الگوریتم مسیریابی خود تطبیقی مبتنی بر مکان برای شبکه های حسگر بی سیم در اتوماسیون خانگی Location-Based Self-Adaptive Routing Algorithm for Wireless Sensor Networks in Home Automation

مقدمه

سیستم های اتوماسیون خانگی (HA) ، به طور روزافزون برای ایمنی و آسایش سکنه و ایجاد کنترل توزیع شده در ارتباط با گرمایش، تهویه، و کنترل هوا (HVAC) و نورپردازی به منظور صرفه جویی در هزینه انرژی مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین صنعت اتوماسیون خانگی به طور قابل توجهی در چند دهه گذشته رشد داشته و همچنان به سرعت رو به توسعه می باشد. محققان و مهندسان به طور روز افزون، به تکنیک های جدید برای کم کردن تاسیسات کلی و هزینه نگهداری سیستم های HA نگاهی دارند. فناوری بی سیم به عنوان یک گرداننده اصلی برای رسیدن به این اهداف به دلیل هزینه پایین آن برای کابل کشی، گسترش آسان آن، مقیاس پذیری خوب، و پیوند آسا آن با ابزارهای کاربری سیار، می باشند.

شبکه های گیرنده بی سیم با توان کم (WSN) به عنوان فناوری شبکه امیدبخشی می باشند که اخیرا جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

رایج ترین استاندارد برای WSNHAبه نام پروفایل کاربردی عمومی IEEE 802.15.4/ZigBee/HA می باشد که در میان آن ها IEEE 802.15.4/ZigBee به صورت چند منظوره، با کاربرد آسان، با میزان داده پایین تر، پیچیدگی کمتر، بوده، و از تجهیزات جاسازی شده با توان کمتر استفاده می کند. پروفایل کاربرد عمومی HA، رابط های استاندارد و تعاریفی از ابزارها را ایجاد کرده که امکان قابلیت همکاری آسان را در بین تجهیزات ZigBee HA که توسط سازندگان محصولات ZigBee HA مختلف ایجاد می گردد، به وجود می آورد. در حالی که IEEE 802.15.4، به تعریف لایه فیزیکی (PHY) و لایه کنترل دسترسی به تجهیزات (MAC) می پردازد، زیگبی به تعریف لایه های بالاتر می پردازد.

IEEE 802.15.4 اساسا در ارتباط با شیکه های حسگر مد نظر قرار می گیرد. با مد نظر قرار دادن هزینه های پایین و درک آسان WSN، MAC 802.15.4، باعث کاهش پیچیدگی می گردد که الگوریتم های ساده تری را به وجود می آورد، اما ان دارای فناوری مناسبی برای تضمین انتقال معتبر در ارتباط با ترافیک بالا و تحرک بالا نمی باشد. لایه شبکه زیگبی از مسیریابی AODVjr ، که بر مبنای تغییر موارد تک کاره در ارتباط با مسیریابی بردار مسافت مورد نظر، پشتیبانی می کند. پروتکل مسیریابی مورد نظر به صورت رویدادگرا بوده، و زمانی به جستجوی مسیری از مبدا به مقصد می پردازد که بسته های داده ارسال گردند. زمانی که هیچ بسته داده منتقل نگردد، گره ها بی حرکت شده و سرانجام وارد وضعیت سکون می گردند. این نوع از پروتکل مسیریابی درخواستی برای WSNHA مناسب می باشد، زیرا برخلاف پروتکل های مسیریابی پیشگیرانه، آن به حفظ جدول مسیریابی تمام وقت برای تمام گره ها نمی پردازد. پروتکل های مسیریابی درخواستی دارای موارد بالاسری مسیریابی و شرایط مرتبط به ذخیره گره پایین تری نسبت به پروتکل های مسیریابی پیشگیرانه می باشد. این محرک کلیدی برای زیگبی برای انطباق AODVjr به عنوان الگوریتم مسیریابی پیش فرض می باشد. شیوه غرق سازی اغلب موارد برای کشف مسیر در پروتکل مسیریابی درخواستی مورد استفاده قرار می گیرد. AODVjr به اجرای کشف مسیر از طریق بسته های درخواستی مسیر (RREQs) نسبت به شبکه بی سیم کل برای تضمین کشف مسیر در مورد ناپایداری پیوند HA می پردازد. به هر حال بسته های غرق شده منجر به خالی شدن توان محدود باتری و کاهش نسبت تحویل بسته در WSNHA می گردد، زیرا MAC 802.15.4 نمی تواند از عهده سربار مسیریابی سنگین در آید، و در زمانی که رقابت و برخورد در لایه MAC روی می دهد، به آسانی منجر به طغیان واکنش ها می گردد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

مابقی مقاله دارای ساختار زیر می باشد. بخش 2 به شرح فعالیت های مربوطه می پردازد، که شامل تجزیه و تحلیل خصوصیات WSNHA و بررسی پروتکل های مسیریابی برای WSNHA.  بومی باشد. بخش 3، انگیزه مرتبط به این فعالیت های جاری را نشان می دهد. بخش 4 به شرح الگوریتم مسیریابی WSNHA-LBAR می پردازد. بخش 5 نشان می دهد که گونه عملکرد WSNHA-LBAR از طریق شبیه سازی مورد ارزیابی قرار می گیرد. بخش 6ف نتیجه گیری را نشان می دهد.

2. آثار مربوطه

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2.1 خصوصیات WSNHA. HA به عنوان یک فناوری کامل بوده، و بسیاری از مقالات به شرح خصوصیات این سیستم ها می پردازند. به طور کلی، ابزارهای WSNHA به سه دسته تقسیم می شوند: سنسورها، محرک ها، و کنترل کننده ها. سنسورهایی که در سرتاسر خانه پخش می شوند به جمع آوری داده های فیزیکی همانند دما، رطوبت، حرکت و میزان نور می پردازند. محرک ها به اهداف کنترل سیستم همانند لامپ ها، یخچال های، و دستگاه تهویه هوا می باشند. توابع کنترل HA معمولا در محرک ها جاسازی می شوند. گره های محرک معمولا دارای موقعیت ثابتی بوده و برق آن از طریق منبع الکتریسیته تامین می شود. کنترل کننده ها برای کنترل و جستجوی تنظیمات اتوماسیون خانه مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این، ابزارهای رابط کاربری سیار همانند PDA و تلفن های هوشمند قادر به دسترسی به شبکه برای کنترل یا بازبینی اهداف می باشند. این تجهیزات دستی معمولا سیار بوده و تنها به طور تصادفی ارتباط بر قرار می کنند.

بعضی از گره های سنسور توان باتری به آسانی منطبق با شارژ مجدد باتری یا جایگزین گردن مکرر باتری  نمی باشند. این نشان می دهد که الگوریتم مسیریابی، بازده انرژی را مد نظر قرار می دهد. به دلیل هزینه پایین، گره های سنسور معمولا دارای حافظه محدود می باشند، که مستلزم این می باشد که الگوریتم مسیریابی ساده بوده دارای ذخایر اطلاعاتی پایینی باشد. پوشش WSNHA معمولا کم بوده، و توزیع گره سنسور بستگی به ساختار خانه و کاربرد آن دارد، که نیازمند الگوریتم مسیریابی می باشد که به طور خودکار با توزیع گره سازگار باشد. بی ثباتی پیوند به عنوان بحثی می باشد زیرا انتشار سیگنال درون یک اتاق منجر به بازتاب، انکسار، و پراکندگی بیشتری نسبت به مواردی که در هوای آزاد هستند می شود، به ویژه زمانی که سکنه در خانه هستند. این موارد نیازمند این شرایط می باشد که الگوریتم مسیریابی به طور خودکار با بی ثباتی پیوند سازگار شود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2.2 مقایسه پروتکل های مسیردهی برای WSNs ها. به طور کلی، پروتکل های مسیریابی WSN بر مبنای مسیریابی تخت طبقه بندی می شوند، که بستگی به ساختار شبکه دارد. مسیریابی مسطح دارای شرایط ذخیره سازی پایین و یک الگوریتم ساده می باشد، و از سرریزی به عنوان فناوری مسیریابی اصلی استفاده می کند. پروتکل های معمول مسیریابی ب صورت تخت شامل نفوذ مستقیم، SPIN، مسیریابی انتشار، و GBR می باشد. قناوری سرریز شدن منجر به تاخیر قابل توجهی و مصرف انرژی بی نیاز شده به گونه ای که داده به سمت هر حسگر فرستاده می شود.

مسیریابی خوشه ای به عنوان روش کارآمدی برای کاهش مصرف انرژی بوده و و عمر شبکه را در یک دسته بیشتر می کند. تعداد پیام هایی که به ایستگاه اصلی انتقال می یابند از طریق تراکم یا آمیختن داده ها کاهش می یابند. مسیریابی خوشه ای اساسا بر مبنای مسیریابی دو لایه ای به اجرا در می آیند: یک لایه برای انتخاب راس شاخه مورد استفاده قرار می گیرد، و لایه دیگر برای مسیریابی مورد استفاده قرار کمی گیرد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

پروتکل های مسیریابی بر مبنای موقعیت دارای پیچیدگی کمتر بوده و برای به اجرا در آمدن آسان تر از پروتکل های مسیریابی خوشه ای بوده که این به دلیل کاهش سرریزی می باشد. سیستم های WSNHA معمولا کوچک بوده و اکثر گره ها ساکن می باشند. بدست اوردن اطلاعات مربوط به موقعیت به آسانی در WSNHA به اجرا در می آید. وجود سیستم دریافت کننده سیستم موقعیت یابی جهانی کوچک و با توان پایین  برای محاسبه مختصات نسبی این امکان را به وجود می آورد تا الگوریتم مسیریابی مربوط به موقعیت را در WSNHA بکار بریم. اطلاعات موقعیت هر گره سنسور در WSNHA ذخیره می گردد. این باعث می شود که مسیریابی بر مبنای موقعیت برای WSNHA. مناسب تر باشد. مسیریابی بر مبنای موقعیت از اطلاعات مربوط به محل برای کاهش مصرف انرژی استفاده کاملی می کند. پروتکل های مسیریابی معمول بر مبنای موقعیت شامل GAF و GEAR می باشد.

2.3 مسیریابی بر مبنای موقعیت. در WSNHA,، ایجاد یک الگوریتم مسیریابی منطقی و موثر به دلیل منابع محدود و بی ثباتی پیوند یک فعالیت چالش انگیز می باشد. ما می توانیم مسیریابی بر مبنای موقعیت را ب طبق به کاربرد اطلاعات محل به سه نوع تقسیم کنیم. اولین مورد الگوریتم مسیریابی متمرکز می باشد که در آن هر گره تنها از موقعیت خودش، گره های مجاور، و مقصد برای ارسال بسته ها به مرحله بعد، استفاده می کند. پروتکل های مسیریابی متمرکز معمول شامل GPSR [23], GEAR [20], and GOAFR [24] می باشد. مولفه اصلی در این نوع از مسیریابی پیشروی سیرنشدنی می باشد که در ان بسته ها می بایست در هر مرحله در طول مسیر پیش به جلو روند. هر گره بسته ها را به سمت بخش های مجاور به سمت مقصد نزدیک تر می کند تا زمانی که در نهایت بسته ها به مقصد خود برسند. پیشروی مستمر باعث می شود که گره ها در حداقل محل به پایان خود برسند. به عبارت دیگر، اگر گره ها دارای اطلاعات موقعیتی مناسبی باشند، انتقال مستمر بر مبنای چرخه ای تضمین می گردد.

دومین نوع از مسیریابی بر مبنای موقعیت الگوریتم مسیریابی شبکه ای می باشد که شبکه را به رشته های کوچک بیشتری بر مبنای اطلاعات محل گره ها تقسیم می کند. تمام گره ها در رشته های کوچک تنها داده بسته ها را به راس رشته ها ارسال می کنند. پیش آهنگ رشته ها مسئولیت مسیریابی بسته ها داده را توسط رشته ها دارند. الگوریتم های مسیریابی بر مبنای رشته های معمول شامل GAF [19] and GRID [25] می باشد. الگوریتم های مسیر یابی بر مبنای رشته برای شبکه های بزرگ و متراکم به دلیل کاهش پیچیدگی مسیر مناسب می باشند. به هر حال تقسیم کردن شبکه به رشته ها برای سیستم های کوچک همانند WSNHA دارای سودمندی کمتری می باشد.

نوع سوم الگوریتم مسیریابی به کمک موقعیت می باشد که از اطلاعات موقعیت گره ها برای کشف مسیر استفاده کرده و باعث محدود کردن کشف مسیر در محدوده جغرافیایی در حول و حوش منطقه می گردد. پروتکل های مسیریابی به کمک محل  شامل LAR [26], DREAM [27] و LBM [28]. AODVjr در زیگبی از شیوه غرق سازی برای کشف مسیر استفاده می کند. بنابراین طرح مسیریابی به کمک محل برای توسعه AODVjr مفید می باشد.

3. انگیزه برای فعالیت های کنونی

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

بهبود فعالیت های متمرکز، مسیریابی بر مبنای موقعیت را امکان پذیر می کند. ما می توانیم استفاده کاملی از اطلاعات موقعیتی گره ها برای کشف مسیر AODVjr کرده و کشف مسیر را به مناطق کوچکتری در حول و حوش مقصد محدود کنیم، این استراتژی به نام مسیریابی توسط موقعیت می باشد ( منطقه کوچکتر به نام منطقه درخواستی در این مقاله می باشد). به هر حال بر روی دو مشکل می بایست غلبه کرد. اولی، تعریف و محاسبه منطقه درخواستی و دومی سازگاری خودکار منطقه درخواستی می باشد.

3.1 تعریف و محاسبه مناطق درخواستی. LAR [26]، DREAM [27] و LBM [28] شکل مربوط به سه منطقه درخواستی را نشان می دهند: مستطیل، میله ای و پروانه ای. به هر حال LAR و DREAM برای شبکه های تک منظوره طراحی می گردند، و بنابراین منطقه درخواست در LAR و DREAM با استفاده از سرعت گره سیار محاسبه می شوند. منطقه درخواستی در LBM برای محدود کردن کشف مسیر طراحی نشده اما برای انتقال بسته داده می باشد. اکثر گره ها در WSNHA به صورت ثابت می باشد، بنابراین شکل مناطق درخواستی از طریق تعریف در LAR, DREAM, and LBM حاصل شده، امنا محاسبه حوزه های درخواستی می بایست متناسب با عملکرد باشد.

3.2 انطباق خودکار نواحی درخواستی. به طور کلی، هر چه فضا برای جستجو کوچکتر باشد، مسیریابی موارد بالاسری و میزان انتشار کمتر می باشد. به هر حوزه های درخواستی کوچکتر می تواند منتهی به مسیریابی بی ثبات در مناطق مورد نظر گردد، گویی یک مسیر باثبات خارج از حوزه های درخواستی وجود دارد. ما این را به نام روزنه در حوزه های درخواستی می نامیم. اگر روزنه ای در منطقه درخواستی باشد، کشف مسیر احتمالا چندین بار انجام می گیرد که در عوض سربار مسیریابی و زمان تنظیم مسیر را افزایش می دهد. توسعه دادن نواحی درخواستی به کل شبکه، زمانی که کشف مسیر دچار عیب می شود، به سرعت عملکرد را کاهش داده و مزایای الگوریتم را بر مبنای منطقه درخواستی محدود شده از بین می برد. علاوه بر این بسط دادن حوزه های درخواستی منجر به طغیان انتشار بر روی لایه MAC و کاهش در نسبت انتقال بسته می گردد. برای اینکه الگوریتم مسیریابی نسبت انتقال بسته های بالا را در حال به حداقل رساندن اندازه حوزه درخواستی  که در نهایت منجر به کاهش مسیریابی بالاتر می گردد، مد نظر قرار دهد، گره های حسگر به طور اتوماتیک اندازه مناطق درخواستی را بر طبق به حالت شبکه تطبیق می دهند.

الگوریتم 1: recvRREQ

این مقاله تمرکزش را بر روی مشکلات بالا برای توسعه الگوریتم مسیریابی قرار می دهد که می تواند شرایط WSNHA را مد نظر قرار دهد درحالی که سربار مسیریابی را به حداقل می رساند.

4. الگوریتم مسیریابی

در مسیریابی AODVjr، زمانی که گره دوم s دارای داده هایی برای ارسال به گره مقصد d باشد اما دارای هیچ مسیر کنونی برای مقصد نباشد، مراحل کشف مسیر را با انتشار بسته درخواستی مسیر (RREQ) آغاز می کند. گره میانجی، به دنبال دریافت RREQ برای اولین بار، RREQ را بار دیگر منتشر می کند، اگر مسیر مربوط به D را نشناسد. زمانی که RREQ به گره ای برسد که دارای مسیری به سمت D باشد ( که به عنوان گره مقصد D می باشد)، بسته پاسخ دهنده مسیر (RREP) به S بر می گردد. زمانی که S، RREP را دریافت می کند، اطلاعات مسیریابی را در مورد D به سمت جدول مسیریابی کشانده و از اطلاعات مسیریابی برای ارسال داده به D استفاده می کند.

به جای جستجوی کورکورانه برای مسیر در کل شبکه، WSNHA-LBAR از اطلاعات محل گره های سنسور برای محدود کردن فضای جستجوی مسیر به منطقه درخواستی تخمین زده شده کوچکتر، استفاده می کند.

4.1  کشف مسیر بر مبنای محل. زمانی که منطقه R تعریف می گردد، ادرس های گره منبع و گره مقصد در RREQ ذخیره می گردد. هر گره میانجی X0 ، RREQ را دریافت کرده و سپس به اجرای الگوریتم recvRREQ از WSNHA-LBAR برای پیش بردن RREQ همان طور که الگوریتم 1 نشان می دهد، می پردازد.

در الگوریتم recvRREQ، گره های ثابت در منطقه Z، مسئول انتشار مجدد RREQ بوده، اما گره های ثابت در منطقه Z مسئول انتشار مجدد RREQ نمی باشند و این گره مقصد نمی باشد، آن مستقیما RREQ را رد می کند، زیرا مسیری که از گره سیار به عنوان گره میانجی استفاده می کند، به صورت پایدار نمی باشد.

در WSNHA-LBAR، انتخاب دقیق منطقه R مناسب می تواند تعداد RREQs منتشر شده را کاهش داده و در پهنای باند و انرژی صرفه جویی کند. بنابراین تعریف منطقه R، مستقیما عملکرد WSNHA-LBAR را تحت تاثیر قرار می دهد. چون ر برای پوشش مناطق کوچک مد نظر می باشد، منطقه R مستطیل شکل سربار مسیریابی را کاهش نمی دهد. اگر گره های مبدا و مقصد در حاشیه WSNHA, قرار گیرند، منطقه R مستطیلی به سادگی در شبکه کلی تنزل می یابد. منطقه R پروانه ای شکل برای WSNHA بسیار محدود ب.ده و بنابراین به آسانی منتهی به عدم موفقیت در گشف مسیر می گردد. در زیر،د ما به معرفی تعریف منطقه R پرداخته و قضاوت می کنیم که آیا گره های سنسور در منطقه R قرار می گیرند.

در شکل 1، گره S را که نیازمند یافتن مسیری به سمت D می باشد مد نظر قرار دهید، اگر هیچ مسیر معتبری در جدول مسیریابی S به سمت D وجود نداشته باشد، S کشف مسیر را برای پیدا کردن یک مورد آغاز می کند. قبل از کشف مسیر، S می تواند منطقه R را بین S و D ایجاد کند. یک دایره که دارای مرکز S و شعاع r باشد، به توصیف دامنه انتقال سیگنال رادیویی می پردازد؛ دامنه انتقال هر گره به نظر یکسان می باشد. منطقه R، به عنوان منطقه استوانه ای می باشد، که به صورت خطوط نقره ای قرمز رنگ در شکل 1 نشان داده می شود، جایی که فرض بر این می باشد که مختصات X0، S و D به ترتیب عبارتند از جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

4.2 انطباق منطقه درخواستی. دو مورد منجر به نسبت انتقال پایین بسته ها در WSNHA-LBAR می گردد. اولی زمانی می باشد که هیچ مسیری از s به d در منطقه r کنونی وجود نداشته باشد. در این مورد، ما نیاز داریم شعاع منطقه R استوانه ای را کاهش دهیم. مورد دوم شامل برخورد سنگین در لایه MAC می باشد، که منجر به عدم موفقیت انتقال بسته داده می گردد. در این مورد، ما شعاع منطقه R را کاهش می دهیم به صورتی که فضای جستجوی مسیرهای کوچکتر شانس برخورد مشکلات را در MAC 802.15.4 کاهش می دهد. علاوه بر این زوج مبدا و مقصد در WSNHA به صورت تصادفی می باشد. اگر ما به تعریف شعاع مشابه منطقه R در هر مبدا و مقصد بپردازیم، عملکرد کشف مسیر بر مبنای محل نمی تواند به حد مطلوب برسد زیرا مبدا و مقصد مختلف، مرتبط به مشکلات شبکه متفاوتی ( همانند بی ثباتی پیوند، اختلال در محیط، و برخورد شدید در لایه MAC) می باشند. برای مهندسان بسیار مشکل می باشد تا شعاع مناسب منطقه R را برای زوج های منبع و مقصد تعریف کنند. ما به طرح الگوریتم منطبق برای منطقه درخواستی بر مبنای قضیه بیز می پردازیم، که این امکان را برای گره ها ایجاد می کند تا منطبق با شعاع منطقه R از طریق خودفراگیری باشند. برای تشخیص انطباق اتوماتیک شعاع منطقه R از طریق خودفراگیری، می بایست به حل دو مشکل زیر بپردازیم.

i) گره سنسور، چه نوع اطلاعات و دانشی را از پیدا کردن مسیر بدست می آورد.

ii) چگونه می توان برای انطباق اتوماتیک شعاع منطقه استوانه ای، استفاده کاملی از اطلاعات ( که گره سنسور به دست می آورد)کرد؟

ما می توانیم تعداد ارسال مجدد RREQs را بر مبنای اطلاعات مد نظر قرار دهیم، که گره های سنسور می توانند از ان ها آگاهی پیدا کنند زیرا گره مبدا RREQ را مجدادا ارسال می کند به صورتی که گره مبدا RREP را دریافت نمی کند. ارسال مجدد RREQ نشان می دهد که شعاع کنونی منطقه R نامناسب بوده و می بایست اصلاح گردد. بنابراین می توانیم انتقال موفق را بر مبنای دریافت RREP را زمانی که RREQ در منطقه R کنونی به جریان می افتد، مد نظر قرار دهیم. همچنین، ما می توانیم انتقال ناموفق را بر مبنای عدم دریافت RREP، زمانی که RREQ در منطقه R کنونی به جریان می افتد، مد نظر قرار دهیم. خودفراگیری گره سنسور زمانی روی می دهد که تعداد انتقال های موفق و ناموفق محاسبه شده و به محاسبه احتمال انتقال موفق برای شعاع منطقه R متفاوت بپردازد. گره سنسور به انتخاب شعاع منطقه R پرداخته که سازگار با بیشترین احتمال دریافت RREP می باشد.

مراحل خودفراگیری زیر توسط قضیه بیز مد نظر قرار می گیرد.

4.2.1 قضیه بیز. قضیه بیز روشی را نشان می دهد که احتمالات شرطی مرتبط به موارد معکوس می باشد. این قضیه احتمالات قبلی فرضیه A را از نقطه نظر احتمالات پیشین A و B و احتمالات B با مد نظر قرار دادن A بیان می کند. آن نشان می دهد که شواهد دارای تاثیر مطابقت دهنده بیشتری می باشند اگر بل از مشاهده غیر محتمل تر باشند. قضیه بیز مرتبط به احتمالات شرطی و حاشیه ای A و B بوده و به صورت زیر بیان می گردد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

جدول 1. ساختار داده اصلی: جداول و نمودار

احتمال مشروط انتقال موفق زمانی که شعاع منطقه R بصورت R می باشد توسط فرمول زیر داده می شود.

مفهوم انطباق خودکار منطقه درخواستی

ساختار داده برای تحقق. ما بر اساس قضیه بیز سه جدول و دو نمودار را برای درک خود انطباقی منطقه R استوانه ای بر مبنای قضیه بیز ایجاد می کنیم. نقش و شرح این ساختار داده در جدول 1 داده شده است. در اینجا عدم موفقیت، مجموع شکست و مجمع موفقیت ها برای محاسبه احتمال پیشین مورد استفاده قرار گرفته و احتمال برای ذخیره احتمالات پسین مورد استفاده قرار می گیرد.

قبل از اینکه ما به شرح محاسبه کامل بپردازیم، مجموعه اصطلاحات زیر را مد نظر قرار می دهیم.

iجهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید. که در جدول احتمال یافت می گردد. زمانی که گره سنسور RREQ را برای یافتن مسیر ارسال می کند، اما RREP را دریافت نمی کند، از مقدار دیگری به عنوان شعاع استوانه ای منطقه R برای ارسال مجدد RREQ استفاده می کند. به منظور اجتناب از استفاده مقادیر مشابه بر مبنای آخرین زمان، ما بخش ازمایشی را مقادیر مورد استفاده را به صورت 1 نشان گذاری می کنیم. زمانی که گره سنسور receives را دریافت کرد، گره سنسور بخش آزمایشی مقادیر شعاع احتمالی را به صفر باز می نشاند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

در ابتدا ما به تجزیه و تحلیل sendRREQ می پردازیم. قبل از اینکه گره سنسور به انتشار RREQ برای پیدا کردن مسیر بپردازد، می بایست R احتمالی را بر طبق به جدول احتمال انتخاب کند. در ابتدا احتمال به صورت تهی می باشد، و گره سنسور نمی داند که کدام R مقدار بهینه می باشد. بنابراین ما به تنظیم انتقال شعاع گره سنسور به عنوان شعاع اولیه منطقه R می پردازیم، که به این معنا می باشد که مقدار اولیه R برابر با دامنه حداکثر انتقال گر ارسال کننده می باشد. بعدها، به محض اینکه گره سنسور RREP را دریافت نکرد، RREQ را مجدادا ارسال می کند. به عبارت دیگر، شعاع مرتبه آخر جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید..

دوم، ما به تجزیه و تحلیل تابع recvRREP می پردازیم، این طرح در الگوریتم 3 نشان داده شده است. زمانی که گره سنسور با موفقیتRREP  را دریافت می کند، یاز دارد تا این انتقال موفق را با استفاده از مقدار شعاع کنونی ثبت کرده و و جدول موفقیت ان را اصلاح کند. چون مقدار شعاع کنونی قبلا توسط pre region ثبت شده است، و در عین حال، گره سنسور successs sum را به اندازه 1 افزایش داده است، به این ترتیب گره سنسور از معادله (10) برای محاسبه جدول احتمال استفاده کرده و try را برای تمام مقادیر در جدول احتمال به صفر تنظیم می کند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل 3. خلق دینامیکی جدول

5. ارزیابی عملکرد

به منظور ارزیابی ویژگی های عملکردی پروتکل WSNHA-LBAR، ما مدل شبیه سازی شده را با استفاده از ابزار شبیه سازی NS2 ایجاد می کنیم. هدف ما در به اجرا در اوردن این ارزیابی پیدا کردن مزایای WSNHA-LBAR با مقایسه عملکرد WSNHA-LBAR با پروتکل های مسیریابی بی سیم دیگر می باشد. همان طور که می دانیم، استاندارد محبوب برای کاربرد WSN معیار زیگبی می باشد. لایه شبکه زیگبی مسیریابی AODVjr را پشتیبانی می کند. بنابراین در ارزیابی، ما از NS2 برای مقایسه عملکرد WSNHA-LBAR و AODVjr استفاده می کنیم.

علاوه بر این، به منظور یافتن مزایای مرتبط به طرح خودانطباقی در WSNHA-LBAR، ما همچنین به مقایسه عملکرد WSNHA-LBAR و LAR می پردازیم که ناحیه استوانه ای بصورت منطقه درخواستی می باشد.

5.1 اندازه گیری عملکرد. ما از چهار معیار برای تجزیه و تحلیل عملکرد WSNHA-LBAR و AODVjr استفاده می کنیم.

5.1.1. نسبت ارسال بسته. این به عنوان نسبت ته تعداد بسته های داده دریافتی نسبت به موارد ارسالی اصلی می باشد. معیار متری نشان دهنده موثق بودن پروتکل مسیریابی می باشد.

5.1.2 سربار مسیریابی. این تعداد بسته های فرمان مسیریابی می باشد و این معیار سنجشی نشان می دهد که چه مقدار پهنای باند توسط بسته های فرمان مسیریابی اشغال می گردد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

5.2 پارامترهای شبیه سازی. جدا از الگوریتم های مسیریابی، فاکتورهای زیادی وجود دارد که نتایج شبیه سازی نهایی را همانند تعداد گره های ایستا و گره های متحرک، سرعت گره های متحرک، و نسبت بسته های ارسالی را در لایه کاربردی تحت تاثیر قرار می دهد. برای اینکه محیط شبیه سازی را به HA نزدیک کنیم، ما چهار پارامتر زیر را مد نظر قرار می دهیم.

5.2.1 تعداد گره های متحرک. معمولا تعداد کمی از گره های متحرک در کاربرد WSNHA وجود دارد؛ بنابراین ما نیاز نداریم تا تمرکزمان را بر روی گره های متحرک سطح بالا قرار دهیم. از طرف دیگر، لایه MAC از WSNHA بر مبنای MAC 802.15.4 [32] می باشد که برای شبکه متحرک سطح بالا مناسب نمی باشد.

5.2.2 دامنه انتقال. دامنه انتقال توسط ویژگی های کانال بی سیم در محیط WSNHA و پارامترهای بخش توسعه که ما در HA مورد استفاده قرار می دهیم، مشخص می گردد.

5.2.3 نسبت بسته های ارسالی. لایه MAC از WSNHA به صورت MAC802.15.4. می باشد. ان دارای ویژگی های بکارگیری خروجی داده سطح پایین، توان پایین، و هزینه پایین می باشد. به طور کلی MAC 802.15.4 نسبت انتقال بسته های بالا را برای ترافیک کاربردی بیش از 1 بسته در ثانیه حفظ می کند، اما این مقدار به سرعت زمانی که بارگذاری ترافیک افزایش دارد، کاهش می یابد.

5.2.4 اندازه بسته. از یک طرف، اندازه بسته کاربردی در اکثر کاربردهای WSNHA خیلی بزرگ نمی باشد. از طرف دیگر، اندازه بسته کاربردی بستگی به خصوصیات IEEE802.15.4 دارد، چون حداکثر اندازه فریم MAC برابر با 102 بایت می باشد. علاوه بر این، ما می بایست کاربردهای بالاسری را در لایه کاربردی و سربار مسیریابی در لایه شبکه مد نظر قرار دهیم؛ بنابراین در اکثر شبیه سازی های NS2، اندازه بسته کاربردی متعلق به دامنه 35 بایت نسبت به 90 بایت می باشد.

به طور خلاصه، ما از پارامترهای شبیه سازی شده نشان داده شده در جدول 2 برای طراحی سناریوهای شبیه سازی بر طبق به شرایط خاص سناریو در WSNHA استفاده می کنیم.

5.3 طرح سناریوهای شبیه سازی. ما پنج گروه از سناریوهای شبیه سازی را بر طبق به کاربرد HA طراحی می کنیم. در هر گروه، پارامترهای شبیه سازی اصلی که در جدول 2 نشان داده می شود، یکسان می باشد.

5.3.1. اولین گروه از سناریو شبیه سازی. در این گروه از سناریوهای شبیه سازی، ما تراکم کار شبکه، تعداد گره های متحرک، و اندازه میدان سنسور را در تمام سناریوهای شبیه سازی، تثبیت می کنیم و به مطالعه اندازه گیری عملکرد به عنوان تابع مقدار گره های سنسور می پردازیم.

با مد نظر قرار دادن اینکه تعداد ناچیزی از گره های متحرک در WSNHA وجود دارد، تعداد گره های متحرک در این گروه از سناریوهای شبیه سازی شده به 2 محدود می گردد. سه جفت از مبدا/ مقصد به صورت تصادفی از سنسورهای بکار گرفته شده در 50m تا 50 متر مربع میدان سنسور انتخاب می گردند. چون اندازه میدان سنسور تغییر نمی یابد، ما به تدریج تعداد گره ها را در شبکه افزایش می دهیم. تعداد گره های سنسور از 100 به 200 گره با فاصله افزوده 50 گره افزایش می یابد.

5.3.1 سناریو شبیه سازی گروه دوم. در این گروه از سناریوهای شبیه سازی شده، ما تعداد گره های سنسور، تعداد گره های متحرک، و اندازه میدان سنسور را در تمام سناریوهای شبیه سازی تثبیت می کنیم و به مطالعه اندازه گیری عملکرد بر مبنای تابع تراکم کار شبکه می پردازیم.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

5.3.3 سومین گروه از سناریوهای شبیه سازی شده. در این گروه از سناریوهای شبیه سازی شده، ما تعداد گره های سنسور، ظرفیت شبکه، و اندازه میدان سنسور را در تمام سناریوهای شبیه سازی شده تثبیت کرده و به مطالعه اندازه گیری عملکرد بر مبنای تابع تعدادی از گره های متحرک می پردازیم.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

5.4 نتایج شبیه سازی و تحلیل

4.1 اولین گروه از نتایج شبیه سازی شده. شکل 4 نسبت انتقال بسته حاصل شده را با استفاده از WSNHA-LBAR, LAR و AODVjr در سه سناریو برای گروه اول شبیه سازی ها نشان می دهد. نسبت ارسال بسته سه الگوریتم مسیریابی زمانی که تعداد گره ها افزایش نشان می دهد، کاهش می یابد، زیرا این فرایند منجر به رقابت سنگین در لایه MAC می گردد. نسبت ارسال بسته از WSNHA-LBAR و LAR بسیار بالاتر از AODVjr در تمام سناریوها می باشد زیرا منطقه R استوانه ای سربار مسیریابی را کاهش می دهد، که در عوض ظرفیت را بر روی لایه MAC کاهش می دهد.

شکل 4. مقایسه نسبت تحویل بسته با استفاده از WSNHA-LBAR، LAR و AODVjr در سناریو 1 با 100 گره ، سناریو 2 با 150 گره و سناریو 3 با 200 گره.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل 5. مقایسه نسبت تحویل بسته با استفاده از WSNHA LBAR,، LAR، و AODVjr در سناریو 1 یا یک زوج مبدا/ مقصد، سناریو 2 با دو زوج مبدا/ مقصد، سناریو 3 با سه زوج مبدا/ مقصد، سناریو 4 با چهار زوج مبدا/ مقصد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

جدول 5 نتایج اندازه گیری چهار معیار سنجشی عملکرد را برای WSNHA-LBAR, LAR و AODVjr در سناریوهای مختلف فهرست می کند. عملکرد موارد بالاسری WSNHA-LBAR و LAR بهتر از AODVjr می باشد زمانی که WSNHA-LBAR و LAR  نسبت تحویل بسته بالا را حفظ می کنند. به هر حال عملکرد برای تاخیر متوسط بسته LAR و AODVjr بهتر از WSNHALBAR می باشد زیرا خودفراگیری اتوماتیک در WSNHALBAR از طریق کاهش عملکرد تاخیر میانگین بسته مبادله می گردد.  عملکرد برای موارد بالاسری WSNHALBAR و LAR بسیار نزدیک بوده و عملکرد برای نسبت انرژی باقیمانده سه الگوریتم مسیریابی نزدیک به هم می باشد.

5.4.4 شبیه سازی چهارم. شکل 7 نسبت تحویل بسته های حاصل شده را با استفاده از WSNHA-LBAR، LAR و AODVjr در سه سناریو برای گروه چهارم شبیه سازی نشان می دهد. سه نسبت تحویل بسته از سه الگوریتم مسیریابی زمانی که پوشش شبکه و تعداد گره ها افزایش می یابند، کاهشی را نشان می دهد، زیرا این فرایند منجر به رقابت شدید و برخورد در لایه MAC می گردد. نسبت تحویل بسته WSNHA-LBAR و LAR بسیار بالاتر از AODVjr در تمام سناریوها می باشد زیرا منطقه R استوانه ای موارد بالاسری مسیریابی را کاهش می دهد، که در نهایت سنگینی را بر روی لایه MAC کاهش می دهد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل 6. مقایسه نسبت تحویل بسته با استفاده از WSNHA LBAR، LAR و AODVjr در سناریو 1 با یک گره سیار، سناریو 2 با دو گره سیار، سناریو 3 با سه گره سیار و سناریو 4 با چهار گره سیار.

جدول 5. : مقایسه عملکرد در سناریوهای مختلف: WSNHA LBAR در مقابل LAR در مقابل AODVjr.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

5.4.5

شبیه سازی پنجم. شکل 8 نسبت تحویل بسته را با استفاده از WSNHA-LBAR, LAR و AODVjr در سه سناریو برای شبیه سازی گروه 5 نشان می دهد. نسبت تحویل بسته سه الگوریتم مسیریابی زمانی که پوشش شبکه و تعداد گره ها افزایش می یابد، کاهش می یابد، زیرا این موارد منجر به رقابت سنگین و برخورد در لایه MAC می گردد. نسبت تحویل بسته WSNHA-LBAR و LAR بالاتر از AODVjr تمام سناریو ها می باشد زیرا منطقه R استوانه ای موارد بالاسری مسیریابی را کاهش می دهد، که در عوض ظرفیت را بر روی لایه MAC کاهش می دهد.

جدول 7، نتایج اندازه گیری چهار معیار سنجشی عملکردی را برای WSNHA-LBAR LAR و AODVjr در سناریوهای مختلف، فهرست می کند. عملکرد WSNHA-LBAR بهتر از AODVjr می باشد زمانی که WSNHA-LBAR نسبت تحویل بسته بالا را حفظ می کند.

ص 13

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل 8: مقایسه نسبت تحویل بسته با استفاده از WSNHALBAR ، LAR و AODVjr در سناریو 1، 2، و 3.

جدول 7: مقایسه عملکرد در سناریوهای مختلف: WSNHALBAR در برابر LAR در برابر AODVjr.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

در ابتدا، نسبت تحویل بسته WSNHA-LBAR بالاتر از موارد LAR و AODVjr در تمام سناریوها می باشد، زیرا منطقه R استوانه ای موارد بالاسری مسیریابی را کاهش می دهد، و الگوریتم خودفراگیری در WSNHA-LBAR این امکان را برای گره سنسور ایجاد می کند تا به طور اتوماتیک موارد بهینه R را با مد نظر قرار دادن تعداد انتقال مجدد، بدست آورد.

دوم اینکه، عملکرد برای موارد بالاسری مسیریابی WSNHA-LBAR و LAR بهتر از AODVjr می باشد زیرا منطقه R استوانه ای، انتقال RREQ را کاهش می دهد. هیچ تفاوت بزرگی در مسیریابی موارد بالاسری بین WSNHA-LBAR و LAR وجود ندارد زیرا آن ها از منطقه R استوانه ای مشابهی در الگوریتم استفاده می کنند به جز اینکه WSNHA LBAR به انطباق اندازه منطقه R استوانه ای در زمان انتقال مجدد RREQ می پردازند، که منجر به اختلاف کوچکی بین WSNHALBAR و LAR می گردد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

چهارم، فرض کنید ما به تحلیل تاخیر متوسط بسته ها می پردازیم. با استفاده از نتایج شبیه سازی، می توانیم در یابیم که عملکرد برای تاخیر متوسط بسته LAR و AODVjr بهتر از WSNHA-LBAR می باشد زیرا خودفراگیری اتوماتیک در WSNHA-LBAR توسط کاهش عملکرد برای تاخیر متوسط بسته مبادله می گردد. فرایند خودفراگیری و یافتن مقدار مطلوب به زمان بیشتری نیاز دارد. علاوه بر این، ما به محاسبه تاخیر بسته هایی که با موفقیت تحویل داده نمی شوند در این تجزیه و تحلیل مربوط به تاخیر، نمی پردازیم. تاخیر این بسته ها به صورت نامحدود می باشد. زیرا بسته های تحویل داده نشده را که دارای تاخیر نامحدود می باشند، نادیده گرفته و تنها بسته هایی را محاسبه می کنیم که با موفقیت منتقل می گردند، تاخیر بسته متوسط AODVjr کمتر از موارد مربوط به LBAR و LAR می باشد. اگر ما تاخیر بسته هایی را که با موفقیت منتقل نمی گردند محاسبه کنیم، اختلاف در تاخیر میان LBAR, LAR و AODVjr حتی بزرگتر می باشد.

6. نتیجه گیری

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.