ادامه ترجمه بخشهایی از کتاب Wireless Ad Hoc and Sensor Networks Protocols, Performance, and Control

6.7 پس زمینهی میزان سازگاری

منابع محدودی که در بخش یک به آنها اشاره شد نیازمند این هستند که شبکههای اد هاک و حسگر درحین انتقال و نرخ سازگاری کارایی انرژی داشته باشند. ما دراین بخش دو طرح جدید میزان سازگاری انرژی-کارا را از Zawodniok and Jagannathan ارائه میدهیم جهت انتخاب طراح تلفیقی برخط برای بیشینه کردن گذردهی برپایهی وضعیت کانال درحال نگهداری انرژی. این پروتکلها از قسمتهای قبلی الگوریتم DPC، جهت پیشبینی حالت کانال و تعیین قدرت انتقال ضروری که مصرف انرژی را بهینه میکند، استفاده میکنند. اولین طرح انطباق نرخ پیشنهادی بطور اکتشافی نرخ انتقال را با استفاده از کارایی انرژی بعنوان یک محدودیت تغییر میدهد تا گذردهی مورد نیاز را ببیند، که به کمک نسبت صف پر تخمین زده میشود. علاوه براین، طرح backoff برای کاهش تراکم و بستههای گم شده گنجانده شده است بدلیل سرریزهای بافر، بنابراین مصرف انرژی مربوطه را کمینه میکند. طرح backoff پیادهسازی شده بطور بازگشتی یک سیگنال فشار-عقب خواهد شد. درنتیجه، گرهها زمانی که ترافیک کم باشد از انرژی محافظت میکنند، ارائه توان گذردهی بالاتری درصورت نیاز، و دخیره انرژی درحین تراکم بوسیلهی محدود کردن نرخهای انتقال.

طرح نرخ سازگاری دوم از روش انفجار توضیح داده شده در استاندارد 802.11 برای فراهم کردن یک مکانیزم کنترل جریان استفاده میکند. اصل برنامهریزی پویا برای فراهم کردن یک روش تحلیلی جهت انتخاب نرخ نوسان و یک حجم انفجار که باید از لینک رادویی منتقل شود، بکارگرفته میشود. تابع هزینهی درجه دوم پیشنهادی مصرف انرژی را کمینه میکند. بعلاوه، اشغال بافر در تابع هزینه بمنظور کنترل تراکم گنجانده شده است. طرح DP پیشنهادی یک معادله ریکاتی ارائه میدهد که نهایتا یک انتخاب نرخ بیهنه را فراهم میکند. نتایج شبیهسازی که در ادامه این بخش آمده است دلالت دارد بر یک افزایش 96درصدی در گذردهی و 131درصد کارایی انرژی قابل مشاهده درمقایسه با پروتکل نرخ خودکار برپایهی دریافت (RBAR).

بدلیل نیاز به گذردهی بالاتر در نسل بعدی شبکههای بیسیم، طرحهای تلفیقی که نرخهای داده بالاتری را فراهم میکنند معرفی شدهاند. برای مثال ظرفیت 54مگابیت برثانیهای استاندارد 802.11g. اما، دامنهی ارتباط بازای افزایش نرخ انتقال کاهش مییابد. ازاینرو، اتصال برای طرحهای تلفیقی که گذردهی بالاتری را فراهم میکنند کاهش مییابد. یک راهحل ساده افزایش قدرت انتقال است. اما، انرژی یک گره سریعا تخلیه شده و کارایی انرژی انتقال، که بعنوان تعداد بیتهای انتقال یافته بر ژول اندازهگیری میشوند، با میزان کاهش سراسری طول عمر گرهها و شبکه کاهش مییابد.

چندین طرح در مقالات گوناگون برای رسیدگی به میزان انطباق در شبکههای حسگر برپایهی استاندارد 802.11 ارائه شده است. اما، این پروتکلها عموما بر بیشینه کردن گذردهی تمرکز دارند بدون توجه به قدرت انتقال، وضعیت کانال، و تراکم شبکه. برای نمونه، پروتکل نرخ خودکار یدکی (ARF) بطور افزایشی نرخ انتقال را بعد از تعدادی آزمایش پی درپی دریافتهای بسته سالم و خطادار تغییر میدهد. بعنوان یک نتیجه، ARF به آهستگی به نرخ مناسبتر افتادگی تعداد قابل ملاحظهای از بستهها میرسد بدلیل نرخ پایین سیگنال به نویز (SNR) یا SIR. در بعضی حالات بسیار کمترازآن است که کاهش گذردهی قابل قبول باشد. در مقابل، پروتکل RBAR که در (2001) پیشنهاد شده است از آستانههای ازپیش تعیین شده بالا و پایین SNR برای انتخاب یک طرح تلفیق مناسب و درنتیجه نرخ استفاده میکند. با استفاده از مقدار SNR اندازهگیری شده از فریم مک قبلی، یک طرح تلفیقی مناسبتری با استفاده از آستانههای SNR انتخاب میشود. اما، اندازهگیریهای کانال که برای انتخاب یک نرخ گرفته شده از انتقال قبلی هستند استفاده شده است،و بطور صحیح وضعیت کانال برای دنبالهی انتقال توضیح داده نشدهاند. یک مسئلهی مشترک که در هردوی ARF و RBAR یافت میشود، و با بسیاری از پروتکلهای دردسترس، این است که انتقال اطلاعات با حداکثر توان کارآیی انرژی را کاهش میدهد. بعلاوه، پروتکلها (2001و1997) از تاثیر تراکم بر روی گذردهی و کارایی انرژی را نادیده میگیرند.

یک میزان سازگاری انرژی-کارای مناسبتر خواهد بود با استفاده از چندین طرح تلفیق و انتخاب پویای یکی بطور آنلاین(برخط)، براساس وضعیت کانال و ترافیک شبکه. مفاهیم اولیه در (2001) تحلیل شده است و ثابت شده است که کاراست. پارامترهای مرتبط برای انتخاب طرح تلفیق شامل نرخ خطای بیت (BER) و SNR میشود. پارامتر اولی به احتمال خطای رخ داده حین انتقال برای یک SNR داده شده اشاره میکند. دومی کیفیت سیگنال دریافتی را تعریف میکند. از اینرو، برای یک طرح تلفیق داده شده، یک آستانهی SNR برطبق یک سطح BER مطلوب میتواند محاسبه شود. درکل، برای کوچک شدن BER (سطح کم خطاها) یک SNR بالا نوعا نیاز است.

پروتکل نرخ سازگاری اکتشافی (2005) از طرح DPC (2004) برای پیشبینی وضعیت کانال و رسیدن به SNR هدف استفاده میکند. بنابراین، این طرح میتواند نرخ مناسبتری را در مقایسه با پروتکلهای دردسترس انتخاب کند. علاوه براین، DPC در تلفیق نرخ مصرف انرژی را توسط انتخاب یک توان کمینه که برای انتقال موفق مورد نیاز کاهش میدهد. بعلاوه، این طرح نرخهای مناسب وسیعی را به کمک درنظر گرفتن گذردهی مورد تقاضا و کارآیی انرژی برای اصلاح کردن تراکم شبکه و صرفهجویی انرژی از طریق انتخاب یک بازهی زمانی backoff انتخاب میکند. پروتکل (2005) از مکانیزم backoff برای کم کردن اثر تراکم استفاده میکند. بعنوان یک نتیجه، از ارسال بسته ممانعت بعمل میآید اگر گرهی گام بعدی نتواند آنها را بافر کند ویا اینکه وضعیت کانال امیدبخش نباشد. تحت این شرایط، حداکثر نرخ ممکن در وضعیت تراکم بالا انتخاب خواهد شد برای آزاد کردن سریعتر کانال. بطور خلاصه، پروتکل پیشنهادی گذردهی را بیشینه میکند و با استفاده از هم تغییر قدرت انتقال و هم انتخاب یک نرخ مناسب مصرف انرژی را کاهش میدهد درحالی که بستههای گم شده در صورت تراکم کمینه میکند. بنابراین، شمول DPC در تطابق نرخ بسیار مهم است برای ارزیابی وضعیت کانال تا یک نرخ و قدرت انتقال مناسب را انتخاب کند.

طرح دوم (2006) بر اصل برنامهریزی پویا استوار است که از یک روش انتقال انفجاری برای کنترل نرخ جریان ورودی استفاده میکند به کمک جحم انفجار قابل قبول متفاوت. این روش کنترل جریان از طرح بک آفی که در پروتکل اکتشافی استفاده شد دقیقتر است، زیرا این میتواند مقدار دقیق دادهای که میخواهد به گیرنده ارسال شود را مشخص کند. درنتیجه، استفاده از صف میتواند نزدیک به ارزش هدف حفظ شود. علاوه براین، استفاده از روش انتقال انفجاری کارایی کلی شبکه را افزایش میدهد، بنابراین نرخ های دادهی بالاتری را برای کاربران نهایی فراهم میکند. روش انفجار IEEE 802.11تعدادی بسته را با یک تبدیل تک RTS/CTS/DATA/ACK بمنظور کاهش تعداد انقالات فریمهای RTS/CTS و کمینه کردن یک بیت مربوط به سربار. در IEEE 802.11 اندازهی انفجار بوسیلهی نرخ تلفیق محدود میشود بدلیل روش زمان یک تبدیل RTS/CTS/DATA/ACK تک انتخاب شده.

طرح تلفیق نرخ دوم بهبودی است بر پروتکل دسترسی چندگانهی کنترل شدهی توان (PCMA). الگوریتم پیشنهادی مصرف انرژی را کمینه میکند درحالی که کیفیت سرویس مورد نیاز را نیز فراهم میکند. این طرح در تضاد با نوع اکتشافی، سطح قابل قبولی از سرویس را با انتخاب کاربرد صف هدف مناسب میتواند فراهم کند. حداکثر گذردهی معمولا طول عمر گره، کل شبکه و گذردهی را کاهش میدهد درحالی که سطوح تراکم را افزایش میدهد. بنابراین، میزان یا نرخ خروجی باید مشخص شود تا اینکه نتایج بهینهی بینابین بین افزایش نرخ تلفیق تا بیشینه شدن گذردهی و کم کردن نرخ تلفیق تا حداکثر شدن کارایی انرژی بدست آید. یک تابع هزینهی درجه دوم برای بدست آوردن این معاوضه بین گذردهی و کارایی انرژی معرفی شده است. راهحلهای تحلیلی که با استفاده از روش برنامهریزی پویا استخراج شده است، یک تضمین کیفیت را فراهم میکند، برعکس طرح اکتشافی ساده شده، که کارآیی طرح تلفیق نرخ تضمین نشده است. طرح برپایهی DP بستههای گم شده را بخاطر سرریز بافر حذف میکند، که بدلیل کم شدن ارسالهای مجدد باعث کاهش مصرف انرژی میشود.

6.7.1 تلفیق نرخ

یک کاربرد داده شده نیازمند این است که BER در زیر یک سطح تعیین شده باقی بماند. برای شبکههای بیسیم، BER به حداقل SNR ترجمه میشوند برای اینکه بسته درنظرگرفته میشود که با موفقیت رمزگشایی شده است. رابطهی بین BER و حدآستانهی SNR برای طرح تلفیق داده شده خوش تعریف است. درکل، حدآستانهی SNR با نرخ افزایش مییابد برای مجموعهی نرخهای تلفیقی استفاده شده در شبیهسازیها همانطور که در شکل 6.11 شرح داده شده است. نتیجتا، حداقل توان انتقال مورد نیاز باید با نرخ افزایش یابد. از سوی دیگر، مقدار توان با تواناییهای سختافزار محدود شده است. بنابراین، مقدار SNR بیشینه و طرح تلفیق متناظری وجود دارد که میتواند با توجه به محدودیت توان داده شده انتخاب شود. این محدودیت توان بیشینهی داده شده، نرخ با نتایج دربالاترین گذردهی و کارایی انرژی بیشتر در ادامه توضیح داده خواهد شد. اگر حداکثر توان حاصل شود SNR=800، آنگاه حداکثر نرخ ممکن که میتواند بدست آید برابراست با 6مگابیت برثانیه، همانگونه که در شکل 6.11 دیده میشود. مهم است توجه به این نکته داشته باشیم که وضعیت کانال تاثیر میگذارد بر نرخ انتقال زیرا توان متفاوت خواهد بود با داخلات و تضعیف سیگنال. ازاینرو، برای طرح تلفیق نرخ مهم است که بدقت وضیعت کانال را برای شناسایی یک نرخ مناسب ازریابی کنند که بالاترین نرخ گذردهی تحت شرایط کانال حاصل شود.

شکل 6.11 یک شاخص کارا-انرژی را بتصویر میکشد. این سطوح SNR را برای تمام نرخها که یک مقدار کارا-انرژی ثابت را فرض میکنند نشان میدهد. در مقایسهی شاخص انرژی-کارا و سطوح SNR واقعی، باید توجه شود که انرژی-کارا با افزایش نرخ تلفیق کاهش مییابد.

6.7.2 مقایسه پروتکل

در کارهای گذشته، مشکل تلفیق نرخ یا با کمک درنظرگرفتن تاریخچهی انتقال گذشته، همانند پروتکل ARF، یا با فرض اینکه وضعیت کانال بطور عمده بین انتقالات بازگشتی، مانند حالتی در RBAR، ازبین میرود. ازاینرو، نرخ انتخابی اغلب بهینه نخواهد بود. بعلاوه، این پروتکلها نه به کارآیی مصرف انرژی توجه دارند و نه به تغییر قدرت انتقال جهت دخیره انرژی درحین تلفیق نرخ.

عملکرد پروتکل ARF در شکل 6.12 ارائه شده است. چهار نرخ (R1,R2,R3 و R4) مطابق با حدآستانههای SNR درنظر گرفته میشوند. دراین مثال، اولین بسته با حداکثر نرخ اجازه داده شده توسط وضعیت کانال ارسال میشود. بستههای بعدی نیز از همین نرخ استفاده میکنند، هرچندکه SNR میتواند افزایش یابد درنتیجه گذردهی برای وضعیت جاری کانال کم میشود. بعداز دریافت سه بستهی موفق متوالی، نرخ دراین زمان افزایش مییابد هرچند که وضعیت کانال ممکن است بطورعمده درطول این زمان تغییر کند. نرخ جدید (R2) برای چهارمین بسته استفاده میشود که ممکن است همچنان از حداکثر نرخ ممکن کمتر باشد. ازسوی دیگر، هرگاه SNR کاهش یابد، نرخ انتخابی همواره از امکان گذردهی مورد قبول بیشتر خواهد بود، که منجر به مشکلات رمزگشایی بستهها در گیرنده میشود.

بطور خلاصه، مشکلات مشاهده شده در پروتکل ARF نتیجهی کمبود اطلاعات دربارهی وضعیت کانال رادیویی است، زیرا هیچ اندازهگیریای برای سیگنال دریافتی درنظر گرفته نشده است. درنتیجه، گذردهی بدست آمده توسط ARF از حدامکان برای یک وضیعت کانال داده شده کمتر است. علاوه براین، انرژی بشکل غیرکارآیی مصرف میشود.

درمقابل، پروتکل RBAR گذردهی را از طریق تلفیق نرخ مناسب بوسیلهی اندازهگیری نسبت SNR در گیرنده برای فریم مک RTS بهبود میدهد. این اطلاعات بر فریم CTS سوار میشوند، که به گرهی انتقال دهنده ارسال میشوند. سپس یک نرخ مناسب برای انتقال فریم داده، مطابق آنچه در شکل 6.13 نشان داده شده است، انتخاب میشود. بدلیل اینکه فریمهای داده و RTS یکی بعداز دیگری فرستاده میشوند، انتخاب نرخ از ARF دقیقتر است. بعلاوه، نرخ مناسبتری در RBAR انتخاب میشود، درحالی که در ARF، نرخ یک گام در یک زمان تغییر میکند. نتیجتا، بستههای نادقیق کمتری دریافت میشوند و گذردهی حاصل شده همواره بیشتر از پروتکل ARF است. اما، تلفیق نرخ با استفاده از اطلاعات منسوخی که در یک دورهی چرخهی تاخیر جهت ارسال داده اندازهگیری شدهاند، تعیین میشود. ازاینرو، بعضی بستهها ممکن است با نرخ ناصحیحی منتقل شوند که میتواند بسیار زیاد یا بسیار کم باشد. بعنوان یک نتیجه، هردوی مصرف انرژی و گذردهی بهینه نیستند.

6.8 تلفیق نرخ اکتشافی

پروتکل اکتشافی پیشنهادی از الگوریتم DPC قبلا ذکر شده جهت پیشبینی وضعیت یک گام جلوتر کانال، که از آن استفاده میشود برای انتخاب نرخ و قدرت انتقال. این نرخ برطبق سطوح کارا-انرژی بدست آمده و استفاده از صف محلی تنظیم میشود. درنتیجه، نرخ دقیقتری انتخاب میشود همنکامی که فریم دادخ منتقل میشود در مقایسه با ARF یا RBAR. بدلیل DPC، حداقل توان لازم برای انتقال بستههای اطلاعاتی تحت وضعیت کانال استفاده میشود، که باعث صرفهجویی انرژی میشود. نهایتا، برای کمینه کردن سرریزهای بافر درحین ترافیک شبکه، بازهی backoff برپایهی بافراستفاده شده در گیرنده تغییر مییابد.

6.8.1 بررسی اجمالی

شکل 6.14 جریان داده برای طرح تلفیق نرخ پیشنهادی را نشان میدهد، که در گرهی فرستنده بکار میرود. ابتدا، حدآستانههای SNR برای تمام طرحهای تلفیق پیش تعیین میشوند مطابق مقدار BER مطلوب، بدینسان سربار محاسباتی کاهش مییابد. درحین ارتباط، از الگوریتم DPC برای ارزیابی پیوستهی وضعیت کانال و محاسبهی توان انتقال برای هدف SNR0 کمترین نرخ پشتیبانی شده استفاده میشود. درزیربخش 6.8.2 توضیحات بیشتری پیرامون تخمین وضعیت کانال داده شده است.

درادامه، مجموعهای از نرخهای ممکن محاسبه میشود. حدبالای این مجموعه متناظر است با بیشترین نرخی که میتواند بدلیل محدودیتهای توان انتقال سختافزار بدست آید. در زیربخش 6.8.2 ما جزییات اینکه چگونه طرح از تخمینگر وضعیت-کانال فراهم شده توسط الگوریتم DPC ارائه میدهیم. سپس، حد پایین این مجموعه بعنوان بیشترین نرخ کارا-انرژی تعیین میشود. پیادهسازی DPC زیربنایی مورد توجه قرار گرفته است، زیرا دنبالهای از پالسهای استفاده شده درحین انتقال فریمهای MAC معرف سربار انرژی هستند.

متعاقبا، انتخاب نرخ تلفیق مناسبتر از مجموعه در زیربخش 6.8.5 ارائه شده است. بافر استفاده شده در فرستنده انتخاب یک نرخ تلفیق خاص از مجموعه نرخهای محاسبه شده را در زیربخش 6.8.6 دیکته میکند. درادامه، قدرت انتقال برای انتخاب نرخ آنگونه که یک هدف SNR متناظر بدست آید تنظیم میشود. دراینجا، بافر استفاده شده در گرهی گیرنده مقدار مناسبی برای بازهی backoff دیکته میکند. نهایتا، تغییرات مورد نیاز برای لایهی مک بعنوان نتیجهی پیادهسازی پروتکل پیشنهادی در زیربخش 6.8.8 توضیح داده شده است.

توجه 2

دراین طرح ما فرض میکنیم که تمام گرهها قادرند مجموعهی یکسانی از n تلفیق را رسیدگی کنند. درحالت شبکه ناهمگن، گرهها باید اطلاعات نرخ را مبادله کنند با استفاده از بستههای کنترلی منتقل شده در کمترین نرخ. برای ساده سازی توصیف مسئله، طرحهای تلفیق برطبق نرخ مرتب میشوند.

6.8.2 تخمین حالت کانال

پروتکل پیشنهادی از یک روش آستانه مشابهی (2001) برای تعیین حداکثر نرخ ممکن برای SNR داده شده استفاده میکند. همچنین حداکثر SNR متناظر با حداکثر توان انتقال تعیین میشود. در طرح پیشنهادی، DPC برای پیشبینی این SNR حداکثر برای انتقال فریم بعدی استفاده میشود.

تئوری 6.8.1 (پیشبینی SNR حداکثر)

با داشتن حداکثر توان انتقال تعریف شده برای شبکه، و اطلاعات برای کمترین نرخ پشتیبانی شده توسط DPC، حداکثر SNR ممکن برای انتقال بعدی قابل پیشبینی است با استفاده از

(6.21)

که در اینجا SNR0،SNR هدف برای کمترین نرخ پشتی بانی شده، PT0(T) میزان قدرت تخمین زده شده برای کمترین نرخ پشتی بانی شده، و PtMAX حداکثر توان تعریف شدهی شبکه است.

اثبات ابتدا اجازه دهید نسبت SNR یک سیگنال دریافتی را اینگونه بیان کنیم:

(6.22)

که Pr(t) توان سیگنال دریافتی، Pr(t) توان انتقال Gi(t) سود آزمایش شده بوسیلهی سیگنال و I(t) تداخل بعلاوهی سطح نویز است.

لازم است به این نکته توجه شود که SNR بستگی به قدرت منتقل دارد. بعلاوه، ما میتوانیم نسبت دو مقدار SNR را با استفاده از مقادیر قدرت انتقال متناظر محاسبه کنیم. این نسبت برابر است با:

(6.23)

کهSNRi(t) و SNRk(t) هستند SNRs اندازهگیری شده، و ptl و ptk به ترتیب توانهای انتقال متناظر استفاده شده درهر حالت هستند.

فرض کنیم که مقادیر مورد نیاز pt0(t) برای دیدن هدف SNR0 همراه با حداکثر توان ptmax معلوم باشند. بیشترین SNR زمانی که حداکثر توان استفاده شده باشد از رابطهی زیر قابل محاسبه است.

(6.24)

رابطهی 6.24 میتواند بعنوان رابطهی 6.21 بازنویسی شود.

ادامه ترجمه بخشهایی از کتاب Wireless Ad Hoc and Sensor Networks Protocols, Performance, and Control

مطالب مشابه :

تکنیک های مکان یابی شبکه حسگر بی سیم (ادامه)

شبکه بی‌سیم حسگر

چالش های مسیریابی در شبکه حسگر بی سیم 2

ادامه ترجمه بخشهایی از کتاب Wireless Ad Hoc and Sensor Networks Protocols, Performance, and Control

کاربردهای نظامی شبکه های حسگر بی سیم

مروری بر شبکه حسگر بیسیم

فراخوان مقاله شبکه حسگر بی سیم