Admin
10th February 2011, 04:01 PM
پروتکل کم مصرف MAC برای شبکه های حسگر بیسیم
تهیه و تنظیم: سایت علمی نخبگان جوان
شبکه های حسگر بیسیم نوع خاصی از شبکه بیسیم AdHoc هستند و از تعداد زیادی نود و سنسور تشکیل شده اند. نودها با قدرت باتری کار می کنند که باعث کم مصرف بودن آنها می شود. آرایش نودها از قبل طراحی نشده به این صورت که نودها خودشان خود را سازمان دهی می کنند. در این شبکه ها نودها برای یک برنامه مشترک با یکدیگر همکاری می کنند.
قبل از اینکه کارآرایی انرژی در پروتکل MAC را بررسی کنیم، ابتدا منابع اتلاف انرژی را در نظر میگیریم:
1. تصادم(Collision) : دو نود متفاوت به طور همزمان بسته های خود را ارسال می کنند.
2. استراق سمع (Overhearing) : نودها بسته هایی را که برای نودهای دیگر فرستاده می شود را استفاده می کنند.
3. بار اضافی بسته های کنترلی : ارسال و دریافت بسته های کنترلی هم باعث مصرف انرژی می شود و ممکن است بسته های اطلاعاتی کمتری ارسال شود.
4. توجه به نودهای بدون استفاده (Idle Listening) : در بسیاری از برنامه های شبکه های حسگر نودها اگر حس نکنند به حالت Idle می روند. نرخ داده در این زمان خیلی کم است.
حالت Idle Listening مختص شبکه های حسگر است اما بقیه موارد بین همه شبکه های بیسیم مشترک است.
طراحی پروتکل Sensor MAC (S-MAC) :
این پروتکل از تاخیر می کاهد و باعث صرفه جویی هرچه بیشتر انرژی می شود. مولفه های اصلی در S-MAC به صورت زیر است:
۱. حالت دوره ای Listen و Sleep
۲.جلوگیری از تصادم
۳. جلوگیری از استراق سمع
۴. انتقال پیام
۱. حالت دوره ای Listen و Sleep :
پروتکل S-MAC برای جلوگیری از حالت Idle Listening ، از Listen و Sleep استفاده می کند. به این ترتیب که نودها به صورت دوره ای در یکی از حالات Listen یا Sleep هستند. وقتی نودی در حالت Sleep است، رادیوی خود را خاموش می کند. این کار باعث کاهش ۵۰٪ چرخه کاری و ذخیره ۵۰٪ انرژی می شود.
http://uc-njavan.ir/images/lp66nl42xzki8g5g7q5.jpg
نودها زما نی می توانند به نود دیگر بسته ارسال کنند که نود گیرنده در حالت Listen باشد. هر نود یک جدول زمان بندی دارد که برنامه زمانی نودهای همسایه خود را در آن ذخیره می کند.
زمان بندی برنامه نودها برای مشخص کردن حالت Listen و Sleep خود به صورت زیر است:
۱. نود یرای مدتی گوش می دهد.
2. اگر برنامه ای نشنید یک برنامه زمانی تصادفی انتخاب می کند و آن را در یک پیغام Sync به همسایگان خود انتشار می دهد.
3. این پیغام اشاره دارد بر اینکه این نود بعد از t ثانبه به حالت Sleep برود. سایر نودها با برنامه آن همزمان می شوند.
4. در این حالت به نود Synchronizer گفته می شود.
5. اگر نود یک زمان بندی بشنود، از همان پیروی می کند. در این حالت به نود پیرو(Follower) گفته می شود.
به اندازه td صبر می کند بعد برنامه خود را انتشار می دهد. (t – td دیگر به حالت Sleep می رود.
6. اگر نود برنامه زمانی متفاوتی بعد از انتخاب و پخش برنامه خود، دریافت کرد هر دو زمان بندی را قبول می کند.
2.جلوگیری از تصادم:
پروتکل S-MAC برای حل این مشکل راه های زیر را استفاده می کند:
Virtual Carrier Sense : در هر بسته انتقالی فیلدی وجود دارد که بیانگر این است که ارسال باقی مانده چقدر به طول می انجامد. بنابراین اگر نودی بسته ای را ذریافت کرد که مقصد آن نود دیگر بود، می فهمد که چقدر باید صبر کند. نود مقداری را ذخیره می کند و آن را در متغیر(Network Allocator Vector) NAV ذخیره میکند و یک Timer برای آن می گذارد. وقتی تایمر NAV روشن شد، نود مقدار NAV را کاهش می دهد تا به صفر برسد. وقتی نودی بسته ای برای ارسال دارد. اول به NAV نگاه می کند، اگر مفدار آن صفر نباشد نود متوحه شلوغ بودن کانال می شود و اینکه اجازه ارسال ندارد.
۲. Physical Carrier Sense : روی لایه فیزیکی اجرا می شود.
۳. RTS و CTS را برای کانال های مخفی استفاده می کند.
3.جلوگیری از استراق سمع:
برای حل این مشکل وقتی همسایه های نود در حال ارسال یا دریافت بسته هستند نود به حالت Sleep می رود. که در این حالت همه همسایه های نود گیرنده و فرستنده به حالت Sleep می روند.
انتقال پیام:
ارسال پیام های طولانی باعث مصرف انرژی میشود، اما گیرنده باید کل پیام را قبل از پردازش دریافت کند. برای حل این مشکل پیام را تقسیم بندی می کنیم و آن ها را به صورت پیوسته بفرستیم. در این حالت RTSو CTS مسیر را تا پایان فرستادن پیام در اختیار می گیرد. نود گیرنده بعد از دریافت تکه پیغام یک ACK یی به نود فرستنده می فرستد تا دریافت پیام را تایید کند، اگر فرستنده پیغام ACK را دریافت نکند، درخواست زمان اضافی می کند. سایر نودها تا پایان ارسال به حالت Sleep می روند.
تاخیر Sleep و نگهداری انرژی :
میانگین تاخیر Sleep در فرستنده:
http://uc-njavan.ir/images/024gfyvjwuw0dhbbcyk.jpg
صرفه جویی نسبی انرژی:
http://uc-njavan.ir/images/uhcrn8f316w6ujh7iemn.jpg
تهیه و تنظیم: سایت علمی نخبگان جوان
شبکه های حسگر بیسیم نوع خاصی از شبکه بیسیم AdHoc هستند و از تعداد زیادی نود و سنسور تشکیل شده اند. نودها با قدرت باتری کار می کنند که باعث کم مصرف بودن آنها می شود. آرایش نودها از قبل طراحی نشده به این صورت که نودها خودشان خود را سازمان دهی می کنند. در این شبکه ها نودها برای یک برنامه مشترک با یکدیگر همکاری می کنند.
قبل از اینکه کارآرایی انرژی در پروتکل MAC را بررسی کنیم، ابتدا منابع اتلاف انرژی را در نظر میگیریم:
1. تصادم(Collision) : دو نود متفاوت به طور همزمان بسته های خود را ارسال می کنند.
2. استراق سمع (Overhearing) : نودها بسته هایی را که برای نودهای دیگر فرستاده می شود را استفاده می کنند.
3. بار اضافی بسته های کنترلی : ارسال و دریافت بسته های کنترلی هم باعث مصرف انرژی می شود و ممکن است بسته های اطلاعاتی کمتری ارسال شود.
4. توجه به نودهای بدون استفاده (Idle Listening) : در بسیاری از برنامه های شبکه های حسگر نودها اگر حس نکنند به حالت Idle می روند. نرخ داده در این زمان خیلی کم است.
حالت Idle Listening مختص شبکه های حسگر است اما بقیه موارد بین همه شبکه های بیسیم مشترک است.
طراحی پروتکل Sensor MAC (S-MAC) :
این پروتکل از تاخیر می کاهد و باعث صرفه جویی هرچه بیشتر انرژی می شود. مولفه های اصلی در S-MAC به صورت زیر است:
۱. حالت دوره ای Listen و Sleep
۲.جلوگیری از تصادم
۳. جلوگیری از استراق سمع
۴. انتقال پیام
۱. حالت دوره ای Listen و Sleep :
پروتکل S-MAC برای جلوگیری از حالت Idle Listening ، از Listen و Sleep استفاده می کند. به این ترتیب که نودها به صورت دوره ای در یکی از حالات Listen یا Sleep هستند. وقتی نودی در حالت Sleep است، رادیوی خود را خاموش می کند. این کار باعث کاهش ۵۰٪ چرخه کاری و ذخیره ۵۰٪ انرژی می شود.
http://uc-njavan.ir/images/lp66nl42xzki8g5g7q5.jpg
نودها زما نی می توانند به نود دیگر بسته ارسال کنند که نود گیرنده در حالت Listen باشد. هر نود یک جدول زمان بندی دارد که برنامه زمانی نودهای همسایه خود را در آن ذخیره می کند.
زمان بندی برنامه نودها برای مشخص کردن حالت Listen و Sleep خود به صورت زیر است:
۱. نود یرای مدتی گوش می دهد.
2. اگر برنامه ای نشنید یک برنامه زمانی تصادفی انتخاب می کند و آن را در یک پیغام Sync به همسایگان خود انتشار می دهد.
3. این پیغام اشاره دارد بر اینکه این نود بعد از t ثانبه به حالت Sleep برود. سایر نودها با برنامه آن همزمان می شوند.
4. در این حالت به نود Synchronizer گفته می شود.
5. اگر نود یک زمان بندی بشنود، از همان پیروی می کند. در این حالت به نود پیرو(Follower) گفته می شود.
به اندازه td صبر می کند بعد برنامه خود را انتشار می دهد. (t – td دیگر به حالت Sleep می رود.
6. اگر نود برنامه زمانی متفاوتی بعد از انتخاب و پخش برنامه خود، دریافت کرد هر دو زمان بندی را قبول می کند.
2.جلوگیری از تصادم:
پروتکل S-MAC برای حل این مشکل راه های زیر را استفاده می کند:
Virtual Carrier Sense : در هر بسته انتقالی فیلدی وجود دارد که بیانگر این است که ارسال باقی مانده چقدر به طول می انجامد. بنابراین اگر نودی بسته ای را ذریافت کرد که مقصد آن نود دیگر بود، می فهمد که چقدر باید صبر کند. نود مقداری را ذخیره می کند و آن را در متغیر(Network Allocator Vector) NAV ذخیره میکند و یک Timer برای آن می گذارد. وقتی تایمر NAV روشن شد، نود مقدار NAV را کاهش می دهد تا به صفر برسد. وقتی نودی بسته ای برای ارسال دارد. اول به NAV نگاه می کند، اگر مفدار آن صفر نباشد نود متوحه شلوغ بودن کانال می شود و اینکه اجازه ارسال ندارد.
۲. Physical Carrier Sense : روی لایه فیزیکی اجرا می شود.
۳. RTS و CTS را برای کانال های مخفی استفاده می کند.
3.جلوگیری از استراق سمع:
برای حل این مشکل وقتی همسایه های نود در حال ارسال یا دریافت بسته هستند نود به حالت Sleep می رود. که در این حالت همه همسایه های نود گیرنده و فرستنده به حالت Sleep می روند.
انتقال پیام:
ارسال پیام های طولانی باعث مصرف انرژی میشود، اما گیرنده باید کل پیام را قبل از پردازش دریافت کند. برای حل این مشکل پیام را تقسیم بندی می کنیم و آن ها را به صورت پیوسته بفرستیم. در این حالت RTSو CTS مسیر را تا پایان فرستادن پیام در اختیار می گیرد. نود گیرنده بعد از دریافت تکه پیغام یک ACK یی به نود فرستنده می فرستد تا دریافت پیام را تایید کند، اگر فرستنده پیغام ACK را دریافت نکند، درخواست زمان اضافی می کند. سایر نودها تا پایان ارسال به حالت Sleep می روند.
تاخیر Sleep و نگهداری انرژی :
میانگین تاخیر Sleep در فرستنده:
http://uc-njavan.ir/images/024gfyvjwuw0dhbbcyk.jpg
صرفه جویی نسبی انرژی:
http://uc-njavan.ir/images/uhcrn8f316w6ujh7iemn.jpg