مسیریابی پویای آگاه از ترافیک برای کنترل ازدحام در شبکه های حسگر بی سیم Traffic-Aware Dynamic Routi

1- معرفی
ازدحام در شبکه های سنسور بی سیم (WSNs) دارای تاثیر منفی بر عملکرد است، یعنی توان را کاهش می‌دهد و مصرف انرژی در هربسته را افزایش می‌دهد [21]. مشکل ازدحام در شبکه WSNs کاملا متفاوت از شبکه های سنتی است. وظیفه اصلی در WSNs جمع آوری اطلاعات از دنیای فیزیکی است، تمام جریان داده ها به سمت یک ایستگاه پایه مشترک هستند، در حالی که در شبکه های سنتی، آنها همیشه نامنظم اند زیرا به سمت مقصد تصادفی می‌روند. با توجه به الگوی ترافیک متمرکز در شبکه WSNs، فقط دور زدن نقاط داغ، برای از بین بردن ازدحام بی اثر خواهد بود، زیرا آن مجددا در نزدیکی ایستگاه پایه ظاهر خواهد شد. چالش کنترل ازدحام در WSNs نیز از برخی از الزامات اضافی سرچشمه می گیرد. به عنوان مثال، داده های تولید شده در طول یک منطقه بحرانی از اهمیت زیادی برخوردار هستند، و از دست دادن چنین داده‌هایی می تواند هدف استقرار یک شبکه حسگر خودکار را نقض کند. به عبارت دیگر، کنترل ازدحام در WSNs نه تنها باید براساس ظرفیت شبکه باشد، بلکه باید صحت مورد نیاز برنامه های کاربردی را برآورده کند.
بسیاری از کارهای قبلی در کنترل ازدحام در WSNs، تنها در کنترل ترافیک (از جمله end to end و Hop by Hop) متمرکز شده است. به عبارت دیگر، آنها اساسا سعی می‌کنند ازدحام ترافیک ورودی به شبکه را یکباره شناسایی و از بین ببرند. اگرچه استراتژی‌های کنترل ترافیک برای کاهش ازدحام در شبکه های سنتی موثر است، و نیز در برخی از سناریوهای شبکه های حسگر بی سیم پیشنهاد شده است [21]، [5]، [19]، آنها محدود به اهداف ویژه ای می‌باشند و یا حتی نامناسب اند به دو دلیل زیر: ابتدا، کاهش ترافیک در منبع در حالت بحران، نامطلوب است زیرا می‌تواند به طور قابل توجهی صحت موردنیاز را نقض کند. این ممکن است یک گزینه بهتر برای افزایش ظرفیت عطفی در بیشتر منابع به جای ترافیک ورودی در شرایط بحرانی باشد. خوشبختانه، شبکه های حسگر بی سیم می تواند دسترسی به منابع انعطاف پذیری را بدلیل استقرار متراکم بر خلاف همتایان سیمی یا بی سیم خود، فراهم کند. این مزیت ممتاز، WSNs را قادر به بکارگرفتن طرح های برنامه ریزی ظرفیت قابل تطبیق جهت جلوگیری از ازدحام و برآوردن قابلیت اطمینان بصورت همزمان می سازد. دوم، آن است که به احتمال بسیار زیاد ازدحام ناشی از ترافیک پشت سر هم است که اغلب به طور طبیعی گذراست. به عنوان مثال، گره های حسگر ترافیک انفجاری گذرا را تولید می‌کنند زمانی که حوادث غیر طبیعی رخ می دهد. این می تواند برای مقابله با ازدحام گذرا ناکارآمد باشد چرا که از کنترل ترافیک بر اساس بازخورد، از طریق تنظیم سریع تامین منابع شبکه استفاده میکند.
طرح های مختلف کنترل ازدحام متفاوتی از جمله برنامه ریزی ظرفیت، کنترل ترافیک انتها به انتها و یا کنترل ترافیک هاپ به هاپ، کنترل تصدیق اتصال، و بافر وجود دارند. مشخص کردن انتخاب [6] طرح‌های کنترل ازدحام باید به ویژگی‌های ازدحام بستگی دارد.
2- کارهای گذشته و انگیزه
کنترل تراکم یک مسئله مهم در WSNs است. در [3]، ازدحام در WSNs به دو دسته طبقه بندی می شود. یکی ازدحام سطح است که ناشی از سرریز بافر در گره است و می‌تواند منجر به از دست رفتن بسته‌ها و افزایش تاخیر صف بندی منجر شود. دیگری ازدحام سطح پیوند(لینک) است که مربوط به کانال‌های بی سیم به اشتراک گذاشته شده توسط چندین گره با استفاده از پروتکل MAC رقابتی است، مانند حس حامل و دسترسی چندگانه با اجتناب از برخورد (CSMA /CA) است. در این مورد، برخورد می تواند رخ دهد هنگامی که چندین گره سنسور فعال سعی برای به دست گرفتن کانال بصورت همزمان کنند. بسیاری از تحقیقات به طور عمده از عهده ازدحام سطح گره و ازدحام سطح لینک را در پروتکل‌های MAC صحیح برمی‌آید.
کنترل ترافیک به طور گسترده ای در مطالعات انجام شده در کنترل ازدحام در WSNs به کار گرفته می‌شود. CODA [21] اولین تحقیقات مفصل در تشخیص ازدحام وپرهیز از ازدحام در WSNs، را ارائه می‌دهد که در آن ازدحام با نمونه برداری از محیط‌های بی سیم و با نظارت بر اشغال صف تشخیص داده می‌شود. به محض اینکه یک گره ازدحام را تشخیص می‌دهد، یک پیام فشار معکوس روبه بالا را پخش می‌کند، و سپس گره های بالادست حجم ترافیک را برای کاهش ازدحام کاهش می‌دهند. علاوه بر این، CODA همچنین تنظیم منبع حلقه بسته را بکار می‌گیرد، که در آن بازخورد ثابت دراز مدت انتها به انتها از ایستگاه پایه به گره‌های منبع ملزم به تنظیم نرخ ارسال از طریق به کارگیری افزایش جمع پذیر و کاهش ضربی طرح (AIMD) هستند.FUSION [5] سه تکنیک کنترل ازدحام را معرفی می‌کند: کنترل جریان هوپ بای هوپ، محدود کردن نرخ منبع و کنترل دسترسی رسانه اولویت دار. در واقع، ازدحام را با گرفتن گلوگاه انتقال از گره‌های بالادست و گره های منبع کاهش می‌دهد. با این حال، در مکانیسم محدود کننده نرخ، گره‌ها باید به طور مداوم به اطلاعات ارسال شده توسط پدر، برای تعیین زمان تولید نشانه، گوش دهند. این نظارت مستمر خیلی پرهزینه است و انرژی زیادی مصرف.ESRT [19] یک پروتکل انتقال قابل اعتماد رویداد به ایستگاه پایه است، که می تواند به عنوان یک پروتکل کنترل ازدحام عمل کند. در ESRT، ایستگاه پایه باید صورت دوره ای تنظیم نرخ ارسال منبع را برای جلوگیری از ازدحام پیکربندی کند. پس از تشخیص ازدحام، همه جریان‌های داده به نرخ پایین تری منتقل شوند. به طور مشابه، کنترل نرخ عادلانه تداخل آگاه (IFRC) [18] از یک آستانه صف ایستا برای تعیین سطح ازدحام استفاده می‌کند و کنترل ازدحام با تنظیم نرخ خروجی بر روی هر لینک بر اساس طرح AIMD انجام می‌شود. ویژگی آن این است که از یک درخت که ریشه آن ایستگاه پایه جهت مسیریابی تمام داده‌ها است. هنگامی که ازدحام رخ می دهد، نرخ جریان بر روی درختان متوقف می‌شود. در [24]، یک مکانیزم کنترل نرخ مبتنی بر اولویت است که برای نرخ ترافیک گره منبع را براساس ازدحام جاری در گره‌های بالادست تنظیم می‌کند وهرمنبع ترافیک برای کنترل ازدحام و تمایز سرویس در شبکه‌های بی سیم حسگر چند رسانه ای دارای اولویت متفاوت است. Zawodniok و Jagannathan یک طرح کنترل ازدحام پیش بینی غیرمتمرکز (DPCC) [25] را طراحی کرده اند که شروع ازدحام را با استفاده از بهره برداری از صف و تخمین کانال تعبیه شده برای پیش بینی کیفیت کانال تشخیص می‌دهد. در DPCC، الگوریتم کنترل جریان تطبیقی، نرخ مناسب اجرا شده توسط طرح انتخاب فاصله تطبیقی رو به عقب را انتخاب می‌کند. RCRT [12] یک پروتکل انتقال قابل اعتماد برای شبکه های حسگر بی سیم است. که از بازیابی خسارت انتها به انتهای صریح استفاده می‌کند و عاملیت کنترل ازدحام خود را در استگاه پایه قرار می‌دهد، که چشم انداز به شبکه را قادر به کنترل کل ترافیک می سازد، و انعطاف پذیری در تخصیص نرخ را اعمال می‌کند. در [2]، Chen و Yang پیشنهاد یک طرح اجتناب از ازدحام بر اساس مدیریت بافر سبک، که ایده اولیه از کنترل جریان هوپ بای هوپ برپایه اعتبار در شبکه‌های ATM را پیشنهاد داده‌اند، داد‍داداست که طرح بافر 1/k را برای جلوگیری ازایستگاه‌های پنهان از علت ازدحام بکار می‌گیرد. اگر چه کنترل ترافیک به طور موثر می تواند به کاهش ازدحام کمک کند، می تواند تاثیر منفی بر صحت را تحمیل کند. بنابراین، ماهیت ویژه ای از شبکه های حسگر نیازمند یک رویکرد جدید برای کاهش ازدحام است که می تواند نیازمندیهای درخواست شده کاربران را برآورده سازد.
به جز طرح‌هایی که بر اساس کنترل ترافیک وجود دارند تلاش‌های دیگری نیز برای کشف مکانیسم‌های دیگر برای اجتناب از ازدحام WSNs انجام شده است.SPEED [4] ازدحام را با گرفتن گلوگاه و یا تغییر مسیر ترافیک ورودی در اطراف نقطه داغ برطرف می‌کند. مسیر جایگزین ممکن است ظرفیت کانال انتها به انتهای بزرگی برای مکان‌دهی ترافیک ورودی بیشقدم ازدحام نداشته باشد. سیفون [22] بعضی ایستگاه‌های پایه مجازی (VS) با طیف وسیع دیگر را در شبکه های حسگر معرفی می‌کند. هنگامی که در مقابل می‌فهمد بیت تغییر مسیر فعال شده است، مسیریابی بسته را با استفاده از شبکه های ارتباطی دامنه بلند خود، به سمت ایستگاه پایه فیزیکی، یا دور زدن پروتکل های مسیریابی شبکه حسگر برای جلوگیری از ازدحام بالقوه انجام می‌دهد. در [3]، EE و Bajcsy طرح کنترل ازدحام توزیع شده بر اساس هوپ بای هوپ پیشنهاد کرده‌اند که بصورت اتوماتیک درخواست‌ها را در سناریوی مسیریابی چند به یک تکرار می‌کند که در آن پروتکل مسیریابی کنترل ازدحام و منصف (CCF) از زمان سرویس بسته در هر گره به عنوان نشان دهنده ازدحام استفاده می‌شود. با این حال، زمان سرویس، به تنهایی ممکن است اگر نرخ ورودی مساوی یا کمتر از نرخ خروجی باشد گمراه کننده باشد. محدودیت CCF این است که نیاز دارد توپولوژی شبکه استاتیک و یا نزدیک به استاتیک باشد. وانگ و همکاران[23] پیشنهاد یک پروتکل کنترل ازدحام روبه بالای برپایه اولویت هاپ بای هاپ (PCCP) دادند، که ارائه انصاف برابر (مثالا در CCF) به هر گره حسگر در WSN چندهوپی را با اتصال انصاف وزن به هر گره حسگر رد می‌کند. PCCP درجه ازدحام در بسته وزمان بین ورود بسته در هرگره را استنتاج می‌کند و سپس کنترل ازدحام هوپ بای هوپ را وابسته به درجه ازدحام اندازه گیری شده و شاخص اولویت تحمیل می کند. مسیریابی ازدحام آگاه (CAR) [10] یک روش مسیریابی متفاوت برای کشف منطقه ازدحام شبکه استفاده می‌کند که بین منابع داده با اولویت بالا و ایستگاه پایه برای مشخص کردن بخشی از شبکه به جلوبردن ترافیک با اولویت بالا قرار دارد. Kang و همکاران[9] پیشنهاد افزایش منابع شبکه (عنوان "کنترل منابع" نامیده می شود) برای کاهش ازدحام و بهبود توان را مطرح کردند. در ابتدا تاثیر مسیرهای چندگانه در ظرفیت کانال انتها به انتها بررسی می شود و برخی از دستورالعمل ها برای طراحی الگوریتم " کنترل منابع" ارائه می‌شود. دو طرح عملی " کنترل منابع" در مقاله‌های [7] و [8] پیشنهاد شده‌اند. یکی استراتژی انطباق منابع توپولوژی آگاه (TARA) [7] است، که گره های حسگر مناسب را که رادیوشان خاموش است را برای شکل دادن یک توپولوژی جدید که دارای ظرفیت کافی برای رسیدگی به ترافیک بالا است، فعال می‌کند. جهت برآورد ظرفیت با استفاده از یک تئوری گراف، TARA نه تنها نیاز به دانش محلی دارد، بلکه به دانش در مورد توپولوژی انتها به انتها نیز دارد. این سربار بیش از حد، اجازه نمی‌دهد شبکه به مقیاس بزرگ با تعداد زیادی از گره را دربربگیرد. یکی دیگر از طرح‌های پیشنهاد شده در [8] فقط مسیرهای چندگانه را برای کاهش ترافیک از طریق دور زدن نقاط داغ، نادیده گرفتن ویژگی های الگوی ترافیک متمرکز در WSN پیدا می‌کند. در واقع، کاهش تراکم با مسیریابی چندگانه شده است توسط چندین کارتحقیقاتی دیگر نیز پیشنهاد شده است. در [16]، Pham و Perreau تقسیم ترافیک از منبع به چندین مسیر برای رسیدن به تعادل بار و افزایش توان عملیاتی ارائه شده است. پروتکل مسیریابی چندمسیره باحداقل مداخله (I2MR) برای افزایش توان با کشف مسیرهای منطقه گسسته برای موازنه بار، توسعه داده شده است که نیاز به حداقل پشتیبانی از محلی سازی [20] دارد. برای جلوگیری از هزینه های اضافی مسیریابی چندگانه، وقتی که در شبکه ازدحام نیست، Popa و همکاران [17]، پروتکل مسیریابی جغرافیایی متعصب(BGR) را پیشنهاد دادند که هنگامی که ازدحام تشخیص داده شد واکنش آن تقسیم ترافیک باشد. "تعصب" (مقدارى که بوسيله ان متوسط مجموعه اى از مقادير از مقدار مرجع فاصله مى گيرد پيشقدر) تعیین می‌کند که چگونه تقسیم ترافیک ازیک مسیر شلوغ گذرگاه عبور را منحرف می‌کند (که همیشه کوتاه ترین مسیراست).از آنجا که تعصب به طور تصادفی انتخاب شده است، BGR به احتمال زیاد ازدحام تحت برخی شرایط بدتر می‌شود، همانطور که در بخش بعدی توضیح داده شده است. علاوه بر این، BGR به اطلاعات محلی گره‌ها، ارائه شده توسط GPS یا یک سیستم مختصاتی دیگر نیاز دارد، در نتیجه سربار اضافی را تحمیل می‌کند.

اگرچه BGR دارای اشکالات فوق الذکر است، ولی ایده اولیه جالب و مناسبی برای کنترل ازدحام در WSN است، زیرا اساسا از روش مسیریابی پویا برای کاهش ازدحام به طوری که به کاهش هزینه های اضافی مسیریابی چندگانه استاتیکمنجر شود، استفاده می‌کند. اگر به اشکالاتی مانند کوری در پراکندگی بسته و محدودیت های اعمال شده بر روی سیستم های مختصات، بتوان به درستی غلبه کرد، شاید بتوان به یک مکانیسم موثرتر و عملی‌تر برای کنترل ازدحام در WSN دست یافت. بر اساس این درک، در این مقاله، از فلسفه برنامه ریزی ظرفیت پویا برای کاهش ازدحام و پاسخگویی به نیاز قابلیت اطمینان از طریق طراحی یک پروتکل مسیریابی ترافیک آگاه پویا استفاده می‌شود. شکل(1) به طور مستقیم انگیزه اصلی (تنها یک بخش کوچکی از شبکه های حسگر بی سیم) نشان داده شده است. اگر به ترتیب گرهA وB بسته‌ها را در کوتاه ترین مسیر خود ارسال یا رله کنند، گره1 به راحتی همانطور که در شکل نشان داده شده است 1a در ازدحام قرار می‌گیرد. اگر گره Bبه صورت کورکورانه سته های بیش از حد خود را در یک مسیر مسیر انحرافی تصادفی با هدف کاهش ازدحام در کوتاهترین مسیر خود مانند الگوریتم BGR، پراکنده کند. برای مثال، در انتقال بسته‌های اطلاعاتی به گره 2، ممکن است ازدحام بیشتر ویا بدتر شود همانطور که در شکل 1b نشان داده شده است. اگر انتقال گره، وضعیت بار در همسایگان خود را که به صورت گزارش بیش از حد پراکنده می‌شود، بگیرد، یک مسیر انحرافی مناسب متشکل از گره‌های غیر فعال یا کم بار به طورعمد یافت می شود، اما نه کورکورانه، مانند مسیر انحرافی Aà4à5à6àsink برای بسته‌های اطلاعاتی از گره A که در شکل 1c نشان داده شده است. بر اساس این الگوی مسیریابی پویای ترافیک آگاه، ترافیک در الگوهای بیشتر منتشرخواهد یافت و منابع بیشتری می توانند به طور موثر به منظور کاهش وقوع ازدحام در حال بهبود توان عملیاتی کل مورد استفاده قرار گیرند. بدیهی است که بسته ها در طی مسیر انحرافی تاخیر نسبتا بزرگ انتها به انتهایی را تجربه خواهند کرد. بدون شک، این تاثیر منفی در شبکه های سنتی است، ولی این پراکندگی موقت برای اجتناب از ازدحام ظاهر شده در اطراف ایستگاه پایه (بدلیل ترافیک متمرکز) مفید است. به هر حال، هدف مسیریابی پویای ترافیک آگاه این است که ازدحام را کاهش داده و توان عملیاتی را با توزیع بسته‌ها در زمان و مکان بهبود دهد. با توجه به ویژگی‌های شبکه های حسگر متراکم مقیاس بزرگ و عملی بودن پروتکل، الگوریتم مسیریابی ما نیاز به داشتن سربار محاسباتی کم دارد تا اجرای به موقعی در پردازنده‌های کند داشته باشد، نیاز به حفظ حداقل مقدار اطلاعات منطقه‌ای و توزیع دانش سراسری و سربار اضافی مانند اطلاعات موقعیتی گره دارد. برای رسیدن به این هدف، ما مفهوم بالقوه در فیزیک کلاسیک را برای طراحی پروتکل مسیریابی پویای ترافیک آگاه را برای شبکه WSN قرض گرفتیم.

مسیریابی پویای آگاه از ترافیک برای کنترل ازدحام در شبکه های حسگر بی سیم Traffic-Aware Dynamic Routi

مطالب مشابه :

تفاوت های شبکـه های حسگـر با شبـکـه های ادهاک

شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم

امنيت در شبكه هاي حسگر بي سيم

بهبود کارآیی روش های انتشار اطلاعات در شبکه های حسگر بیسیم از طریق تجمیع اطلاعات

مسیریابی در شبکه های بیسیم حسگر-قسمت دوم

شبکه‌های حسگر بی‌سیم (Wireless Sensor Networks)

تاريخچه شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم

مسیریابی در شبکه های حسگر بی سیم زیر آب - شبکه های سنسور بی سیم زیر آب

بررسی شبکه های حسگر بیسیم کامل

شبکه های حسگر بیسیم