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

چکیده:

تراکم داده ها در شبکه های سنسور بی سیم افزونگی را حذف می کند تا مصرف پهنای باند و بازده انرژی گوه ها را توسعه دهد. این مقاله یک پروتکل تراکم داده های energy- efficient امن را که (Energy- Efficient Secure Pattern based Data Aggregation) ESPDA الگوی امن energy- efficient بر پایة تراکم داده ها) نامیده می شود ارائه می کند. برخلاف تکنیکهای تراکم داده های قراردادی، ESPDA از انتقال داده های اضافی از گره های سنسور به cluster- headها جلوگیری می کند. اگر گره های سنسور همان داده ها را تشخیص داده و دریافت کنند، ESPDA ابتدا تقریباً یکی از آنها را در وضعیت خواب (sleep mode) قرار می دهد و کدهای نمونه را برای نمایش مشخصات داده های دریافت و حس شده توسط گره های سنسور تولید می کند. Cluster- head ها تراکم داده ها را مبنی بر کدهای نمونه اجرا می کند و فقط داده های متمایز که به شکل متن رمز شده هستند از گره های سنسور به ایستگاه و مکان اصلی از طریق Cluster- headها انتقال یافته است. بعلت استفاده از کدهای نمونه، Cluster- headها نیازی به شناختن داده های سنسور برای اجرای تراکم داده‌ها ندارند. زیرا به گره های سنسور اجازه می دهد تا لینک های ارتباطی سرهم پیوسته (end-to-end) امن را برقرار کنند. بنابراین، نیازی برای مخفی سازی/ آشکار سازی توزیع کلید مابین Cluster- head ها و گره های سنسور نیست. بعلاوه، بکار بردن تکنیک NOVSF block- Hopping، امنیت را بصورت تصادفی با عوض کردن با نگاشت بلوک های داده ها به time slotهای NOVSF اصلاح کرده و آن را بهبود می بخشد. ارزیابی کارایی نشان می دهد که ESPDA روش های تراکم داده های قراردادی را به بیش از 50% در راندمان پهنای باند outperform می کند.

1- مقدمه: شبکه های سنسور بی سیم، بعنوان یک ناحیه و منطقة جدید مهم در تکنولوژی بی سیم پدیدار شده اند. در آیندة نزدیک، شبکه های سنسور بی سیم منتظر هزاران گره ارزان و کم هزینه و داشتن هر توانایی (Sensing capability) sensing با توان ارتباطی و محاسباتی محدود شده بوده اند. چنین شبکه های سنسوری منتظر بوده اند تا در بسیاری از موارد در محیط های عریض گوناگونی برای کاربردهای تجاری، شخصی و نظامی از قبیل نظارت، بررسی وسیلة نقلیه و گردآوری داده های صوتی گسترش یافته باشند. محدودیتهای کلید شبکه های سنسور بی سیم، ذخیره سازی، توان و پردازش هستند. این محدودیتها و معماری ویژه گره های سنسور مستلزم انرژی موثر و پروتکلهای ارتباطی امن هستند. امکان و اجرای این شبکه های سنسور کم هزینه با پیشرفت هایی در MEMS (سیستم های میکرومکانیکی micro electromechanical system)، ترکیب شده با توان کم، پردازنده های سیگنال دیجیتالی کم هزینه (DSPها) و مدارهای فرکانس رادیویی (RF) تسریع شده اند.

چالش های کلید در شبکه های سنسور، برای بیشینه کردن عمر گره های سنسور به علت این امر است که برای جایگزین کردن و تعویض باطری های هزاران گره سنسور امکان پذیر نیست. بنابراین عملیات محاسباتی گره ها و پروتکلهای ارتباطی باید به اندازة انرژی موثر در صورت امکان ساخته شده باشد. در میان این پروتکلها، پروتکلهای انتقال داده ها بر حسب انرژی از اهمیت ویژه ای برخوردارند، از آنجائیکه انرژی مورد نیاز برای انتقال داده ها 70% از انرژی کل مصرفی یک شبکة سنسور بی سیم را می گیرد. تکنیکهای area coverage و تراکم داده ها می توانند کمک بسیار زیادی در نگهداری منابع انرژی کمیاب با حذف افزونگی داده ها و کمینه ساختن تعداد افتقالات داده ها بکنند. بنابراین، روشهای تراکم داده ها در شبکه های سنسور، در همه جا در مطبوعات مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند، در SPIN (پروتکلهای سنسور برای اطلاعات از طریق مذاکره sensor protocols for Information via Negotiation

ارسال داده های اضافی با مذاکره meta- dataها توسط گره ها حذف شده اند. در انتشار مستقیم، شیب ها که برای جمع آوری داده ها و تراکم داده ها برقرار شده اند، کاربرد مسیرهای تقویت مثبت و منفی را بوجود می آورند. در گره های سنسور، نمونه ای از داده ها را که نشان می دهد که 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 کرده و فقط یکی از رویدادهای وخیم تطبیق یافته را می فرستد. از قبیل، پیش بینی افت درجه حرارت به طور تصادفی یک طوفان به پایگاه و مکان 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 شبکه های سنسور بی سیم مطرح شده باشد، همانند شبکه های سنسور بی سیم که ممکن است در مناطق دشمن از قبیل میدان های نبرد گسترش یافته باشد. بنابراین، پروتکل های تراکم داده ها باید با پروتکلهای امنیتی ارتباط داده ها بعنوان یک تعارض مابین این پروتکلها که ممکن است سوراخ و روزنه‌هایی (loophole) را در امنیت شبکه ایجاد کنند کار کنند. این مقاله یک الگوی مطمئن و energy-efficient مبنی بر پروتکل تراکم داده ها (ESPDA) را که هر دوی تراکم داده ها و تصورات و مفهوم های کلی امنیتی را با هم در شبکه های سنسور بی سیم Cluster- head رسیدگی می کند، ارائه می کند. هرچند، تراکم داده ها و امنیت در شبکه های سنسور بی سیم در مطبوعات مورد مطالعه قرار گرفته اند، برای بهترین شناسایی و آگاهی ما این مقاله نخستین مطالعه برای رسیدگی کردن به تکنیکهای تراکم داده ها بدون مصالحه امنیت است. ESPDA کدهای نمونه را برای اجرای تراکم داده ها بکار می برند. کدهای نمونه اساساً نمایندة بخش های داده ها هستند که از داده های واقعی به چنین روشی که هر کد نمونه مشخصات مخصوص داده های واقعی متناظر را دارد اقتباس شده است (گرفته شده است). فرآیند اقتباس یا استخراج ممکن است وابستگی به نوع داده های واقعی را تغییر دهد.

محاسبه شده است.

        ·  R سرعت انتقال را در سنسورهایی که می توانند داده ارسال کنند بر حسب bps (بیت بر ثانیه) مشخص می کند.

        · N کل تعداد گره های سنسور را مشخص می کند و M آن دسته است که دادة مجزا و مشخصی دارند.

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

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

با فرض اینکه 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 تراکم دادة قراردادی، زمان انتقال داده برابر است با:

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

سپس، ما نشان می دهیم که چگونه دادة کوچکتر در مورد ESPDA مقایسه شده به یک الگوریتم تراکم دادة قراردادی ارسال شده است. مقدار و اندازة داده که با یک الگوریتم تراکم دادة قراردادی ارسال شده باشد می تواند به صورت  بیان شده باشد. هرچند، در مورد ESPDA مقدار دادة ارسال شده بصورت  نوشته شده است که M با تعداد گره های سنسوری برابر است که داده های مشخصی دارند که اشاره دارد بر این که M معمولاً کمتر از N است. بعلاوه، P_i انتظار رفته که درصد بسیار کوچکی از D_i باشد. در نتیجه، معمولاً ESPDA به پهنای باند بسیار کوچکی نیاز دارد که الگوریتم تراکم دادة قراردادی به سرعت افزونگی بستگی دارد. برای تعیین و تشخیص بازده انرژی ESPDA، ما یک تشبیه کننده (similator) در C نوشتیم و در Glomosim بکار بردیم. سیمیلاتور ما در جنبه های pattern generation و مقایسه Pattern از ESPDA بکار رفته است. Glomosim، برای تشبیه‌سازی ارسال داده و کدهای نمونه (Pattern code) از گره‌های سنسور به Cluster- head بکار رفته است. نتایج تشبیه‌سازی نشان می‌دهد که ESPDA، بطور قابل توجهی بازده انرژی را با کاستن تعداد بسته‌های ارسال شده در ارتباط داده‌ای که در شکل 7 نشان دهده شدهاصلاح کرده و آنرا بهبود داده است. در شبیه‌سازی‌های ما، ارتباط بین گره‌های سنسور و ایستگاه اصلی (base station) را مطرح کرده‌ایم. سرعت اشغال پهنای باند بصورت نسبت پهنای باند استفاده شده بدون هیچ تراکم داده‌ای تعریف شده است، مقایسه الگوریتم تراکم داده‌ای به پهنای باند استفاده شده بدون هیچ تراکم داده‌ای تعریف شده است. مقایسه الگوریتم تراکم داده قرادادی، توسعه پیشرفت‌های افزونگی، راندمان و بازده پهنای باند ESPDA را نیز افزایش می‌دهد (شکل 7). در 100% افزونگی، اشغال پهنای باند ESPDA، به صفر نزدیک می‌شود،‌ از اینرو ESPDA افزونگی را قبل از ارسال و انتقال بسته‌های داده واقعی گره‌های سنسور حذف می‌کند. اگرچه، در تراکم داده قراردادی، اشغال پهنای باند، پیش از 50% کل پهنای باند است، از اینرو تمام گره‌های سنسور، داده‌های واقعی را به
Cluster-head برای تراکم، ارسال می‌کنند.