دانلود رایگان ترجمه مقاله داده‌ های مبتنی بر ابر در شبکه‌ های بی‌ سیم (ساینس دایرکت – الزویر 2015)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

وظایف این مقاله به شرح زیر می‌باشد. 1. ما نمونه ای اولیه را از سیستم شبکه‌ای منطقه ای برای ارسال پکت داده های جمع آوری شده از بدن به ابر ایجاد کرده و سپس سیستم ارائه‌شده را مورد اعتبارسنجی قرار می‌دهیم. 2. با استفاده از این مدل اولیه، یک منبع ذخیره‌سازی قابل رشد و یک زیرساخت پردازنده را برای سیستم‌های WBANS که مقیاس بالایی دارند، ارائه می‌دهیم. این زیرساخت به طرز کارآمدی قادر خواهد بود داده های حجیم تولیدشده توسط سیستم WBAN را با ذخیره‌سازی و انجام فعالیت‌های تحلیلی مدیریت نماید. 3. جمع‌آوری داده مبتنی بر تکه ابر با استفاده از تکنولوژی‌های ارتباطی مقرون‌به‌صرفه به طور کامل سیستم های محرک WBAN را پشتیبانی می‌کند. این تکنولوژی‌های ارتباطی توسط سیستم WBAN و تکه ابری پشتیبانی می‌شود. این رویکرد با راهکارهای بهداشت موبایلی که به علت داشتن هزینه‌های بالای ارتباطی مانند، 3G و LTE محدودیت‌های خاص خود را دارد، متفاوت می‌باشد. 4. مدل ارائه‌شده راهکاری قابل اطمینان بدون خطا را معرفی می‌کند که می‌تواند سیستم های WBAN را با زمینه‌ها و مقیاس‌های متفاوت مدیریت کند. راه حل پیشنهادی به صورت جهانی قابل اجرا بوده و می‌تواند در گستره مکانی وسیع و زمینه‌های متفاوت مورد استفاده قرار گیرد؛ مانند، آتش‌نشانی، نظامی، نظارت دانش آموزان در دانشگاه‌ها و سالمندان در خانه سالمندان. 6. این راهکار نه در بخش WBANS و نه در بخش تکه ابر نیازی به تجهیزات خاص ندارد. 7. عملکرد مدل پیشنهادی توسط شبیه‌ساز کلودسیم مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت تا تاثیر تعداد تکه ابرهای شبیه‌سازی‌شده و محل استقرار آن‌ها مورد ارزیابی قرار گیرد.

2. 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.
یکی از مزیت های استفاده از روش جمع‌آوری داده مبتنی بر مرکز این است که داده ها از ترکیب پکت های داده به وجود می آیند که این پکت ها از گره‌های چندگانه آمده و انرژی مصرف‌شده در شبکه را به‌خوبی کاهش می‌دهند. فرآیند ترکیب چند پکت به یک پکت جمع‌آوری داده نامیده می‌شود. هدف جمع‌آوری داده کاهش تعداد پکت هایی است که در خلال شبکه انتقال داده می شوند. سپس، انرژی مصرفی در کل کاهش پیدا می کند. مدل اولیه جمع‌آوری داده که در فصل 13-15 معرفی خواهد شد، از رویکردی کارآمد برای صرفه‌جویی انرژی استفاده می‌کند، این کار از طریق ترکیب پکت های چندگانه که از گره‌های چندگانه دریافت می‌شود و تبدیل آن‌ها به یک پکت واحد و ارسال آن به مقصد انجام می‌شود. در این مدل اولیه، گره‌های حسگر چندگانه یک فعالیت مشترک را نظارت می‌کنند. به همان صورت، گره‌های میان راهی (MIDWAY NODES) نیز همان فعالیت را نظارت کرده و پکت را به صورت یک پکت واحد متراکم کرده و ارسال می کنند. این مدل اولیه به دلایل زیر در مدل اولیه WBAN قابل به‌کارگیری نمی‌باشد 1. تنها هدف نظارت‌هایی که توسط گره‌های حسگر برداده ها در WBAN انجام می‌گیرد، به دست آوردن یک نتیجه کلی است، 2. در شبکه‌های بیسیم هدف از جمع‌آوری داده کاهش تعداد پکت های ارتباطی است و این کار با حذف افزونه‌های اضافی از داده انجام می‌شود. به‌هرحال، هدف از این مقاله این است که میزان مصرف انرژی انتقال پکت های ارتباطی که توسط WIFI مورد استفاده قرار می‌گیرد نسبت به ارتباط سلولی (CELLULAR) کاهش پیدا کند. با انجام مقایسه با انتقال‌های چندگانه در شبکه‌های حس بیسیم، گره‌های حسگر در WBAN برای انتقال مستقیم طراحی می‌شوند. به‌هرحال، حجم عظیم داده هایی که توسط گره‌های WBAN جمع‌آوری می‌شوند، نیازمند زیرساخت‌های قدرتمندی برای پردازش و ذخیره‌سازی می باشند و انتقال داده باید قدرتمند بوده و قابلیت رشد داشته باشد. جمع‌آوری داده مبتنی بر تکه ابر که در این مقاله پیشنهاد می‌شود نقش مهمی را در دستیابی به اهداف فوق آلذکر ایفا می کند. تا آنجایی که ما می‌دانیم، پیش از این هیچ تحقیقاتی در این زمینه انجام نگرفته است.
استفاده از WBAN در حوزه نظارت بر سلامت برای بیش از یک دهه مورد توجه بسیاری قرار گرفت. برخی از مولفان تکنیک های بهداشت موبایلی را ارائه نمودند که بر مبنای WBAN قرار داشت و راهکارهایی مناسبی را برای نظارت بر سلامت بیماران به صورت روزانه عرضه می‌نمود. این مقاله ایده بهداشت موبایل را برای جمع‌آوری اطلاعات و ایجاد ارتباط استفاده می‌کند، درحالی‌که از رایانش ابری تنها برای ذخیره‌سازی اطلاعات و پردازش آن‌ها در سطح سازمانی بهره می‌برد. یک میان افزار خدمات محور (SOA) بعدا و در فصل 19 به شما معرفی خواهد شد. فرض این ساختار بر این است که حسگرهای WBAN توانایی انتقال داده‌ها را از طریق استفاده از گره دروازه (GATEWAY NODE) دارند که این گره وظیفه انتقال دوباره داده‌ها را به یک واحد رایانشی از راه دور دارد. هم‌چنین گره دروازه قابلیت دریافت اطلاعات کنترل کننده (کنترل کننده وضعیت مورد نظارت) و دیگر اطلاعات مربوط به WBAN را از گره‌های از راه دور دارد.
در فصل 20 موبی کلود (ابری موبایل) ارائه می‌گردد که توضیح می‌دهد که چگونه رایانش ابری موبایل از رایانش موبایل و رایانش ابری پدید می آید. در این تحقیق، مولف قلمرو موبی کلود را گسترش داده و سپس به چالش های تحقیقاتی فعلی در زمینه رایانش ابری موبایل می‌پردازد. سیستم موبی کلود پیشنهادی به وجود آمده است تا پژوهش و تحلیل رایانش ابری موبایل را آسان‌تر گرداند. تاثیر استفاده از تکه ابر همراه با رایانش ابری موبایل در اپلیکیشن های تعاملی (مانند، ویرایش فایل ها، ارسال ویدئو و گفتگوهای اینترنتی مشترک) در فصل 21 مورد تحلیل قرار می‌گیرد. در این تحقیق، دو مدل از نظر توان عملیاتی سیستم و تاخیر در انتقال موردبررسی و تحلیل قرار می‌گیرند. نتایج این پژوهش نشان می دهد که در بسیاری از موارد مدل مبتنی بر تکه ابر عملکردی بهتر از مدل مبتنی برابر داشته است. در فصل 22 مولف ساختاری جدید را بانام MOCHA پیشنهاد می‌دهد که دارای ویژگی تشخیص چهره می‌باشد. هدف از این ساختار کاهش زمان پاسخ در هنگام پروسه تشخیص چهره می‌باشد. MOCHA ترکیبی است از دستگاه‌های موبایل، تکه ابر و سرورهای ابری. مشکلات تخصیص منابع و کنترل پذیرش در اپلیکیشن های اجرایی موبایل در تکه ابر در فصل 23 موردبررسی قرارگرفته اند. مولفان این مقاله این مشکلات را با فرمول‌بندی کردن آن‌ها به شکل فرآیند تصمیم‌گیری سمی ماکروف (SMDP) حل نموده اند. مدل ارائه‌شده در این مقاله یک QOS را برای انواع مختلف کاربران تلفن همراه پیشنهاد می‌کند. موانع و مشکلات فنی استفاده از تکه ابر در رایانش موبایل در فصل 24 موردبررسی قرار می‌گیرد. ساختاری جدید برای پرداختن به موانع مطالعه شده در نظر گرفته‌شده است. این ساختار درخواست های صورت گرفته توسط کاربران را در تکه ابر مدیریت می نماید. این مدیریت بر اساس ماشین های مجازی تعریف شده برای هر کاربر موبایل انجام می گیرد.
ایده جدید ادغام سیستم WBAN و رایانش ابری به دلیل قابلیت پشتیبانی سیستم ابری از تقاضاهای افزایش یافته در رابطه با WBAN گرفته شده است. چرا که WBAN قابلیت افزایش حجم ذخیره سازی را داشته و دارای ظرفیت بالایی از منابع رایانشی است. تا آنجای که ما می دانیم، این ایده جدید هرگز پیش ازاین در هیچ تحقیقی به کار گرفته نشده است. علاوه بر این، ما راهکارهایی در غالب وسایل موبایلی آگهی دهنده و در مقیاس بزرگ ارائه داده ایم که به طور کامل توسط سیستم های WBANS مبتنی بر تکه ابر پشتیبانی می شود، این راهکار ها هرگز پیش از این در جایی ارائه نشده است. در حالی که بیشتر راهکارهای پیشنهادی پیش از این عمدتا مسائل مربوط به سلامتی را مورد هدف قرار می داد، راهکارهای پیشنهادی ما راهکارهای جامعی هستند که محدود به حوزه سلامتی نبوده و می توانند در زمینه ها و محیط های مختلف مورد بهره برداری قرار گیرند. نمونه هایی از این کاربردها به شرح زیر است، سازمان های آتش نشانی، نظامی و نظارت دانش آموزان در مدارس و یا سالمندان در خانه های سالمندان که در این مکان ها استفاده از تکه ابرها به تحرک و خوشه بندی کاربران در این برنامه های کاربردی بستگی پیدا می کند.

3. اکتشافات مقدماتی
3.1 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.
WIFI یک تکنولوژی ویژه است که به وسائل الکترونیکی اجازه می دهد تا بتوانند به صورت بیسیم و با استفاده از امواج رادیویی تبادلات داده ای خود را انجام دهند و به صورت شبکه محلی بیسیم (WAN) تعریف می شود که بر اساس استاندارد های IEEE 802.11 عمل می کند. در حالی که شبکه سلولی شبکه ای است رادیویی که به صورت منطقه ای توزیع می شود و هر شبکه حداقل دارای یک فرستنده-گیرنده با جایگاه ثابت می باشد. شبکه سلولی به تعداد زیادی از دستگاه های تلفن همراه این قابلیت را می دهد که بتوانند با هم از طریق فرستده-گیرنده های ثابت ارتباط برقرار کنند. کاربر WBAN با استفاده از WIFI می تواند پکت های داده ای را با صرف انرژی و تاخیر کمتر نسبت به شبکه سلولی انتقال دهد، اما طیف انتقال از 100M تجاوز نمی کند. این قابلیت WIFI بسیار حیاتی است، چرا که انرژی موجود در حسگرها محدود بوده و حسگرها باید بتواند با صرف انرژی پایین داده ها را به صورت موفقیت آمیز به سیستم ابری انتقال دهند. در روش کاری ما، تکنولوژی WIFI در محدوده تکه ابری قابل دسترسی خواهد بود. مشخص گردیده است که برای انتقال یک پکت 46 بایتی 30 مگاوات انرژی مصرف می شود و مدت زمان ارسال نیز 0.045 میلی ثانیه می باشد. از سوی دیگر، ارتباط شبکه ای گسترده تر (از نظر جغرافیای) شبکه های سلولی (برای مثال، 3G و LTE) این امکان را به وجود می آورد که پکت های داده از هر منطقه ای که تحت پوشش شبکه سلولی باشد، انتقال یابد که معمولا در مقایسه با مناطق تحت پوشش WIFI گستردگی بیشتری دارد. مشخص شده است که برای انتقال پکت داده 46 بایتی نیاز به صرف انرژی به میزان 300 مگاوات بوده و این کار در مدت زمان 0.45 میلی ثانیه انجام می گیرد. در شرایطی که اتصال سلولی از نظر صرف انرژی و زمانی و هزینه برقراری ارتباط بسیار پرهزینه می باشد (WIFI در بیشتر موارد هزینه اتصال رایگان دارد)، این موضوع اهمیت بسیاری دارد که در مواردی که تکه ابر در منطقه وجود ندارد، قابلیت جابجایی کاربران WBAN فراهم شده و قابلیت افزایش توانایی های سیستم برای پشتیبانی از تعداد بالای کاربران WBAN ایجاد شود. همان گونه که ما در بخش 4 در این باره توضیح خواهیم داد.

فراهم کردن امکان جابجایی کاربران WBAN یکی از مهم ترین وظایف مدل پیشنهادی است؛ بنابراین، در هنگام اجرا، یک مدل حرکتی نقطه مسیر تصادفی ارائه شده است تا امکان جابجایی کاربران WBAN ایجاد شود. کاربر تلفن همراه ممکن است با توجه به مکان و زمانی که در آن قرار دارد، در یکی از مناطق ذکر شده در زیر حضور داشته باشد. 1. منطقه تکه ابری (CR): این منطقه توسط WIFI پوشش داده می شود و در این مکان کاربر می تواند با استفاده از تکنولوژی WIFI پکت داده ها را به تکه ابر انتقال دهد. 2. منطقه شرکتی (ER) (منطقه ای که تحت پوشش ابر یک شرکت قرار دارد): این منطقه تحت پوشش شبکه سلولی نام دارد و کاربر تنها با استفاده از تکنولوژی سلولی می تواند پکت داده ها را به ابر شرکتی انتقال دهد. 3. منطقه ای که تحت پوشش قرار ندارد (NC)، در این منطقه نه تکنولوژی WIFI و نه سلولی قابل استفاده نیست و کاربر می تواند داده ها را نگه داشته و زمانی که در منطقه تحت پوشش یکی از این دو تکنولوژی قرار گیرد، ارسال نماید. سپس می تواند داده ها را به ابر تشکیلاتی ارسال کند. با داشتن قابلت تحرک نقطه مسیر تصادفی کاربر می تواند از منطقه ای به منطقه دیگر حرکت نماید، بنابراین مکانیزم انتقال پکت های داده به منطقه تحت پوشش بستگی پیدا می کند. از سوی دیگر، کاربران نیز می توانند داده ها انتقالی را از نزدیک ترین تکه ابر و یا ابر شرکتی دریافت کنند. این داده ها می تواندد شامل پیام های هشداردهنده، کنترل کننده و یا پیام هایی باشند که برای اگاهی از شرایط کاربر WBAN ارسال می شود.

3.2 نمونه های اولیه سیستم های ابری
هدف این بخش توسعه سیستم های اولیه WBAN مبتنی بر تکه ابر می باشد. این سیستم اولیه قصد دارد تا قابلیت مدل ارائه شده را برای نیل به اهداف فوق الذکر به اثبات برساند. در این نمونه، ما به کارگیری ابزار شبیه ساز کلودسیم را گسترش می دهیم تا مدل WBAN مبتنی بر تکه ابر را به خوبی تشریح کنیم. کلودسیم ابزار شبیه ساز مبتنی بر ابری شناخته شده است که در دانشگاه ملبورن استرالیا ابداع شد. کلودسیم اصلی شامل احزاء سازنده تکه ابر WBANS نمی شود. در این نمونه اولیه اجزاء سازنده مورد نیاز WBAN و تکه ابر ایجاد شده و سپس با شبیه ساز کلودسیم ادغام شده اند تا مدل ارائه شده توسط ما مورد بررسی قرار گیرد. این شبیه ساز کلود سیم توسعه یافته بعدا در اختیار عموم قرار خواهد گرفت.