تخصیص منابع مبتنی بر کانال و آگاه از زمینه، برای شبکه های بدنی بی سیم

به جهت نمایش کامل متن به همراه جداول و تصاویر میتوانید از اینجا اقدام کنید.

به جهت سفارش ترجمه ارزان از نوار بالای سایت کمک بگیرید.

چکیده

تجمیع حسگرهای کوچک موجب تشکیل یک شبکه بدنی بی سیم (WBAN) می شود که امکان مراقبت بهداشتی راه دور را فراهم می سازد. برخی مطالعات جهت رایج شدن و فراگیر شدن این فناوری جدید در جامعه از گجت هایی نظیر تلفن های سلولی یا لپتاپ به عنوان هاب برای شبکه های بدنی بی سیم استفاده کرده اند. در این حالت کاربردهای پزشکی و غیرپزشکی شبکه های بدنی باید جز در مواقع ضروری ارجحیت یکسانی داشته باشد. علاوه براین، کاربردهای پزشکی شبکه های بدنی بی سیم برخی نیازمندی های سخت را لازم دارد که برای کاربردهای غیرپزشکی اهمیتی ندارند، از جمله مصرف انرژی پایین و قابلیت اعتماد. همچنین، ممکن است به علت اثرات کاهنده ممکن است شرایط کانال در شبکه های بدنی تغییر کند و این موجب اتلاف بسته خواهد شد. بنابراین اولویت بندی مناسب ترافیک، قابلیت اعتماد بالا و بهره وری کارامد از کانال جزو مسائل بسیار مهم در این شبکه ها هستند. در این مقاله مولفین کارایی پروتکل دسترسی به رسانه در شبکه های بدنی بی سیم را با استفاده از تخصی تطبیقی منابع و اولویت بندی ترافیک براساس وضعیت پزشکی کاربر یا شرایط کانال بهبود داده اند. نیازمندی های ناهمگن کاربردهای مختلف از طریق جداسازی و مدیریت تطبیقی ترافیک شبکه های بدنی بی سیم ارائه شده است. نتایج تحلیلی و شبیه سازی ها نشان می دهد که پروتکل پیشنهادی از نظر مصرف انرژی و بهره وری و قابلیت اعتماد کانال نسبت به دو پروتکل IEEE 802.15.4 و IEEE 802.15.16 بهبود قابل توجهی داشته است. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

1. مقدمه

رشد سریع تکنولوژی در ارتباطات بی سیم امکان مراقبت بهداشتی بصورت راه دور را فراهم ساخته است. تجمیع گره های حسگر با قابلیت حسگری، پردازش و ارسال علائم فیزیولوژی بدن انسان به یک هاب یه شبکه تحت عنوان شبکه بدنی بی سیم را تشکیل می دهد. این گره ها بسته های داده ای را شنود و انتقال می دهند که برای کاربردهای پزشکی و غیرپزشکی نظیر انتقال فایل داده به مرکز مراقبت بهداشتی راه دور استفاده می شود [1، 2]. هدف اصلی این شبکه ها نظارت بر سلامت همه افراد بیمار و سالم بدون ایجاد تداخل در زندگی روزمره آنهاست، یعنی بدون اینکه خللی در فعالیت معمولی افراد پیش بیاید امکان نظارت بر داده های پزشکی آنها وجود داشته باشد. لذا پزشکان می توانند به یک پایگاه داده جامع و دقیق از وضعیت پزشکی افراد دسترسی داشته باشند و لذا خطاهای پرسنل پزشکی به شدت کاهش یابد [1]. همچنین، شبکه های بدنی بی سیم باید در زمان وقوع ناهنجاری در علائم فیزیولوژی کمک اورژانسی سریعیارائه دهند.

به لطف کاربردهای قبلی شبکه های بدنی بی سیم، این شبکه ها نیازمندی های ناهمگن و پارامترهای متعددی دارند، از جمله نرخ داده (10 کیلوبیت بر ثانیه الی 1 مگابیت بر ثانیه) و چرخه انتقال گره ها نیز بسیار متعدد است (چند میلی‌ثانیه الی چند ساعت) [2]. با توجه به اینکه کاربردهای نظارتی ممکن است از حساسیت بالایی برخوردار باشند، لذا انتقال بلادرنگ و تاخیر پایین در حالت های اورژانسی لازم و ضروری هستند [3]. همبستگی بالا بین علائم پزشکی نیز جزو نکاتی است که باید لحاظ شود. این یعنی یک ناهنجاری فیزیولوژی در یک اندام می تواند برروی بخش های مختلف بدن تاثیر بگذارد [4]؛ بنابراین گروه حسگرها در یک شبکه بدنی تقریبا می توانند بصورت همزمان علائم اورژانسی را شنود کنند. علاوه براین، مصرف انرژی بسیار پایین این گره های حسگر جزو مشکلات دیگری است، که در گره های تعبیه شده حتی بیشتر به چشم می خورد [1، 5]. مشکل دیگری که باید در طراحی این شبکه ها لحاظ شود، امکان محو شدگی عمیق است، که می تواند برروی قابلیت اعتماد در انتقالات تاثیر بگذارد. با توجه به اینکه ممکن است محوشدگی عمیق تا چند میلی ثانیه طول بکشد، لذا فواصل انتقال ثابت موجب اتلاف بسته می شوند و قابلیت اعتماد بالا باید در این شبکه ها تضمین شود. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

یکی از مهمترین جنبه های طراحی شبکه های بدنی، سادگی استفاده از این سیستم ها بطوریست که تداخلی در زندگی روزمره ایجاد نکند. بنابراین برخی کاربردهای صنعتی از تلفن سلولی یا لپتاپ به عنوان هاب استفاده می کنند. لازم به ذکر است کاربرد اصلی این دستگاه ها نظارت بر وضعیت سلامت کاربران نیست، یعنی در این حالت کاربردهای غیرپزشکی را نمی توان به عنوان کاربردهای فرعی به حساب آورد. اما وقتی شرایط اورژانسی پیش می آید کاربردهای غیرپزشکی در درجه دوم قرار می گیرند. این یعنی تخصیص منابع در شبکه های بدنی بی سیم باید براساس شرایط پزشکی کاربر انجام شود. بدون شکل سیستم های ایستا و ایزوله نمی توانند همه نیازمندی های شبکه های بدنی بی سیم را براورده کنند و برای تخصیص تطبیقی منابع به گره های حسگر و استفاده بهینه از کانال جهت ارائه نیازمندی های ناهمگن در کاربردهای مختلف، به سیستم های پویا و هوشمند نیاز است. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

این نیازمندی ها و مشخصه های شبکه های بدنی بی سیم باعث شده اند این شبکه ها از شبکه های حسگر بی سیم دیگر متمایز شوند. با توجه به اینکه لایه کنترل دسترسی به رسانه نقش قابل توجهی در ارائه نیازمندی های یک شبکه ایفا می کند، لذا طراحی پروتکل کنترل دسترسی به رسانه به چالش اصلی شبکه های بدنی بی سیم تبدیل شده است. در چند سال اخیر در زمینه طراحی پروتکل کنترل دسترسی به رسانه برای شبکه های بدنی بی سیم و بهبود مصرف انرژی، تاخیر و توان عملیاتی این شبکه ها چندین مطالعه انجام شده است، از جمله [6-12]، که پاسخ اورژانسی ارائه می دهند [13-15] و مسائل امنیتی را رفع کرده اند [16]. پروتکل کنترل دسترسی به رسانه تطبیقی که در اینجا ارائه شده است مشابه کارهای پیشین [17-21] سعی دارد کارایی شبکه های بدنی بی سیم را از نظر مصرف انرژی، تاخیر و پاسخ اورژانسی بهبود دهد. در [21]، ما یک پروتکل کنترل دسترسی به رسانه مبتنی بر سوپرفریم (superframe) براساس مکانیزم TDMA ارائه کرده ایم که میانگین مصرف توان و نرخ داده گره های پزشکی را بهبود می دهد. با این وجود، شرایط محوشدگی و کاربردهای غیرپزشکی در [21] لحاظ نشده اند. بنابراین در این مقاله ما سعی کرده ایم با طراحی یک پروتکل کنترل دسترسی به رسانه تطبیقی برای کاربردهای پزشکی و غیرپزشکی در شرایط شبکه مختلف، کارهای قبلی خود را بهبود دهیم. از طریق این پروتکل کنترل دسترسی به رسانه تطبیقی نیازمندی های مختلف کاربردهای پزشکی و غیرپزشکی پشتیبانی شده اند. به عنوان مثال، داده های پزشکی که معمولا دوره ای هستند نیازمند دسترسی مبتنی بر زمانبندی هستند ولی داده های غیرپزشکی جهت انتقال نیازمند مکانیزم دسترسی مبتنی بر رقابت هستند، زیرا کاربردهای غیرپزشکی به انعطاف پذیری بیشتری نیازمند هستند، که این نیازمندی در دسترسی مبتنی بر رقابت فراهم شده است.

با توجه به اینکه IEEE 802.15.4 یک پروتکل کم توان است بسیاری از مطالعات از جمله [11-15] برای شبکه های بدنی بی سیم کارامدتر هستند [5]. اما محدودیت تعداد اسلات های زمانی تضمین شده برای انتقال بدون تصادم، سربار بسته کنترلی برای همگام سازی و نبود مکانیزمی بخصوص برای انتقال اورژانسی باعث شده است پروتکل IEEE 802.15.4 برای شبکه های بدنی بی سیم قابل استفاده نباشد. در اواخر سال 2007 IEEE یک گروه کاری جدید به نام WBAN برای IEEE 802.15.6 [22] تشکیل داد که یک استاندارد جدید برای لایه فیزیکی و لایه کنترل دسترسی به رسانه این شبکه ها طراحی کنند. این پروتکل اخیرا ارائه شده است. IEEE 802.15.4 و 802.15.6 محور زمانی یک کانال را به فواصل زمانی ثابتی به نام سوپرفریم تقسیم می کند (در حالت قابلیت بیکن). بیکن یک بسته است که در ابتدای هر سوپرفریم توسط هاب انتقال داده می شود و شامل اطلاعات همگام سازی و تخصیص منابع است. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

اما پروتکل کنترل دسترسی به رسانه IEEE 802.15.6 نمی تواند نیازمندیهای شبکه های بدنی بی سیم را به طور کامل براورده کند. در ساختار سوپرفریم این پروتکل برخی دوره ها (پریود) وجود دارند که در اکثر مواقع خالی هستند. این می تواند بهره وری کانال و نرخ داده حمایتیِ گره ها را کاهش دهد. مشکل دیگر مربوط به بیداریهای دوره‌ای برای دریافت بیکن هاست، حتی در زمانی که بسته ای برای ارسال ندارند. این موجب افزایش مصرف انرژی گره ها می شود. نهایتا، احتمال محوشدگی عمیق در IEEE 802.15.6 لحاظ نشده است و ترتیب TDMA در سوپرفریم ثابت است و از قبل تعیین شده است. این می تواند موجب اتلاف بسته شود و قابلیت اعتماد در شبکه های بدنی بی سیم را کاهش دهد. Tselishchev و همکارانش [23] یک شمای TDMA متغیر جهت تغییر ترتیب گره هایی که قصد انتقال داده دارند، ارائه کرده اند. اما تغییر ترتیب موقعیت ثابت بخش TDMA در سوپرفریم (اسلات شروع و پایان بخش TDMA) کافی نیست زیرا ممکن است محوشدگی در کل بخش TDMA طول بکشد، یعنی چند میلی ثانیه.

در این مقاله ما یک پروتکل MAC تطبیقی برای شبکه های بدنی با توپولوژی ستاره ای ارائه کرده ایم. از آنجایی که نیازمندی های پزشکی و غیرپزشکی متنوع هستند ما این دو ترافیک را از هم جدا کرده ایم. همچنین، جهت پشتیبانی از وضعیت اورژانسی و ارتباط بین علائم پزشکی ترافیکپزشکی را به ترافیک نرمال و ترافیک اورژانسی تقسیم کرده ایم. جداسازی انواع مختلف ترافیک (اورژانسی، نرمال و غیرپزشکی) بصورت تطبیقی و براساس وضعیت پزشکی کاربر انجام شده است. در نتیجه نرخ داده گره های حسگر با تخصیص تطبیقی منابع افزایش می یابد. علاوه براین، جهت لحاظ کردن امکان محوشدگی عمیق در شبکه های بدنی بی سیم ما بصورت تطبیقی فاصله انتقالهای متوالی را براساس شرایط کانال تغییر داده ایم. علاوه براین، جهت کاهش مصرف توان گره های حسگر پزشکی دوره دسترسی مبتنی بر رقابت برای ترافیک پزشکی کاهش یافته است و دسترسی مبتنی بر TDMA را جایگزین کرده و یک روش همگام سازی مناسب برای گره های پزشکی جهت امکان ماندن گره ها در حالت خواب در زمان عدم انتقال بسته ارائه کرده ایم که زمان انتقال از پیش تعیین شده آنها را کم نمی کند. نهایتا، یک مکانیزم پاسخ اورژانسی جهت انتقال بسته ها اورژانسی در کمتر از 1 ثانیه ارائه شده است که طبق تعریف گروه کاری IEEE 802.15.6 شرایط مطلوبی دارد [22].

ادامه مقاله به این صورت سازماندهی شده است. بخش 2 پروتکل کنترل دسترسی به رسانه پیشنهادی را همراه با تحلیل ریاضیاتی ارائه کرده است. در بخش 3 نتایج شبیه سازی پروتکل شرح داده شده و نهایتا بخش 4 به نتیجه گیری اختصاص یافته است. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

2. شرح پروتکل پیشنهادی

ما شبکه ای با یک هاب و چند گره حسگر پزشکی و غیرپزشکی را در یک توپولوژی ستاره ای در نظر گرفته ایم. گره های پزشکی بسته های داده ای خود را با چرخه انتقال بخصوص انتقال می دهند، ولی گره های غیرزشکی همیشه بسته ای جهت انتقال دارند. چرخه انتقال هر گره حسگر پزشکی متناسب با وضعیت بیمار و اهمیت علائم شنود شده است. براساس چرخه انتقال گره های پزشکی را می توان به «گره های ثابت»، که سوپرفریم ها را انتقال می دهند، و «گره های غیرثابت» با چرخه های انتقال بزرگتر از یک سوپرفریم، تقسیم کرد. وقتی یک ناهنجاری در علائم فیزیولوژی رخ می دهد معمولا داده های بیشتری برای تشخیص دقیق مورد نیاز است، یعنی چرخه انتقال گره باید کاهش یابد. در این مقاله ما چرخه انتقال از پیش تعیین شده گره های حسگر پزشکی را در زمان رخداد وضعیت اورژسانی برای آن گره تغییر داده ایم. همچنین، سه نوع وضعیت اورژسانی تعریف کرده ایم؛ ناهنجاری در علائم فیزیولوژی، انتقالات خرابی متوالی گره های غیرثابت و خالی شدن باتری گره. مشخصا اولین نوع وضعیت اورژانسی در اولویت قرار دارد. پروتکل ارائه شده را در زیربخش های بعدی به طول کامل شرح داده ایم.

1.2. ساختار کنترل دسترسی به رسانه

یک ساختار سوپرفریم که متشکل از چند اسلات زمانی است در شکل 1.الف نشان داده شده است. سوپرفریم شامل یک بیکن برای اطلاعات همگام سازی و تخصیص اسلات، TDMA اورژانسی برای انتقال داده های اورژانسی، دوره دسترسی رقابت پزشکی (MCAP) برای انتقال آلارم اورژانسی، NTDMA (نرمال) برای انتقال داده های پزشکی دوره ای، دوره دسترسی رقابتی (CAP) برای ارتباطات غیرپزشکی و اسلات اورژانسی برای تشخیص وضعیت شبکه (اورژانسی یا نرمال) می باشد. طول هر بخش بسته به وضعیت شبکه ها در هر سوپرفریم متفاوت است، بجز طول ES که همیشه یک اسلات می باشد. اما طول سوپرفریم ثابت و متناسب با تعداد گره های حسگر، نرخ داده و چرخه انتقال است. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

تخصیص اسلات آگاه از زمینه از طریق اسلات ES امکان پذیر است. از آنجایی که گره های پزشکی دارای داده اورژانسی در یک اسلات ES بسته آلارم ارسال می کنند، کانال آزاد (Idle) در اسلات ES به این معنی است که همه گره های پزشکی وضعیت نرمالی دارند، اما کانال مشغول در اسلات ES به معنی وضعیت اورژانسی در شبکه است. با این کار می توان وضعیت پزشکی کاربر را به هاب اطلاع رسانی کرد و طول مناسب هر بخش سوپرفریم بعدی را بر این اساس تعیین کرد. علاوه براین، جهت افزایش قابلیت اعتماد موقعیت هر بخش در صورت محوشدگی عمیق تغییر داده می شود. با توجه به اینکه هاب از زمانبندی انتقال برای گره های پزشکی آگاه است، لذا اگر انتقال قبلی یک گره ثابت در NTDMA موفقیت آمیز نباشد، هاب موقعیت دوره NTDMA بعدی را به بخش آخر سوپرفریم انتقال می دهد (شکل 1.ب). بنابراین فاصله دو انتقال متوالی افزایش می یابد و احتمال اتلاف بسته کاهش پیدا می کند. فرایند ارتباط در شرایط نرمال و اورژانسی را در زیر شرح داده ایم.

شکل 1. ساختار سوپرفریم روش پیشنهادی الف) بدون شرایط محوشدگی، ب) با شرایط محوشدگی

گره پزشکی برای ارسال یک بسته داده نرمال براساس چرخه انتقال خود بیدار می شود و منتظر یک بیکن دریافتی می ماند. به محض دریافت بیکن، اسلات اختصاصی برای انتقال بدون تصادم در NTDMA به اطلاع گره رسانده می شود. بعد از هر انتقال بسته در NTDMA، گره منتظر دریافت بسته تصدیق از طرف هاب می شود. اگر بسته تصدیق را با موفقیت دریافت کند شمارنده «شکست» را برابر با صفر قرار داده و تا انتقال بعدی به حالت خواب می رود. جهت صرفه جویی در انرژی، گره پزشکی برای دریافت بسته همگام سازی در سوپرفریم هایی که قصد انتقال ندارد بیدار نمی شود. بنابراین چرخه انتقال یک گره تقریبا برابر یا چرخه وظیفه خواب و بیداری گره در وضعیت نرمال است. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

با توجه به اینکه چرخه انتقال گره پزشکی نمی تواند بزرگ باشد، ممکن است گره همیشه در طول زمان خوابش با هاب همگام نباشد. اما زمان از پیش تعیین شده خود برای انتقال بعدی را از دست نمی دهد اگر  ثانیه زودتر بیدار شود [24]، که  و  به ترتیب تلرانس فرکانس کریستال ها و چرخه وظیفه گره پزشکی  ُم هستند. با توجه به اینکه بسته های بیکن و تصدیق که توسط هاب انتقال داده می شوند حاوی اطلاعات ساعت هاب هستند، وقتی یک گره بیدار می شود جهت دریافت بسته های بیکن و تصدیق به کانال گوش می دهد. وقتی یک گره برای اطلاعات همگام سازی شنود انجام می دهد تنها نوع بسته دریافتی را چک می کند که نه آدرس مقصد. در بدترین حالت اگر هیچ بسته تصدیقی توسط هاب انتقال داده نشود، گره بیکن را بعد از  اسلات دریافت می کند، که  طول یک سوپرفریم است. بعد از همگام سازی با هاب، گره زمان باقیمانده را با انتقال بعدی خود () محاسبه کرده و دوباره به مدت  به خواب می رود. با توجه به اینکه  لذا تعداد بیداریهای گره ها بخاطر همگام سازی به شدت کاهش می یابد، مخصوصا برای گره هایی که چرخه های انتقال بزرگی دارند.

وقتی یک گره ثابت بعد از انتقال هیچ تصدیقی دریافت نکند، هاب موقعیت NTDMA بعدی را به بخش آخر سوپرفریم تغییر می دهد. همچنین، گره ثابتی که نتوانسته است انتقال قبلی خود را انجام دهد در اسلات های اخر NTDMA ارسال خود را انجام می دهد. بنابراین فاصله دو انتقال متوالی افزایش می یابد و احتمال اتلاف بسته دیگر آن گره کاهش پیدا می کند و لذا شرایط محوشدگی نیز تا چند ثانیه طول می کشد. بنابراین، وقتی یک گره غیرثابت بعد از انتقال خود هیچ تصدیقی دریافت نکند، یک عدد شمارنده شکست خود را افزایش می دهد. اگر شمارنده شکست به maxfail برسد، این یعنی نوع دوم شرایط اورژانسی رخ داده است. در این حالت، گره باید به هاب اطلاع دهد تا بتواند اسلات های بیشتری بدست آورد. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

دیاگرام بلاک فرایند که از یک گره پزشکی برای انتقال نرمال/ اورژانسی استفاده شده است، در شکل 2 مشاهده می شود. همانطور که می بینید انتقال اورژسانی دارای گام های متفاوتی است که هرکدام را توسط یک بلاک شماره دار نشان داده ایم. گام 1 : گره اورژانسی بیدار می شود و برای بدست آوردن دو نوع اطلاعات، همگام سازی و اسلات شروع CAP و اسلات ES به کانال گوش می دهد. گام 2 : گره اورژانسی سعی دارد بسته داده خود را در CAP با استفاده از مکانیزم CSMA/CA انتقال بدهد، اما احتمال انتقال موفقیت آمیز در بخش CAP پایین است، زیرا گره های غیرپزشکی جهت دسترسی به کانال در CAP رقابت می کنند. اگر گره بتواند با موفقیت در CAP انتقال انجام دهد، فرایند انتقال اورژانسی خاتمه می یابد، در غیر این صورت گام بعدی شروع می شود. گام 3 : در حالت انتقال ناموفق در CAP، گره اورژانسی یک بسته آلارم کوچک در اسلات ES ارسال می کند. معمولا داده های پزشکی وابستگی بالایی دارند، لذا گروهی از گره های حسگر پزشکی ممکن است همزمان با اولین شرایط اورژانسی روبرو شوند، که موجب تصادم در حالت ES می شود. اگرچه هاب نمی تواند در حالت تصادم با موفقیت بسته های خود را انتقال دهد، اما با شنود کانال در اسلات ES فعالیت کانال را متوجه شود. بنابراین برای لحاظ کردن همبستگی بین علائم پزشکی در اولین نوع شرایط اورژانسی و تصادم احتمالی در اسلات ES، هاب همیشه ارزیابی کانال شفاف (CCA) را در اسلات ES انجام می دهد. اگر هاب کانال را مشغول تشخیص دهد، یک MCAP کوتاه بعد از بیکن تعیین می کند. گام 4 : گره های اورژانسی در دوره MCAP با استفاده از مکانیزم CSMA/CA غیراسلاتی باهمدیگر رقابت می کنند (مشابه IEEE 802.15.4). به لطف مدت کوتاه دوره MCAP، گره های اورژانسی بعد از انتقال آلارم تصدیق دریافت نمی کنند. بنابراین باید منتظر بیکن بعدی بمانند و بررسی کنند که آیا اسلات های اختصاصی در ETDMA برای آنها وجود دارد یا خیر. اگر بسته آلارم با موفقیت در MCAP انتقال یابد، گره به گام 5 می رود، در غیر این صورت گام 6 پیش می رود. گام 5 : در حالت انتقال موفق در MCAP، هاب اسلات های بخش ETDMA را به گره های اورژانسی انتقال می دهد که آلارم را در MACP انتقال می دهند. از این رو، گره اورژانسی می تواند بسته داده اورژانسی خود را بدون تصادم در ETDMA ارسال کند. مشابه بخش NTDMA، گره ها بعد از انتقال خود منتظر بسته ACK می مانند. اگر داده اورژانسی دریافتی به اولین نوع شرایط اورژانسی ارجاع دهد، هاب بیت change_TC را در یک بسته تصدیق انتقال می دهد تا در مورد تغییر چرخه انتقال به گره اورژانسی اطلاع رسانی کند. در این حالت گره اورژانسی منتظر بیکن می ماند تا چرخه انتقال جدیدش را دریافت کند. چرخه انتقال تغییریافته موقت است و بعد از مدتی به چرخه انتقال از پیش تعیین شده برمی گردد. مدت چرخه انتقال تغییریافته از طریق بسته بیکن به گره اطلاع رسانی می شود. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

گام 6 : در حالت انتقال آلارم ناموفق در MCAP، شمارنده انتقال (nb_tx) یک عدد افزایش می یابد و گره به گام 2 برمی‌گردد تا در اسلات CAP یا ES انتقال انجام دهد، مگر اینکه nb_tx به ماکزیمم تعداد تلاش هایش برسد (Max_tx)، که در این حالت بسته از دست می رود.

در شرایط اورژانسی، دو نوع اولویت بندی در شبکه های بدنی بی سیم لازم است تا بتوان یک مکانیزم پاسخ اورژانسی قابل اعتماد و با تاخیر پایین ارائه داد؛ اولا، اولویت بسته های اورژانسی به بسته های نرمال و ثانیا، اولویت بندی بین گره های پزشکی، که همزمان با شرایط اورژانسی روبرو می شوند. بخاطر همبستگی بین علائم فیزیولوژی احتمال اینکه چند گره حسگر علائم اورژانسی را در یک زمان شنود کنند بسیار بالاست. از طرف دیگر، امکان دسته بندی گره های پزشکی به گروه هایی شامل گره های همبسته وجود دارد. در هر گروه علائم هر گره حسگر ممکن است برروی اعضای دیگر گروه تاثیر بگذارد، اما هیچ همبستگی بین گروه های مختلف وجود ندارد. می توان فرض کرد یک گره در داخل گروه مهمتر از گره های دیگر است. انتخاب مهم ترین گره در هر گروه براساس شرایط سلامت کاربر و تشخیص پزشکی است. از آنجایی که بازه عقب‌رفت کوتاه تر موجب احتمال دسترسی گره به کانال می شود، گره های مهمتر نسبت به گره های دیگر بازه عقب‌رفت (backoff) کوتاه تری دارند. همچنین، اولویت بندی بین انواع مختلف شرایط اورژانسی از طریق محدود کردن بازه backoff گره هایی که اولویت دارند، فراهم می شود. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

مزیت اصلی این پروتکل، تشخیص وضعیت ترافیک از طریق شنود کانال در حین اسلات ES است، تا بتوان بصورت تطبیقی بخش های مختلف سوپرفریم را مقداردهی کرد. این روش هیچ گونه پیچیدگی محاسباتی به گره ها اضافه نمی کند و بهره وری کانال را مخصوصا در حالاتی که هاب یک دستگاه چندمنظوره است (نظیر تلفن سلولی) افزایش می دهد. همچنین، تغییر موقعیت بخش NTDMA باعث می شود پروتکل پیشنهادی در شرایط محوشدگی قابلیت اعتماد بیشتری داشته باشد. مزیت دیگر پروتکل پیشنهادی این است که ترافیک آلارم های اورژانسی از انواع دیگر ترافیک جدا شده است.

شکل 2. بلاک دیاگرام الگوریتم پیشنهادی برای یک انتقال توسط گره پزشکی

2.2. تخصیص اسلات

در پروتکل ارائه شده هاب اسلات های NTDMA را براساس چرخه های انتقال، نرخ داده و اندازه داده گره های پزشکی، به آنها اختصاص می دهد. برای تخصیص اسلات بخش NTDMA این فرایند انجام می شود : ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

فرض کنید  (گره ثابت) و  (گره غیرثابت) با چرخه های انتقال متفاوت در یک شبکه بدنی بی سیم هستند، و  بزرگترین فاکتور مشترک چرخه های انتقال گره های غیرثابت است. مشابه آنچه در [21] ارائه شده است، اسلات های NTDMA در هر سوپرفریم به همه گره های ثابت و حداکثرگره های غیرثابت () تخصیص داده می شود؛ به شرط اینکه :

از طرف دیگر، برای لحاظ کردن شرایط محوشدگی عمیق احتمالی در کانال شبکه های بدنی بی سیم موقعیت NTDMA در سوپرفریم تغییر داده می شود اگر انتقال قبلی یک گره ثابت در بخش NTDMA در بخش آخر سوپرفریم در حالت محوشدگی فاصله انتقالات متوالی گره ثابت را افزایش دهد؛ بنابراین احتمال انتقال غیرموفقیت آمیز کاهش می یابد. همچنین، ترتیب گره های پزشکی در NTDMA در حالت شرایط محوشدگی تغییر خواهد یافت تا فاصله دو انتقال متوالی گره به حداکثر برسد، یعنی گره ای که در آخرین انتقال خود ناموفق بوده است در آخرین بخش NTDMA انتقال انجام می دهد. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

با توجه به اینکه بخش های MCAP و ETDMA منحصرا مربوط به انتقال اورژانسی هستند، تخصیص اسلات این بخش ها براساس فرایند انتقال اورژانسی انجام می شود. در شرایط اورژانسی، گره های دارای داده اورژانسی در اسلات ES آلارم ارسال می کنند اگر نتوانند در CAP انتقال موفقیت آمیزی انجام دهند. وقتی هاب کانال را در ES شنود می کند وضعیت ترافیک به او اطلاع رسانی می شود. بنابراین اگر کانال در ES مشغول باشد، یک دوره MCAP در سوپرفریم بعدی انتقال داده می شود. براساس بسته های آلارم دریافتی در دوره MCAP، اسلات های بخش ETDMA تخصیص داده می شوند. وقتی بخش MCAP و/ یا ETDMA در سوپرفریم تعیین می شود، طول CAP حتی تا صفر کاهش می یابد زیرا ترافیک غیرپزشکی در مقایسه با ترافیک اورژانسی اولویت کمتری دارد. در واقع، در شرایط اورژانسی هاب ممکن است برنامه های غیرپزشکی را متوقف کند تا بتواند جهت برنامه های پزشکی استفاده بهینه‌ای از کانال نماید. مدت MCAP در ُمین سوپرفریم بطور مناسبی از روی بازه (minMCAP, maxMCAP) و بسته به تعداد اسلات های ETDMA انتخاب می شود، که حتما باید به گره هایی که آلارم های خود را در سوپرفریم  ُم ارسال کرده اند، تخصیص یابد. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

به طور کلی، هاب اسلات های ETDMA را براساس آلارم های دریافتی در MCAP سوپرفریم قبلی، اولویت گره های اورژانسی و تعداد اسلات های موجود برای ETDMA در سوپرفریم تخصیص می دهد. اما همیشه اسلات کافی برای همه گره هایی که در دوره MCAP قبلی ارسال داشته اند، وجود ندارد. در این حالت برخی گره ها، گره های دارای اولویت کمتر، باید منتظر بمانند تا ETDMA را در سوپرفریم بعدی ارسال کنند.

همانطور که در بالا گفته شد، طول هر بخش از سوپرفریم بصورت تطبیقی براساس شرایط پزشکی کاربر تعیین می شود، که ان نیز از طریق اسلات ES مشخص می شود. همچنین، طول کل سوپرفریم () متناسب با حداکثر تعداد گره هایی که در سوپرفریم انتقال می یابند، چرخه انتقال آنها و اندازه داده ها است؛ ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

در رابطه بالا داریم :

و  تعداد اسلات هاست، که  ُمین گره ثابت در هر سوپرفریم اشغال می شود.  اندازه داده ُمین گره غیرثابت است. تعادل (2) را می توان به صورت زیر نوشت و آن را توسط روش های عددی می توان حل کرد :

جدول 1. مصرف توان فرستنده- گیرنده در وضعیت های مختلف [25]

حداکثر طول یک سوپرفریم () باید تعیین شود تا بتوان تضمین نمود که تاخیر انتقال اورژانسی مطلوب حتمی است. بنابراین کرانه بالای تاخیر انتقال اورژانسی، که از روی (4) بدست می آید باید کمتر از 1 ثانیه باشد. جهت محاسبه کرانه بالای اخیر اورژانسی باید بدترین حالت را در نظر بگیریم که در آن گره  بار سعی می کند بسته های آلارم را با استفاده از مکانیزم CSMA/CA در MCAP انتقال دهد. در بدترین حالت، گره حداکثر مقدار عقب‌رفت () را با ماکزیمم سطوح عقب‌رفت  در هر تلاش انتخاب می کند :

3.2. تحلیل ریاضیاتی

در این بخش میانگین مصرف توان برای یک انتقال و میانگین تاخیر انتقال اورژانسی محاسبه شده است. جدول 1 حاوی میانگین مصرف توان وضعیت های مختلف فرستنده- گیرنده در طول یک اسلات است. از انجایی که ما از ساختار سوپرفریم استفاده می کنیم که شامل چند اسلات است، تفکیک زمانی MAC پیشنهادی اسلات و اندازه داده گره هایی است که در اسلات ها بیان می شوند. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

میانگین مصرف توان در یک وضعیت خاص () متناسب با تعداد اسلات های آن وضعیت () و میانگین توان آن وضعیت در طول یک اسلات است. یک گره مقادیر مختلفی از توان را برای انتقال نرمال () و اورژانسی () مصرف می کند. میانگین مصرف توان یک گره برای یک انتقال نرمال/ اورژانسی متناسب با تعداد سویچینگ های بین حالت های گیرنده و فرستنده (که فرستنده- گیرنده را خاموش و روشن می کند)، و تعداد اسلات هایی است که فرستنده- گیرنده در یک وضعیت خاصی قرار دارد. همانطور که در (5) ارائه شده است، برای انتقال بسته داده نرمال در NTDMA، گره ابتدا باید بیدار شود تا بیکن را دریافت کند و از اسلات های تخصیص یافته خود مطلع شود. بنابراین، تا زمان   خود به خواب می رود. در این زمان گره دوباره بیدار می شود تا داده ها را برای اسلات های DS انتقال دهد، و به حالت دریافت می رود تا بسته تصدیق را دریافت کند، و تا انتقال بعدی به خواب می رود.

انتقال اورژانسی را می توان به دو روش انجام داد : (1) ارسال داده های اورژانسی در CAP و (2) ارسال آلارم در ES و MCAP و سپس انتقال داده های اورژانسی در ETDMA. بنابراین میانگین مصرف توان یک گره اورژانسی () متناسب با تعداد آلارم های انتقالی در ES و MCAP ()، تعداد CCA هایی است که در MCAP و CAP عمل می کنند ()، تعداد سویچینگ ها ()، تعداد خاموش و روشن شدن های فرستنده- گیرنده ()، تعداد تصدیق های دریافتی، که برابر با  است، تعداد بیکن های دریافتی ()، و تعداد اسلات ها در حالت های خواب () و عقب‌رفت ) است. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار


با توجه به اینکه گره های پزشکی برای انتقال نرمال از دسترسی مبتنی بر TDMA استفاده می کنند، تاخیر انتقال نرمال پایین و تقریبا ثابت است. اما تاخیر انتقال داده های اورژانسی به تاخیر عقب‌رفت در مکانیزم CSMA/CA و شرایط ترافیک در MCAP بستگی دارد. برای محاسبه میانگین تاخیر انتقال اورژانسی از مدل صف با گام زمانی برابر با یک سوپرفریم استفاده یم کنیم. ما فرض می کنیم یک گره اورژانسی تنها از MCAP و سپس ETDMA برای ارسال داده های اورژانسی استفاده می کند. همچنین تنها اولین نوع وضعیت اورژانسی را در نظر می گیریم که ناهنجاری در علائم فیزیولوژی رخ می دهد. در اینجا پنج اسلات را برای طول MCAP لحاظ کرده ایم. براساس مکانیزم IEEE 802.15.4 حداکثر دو گره می توانند با موفقیت به کانال دسترسی پیدا کنند. فرایند رسیدن داده های اورژانسی به یک گره را می توان به عنوان یک فرایند پواسون با نرخ رسیدن  در نظر نظر گرفت.یعنی به طور میانگین  بسته اورژانسی در طول یک سوپرفریم به یک گره می رسد. همچنین می توانیم انتقال اورژانسی را در روش پیشنهادی به عنوان یک صف با چند ورودی لحاظ کرد که حداکثر دو گره می توانند در یک گام زمانی داده شده اعزام داشته باشند. فرض احتمال  رسیدن ( گره) در  ثابت بصورت زیر داده می شود :

که ،  تعداد گره های داخل صف و   تعداد گره های پزشکی در شبکه بدنی است. فرض کنید ،  و  احتمال این است که دو، یک و صفر گره می توانند صف را ترک کنند وقتی  گره در صف وجود دارد. برای چنین سیستمی ماتریس احتمال انتقال زنجیره مارکوف را می توان بصورت زیر نوشت :

به ازای :

براساس تعریف ماتریس تبدیل زنجیره مارکوف، مجموع هر ستون برابر با واحد است. در نقطه تعادل داریم  که  بردار وضعیت در تعادل است. با حل مستقیم این رابطه، احتمال قرار گرفتن در هر وضعیت بردار  () بدست می آید، که همان احتمال  گره در صف است. حالا قانون Little [26] را می توان جهت محاسبه میانگین زمان انتظار استفاده کرد که متناسب با نرخ رسیدن و میانگین تعداد گره ها در صف است که در (10) مشاهده می شود.ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

که،

با توجه به اینکه علائم پزشکی بدن بسیار وابسته و مرتبط هستند، رسیدن به صف ممکن است توسط بیش از یک گره انجام شود، یعنی گره ها بصورت گروهی بیایند. بنابراین قانون Little به (12) تغییر می کند که  اندازه گروه رسیدن است، یعنی  گره در زمان یکسانی دارای وضعیت اورژانسی هستند.

که  میانگین اندازه گروه است. اگر فرض کنیم اندازه گروه بصورت یکنواخت در  توزیع شده باشد، بنابراین : ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

،  و  از روی تحلیل کارایی مکانیزم CSMA/CA در IEEE 802.15.4 بدست می آید، که در [27] این تحلیل انجام شده است. تعاریف متغیرها را می توانید در جدول 2 مشاهده کنید.

احتمال انتقال موفق در یک اسلات داده شده متناسب با احتمال آزاد بودن کانال در اسلات قبلی و تعداد گره هایی است که کانال را در اسلات قبلی شنود کرده اند، که در زیر مشاهده می شود : ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

جدول 2. تعریف متغیرها

رابطه (14) می گوید اگر تنها یک گره از  گره کانال را در اسلات  شنود کند و کانال را آزاد ببیند، در این صورت انتقال با موفقیت در اسلات  خاتمه می یابد. بنابراین احتمال انتقال موفقیت آمیز یک گره در طول پنج اسلات بخش MCAP برابر با  است. لذا احتمال عدم موفقیت انتقال در طول MCAP یک سوپرفریم طبق (15) بدست می آید.

دو انتقال اورژانسی موفقیت امیز در دوره MCAP امکان پذیر خواهد بود اگر یکی از گره های رقیب در دوره دوم یا سوم MCAP با موفقیت به کانال دسترسی یابد و گره دیگر در اسلات چهارم و پنجم به این هدف دست یابد (16). لازم به ذکر است هیچ گره ای نمی تواند بسته خود را در اسلات اول MCAP ارسال کند زیرا یک CCA باید قبل از انتقال انجام شود، که یک اسلات طول می کشد. به همین دلیل، فاصله دو انتقال متوالی در MCAP برای انجام CCA حداقل یک اسلات است. ترجمه توسط وبسایت ترجمه یار

error: شما فقط اجازه مطالعه دارید
قیمت می خواهید؟ ما ارزانترین قیمت را ارائه می کنیم. کافیست فایل خود را یا از طریق منوی خدمات ترجمه => ثبت سفارش ترجمه ارسال کنید یا برای ما به آدرس research.moghimi@gmail.com ایمیل کنید یا در تلگرام و واتس آپ و حتی ایمو با شماره تلفن 09367938018 ارتباط بگیرید و ارزانترین قیمت ترجمه را از ما بخواهید
+