مقاله طرح پخش انرژی کارآمد برای شبکه های حسگر بی سیم صنعتی هوشمند

چکیده

در شبکه‌های حسگر بی‌سیم صنعتی هوشمند (IWSNs)، گره‌های حسگر معمولاً یک فناوری قابل‌برنامه‌ریزی را اتخاذ می‌کنند. این دستگاه‌های هوشمند می‌توانند با برنامه‌نویسی مجدد عملکردهای جدید یا ویژه‌ای را بدست آورند. همچنین این دستگاه‌ها سیستم‌های نرم‌افزاری را از طریق دریافت نسخه جدید از کدهای برنامه بروزرسانی می‌کنند. اگر گره‌های حسگر نیاز به ارتقاء داشته باشند، گره چاهک (سینک) بسته‌های کد برنامه را از طریق پخش یک به چند به آن‌ها (گره‌های حسگر) انتشار می‌دهد و بنابراین توانایی‌های جدیدی بدست می‌آیند و شبکه تعریف‌شده نرم‌افزاری (SDN) را تشکیل می‌دهند. بااین‌حال، به دلیل حجم بالای بسته کد، محدودیت انرژی گره حسگر و کیفیت لینک نامطمئن شبکه بی‌سیم، انتشار سریع بسته‌های کد به‌تمامی گره‌ها در شبکه یک موضوع چالش‌برانگیز است. در مقاله حاضر، یک طرح پخش انرژی کارآمد با شعاع انتشار قابل تنظیم باهدف بهبود عملکرد ارتقاء شبکه پیشنهادشده است. در طرح ما، گره‌های حسگر نقاط غیر از نقاط داغ (Non Hotspots) با افزایش شعاع پخش یعنی توان انتقال، بهره کامل را از انرژی باقیمانده در دوره جمع‌آوری داده دریافت می‌کنند تا احتمال دریافت بسته را بهبود بخشند و تأخیر پخش انتقال کد بسته را کاهش دهند. تحلیل نظری و نتایج تجربی نشان می‌دهند که در مقایسه باکارهای قبلی، رویکرد ما به‌طور میانگین تأخیر ارتقاء شبکه (NUD) را 14.8 – 45.2% کاهش و هم‌زمان قابلیت اطمینان را بدون آسیب به طول عمر شبکه افزایش می‌دهد.

1. مقدمه

شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSNs) به‌عنوان یکی از اجزای کلیدی سیستم‌های سایبر فیزیکی [1-4]، یک زمینه نویدبخش در حال ظهور است که محدوده گسترده‌ای از کاربردها را هم در محدوده نظامی و هم در محدوده غیرنظامی امکان‌پذیر می‌سازد [5-11]. مشخصاً، شبکه‌های حسگر بی‌سیم صنعتی (IWSNs) یک الگوی نویدبخش برای اتوماسیون صنعتی هوشمند در نظر گرفته می‌شوند [12, 13]. در IWSNs هوشمند، تعداد زیادی از گره‌های حسگر به‌منظور شناسایی رویدادهای محیطی، اندازه‌گیری پارامترهای فیزیکی یا شیمایی محیط و گزارش داده‌های دریافتی به‌صورت بی‌سیم در مراکز کنترل راه دور مستقر می‌شوند. بر اساس داده‌های جمع‌آوری‌شده از تمامی این حسگرها، مرکز کنترل دستوراتی را به فعال‌کننده‌های ماشینی ارسال و اقدامات ضروری را راه‌اندازی می‌کند [12]. در مقایسه با سیستم‌های اتوماسیون صنعتی سنتی که از ارتباطات سیمی استفاده می‌کردند، IWSN مزیت‌های چشمگیری شامل هزینه کمتر، انعطاف‌پذیری بالاتر و قابلیت خودسازمان‌دهی را به ارمغان می‌آورد که به‌طور چشمگیری کارآمدی و بهره‌وری صنعتی را بهبود می‌بخشد [12, 14, 15]. به دلیل تقاضای فزاینده برای منابع شبکه، اپراتورهای شبکه و فراهم‌کنندگان سرویس اینترنت همواره برای انطباق پهنای باند بیشتر و ارائه کیفیت خدمات بهتر از طریق ارتقاء دوره‌ای شبکه تحت‌فشار هستند [16, 17]. با توسعه شبکه‌های صنعتی هوشمند و همچنین شبکه تعریف‌شده نرم‌افزاری (SDN)، امروزه نرم‌افزار گره‌های حسگر قادر به پیکربندی مجدد است، که این امر امکانات جدیدی را به IWSNs افزوده می‌کند. انعطاف‌پذیری پیکربندی مجدد و بروزرسانی گره‌ها توجه گسترده محققان در بسیاری از زمینه‌های کاربردی مانند نظارت بر اطلاعات ترافیک و شناسایی شرایط بهنگام خطوط لوله نفت خام جذب کرده است. در IWSNs، اگر شبکه نیاز به تجدید داشته باشد، گره چاهک بسته‌های کد را برای پخش به‌تمامی گره‌های حسگر ایجاد خواهد کرد [16, 18]. پس از دریافت بسته کد، هر گره کامپایل و اجرا می‌شود تا توابع حدید را بدست آورد و یک IWSN پیشرفته را تشکیل دهد. پخش یک شکل بسیار اساسی از ارتباط است که در آن گره‌ها هم‌زمان اطلاعات یکسانی را به تمامی دیگر گره‌های مجاور خود ارسال می‌کنند [19]. بادرنظر گرفتن گره پایه با بسته کد برای پخش، هدف انتشار بسته به تمامی گره‌ها باقابلیت اطمینان بالا، ضمن تحمیل کمترین تأخیر است. این مسئله که زمان‌بندی پخش با کمترین تأخیر (MLBS) نامیده می‌شود، به‌طور گسترده‌ای موردمطالعه قرارگرفته است و جزء کلاس NP-سخت است [20]. کاربردهای آن برای اتوماسیون صنعتی اغلب دارای الزامات بسیار دقیق در قابلیت اطمینان ارتباطات و تأخیر انتقال است [12]. با این اوصاف، ناهنجاری‌های محیط‌های صنعتی چالش‌های جدی را بر طراحی انتشار کد ارتقاء IWSN انرژی کارآمد اعمال می‌کند. ابتدا، کانال‌های بی‌سیم در معرض محوشدگی چندمسیره و تداخل بین کاربری قرار می‌گیرند، که این امر اقناع الزامات کیفیت خدمات (QoS) پخش را بی‌نهایت دشوار می‌سازد. دوم، در محیط‌های صنعتی واقعی، موانع ماشینی، اصطکاک‌های فلزی، ارتعاشات دستگاه، نویز تجهیزات و همچنین رطوبت و نوسانات دما تأثیرات نامطلوبی بر قابلیت اطمینان انتقال‌های انتها به انتها دارند [12]. سوم، در IWSNs، بسته کد برنامه که باید پخش شود، معمولاً دارای حجم بالایی است و این امر مسئله طراحی پروتکل پخش انرژی کارآمد را بسیار دشوار می‌سازد.

In smart Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs), sensor nodes usually adopt a programmable technology. These smart devices can obtain new or special functions by reprogramming: they upgrade their soft systems through receiving new version of program codes. If sensor nodes need to be upgraded, the sink node will propagate program code packets to them through “oneto-many” broadcasting, and therefore new capabilities can be obtained, forming the so-called Software Defined Network (SDN). However, due to the high volume of code packet, the constraint energy of sensor node, and the unreliable link quality of wireless network, rapidly broadcasting the code packets to all nodes in network can be a challenge issue. In this paper, a novel Energyefficient Broadcast scheme with adjustable broadcasting radius is proposed aiming to improve the performance of network upgrade. In our scheme, the nonhotspots sensor nodes take full advantage of their residual energy caused in data collection period to improve the packet reception probability and reduce the broadcasting delay of code packet transmission by enlarging the broadcasting radius, that is, the transmitting power. The theoretical analyses and experimental results show that, compared with previous work, our approach can averagely reduce the Network Upgrade Delay (NUD) by 14.8%–45.2% and simultaneously increase the reliability without harming the lifetime of network.

1. Introduction

As one of the key components of Cyber-Physical Systems [1–4], Wireless Sensor Networks (WSNs) are emerging as a promising platform which enable a wide range of applications in both military and civilian domains [5–11]. Specifically, Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs) are regarded as a promising paradigm for smart industrial automation [12, 13]. In smart IWSNs, a large number of sensor nodes are deployed to detect environment events, measure the physical or chemical parameters of surroundings, and report the sensed data to the remote control center wirelessly. Based on the collected data from all these sensors, the control center can send commands to machinery actuators and trigger necessary actions [12]. Comparing with traditional industrial automation systems using wired communications, IWSN brings notable advantages including lower cost, higher flexibility, and self-organizing capability, which significantly improves the industrial efficiency and productivity [12, 14, 15]. Due to the ever increasing demand for network resources, network operators and Internet Service Providers are under constant pressure to accommodate more network bandwidth and offer better service quality via periodic network upgrade [16, 17]. With the development of smart industrial as well as Software Defined Network (SDN), today the software of sensor nodes is able to be reconfigured, which adds new features to IWSNs. The flexibility of software reconfiguration and upgrade of nodes has drawn wide attention from researchers in many application fields, like monitoring traffic information, detecting real-time conditions of petroleum pipeline. In IWSNs, if the network needs to be upgraded, the sink node will generate code packets to be broadcasted to all sensor nodes [16, 18]. After receiving the code packet, each node compiles and executes it to gain new functions, forming a more advanced IWSN. Broadcast is a very fundamental form of communication in which nodes disseminate the same information simultaneously to all of their neighbors [19]. Given a base node with a code packet to broadcast, the aim is to propagate the packet to all nodes with a high reliability while incurring minimum latency. This problem, called minimum latency broadcast scheduling (MLBS), has been studied extensively and has been shown to be NPhard [20]. Applications for industrial automation often have very stringent requirements on communication reliability and transmission delay [12]. Nevertheless, the harshness of industrial environments poses severe challenges on the design of energy-efficient IWSN upgrade code propagation. First, wireless channels are subject to multipath fading and interuser interference, which makes it extremely difficult to satisfy the Quality-of-Service (QoS) requirements of broadcast. Second, in realistic industrial environments, the machinery obstacles, metallic frictions, engine vibrations, and equipment noise as well as the humidity and temperature fluctuations also have adversary impacts on the reliability of end-to-end transmissions [12]. Third, in IWSNs, the program code packet needed to be broadcasted is usually of high volume, making designing an Energy-Efficient Broadcast protocol an extremely difficult problem.

1. مقدمه

2. تحقیقات مرتبط

3. مدل سیستم و گزارش مشکل

3 – 1: مدل شبکه

3 – 2: مدل مصرف انرژی

3 – 3: گزارش مشکل

4. طراحی اصلی EeB

4 – 1: مدل احتمال دریافت بسته

4 – 2: الگوریتم EeB

5. ارزیابی نظری EeB

5 – 1: مصرف انرژی در مرحله جمع¬آوری داده

5 – 2: انرژی مصرفی در مرحله ارتقاء گره

5 – 3: قابلیت اطمینان ارتقاء شبکه

5 – 4: تأخیر ارتقاء شبکه

5 – 5: نرخ استفاده از انرژی شبکه

5 – 6: طول عمر شبکه

6. ارزیابی تجربی EeB

6 – 1: انرژی مصرفی EeB

6 – 2: نرخ استفاده از انرژی شبکه

6 – 3: تأخیر ارتقاء شبکه

6 – 4: قابلیت اطمینان ارتقاء شبکه

6 – 5: اثر پارامترها

7. نتیجه گیری

1. Introduction

2. Related Works

3. System Model and Problem Statements

3.1. Network Model

3.2. Energy Consumption Model

3.3. Problem Statements

4. Main Design of EeB

4.1. Packet Reception Probability Model

4.2. EeB Algorithm.

5. Theoretical Evaluation of EeB

5.1. Energy Consumption in Data Collection Stage

5.2. Energy Consumption in Nodes Upgrade Stage

5.3. Network Upgrade Reliability

5.4. Network Upgrade Delay

5.5. Energy Utilization Rate of Network

5.6. Network Lifetime

6. Experimental Evaluation of EeB

6.1. Energy Consumption of EeB

6.2. Energy Utilization Rate of Network

6.3. Network Upgrade Delay

6.4. Network Upgrade Reliability

6.5. The Effect of Parameters

7. Conclusion