مقاله بررسی مدل Energy-Efficient مبنی برتراكم داده‌ها برای شبكه‌های سنسور بی‌سیم

مقاله بررسی مدل Energy-Efficient مبنی برتراكم داده‌ها برای شبكه‌های سنسور بی‌سیم در 32  صفحه ورد قابل ویرایش 

چكیده:

تراكم داده ها در شبكه های سنسور بی سیم افزونگی را حذف می كند تا مصرف پهنای باند و بازده انرژی گوه ها را توسعه دهد. این مقاله یك پروتكل تراكم داده های energy- efficient امن را كه (Energy- Efficient Secure Pattern based Data Aggregation) ESPDA الگوی امن energy- efficient بر پایة تراكم داده ها) نامیده می شود ارائه می كند. برخلاف تكنیكهای تراكم داده های قراردادی، ESPDA از انتقال داده های اضافی از گره های سنسور به cluster- headها جلوگیری می كند. اگر گره های سنسور همان داده ها را تشخیص داده و دریافت كنند، ESPDA ابتدا تقریباً یكی از آنها را در وضعیت خواب (sleep mode) قرار می دهد و كدهای نمونه را برای نمایش مشخصات داده های دریافت و حس شده توسط گره های سنسور تولید می كند. Cluster- head ها تراكم داده ها را مبنی بر كدهای نمونه اجرا می كند و فقط داده های متمایز كه به شكل متن رمز شده هستند از گره های سنسور به ایستگاه و مكان اصلی از طریق Cluster- headها انتقال یافته است. بعلت استفاده از كدهای نمونه، Cluster- headها نیازی به شناختن داده های سنسور برای اجرای تراكم داده‌ها ندارند. زیرا به گره های سنسور اجازه می دهد تا لینك های ارتباطی سرهم پیوسته (end-to-end) امن را برقرار كنند. بنابراین، نیازی برای مخفی سازی/ آشكار سازی توزیع كلید مابین Cluster- head ها و گره های سنسور نیست. بعلاوه، بكار بردن تكنیك NOVSF block- Hopping، امنیت را بصورت تصادفی با عوض كردن با نگاشت بلوك های داده ها به time slotهای NOVSF اصلاح كرده و آن را بهبود می بخشد. ارزیابی كارایی نشان می دهد كه ESPDA روش های تراكم داده های قراردادی را به بیش از 50% در راندمان پهنای باند outperform می كند.

1- مقدمه: شبكه های سنسور بی سیم، بعنوان یك ناحیه و منطقة جدید مهم در تكنولوژی بی سیم پدیدار شده اند. در آیندة نزدیك، شبكه های سنسور بی سیم منتظر هزاران گره ارزان و كم هزینه و داشتن هر توانایی (Sensing capability) sensing با توان ارتباطی و محاسباتی محدود شده بوده اند. چنین شبكه های سنسوری منتظر بوده اند تا در بسیاری از موارد در محیط های عریض گوناگونی برای كاربردهای تجاری، شخصی و نظامی از قبیل نظارت، بررسی وسیلة نقلیه و گردآوری داده های صوتی گسترش یافته باشند. محدودیتهای كلید شبكه های سنسور بی سیم، ذخیره سازی، توان و پردازش هستند. این محدودیتها و معماری ویژه گره های سنسور مستلزم انرژی موثر و پروتكلهای ارتباطی امن هستند. امكان و اجرای این شبكه های سنسور كم هزینه با پیشرفت هایی در MEMS (سیستم های میكرومكانیكی micro electromechanical system)، تركیب شده با توان كم، پردازنده های سیگنال دیجیتالی كم هزینه (DSPها) و مدارهای فركانس رادیویی (RF) تسریع شده اند.

چالش های كلید در شبكه های سنسور، برای بیشینه كردن عمر گره های سنسور به علت این امر است كه برای جایگزین كردن و تعویض باطری های هزاران گره سنسور امكان پذیر نیست. بنابراین عملیات محاسباتی گره ها و پروتكلهای ارتباطی باید به اندازة انرژی موثر در صورت امكان ساخته شده باشد. در میان این پروتكلها، پروتكلهای انتقال داده ها بر حسب انرژی از اهمیت ویژه ای برخوردارند، از آنجائیكه انرژی مورد نیاز برای انتقال داده ها 70% از انرژی كل مصرفی یك شبكة سنسور بی سیم را می گیرد. تكنیكهای area coverage و تراكم داده ها می توانند كمك بسیار زیادی در نگهداری منابع انرژی كمیاب با حذف افزونگی داده ها و كمینه ساختن تعداد افتقالات داده ها بكنند. بنابراین، روشهای تراكم داده ها در شبكه های سنسور، در همه جا در مطبوعات مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند، در SPIN (پروتكلهای سنسور برای اطلاعات از طریق مذاكره sensor protocols for Information via Negotiation

ارسال داده های اضافی با مذاكره meta- dataها توسط گره ها حذف شده اند. در انتشار مستقیم، شیب ها كه برای جمع آوری داده ها و تراكم داده ها برقرار شده اند، كاربرد مسیرهای تقویت مثبت و منفی را بوجود می آورند. در گره های سنسور، نمونه ای از داده ها را كه نشان می دهد كه چگونه تفسیر سنسور به فاصلة زمانی از پیش تعریف شده تغییر روش می دهد می فرستند. Cluster- headها نمونه های داده ها را جمع آوری كرده و فقط یكی از رویدادهای وخیم تطبیق یافته را می فرستد. از قبیل، پیش بینی افت درجه حرارت به طور تصادفی یك طوفان به پایگاه و مكان اصلی.

Cluster- head همچنین می تواند مطالعات نمایندة k را بجای مطالعات بدست آمدة n از تمامی سنسورهایش مطابق الگوریتم k-means بفرستد. امنیت در ارتباط داده ای موضوع مهم دیگری است تا طراحی شبكه های سنسور بی سیم مطرح شده باشد، همانند شبكه های سنسور بی سیم كه ممكن است در مناطق دشمن از قبیل میدان های نبرد گسترش یافته باشد. بنابراین، پروتكل های تراكم داده ها باید با پروتكلهای امنیتی ارتباط داده ها بعنوان یك تعارض مابین این پروتكلها كه ممكن است سوراخ و روزنه‌هایی (loophole) را در امنیت شبكه ایجاد كنند كار كنند. این مقاله یك الگوی مطمئن و energy-efficient مبنی بر پروتكل تراكم داده ها (ESPDA) را كه هر دوی تراكم داده ها و تصورات و مفهوم های كلی امنیتی را با هم در شبكه های سنسور بی سیم Cluster- head رسیدگی می كند، ارائه می كند. هرچند، تراكم داده ها و امنیت در شبكه های سنسور بی سیم در مطبوعات مورد مطالعه قرار گرفته اند، برای بهترین شناسایی و آگاهی ما این مقاله نخستین مطالعه برای رسیدگی كردن به تكنیكهای تراكم داده ها بدون مصالحه امنیت است. ESPDA كدهای نمونه را برای اجرای تراكم داده ها بكار می برند. كدهای نمونه اساساً نمایندة بخش های داده ها هستند كه از داده های واقعی به چنین روشی كه هر كد نمونه مشخصات مخصوص داده های واقعی متناظر را دارد اقتباس شده است (گرفته شده است). فرآیند اقتباس یا استخراج ممكن است وابستگی به نوع داده های واقعی را تغییر دهد.

محاسبه شده است.

        ·  R سرعت انتقال را در سنسورهایی كه می توانند داده ارسال كنند بر حسب bps (بیت بر ثانیه) مشخص می كند.

        · N كل تعداد گره های سنسور را مشخص می كند و M آن دسته است كه دادة مجزا و مشخصی دارند.

        · D_i تعداد بیتهای ارسال شده در هر جلسه (session) را با گره سنسور i ، مشخص می كند.

        · P_i تعداد بیتهای كد نمونة ارسال شده در هر جلسه (sessio) را با گره سنسور i مشخص می كند.

با فرض اینكه زمان pattern generation و همچنین تاثیر پخش ها بین گره های سنسور و cluster- head ناچیز و جزئی است، زمان انتقال داده از گره های سنسور به cluster- head به انضمام فقط زمان انتقال و ارسال داده تخمین زده شده و محاسبه شده است. از اینرو، در مورد الگوریتم تراكم دادة قراردادی، زمان انتقال داده برابر است با:

هر چند، در مورد ESPDA ، تمامی N گره سنسور ابتدا كدهای نمونه را ارسال می كنند و سپس فقط تعداد M از آنها داده ارسال می كنند بدین وسیله نتیجه زمان انتقال داده به صورت زیر است:

سپس، ما نشان می دهیم كه چگونه دادة كوچكتر در مورد ESPDA مقایسه شده به یك الگوریتم تراكم دادة قراردادی ارسال شده است. مقدار و اندازة داده كه با یك الگوریتم تراكم دادة قراردادی ارسال شده باشد می تواند به صورت  بیان شده باشد. هرچند، در مورد ESPDA مقدار دادة ارسال شده بصورت  نوشته شده است كه M با تعداد گره های سنسوری برابر است كه داده های مشخصی دارند كه اشاره دارد بر این كه M معمولاً كمتر از N است. بعلاوه، P_i انتظار رفته كه درصد بسیار كوچكی از D_i باشد. در نتیجه، معمولاً ESPDA به پهنای باند بسیار كوچكی نیاز دارد كه الگوریتم تراكم دادة قراردادی به سرعت افزونگی بستگی دارد. برای تعیین و تشخیص بازده انرژی ESPDA، ما یك تشبیه كننده (similator) در C نوشتیم و در Glomosim بكار بردیم. سیمیلاتور ما در جنبه های pattern generation و مقایسه Pattern از ESPDA بكار رفته است. Glomosim، برای تشبیه‌سازی ارسال داده و كدهای نمونه (Pattern code) از گره‌های سنسور به Cluster- head بكار رفته است. نتایج تشبیه‌سازی نشان می‌دهد كه ESPDA، بطور قابل توجهی بازده انرژی را با كاستن تعداد بسته‌های ارسال شده در ارتباط داده‌ای كه در شكل 7 نشان دهده شدهاصلاح كرده و آنرا بهبود داده است. در شبیه‌سازی‌های ما، ارتباط بین گره‌های سنسور و ایستگاه اصلی (base station) را مطرح كرده‌ایم. سرعت اشغال پهنای باند بصورت نسبت پهنای باند استفاده شده بدون هیچ تراكم داده‌ای تعریف شده است، مقایسه الگوریتم تراكم داده‌ای به پهنای باند استفاده شده بدون هیچ تراكم داده‌ای تعریف شده است. مقایسه الگوریتم تراكم داده قرادادی، توسعه پیشرفت‌های افزونگی، راندمان و بازده پهنای باند ESPDA را نیز افزایش می‌دهد (شكل 7). در 100% افزونگی، اشغال پهنای باند ESPDA، به صفر نزدیك می‌شود،‌ از اینرو ESPDA افزونگی را قبل از ارسال و انتقال بسته‌های داده واقعی گره‌های سنسور حذف می‌كند. اگرچه، در تراكم داده قراردادی، اشغال پهنای باند، پیش از 50% كل پهنای باند است، از اینرو تمام گره‌های سنسور، داده‌های واقعی را به
Cluster-head برای تراكم، ارسال می‌كنند.