تراکم در شبکه ی گیرنده ی وایرلس

چکیده

در شبکه های گیرنده ی وایرلس داده های بوجود آمده همواره یکسان نیستند. برخی از داده ها ممکن است مهم تر از سایر داه ها باشند و دارای اولویت های مختلفی هستند. به دلیل توسعه ی اندازه ها و سرعت رشد داده ها، تراکم به یک مشکل عمده در این شبکه ها تبدیل شده است. این تراکم باعث افت دلخواه بسته های داده می شود که توان عملیاتی شبکه را کاهش می دهد. در این مقاله ما در مورد پارامترهای مختلفی ( علل ریشه ای تراکم) بحث می کنیم که به ما کمک می کنند تا از بوجود آمدن تراکم در شبکه های گیرنده ی وایرلس جلوگیری کرده و در صورت بوجود آمدن تراکم آن را کنترل کنیم. پارامترها بررسی شده در این مقاله عبارتند از: سرعت جریان ورودی/خروجی( input/output flow rate)، دانسیته ی گره( node density)، توزیع نامتقان یا غیرخطی بار( non-linear or unbalanced distribution of load)، زمان سرویس دهی یا فرایند گره( processing/service time of node) و قابلیت اطمینان شبکه( reliability of network).

مقدمه

شبکه ی گیرنده ی وایرلس شامل یک میکروکنترولر کوچک است که به گیرنده هایی مجهز گشته است به نحوی که می تواند ارتباطات رادیویی برقرار کند. آنها در گستره ی وسیعی توزیع شده اند و داده های جمع شده را به یک یا تعداد زیادی گره انتقال می دهند. این گره ها سینک ( Sink) نامیده می شوند و همچنین آنها به حالت پایه نیز شناخته می شوند.
شبکه ی گیرنده ی وایرلس( WSN) یکی از زمینه های تحقیقاتی نوظهور است که سرویس های برگزیده ای مانند ممانعت کننده های فاجعه، نظارت بر محیط زیست، نظارت های پزشکی، نظارت های بوم شناسی، تجسس های نظامی، ردیابی های مربوط به کشف، لجستیک هوشمندانه و نظارت های سلامتی را ارائه می دهد. این شبکه ها انواع متنوعی از داد وستدهای ارتباطی از گزارشات دوره ای ساده گرفته تا انتقال حجم بالایی از داده ها در مواقع پیش بینی نشده را انجام می دهد از این رو کنترل این تراکم ها در شبکه ی گیرنده ی وایرلس یک حادثه ی نادر است. تراکم در شبکه های گیرنده ی وایرلس به دلایل زیر اتفاق می افتد:
1) تداخل کانال های رادیویی
2) دریافت پیوسته ی داده های حاصل از اتفاقات حادثه ی
شبکه های گیرنده ی وایرلس دارای برخی مشکلات هستند که باید آنها را رفع کرد برای مثال کنترل میزان مصرف انرژی، قابلیت اطمینان به داده های منتشر شده و امنیت. این مشکلات اغلب در یک یا چندین لایه ی بالا و پایین از لایه های کاربردی و فیزیکی اتفاق می افتد و می توان آنها را به طور مجزا در هر لایه ی متشابه و یا به طور مشترک در مقطع هر لایه مورد بررسی قرار داد. یکی از مشکلات مهم کنترل تراکم است. این مشکل ممکن است تنها در لایه ی انتقال اتفاق افتد ولی صرفه جویی در مصرف انرژی ممکن است به لایه ی فیزیکی، لایه ی لینک داده، لایه ی شبکه، و لایه های بالایی مربوط باشد. اخیرا بسیاری از محققین توجه خود را به پروتکل های لایه ای انتقال معطوف کردند که برای انتشار داده ای معتبر و صرفه جویی در مصرف انرژی WSNها مهم می باشد.
هنگامی که گیرنده ها بسته های داده ای بیشتر از فضای بافر خود را دریافت می کنند، تراکم پدید می آید که این تراکم باعث پدید آمدن مشکلات فراوانی می شود. در واقع بسته های اضافی می شوند تا انرژی مورد استفاده بوسیله ی گره های گیرنده ها تحلیل رود. و اگر بسته ی دیگری به حرکت در آید، هدر برود که این مسئله توان عملیاتی شبکه و انتشار داده ی معتبر را تقلیل می دهد. کنترل تراکم به مطالعه ی چگونگی بازیابی تراکم می پردازد. اجتناب از تراکم به مطالعه ی چگونگی جلوگیری از متراکم شدن می پردازد و از این رو ما باید پارامترهایی که به ما کمک می کنند تا از وقوع تراکم در شبکه های گیرنده ی وایرلس جلوگیری کنیم را مورد بررسی قرار دهیم. در واقع موضوع این مقاله نیز همین است.
بقیه ی این مقاله به صورت زیر سازمان دهی شده است:
ابتدا پروتکل های کنترل تراکم موجود را ارائه می دهد. بخش بعد پارامترهایی را ارائه کرده است که به ما کمک می کنند تا از وقوع تراکم جلوگیری کنیم. و در نهایت بخش آخر شامل خلاصه ای از کل مقاله است که در آن به کارهای دیگر نیز اشاره شده است.

کار وابسته

پروتکل های لایه ای انتقال زیادی وجود دارد که دلایل و عوامل تراکم را با انتقال داده ی معتبر در مبدأ ( از گره گیرنده به سینک) و در مقصد( از سینک به گره ی گیرنده) شبکه ی گیرنده ی وایرلس توصیف می کند.
ESRT یک روش سرهم پیوسته ( End-to-End) است که گارانتی قابلیت اطمینان را بوسیله ی تعدیل فرکانس گزارشات گیرنده می دهد. این روش قابلیت اطمینان را برای کاربردهایی که دارای بسته های تکی نیستند فراهم می کند. این روش می تواند فرکانس گزارش گیرنده را کنترل کند. ESRT برمیزان بافر محلی گره های گیرنده نظارت داردو اگر مقدار بسته از میزان بافر بیشتر باشد یک پیام به سینک ارسال می کند. اگر یک سینک بسته ای با پیام تراکم دریافت کند، این تراکم را پیش بینی کرده و سیگنالی کنترلی ارسال کرده و بدین وسیله تمام گره های منبعی را برای کاهش فراوانی گزارش هایشان( با توجه به برخی توابع) آگاه می سازد. ESRT دارای عیوب زیر است:1) ESRT فرکانس گزارشی تمام گیرنده ها را به یک اندازه تعدیل می کند. اما این ممکن است معقولانه تر باشد اگر این اندازه ها مختلف باشند زیرا هر گیرنده ای ممکن است توزیع مختلفی از تراکم داده ای را دریافت کند. 2) ESRT بافرض این استفاده می شود که از یک کانال با قدرت بالا استفاده شود که این مسئله بر روی انتقال داده های مداوم تأثیر می گذارد.3) ESRT عمدتا به عنوان یک روش قابل اطمینان و با مصرف انرژی کم در نظر گرفته می شود.
CODA( روش ردیابی و جلوگیری از تراکم) یک روش دیگر برای کنترل تراکم است که بازده انرژی بالایی دارد. این روش با سه مکانیزم انجام می شود:
1) ردیابی تراکم
2) مکانیزم فشار متقابل hop-by-hop حلقه باز
3) مکانیزم تنظیمی چند منبعی حلقه بسته
CODA تلاش می کند تا بوسیله ی نظارت بر روی میزان بافر اشغال شده در حال و بار کانال وایرلس، تراکم را ردیابی کند. در یک مکانیزم فشار متقابل hop-by-hop حلقه باز، اگر میزان اشغال بافر یا بار کانال وایرلس به یک حد آستانه برسد، این بدین معناست که تراکم اتفاق می افتد. این گره که تراکم را ردیابی کرده است سپس همسایه ی سرچشمه ی خود را آگاه می کند تا سرعتش را کاهش دهد. با استفاده از روش AIMD گره های همسایه ی سرچشمه شروع به کاهش سرعت خروجی هایشان می کنند. CODA سرعت یک چندمنبعی را بوسیله ی یک روش End-to-End حلقه بسته و به صوزت زیرتنظیم می کند: 1) وقتی یک گره گیرنده از سرعت تئوری خود فراتر می رود، آن یک علامت تنظیمی برای آن بسته از خود خارج می کند. 2) اگر بسته ی دریافتی توسط سینک دارای یک علامت تنظیمی باشد، سینک یک پیغام ACK به گره های گیرنده می فرستد تا آنها سرعت خود را کاهش دهند. و 3) اگر تراکم واضح گردد، سینک یک پیام کنترلی فوری ACK به گره های گیرنده می فرستد و به گونه ای آنها را آگاه می کند تا بتوانند سرعتشان را کاهش دهند. CODA دارای معایبی است. این معایب عبارتند از: 1) کنترل یک سویه ی از گیرنده به سینک. 2) این روش قابلیت اطمینان را در نظر نمی گیرد اما تراکم را کنترل می کند. 3) نتیجه ی بدست آمده دارای قابلیت اطمینان کمتری است( اگرچه مصرف انرژی آن پایین است) مخصوصا برای حالتی که منبع کم توان است و سرعت داده ها بالاست. 4) زمان تأخیر یا واکنش یک تنظیم چند منبعی حلقه بسته تحت شرایط تراکم سنگین افزایش می یابد زیرا پیام های ACK منتشر شده بوسیله ی سینک به احتمال زیادی در این زمان تلف می شوند.
آمیختگی( Fusion) شامل شه تکنیک کاهش تراکم است. این تکنیک ها به طور واضح به اطلاعات توپوگرافی تکیه ندارند، بلکه بر روی توپوگرافی های تک سینک و سه تایی تمرکز دارد. اولین تکنیک کنترل جریان hop-by-hop نامیده شده است. این تکنیک دو جزء دارد: ردیابی تراکم و کاهش تراکم. یک راه ساده برای کاهش تراکم بر پایه ی یک برآورد صفی از سنسور استوار است. کاهش تراکم مکانیزمی است که در آن گره ها در همسایه های رادیویی داده شده انتقال خود را قطع می کنند تا از ازدهام بیش از حد در گره ی hop بعدی جلوگیری کنند. هنگامی که یک گیرنده یک بسته متراکم را دریافت کرد، از مرکز خود یک پیغام تراکم دریافت می کند. از این رو ارسال داده را متوقف کرده تا مرکزش بتواند داده های متراکم را تحلیل کند. تکنیک دوم محدود کردن سرعت نامیده می شود که در آن دستگاه های سنجش عبور ومرور در شبکه قرار داده می وشوند تا مسائل نامناسب جلوگیری گردد. یک تمایل طبیعی وجود دارد برای شبکه وجود دارد تا اطلاعات عبور ومرور شبکه را به سینکی تحویل دهد که میزان ترافیک آن در شبکه بیشتر باشد. تکنیک سوم MAC دوره ای نامیده می شود که در آن ساخت به گونه ای است که گره های متراکم به کانال به صورت دوره ای دسترسی دارند.

سهم ما

آنالیز وتحلیل علل ریشه ای تراکم
سرعت جریان ورودی و خروجی
هر گره دارای بافر ورودی و خروجی مربوط به خود است. این بافر نیازمند آن است تا به صورت موقت بسته ی داده را در خود ذخیره کند( شکل 1 را ببینید). هنگامی که گره در حال پردازش بسته ی کنونی است، بسته ی بعدی برای پردازش آماده است. از این رو بافر نقش بسیر مهمی در ذخیره کردن بسته های موقت ( به صورت صف وار) دارد. این کار بوسیله ی استراتژی First in First out(FIFO) انجام میشود. زیرا بوسیله ی این استراتژی امکان از دست رفتن بسته کاهش می یابد.
بافر ورودی به گره در هنگام بسته های ورودی از گره قبلی به گره کنونی می رسند، کمک می کند. وقتی یک گره خاص پردازش بسته ای داده ی خود را کامل کند، این گره داده های پردازش شده را به بافر خروجی می فرستد. اگر سرعت ورود کم باشد، پس بافر ورودی با داده های کافی مطابقت پیدا کرده و بنابراین فرایند پردازش داده نیز همساز می شود. اگر زمان پردازش در حد خوبی باشد، پس بسته ها به صورت نرمال پردازش شده و به بافر خروجی انتقال داده می شوند. هنگامی که لینک آزاد باشد، بسته های بافرشده به لینک خروجی فرستاده می شوند.
هنگامی که سرعت جریان ورود بسته سریع تر گردد، وضعیت نامناسب می گردد. گره ممکن نیست در وضعیتی باشد که بسته های داده ای ورودی را با سرعتی بالاتر پردازش کند. از این رو در پردازش بسته ها تأخیر ایجاد می شود. این مسئله صف بندی در بافر را افزایش می دهد. اگر بافر پر باشد،سپس بسته های بعدی رسیده به گره از قلم می افتند یا ازدست می روند.این احتمال از دست رفتن این بسته ها بوسیله ی تابع Erlang B محاسبه می شود. این تابع به صورت زیر تعریف می شود:
که در آن B(E,m) احتمال گرفتگی مسیر است هنگامی که Erlang B عبور ومرور به به مقدار m کانال ها برسد
در همان زمان وقتی بسته ها در گره سریعتر از قبل پردازش شدند ولینک مشغول انتقال داده باشد، بافر خروجی تحت فشار قرار می گیرد. این وضعیت باعث پدید آمدن تراکم می شود. این مسئله همچنین فشار متقابل را افزایش می دهد.

دانسیته ی گره

وقتی نیازمندی های خاصی برای کاربرد نیاز باشد، بر اساس معیارهای طراحان شبکه شاخه هایی(clusters) طراحی می گردد. گره ها به حالت شاخه هایی در می آیند ( بسته به توپولوژِ انتخاب شده بر ای شاخه). این فرایند عموما لوکالیزاسیون نامیده می شود. استراتژی لوکالیزاسیون از کاربردی به کاربرد دیگر تغییر می کند. تعداد گره بر واحد شاخه یا واحد سطح را دانسیته ی گره می گویند(شکل 2).
دانسیته ی گره نقش بسیار مهمی در کنترل تراکم ایفا می کند. اگر شاخه دارای دانسیته ی گره کمتری باشد، پس احتمال یافتن گره همسایه کمتر است. این مسئله تنها به دلیل آن است که گره ها در فاصله ی بیشتری از همدیگر واقع شده اند. به عبارت دیگر اگر شاخه از لحاظ دانسیته متمرکز باشد، سپس احتمال یافتن گره همسایه بسیار زیاد است.
وقتی احتمال یافتن گره همسایه در یک شاخه ی دارای گره ها ی متراکم تر بیشتر شود، پس ارسال آسان تر گشته و می توان از هر روش ارسالی استفاده کرد. در مورد پایین تر یا بالاتر بودن دانسیته ی شاخه، ارسال کردن مشکل تر می شود. تا آنجا که هنگامی که گره ها در یک شاخه ی متراکم تر به همدیگر نزدیک تر شوند، اطلاع از انرژی یک مسئله ی مهم می شود. در این حالت گره ممکن است مقدار کمتری از انرژی را به گره همسایه انتقال دهد. از این رو انرژی کمتری مصرف می شود. در حالی که در شاخه های با دانسیته ی کمتر، گره ها باید به رادیوهای برقی قوی تری برای انتقال بسته های داده به مسافت های دورتر مجهز باشند، به دلیل افرایش دانسیته ی گره، عبور ومرور بطرف سینک یا سرشاخه افزایش می یابد که این مسئله باعث پدید آمدن تراکم در نزدیک سینک یا سرشاخه ها می گردد.

توزیع غیرخطی یا غیرمتقارن بار

اگر گره ها به گونه ای توزیع شده باشند که در همان شاخه نیز به صورت غیر خطی باشند، ممکن است توزیع نامتقارنی از بارها پدید آید. این وضعیت ممکن است باعث پدید آمدن عبور ومرور غیریکسان شود. در ناحیه ی با دانسیته ی کمتر، گره ها نیازمند رادیوهای با انرژی بالا برای انتقال بسته های داده به گره های همسایه ی دور هستند. به عبارت دیگر گره های با رادیوهای با ظرفیت انتقال کافی برای این اهداف مناسبند. این نوع از رادیوها در مصرف انرژی گره ها صرفه جویی می کنند.
این وضعیت غیریکسان در همان گره باعث ایجاد اختلاف هایی در طول عمر گره های شبکه می شود. گره در ناحیه ی با دانسیته ی کمتر دارای عمر مفید کمتری است و از این رو زودتر از گره های موجود در نواحی پردانسیته تر نابود می شود. این مسئله تنها به دلیل آن است که گره های موجود در نواحی پردانسیته تر نیازمند مقدار کمتری انرژی برای انتقال هستند. تا آنجا که پروتکل های ارسال در داخل شاخه اهمیت دارند. ما باید از پروتکل یکسان برای کل شاخه استفاده کنیم. اما به دلیل آرایش های غیر متقارن گره ها در شاخه با تنوع دانسیته ی گره، این مسئله مشکل است که کارایی یکسانی در نواحی مختلف شاخه بدست آوریم.

زمان پردازش/ سرویس دهی گره

قبل از آنکه به مقوله ی پردازش داده در گره بپردازیم، اول به نحوه ی پردازش داده در داخل گره می پردازیم. مسئولیت گره ها پردازش بسته ی داده است که در داخل بافر ورودی قرار دارد. براساس منطق ریاضی بسته ی موجود در بافر ورودی، این بسته محل خود را برای پردازش ترک می کند و به داخل محل پردازش می رود. بسته ی دیگر بسته می ماند تا برای انجام پردازش آماده باشد. بر اساس رویه، تجمع بوجود می آید. این کار ممکن است شامل توابعی از قبیل تابع میانگین، جمع کردن و غیره باشد. استراتژی ارسال برا اساس رویه ی شاخه یا شبکه ها تعیین می گردد. بسته ها سپس ذخیره می گردند. این کار نیازمند استراتژی مخابراتی معتبر hop-by-hop است. بسته های از دست رفته ممکن است از گره بعدی به گره قبلی فرا خوانده شود. در این زمان بسته ی ذخیره شده به گره بعدی فرستاده می شود. بسته در نهایت فشرده می شود و به بافر خروجی انتقال داده می شود. فرایند اشاره شده در بالا برای هر بسته که وارد می شود، اعمال می شود. هر بلوک در زنجیره نیازمند زمانی است تا بسته ی کنونی را پردازش کند. چالش اصلی در این مورد کاهش زمان سرویس دهی پردازش بسته است. زمان سرویس دهی به فرکانس عملیات پردازنده مورد استفاده در گره بستگی دارد. WSN دارای دو نوع جریان داده است. جریان داده ی مداوم و جریان داده ی گردنده ی اتفاقی . جریان ها ی داده ی مداوم به آرامی اتفاق می افتند. در جریان داده ی گردنده ی اتفاقی، بسته های داده باید دارای بالاترین ارجحیت باشند. این بسته ها باید در حداقل زمان به وضعیت پایه یا مقصد( سینک) برسند. در اینجا تأخیر پردازش نقشی مهم ایفا می کند(شکل 3).
اگر فرکانس عملیاتی افزایش یابد، سپس گرمای تولیدی توسط پردازش کننده بیشتر می شود. به عبارت دیگر انرژی برق گرفته شده از باطری افزایش می یابد زیرا برق مصرفی بوسیله ی پردازنده و سایر وسایل پیرامون آن بیشتر شده است. این افزایش مصرف برق، عمر مفید شبکه را در آن گره خاص کاهش می دهد. اگر گره داده را با زمان کمتری پردازش کند، عملکرد گره افزایش یافته و کارایی کلی شبکه افزوده می شود(شکل 4).

قابلیت اطمینان شبکه

گره گیرنده پارامترهای فیزیکی و محیطی را دریافت می کند و داده های مربوط به آنها از طریق سر شاخه را به سینک ارسال می کند. برخی اوقات گره ها در شاخه قرار می گیرند تا تنها اهداف را ارسال کنند، این گره ها گره ها ی زائد نامیده می شوند. این گره ها که از سینک دور هستند ممکن است نیازمند رادیوهای با قدرت بالا جهت انتقال داده به سینک یا سایر گره های همسایه هستند. گره های زائد دانسیته ی گره را در شاخه افزایش می دهند. همین طور که دانسیته ی گره در شاخه افزایش می یابد، کارایی ارسال افزایش می یابد. مصرف انرژی بهینه می شود و عمر مفید شبکه گره ها افزایش می یابد. اما عبور ومرور داده ( به سمت سینک)نیز افزایش می یابد و یک چنین وضعیتی باعث پدید آمدن راه های باریک در نزدیک سرهای شاخه یا سینک می شود.
همین طور که این گره ها به طور مداوم داده های مورد تأیید را به سینک ارسال می کنند، عمر مفید شبکه ی گره ها در نزدیکی سینک کاسته می شود. از این رو گره ها که در فاصله ی دورتری از سرههی شاخه یا سینک قرار دارند، عمر مفید بیشتری از گره های نزدیک به سرهای شاخه یا سینک دارند. در نهایت با استفاده از گره های زائد می توانیم قابلیت اطمینان شبکه را افزایش دهیم.

نتیجه گیری و کارهای دیگر

شبکه ی گیرنده ی وایرلس شامل آرایشی از گره های گیرنده ی بسیاری است که دارای محدودیت های منابعی زیادی هستند. این محدودیت ها ممکن است باعث تشکیل تراکم ها در شبکه شوند. پارامترهای تعریف شده در این مقاله برخی از عوامل ریشه ای بوجود آورنده ی این تراکم ها هستند. با نظارت بر روی جنبه های مختلف WSN ها مانند لوکالیزاسیون، توزیع عبور ومرور یا بار، زمان پردازش گره و غیره قادر هستیم تا قابلیت اطمینان شبکه را بال ببریم. ما در حال طراحی الگوریتم ها ی جلوگیری کننده و کنترل کننده ی تراکمی هستیم که بر اساس تجزیه و تحلیل پارامترهای گفته شده در بالا پایه گذاری شده اند.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.