دانلود رایگان ترجمه مقاله مسیریابی ستاره دریایی برای شبکه های حسگر (ساینس دایرکت – الزویر ۲۰۱۸)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1816

با ایجاد شش ناحیه وعده گاه در طول سه قطر اصلی در شبکه عبوری از سلول مرکزی که در شکل ۱(c) نشان داده شده است, این مشکلات در پروتکل HexDD [17] به منظور ارتقای عملکردهای شبکه پرداخته شده اند. در هنگام ارسال داده ها به گره داخلی بین بخش های نزدیک خطوط اصلی مورب, این مناطق, داده ها را تکثیر و ذخیره می کنند. برای بازیابی داده ها، پرس و جوهای سینک روی منطقه وعده گاه قرار می گیرند. اگر داده های درخواست شده در هر گره وعده گاه وجود داشته باشد، داده ها را از طریق مسیر معکوس فرستادن پرس و جوی سینک به سینک ارسال می کند. با این وجود، این پروتکل از مشکل نقطه داغ (نقطه دسترسی) به ویژه در منطقه مرکزی رنج می برد, زیرا تمام داده ها و پرس و جوها از طریق گره مرکزی منتقل می شوند. علاوه بر این، ۶ منطقه ثابت وعده گاه، صرفه نظر از اندازه شبکه, موجب عدم تعادل مصرف انرژی در چند گره وعده گاه در شبکه می شود. به تازگی برخی از انواع دیگر پروتکل های مبتنی بر وعده گاه [۲۲، ۲۶، ۲۷، ۲۸] پیشنهاد شده است؛ اما هیچکدام از آنها نمی توانند از مشکل نقطه داغ جلوگیری کنند.
در مورد رویکرد مبتنی بر ستون فقرات، یک ستون فقرات مسیریابی در شبکه برای بدست آوردن موقعیت سینک تازه و انتقال داده ها به سمت آن [۱۸، ۱۹، ۲۹، ۳۰، ۳۱، ۳۲، ۳۳، ۳۴] توسعه داده شده است. در مسیریابی حلقه [۱۸], یک حلقه بسته از گره ها ساخته شده است که یک مرکز شبکه از پیش تعیین شده سراسری را در خود جای می دهد، همان طور که در شکل (d)1 نشان داده شده است. به محض اینکه سینک سیار, موقعیت خود را تغییر می دهد، مکان به روزرسانی شده به حلقه را با ارسال بسته ها به سمت مرکز شبکه تبلیغ می کند و بنابراین گره های منبع می توانند موقعیت تازه سینک را از حلقه به دست بیاورند. بعدها، گره های منبع, داده ها را به طور مستقیم در حالت چندهاپ به سینک ارسال می کنند. اگر چه این ستون فقرات مسیریابی, موضع گیری سریعتر سینک را ارائه می دهد، مقیاس پذیری آن برای شبکه های بزرگ مورد سوال است. علاوه بر این، با توجه به اندازه شبکه یا محدوده ارتباطی حسگرها، شعاع حلقه مناسب را بررسی نکرده است. نتایج تجربی نشان می دهند که اگر شعاع حلقه خیلی کوچک باشد، زمان موضع یابی سینک برای گره های مرز شبکه افزایش می یابد. همین مسئله برای گره های مرکزی هنگامی رخ می دهد که یک شعاع بزرگ حلقه انتخاب می شود. ستون فقرات نه تنها برای موضع یابی سریع تر سینک موثر است، بلکه همچنین برای تحویل کارامد-انرژی داده ها به سینک موثر است. در [۱۹]، ستون فقرات مسیریابی Fishbone با استفاده از سطوح مختلف جمع کننده ها (به عنوان مثال جمع کننده های اصلی و محلی) ساخته شده است، همان طور که در شکل (e)1 نشان داده شده است. گره های منبع، داده ها را بر روی ستون فقرات در ارسال چندهاپ منتقل می شوند. اگرچه ستون فقرات فوقانی، زیرساخت های ارتباطی بهتر را فراهم می کنند، تأخیر ارائه شده پایانه به پایانه داده ها به دلیل نبود انتخاب شعاع-حلقه مطلوب در [۱۸] و تجمیع چند سطحی در [۱۹] بالاتر است.
با انگیزه از چالش های بالا در زمینه مسیریابی بسته های داده از گره های منبع به سینک سیار در WSN ها، در این مقاله, ما ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی را با هدف ارائه تاخیر تحویل داده ها و افزایش زمان عمر شبکه توسعه داده ایم. عملکردهای خوب توسط ساخت کانال-حلقه و کانال های شعاعی در شبکه، مشابه با سیستم عروق آب یک ستاره دریایی [۲۳] به دست می آیند. کانال-حلقه بر اساس طیف انتقال حسگر ساخته می شود و کانال های شعاعی بسته به اندازه شبکه و طیف انتقال تشکیل می شوند. وجود کانال-حلقه مرکزی با تعدادی از کانالهای-شعاعی به طور مشترک به توزیع بارهای مسیریابی داده ها در بسیاری از گره های شبکه کمک می کند. چنین سیاستی, منافع چند بعدی ای دارد از جمله افزایش طول عمر شبکه، تحویل سریع تر داده ها به گره سینک، کاهش سربار عملیاتی و در نهایت افزایش توان تولید (بازده). آنچه که در بخش بعدی نشان می دهیم، جزئیات عملیاتی ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی است.

۳٫ 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.

۳٫۱ مدل شبکه
ما یک شبکه حسگر بی سیم را فرض می کنیم که در آن گره های حسگر همگن به صورت تصادفی در یک شبکه مستطیلی با اندازه توزیع شده اند، همان طور که در شکل (a)2 نشان داده شده است، جایی که a و به ترتیب نیمی از طول و عرض مستطیل، و (u,v), مرکز شبکه است. تمام گره های حسگر بعد از استقرار به صورت ساکن در نظر گرفته می شوند، در حالی که سینک, متحرک است، یعنی، سینک به طور مداوم در شبکه حرکت می کند و جمع آوری داده ها از گره های حسگر را انجام می دهد. هر گره حسگر i, یک انرژی اولیه E0 دارد و یک محدوده انتقال r را دارد. ما همچنین فرض می کنیم که هر گره حسگر, نقطه مختصات خاص خود (xi، yi) را با استفاده از GPS یا هر روش موضع یابی می شناسد [۳۵، ۳۶]. گره های حسگر منبع, بسته های داده های حس شده را به سینک سیار روی گره های ستون فقرات در حالت چندهاپ می فرستد. ستون فقرات پیشنهادی مسیریابی ستاره دریایی یک کانال-حلقه مرکزی و تعداد کانال های-شعاعی طویل شده در سراسر شبکه می باشد. گره ها روی ستون فقرات به سه رده تقسیم می شوند: مجموعه ای از گره های لنگر در لبه شبکه, ؛ مجموعه ای از گره های کانال-شعاعی, ؛ مجموعه ای از گره ها روی کانال-حلقه, ؛ و نشاندهنده مجموعه تمام گره ها روی ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی است که در شکل نشان داده شده است.

در ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی، کانال-حلقه بر اساس طیف انتقال r گره های حسگر ساخته می شود و چندین کانال های-شعاعی وابسته به اندازه شبکه و طیف انتقال r شکل می گیرند. در طول ساخت ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی، گره های ستون فقرات بر اساس انرژی اولیه گره E0، انرژی باقیمانده Eres و آستانه گره Eth برای انتقال موفقیت آمیز گره ها انتخاب می شوند. مسئولیت اصلی گره های ستون فقرات روی کانال-حلقه و کانال های-شعاعی این است که جمع آوری داده ها از دستگاه های حسگر منبع درون ۱-هاپ را انجام می دهد و آنها را به جلو به سمت گره سینک سیار ارسال می کند. رویه ساخت مفصل کانال-حلقه و کانال های-شعاعی در زیربخش های زیر ارائه شده است. نمادهای مورد استفاده در این مقاله در جدول ۱ خلاصه شده است.

۲ ساخت کانال-حلقه ای

یک کانال-حلقه مرکزی, یک حلقه بسته از گره هایی است که به طور دایروی حول مرکز شبکه حسگر بی سیم قرار گرفته اند، همان طور که در شکل (b)2 نشان داده شده است. هدف اولیه کانال-حلقه, سبک کردن مسئله نقطه داغ, به خصوص در مرکز شبکه، ناشی از همگرایی گره های ستون فقرات در مرکز است. اگر اندازه کانال-حلقه با توجه به اندازه شبکه به شدت بزرگ باشد، گره های منبع داخل کانال-حلقه نمی توانند به طور مستقیم به گره ستون فقرات خود دسترسی داشته باشند. در ضمن، اگر اندازه کانال-حلقه با توجه به طیف انتقال بسیار کوچک باشد، باعث افزایش تداخل و برخورد بیشتر در هنگام انتقال ها از بسیاری از گره ها نزدیک به مرکز شبکه می شود. این امر به دلیل وجود و همگرایی کانال های شعاعی بیشتر بر روی کانال-حلقه ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی رخ می دهد. شعاع یک کانال-حلقه را به صورت زیر تعریف می کنیم.

که در آن,  یک متغیر کنترل است که مقدار گسترش شعاع کانال-حلقه از طیف انتقال یک حسگر را تعیین می کند. ما رفتار این متغیر کنترل را در بخش ۵ مطالعه کرده ایم. مرکز کانال-حلقه در مرکز شبکه (u، v) تثبیت می شود و بنابراین مجموعه ای از گره ها   واقع در هر موقعیت  (و یا در نزدیکی بسیار), مرکز شبکه را در بر می گیرند, همان طور که در شکل  نشان داده شده است, تا ویژگی دایروی آن به شرح زیر حفظ شود,

 در حال حاضر، به منظور ساخت کانال-حلقه ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی پیشنهاد شده، در ابتدا، کنترل کننده مرکزی, مرکز شبکه (u,v)، شعاع R کانال-حلقه را با استفاده از معادله ۱ تعیین می کند و یک دایره مرجع را با استفاده از معادله ۲ ترسیم می کند. سپس کنترل کننده, یک گره حسگر را به صورت تصادفی در داخل یا حدوداً درون دایره-مرجع به عنوان گره آغازین (یعنی، c1) کانال-حلقه بر می دارد، همان طور که در شکل (b)2 نشان داده شده است. بعداً، گره های بعدی انتخاب می شوند (به عنوان مثال، c2 تا c6), هر یک پس از فاصله برابر با طیف انتقال r (یا تا حدودی کمتر از r) قرار گرفته در یا داخل دایره-مرجع دارای ویژگی بیان شده در معادله.۲ و حداقل انرژی آستانه (Eth) انتخاب می شوند، یعنی Eres ≥ Eth، جایی که Eres, انرژی باقی مانده یک گره حسگر است.

این فرایند انتخاب گره های ستون فقرات کانال-حلقه تا زمانی ادامه می یابد که گره آغازین کانال-حلقه به دست آید. این گره های ستون فقرات در کانال-حلقه در Zc (یعنی, c1 تا c6)، یک حلقه کامل از گره های متصل را تشکیل می دهند، همان طور که در شکل (b)2 نشان داده شده است. شکل کانال-حلقه نباید یک دایره دقیق باشد، بلکه باید یک حلقه بسته متصل از گره ها باشد.

۳٫۳٫ ساخت کانال های شعاعی

در ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی، کانال های شعاعی به سمت لبه شبکه از کانال-حلقه طویل می شوند. هدف اولیه ساخت کانال های-شعاعی, گسترش گره های ستون فقرات در سراسر شبکه است, به طوری که گره های منبع از تمام نواحی شبکه می توانند حداقل به یکی از گره های ستون فقرات در کانال های شعاعی دسترسی داشته باشند. اگر گره های ستون فقرات دور از یک گره منبع خاص قرار داشته باشند، زمان بیشتری برای موضع یابی سینک سیار طول می کشد و بسته ها باید هاپ های بیشتری را برای رسیدن به سینک رد کننند. در چنین موردی، احتمالات تلفات بسته ها، سربارهای برخورد و انتقال نیز به طور قابل توجهی افزایش می یابد.