دانلود رایگان مقاله جمع آوری کارآمد داده ها مبتنی بر تکه ابر در شبکه های بدون سیم

چکیده

        شبکه‌های بدون سیم بدن منطقه (WBANS) به‌عنوان راه‌حلی موثر برای طیف گسترده مراقبت‌های بهداشتی و برنامه‌های کاربردی نظامی و ورزشی توسعه‌یافته است. بسیاری از فعالیت‌ها جمع‌آوری داده‌های کارآمد را از طریق بررسی مدل‌های قدیمی و فردی WBANS انجام داده اند. محاسبات ابری مدل محاسباتی جدیدی است که به‌طور مداوم در حال گسترش و تحول می‌باشد. این مقاله به بحث درباره سیستم جمع‌آوری کارآمد داده‌ها مبتنی بر تکه ابر (cloudlet) در WBANS می‌پردازد. هدف داشتن مقیاسی بزرگ از داده‌های مشاهده‌شده از WBANS می‌باشد تا برای کاربر نهایی و یا شرکت ارائه‌دهنده خدمات قابل‌دسترس باشد. یکی از نمونه‌های اولیه WBANS که شامل ماشین مجازی (VM) و تکه ابر مجازی شده (VC) می‌باشد، ارائه گردیده تا ویژگی‌های جمع‌آوری کارآمد داده‌ها را در WBANS شبیه‌سازی نماید. با استفاده از این مدل اولیه، ما می‌توانیم یک منبع ذخیره با قابلیت افزایش کارایی را ارائه داده و زیرساخت‌های سیستم‌های WBANS را در مقیاسی بزرگ‌تر نمایش دهیم. این زیرساخت‌ها می‌توانند به نحو مؤثری حجم زیادی از داده‌های تولیدشده را با استفاده از سیستم WBANS مدیریت نمایند. این کار با استفاده از ذخیره‌سازی داده‌ها و انجام تحلیل بر روی آن‌ها انجام می‌گیرد. مدل ارائه‌شده به طور کامل پویایی سیستم‌های WBANS را با استفاده از تکنولوژی‌های ارتباطی مقرون‌به‌صرفه WIFI و سلولی (سلولار) مورد پشتیبانی قرار می‌دهد که خود این تکنولوژی‌ها توسط سیستم‌های WBANS و VC مورد پشتیبانی قرار می‌گیرند. این موضوع با بسیاری از راهکارهای بهداشت موبایل (استفاده از موبایل و دیگر وسایل بی‌سیم در مراقبت پزشکی) که به دلیل تکنولوژی ارتباطی پرهزینه دارای محدودیت می‌باشند، در تضاد است، تکنولوژی‌هایی مانند 3G و LTE. عملکرد این مدل ارائه‌شده اولیه با استفاده از نسخه توسعه‌یافته شبیه‌ساز کلودسیم مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. مشخص گردیده که میانگین مصرف برق و میزان تأخیر جمع‌آوری داده‌ها با افزایش تعداد VS ها و VC ها به طرز فوق‌العاده‌ای کاهش می‌یابد.

1. معرفی

1.1 شبکه‌های بیسیم بدن منطقه

        شبکه‌های بیسیم بدن منطق (WBAN) متشکل از گروهی از گره‌های حسگر ارتباطی می‌باشد. این گره‌های حسگر می‌توانند نصب و یا پوشیده شوند و پارامترهای حیاتی بدن را مورد مشاهده قرار داده و اطلاعات بسیاری را درباره بدن جمع‌آوری نمایند. این دستگاه‌ها که با استفاده از تکنولوژی های بیسیم ارتباط برقرار می‌نمایند، می‌توانند داده‌ها را از بدن به مرکز پایگاه سیستم سلولی انتقال دهند. سپس داده ها بلادرنگ از این مکان به بیمارستان، درمانگاه و دیگر پایگاه‌های ارائه خدمات انتقال داده می شود. WBAN هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد و در حال حاضر درباره این موضوع به صورت گسترده مطالعاتی انجام می‌گیرد. وقتی این تکنولوژی موردپذیرش و کاربرد قرار گیرد، انتظار می‌رود تا اختراعات پیشرفته قابل ملاحظه‌ای در این زمینه صورت گیرند و ایده‌هایی همچون انجام معاینات و مراقبت‌های پزشکی از راه دور و نظارت بر سلامت از طریق دستگاه‌های تلفن همراه پدید آیند.

        انتظار می‌رود که اپلیکیشن های اولیه WBANS ابتدا در حوزه بهداشت و درمان فعالیت خود را آغاز نمایند، به‌ویژه برای نظارت سالمندان و نظارت مداوم و ثبت پارامترهای حیاتی بیمارانی که از بیماری‌های مزمن رنج می برند، مانند، دیابت، سم و حملات قلبی. دیگر کاربردهای این تکنولوژی می تواند در حوزه‌های نظامی، بازی های رایانه‌ای، ورزش، محاسبات اجتماعی سرگرمی و امنیت باشد. گسترده شدن این تکنولوژی به سوی حوزه‌های جدید همچنین می تواند به ارتباط یکپارچه تبادل اطلاعات میان افراد و یا میان افراد و ماشین آلات کمک نماید.

        سیستم های قابل پوشیدن در نظارت بلادرنگ بر سلامت مهم ترین قابلیتی است که مسیر را دررسیدن به هدف ارائه خدمات درمانی کارآمد و پیشگیرانه هموارتر می کند. این سرویس ها به افراد این توانایی را می‌دهند تا علائم حیاتی خود را زیر نظر بگیرند. سپس این سیستم ها پاسخ‌ها (علائم حیاتی ثبت‌شده) را به مرکز ارائه خدمات ارسال می کنند تا وضعیت استاندارد سلامت را حفظ نمایند. از سوی دیگر، یک سیستم درمانی از راه دورمی تواند با سیستم های پوشیدنی ادغام‌شده و وقتی فرد در معرض تهدید جانی قرار دارد، مراقبت‌های لازم را برای سلامت فرد انجام دهند. به علاوه، این سیستم ها می‌توانند برای مراقبت‌های بهداشتی سرپایی نیز مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال، می‌توان از آن‌ها به عنوان تکنیکی تحلیلی در نگهداری بهینه از بیماران با بیماری‌های مزمن، نظارت بر ریکاوری فرد پس از یک رویداد حاد و یا عمل جراحی استفاده نمود، تا تداوم روند درمان را تحت نظارت قرارداد (برای مثال، تمرینات ورزشی منظم برای بیماران قلب و عروق) و یا می‌توان از این تکنولوژی برای مشاهده تأثیرات داروهای تجویزشده بهره برد.

        گره‌های حسگر چندگانه WBAN قابلیت نمونه‌برداری، پردازش و ارتباط با یک یا چند علامت حیاتی مانند، ضربان قلب، فشارخون، اشباع اکسیژن، تعداد تنفس، دیابت، دمای بدن، EGG و فعال بودن فرد و یا پارامترهای محیطی نظیر مکان، دما، رطوبت، نور، حرکت، نزدیک بودن و مسیر مکان را دارا می‌باشند. به طور معمول، این حسگرها بر روی بدن افراد نصب (در داخل بدن) و یا جایگذاری (روی بدن) می‌شوند. این حسگرها تکه های کوچکی هستند که در لباس های فرد قرارگرفته و به صورت پیوسته و همیشگی سلامت افراد را در محیط زندگیشان برای دوره‌های زمانی طولانی مدت موردبررسی قرار می‌دهند.

1.2 محاسبات ابری

       محاسبات ابری پارادایمی جدید است که به‌طور متدوام در حال پیشرفت و تحول می‌باشد. با  قابلیت‌هایی که این رویکرد از تکنولوژی‌هایی مانند مجازی‌سازی سخت افزاری، رایانش موازی، رایانش توزیع‌شده و خدمات وب دریافت می‌کند، باعث تحولی عمیق در تکنولوژی اطلاعات و ارتباطات گردیده است. رایانش ابری می تواند به این صورت تعریف گردد: رایانش ابری مدلی است که دسترسی شبکه‌ای به استخری مشترک از منابع محاسباتی را آسان و همیشگی می‌سازد (برای مثال، شبکه‌ها، سرورها، مکان‌های ذخیره، اپلیکیشن ها و خدمات). این استخرهای مشترک می‌توانند با کمترین دخالت و تلاش مورد مدیریت قرار گیرند. نمونه‌های بسیاری را می‌توان یافت که از زیرساخت‌ها و پلتفورم های رایانش ابری استفاده می‌نمایند مانند مایکروسافت آزور، آمازون EC2، GOOGLE APP ENGINE و دیگر ابرها مانند ابر خصوصی. علاوه بر این، رایانش ابری به شرکت ها کمک می‌کند تا خدمات IT خود را ارتقاء دهند، اپلیکیشن هایی را به کار گیرند تا بتوانند قابلیت های خود را به صورت نامحدود گسترش دهند و سرویس های خودکار زیرساخت‌های IT را ایجاد نموده و درآمد خود را افزایش دهند. مدل های خدمات رایانش ابری عبارتند از: نرم افزار به عنوان خدمات (SAAS) و پلتفرم به عنوان خدمات (PAAS). مشتریان رایانش ابری ممکن است کاربرانی از دیگر ابرها، سازمان ها و شرکت ها باشند و یا ممکن است تنها یک کاربر معمولی باشند.

1.3 تکه ابر و بدنه حوزه شبکه‌های بی‌سیم

         حجم بالای اطلاعات جمع‌آوری‌شده توسط گره‌های WBAN نیازمند ذخیره‌سازی قدرتمند و همه جانبه و امن و پردازش زیرساخت ها می باشد. رایانش ابری نقش مهمی را در نیل به اهداف فوق‌الذکر بازی می کند. محیط رایانش ابری باعث می‌شود تا وسائل مختلف از میکرو حسگرهای کوچک گرفته تا ابررایانه‌ها بتوانند باهم ارتباط برقرار کرده و خدماتی مردم محور را به افراد و صنایع ارائه دهند. احتمال ادغام WBANS و رایانش ابری پلت فرمی ماندگار و ترکیبی را ارائه می‌دهد که باید قابلیت پردازش حجم عظیمی از اطلاعات جمع‌آوری‌شده از WBNAS های چندگانه را داشته باشد. مدل WBAN ابری (مدلی که ترکیب رایانش ابری و WBAN باشد) به کاربران نهایی این امکان را می‌دهد که به صورت جهانی به زیرساخت‌های پردازش و ذخیره با هزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه دسترسی داشته باشند. از سوی دیگر، ازآنجایی‌که WBAN اطلاعات مفید و حیاتی را در اختیار ابر قرار می‌دهد و ممکن است فعالیت خود را در محیطی توزیعی یا رقابتی انجام دهد، برای جلوگیری از تعاملاتی که ممکن است زیرساخت‌های ذخیره‌سازی را مورد تخریب قرار دهند نیاز به مکانیزم های امنیتی نوین وجود دارد. هم ارائه‌دهندگان ابر و هم کاربران باید از ابزار امنیتی قوی برای محافظت از زیرساخت‌های ذخیره‌سازی استفاده نمایند.

        تکه ابر عنصر معماری جدیدی است که در اثر همگرایی رایانش تلفن همراه و رایانش ابری به وجود آمده است. تکه ابر از نظر رتبه‌بندی در رده میانی یک سلسله مراتب سه مرحله‌ای قرار دارد؛ WBAN، تکه ابر و ابر. می‌توان تکه ابر را به صورت یک مرکز داده تصور کرد که درون جعبه‌ای قرار دارد و وظیفه‌اش نزدیک کردن قابلیت‌های ابر به کاربر می‌باشد. این مقاله درباره مدلی نوین صحبت می‌کند که از تکه ابر مبتنی بر رایانش بهره می‌گیرد تا بتواند، مقیاس بزرگی از اطلاعات را در WBANS جمع‌آوری نماید. این مدل باعث می‌شود تا قابلیت رایانش سیستم های ابری برای کاربران WBAN ملموس‌تر باشد. این کار به کاربران WBAN کمک می‌کند تا بتوانند با استفاده از تکنولوژی‌های ارتباطی ارزان تر مستقیما به منابع ابر متصل شوند.

1.4 اهداف و وظایف

        هدف اصلی این مقاله ایجاد سیستم WBAN در مقیاسی بزرگ در کنار مدل جمع‌آوری اطلاعات مبتنی بر تکه ابر می‌باشد. هدف به حداقل رساندن هزینه‌های ارسال اطلاعات است. این کار از طریق انتخاب پویای جمع‌آوری اطلاعات با استفاده از سیستم مبتنی بر تکه ابر انجام می‌گیرد. هدف داشتن اطلاعات نظارت‌شده WBAN است که بتواند برای کاربر و یا شرکت ارئه دهنده خدمات به شیوه ای قابل اعتماد در دسترس باشد. وقتی انرژی صرف شده برای ارسال پکت به ابر کاهش می‌یابد، به‌کارگیری تکه ابر نیز باعث می‌شود تا ارسال پکت ها میان کابران با حداقل تاخیر صورت گرفته و در کل میزان تاخیر به حداقل ممکن برسد، بنابراین، داده هایی موجود در ابر نیز بلادرنگ (با سرعت بالا) مورد نظارت قرار می‌گیرند. توجه داشته باشید که در صورت عدم وجود تراکم شبکه ای در نرخ داده های کوچک WBANS، ذخیره‌سازی با تاخیر روبرو می‌شود چراکه حجم شیوه جمع‌آوری داده معمولا در مقایسه با تاخیر تراکم بسیار بالاتر می باشد.

Abstract

        Wireless Body Area Networks (WBANs) have developed as an effective solution for a wide range of healthcare, military and sports applications. Most of the proposed works studied efficient data collection from individual and traditional WBANs. Cloud computing is a new computing model that is continuously evolving and spreading. This paper presents a novel cloudlet-based efficient data collection system in WBANs. The goal is to have a large scale of monitored data of WBANs to be available at the end user or to the service provider in reliable manner. A prototype of WBANs, including Virtual Machine (VM) and Virtualized Cloudlet (VC) has been proposed for simulation characterizing efficient data collection in WBANs. Using the prototype system, we provide a scalable storage and processing infrastructure for large scale WBANs system. This infrastructure will be efficiently able to handle the large size of data generated by the WBANs system, by storing these data and performing analysis operations on it. The proposed model is fully supporting for WBANs system mobility using cost effective communication technologies of WiFi and cellular which are supported by WBANs and VC systems. This is in contrast of many of available mHealth solutions that is limited for high cost communication technology, such as 3G and LTE. Performance of the proposed prototype is evaluated via an extended version of CloudSim simulator. It is shown that the average power consumption and delay of the collected data is tremendously decreased by increasing the number of VMs and VCs.

1. Introduction

1.1. Wireless body area networks

       Wireless Body Area Networks (WBAN) comprises of a group of communicating sensor nodes. These sensor nodes can be implanted or wearable, which can monitor different vital body parameters and gather a lot of body information [1–5]. These devices, communicating through wireless technologies, can transmit data from the body to a home base station from where the data can be forwarded to a hospital, clinic, or a service provider in real-time manner. The WBAN technology is still in its primitive stage and is being widely researched. The technology, once accepted and adopted, is expected to be a breakthrough invention in many healthcare applications, leading to concepts like telemedicine and mobile health monitoring.

       Initial applications of WBANs are expected to appear primarily in the healthcare domain, especially for continuous monitoring and logging vital parameters of patients suffering from chronic diseases such as diabetes, asthma and heart attacks, as well as in elder care monitoring. Other emerging applications of this technology include military, sports, gaming, social computing, entertainment and security. Extending the technology to new areas could also assist communication by seamless exchanges of information between individuals, or between individual and machines.

       Wearable system in the real-time health monitoring is the most important skill in moving to more efficient and proactive health service. These systems permit persons to monitor the changes in their own vital signs. Then, these systems send responses to the service provider to maintain a standard healthiness position. On the other hand, a telemedical system can be integrated with the wearable systems to provide watchful health recruits when there is a change in the life-threatening. Furthermore, the proposed systems can be used for health monitoring of patients in ambulatory settings [6]. For example, they can be used as a part of a analytic technique, optimal maintenance of a chronic condition, a supervised recovery from an acute event or surgical procedure, to monitor adherence to treatment guidelines (e.g., regular cardiovascular exercise), or to monitor effects of drug therapy.

       The multiple WBAN sensor nodes are capable of sampling, processing, and communicating one or more vital signs like heart rate, blood pressure, oxygen saturation, breathing rate, diabetes, body temperature, ECG and activity, or environmental parameters like location, temperature, humidity, light, movement, proximity and direction. Typically, these sensors are implanted or placed strategically on the human body as tiny patches or hidden in users’ clothes allowing ubiquitous health monitoring in their native environment for extended periods of time.

1.2. Cloud computing

       Cloud computing is a new computing paradigm that is continuously evolving and spreading. Empowered by hardware virtualization technology, parallel computing, distributed computing, and web services, cloud computing present a huge revolution in the information and communication technology [8]. Cloud computing can be defined as ‘‘a model for enabling convenient, on-demand network access to a shared pool of configurable computing resources (e.g., networks, servers, storage, applications and services) that can be rapidly provisioned and released with minimal management effort or service provider interaction’’ [9]. There are several examples for emerging cloud computing infrastructures and platforms such as Microsoft Azure [9], Amazon EC2, Google App Engine, and other on premises cloud, i.e. private cloud [10]. Furthermore, cloud computing helps companies to improve the IT services, development of applications to achieve unlimited scalability, automaticity on demand services of the IT infrastructure, and increasing their revenues [11]. Cloud Computing service models include: Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS), and Infrastructure as a Service (IaaS). Clients of cloud computing might be users in other Clouds, organizations, enterprises, or might be a single user [8].

1.3. Cloudlet and wireless body area networks

        The huge amount of data collected by WBAN nodes demands scalable, on-demand, powerful, and secure storage and processing infrastructure. Cloud computing is playing a significant role in achieving the aforementioned objectives. The cloud computing environment links different devices ranging from miniaturized sensor nodes to high-performance supercomputers for delivering people-centric and context-centric services to the individuals and industries. The possible integration of WBANs with cloud computing will introduce viable and hybrid platform that must be able to process the huge amount of data collected from multiple WBANs. This WBAN-cloud model will enable end users to globally access the processing and storage infrastructure at economical costs. On the other hand, since WBANs forward useful and life-critical information to the cloud, which may operate in distributed and hostile environments, novel security mechanisms are required to prevent malicious interactions to the storage infrastructure. Both the cloud providers and the users must take strong security measures to protect the storage infrastructure.

        A cloudlet is a new architectural element that arises from the convergence of mobile computing and cloud computing. It represents the middle level of a 3-level hierarchy; WBAN, cloudlet and cloud. A cloudlet can be viewed as a data center in a box whose goal is to bring the cloud capabilities closer to the users. This paper discuses a novel model that exploit cloudlet based computing for supporting large scale data collection in WBANs. The model brings a high computing capacity of cloud system closer to the WBANs users. This will help WBANs users to be connected directly to cloud resources using cheaper communication technologies.

1.4. Objectives and contributions

       The main goal of this paper is to develop a large scale WBANs system in the presence of cloudlet-based data collection model. The objective is to minimize end-to-end packet cost by dynamically choosing data collection to the cloud by using cloudlet based system. The goal is to have a large monitored data of WBANs to be available to the end user or to the service provider in reliable manner. While reducing packet-to-cloud energy, the proposed work also attempt to minimize the endto-end packet delay by choosing cloudlet so that the overall delay is minimized, thus leading to have the monitored data in the cloud in real time mode. Note that in the absence of network congestions in low data-rate WBANs, the storage delays due to data collection manner are usually much larger compared to the congestion delay.

چکیده

1. معرفی

1.1 شبکه‌های بیسیم بدن منطقه

1.2 محاسبات ابری

1.3 تکه ابر و بدنه حوزه شبکه‌های بی‌سیم

1.4 اهداف و وظایف

2. فعالیت‌های مرتبط

3. اکتشافات مقدماتی

3.1 نمونه سیستم های اولیه WBAN

3.2 نمونه های اولیه سیستم های ابری

 3.3 مجازی شده در برابر ویژگی های سرور های قراردادی

4. فرمولاسیون (قاعده سازی) مدل WBAN مبتنی بر تکه ابر

4.1 مدل سیستم WBAN مبتنی بر تکه ابر

4.2 معیار های عملکرد

4.3 توصیف ویژگی های WBAN تکه ابری

5. نتایج آزمایش ها

5.1 تعداد کاربران

5.2 استقرار VC ها و تعداد کاربران

5.3. استقرار نزدیک VC ها

5.4 اسقرار VC ها در فاصله دور

6. نتیجه گیری و فعالیت های در حال انجام

منابع

Abstract

1. Introduction

1.1. Wireless body area networks

1.2. Cloud computing

1.3. Cloudlet and wireless body area networks

1.4. Objectives and contributions

2. Related work

3. Preliminary exploration

3.1. WBAN system prototype

3.2. Cloud system prototype

3.3. Virtualized vs. conventional server characterization

4. Cloudlet-based WBAN model formulation

4.1. Cloudlet-based WBAN system model

4.2. Performance metrics

4.3. Characterization of cloudlet-WBANs

5. Experimental results

5.1. Number of users

5.2. VCs deployment and number of users

5.3. Adjacent VCs deployment

5.4. Distant VCs deployment

6. Conclusion and ongoing work

References