عنوان :  تحلیل، مدلسازی و شبیه ­سازی مقیاس­پذیری در شبکه­های حسگر بدون­ سیم با معیار ظرفیت

دانشگاه صنعتی امیرکبیر

(پلی تکنیک تهران)

دانشکده مهندسی برق

پایان­ نامه کارشناسی­ ارشد گرایش مخابرات- سیستم

تحلیل، مدلسازی و شبیه ­سازی مقیاس­پذیری در شبکه­های حسگر بدون­ سیم با معیار ظرفیت

استاد راهنما

دکتر عباس محمدی

مهرماه 1391

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

چکیده

پژوهش حاضر، در ارتباط با مسئله مقیاس پذیری در شبکه های سنسوری بدون سیم با قابلیت تصویربرداری می باشد که با در نظر گرفتن یک سناریوی نسبتا کاربردی از شبکه سنسوری، و براساس معیارهای عملکرد ظرفیت قطع (outage) و ظرفیت ارگادیک (ergodic) شبکه، مقیاس­پذیری را مورد تحلیل، مدلسازی ریاضی و شبیه سازی قرار داده می باشد.
مقیاس پذیری اصولا برای تعیین اثرات افزایش یا کاهش تعداد سنسور ها در پارامتر مورد نظر می باشد، هنگامیکه هدف، جلوگیری از هزینه های زیاد ساخت شبکه به علت ازدیاد غیر ضروری تعداد سنسور ها یا کاهش بیش از حد بازدهی شبکه ناشی از کمبود چگالی تعداد سنسور ها، می باشد. برای نیل به این هدف، آغاز کوشش شده تا از سناریوی ای بهره گیری کنیم که از خوشه بندی شبکه بهره می برد. آغاز با بدست آوردن توزیع های فاصله برای سنسورها با یکدیگر و با سرخوشه(هِدِر) و نیز توزیع فاصله سرخوشه ها تا ایستگاه اصلی، از طریق شبیه سازی، توانستیم توزیع تداخل و نتیجتا توزیع نسبت سیگنال به نویز و تداخل را در این شبکه، برای هر دو لایه درون خوشه و برون خوشه، بدست آوریم و سپس با بهره گیری از فرمول بندی های شبکه اقتضایی و سپس تعمیم به حالت خاص سناریوی شبکه سنسوری، فرم های مناسب و فرم بسته را در هردو لایه شبکه، برای تخمین تابع توزیع ظرفیت به دست آورده ایم. با مقایسه این نتایج تحلیلی با نتایج حاصل از شبیه سازی ها، صحت آنها را تصدیق نمودیم.
برای مطالعه مسئله مقیاس پذیری نیز با کمک شبیه سازیها به ازای پارامتر های مختلف شبکه، مانند تغییر چگالی سنسورها و سرخوشه ها در سطح شبکه، تغییر مقادیر نمای تضعیف کانال، تغییر حدآستانه برای ظرفیت قطع، اضافه کردن فیدینگ (با توزیع رایلی) و … مقادیر میانگین و مجموع ظرفیت ارگادیک و قطع را در هر حالت بدست آورده و مقایسه نموده ایم. با شروع از سناریوی پراکنده(تنک) و حرکت به سمت سناریوی متراکم (چگال)، آغاز مقادیر ظرفیت کل با اضافه شدن تعداد سنسور ها و نیز افزایش توان دریافتی در سرخوشه ها، افزایش یابد، اما با ادامه این طریقه، اثرات تداخلی بر این عوامل غالب شده و مقدار ظرفیت ها بعد از رسیدن به نقاط ماکزیمم، که بعنوان حد بهینه چگالی ها مطرح میشود، شروع به کاهش نماید. همچنین برای توزیع های احتمال ظرفیت و نسبت سیگنال به نویز و تداخل، در هردو لایه شبکه، فرمولهای تحلیلی و یا تقریب های آنها ارائه شده می باشد و بر این اساس کوشش شده تا نقاط بهینه برای چگالی سنسورها وسرخوشه ها را بدست آوریم.
کلمات کلیدی: شبکه سنسوری بدون سیم، ظرفیت ارگادیک و قطع، خوشه بندی، مقیاس پذیری.

فهرست مطالب

                                                
چکیده vi
فهرست مطالب… vii
فصل اول : مقدمه ای بر شبکه های سنسوری   بدون سیم.. 1
1-1- مقدمه. 2
1-2- کاربرد های شبکه سنسوری بدون سیم.. 6
1-2-1- کاربرد های پزشکی.. 6
1-2-2- کاربرد های نظامی و دفاعی.. 7
1-2-3- کاربرد های کنترلی و نظارتی در طبیعت، محیط زیست و کشاورزی.. 8
1-2-4- کاربردهای عمومی و صنعتی.. 9
1-3- مرور بر پیشینه و تحقیقات انجام شده در شبکه های حسگر بدون سیم.. 10
1-4- هدف پروژه. 21
1-5- ساختار پایان نامه. 22
فصل دوم : مدل مسئله ومعرفی سناریوی شبکه سنسوری بدون سیم.. 23
2-1- مقدمه. 24
2-2- تعاریف کلی از مفاهیم مطرح شده. 24
2-3- معیار عملکرد. 25
2-3-1- نسبت سیگنال به نویز و تداخل.. 25
2-3-2- نرخ خطای بیت… 26
2-3-3- تعریف ظرفیت شانون (ارگادیک) برای شبکه بدون سیم. 26
2-3-4- ظرفیت قطع شبکه. 26
2-4- مدل سیستم و سناریوی مورد مطالعه در شبکه حسگربدون سیم.. 27
فصل سوم : تحلیل ریاضی وفرمولبندی پارامترها در شبکه حسگر بدون سیم  33
3-1- مقدمه. 34
3-2- ظرفیت و مروری بر تعاریف آن.. 34
3-3- مدلهای توزیع نسبت سیگنال به نویز و تداخل(SINR) 37
3-3-1- مدل تقریبی.. 37
3-3-2- مدل دقیق.. 45
3-4- محاسبه تابع های توزیع و چگالی ظرفیت… 53
3-5- محاسبه نقطه اکسترمم ظرفیت با تغییر تعداد گره های شبکه. 56
فصل چهارم : شبیه سازی شبکه سنسوری بدون سیم و تحلیل نتایج… 59
4-1- مقدمه. 60
4-2- چگونگی شبیه سازی.. 60
4-3- نتایج شبیه سازی و اثر پارامتر ها و تحلیل آنها 62
4-4- نتایج شبیه سازی و تطابق با تحلیل ها 94
4-5- نتایج شبیه سازی تغییر تعداد گره ها و مطالعه مقیاسپذیری.. 100
فصل پنجم : جمع بندی و نتیجه گیری… 115
5-1- مقدمه. 116
5-2- جمع بندی و نتیجه گیری.. 116
5-3- پیشنهادات برای توسعه تحقیقات… 120
فهرست مراجع.. 123
Abstract 127
 
فصل اول

مقدمه ای بر شبکه های سنسوری   بدون سیم

 

1-1- مقدمه

 
شبکه های سنسوری یکی از پرکاربرد­ترین موضوعات روز در بحث جمع آوری اطلاعات از محیط پیرامون زندگی بشر میباشد. نه تنها مطالعه محیط اطراف بلکه کنترل آن نیز از کاربردهای شبکه های سنسوری می باشد. در حالتی که سنسورها بدون سیم باشند، در کنار افزوده شدن پیچیدگی، کاربردها و مزایای زیادی نیز حاصل میگردد
این شبکه از صد ها یا هزاران سسنسور تشکیل شده اند و به هر سنسور نام گره اتلاق می گردد. در یک سیستم سیمی، نصب حسگرهای زیاد معمولا به خاطر افزایش هزینه سیم کشی میسر نمی­باشد. جاهائی که تا پیش از این غیرقابل دسترس بودند مانند داخل موتور های کارخانجات و نیز مکان های خطرناک و متحرک به وسیله WSN ها قابل دسترسی می باشد [14].
از نظر ساختاری، شبکه های بدون سیم را می­توان به دو دسته کلی تقسیم نمود. یک دسته با ساختار سلولی[1] هستند که همه گره ها مستقیما با ایستگاه مرکزی[2] در ارتباط هستند و ارسال و دریافت اطلاعات از یک گره به گره دیگر، با واسطه این ایستگاه مرکزی صورت گرفته و کنترل میشود. دسته دوم شبکه های با ساختار اقتضایی (موردی، ادهاک) هستند. در این شبکه ها همه گره ها از نظر توانایی ها و وظایفی که دارند، یکسان هستند. به این ترتیب شبکه های اقتضایی بدون سیم، از تعدادی گره تشکیل میشود که قادرند بدون نیاز به ایستگاه مرکزی یا هرگونه تجهیزات زیرساخت[3] پیش ساخته، بصورت خودکار یک شبکه تشکیل دهند [6] .
در چنین شبکه هایی در غیاب ایستگاه مرکزی، خود گره ها کلیه وظایف مسیریابی و کنترل شبکه را اکثرا با بهره گیری از الگوریتم های کنترلی توزیع شده، بر عهده دارند [3 ] . بدلیل وجود این ویژگی شبکه های بدون سیم اقتضایی این ویژگی را دارند که با بهره گیری از گره های موجود، به سرعت تشکیل و راه اندازی شوند.
شبکه های سنسوری بدون سیم که زیر مجموعه ای از شبکه های اقتضایی می­باشند، تفاوت مختصری با آن دارند؛ احتیاج می باشد نهایتا تمام اطلاعات جمع آوری شده از محیط را، مشابه با روشهای مسیریابی و رله کردن اطلاعات در شبکه های اقتضایی، به سمت یک ایستگاه مرکزی منتقل کنند. اما این ایستگاه مرکزی بر خلاف شبکه های سلولی، نقشی در چگونکی تولید شبکه و کنترل بر چگونگی مسیریابی و ارتباط میان گره ها یا همان سنسور ها، ندارد [26].
در شبکه حسگر بدون سیم، هر حسگر علاوه بر وظیفه دیجیتال کردن اطلاعات دریافتی، وظیفه دارد تا حدی پردازش­های سبک را بر روی داده­های جمع­آوری شده، انجام دهد و نیز قابلیت برقراری ارتباط با سایر گره­ها را نیز داشته باشد؛به این شکل که هر گره به عنوان یک منبع ،خود به عنوان یک فرستنده­ی داده اقدام می­کند و در صورت لزوم داده های ارسالی از سایر گره ها را به مقصد ارسال می­کند. این روش بر خلاف شبکه های با ساختار سلولی می باشد که تمام گره ها فقط با ایستگاه مرکزی در ارتباط هستند و ارتباط هر گره با گره دیگر توسط آن انجام می­گردد. نیاز نیست که موقعیت این حسگر ها از قبل تعیین شده باشد بلکه محل این حسگر ها می تواند به صورت تصادفی انتخاب گردد[11] .
گره ها در WSN مانند یک شبکه Ad-Hoc توزیع شده و در بیشتر زمان خود، غیر فعال هستند اما ناگهان زمانی که رخدادی را تشخیص می­دهند فعال می­شوند. وقتی که حسگرها، پدیده مورد نظر را رصد کردند، رخداد مورد نظر به یک ایستگاه مرکزی گزارش داده می­گردد.
کاربردهای مختلف و حالت تصادفی شبکه­های سنسوری بدون سیم چالش­های بسیاری برای پژوهش در این زمینه به وجودآورده می باشد، مثلا : کنترل دسترسی رسانه [4]، پروتکلی­های مسیریابی، کنترل توان و مقیاس پذیری (قابلیت تغییر اندازه شبکه و چگالی سنسورها) [11] .
مشخص نبودن توپولوژی و تغییرات کانال در طول زمان، معضلات متعددی را در زمینه تحقیقات، طراحی و پیاده­سازی این شبکه­ها به­ وجود آورده می باشد. چنین تغییراتی، الگوریتم های مسیریابی[5] ، تخمین کارائی شبکه[6]، پوشش شبکه[7]، گسترش پذیری و مقیاس پذیری[8] و … را با پیچیدگی­های خاصی روبرو کرده می باشد که مطالعه آنها زمینه تحقیقات متداول امروزی می باشد [10و24و25و26] . نیاز به کاهش پیچیدگی شبکه های سنسوری بدون سیم محققان را بر آن داشته که از منابع محدود کننده، مانند محدودیت کانال ارتباطی در حوزه های زمان و فرکانس و کد، محدودیت انرژی و طول عمر و … ، به نحو هرچه مناسب­تر بهره گیری کرده و به سمت هرچه بهینه تر شدن اشتراک منابع پیش طریقه.
کاربرد های مختلف برای انواع سنسور ها، در تعیین اولویت های تقسیم منابع، تأثیر تعیین کننده ای را اعمال می ‌کند؛ به عنوان مثال هنگامیکه فقط از سنسورهای کنترل دما یا رطوبت بهره گیری گردد، اندازه اطلاعات اندک خواهد بود و پس بالاتر رفتن طول عمر شبکه در اولویت اول و کاهش حجم اطلاعات تداخلی در اولویت دوم قرار می گیرد. در کاربرد های دیگری مثل کاربردهای نظامی برای کنترل جامع از محیط، نیاز می باشد تا همکاری بسیار بیشتری بین سنسور ها مستقر گردد و در نتیجه پارامتر هایی زیرا رله اطلاعات و مسیریابی از اولویت بیشتری برخوردار خواهند بود. در کاربرد های پزشکی نیاز می باشد تا دقت جمع آوری اطلاعات بالا باشد و از طرفی در کاربردی مانند تصویر برداری تشدید مغناطیسی[9] رسیدن به این دقت بالا نیازمند جمع آوری حجم زیادی از اطلاعات می باشد و موضوعات فشرده سازی و تجمیع اطلاعات مطرح خواهد گردید؛ و در نهایت برای کاربرد هایی همچون تصویر برداری که حجم اطلاعات بالاست اما نسبت به کاربرد های پزشکی، بزرگی ناحیه تحت پوشش شبکه بسیار بیشتر می باشد، علاوه بر دقت بالا نیاز می باشد تا مکانیابی، کنترل چگونگی جمع آوری اطلاعات، چگونگی همکاری بین سنسور ها چه برای جمع آوری و چه برای ارسال اطلاعات مورد توجه قرار گیرد؛ خصوصا اینکه تعداد مورد نیاز سنسور ها در واحد سطح یا چگالی سنسور ها تأثیر تعین کننده ای در این بین اعمال می­کند. اگر تعداد سنسور ها خیلی بالا باشد با اینکه دقت افزایش می یابد اما علاوه بر افزایش هزینه های شبکه، عواملی همچون تداخل و چگونگی مسیریابی, از بازدهی آن می­کاهند. از طرفی کم بودن بیش از حد تعداد سنسور ها، امکان نظارت دقیق بر شبکه و جمع آوری کامل اطلاعات را دچار بحران خواهد نمود.
برای بالا بردن دقت و نزدیک تر شدن به واقعیت، بایستی حجم داده ها افزایش یابد . بدین مقصود بایستی تعداد گره های شبکه افزایش یابد. با افزایش تعداد گره های یک شبکه حسگر در واحد سطح، علاوه بر افزایش نسبت سیگنال به نویز و تداخل و یا کاهش نرخ خطای بیت[10] (BER ) به علت افزایش توان، توان سیگنال­های تداخلی رسیده به هر گره نیز بیشتر می گردد. رسیدن به نقطه بهینه که در آن نسبت سیگنال به نویز و تداخل بیشینه ویا BER کمینه گردد، یکی از اهداف ما در این پروژه می باشد که همراه با معیار ظرفیت مطرح می گردد.
از طرفی بایستی شرایط کانال همچون تلفات سایه [11]و محو شدگی در مطالعه پارامتر های شبکه نیز لحاظ گردد .
یک مسئله مطرح در مورد شبکه های حسگر تصویر برداری بدون سیم[12]، مطالعه قابلیت مقیاس پذیری این شبکه هاست [14] . رسیدن به اینکه در واقع چه تعداد سنسور می تواند در عین حداقل بودن، برای بدست آوردن اطلاعات کامل از محیط، دارای تعداد مناسب و کافی باشد، مبحث اصلی ما در این پایان نامه می باشد که آنرا با عنوان مقیاس پذیری، اظهار می­کنیم. مقیاس پذیری اینگونه اظهار می­گردد که با درنظر گرفتن یک معیار خاص به عنوان معیاری برای کنترل عملکرد[13]، کم شدن یا اضافه کردن چگالی سنسور ها در واحد سطح (اگر ناحیه توزیع سنسور ها را دو بعدی در نظر بگیریم) چه تاثیری در بهبود یا بدتر شدن این معیار عملکرد، خواهد داشت. می­توان بهینه­ترین حالت را برای چگالی مناسب سنسور ها در سناریو های مختلف توزیع شبکه و برای معیارهای مختص هر کاربرد، محاسبه نمود و درکنار کاهش هزینه های اضافه، به بهترین بازدهی سیستم نیز نزدیک گردید.
در نگاه ما، از زاویه دید لایۀ فیزیکی به شبکه، معیار های ظرفیت ارگادیک و ظرفیت قطع، و بالتبع نسبت سیگنال به نویز و تداخل، مورد توجه خواهند بود؛ در این بین تخمین ظرفیت شبکه مسئله ایست که به نوعی با سایر مسائل ذکر گردیده در ارتباط می باشد. تعیین ظرفیت شبکه علاوه بر آنکه برای تضمین کیفیت سرویس[14] برای کاربران آن مورد نیاز می باشد، در مسیریابی مناسب و کارامد شبکه نیز موثر می باشد. در شرایطی که بالاتر از حد ظرفیت شبکه به آن بار تحمیل گردد، به دلیل وجود تراکم در بعضی گره ها، تعدادی از بسته های اطلاعات حذف[15] می­شوند. با حذف این بسته ها نه تنها بخشی از دیتای شبکه از بین می­رود، بلکه مقداری از اطلاعات مربوط به مسیریابی هم از بین می­رود [27] .
ارتباط حداکثر اندازه ظرفیت یا نرخ انتقالی که می تواند به هر گره اختصاص یابد با تعداد گره های شبکه مسئله مقیاس پذیری شبکه را مطرح می­کند؛ از یک طرف با افزایش تعداد گره ها، قابلیت اطمینان و پوشش شبکه افزایش می یابد اما از طرف دیگر هرچه سطح زیر پوشش شبکه بیشتر باشد، برای به مقصد رسیدن اطلاعات ارسالی لازم می باشد که سایر گره ها در مسیریابی و رله اطلاعات همکاری کنند. بنابر این ظرفیت یا نرخ انتقال ای که به هر گره اختصاص می یابد، تنها به ترافیک آن گره وابسته نیست و به باری که از جانب سایر گره ها به آن تحمیل می­گردد نیز بستگی دارد. این مسئله می تواند شدیدا روی ظرفیت سیستم تاثیر منفی بگذارد [27و 28 ] .
بدست آوردن ظرفیت برای سناریو های مختلف بطور تحلیلی، کار دشواری می باشد و نیاز به بهره بردن از تقریب های آماری برای رسیدن به نتایج منطبق بر شبیه سازی هاست. هدف ما اینست که با در نظر گرفتن سناریوی نسبتا پیچیده اما کاربردی و دارای مزایای فراوان و با در نظر داشتن فرض های ساده کننده وتا حد امکان عملی، مقدار و توزیع ظرفیت را بطور تحلیلی و همراه با شبیه سازی بدست آورده و با مطالعه مقیاس پذیری در این شبکه ها، اثرات تعداد سنسور ها را بر این معیار های عملکرد بسنجیم و در صورت امکان مقادیر بهینه ای را برای تعداد مناسب سنسور ها بیابیم.
[1] Cellular
[2] Base station
[3] Infrastructure
[4] MAC (medium access control)
[5] Routing
[6] Performance estimation
[7] Coverage
[8] Scalability
[9] MRI (Magnetic Resonance Imaging)
[10] BER (Bit Error Rate)
[11] Shadowing
[12] Imaging Sensor Networks
[13] Performance metric
[14] Quality of Services (QOS)
[15] Drop
تعداد صفحه : 138
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد مهندسی برق: کاربرد تبدیل ویولت و دی سی تی در پردازش تصویر

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :               serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***

دسته‌ها: مهندسی برق