشار ساده و انتشار تصادفی به بررسی الگوریتم DAlPaS خواهیم پرداخت.
همچنین تأثیر مناسب روش پیشنهادی این مقاله، F-DAlPaS، در معیارهای مهم شبکه چون انرژی باقیمانده کل شبکه، میانگین تاخیر انتها به انتها، نرخ تحویل بسته ها، بار نرمال مسیریابی، تعداد بسته های از دست رفته در مقایسه با روش پایه، DAlPaS، مشاهده شده است. به طور مشخص با بکارگیری روش پیشنهادی، با توجه به نوع پارامتر، از 5 تا 60 درصد بهبود کیفیت حاصل می گردد که دلیل آن را می توان در بهینه سازی های صورت گرفته در مرحله راه اندازی اولیه شبکه و نیز نحوه فعالیت گره ها در شبکه عنوان نمود.
.1 مقدمه
شبکه حسگر بیسیم شامل تعداد زیادی گره حسگر است که به منظور رصد پارامترهای محیط توزیع شدهاند. اندازه این گرهها بوسیله شرایط محیط توزیع آنها محدود می شود. دادههای جمع آوری شده توسط این گرهها به گره خاصی به نام سینک و به صورت گام به گام ارسال می شوند. سپس، گره سینک داده های بدست آمده را برای کاربران با کمک اینترنت و یا ماهواره، از طریق یک خروجی ارسال می نماید.
بسته به فاصله بین کاربر و شبکه ممکن است نیازی به گیت کنترلی نداشته باشیم. با ادغام مزایای ارتباط بیسیم با برخی قابلیتهای محاسباتی، شبکه حسگر بیسیم برای کاربردهای متنوعی نسبت به شبکههای قدیمی به کار میرود. شبکههای حسگر بیسیم اساساً برای رصد محیط فیزیکی، مدیریت انبار، سلامتی و درمان، پایش، رصد حوادث، رصد ساختاریافته، نظامی، صنعت، معماری، منازل، رصد ترافیک و غیره به کار می روند. برای مثال، هر گره حسگر می تواند فقط محدوده خود را رصد نموده و داده ها را به گره مقصد ارسال نماید که این امر در شکل 1 نشان داده شده است، همچنین در برخی موارد گره مبدأ* با ارسال یک پرس و جو به گرههای حسگر درخواست داده می نماید.
شکل :1 ارسال گره در یک شبکه حسگر بیسیم
شبکه حسگر شبکهای متشکل از تعداد زیادی گره کوچک است که در هر گره تعدادی حسگر وجود دارد. این شبکه به شدت با محیط فیزیکی تعامل داشته و از طریق حسگرها اطلاعات محیط را دریافت می کند. ارتباط بین گرهها به صورت بیسیم است. هرگره به طور مستقل و بدون دخالت انسان کار می کند و نوعاً از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیتهایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و غیره میباشد.
این محدودیتها مشکلاتی را بوجود میآورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح شده در این زمینه است. معمولاً این گونه شبکهها به کمک یک یا چند سینک، اطلاعات گرهها را جمع آوری میکنند. این سینک که در اینجا آن را مقصد می نامیم، اطلاعات گرههای محلی خود را جمعآوری کرده و سپس به مقصدی دیگر میفرستد و در نهایت اطلاعات تجمیع شده گرهها به مقصد اصلی خواهد رسید. به این ترتیب گره ها به برد رادیویی کمتری نیاز خواهند داشت و تجمیع دادهها نیز به کاهش تعداد بستههای ارسالی کمک می کند.
شبکه حسگر بیسیم از تعداد زیادی گره حسگر تشکیل شده است که توانایی حس یک پدیده، تبدیل دادههای آنالوگ به دیجیتال و انتقال آنها به گره مقصد را دارد. به دلیل محدودیتهای شدید توان مصرفی، توانایی فعالیتهای مختلف آنها نظیر محدوده انتقال محدود میباشد. بنابراین برای انتقال دادهها از منبع به مبدأ، گرههای حسگر بیسیم از یک مسیر استفاده نموده و داده را به صورت گام به گام بین خود منتقل می نمایند. غالباً گرههای حسگر در نزدیکی منبع رویداد و سینک، به صورت افزونه مستقر هستند. شبکه حسگر بیسیم شامل یک مجموعه بزرگ از گرهها میباشد که ممکن است در یک منطقه گسترده جغرافیایی درونی یا بیرونی** گسترده شده باشند. این شبکهها قادر به سنجش رویدادهای متعدد و سرویسهای مانیتورینگ در مناطق با اهمیت می باشند مانند بخش تولید صنایع، ایمنی و امنیت در منازل، بحث ترافیک و نظارتهای محیطی.
الگوهای ترافیک در شبکههای حسگر بیسیم میتوانند از فرآیندهای فیزیکی که این شبکه حس مینماید مشتق شوند. این شبکها نوعاً تحت بار سبکی عمل مینمایند و به یک باره در پاسخ به یک رویداد شناسایی شده فعال میشوند. بسته به نوع کاربرد، این امر میتواند نتیجه یک تولید بزرگ و ناگهانی داده باشد که باید به تعداد محدودی از سینکها بدون تاثیر بر کارایی کاربرد حسگر، تحویل داده شود.
این تولید زیاد بستهای داده معمولاً کنترل شده نیست و اغلب منجر به ازدحام میشود. به طور کلی، شبکه حسگر بیسیم شامل دستگاههای اشتراکی کوچکی است - گره ها - که ممکن است از نظر قابلیت محاسباتی، فضای حافظه، پهنایباند ارتباطی و توان انرژی محدود باشد. در زمینه شبکه های حسگر بیسیم، گرههای مستقل ممکن است یک یا چند محیط را حس و یا پارامترهای فیزیکی را کنترل نمایند و یا با گرههای دیگر به منظور تبادل اطلاعات و یا هدایت دادهها به یک یا چند سینک تعامل داشته باشند. برای اطلاعات بیشتر به - اصغری، - 1392، - فرهنگ، - 1391 مراجعه کنید.
در این مقاله به منظور کنترل ازدحام در شبکه های حسگر بیسیم الگوریتم DAlPaS را مورد مطالعه قرار می دهیم. این الگوریتم برای کنترل و جلوگیری از ازدحام به روش کنترل منبع در شبکه می باشد که در وضعیت ازدحام یک مسیر جایگزین را با در نظر گرفتن پارامترهای اصلی کارایی شبکه در نظر می گیرد. ما در چهار حالت قرارگیری قطعی - Grid - ، قرارگیری نیمه قطعی - Biased Random - ، انتشار ساده و انتشار تصادفی گره ها به بررسی الگوریتم DAlPaS خواهیم پرداخت.
برای ارزیابی کارایی روش پیشنهادی مقایسه ای با دیگر الگوریتم های موجود به منظور به دست آوردن الگوریتمی مناسب برای استفاده در حالت های مختلف قرارگیری گره ها صورت گرفته است و تأثیر مناسب این روش در معیارهای مهم شبکه چون انرژی باقیمانده، تاخیر انتها به انتها و نرخ تحویل بسته ها مورد بررسی جزء به جزء قرار گرفته است. ساختار مقاله چنین است: در بخش 2 مروری بر تحقیقات گذشته انجام شده و در بخش 3 روش پیشنهادی الگوریتم F-DAlPaS ارائه می گردد. بخش 4 به شبیه سازی نتایجاختصاص یافته و نهایتاً در بخش 5 به نتیجه گیری خواهیم پرداخت.
.2 مروری بر تحقیقات انجام شده
در خصوص کنترل ازدحام در شبکههای حسگر بیسیم تحقیقات متنوع و زیادی انجام شده است. این مطالعات در راستای بهبود کارایی شبکه بر بهینه سازی پارامترهای مختلف تمرکز نموده اند.
· پروتکل LEACH
LEACH یک طرح دسته بندی است که در آن هر گره داده خود را به دسته مرتبط ارسال نموده و سپس داده به طور مستقیم به گره مقصد سینک ارسال میشود. این طرح شامل دو فاز راه اندازی و فاز وضعیت یکنواخت میباشد. در فاز اول، دسته بندیها شکل گرفته و سردسته مشخص میشود. در فاز دوم، داده به گره مقصد منتقل میشود. عیب این روش اتلاف انرژی آن است زیرا سردسته داده را به طور مستقیم به گره مقصد منتقل مینماید.
· طرح سلسله مراتبی
در این طرح از یک شبکه سلسله مراتبی رویداد محور استفاده شده است که در آن هر گره بستههایش را به وسیله سایر گرهها به سمت گره مقصد هدایت مینماید. گرهها به صورت خطوط متقاطع در فضای شبکه پخش شده و هر گره بستهها را تنها به فاصله یک گره از همسایگی خود منتقل مینماید. در این شبکه تنها یک مقصد وجود دارد. هر گره محدودهای برای حس کردن رویدادها به اندازه R متر و محدودهی ارتباطی 2R متر را دارا میباشد. در این مطالعه احتمال وقوع یک رویداد ثابت در شبکه که بوسیله گرههایی که در فاصله R متری رویداد قرار دارند در نظر گرفته شده است. این گرهها منبع نامیده میشوند و تلاش میکنند بسته های خود را به سمت گره مقصد ارسال نمایند. این روش به عنوان یک روش مطلوب و مناسب برای مسئله وقوع ازدحام مطرح شده است.
