دانلود رایگان مقاله مسیریابی ستاره دریایی برای شبکه های حسگر با سینک سیار

چکیده

     اثبات شده است که شبکه های حسگر بی سیم (WSNها) با سینک های سیار, عمر شبکه را گسترش می دهند و سرویس های تحویل خدمات بهتری را ارائه می دهند. این امر با به حداقل رساندن هزینه های مسیریابی و اجتناب از توسعه هر گونه نقاط داغ در شبکه به دست آمد. با این حال، استراتژی های مسیریابی موجود بیان شده در نوشته ها دارای محدودیت هایی در ارائه تاخیر تحویل پایانه به پایانه داده ها و بازده مورد نیاز برنامه های حسگری و نظارت زمان واقعی هستند. در این مقاله، با پیروی از اصل سیستم عروق آبی یک ستاره دریایی، ما یک ستون فقرات مسیریابی متشکل از یک کانال-حلقه مرکزی و تعدادی از کانال های-شعاعی در سراسر شبکه طراحی کرده ایم. شعاع کانال-حلقه و تعداد کانال های-شعاعی به طور پویا بر اساس طیف انتقال گره های حسگر و اندازه شبکه تعیین می شوند. ستون فقرات مسیریابی مارپیچ پیشنهاد شده تضمین می کند که هر گره حسگر منبع, دسترسی تک-هاپ به یک گره ستون فقرات پیدا می کند که به نوبه خود باعث تسهیل کاهش تاخیر تحویل داده ها و افزایش انصاف توزیع بار مصرف انرژی در گره های شبکه می شود. نتایج آزمایشات شبیه سازی که در NS-2 انجام شده است، اثربخشی ستون فقرات پیشنهادی مسیر ستاره دریایی را از لحاظ تاخیر تحویل داده ها پایانه به پایانه، بازده و مصرف انرژی در مقایسه با کارهای پیشرفته تر اثبات میکند.

1. مقدمه

     در سال های اخیر، افزایش ویژگی های فوق العاده محاسبات و ارتباطات در مؤلفه های حسگر به شبکه های حسگر بی سیم  (WSNها) کم کرده است تا به طور پیوسته از برنامه های کاربردی در مقیاس کوچک [1] به زیرساخت های حجیم، پاسخ اورژانس پزشکی، نظارت نظامی، نظارت بر کشاورزی و کاربردهای ابررسانای داده [2، 3، 4، 5، 6] گسترش یابند. با این حال، تشکیل یک ستون فقرات مسیریابی برای یک شبکه معین که جمع آوری به موقع و مقرون به صرفه از نظر-انرژی داده ها از مولفه های حسگر منبع به سینک را تسهیل می کند، یک چالش بزرگ است [7، 8]. در این مقاله، ما یک ستون فقرات مسیریابی داده ها را برای یک WSN توسعه می دهیم که تاخیر تحویل بسته پایانه به پایانه و مصرف انرژی یکنواخت را برای طول عمر گسترش یافته شبکه را ارائه می دهد.

     به دلیل ایجاد مناطق نقطه داغ در نزدیکی سینک [9، 10، 11، 12، 13، 14], استراتژی های مسیریابی در نوشته ها با توجه به سینک استیک از مشکل پارتیشن بندی شبکه رنج می برند. برخی از کارهای اخیر, اثربخشی استراتژی های مسیریابی مبتنی بر سینک سیار در افزایش کارایی داده ها و طول عمر شبکه [15، 16، 17، 18، 19، 20، 21] را نشان داد. این آثار نیز نشان داده است که تحرک سینک, اتصال شبکه داده ها را تحت شبکه های حسگر پراکنده و گسسته تضمین می کند. با این حال، تحرک سینک, مشکل موقعیت یابی سینک مقصد در زمان واقعی را ارائه می کند و ستون فقرات مسیریابی سینک-منبع (سورس) را فراهم می کند به طوری که تاخیر تحویل بسته پایانه به پایانه کاهش یابد و بازده تحویل داده ها افزایش یابد.

     استراتژی های مسیریابی مبتنی بر سینک سیار در نوشته ها می توانند به دو گروه تقسیم شوند: بر اساس وعده گاه و مبتنی بر ستون فقرات. در ردهد اول، راه آهن [15]، خط [16] یا شش گوشه [17، 22] مانند مناطق وعده گاه ساخته می شوند، همان طور که در شکل 1 (a)، (b)، (c)  به ترتیب نشان داده شده است, که در آن, هر گره وعده گاه, داده ها را از گره های حسگر منبع جمع آوری می کند، آن ها را ذخیره می کند و به محض درخواست, به گره سینک می فرستد. با این حال، مناطق وعده گاه در این پروتکل ها, از ذخیره داده ها برای مدت زمان طولانی، پایداری داده ها در برابر خرابی گره، قابلیت اطمینان و مشکلات نقطه ی داغ به علت سیل و یا پخش در داخل منطقه وعده گاه رنج می برند. در رده دوم کارها، یک ستون مسیریابی شکل گرفته است، که در آن, هر گره حسگر منبع، موقعيت سینک به روزشده را از ستون فقرات (به عنوان مثال حلقه [18]، استخوان ماهی [19] بدست می آورد، همان طور که در شکل 1 (d)، (e) نشان داده شده است، و داده ها را به حالت سینک در مد چند منظوره منتقل می کند. با این حال، این پروتکل ها به دلیل فقدان مقیاس پذیری و تاخیرات بیشتر در تحویل داده ها, مورد انتقاد قرار دارند.

     در این مقاله، مسیریابی ستاره دریایی را معرفی می کنیم، یک استراتژی جدید برای ساختن ستون فقرات مسیریابی، که در آن کانال های حلقه ای و شعاعی (مشابه با سیستم عروق آبی یک ستاره دریایی [23]) ساخته می شوند به طوری که هر گره منبع می تواند به یکی از گره های ستون فقرات در یک هاپ دسترسی داشته باشد. کانال-حلقه کمک می کند تا مسائل نقطه داغ کاهش یابد و کانال های شعاعی موجب تسهیل تحویل داده های سریعتر به سوی سینک می شوند.

     یک نسخه اولیه از این اثر در [24] منتشر شده است که امروزه به طور گسترده ای با افزایش مدل ساخت کانال-حلقه به روزرسانی شده، تجزیه و تحلیل نظری عملکردها و مطالعات شبیه سازی جامع بهبود یافته است. سهم های کلیدی استراتژی پیشنهاد شده توسعه ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی به شرح زیر است:

• ما یک ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی-مانند ستون فقرات را در شبکه ایجاد می سازیم به طوری که هر گره منبع می تواند به طور مستقیم به یکی از گره های ستون فقرات دسترسی پیدا کند، و تاخیر تحویل بسته پایانه به پایانه به حداقل برساند.

• ساخت کانال های حلقه ای و شعاعی چارچوب ستون فقرات پیشنهادی مسیریابی ستاره دریایی از لحاظ ریاضی مدلسازی می شود و در نتیجه مقیاس پذیر است.

• یک تجزیه و تحلیل آماری برای تاخیر تحویل بسته پایانه به پایانه در ستون فقرات مسیریابی ستاره دریایی با در نظر گرفتن فاصله هاپ تا سینک و تعداد تلاش های ارسال مجدد انجام شده است.

• عملکردهای ستون فقرات پیشنهادی مسیریابی ستاره دریایی در نسخه 2 شبیه ساز شبکه (NS-2) [25] انجام شده است و پیشرفت های قابل توجهی در عملکرد هر دو برنامه های گزارش های متناوب داده ها و رویداد-محور مشاهده شده است.

     ادامه مقاله به شرح زیر تدوین شده است. بخش 2 شامل یک مطالعه در مورد آثار پیشرفته و یک بینش صریح از ستون فقرات پیشنهادی مسیریابی ستاره دریایی در بخش 3 ارائه شده است. یک مدل تحلیلی با استفاده از زنجیره مارکوف برای بررسی تاخیر تحویل بسته پایانه به پایانه متوسط مسیریابی ستاره دریایی در بخش 4 توسعه داده شده است. بخش 5 در مورد نتایج ارزیابی عملکرد بحث می کند و در نهایت، مقاله را در بخش 6 نتیجه گیری را بیان می کنیم.

2. کارهای مرتبط

     در نوشته ها، تعداد زیادی از راهبردهای مسیریابی برای شبکه های حسگر با سینک سیار را پیدا کرده ایم و می توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد: [15، 16، 17] مبتنی بر وعده گاه و مبتنی بر ستون فقرات [18، 19].

     در میان رویکردهای مبتنی بر وعده گاه، در مسیریابی راه آهن [15]، منطقه ای مستطیلی در شبکه ساخته می شود، همان طور که در شکل (a)1 نشان داده شده است، تا فراداده ها از گره منبع ذخیره شوند. هنگامی که یک منبع, داده ها را حس می کند، به صورت محلی فراداده ها را ذخیره می کند و به راه آهن ارسال می کند. در حالی که سینک نیاز به داده دارد، یک پرس و جوی تک منظوره به راه آهن ارسال می کند. پس از دریافت این پرس و جو، راه آهن, داده ها را از منبع دریافت می کند و از طریق مسیر تک منظوره به سینک منتقل می شود. به علت گذراندن مسیر طولانی تر با استفاده از پرس و جوی تک منظوره و از دست دادن داده ها برای خرابی گره, این پروتکل از رکود و تاخیر بالاتر رنج می برد. برای کاهش مسئله تلفات داده ها از یک گره منبع در [15]، یک نوار عمودی از گره ها برای ذخیره داده ها در پروتکل توزیع داده های مبتنی بر خط (LBDD) [16] ایجاد شده است، همان طور که در شکل (b)1 نشان داده شده است. منطقه عمودی در [16], شبکه را به دو بخش مساوی تقسیم می کند. هنگامی که یک منبع, داده ها را حس می کند، بلافاصله داده ها را به گره های داخل خط منطقه عمودی ارسال می کند. بعدها، در حالی که سینک, داده ها را پرس و جو می کند، گره های درون خطی, پرس و جو را در ناحیه وعده گاه پخش می کنند و گره داخل خط متناظر، داده های مورد نیاز در مسیر معکوس را ارسال می کند. با این حال، به علت داشتن منطقه مرکزی تک، این پروتکل از رکود و تاخیر بالاتر بیشتر برای گره های مرزی در یک شبکه بزرگ رنج می برد. علاوه بر این، پخش در منطقه مرکزی، طول عمر شبکه را به طور قابل توجهی کاهش می دهد. یکی از تفاوت های کلیدی پروتکل های راه آهن  [15] و LBDD [16] این است که پرس و جوهای ارسال شده توسط سینک در سفر راه آهن توسط ارسال تک منظوره به جای پخش کردن هستند. با این حال، تاخیر تحویل داده های موردانتظار در پروتکل راه آهن بیشتر از در LBDD است، [16] از آنجا که پرس و جوها, مسیرهای طولانی تر را در راه آهن راه می پیمایند [15].

Abstract

     Wireless Sensor Networks (WSNs) with mobile sinks were proven to provide extended network lifetime and better data delivery services. This was achieved by minimizing routing costs and avoiding development of any hot-spot zones in the network. However, existing routing strategies in the literature have limitations to offer end-to-end data delivery delay and throughput required by the real-time sensing and monitoring applications. In this paper, following the principle of water vascular system of a Starfish, we have designed a routing backbone consisting of a central ring-canal and a number of radial-canals across the network. The radius of the ring-canal and the number of radial-canals are dynamically determined based on the transmission range of sensor nodes and size of the network. The proposed Starfish routing backbone guarantees that each source sensor node gets single-hop access to a backbone node, which in turn facilitates to reduce data delivery delay and increases fairness of energy consumption load distribution on network nodes. The results of the simulation experiments, carried out in NS-2, prove the efficiency of the proposed Starfish routing backbone in terms of end-to-end data delivery delay, throughput and energy consumption compared to state-of-the-art works.

1. Introduction

     In recent years, the augmentation of extraordinary computing and communication features in sensor motes has helped Wireless Sensor Networks (WSNs) to expand continuously from small scale applications [1] to large scale infrastructure, emergency medical response, military surveillance, agricultural monitoring and sensor-data cloud applications [2, 3, 4, 5, 6]. However, forming a routing backbone for a given network that facilitates timely and energy-efficient data gathering from source sensor motes to the sink is a great challenge [7, 8]. In this paper, we develop a data routing backbone for a WSN that offers reduced end-to-end packet delivery delay and uniform energy consumption for extended network lifetime.

     Routing strategies in the literature considering static sink suffer from network partitioning problem due to creation of hot-spot zones near the sink [9, 10, 11, 12, 13, 14]. Some very recent works have demonstrated the effectiveness of mobile sink based routing strategies in increasing both the data delivery performances and network lifetime [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]. These works have also demonstrated that sink mobility ensures data network connection under sparse and disconnected sensor networks. However, the sink mobility invites the problem of locating the destination sink in real time and to establish source-sink routing backbone so as to achieve reduced end-to-end packet delivery delay and increased data delivery throughput.

     Mobile sink based routing strategies in the literature can largely be divided in two groups: rendezvous-based and backbone-based. In the first category, railroad [15], line [16] or hexagon [17, 22] like rendezvous regions are constructed, as shown in Fig. 1(a),(b),(c), respectively, where each rendezvous node collects data from source sensor nodes, stores it and later forwards to the sink node upon request. However, the rendezvous regions in these protocols suffer from storing data for long time, data persistence against node failure, reliability and hot-spot problems due to flooding or broadcasting within the rendezvous area. In the second category of works, a routing backbone is formed, where each source sensor node acquires the updated sink position from the backbone (e.g., ring [18], fishbone [19]), as shown in Fig. 1(d),(e), and forwards data to the sink in multi-hop fashion. However, these protocols are criticized by their lacking in scalability and higher data delivery delays.

     In this paper, we introduce Starfish routing, a novel strategy for constructing routing backbone, where ring- and radial-canals are constructed (analogous to the water vascular system of a Starfish [23]) in such a way that any source node can access one of the backbone nodes in one hop. The ring-canal helps to alleviate the hot-spot problems and radial-canals facilitate faster data delivery towards the sink. A preliminary version of this work is published in [24], which has now been extensively enhanced by augmenting updated ring-canal construction model, theoretical analysis of the performances and exhaustive simulation studies. The key contributions of the proposed Starfish backbone development strategy are summarized as follows:

• We construct a Starfish-like routing backbone in the network so that any source node can directly access one of the backbone nodes, reducing the end-to-end packet delivery delay.

• The construction of ring- and radial-canals of the proposed Starfish backbone framework is mathematically modeled and thus it is scalable.

• A statistical analysis for expected end-to-end packet delivery delay in Starfish routing backbone has been carried out considering both hop distance to the sink and number of retransmission attempts.

• The performances of the proposed Starfish routing backbone have been carried out in Network Simulator version-2 (NS-2) [25] and significant performance improvements are observed for both event-driven and periodic data reporting applications.

     The remainder of the paper is organized as follows. Section 2 contains a study on the state-of-the-art works and an explicit insight into the proposed Starfish routing backbone is presented in Section 3. An analytical model using Markov chain is developed to investigate the average end-to-end packet delivery delay of Starfish routing in Section 4. The Section 5 discusses on the performance evaluation results and finally, we conclude the paper in Section 6.

2. Related Works

     In the literature, we have found a good number of routing strategies for sensor networks with mobile sink and those can largely be categorized into two groups: rendezvous-based [15, 16, 17] and backbone-based.

     Among the rendezvous-based approaches, in Railroad routing [15], a rectangular region is constructed in the network, as shown in Fig. 1(a), to store metadata of the source node. When a source senses data, it stores locally and sends metadata to the railroad. While the sink requires data, it sends a unicast query to the railroad. Upon receiving this query, the railroad acquires data from the source and transmits to the sink through unicast path. This protocol suffers from higher latency due to traveling longer path using unicast query and data loss for node failure. To mitigate data loss problem from a source node in [15], a vertical strip of nodes is created to store data in Line-based Data Dissemination protocol (LBDD) [16], as shown in Fig. 1(b). The vertical region in [16] splits the network into two equal portions. When a source senses data, it immediately sends data to the inline nodes of the vertical region. Later, while the sink queries data, the inline nodes broadcast the query in the rendezvous region and the corresponding inline node sends back the required data in reverse path. However, this protocol suffers from higher latency for boundary nodes in a large network because of having single central zone. Besides, broadcasting in the central zone decreases the network lifetime significantly. One key difference between Railroad [15] and LBDD [16] protocols is that the queries issued by the sink in the Railroad travel by unicast transmission rather than broadcast. However, the expected data delivery delay in Railroad protocol is higher than that in LBDD [16] since the queries travel longer paths in Railroad [15]

چکیده

1. مقدمه

2. کارهای مرتبط

3. ستون فقرات پیشنهادی مسیریابی ستاره دریایی

3.1 مدل شبکه

3.2 ساخت کانال-حلقه ای

3.3. ساخت کانال های شعاعی

3.4. ستون فقرات بهبود یافته مسیریابی ستاره دریایی

3.5 به روز رسانی محل سینک سیار

4. تجزیه و تحلیل برای تاخیر پایانه به پایانه در مسیریابی ستاره دریایی

5. ارزیابی عملکرد

5.1 محیط شبیه سازی

5.2 معیارهای عملکرد

5.3 نتایج شبیه سازی

6. نتیجه گیری

Abstract

1. Introduction

2. Related works

3. Proposed Starfish routing backbone

3.1. Network model

3.2. Construction of ring-canal

3.3. Construction of radial-canals

3.4. Improved Starfish routing backbone

3.5. Updating the location of the mobile sink

4. Analysis for end-to-end delay in Starfish routing

5. Performance evaluation

5.1. Simulation environment

5.2. Performance metrics

5.3. Simulation results

6. Conclusion

Acknowledgements

References