مسیریابی ستاره دریایی برای شبکه های حسگر با سینک سیار (مقاله ترجمه شده)

چکیده

اثبات شده است که شبکه های حسگر بی سیم (WSNها) با سینک های سیار, عمر شبکه را گسترش می دهند و سرویس های تحویل خدمات بهتری را ارائه می دهند. این امر با به حداقل رساندن هزینه های مسیریابی و اجتناب از توسعه هر گونه نقاط داغ در شبکه به دست آمد. با این حال، استراتژی های مسیریابی موجود بیان شده در نوشته ها دارای محدودیت هایی در ارائه تاخیر تحویل پایانه به پایانه داده ها و بازده مورد نیاز برنامه های حسگری و نظارت زمان واقعی هستند. در این مقاله، با پیروی از اصل سیستم عروق آبی یک ستاره دریایی، ما یک ستون فقرات مسیریابی متشکل از یک کانال-حلقه مرکزی و تعدادی از کانال های-شعاعی در سراسر شبکه طراحی کرده ایم. شعاع کانال-حلقه و تعداد کانال های-شعاعی به طور پویا بر اساس طیف انتقال گره های حسگر و اندازه شبکه تعیین می شوند. ستون فقرات مسیریابی مارپیچ پیشنهاد شده تضمین می کند که هر گره حسگر منبع, دسترسی تک-هاپ به یک گره ستون فقرات پیدا می کند که به نوبه خود باعث تسهیل کاهش تاخیر تحویل داده ها و افزایش انصاف توزیع بار مصرف انرژی در گره های شبکه می شود. نتایج آزمایشات شبیه سازی که در NS-2 انجام شده است، اثربخشی ستون فقرات پیشنهادی مسیر ستاره دریایی را از لحاظ تاخیر تحویل داده ها پایانه به پایانه، بازده و مصرف انرژی در مقایسه با کارهای پیشرفته تر اثبات میکند.

مقدمه

در سال های اخیر، افزایش ویژگی های فوق العاده محاسبات و ارتباطات در مؤلفه های حسگر به شبکه های حسگر بی سیم  (WSNها) کم کرده است تا به طور پیوسته از برنامه های کاربردی در مقیاس کوچک [1] به زیرساخت های حجیم، پاسخ اورژانس پزشکی، نظارت نظامی، نظارت بر کشاورزی و کاربردهای ابررسانای داده [2، 3، 4، 5، 6] گسترش یابند. با این حال، تشکیل یک ستون فقرات مسیریابی برای یک شبکه معین که جمع آوری به موقع و مقرون به صرفه از نظر-انرژی داده ها از مولفه های حسگر منبع به سینک را تسهیل می کند، یک چالش بزرگ است [7، 8]. در این مقاله، ما یک ستون فقرات مسیریابی داده ها را برای یک WSN توسعه می دهیم که تاخیر تحویل بسته پایانه به پایانه و مصرف انرژی یکنواخت را برای طول عمر گسترش یافته شبکه را ارائه می دهد.

به دلیل ایجاد مناطق نقطه داغ در نزدیکی سینک [9، 10، 11، 12، 13، 14], استراتژی های مسیریابی در نوشته ها با توجه به سینک استیک از مشکل پارتیشن بندی شبکه رنج می برند. برخی از کارهای اخیر, اثربخشی استراتژی های مسیریابی مبتنی بر سینک سیار در افزایش کارایی داده ها و طول عمر شبکه [15، 16، 17، 18، 19، 20، 21] را نشان داد. این آثار نیز نشان داده است که تحرک سینک, اتصال شبکه داده ها را تحت شبکه های حسگر پراکنده و گسسته تضمین می کند. با این حال، تحرک سینک, مشکل موقعیت یابی سینک مقصد در زمان واقعی را ارائه می کند و ستون فقرات مسیریابی سینک-منبع (سورس) را فراهم می کند به طوری که تاخیر تحویل بسته پایانه به پایانه کاهش یابد و بازده تحویل داده ها افزایش یابد.

کارهای مرتبط

در نوشته ها، تعداد زیادی از راهبردهای مسیریابی برای شبکه های حسگر با سینک سیار را پیدا کرده ایم و می توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد: [15، 16، 17] مبتنی بر وعده گاه و مبتنی بر ستون فقرات [18، 19].

در میان رویکردهای مبتنی بر وعده گاه، در مسیریابی راه آهن [15]، منطقه ای مستطیلی در شبکه ساخته می شود، همان طور که در شکل (a)1 نشان داده شده است، تا فراداده ها از گره منبع ذخیره شوند. هنگامی که یک منبع, داده ها را حس می کند، به صورت محلی فراداده ها را ذخیره می کند و به راه آهن ارسال می کند. در حالی که سینک نیاز به داده دارد، یک پرس و جوی تک منظوره به راه آهن ارسال می کند. پس از دریافت این پرس و جو، راه آهن, داده ها را از منبع دریافت می کند و از طریق مسیر تک منظوره به سینک منتقل می شود. به علت گذراندن مسیر طولانی تر با استفاده از پرس و جوی تک منظوره و از دست دادن داده ها برای خرابی گره, این پروتکل از رکود و تاخیر بالاتر رنج می برد. برای کاهش مسئله تلفات داده ها از یک گره منبع در [15]، یک نوار عمودی از گره ها برای ذخیره داده ها در پروتکل توزیع داده های مبتنی بر خط (LBDD) [16] ایجاد شده است، همان طور که در شکل (b)1 نشان داده شده است. منطقه عمودی در [16], شبکه را به دو بخش مساوی تقسیم می کند. هنگامی که یک منبع, داده ها را حس می کند، بلافاصله داده ها را به گره های داخل خط منطقه عمودی ارسال می کند. بعدها، در حالی که سینک, داده ها را پرس و جو می کند، گره های درون خطی, پرس و جو را در ناحیه وعده گاه پخش می کنند و گره داخل خط متناظر، داده های مورد نیاز در مسیر معکوس را ارسال می کند. با این حال، به علت داشتن منطقه مرکزی تک، این پروتکل از رکود و تاخیر بالاتر بیشتر برای گره های مرزی در یک شبکه بزرگ رنج می برد. علاوه بر این، پخش در منطقه مرکزی، طول عمر شبکه را به طور قابل توجهی کاهش می دهد. یکی از تفاوت های کلیدی پروتکل های راه آهن  [15] و LBDD [16] این است که پرس و جوهای ارسال شده توسط سینک در سفر راه آهن توسط ارسال تک منظوره به جای پخش کردن هستند. با این حال، تاخیر تحویل داده های موردانتظار در پروتکل راه آهن بیشتر از در LBDD است، [16] از آنجا که پرس و جوها, مسیرهای طولانی تر را در راه آهن راه می پیمایند [15].

ستون فقرات پیشنهادی مسیریابی ستاره دریایی

توسعه یک ستون فقرات مسیریابی کارآمد برای شبکه حسگر بی سیم, نه تنها به منظور کاهش تاخیر تحویل داده های پایانه به پایانه بلکه همچنین برای گسترش طول عمر شبکه تا حد زیادی مهم است. فلسفه کلیدی طراحی ستون فقرات مسیریابی پیشنهادی, گسترش گره های ستون فقرات بر روی مناطق مختلف شبکه است به شیوه ای که یک گره منبع می تواند به طور مستقیم به حداقل یکی از گره های ستون فقرات دسترسی پیدا کند. در این بخش، جزئیات ساخت و ساز و عملیاتی ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی به دنبال مدل شبکه فرض شده ارائه می شوند.

تجزیه و تحلیل برای تاخیر پایانه به پایانه در مسیریابی ستاره دریایی

در این بخش، ما یک تحلیل احتمالاتی برای اندازه گیری تاخیر تحویل بسته پایانه به پایانه از گره های منبع به سینک سیار از گره های کانال های حلقه و شعاعی را روی ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی انجام می دهیم. در کارهای پیشرفته، مدل های نظری برای تحلیل میانگین تاخیر پایانه به پایانه توسعه یافته اند که در آن فقط فاصله هاپ بین منبع تا سینک سیار در نظر گرفته می شود. اما با توجه به مشخصه ذاتی شبکه حسگر بی سیم، تاخیر پایانه به پایانه یک بسته عمدتاً نه تنها روی فاصله هاپ بلکه روی تعداد انتقال (ها) مجدد اقدام شده در هر هاپ تغییر می کند. در این بخش، یک مدل نظری مبتنی بر زنجیره مارکوف برای تاخیر پایانه به پایانه بسته، با توجه به هر دو پارامتر فوق، توسعه یافته است.

ارزیابی عملکرد

در این بخش، رویکردهای ستاره دریایی پایه، ستاره دریایی بهبودیافته، توسعه ستون فقرات-مسیریابی Starfish، Ring و HexDD بهبود یافته در NS-2 [25]، یک شبیه ساز شبکۀ رویداد گسسته را پیاده سازی نموده ایم و عملکرد آنها را مقایسه نمودیم.

محیط شبیه سازی

ما یک WSN با مساحت 400 × 300 متر مربع را در نظر گرفتیم، که در آن 500 گره به طور تصادفی با توزیع یکنواخت مستقر می شوند. طیف انتقال (r) هر حسگر در 90 متر تنظیم می شود. مدل ترافیک نرخ بیت ثابت تحت UDP برای انتقال داده ها با اندازه بسته 512 بایت با توجه به 512Kb ps پهنای باند کانال و مدل تلفات انتشار سایه زنی استفاده می شود. برای سینک سیار در شبکه، ما از مدل تحرک نقطه راه استفاده کرده ایم و تمام گره های حسگر دیگر در حالت ساکن نگه داشته می شوند.

معیارهای عملکرد

کارایی پروتکل پیشنهاد شده با استفاده از معیارهای عملکرد استاندارد که به شرح زیر توصیف می شود، نشان داده شده است.

متوسط ​​بازده به عنوان تعداد بایت های داده که به طور موفقیت آمیز توسط سینک در هر واحد زمانی دریافت شده اند, اندازه گیری می شود. مقدار بالاتر نشان دهنده بهتر بودن در عملکرد است.

متوسط ​​تاخیر تحویل بسته انتها-به-انتها، میانگین تفاوت زمان بین زمان پذیرش بسته در سینک و زمان تولید بسته در منبع است. مقدار کمتر, نشان دهنده عملکرد بهبود یافته است.

نسبت تحویل بسته, نسبت تعداد بسته های دریافت شده در سینک به بسته های تولید شده توسط گره های منبع است. مقدار بالاتر نشان دهنده عملکرد بهتر است.

انحراف استاندارد انرژی باقی مانده، پراکندگی متوسط ​​در میان سطوح انرژی باقی مانده روی گره های ستون فقرات (Z) است و می تواند به شرح زیر محاسبه شود,که در آن, انرژی باقیمانده گره z, و میانگین انرژی باقیمانده تمام گره های ستون فقرات نشان داده می شود. این مشخص کننده توزیع مصرف انرژی در میان حسگرهای ستون فقرات است. کوچک بودن مقدار , انتظار می رود, زیرا قابلیت بهتر ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی را برای متعادل نمودن مصرف انرژی نشان می دهد.

طول عمر شبکه از زمان استقرار شبکه تا زمانی که در آن, نشت از یک بخش از شبکه, غیرقابل دسترس می شود, محاسبه می شود.

سربار عملیاتی به عنوان نسبت کل بایت های کنترل مبادله شده در طول کل دوره ی شبیه سازی به میزان کلی بایت های داده تحویل داده شده به سینک اندازه گیری می شود. یک مقدار کوچکتر، عملکرد بهتر را نشان می دهد.

نتیجه گیری

این کار, مسئله توسعه یک ستون فقرات مسیریابی برای WSN ها را مورد بررسی قرار داد به طوری که تاخیر تحویل پایانه به پایانه، شبکه کاهش یابد و بتوان توان عملیاتی و طول عمر شبکه را گسترش داد. گره های ستون فقرات توزیع شده روی کانال های حلقه ای و شعاعی ستون فقرات مسیریابی پیشنهادی ستاره دریایی ما به طور قابل توجهی به افزایش کارایی شبکه و همچنین طول عمر شبکه کمک نمودند. مقیاس پذیری پویای اندازه کانال-حلقه و تعداد کانال های شعاعی بر اساس طیف انتقال گره های حسگر و اندازه مساحت شبکه نیز بیشتر به ستون فقرات پیشنهادی مسیریابی ستاره دریایی کمک کرد تا نسبت به کارهای برجسته موجود در نوشته ها, بهتر عمل کند. نتایج تجربی که در NS-2 انجام شده است، نشان داد که ستون فقرات پیشنهاد شده مسیریابی ستاره دریایی به ترتیب به میزان 13.1٪ و 7.4٪ بهبود از لحاظ تاخیر پایانه به پایانه و بازده نسبت به ستون فقرات مسیریابی HexDD در بر داشت.

تعیین شعاع بهینه کانال-حلقه از طریق تحلیل ریاضی, یک مسئله پژوهشی جالب برای مطالعه آینده می باشد. علاوه بر این، یک الگوریتم مناسب توزیع شده برای افزایش مقیاس پذیری ستون فقرات پیشنهادی مسیریابی ستاره دریایی در شبکه قابل توسعه است.

این مقاله ISI در سال 2018 در نشریه الزویر و در مجله برنامه های کاربردی شبکه و کامپیوتر، توسط گروه تحقیقاتی شبکه سبز 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 مسیریابی ستاره دریایی برای شبکه های حسگر با سینک سیار در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.