دانلود مقاله تحقیق پایان نامه

دانلود پایان نامه درباره شبکه های اقتضایی، تئوری اطلاعات

[do_widget id=kl-erq-2]

با وجود آنکه مرجع [8]، تنها مرتبه ظرفیت یا نرخ انتقال را مورد بررسی قرار داده است، ملاحظه می شود که در مقایسه با [27 و28] نتیجه مرجع [8] برای یک حالت کلی تر، یعنی حالتی که مسیریابی به صورت بهینه و مستقل از استاندارد IEEE802.11 انجام میشود، بدست آمده است و یک دید کلی درباره ظرفیت شبکه ارائه میکند که در مواردی، از مقدار دقیق نرخ انتقال برای یک شبکه خاص مفیدتر است.
مراجع [34-36] با حذف هرگونه محدودیت روی تکنولوژی مورد استفاده و نرخ لایه فیزیکی و تنها بر اساس مدلهای کانال به بررسی ظرفیت شبکه های بدون سیم اقتضایی از دید تئوری اطلاعات پرداخته اند. اما به عنوان مثال، در [34و35] مدلهای بسیار ساده ای برای کانال بدون سیم در نظر گرفته شده است. به علاوه، کلیه محدودیت های تکنولوژی فعلی از جمله انتقال چندگامه نادیده گرفته شده و فرض شده است که در صورت لزوم از گیرنده هایی با کدهای چندکاربره پیچیده، استفاده می شود. با این شرایط مرتبه کل ظرفیت مبدا-مقصد برابر با O(n) بدست آمده است؛ در حالیکه قبلا در مرجع [8] مرتبه کل نرخ انتقال مبدا-مقصد بدون استفاده از کد های چند کاربره و حذف تداخل ، حداکثر برابر با محاسبه شده که فاصله زیادی با دارد.
البته به دلیل اینکه دراین مرجع فرض شده که گره ها به صورت کاملا تصادفی توزیع شده اند و هر دو گروه دلخواه با احتمال مساوی به عنوان یک زوج مبدا-مقصد انتخاب می شوند نتایج تا حدی بدبینانه هستند. هر چند این فرض در بسیاری از شبکه ها فرضی منطقی به نظر می رسد، در عمل ممکن است الگوی برقراری ارتباط به گونه ای باشد که نتیجه ای بهتر حاصل شود. به بیان دیگر در شبکههایی که اغلب ارتباطات محلی باشند و یک فرستنده با احتمال بیشتری یکی از گرههای نزدیک به خود را به عنوان مقصد انتخاب میکند، نرخ انتقال مبدا- مقصد هر گره میتواند بیشتر از باشد.
به ویژه در [37 و38] نشان داده شده است که تحرک میتواند ظرفیت قابل حصول از شبکه را افزایش دهد، به این ترتیب که یک گره (مبدا) که میخواهد بستهای را به یک گره دیگر(مقصد) بفرستد، اگر به مقصد نزدیک باشد بسته را مستقیما ارسال میکند، در غیر این صورت بسته را به تعدادی از گرههای مجاور خود ارسال میکند. این گرهها به صورت رله عمل میکنند و هنگامی که در مسیر حرکت خود به گره مقصد نزدیک شوند، بسته را به مقصد نهایی ارسال میکنند. بنابراین کل ارسال بسته از مبدا به مقصد، حداکثر در دو مرحله صورت میگیرد. به این ترتیب، به دلیل وجود تحرک در میان گرهها، ارتباطات به صورت محلی خواهند بود و منابع شبکه کمتر صرف دست به دست شدن گرهها بین گرههای میانی میشود.
در [38] نشان داده شده است که تحت چنین شرایطی کل ظرفیت شبکه ای شامل گره است و در نتیجه با افزایش تعداد گرههای شبکه ظرفیت قابل اختصاص به هر گره ثابت میماند. بر این اساس، برای رسیدن به ظرفیت در یک شبکه شامل گرههای متحرک، ارسال تنها زمانی صورت میگیرد که گرههای فرستنده و گیرنده به هم نزدیک شده باشند. اما این شرط میتواند تاخیر زیادی در رسیدن اطلاعات به مقصد نهایی ایجاد کند [39 و40] .
بنابراین به نظر میرسد که بین ظرفیت شبکه و تاخیر ابتدا و انتها ارتباط تنگاتنگی وجود دارد و ظرفیت قابل قبولی که در [38] به دست آمده به قیمت افزایش تاخیر بوده است[40] . البته نتایج متفاوت به دست آمده در [8] و [38]، نفی کننده یکدیگر نیستند و با مدلسازی میتوان هر دو نتیجه را به عنوان حالت های خاصی از یک حالت کلیتر به دست آورد [39] .
در مرجع [39]، گره در سطح پوشش شبکه که به صورت یک مربع واحد فرض شده است به صورت تصادفی قرار دارند و ناحیه پوشش به همسایگی تقسیم شده است(). سپس با محدود کردن حرکت گرهها بین همسایگیهای مجاور، کل نرخ انتقال شبکه به صورت به دست آمده است. در انتها با تطبیق سناریوهای مطرح در [8] و [38] به مدل مورد استفاده، نتایج آن دو به حد بالا و پایین نتیجه کلی مقاله معرفی شده است.
در هر سه مرجع [8]، [38] و [39]، مسئله ظرفیت بدون هیچگونه محدودیتی روی حداکثر تاخیر ابتدا به انتهای قابل قبول و سایر ملاحظات نظیر محدودیت حافظه هر گره و محدودیت توان در شبکههای بدون سیم اقتضایی در نظر گرفته شده است. این در حالی است که در مراجع بسیاری از جمله [40-42] تلاش شده است که تاخیر به عنوان یک محدودیت در نظر گرفته شده و سپس ظرفیت تحت این محدودیت محاسبه شود.
به ویژه در [40] ، مدلی ارائه شده که با در نظر گرفتن مدل ذرهای برای طول بستههای ارسالی از هر گره، کلیه سناریوهای ثابت و متحرک را در بر میگیرد و ظرفیت و تاخیر را به صورت توام محاسبه میکند.
مرجع [43] تاخیر را تنها به عنوان یک محدودیت در نظر میگیرد و با توجه آن ظرفیت را برای یک شبکه اقتضایی که از CDMA استفاده میکند محاسبه میکند. درنظرگرفتن CDMA برای ارسال همزمان در شبکه بدون سیم اقتضایی مسئله ای است که قبلا هم مورد توجه قرار گرفته و هرچند در بسیاری از موارد مسئله ظرفیت محدود نبوده، روشهایی که قبلا در تحلیل شبکههای چند مرحلهای که از CDMA استفاده میکنند به کار رفتهاند، در تحلیل ظرفیت نیز میتوانند مفید باشند [9] .
در مراجع [11 و12 و13] سناریو یی بیان شده است که بدون نیاز به مسیر یابی یا دانستن مکان سنسور ها و با کمک گرفتن از یک ایستگاه مرکزی اصلی متحرک یا ثابت ولی دارای آنتن های جهتی مکان سنسور ها را تعیین میکند و اسم این روش را که یک روش راداری است، شبکه سنسوری تصویر بردار ، نامیده است. بدین صورت که ایستگاه کلکتور متحرک، با ارسال یک سیگنال بیکان که یک کد گسترده ساز با رکر است و سپس دریافت پاسخ سنسور ها به این بیکان، این سیگنالهای رسیده را تحلیل کرده و مکان تقریبی سنسور ها را با دقت مشخص با استفاده از الگوریتم های بازسازی و تخمین ML ,MF بدست می آورد. این سناریو برای شبکه های با چگالی زیاد کاربرد دارد که در آن امکان مسیریابی برای این حجم بالای سنسور ها وجود ندارد. در این مسئله به نحوی اثرات مقیاسپذیری بر مکانیابی را مطرح میکند.
در این مقاله [12] بیان شده است که اصولا هنگامیکه نیاز به تعیین محل سنسور های فعال شده از یک پدیده تصادفی هستیم، می توان فرض کرد که فقط نزدیکترین سنسور به محل حادثه فعال شود و یا کلا در یک بازه از فاصله مکانی، کل سنسور هایی که در آن فاصله هستند، فعال شوند. اصولا حالت تک سنسوری برای نواحی با توزیع پراکنده سنسور ها رخ میدهد و حالت چند سنسوری، برای نواحی با تراکم بالای سنسور ها بوجود میآید. شبیه سازیهای این مقاله ، مناسب بودن روش چند سنسوری را فقط برای SINR های پایین در حدود 2-3 دسی بل، و بهتر بودن تک سنسوری را برای SINR های بالاتر نشان میدهد. که این بحث همان تاثیر تداخلی دیگر سنسور ها و کاهش SINR در سناریو های با تراکم بالاست و همچنین در حالتیکه فقط یک سنسور فعال میشود و تداخل ناشی از دیگر سنسور ها را نداریم، بهتر است ارسال با تولان بیشتری صورت پذیرد که معادل با SINR بالاتر است .
ما نیز برای تکمیل این اثر، سناریوی مشابهی را در نظر گرفتیم که در آن برای بهبود دقت مکانیابی، ایستگاه مرکزی در دو راستا حرکت میکند و نتیجتا کل سناریو را شبیه سازی کردیم و نشان دادیم که با این کار می توان دقت را بالا برد و یا برای چگالی های بالاتری از سنسور ها به دقت مشابهی در تخمین مکانی آنها رسید. برای این منظور از دو تعریف خطا استفاده کردیم ، یکی احتمال عدم تشخیص سنسور(احتمال از دست دادن) های فعال و دیگری احتمال تشخیص اشتباه یک سنسور هنکامیکه واقعا فعال نشده است. برای این دو مقدار، اگر چگالی سنسور ها کم باشد، احتمال تشخیص اشتباه بالا می رود و اگر تعداد سنسور ها زیاد باشد، احتمال ازدست دادن سنسور ها بالا میرود . بنابراین نیاز است که مقدار مناسبی از چگالی سنسور ها را بسته به پارامتر های معرفی شده برای شبکه مورد نظر در نظر بگیریم. این بحث در مبحث مقیاسپذیری جای میگیرد . نتیجه این مطالعات در کنفرانس بین المللی IST-2012 در مرجع [7] به ثبت رسانیده ایم.
در مرجع [14] برای بررسی مقیاسپذیری در شبکه سنسوری بدون سیم، از یک روش تحلیلی بر پایه چگالی احتمال SINR برای BER مسیر استفاده شده است. نشان داده شده که BER دارای یک نقطه مینیمم بهینه برای چگالی خاص می باشد، بنابراین برای SINR نیز میتوان به نتایج مشابه رسید.
تفاوت این کار با کار مراجع [ 11و12و13] در اینست که اولا دراینجا گره ها بصورت اقتضایی و بدون زیرساخت مشخص هستند و هر گره می تواند بصورت مستقیم با دیگر گره ها همکاری کند تا اطلاعاتش را به گره مرکزی رله و ارسال نماید.
کارهای اصلی انجام شده در این مقاله، بدست آوردن تابع چگالی SNRlink (مسیر)، روش جدید تحلیلی برای میانگین BER مسیر و نهایتا پیدا کردن BER بهینه میباشد. برای مدل کردن سیستم، از معادلات انتشار توان و تضعیف فضای آزاد با در نظر گرفتن نویز حرارتی و تداخل به عنوان نویز ، برای توزیع تصادفی یکنواخت سنسور ها استفاده کرده است . دو سناریوی، کمترین تعداد گام با بیشترین طول گام برای انتخاب سنسور بعدی رله کننده اطلاعات که بیشترین مصرف انرژی و تضعیف را داراست و یا سناریوی بیشترین تعداد گام با کمترین طول که کمترین تضعیف و مصرف بهینه انرژی را داراست، معرفی شده و از دومی برای تحلیل هایش استفاده کرده است. با کمک شبیه سازیها نشان داده شده که با کاهش فاصله بین فرستنده و گیرنده که معادل با افزایش چگالی سنسور ها و انتخاب گام بیشتر با طول کمتر است، میزان توان دریافتی افزایش می یابد که منجر به کاهش BER مسیر خواهد شد، اما این کاهش فقط تا آنجایی ادامه می یابد که افزایش تداخل ناشی از دیگر سنسور ها بر عامل افزاینده SINR غالب شود و در نتیجه مجددا BER بعد از رسیدن به مینیمم بهینه اش، شروع به افزایش کند .
در مرجع [15] مطابق با مرجع [14]، مقادیر BER, SINR و میانگین آنها را محاسبه می کند، اما بر خلاف قبل بجای WSN روی حالت کلی تر شبکه های اقتضایی بحث میکند. از روی میانگین فاصله بین دو گره مبدا-مقصد، میانگین تعداد گام و نهایتا میانگین BER مسیر را که وابسته به پارامتر های توان ارسالی، عرض باند کانال، زاویه جستجو برای انتخاب سنسور بعدی، است را بدست می آورد. همانطور که در مرجع قبل بیان شده است، افزایش چگالی گره ها باعث کاهش BER مسیر ، تا زمانیکه توان تداخلی میانگین، بر میانگین توان دریافتی غلبه کند، می شود. همچنین مدل پروتکلی RESGO-MAC در گره ها برای ارسال اطلاعاتشان استفاده شده است. گره ها اطلاعات را در پاکت هایی با طول ثابت با توزیع فرایند پوآسون با نرخ میانگین ارسال λ، ارسال می کنند. فرض بر اینست که BER در هر مسیر مستقل از دیگر مسیر هاست؛ نود های میانی تعیین و احتمالا تصحیح خطا میکنند و خطای تصحیح نشده بصورت جمع شونده، BER کل مسیر را میسازند. علاوه بر نویز گرمایی، تداخل را نیز به صورت نویز در نظر میگیریم.
میانگین BER مسیر را مانند مرجع [12] محاسبه می کند. شبیه سازیها نشان میدهد که چگالی گره ها تاثیری در میانگین تعداد گام (از فرستنده تا گیرنده) ندارد. نتیجتا در این مقاله یک روش تئوریک جدید برای تخمین میانگین BER مسیر ارائ ه کرده است که از مسیریابی حداقل فاصله (حداکثر تعداد گام با کمترین انرژی) استفاده کرده است. برای این کار ابتدا فرم بسته ای را برای میانگین فاصله فرستنده –گیرنده بافته و سپس میانگین تعداد گام در هر مسیر را بدست آورده است و نهایتا مقدار BER کل مسیر را از روی میانگین تعداد گام و BER یک مسیر(در طول یک گام) بدست آورده است. در این مقاله حد آستانه ای برای تعداد گره ها بدست آورده که در آن خطای BER کمینه می شود و در ورای آن با افزایش چگالی نود ها، میانگین BER زیاد می شود.
مرجع کلاسیک [8] پایه های تعریف و تعیین مرتبه ظرفیت در شبکه های بدون سیم بیان می کند. در این مرجع، که مورد استناد اکثر مراجع بعدی بوده است، دو مدل فیزیکی و پروتکلی در نظر گرفته شده است. در این مقاله مفاهیم ظرفیت انتقال و ظرفیت گذردهی تعریف شده اند و تلاش شده است تا بر مبنای گذردهی، مقادیر باند بالا و باند پایین را در حالات توزیع قرارگرفتن گره های شبکه بصورت دلخواه و تصادفی، را تحت مدلهای پروتکلیی و فیزیکی بدست آورد.
در مدل فیزیکی روی توان سیگنالهای رسیده برای سیگنال به نویز، بحث میکنیم، در صورتی که SINR دریافتی در گیرنده از یک سطح آستانه بیشتر باشد، ارسال با یک نرخ بیت ازپیش تعیین شده و ثابت، موفقیت آمیز خواهد بود. در مدل پروتکلیی فاصله تداخل ها مطرح میشود ؛ دراین مدل، یک عدد ثابت δ در نظر گرفته می شود، و ارسال با یک نرخ از پیش تعیین شده و ثابت موفقیت آمیز خواهد بود اگر فاصله هیچکدام از فرستنده های تداخلی با گیرنده مربوطه، کمتر از (1+δ) برابر فاصله فرستنده مطلوب تا این گیرنده نباشد [8]. بنابر این در هر دو مدل، ظرفیت به صورت حاصلضرب درصد مواقعی که، ارسال موفقیت آمیز است در یک نرخ بیت ثابت از پیش تعیین شده، محاسبه میگردد.
در شرایطی که توان ارسالی همه گره ها یکسان باشدو سیگنال در فضای آزاد با نسبت فاصله بفرم نمایی با ضریب نمایی تضعیف بزرگتر از 2، تضعیف شود، این دو مدل باهم یکسان خواهند بود. و معمولا در مراجع مختلف، انتخاب اینکه از کدام مدل بهره ببرند، به سادگی تحلیل و کاربرد آن بستگی دارد.
چهار نتیجه اصلی در این مقاله بیان شده اند که پایه های اصلی باند های ظرفیت هستند، عبارتند از :
ظرفیت انتقال یک سیستم دلخواه در مدل پروتکلیی برابر است با اگر سنسور ها در مکان بهینه قرار گرفته باشند و پترن ترافیکی و رنج ارسال بطور بهینه انتخاب شده باشد.
برای مدل فیزیکی ظرفیت امکانپذیر است اگر مقدار c مناسبی اختیار کرده باشیم و باند بالای این ظرفیت است؛ که در آن حداقل سیگنال به نویز ممکن و W پهنای باند کانال است.
]]>