مقاله بررسی مدل Energy-Efficient مبني برتراكم داده‌ها براي شبكه‌هاي سنسور بي‌سيم

مقاله بررسي مدل Energy-Efficient مبني برتراكم داده‌ها براي شبكه‌هاي سنسور بي‌سيم در 32 صفحه ورد قابل ويرايش

چكيده:

تراكم داده ها در شبكه هاي سنسور بي سيم افزونگي را حذف مي كند تا مصرف پهناي باند و بازده انرژي گوه ها را توسعه دهد. اين مقاله يك پروتكل تراكم داده هاي energy- efficient امن را كه (Energy- Efficient Secure Pattern based Data Aggregation) ESPDA الگوي امن energy- efficient بر پاية تراكم داده ها) ناميده مي شود ارائه مي كند. برخلاف تكنيكهاي تراكم داده هاي قراردادي، ESPDA از انتقال داده هاي اضافي از گره هاي سنسور به cluster- headها جلوگيري مي كند. اگر گره هاي سنسور همان داده ها را تشخيص داده و دريافت كنند، ESPDA ابتدا تقريباً يكي از آنها را در وضعيت خواب (sleep mode) قرار مي دهد و كدهاي نمونه را براي نمايش مشخصات داده هاي دريافت و حس شده توسط گره هاي سنسور توليد مي كند. Cluster- head ها تراكم داده ها را مبني بر كدهاي نمونه اجرا مي كند و فقط داده هاي متمايز كه به شكل متن رمز شده هستند از گره هاي سنسور به ايستگاه و مكان اصلي از طريق Cluster- headها انتقال يافته است. بعلت استفاده از كدهاي نمونه، Cluster- headها نيازي به شناختن داده هاي سنسور براي اجراي تراكم داده‌ها ندارند. زيرا به گره هاي سنسور اجازه مي دهد تا لينك هاي ارتباطي سرهم پيوسته (end-to-end) امن را برقرار كنند. بنابراين، نيازي براي مخفي سازي/ آشكار سازي توزيع كليد مابين Cluster- head ها و گره هاي سنسور نيست. بعلاوه، بكار بردن تكنيك NOVSF block- Hopping، امنيت را بصورت تصادفي با عوض كردن با نگاشت بلوك هاي داده ها به time slotهاي NOVSF اصلاح كرده و آن را بهبود مي بخشد. ارزيابي كارايي نشان مي دهد كه ESPDA روش هاي تراكم داده هاي قراردادي را به بيش از 50% در راندمان پهناي باند outperform مي كند.

1- مقدمه: شبكه هاي سنسور بي سيم، بعنوان يك ناحيه و منطقة جديد مهم در تكنولوژي بي سيم پديدار شده اند. در آيندة نزديك، شبكه هاي سنسور بي سيم منتظر هزاران گره ارزان و كم هزينه و داشتن هر توانايي (Sensing capability) sensing با توان ارتباطي و محاسباتي محدود شده بوده اند. چنين شبكه هاي سنسوري منتظر بوده اند تا در بسياري از موارد در محيط هاي عريض گوناگوني براي كاربردهاي تجاري، شخصي و نظامي از قبيل نظارت، بررسي وسيلة نقليه و گردآوري داده هاي صوتي گسترش يافته باشند. محدوديتهاي كليد شبكه هاي سنسور بي سيم، ذخيره سازي، توان و پردازش هستند. اين محدوديتها و معماري ويژه گره هاي سنسور مستلزم انرژي موثر و پروتكلهاي ارتباطي امن هستند. امكان و اجراي اين شبكه هاي سنسور كم هزينه با پيشرفت هايي در MEMS (سيستم هاي ميكرومكانيكي micro electromechanical system)، تركيب شده با توان كم، پردازنده هاي سيگنال ديجيتالي كم هزينه (DSPها) و مدارهاي فركانس راديويي (RF) تسريع شده اند.

چالش هاي كليد در شبكه هاي سنسور، براي بيشينه كردن عمر گره هاي سنسور به علت اين امر است كه براي جايگزين كردن و تعويض باطري هاي هزاران گره سنسور امكان پذير نيست. بنابراين عمليات محاسباتي گره ها و پروتكلهاي ارتباطي بايد به اندازة انرژي موثر در صورت امكان ساخته شده باشد. در ميان اين پروتكلها، پروتكلهاي انتقال داده ها بر حسب انرژي از اهميت ويژه اي برخوردارند، از آنجائيكه انرژي مورد نياز براي انتقال داده ها 70% از انرژي كل مصرفي يك شبكة سنسور بي سيم را مي گيرد. تكنيكهاي area coverage و تراكم داده ها مي توانند كمك بسيار زيادي در نگهداري منابع انرژي كمياب با حذف افزونگي داده ها و كمينه ساختن تعداد افتقالات داده ها بكنند. بنابراين، روشهاي تراكم داده ها در شبكه هاي سنسور، در همه جا در مطبوعات مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته اند، در SPIN (پروتكلهاي سنسور براي اطلاعات از طريق مذاكره sensor protocols for Information via Negotiation

ارسال داده هاي اضافي با مذاكره meta- dataها توسط گره ها حذف شده اند. در انتشار مستقيم، شيب ها كه براي جمع آوري داده ها و تراكم داده ها برقرار شده اند، كاربرد مسيرهاي تقويت مثبت و منفي را بوجود مي آورند. در گره هاي سنسور، نمونه اي از داده ها را كه نشان مي دهد كه چگونه تفسير سنسور به فاصلة زماني از پيش تعريف شده تغيير روش مي دهد مي فرستند. Cluster- headها نمونه هاي داده ها را جمع آوري كرده و فقط يكي از رويدادهاي وخيم تطبيق يافته را مي فرستد. از قبيل، پيش بيني افت درجه حرارت به طور تصادفي يك طوفان به پايگاه و مكان اصلي.

Cluster- head همچنين مي تواند مطالعات نمايندة k را بجاي مطالعات بدست آمدة n از تمامي سنسورهايش مطابق الگوريتم k-means بفرستد. امنيت در ارتباط داده اي موضوع مهم ديگري است تا طراحي شبكه هاي سنسور بي سيم مطرح شده باشد، همانند شبكه هاي سنسور بي سيم كه ممكن است در مناطق دشمن از قبيل ميدان هاي نبرد گسترش يافته باشد. بنابراين، پروتكل هاي تراكم داده ها بايد با پروتكلهاي امنيتي ارتباط داده ها بعنوان يك تعارض مابين اين پروتكلها كه ممكن است سوراخ و روزنه‌هايي (loophole) را در امنيت شبكه ايجاد كنند كار كنند. اين مقاله يك الگوي مطمئن و energy-efficient مبني بر پروتكل تراكم داده ها (ESPDA) را كه هر دوي تراكم داده ها و تصورات و مفهوم هاي كلي امنيتي را با هم در شبكه هاي سنسور بي سيم Cluster- head رسيدگي مي كند، ارائه مي كند. هرچند، تراكم داده ها و امنيت در شبكه هاي سنسور بي سيم در مطبوعات مورد مطالعه قرار گرفته اند، براي بهترين شناسايي و آگاهي ما اين مقاله نخستين مطالعه براي رسيدگي كردن به تكنيكهاي تراكم داده ها بدون مصالحه امنيت است. ESPDA كدهاي نمونه را براي اجراي تراكم داده ها بكار مي برند. كدهاي نمونه اساساً نمايندة بخش هاي داده ها هستند كه از داده هاي واقعي به چنين روشي كه هر كد نمونه مشخصات مخصوص داده هاي واقعي متناظر را دارد اقتباس شده است (گرفته شده است). فرآيند اقتباس يا استخراج ممكن است وابستگي به نوع داده هاي واقعي را تغيير دهد.

- ارزيابي كارايي (Performance Evaluation) : اين بخش، ارزيابي كارايي ESPDA پيشنهاد شده را در اين مقاله با بكار بردن Glomosim و تشبيه كننده هاي مكتوب خودمان به زبان C ، ارائه مي كند. ما ابتدا، با نتايج ارزيابي كارايي پروتكل sleep در بخش 1-4 كه توسط بازده انرژي نمونه مبني بر تراكم داده در بخش 2-4 و ارزيابي الگوريتم هاي پروتكل امنيتي در بخش 3-4 شروع مي كنيم.

1-4- پروتكل وضعيت خواب فعال (sleep- active mode protocol) : در اين بخش، كارايي پروتكل وضعيت sleep-active ارزيابي شده است. منطقة هدف نظارت شده، يك منطقة مربعي 100 m * 100 m است. ايستگاه اصلي در مختصات (0 و 0) قرار يافته است. نتايج براي هر متغير بيش از 10 تكرار براي يك مقدار مشخص براي متغير ميانگين گرفته شده است. هر نمونه از شبكه، متصل شده است و در ابتدا full coverage را فراهم مي كند. سايز گره هاي بافر رويداد در 5 است، در صورتيكه، حداكثر اندازة پنجره ها براي مدت خواب گره ها به 8 تنظيم شده است. اين مقادير براي تعداد گره ها، محدوده و حوزة ارسال و تعداد رويدادهاي الحاق شده در هر ثانيه به ترتيب، 200 و m20 و 10 هستند. مقادير زمان برحسب شكاف زمان T نمايش داده شده اند. در هر slot ، 10 رويداد در مكان هاي تصادفي داخل شده اند. وضوح شبكه براي قرار دادن گره ها و رويدادها m1 است. شكل هاي زير اثر افزايش sensing range گره ها را روي مصرف انرژي شبكه و تعداد رويدادهاي كشف نشده به علت نقاط تاريك و ناپيدا توضيح مي دهند كه ممكن است بدليل پروتكل sleeping با نمونه هاي 1 بايتي اتفاق بيفتند. همچنانكه مي توان از شكل 5 مشاهده كرد، افزايش sensing vange گره ها، گره ها را قادر به ذخيره سازي بيشتر انرژي با تسليم شدن طولاني خواب مي كند. بطور مشابه، شكل 6 نشان مي دهد كه افزايش sensing range ميدان ديد شبكه را با تسليم شدن كمتر بر حسب درصد از رويدادها بالا مي برد تا وقتيكه پروتكل sleep استفاده شده است ناشناخته باشند. بازده انرژي نشان داده شده در شكل 5 يك كران پائين روي ذخيره سازي واقعي پروتكل است. از آنجائيكه فقط، انتقالات مابين cluster- head ها و گره هاي سنسور مطرح شده اند گره هاي باقيمانده نيز به علت sensing range افزايش يافته شان منطقة ديد بيشتري دارند كه درصد رويدادهاي كشف نشده را كاهش مي دهد.


2-4- بازده انرژي نمونه مبني بر تراكم داده ها:

(Energy efficiency of pattern based data aggregation) :

ESPDA براساس كدهاي نمونه پايه ريزي شده است كه در الگوريتم هاي تراكم داده هاي قراردادي استفاده نشده اند. در چنين استنباط هايي ابتدا تاخير سيستم تخمين زده شده و محاسبه شده است.

· R سرعت انتقال را در سنسورهايي كه مي توانند داده ارسال كنند بر حسب bps (بيت بر ثانيه) مشخص مي كند.

· N كل تعداد گره هاي سنسور را مشخص مي كند و M آن دسته است كه دادة مجزا و مشخصي دارند.

· Di تعداد بيتهاي ارسال شده در هر جلسه (session) را با گره سنسور i ، مشخص مي كند.

· Pi تعداد بيتهاي كد نمونة ارسال شده در هر جلسه (sessio) را با گره سنسور i مشخص مي كند.