Fast Data Collection in Tree-based wireless Sensor Networks

1. Fast Data Collection in Tree-based wireless Sensor Networks جمع آوری داده های سریع در شبکه های سنسور بیسیم درختی محقق: نسترن عزیزی استاد راهنما: جناب آقای دکتر سید امین حسینی سنو

3. مقدمه ای در مورد شبکه های حسگر بیسیم امروزه کاربرد شبکه های حسگر بیسیم بسیار گسترده شده است.این کاربردها در قشرهای مختلف و مصارف گوناگون است.از جمله کاربردهای نظامی، نمایش سلامتی،مکان یاب،کشف حرکت،اتوماسیون خانگی،نمایش های محیطی و...است. البته در کاربرد های نظامی خود شامل مصارف گوناگونی از جمله : کشف تجاوز(intrusion detect) ،نمایش محیط،جمع آوری اطلاعات و آمادگی در مناطق ناشناخته و...می باشود.امروزه شبکه های حسگر بیسیم به عنوان جزئی لاینفک از زندگی ما تبدیل شده است. به گفته بسیاری از کارشناسان شبکه های حسگر بیسیم و پردازنده های embedded باعث به وجود آمدن یک انقلاب کوچک در عرصه تکنولوژی شده است. هدف اصلی از بکارگیری شبکه های حسگر بیسیم،بدست آوردن اطلاعات دقیق توسط نودهای حسگر در نقاط مختلف است

4. مقدمه همگرایی ،مجموعه ای از داده های حاصل ازگیرنده ها برای سینک های رایج بر روی موقعیت و مقیاس شبکه های درختی می باشد که عمل الی در شبکه های گیرنده بی سیم (msn)می باشد. دربسیاری از کاربردها،این برای ایجادضمانت درباره زمان تحویل نقش مهمی راایفامی کندهمان گونه که در افزایش میزان چنین مجموعه داده هایی نقش محوری دارد. به عنوان مثال، درکاربردهای مهم و سالم تبلغی یعنی جایی که گره های یرنده برای شناسایی آسیب های ساختاری یاچکه نفت/گاز بکارگرفته می شوند. کنترل کننده ها و محرک ها باید داده هایی را از همه ی گیرنده های موجوددر فرصت های خاص دریافت کنند، خراب ها ممکن است منجر به حوادث فاجعه انگیز و غیرقابل پیش بینی شوند. این ها زیرمجموعه طبقه مجموعه داده های تک شات می باشند. به عبارت دیگر، کاربردهایی مثل مخابره های عمقی مستلزم تحویل دوره ای و سریع داده ها در دوره های طولانی زمان می باشد که زیرمجموعه طبقه ی مجموعه مداوم می باشد.

5. کارهای تحقیقاتی مرتبط استفاده از کدهای قائم برای از بین بردن مداخله گرها توسط آنامالایی و همکارانش مورد مطالعه قرار گرفته است که در آن جا نودها(گره ها) SIOTهای زمان را از قسمت تحتانی درخت به قسمت فوقانی آن تخصیص می دهد. این مشکل و آن مشکلی که توسط چن و همکارانش نشان داده شد برای همگرایی داده های خام تک شات نشان داده شده است. از آن جا که ما وضعیت های routing با درجه ی محدود را برای افزایش میزان مجموعه داده ها ایجاد می کنیم، این امر ممکن است همیشه به جدول هایی که دارای تاخیرکمی می باشندمنجر نمی شود و این بخاطر تعداد های موجود در درخت می باشد که بعنوان درجه ی آن تنزل می کند. بنابراین اگر حداقل کردن تأخیر، الزام باشد، بنابراین مطلوب سازی بهتر مثل ایجاد درخت های بادرجه محدودیت و درخت های باقطرمحدود مورد نیاز می باشد. تحقیق دیگر در این زمینه با هدف حداقل کردن حداکثر تاخیر توسط پان وتی سنگ مورد بررسی قرارگرفته است که آن ها دوره ی هدایت امواج را به هر نود(گره) موجود در شبکه زیگبی تخصیص می دهند که می تواند داده ها را از همه ی بچه ها دریافت نماید. برای همگرایی داده های خام، سانگ و همکارانش مطلوبیت زمانی، کارایی انرژی و الگوریتم جدول بندی پاکت را با ترافیک دوره ای حاصل از نودها(گره ها) به سینک ارائه می کند.

6. مدل سازی و فرمول بندی مسأله ما در WSNچندhop را بعنوان گراف G=(V.E) مدل سازی می کنیم. دراین جاV مجموعه ای از گره ها می باشدE={(i ,j) i,jc v} مجموعه ای از لبه های نشان دهنده لینک های بی سیم می باشد. یک گره اختصاض یافته scv لینک را مشخص می کند. فاصله اقلیدسی بین دو گرهi وj را با dij نشان می دهیم. همه ی گره ها بجزs منبع می باشند که پاکت ها را ایجاد می کند و آن ها را در طول درخت مسیریابی به s منتقل می کند و ما درخت پوشایG را که درs ریشه دارد را بوسیله T=(V,ET) مشخص می کنیم که در این جاET=E درجه ی درخت را نشان می دهد. ما پروتکل TDMA را در نظر می گیریم که در این جا زمان به دو بخش تقسیم می شود و بخش های متوالی به قاب های بدون اشتراک مساوی دسته بندی می شود.

7. جدول بندی TDMAهمگرایی ها

8. همگرایی متراکم دوره ای : دراین بخش ، ما مشکل جدول بندی را در جایی که پاکت ها، انباشته و متراکم می باشند را در نظر می گیریم. همچنین تکنیک های عمومی مورد استفاده درWsN را که می تواند افزایش را از بین ببرد و تعداد انتقالات را حداقل نماید در نظر می گیریم بنابراین می توانیم انرژی را ذخیره نمایم و طول عمر شبکه را افزایش دهیم. تراکم می تواند به روش های زیادی اجرا شود. مثل استفاده از فشار داده ها و تکنیک های ادغام پاکت یا مزایای همبستگی در گیرنده ها. همگرایی داده های خام تک شات : در این جا هر گیرنده بسیار مهم می باشد و همچنین ممکن است مطلوب و یا ممکن است نباشد. بنابراین هریک از پاکت ها باید بطور اختصاصی در هر صفحه به سینک (صافی) جدول بندی شوند. در قبل، ما روی حداقل سازی طول جدول تمرکز کردیم. در این جا لبه ها می توانند زمان های چندگانه را جدول بندی نمایند

9. اثر مداخله • 1-کنترل قدرت انتقال: در شبکه های بی سیم ، مداخله بیش از اندازه می تواند با استفاده از قدرت کنترل قدرت انتقال ، از بین برود . برای مثال بوسیله ی انتقال سیگنال ها با تنها قدرت کافی بجای حداکثر قدرت، ما اثر کنترل قدرت انتقال روی مجموعه داده های سریع را با استفاده از سطوح مجزای قدرت ، ارزیابی می کنیم که می تواند در ظرفیت همزمان با استفاده از تخصیص قدرت غیرخطی بدست آید . • 2- جدول بندی چندکاناله : ارتباط چندکاناله ، روش مؤثرو کافی برای حذف مداخله گرها بوسیله انتقالات فرکانس های مختلف می باشد . اگرچه رادیوهای wsn عادی در پهنای باند محدود اجرا می شوند، فرکانسهای عملیاتی آن ها می تواند تعدیل شود . بنابراین انتقالات و تحویل سریعتر داده ها می تواند اتفاق بیفتد

10. اثر درخت های مسیریابی در کنار قدرت و کانال های چندگانه ، وضعیت شبکه و درجه اتصال نیز می توانند عملکرد جدول بندی را تحت تثیر قرار دهند . در این بخش ما الگوهای ایجاد وضعیت هایی با توانایی های خاص را شرح می دهیم که می توانند به کاهش طول جدول کمک نماید . 1- مجموعه داده های متراکم:ابتدا درخت های متعادل (متوازن شده) را ایجاد می نماییم و عملکرد آن ها را با درخت های نا متعادل مقایسه می نماییم . مشاهده می کنیم که در هر دو مورد ، اغلب صافی باعث ایجاد تنگناهایی با درجه بالا می گردد . به منظور غلبه بر این امر ، یک بحث اکتشافی پیشنهاد می شودکه در الگوریتم 3 نشان داده شده است .

11. ادامه اثر درخت های مسیریابی 2- مجموعه داده های خام: درخت های مسیریابی که اجازه انتقال های موازی تر را می دهد بطور ضروری در طول های جدول کوچک نتیجه می دهد . بعنوان مثال ، طول جدول N برای شبکه متصل بعنوان یک موقعیت حساس می باشد . درخت مسیریابی کننده باید ایجاد شود همان طور که همه ی شاخه دارای تعداد متوازن گره ها و محدودیت های nk<(N+1)/2 می باشد . در مورد بررسی ما ، وزن هر لینک 1 می باشد و ظرفیت مورد نظر (N+1)/2 می باشد . در این جا ، ما یک روش استنتاجی را پیشنهاد می نماییم. همان طور که در الگوریتم 4 اشاره شده است و این این الگوریتم بر مبنای نمودار ارائه شده توسط وای و همکاران می باشد که تنوع مشکل CMsT را برای درخت های با مقدار مساوی گره در هر شاخه حل می نماید . ما این نمودار را با مجموعه ی جدیدی از قوانین تقویت می نماییم و hop درخت را بوسیله hopهای بیرون از لینک تقویت می نماییم .

12. الگوریتم 4

14. ارزیابی 1- اثر کنترل قدرت انتقال: دو مورد را بررسی می شود: 1-هنگامی که گره ها در حداکثر قدرت منتقل می شوند و2-هنگامی که گره ها قدرت انتقال را بر طبق الگوریتم توصیف شده در بخش 5.1 تعدیل می نمایند . در هر دو مورد گره ها در همان کانال ارتباط دارند و از درخت های مسیریابی کننده با حداقل hop استفاده می کنند . در مورد اول صفحات زمانی بر طبق صفحات زمانی BFs و همچنین بر طبق تخصیص صفحات زمانی محلی برای داده های خام تخصیص می یابند . شکل 7(a) نشان دهنده تغییرات طول جدول با تراکم مقادیر مختلف α در درخت های با حداقل hop می باشد . در شکل 7(b) مشاهده کردیم که برای همگرایی داده های خام ، طول جدول بعنوان شبکه های گیرنده درخت های مجزاتر افزایش می یابد . این یک نقابله بعدی می باشد ، زیرا در شبکه های مجزاتراستفاده مجدد از شکل ها باید بالاتر باشد که بتواند طول جدول را کاهش دهد . همان طور که شبکه مجزاتر می شود ، تعداد گره هایی که می توانند بطور مستقیم به صافی برسند کاهش می یابد و پاکت ها باید در HOP های بیشتر منعکس شود

15. ادامه ارزیابی 2-اثر جدول بندی چندکاناله: از رادیوهای CC2420 که دارای 16 کانال می باشند را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده می شود. ما فرض می کنیم که گره ها در حداکثر قدرت منتقل می شوند و از درخت های با حداقل hop استفاده می کنند . در TMCP و RBCA صفحات زمانی بر طبق تخصیص فحات زمانی BFs برای همگرایی متراکم تخصیص می یابد و تخصیص صفحات زمانی محلی را همگرایی داده های خام تخصیص می یابد همگرایی متراکم: روش های تحقیق کانال طول های جدولی را بدست می آورند که کمتر از طول جدول هایی است که با کنترل قدرت بدست می آیند . در حالی که این حقیقت وجود دارد که کنترل قدرت در کاهش اثرات مداخله کمک می کند . این مزیت بخاطر سطوح مجزای قدرت انتقال آن ها و گستره محدود قدرت انتقال بدست میباشد همگرایی داده های خام: در سناریوهای بسیار متراکم ، بهبود و بهسازی کمتر می باشد زیرا بسیاری از گره ها می توانند بطور مستقیم به سینک(صافی) می رسند و بنابراین فاکتورهای محدودکننده به گیرنده فرستنده نیمه دوقسمتی می رسند . تعداد کانال های مورد نیاز:باRBCA و JFTSS تعداد کانال های مورد نیاز برای شبکه های متراکم (بعنوان تعداد گیرنده ها) کم می باشد . بویژه هنگامی که L=20 ، همه ی گره ها می توانند بطور مستقیم به سینک(صافی) منتقل شوند و تنها یک تناوب مورد نیاز می باشد . همان طور که شبکه مجزاتر می شود، تعداد گیرنده ها افزایش می یابد و بنابراین تناوب بیشتر برای تناوب انتقال ها، مورد نیاز می باشد مدل های داخله ای و مدل های قائم:در آرایش متراکم تر، یک منتقل کننده منفرد می تواند بخاطر فاصله ی بین گره ای کمتر و سطح بالاتر مداخله متراکم شود . پس از رسیدن به میزان حداکثر (رأس) . شبکه مجزاتر می شود و مداخله کاهش می یابد . ما می دانیم که همزمان سازی ما نتایج قبلی را مبنی بر اینکه مدل پروتکل می تواند در مداخله های جدی منتج شود را اثبات می نماید .

16. ادامه ارزیابی 3- اثر درخت های مسیریابی: در زیر ما درباره بهبودها با درخت های مسیریابی بحث می نماییم . همگرایی متراکم در درخت های با درجه ی محدود: هنگامی که گره ها، کانال هایی را که از RBCA استفاده می کنند را تخصیص می دهد، مشاهده می کنیم که فاکتور بیش از 2کاهش در طول جدول در آرایش های متراکم (l<120) وجود دارد که این با گره هایی که از RBCA در درخت های پوشای حداقل استفاده می کنند مقایسه می شود . ما همچنین مشاهده می کنیم که طول های جدول از حداکثر درجه درخت ها برای آرایش های متراکم بیشتر می باشد و این با سناریوهای مجزا (L≥120) مقایسه می شود. همگرایی داده های خام CMsT: RBCA و JFTss با مکانیزم ساخت درخت مناسب ترکیب می شود و می تواند کاهش بیش از 50درصدی در طول جدول را باعث شود همان طور که با ارتباط تک کاناله در درخت های پوشای با حداقل hop مقایسه می شود .

17. نتیجه گیری در این مقاله ، ما بصورت سریع همگرایی را درWSN مورد بررسی قرار دادیم که در این جا گره ها برای حداقل کردن طول جدول با پروتکل TDMA ارتباط می یابد و ما بخاطر گیرنده و فرستنده های نیمه دوقسمتی و مداخله ای در گره ها، محدودیت ها اساسی را نشان می دهیم و برای غلبه بر همان مداخله گرها ، فنون و تکنیک هایی را کشف می نماییم . ما پی می بریم که هنگامی که کنترل نیروی انتقال در کاهش طول جدول کمک می نماید ، کانال های چندگانه، مؤثرتر و کاراتر می باشند و ماهمچنن مشاهده کردیم که الگوهای تخصیص کانال های مبتنی بر لینک (JFTss) و کانال های مبتنی بر گره (RBCA) در مقایسه با تخصیص کانال های مختلف در شاخه های مختلف درخت (TMCP) در حذف مداخله گرها مؤثرتر می باشند . این موضوع که برای یک بار مداخله گر بطور کامل حذف می شود را ما با رادیوی نیمه دوبخشی توسط حداکثر درجه درخت مسیریابی برای همگرایی متراکم انجام می دهیم . با استفاده از الگوریتم های جدول بندی همگرایی ، ما نشان می دهیم که محدوده های پایینی ، قابل دستیاب می باشد . از طریق همزمانی های گسترده ، ما کاهش عمده در طول دول را برای همگرایی داده های متراکم و کاهش 50 درصدی را برای همگرایی داده های خام، اثبات می کنیم . در آینده ، ما سناریوهایی با مقادیر متغیر داده را کشف می کنیم و ترکیبی از نماهای مورد نظر را بکار گرفته و ارزیابی می نماییم .