پایان‌نامه کارشناسی ارشد رشته کامپیوترگرایش نرم افزار (M.Sc)
دستیابی به کیفیت سرویس در شبکه های حسگر بیسیم با استفاده از آتوماتاهای یادگیر سلولی
لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه:188
فهرست مطالب:
چکیده 8
1- مقدمه 9
1-1- شبکه های حسگر بی سیم 9
1-1-1- مسائل مطرح در شبکه های حسگر بی سیم 12
1-1-2- پوشش محیط در شبکه های حسگر بی سیم 14
1-1-3- خوشه بندی در شبکه های حسگر بی سیم 15
1-1-4- تجمیع داده ها در شبکه های حسگر 16
1-2- کیفیت سرویس در شبکه های حسگر بی سیم 17
1-2-1- کیفیت سرویس در شبکه های داده ای سنتی 19
1-2-2- کیفیت سرویس در شبکه های حسگر بی سیم 21
1-3- آتوماتای یادگیر 24
1-3-1- آتوماتای یادگیر 26
1-3-2- معیارهای رفتار اتوماتای یادگیر 29
1-3-3- الگوریتمهای یادگیری 30
1-3-4- آتوماتای یادگیر با عملهای متغیر 34
1-4- آتوماتای یادگیر سلولی 35
1-4-1- آتوماتای سلولی 35
1-4-2- آتوماتای یادگیر سلولی (CLA) 39
1-5- اهداف پایان نامه و ساختار آن 42
2- پوشش محیط در شبکه های حسگر بی سیم با استفاده از آتوماتاهای یادگیرسلولی 44
2-1- مقدمه.................................. .................................. 44
2-1-1- اشکال مختلف طراحی 45
2-2- دسته بندی مسائل پوشش در شبکه های حسگر 46
2-2-1- پوشش ناحیه ای 47
2-2-2- پوشش نقطه ای 50
2-2-3- پوشش مرزی................................ ................................ 51
2-3- روش پوشش CCP 53
2-3-1- فرضیات مسئله 53
2-3-2- تشریح روش................................ ................................ 53
2-4- حل مسئله پوشش(k-پوششی ) با استفاده از آتوماتاهای یادگیر 55
2-4-1- فرضیات و مدل مسئله 57
2-4-2- روش تشخیص افزونه بودن نود حسگر 58
2-4-3- شبیه سازی................................ ................................ 68
2-5- جمع بندی............................... ............................... 75
3- خوشه بندی در شبکه های حسگر بی سیم با استفاده از آتوماتاهای یادگیر سلولی 76
3-1- مقدمه.................................. .................................. 76
3-2- کارهای انجام شده 80
3-2-1- پروتکل خوشه بندی LEACH 81
3-2-2- پروتکل خوشه بندی HEED 84
3-3- خوشه بندی در شبکه های حسگر بی سیم با استفاده از آتوماتاهای یادگیر 89
3-3-1- روش خوشه بندی پیشنهادی 90
3-3-2- شبیه سازی................................ ................................ 98
3-4- جمع بندی............................... ............................... 103
4- تجمیع داده ها در شبکه های حسگر با استفاده از آتوماتاهای یادگیر سلولی................... ................... 104
4-1- مقدمه.................................. .................................. 104
4-2- کارهای انجام گرفته 105
4-3- تجمیع داده ها در شبکه های حسگر با استفاده از اتوماتاهای یادگیر 108
4-3-1- بیان مسئله و مفروضات آن 109
4-3-2- تشریح روش پیشنهادی 111
4-4- شبیه سازی.............................. .............................. 115
4-4-1- ازمایش اول............................... ............................... 118
4-4-2- ازمایش دوم............................... ............................... 118
4-5- جمع بندی............................... ............................... 119
5- نتیجه گیری 120
6- پیوست الف: شبکه های حسگر بی سیم 121
6-1- تاریخچه شبکه های حسگر 121
6-2- ساختار هر گره حسگر 122
6-2-1- اجزاء درونی یک گره حسگر 122
6-2-2- محدودیتهای سخت افزاری یک گره حسگر 124
6-3- پشته پروتکلی 125
6-4- مزایای شبکه های حسگر بیسیم 126
6-5- کاربردهای شبکه های حسگر بیسیم 128
7- پیوست ب:آتوماتای یادگیرسلولی 132
7-1- تاریخچه آتوماتای یادگیر 132
7-2- معیارهای رفتار اتوماتای یادگیر 133
7-3- آتوماتای یادگیر با عملهای متغیر 135
7-4- آتوماتای یادگیر تعقیبی 136
7-5- آتوماتای یادگیر سلولی (CLA) 145
7-6- آتوماتای یادگیر سلولی باز(OCLA) 148
7-7- آتوماتای یادگیر سلولی ناهمگام (ACLA) 149
8- پیوست ج: شرح نرم افزار jsim و پیاده سازی الگوریتمهای پیشنهادی با آن 151
8-1- مقدمه.................................. .................................. 151
8-2- شبیه ساز jsim 152
8-3- پیاده سازی الگوریتم خوشه بندی پیشنهادی 153
8-4- پیاده سازی الگوریتم پوشش پیشنهادی 175
مراجع 180
چکیده :
یک شبکه حسگر بی سیم از تعداد زیادی از نودهای حسگر در یک ناحیه خاص تشکیل شده است که هر یک از آنها توانایی جمع آوری اطلاعات ازمحیط را دارا می باشد و داده های جمع آوری شده را به نود سینک ارسال می کند. هر چند که به طور کلی راجع به شبکه های حسگر بی سیم تحقیقات زیادی صورت گرفته است، در مورد کیفیت سرویس در این شبکه ها هنوز به اندازه کافی کار نشده است. کیفیت سرویس در شبکه های حسگر بی سیم نسبت به شبکه های سنتی بسیار متفاوت است. از آنجایی که زمینه کاربرد این شبکه ها بسیار وسیع می باشد، پارامترهای کیفیت سرویس درآنها متفاوت است. بعضی از پارامترهایی که در ارزیابی کیفیت سرویس مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از: پوشش شبکه, تعداد بهینه نودهای فعال در شبکه, طول عمر شبکه و میزان مصرف انرژی.
تکنیکی که ما جهت بهبود پارامترهای کیفیت سرویس در شبکه ها ی حسگر مورد استفاده قرار داده ایم, روش هوشمند اتوماتاهای یادگیر سلولی(CLA) می باشد. اتوماتای یادگیر سلولی یک رهیافت مکاشفه‌ای برای حل مسایل بهینه‌سازی پیچیده میباشد که بررسی‌های اخیر برروی آن، کارایی مناسب آن را به عنوان تکنیکی برای حل این‌گونه مسائل نشان داده است.
در این پایان نامه تعدادی از مسائل اساسی شبکه ها ی حسگر بی سیم مطرح گردیده و با هدف بهبود پارامترهای کیفیت سرویس این مسائل با استفاده از آتوماتاهای یادگیرسلولی حل گردیده اند.
ابتدا مسئله پوشش محیط در شبکه های حسگر را با استفاده از غیر فعال نمودن نودهای غیر ضروری و فعال نگه داشتن بهینه نودها حل می گردد. تا در مصرف انرژی صرفه جویی به عمل آمده و عمر شبکه افزایش یابد و بدین ترتیب به چند پارامتر کیفیت سرویس در شبکه های حسگر به طور همزمان توجه می گردد. سپس به مسئله خوشه بندی در شبکه حسگر پرداخته شده و با استفاده از آتوماتاهای یادگیر, شبکه های حسگر به گونه ای خوشه بندی می شوند که انرژی به صورت یکنواخت در شبکه بمصرف رسیده وعمر شبکه افزایش یابد. بنابراین در این روش خوشه بندی معیارهای کیفیت سرویس انرژی و طول عمر شبکه مد نظر قرار می گیرند. و بعد از ان با استفاده از آتوماتاهای یادگیر یک روش تجمیع داده های محیط حسگری پیشنهاد می گردد که در مصرف انرژی شبکه صرفه جویی به عمل آورده و عمر شبکه را افزایش می دهد ولذا به معیارهای انرژی شبکه, طول عمر و تعداد نودهای فعال توجه می گردد.
کلمات کلیدی: کیفیت سرویس، شبکه های حسگر بی سیم، پوشش، خوشه بندی، تجمیع داده ها، آتوماتای یادگیر
1- مقدمه
1-1-شبکه های حسگر بی سیم
شبکه های حسگر بی سیم[1] جهت جمع آوری اطلاعات در مناطقی که کاربر نمی تواند حضورداشته باشدمورد استفاده قرار می گیرند. در یک شبکه حسگر ، حسگرها به صورت جداگانه مقادیر محلی را نمونه برداری (اندازه گیری) می کنند و این اطلاعات را درصورت لزوم برای حسگرهای دیگر و در نهایت برای مشاهده گر اصلی ارسال می نمایند. عملکرد شبکه این است که گزارش پدیده هایی راکه اتفاق می افتد به مشاهده گری بدهد که لازم نیست از ساختار شبکه و حسگرها به صورت جداگانه و ارتباط آنها چیزی بداند. این شبکه ها مستقل و خودگردان بوده وبدون دخالت انسان کار می کنند. . معمولا تمامی گرهها همسان میباشند و عملاً با همکاری با یکدیگر، هدف کلی شبکه را برآورده می‌سازند. هدف اصلی در شبکههای حسگر بیسیم نظارت و کنترل شرایط و تغییرات جوی، فیزیکی و یا شیمیائی در محیطی با محدوده معین، میباشد[1, 2]. شبکه حسگر بیسیم نوع خاصی از شبکههای موردی[2] است. مبحث شبکه های حسگر بی سیم یکی از موضوعات جدید در زمینه مهندسی شبکه و فناوری اطلاعات می باشد.
پیشرفتهای اخیر در طراحی و ساخت تراشه های تجاری این امکان را به وجود آورده است که عمل پردازش سیگنال و حس کنندگی در یک تراشه انجام گردد که به این قطعات حسگرهای شبکه بی سیم گفته می شود که شامل سیستم های میکروالکترومکانیکی [3](MEMS) مانند حسگرها، محرک ها[4] و قطعات رادیویی RF می باشد.
حسگرهای بی سیم کوچکی تولید شده است که قابلیت جمع آوری داده از فاصله چند صد متر و ارسال داده بین حسگرهای بی سیم به مرکز اصلی را دارا می باشد و با این تکنولوژی اطلاعات دما - نوسانات، صدا، نور، رطوبت، و مغناطیس قابل جمع آوری می باشد. که این حسگرهای بی سیم با هزینه کم قابل نصب در شبکه های حسگر بی سیم می باشد. اما کوچک شدن حسگرهای بی سیم دارای معایبی نیز می باشد. تکنولوژی نیمه هادی باعث بوجود آمدن پردازنده های سریع با حافظه بالا شده است اما تغذیه این مدارات هنوز هم یک مشکل اساسی است که محدود به استفاده از باتری گردیده است.بخش منبع تغذیه یک بخش مهم و محدود است که در صورتیکه از باطری در این شبکه ها استفاده شود تعویض باطری ها در حالتی که تعداد نودهای شبکه زیاد باشد کاری سخت و دشوار خواهد بود و نودها به منظور ذخیره و صرفه جویی در مصرف انرژی مجبور به استفاده از ارتباطات برد کوتاه خواهند شد. تفاوت یک حسگربی سیم کارآ و یک حسگر بی سیم که دارای کارایی کم از نظر انرژی است در عملکرد آنها در ساعت ها نسبت به هفته ها می باشد. افزایش اندازه شبکه WSN باعث افزایش و پیچیدگی مسیریابی وارسال اطلاعات به مرکز اصلی می باشد. اما همچنان مسیریابی و پردازش نیاز به انرژی دارند. بنابراین یکی از نکات کلیدی در توسعه و ارائه الگوریتمهای مسیریابی جدید، کاهش و صرفه جویی انرژی مصرفی است. بخش های مختلف شبکه های سنسور بی سیم باید شبیه سازی و مدلسازی گردند تا کارآیی آنها مورد بررسی واقع شود. برای اینکار شبکه های حسگر بی سیم حسگر به گرافهایی نگاشت میشوند که در این گرافها هر گره مطابق با یک نود در شبکه بوده و هر لبه بیانگر یک پیوند یا کانال ارتباطی بین دو نود در شبکه خواهد بود.اگر ارتباط بین نودها در شبکه دو جهته باشد گراف نگاشت شده بدون جهت خواهد بود و اگر ارتباط بین نود ها در شبکه نا متقارن باشد در آن صورت گراف نگاشت یافته جهتدار خواهد بود. البته مدل ارتباطی بین نودها در شبکه میتواند یک به یک یا یک به همه باشد. فراهم آوردن یک مدل عملی برای حسگرها یک کار پیچیده و دشواری می باشد که این به خاطر تنوع در انواع مختلف حسگرها هم از نظر ساختاری و هم از نظر اصول و اساس کار آنها دارد. شبکه های حسگر دارای ویژگیهای منحصر به فرد هستند که این امر باعث شده است تا پروتکل های خاصی برای آنها در نظر گرفته شود.
در شبکه های بی سیم حسگر فقط یک یا دو ایستگاه پایه وجود دارد و تعداد زیادی نودهای حسگر در محیط پخش گردیده اند. به علت محدودیت برد این حسگرها و انرژی باتری خیلی از نودها قادر به ارتباط مستقیم با ایستگاه پایه نمی باشند. اما سریعاً با تکیه بر نودهای نظیر خود و نودهای حسگر دیگر، به ارتباط با ایستگاه پایه می پردازد که در شبکه های [5]MANET نیز این عمل توسط نودهای معمولی انجام می شود.
معماری ارتباطات شبکههای حسگر بیسیم در شکل 2-4 دیده میشود[1]. در شبکههای حسگر بیسیم، تعداد زیادی گره با امکانات مخابره، پردازش، حس کردن محیط و ... در محیطی با چهارچوب معین پراکنده شدهاند. رویداد اتفاق افتاده و یا سوالات پرسیده شده از سوی گره مرکزی[6] و ماموریت محوله بر هر گره موجب میشود، ارتباطاتی بین گرهها برقرار شود. اطلاعات رد و بدل شده میتواند گزارشی از وضیعت محدوده که زیر نظر گرههای حسگر میباشد به گره مرکزی و یا درخواستی از سمت گره مرکزی به سمت گرههای حسگر باشد. گره مرکزی به عنوان درگاه ارتباطی شبکه حسگر با سایر سیستمها و شبکههای مخابراتی، در واقع گیرنده نهایی گزارش از گرههای حسگر میباشد و بعد از انجام یکسری پردازشها، اطلاعات پردازش شده را به کاربر ارسال میکند (با استفاده از یک رسانه ارتباطاتی مانند اینترنت، ماهواره و ...). از سوی دیگر، درخواستهای کاربر نیز توسط این گره به شبکه انتقال مییابد.
و...
دانلود پایان نامه دستیابی به کیفیت سرویس در شبکه های حسگر بیسیم با استفاده ازآتوماتاهای یادگیر سلولی