جمع‌ آوری کارآمد داده ها مبتنی بر تکه ابر (مقاله ترجمه شده)

چکیده

شبکه‌های بدون سیم بدن منطقه (WBANS) به‌عنوان راه‌حلی موثر برای طیف گسترده مراقبت‌های بهداشتی و برنامه‌های کاربردی نظامی و ورزشی توسعه‌یافته است. بسیاری از فعالیت‌ها جمع‌آوری داده‌های کارآمد را از طریق بررسی مدل‌های قدیمی و فردی WBANS انجام داده اند. محاسبات ابری مدل محاسباتی جدیدی است که به‌طور مداوم در حال گسترش و تحول می‌باشد. این مقاله به بحث درباره سیستم جمع‌آوری کارآمد داده‌ها مبتنی بر تکه ابر (cloudlet) در WBANS می‌پردازد. هدف داشتن مقیاسی بزرگ از داده‌های مشاهده‌شده از WBANS می‌باشد تا برای کاربر نهایی و یا شرکت ارائه‌دهنده خدمات قابل‌دسترس باشد. یکی از نمونه‌های اولیه WBANS که شامل ماشین مجازی (VM) و تکه ابر مجازی شده (VC) می‌باشد، ارائه گردیده تا ویژگی‌های جمع‌آوری کارآمد داده‌ها را در WBANS شبیه‌سازی نماید. با استفاده از این مدل اولیه، ما می‌توانیم یک منبع ذخیره با قابلیت افزایش کارایی را ارائه داده و زیرساخت‌های سیستم‌های WBANS را در مقیاسی بزرگ‌تر نمایش دهیم. این زیرساخت‌ها می‌توانند به نحو مؤثری حجم زیادی از داده‌های تولیدشده را با استفاده از سیستم WBANS مدیریت نمایند. این کار با استفاده از ذخیره‌سازی داده‌ها و انجام تحلیل بر روی آن‌ها انجام می‌گیرد. مدل ارائه‌شده به طور کامل پویایی سیستم‌های WBANS را با استفاده از تکنولوژی‌های ارتباطی مقرون‌به‌صرفه WIFI و سلولی (سلولار) مورد پشتیبانی قرار می‌دهد که خود این تکنولوژی‌ها توسط سیستم‌های WBANS و VC مورد پشتیبانی قرار می‌گیرند. این موضوع با بسیاری از راهکارهای بهداشت موبایل (استفاده از موبایل و دیگر وسایل بی‌سیم در مراقبت پزشکی) که به دلیل تکنولوژی ارتباطی پرهزینه دارای محدودیت می‌باشند، در تضاد است، تکنولوژی‌هایی مانند 3G و LTE. عملکرد این مدل ارائه‌شده اولیه با استفاده از نسخه توسعه‌یافته شبیه‌ساز کلودسیم مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. مشخص گردیده که میانگین مصرف برق و میزان تأخیر جمع‌آوری داده‌ها با افزایش تعداد VS ها و VC ها به طرز فوق‌العاده‌ای کاهش می‌یابد.

معرفی

شبکه‌های بیسیم بدن منطقه

شبکه‌های بیسیم بدن منطق (WBAN) متشکل از گروهی از گره‌های حسگر ارتباطی می‌باشد. این گره‌های حسگر می‌توانند نصب و یا پوشیده شوند و پارامترهای حیاتی بدن را مورد مشاهده قرار داده و اطلاعات بسیاری را درباره بدن جمع‌آوری نمایند. این دستگاه‌ها که با استفاده از تکنولوژی های بیسیم ارتباط برقرار می‌نمایند، می‌توانند داده‌ها را از بدن به مرکز پایگاه سیستم سلولی انتقال دهند. سپس داده ها بلادرنگ از این مکان به بیمارستان، درمانگاه و دیگر پایگاه‌های ارائه خدمات انتقال داده می شود. WBAN هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد و در حال حاضر درباره این موضوع به صورت گسترده مطالعاتی انجام می‌گیرد. وقتی این تکنولوژی موردپذیرش و کاربرد قرار گیرد، انتظار می‌رود تا اختراعات پیشرفته قابل ملاحظه‌ای در این زمینه صورت گیرند و ایده‌هایی همچون انجام معاینات و مراقبت‌های پزشکی از راه دور و نظارت بر سلامت از طریق دستگاه‌های تلفن همراه پدید آیند.

انتظار می‌رود که اپلیکیشن های اولیه WBANS ابتدا در حوزه بهداشت و درمان فعالیت خود را آغاز نمایند، به‌ویژه برای نظارت سالمندان و نظارت مداوم و ثبت پارامترهای حیاتی بیمارانی که از بیماری‌های مزمن رنج می برند، مانند، دیابت، سم و حملات قلبی. دیگر کاربردهای این تکنولوژی می تواند در حوزه‌های نظامی، بازی های رایانه‌ای، ورزش، محاسبات اجتماعی سرگرمی و امنیت باشد. گسترده شدن این تکنولوژی به سوی حوزه‌های جدید همچنین می تواند به ارتباط یکپارچه تبادل اطلاعات میان افراد و یا میان افراد و ماشین آلات کمک نماید.

فعالیت‌های مرتبط

جمع‌آوری اطلاعات مربوط به بدن می‌تواند از یک کاربر به کاربر دیگر و یا از چند کاربر به یک کاربر انجام گیرد که بستگی به هدف اپلیکیشن کاربردی دارد. اپلیکشن هایی مانند برنامه‌هایی که علائم حیاتی بیمار را بررسی می‌نمایند، به تمام حسگرهای نصبی نیاز دارند تا داده‌ها را به نود سینک (SINK NODE) انتقال دهند که این گره به‌نوبه خود اطلاعات را به صورت انتقال بیسیم به سروری خارج از بدن بیمار می‌فرستد.

اکتشافات مقدماتی

نمونه سیستم های اولیه WBAN

یک شبکه بیسیم بدن منطقه (WBAN) به وسیله قرار دادن گره های حسگر متعدد بر روی یک هدف انسانی ایجاد می شود. گره های حسگر برای جمع آوری اطلاعات درباره موارد مختلفی همچون، فشار خون، ضربان قلب، تعداد تنفس، دیابت، دمای بدن، رطوبت، EGG، تحرک، نزدیکی و مسیر مکان و غیره بیمار مورد استفاده قرار می گیرد. گره های حسگر می توانند بر روی بازوها، پیشانی، مچ دست، مچ پا، ران پا و دور کمر قرار گیرند، شکل 1 مکان های جاگذاری این حسگرها را به تصویر می کشد. حسگرهای پوشیدنی شامل 900 MHZ MICA2DOT MOTE با تراشه رادیویی SMARTRF CC100 ساخت شرکت چیپکون (CHIPCON.COM)؛ و کارت حسگرهایی MTS510 ساخت شرکت کراسبو می باشد (XBOW.COM). MICA2DOT MOTE از سیستم عامل TINYOS برای جمع آوری اطلاعات به روش های متفاوت استفاده می کند. یک باتری سلولی 570 میلی آمپری برای راه اندازی گره های MICA2DOT با وزن تقریبی 10 گرم مورد استفاده قرار می گیرد. از پروتکل CSMA و MCA با نرخ داده 19.2 استفاده می شود. به منظور صرفه جویی بیشتر در برق و اجرای سیستم به مدت طولانی تر، طیف انتقال نباید بر روی عددی بیشتر از 1M تنظیم شود. علاوه بر مصرف کمتر انرژی در انتقال، می توانیم از دخالت عوامل خارجی در WBANS های مختلف موجود در شبکه اجتناب کرده و همجنین با ایجاد رقابت حتی میزان مصرف انرژی گیرنده ها و فرستنده ها را بیشتر کاهش دهیم. حسگرهایی که با توپولوژی استار کار می کنند، هرکدام شرایط کیفی خود را به نود سینک ارسال می کنند. در این مرحله می توان داده های جمع آوری شده را به یک پکت واحد تبدیل نمود. سپس داده ادغام شده توسط بلوتوث به یک گوشی هوشمند و یا به یک دستیار دیجیتال شخصی (PDA) فرستاده می شود تا به وسیله اپلیکیشن های نظارتی WBAN مورد بررسی قرار گیرد.

فرمولاسیون (قاعده سازی) مدل WBAN مبتنی بر تکه ابر

این بخش ویژگی های مجموعه داده های مبتنی بر ابر در WBAN را به صورت تجربی ارائه می دهد.

مدل سیستم WBAN مبتنی بر تکه ابر

جمع آوری داده ها با WBANS های چندگانه به دلیل ارتباطات، ذخیره سازی و ملزومات پردازشی با حجم بالای داده، چالشی جدی را پیش روی ما قرار داده است، همانطور که ما در بخش یک در این باره صحبت نمودیم. وضعیت کنونی عاجز از ارائه روش هایی بوده است که بتواند چنین ملزوماتی را مدیریت نماید. جمع آوری داده های کاربران WBAN می تواند نیازمند تکنولوژی ارتباطی وسیع و پرهزینه ای باشد، تکنولوژی هایی مانند 3G و LTE. شکل 5 یک مرور کلی از سیستم جمع آوری داده های WBAN مبتنی بر تکه ابری را که ما ارائه داده ایم، به نمایش می کشد. این سیستم تشکیل شده است از مجموعه ای از WBANS. WBANS متشکل از کاربران چندگانه می باشد (هر کاربر با WBAN مجهز شده است، همانطور که در شکل 1 دیده می شود) که همانطور که در بخش 3 توضیح داده شد، می توانند داده های جمع آوری شده را به خارج از بدن ارسال نمایند. گروهی از کاربران WBAN می توانند به صورت مجازی در حواشی یک سرور تکه ابری خوشه بندی شوند که نشان دهده قابلیت محاسباتی ابری در مقیاس های کوچک می باشد. همانگونه که در بخش 3 توضیح داده شد، این قابلیت برای مدیریت کاربران WBAN در خوشه مخصوص به خودشان به میزان کافی وجود دارد. به منظور جلوگیری از تصادم نهاد های MAC-CSMA با پکت داده های WBAN، از پروتکل MAC مبتنی بر ادغام (POOLING-BASED MAC PROTOCOL) استفاده می شود. سیستم تکه ابری متشکل از مجموعه از سرور های فیزیکی با هسته های بسیار و حافظه ای با ظرفیت بسیار بالا می باشد. سرور تکه ابری مجهز به یک یا چند آنتن ارتباطی است که قابلیت های لایه ای فیزیکی مختلف را پشتیبانی می کند (برای مثال، WIFI و WIMAX). مهم ترین بخش سرور تکه ابری سیستم ذخیره سازی است. سیستم ذخیره سازی باید محیطی قابل رشد و قابل اطمینان را برای ذخیره سازی حجم عظیمی از داده ها را داشته باشد. سیستم های تکه ابری مختلف می توانند با استفاده از لینک های ارتباطی کابلی و یا بی سیم به همدیگر متصل شوند (برای مثال، WIMAX). به علاوه، سیستم تکه ابری می تواند با استفاده از لینک های ارتباطی کابلی و یا بی سیم مستقیما به ابر شرکتی متصل گردد. سیستم ابر شرکتی بخش مدیریتی و ذخیره سازی است که می تواند داده های مورد علاقه سازمان های مختلف را در اختیار آن ها قرار دهد. یکی دیگر از ویژگی های مهم سیستم تکه ابری، قابلیت ارتباط دوگانه میان بسیاری از کاربران WBAN می باشد. مضاف بر داشتن قابلیت دریافت داده از چندین کاربر، سیستم تکه ابری همچنین می تواند بر اساس سناریوی تعریف شده، با چندین کاربر ارتباط برقرار نماید.

نتایج آزمایش ها

در این بخش آزمایش های دیگری انجام گرفت تا تاثیر تعداد کاربران و VC های استفاده شده در منطقه تحت نظارت بر روی نتایج عملکرد، مورد بررسی قرار گیرد. از سوی دیگر، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، افزایش تعداد VC ها هزینه نظارت را نیز افزایش می دهد؛ بنابراین، هدف این بخش ارزیابی سیستم اولیه استفاده شده برای سناریوی های خاص در منطقه تحت ظارت، تعداد کاربران، تعداد VC ها و نحوه به کارگیری VC ها می باشد.

تعداد کاربران

همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، به منظور تحقیق درباره تاثیر تعداد کاربران تحت نظارت بر نتایج عملکرد، منطقه ای با وسعت 600*400 متر مورد پوشش 6 VC قرار گرفت که این VC ها هیچ گونه تداخلی با هم نداشتند. تعداد کاربران به این صورت تنظیم گردید، 400،600،800،1000،1200 و 1400. کاربران به صورت تحرک نقطه مسیر تصادفی با سرعت 2 متر بر ثانیه و توقف تصادفی 1 تا 10 ثانیه در منطقه مورد بررسی قرار گرفتند. تعداد مشخصی از افراد در منطقه تحت پوشش VC و تعداد مشخصی نیز خارج از این مناطق قرار گرفتند، سپس افرادی که در منطقه تحت پوشش قرار نداشتند، نمی توانستند داده های جمع آوری شده را به ابر شرکتی انتقال دهند. شکل 9 نتایج عملکرد این مجموعه آزمایش ها را نشان می دهد. مشاهدات زیر می تواند با استفاده از شکل 9 صورت گیرد. میانگین مصرف انرژی و میزان تاخیر با افزایش تعداد کاربران در منطقه افزایش می یابد. علت این است که افزایش تعداد کاربران در منطقه احتمال این که افراد بیشتری در منطقه ای قرار گیرند که تحت پوشش VC قرار ندارد، افزایش می دهد؛ بنابراین میزان مصرف انرژی و تاخیر در انتقال داده ها به دلیل استفاده از ارتباط سلولی افزایش می یابد. از سوی دیگر، هر منطقه VC می تواند به تعداد مشخصی از کاربر خدمت رسانی کند که همانطور که در بخش 3.1 شرح آن رفت، شباهت زیادی با قابلیت های WIFI دارد. سپس، کاربران اضافی موجود در منطقه VC ها ناچار هستند تا از ارتباط سلولی برای انتقال داده استفاده نمایند. همانطور که در شکل 9 نیز مشخص است، می توان اینچنین برداشت نمود که تعداد افرادی که می توانند از طریق WIFI خدمات خود را از VC دریافت نمایند بین 120 تا 150 کاربر می باشد.

نتیجه گیری و فعالیت های در حال انجام

در این مقاله جمع آوری داده به صورت کارآمد و در مقیاس بزرگ در سیستم WBAN ارائه گردید. مدل اولیه WBAN، شامل ماشین مجازی و تکه ابر مجازی شده ارائه گردید و با استفاده از شبیه ساز کلودسیم توسعه یافته مورد ارزیابی قرار گرفت. با استفاده از سیستم نمونه اولیه، ما زیرساختی را ارائه دادیم که قابلیت افزایش ظرفیت ذخیره سازی و پردازش را داشت تا بتواند سیستم های WBAN را در مقیاس های بزرگ مدیریت نماید. هدف کاهش مصرف انرژی و میزان تاخیر در جمع آوری داده ها بود که این کار از طریق انتخاب تکنولوژی ارتباط داده ها به صورت پویا در منطقه تحت نظارت انجام می گرفت. ثابت گردید که مدل پیشنهادی با استفاده از تکنولوژی های ارتباطی مقرون به صرفه سلولی و WIFI (این تکنولوژی ها توسط سیستم های WBANS و VC پشتیبانی می شوند) به طور کامل از تحرک سیستم های WBAN پشتیبانی می کنند. مشخص گردید که عملکرد میانگین مصرف انرژی و میزان تاخیر به طرز چشمگیری با افزایش تعداد VC ها در منطقه تحت نظارت کاهش می یابد. همچنین نشان داده شد که افزایش تعداد کاربران در منطقه تحت نظارت میانگین مصرق برق و میزان تاخیر را افزایش می دهد. فعالیت های در حال انجام در این رابطه شامل موارد زیر می باشد، ایجاد و توسعه یک مدل پیشبینی مانند، فیلتر کالمان که برای پیش بینی حرکات کاربر در منطقه تحت نظارت و تصمیم گیری درباره مکان استقرار VC ها استفاده می شود.

این مقاله ISI در سال 2015 در نشریه الزویر و در مجله عمل و نظریه مدل سازی شبیه سازی، توسط دانشگاه علم و صنعت اردن منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله جمع‌ آوری کارآمد داده ها مبتنی بر تکه ابر در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.