گره های درگیر مسیر یابی رفتاری مشابه به IEEE802.11 نشان می دهند در حالیکه سایر گره ها رفتاری مشابه S-MAC دارند.
از آنجا که پیام های کنترلی که توسط انتشار هدایت شده فرستاده می شوندبرای تنظیمپویایی چرخه کار گره ها استفاده می شوند، هیچ سربار پیامی به وجود نخواهد آمد.
۴-۳ تنظیم بار
گره هایی که برای مدتی طولانی درگیر کار مسیریابی وانتقال داده بوده اند،زودتر از سایر گره ها در شبکه خراب می شوند.این گره ها در اثر چرخه کار بالاتر دارای مصرف انرژی بیشتر نسبت به سایر گره ها هستند.از کار افتادن این گره ها می تواند منجر به تکه تکه شدن شبکه شود.این امر میتواند اتصال شبکه را ازبین ببرد و برخی از اثرات ناخواسته دیگر ازجمله کاهش پوشش شبکه را منجر شود.در شبکه های چگال که ممکن است چندین مسیربین دو گره وجود داشته باشد،می توان از مسیرهای گوناگون برای توزیع بار استفاده کرد و مصرف انرژی را بین گره های مختلف تقسیم نمود.[۷۶]نمونه یک روش مسیریابی بر پایه انتشار چند مسیره می باشد.انتشار هدایت شده بصورت طبیعی کاندیدای خوبی برای مسیریابی چندگانه به حساب می رود.درحقیقت در انتشار هدایت شده،ابتدا چند مسیر بین دو گره بوجود آمده و سپس انتشار هدایت شده از طریق پیام های تقویت منفی تعداد آنها را کاهش می دهد.
در طراحی بین لایه ای،ما از این ویژگی انتشار هدایت شده استفاده می کنیم تا با تنظیم چرخه فعالیت گره ها بار را بر اساس باقی مانده انرژی گره ها روی گره ها توزیع نماییم.برای هر گره یک حد بحرانی انرژی تعریف می شود.هر گاه سطح انرژی یک گره به این حد بحرانی برسد،گره چرخه فعالیت خود را به شدت کاهش میدهد که باعث می شود کیفیت انتقال داده به گره سینک کاهش پیدا کند.این کاهش کیفیت توسط انتشار هدایت شده کشف شده و یک فرایند تعمیر محلی آغاز میگردد.در این فرایند تعمیر محلی هنگامی که گره ای کاهش کیفیت را کشف میکند(یا از طریق کشف این نکته که نرخ انتقال داده از گره سرچشمه کاهش یافته است ، یا با رسیدن پیامهایی که قبل ندیده است توسط گره های دیگر) قوانین تقویت برای پیدا کردن مسیر دیگر را به کار میبندد.
این زنجیره رویدادهای محلی منجر به تشکیل مسیردیگری میشود که این مسیر دیگر شامل گره ای که به حد بحرانی انرژی خود رسیده است نمیگردد. در شبکه های چگال که تعداد زیادی گره وجود دارند که میتوانند جایگزین گره ای که به حد بحرانی انرژی رسیده است شوند،می توان ازاین روش برای توزیع بار برروی گره هایی که دارای انرژی زیادی هستند استفاده کرد.
برای فراهم آوردن کنترل بیشتر بر روی سطح انرژی های مختلف ما چندین سطح کاهش چرخه فعالیت تعریف می کنیم.هنگامی که گره ای به یک سطح بحرانی از پیش تعیین شده می رسد،چرخه فعالیت خود را به نصف چرخه فعالیت اصلی خود در دوره به کاراندازی کاهش می دهد.این امر منجر به تغییر شدیدی در چرخه فعالیت گره ای که تاکنون در انتقال داده دخیل بوده و چرخه فعالیت بالایی داشته است می شود.برای حفظ همزمانی بین گره ها کاهش چرخه فعالیت گره ها نمایی است(شبیه به پیامهای تقویت).هربار که گره به سطح بحرانی جدیدی برسد یک کاهش چرخه فعالیت صورت می گیرد.برای مثال،اگر سه سطح انرژی وجود داشته باشد، چرخه فعالیت گره به یک هشتم چرخه اولیه تغییر کاهش پیدا میکند.
سطوح بحرانی انرژی گره ها را می توان بسته به ترافیک شبکه و نیازهای برنامه کاربردی تعیین کرد.اگر بالا بودن نرخ انتقال داده برای ما مهمترین عامل است،باید سطح انرژی بحرانی پایینی در نظر گرفت تا انتقال داده حداکثر باشد که این امر به بالا بودن مصرف انرژی و کوتاهی عمر شبکه منجر می شود.ولی اگر طول عمر شبکه هدف نهایی می باشد،سطح بحرانی بالایی باید در نظر گرفته شود جلوی از کار افتادن زودهنگام گره ها گرفته شود.این سطوح انرژی را میتوان با تغییر شرایط و نیازمندیهای شبکه تغییر داد و شبکه را انعطاف پذیر نمود.
۴-۴ نتایج شبیه سازی
در این قسمت به مقایسه نتایج پروتکل خود با پروتکلهای S-MAC و۸۰۲٫۱۱ می پردازیم.برای شبیه سازی از شبیه سازNS2 استفاده شده است.تاخیر و مصرف انرژی یک برنامه انتشار هدایت شده برروی سه پروتکل مقایسه می شود.انرژی اولیه گره ها ۳۰۰۰ژول می باشد.برای مقایسه مصرف انرژی هر پروتکل از مدل مصرف انرژی کارت شبکه Cabletron 802.11 در حالت انتقال ، دریافت،غیرفعال و خواب استفاده می کنیم.مصرف انرژی در حالت های مختلف در جدول شکل ۴-۱ آمده است.
| Sleeping | Idle | Receive | Transmit |
| ۱۳۰ mW | ۸۳۰ mW | ۱۰۰۰ mW | ۱۴۰۰ mW |
جدول ۴-۱:جدول مصرف کارت شبکهCabletron در حالات مختلف
توزیع گره ها به صورت توری بوده و سینک و منبع در دوانتهای قطر قرار دارند.در۸۰۲٫۱۱ همه گره ها تمام مدت در حال کارهستند در نتیجه این روش دارای بالاترین مصرف انرژی می باشد.S-MAC از سوی دیگر دارای دوره خواب ثابت و طولانی بوده و در نتیجه بالاترین تاخیر و پایین ترین مصرف انرژی را دارد.در الگوریتم پیشنهادی ، گره های درگیر مسیریابی دارای چرخه فعالیت بالا هستند تا انتقال داده با تاخیر کم را ممکن سازند در نتیجه دارای مصرف انرزی بالایی می باشند. گره هایی که در مسیر قرار ندارند دارای چرخه کاری کوتاهی هستند و مصرف انرژی مشابهS-MAC دارند از آنجا که گره های درگیر انتقال داده ، خواب کوتاه مدت دارند،تاخیر قابل مقایسه با۸۰۲٫۱۱ می باشد.
پیش از تشکیل مسیر ،تاخیرS-MAC وپروتکل پیشنهادی مشابه است.زیرا هیچ پیغام تقویت مثبتی فرستاده نشده است ولی هر چه مسیر تقویت می شود،تاخیر مسیر از منبع به سینک به شدت کاهش می یابد.درفاز تشکیل مسیر برخی گره ها ممکن است بی دلیل تقویت گردند که باعث میشود چرخه فعالیت خودرا افزایش دهند.این گره ها هنگامی که تشکیل مسیر کامل شد و بصورت منفی تقویت شدند به چرخه عادی فعالیت خود باز میگردند.
شکل ۴-۲ میانگین تاخیر سه پروتکل را هنگامی که اندازه شبکه تغییر کند مورد بررسی قرار می دهد.S-MAC رفتاری غیر قابل پیش بینی را از خود نشان می دهد وتاخیر IEEE802.11 همیشه نزدیک صفر باقی می ماند.تاخیر پروتکل پیشنهادی بسیار از S-MAC پایینتر بوده و رفتار باثبات تری را از خود نشان میدهد.از آنجا که گره ها همیشه در پروتکل پیشنهادی فعال نیستند،هر گام تاخیری را به بسته ها اعمال می کند.بنابراین با افزایش تعداد گام تاخیر اندکی افزایش پیدا می کند.
شکل۴-۲:میانگین تاخیر برای اندازه های مختلف شبکه
شکل۴-۳ به مقایسه مصرف انرژی درS-MAC،IEEE802.11 وپروتکل پیشنهادی می پردازد.IEEE802.11 بالاترین مصرف انرژی را داراست و گره ها بسیار زودتر از سایر روش ها از کار میفتند. پروتکل پیشنهادی دارای مصرف انرژی بالاتری نسبت به S-MAC می باشد،زیرا گره های درگیر انتقال داده مصرف انرژی بالاتری دارند و دارای چرخه کار بالاتری نسبت به گره های عادی میباشند.
شکل۴-۳:مقایسه مصرف انرژی در روش های مختلف(مقدار انرژی در گره های درگیر انتقال داده)
شکل ۴-۴ به مقایسه میانگین انرژی باقیمانده شبکه می پردازد.IEEE802.11 چنانکه انتظار می رود دارای بالاترین مصرف انرژی می باشد.گره ها همیشه فعال می باشند و تعداد گره های درگیر مسیریابی تاثیری در میانگین باقیمانده انرژی شبکه ندارد .S-MAC پایین ترین مصرف انرژی را دارا میباشد و شبیه به IEEE802.11 باقیمانده انرژی بستگی به تعداد گره های درگیر کار انتقال داده ندارد.مقدار انرژی باقیمانده در پروتکل پیشنهادی نزدیک بهS-MAC میباشد ولی از آنجا که گره های درگیر انتقال داده دارای مصرف انرژی بالاتر هستند با افزایش تعداد این گره ها باقیمانده انرژی شبکه کاهش پیدا میکند.افزایش اندازه شبکه تاثیردیگری نیز بر میانگین انرژی باقیمانده شبکه دارد.با افزایش تعدادمسیرها، تغییر چندباره مسیرها ممکن می گردد، وگره های گوناگونی ممکن است درگیر مسیر یابی گردند و به این ترتیب تعداد گره هایی که دارای چرخه کاری بسیار بالا می باشند کاهش پیدا می کند.این امر به پایین آمدن مصرف انرژی کلی شبکه منجر می شود.ولی با افزایش بیشتر تعداد گره های شبکه و افزایش تعداد گره های درگیر انتقال دادن و رسیدن تعدادآنها به درصد بالایی از گره های شبکه میانگین انرژی باقیمانده کاهش پیدا می کند.
شکل۴-۴:میانگین انرژی باقیمانده شبکه در اندازه های مختلف
فصل ۵
لایه کاربرد و مساله پوشش
-
- مقدمه
با رشد استفاده از شبکه های حسگر بسیاری از وظایف نظارتی به عهده این شبکه ها گذارده شده است. از آن جایی که گره های حسگر ممکن است به صورت تصادفی توزیع شده باشند، مسئله فراهم آوردن پوشش کامل به صورت یکی از مسائل اساسی در شبکه های حسگر در می آید. معمولا از شبکه های حسگر انتظار می رود که چندین برابر طول عمر یک گره در حالت فعال، عمر کنند. برای فراهم آوردن این امکان لازم است که گره ها بیشتر عمر خود را در حالت خواب بگذرانند. در عین حال ممکن است که کاربرد در نظر گرفته شده نیاز داشته باشد که هر نقطه از ناحیه مورد نظر توسط k حسگر پوشیده شده باشد. بنابراین تعیین تعداد گره های لازم و یا درصد خواب گره به طوری که نیاز برنامه کاربردی تامین شود به صورت مسئله ای مهم در می آید.
این مسئله را می توان به صورت زیر بیان کرد:
با داشتن یک ناحیه، چه تعداد گره برای اینکه هر نقطه از ناحیه حداقل توسط k گره پوشانیده شده باشد ( برای بهینه بودن دسته بندی و ردگیری رویداد ) مورد نیاز است با این فرض که شبکه باید برای مدت از پیش تعیین شده ای فعال باشد.
گره های حسگر تنها قادر هستند ۱۰۰-۱۲۰ ساعت (۴-۵ روز ) با بهره گرفتن از یک جفت باتری AAA در حالت فعال به سر ببرند. در حالی که معمولاً مورد نیاز است که شبکه برای چندین ماه به فعالیت بپردازد. گره ها در حالت خواب ممکن است تا ۰٫۱% از انرژی در حال فعال خود را مصرف کنند. بنابر این یک روش رایج برای افزایش طول عمر گره ها خواباندن آنها می باشد. برای اینکه چنین کاری ممکن باشد ابتدا باید سه مسئله حل شده باشند.
نخست، روشی موجود باشد که بتواند چرخه فعالیت گره ها را تعیین نماید. دوم، با داشتن چرخه فعالیت هر گره باید تعیین کند که چه زمان باید فعال بوده و کی به خواب رود. سوم، روشی مورد نیاز است که بتوان با بهره گرفتن از آن تعداد گره های مورد نیاز را برای فراهم آوردن پوشش k- لایه ای ( با تامین نیازمندی های مربوط به عمر شبکه ) به دست آورد.
این مسئله بدین دلیل مهم است که از یک سو مسائل اقتصادی باعث می شوند تمایل داشته باشیم که حداقل گره های ممکن را در شبکه استفاده کنیم و از سوی دیگر نیاز داریم که کیفیت بالایکشف، دسته بندی، و ردگیری اهداف برای مدت طولانی را به دست آوریم .
ابتدا به حل مسئله ساده تر می پردازیم:
