توصيفگر ها :
شبكههاي حسگر بيسيم , اينترنت اشيا , ليست سياه , IEEE 802.15.4 , TSCH
چكيده فارسي :
در سالهاي اخير باتوجه به گسترش و پيشرفت چشمگير شبكههاي حسگر بيسيم و اينترنت اشيا، زمينههاي پژوهشي بسياري در حوزههاي مختلف ايجاد شده است كه يكي از مهمترين آنها شبكههاي حسگر بيسيم صنعتي هستند. اين سيستمها نيازمند قابليت اطمينان بالايي هستند و كوچكترين خطايي ميتواند منجر به خسارات و هزينههاي سنگين گردد. پروتكلها و استانداردهاي بسياري به طور ويژه براي شبكههاي بيسيم و كمتوان صنعتي ارائه شده است. استاندارد
IEEE 802.15.4 يكي از استانداردهايي است كه به طور خاص براي شبكههاي بيسيم صنعتي تعبيه شده است. يكي از حالات عملكردي اين استاندارد، حالت زمانبنديشده با پرش فركانسي TSCH است كه هدف آن كاهش اثر مخرب تداخل خارجي با روش پرش فركانسي است. استفاده از زيرمجموعهاي از كانالهاي راديويي باكيفيت مي تواند از افزايش ارسال مجدد بستهها و ازدسترفتن اطلاعات تا حد زيادي جلوگيري نمايد. از آنجاييكه، بسياري از تكنولوژيها مانند Wi-Fi و Bluetooth نيز در باند فركانسي 4.2 گيگاهرتز كار ميكنند، احتمال تصادم و ازدسترفتن بستهها بسيار زياد است. به عبارت ديگر، دستگاههايي كه از اين پروتكلها استفاده ميكنند، به گونهاي براي شبكههاي مبتني بر TSCH تداخل محسوب
ميشوند و در عملكرد اين شبكهها تاثير منفي دارند. در واقع، تهيه ليستي مناسب و حذف كانالهاي راديويي بيكيفيت، يكي از تكنيكهايي است كه امروزه به عنوان روش ليست سياه از آن ياد ميشود. بدين ترتيب كانالهاي راديويي كه به هر دليلي كارآيي مناسب ندارند از ليست كانالهاي پرش فركانسي حذف ميشوند و ديگر استفاده نميشوند. طبيعتا نميتوان تمام كانالهاي راديويي را از شبكه حذف كرد بنابراين چگونگي انجام اين كار اهميت زيادي دارد. همچنين ساختار شبكه نيز مهم است؛ به عنوان مثال شبكههاي چندگامي و بزرگ با توپولوژي درختي، به دليل پيچيدگيهاي ساختاري همچنان يكي از ساختارهاي چالش برانگيز محسوب ميشوند. در اين پژوهش يك روش توزيعشده ليست سياه محلي مبتني بر TSCH بهنام BLUE-TSCH ارائه شده است؛
بدين صورت كه هر گره بر اساس شرايط محيطي كه اطراف خود احساس ميكند، ميتواند ليست كانالهاي پرش فركانسي خود را تعيين كند.
در اين روش، دو ليست پرش فركانسي متفاوت به كار برده شده است؛ اين روش براي ارتباط با فرزندان از يك ليست و براي ارتباط با پدر از ليست ديگري استفاده ميكند. بدين ترتيب هر گره، مسئول تعيين ليست كانالهاي پرش فركانسي براي ارتباط با فرزندان خود است.
همچنين با ارائه چيدماني خاص از كانالهاي راديويي، ميتوان از مشكل تداخل بين دو گره كه در همسايگي يكديگر هستند و از يك شيار زماني براي ارسال استفاده ميكنند، جلوگيري كرد. در حقيقت اين مكانيزم، از انتخابشدن كانال راديويي يكسان توسط دو گره در محدوده ارتباطي يكديگر در يك شيار زماني جلوگيري ميكند و باعث عدم تصادم و از دسترفتن بستهها ميشود؛
همچنين
اثبات رياضي كه با استفاده از خواص همنهشتي در مباحث رياضيات گسسته، براي الگوريتم BLUE آورده شده است، منطق و تئوري اين الگوريتم را قويتر ساخته است.
از طرف ديگر، اين مكانيزم، هزينه محاسباتي و سربار زماني پاييني دارد. به عبارت ديگر سربار محاسباتي پيچيدهاي ندارد و به سادگي قابل اجرا است و تنها، سربار ناشي از بهروزرساني ليستهاي سياه در شبكه است؛ كه اين موضوع نيز با درنظرگرفتن مكانيزم خاصي براي بهروزرساني مديريت شده است و تنها در حالات خاصي نياز به بهروزرساني در شبكه است.
براي شبيهسازي از شبيهساز TSCH-Sim استفاده شده است كه يكي از جديدترين شبيهسازهايي است كه بهطور خاص براي شبكههاي مبتني بر پروتكل TSCH طراحي شده است.
جهت ارزيابي عملكرد اين روش، از منابع Wi-Fi به عنوان منبع توليد تداخل، تحت حالات و سناريوهاي مختلف، در كنار حالات بدون تداخل نيز استفاده شده است. همچنين با طراحي سناريو تداخل متغير با زمان، ميزان تطبيقپذيري و چالاكي اين مكانيزم مورد بررسي قرار گرفته است.
نتايج شبيهسازي نشان ميدهد كه BLUE-TSCH، تطبيقپذيري بالايي نسبت به شرايط تداخلي ايجاد شده دارد و از افت عملكرد شبكه جلوگيري ميكند. مخصوصا اين مكانيزم، در شبكههاي چندگامي و بزرگ عملكرد و بازده مطلوبي داشته و توانسته است نسبت به روشهاي ديگر، قابليت اطمينان در ارسال دادههاي شبكه را بهبود دهد.
چكيده انگليسي :
Due to the significant expansion and development of wireless sensor networks and the Internet of Things, many fields of research have been created in various fields, one of the most important of which is industrial wireless sensor networks. These systems require high reliability, and the slightest error can lead to heavy losses and costs. Many protocols and standards have been developed specifically for wireless and low-power industrial networks. The IEEE 802.15.4 standard is one of the standards specifically designed for industrial wireless networks. One of the functional modes of this standard is the time-slotted channel hopping (TSCH) which aims to reduce the destructive effect of external interference with the channel hopping method. Using a subset of high-quality radio channels can significantly increase packet retransmission and data loss. Because many technologies, such as Wi-Fi and Bluetooth, also operate in the 2.4 GHz frequency band, the chances of packets losing and missing are very high. In other words, the devices that use these protocols are considered as interference for TSCH-based networks and have a negative impact on the performance of these networks. In fact, making a good list and eliminating poor-quality radio channels is one of the techniques nowadays referred to as the blacklisting method.
Thus, radio channels that are not efficient for any reason are removed from the hopping sequence list and are no longer used. Of course, not all radio channels can be removed from the network, so how you do this is very important. The network structure is also essential; For example, large-scale multi-hop networks with a tree topology are still one of the most challenging structures due to their structural complexity. In this study, a distributed local blacklist method based on TSCH called BLUE-TSCH is presented. In this way, each node can determine its own hopping sequence list based on the environmental conditions it feels around. This method uses two different hopping sequence lists in each node and uses one list to communicate with the children and another list to communicate with the parent node. Thus, each node is responsible for determining the hopping sequence lists to communicate with their children. Also, by providing a particular arrangement of radio channels, the problem of interference between two nodes that are next to each other and use a time slot for transmission can be avoided. In fact, this mechanism prevents the same radio channel from being selected by two nodes in the communication range of each other in a time slot and prevents packets from collisions and packet losses. In the field of discrete mathematics, the logic and theory of this algorithm are strengthened. On the other hand, the computational cost and time overhead of this mechanism is very low. This mechanism does not have a complex computational overhead and is easy to implement, and the only overhead is due to the updating of blacklists in the network; This issue is also managed by considering a special mechanism for updating, and only in certain cases is it necessary to update the network. The simulation uses the TSCH-Sim simulator, one of the newest simulators designed specifically for networks based on the TSCH protocol. To evaluate the performance of this method, Wi-Fi sources have been used as a source of interference generation, in different situations and scenarios, along with interference-free modes. Also, by designing a time-varying interference scenario, this mechanismʹs degree of adaptability and agility has been investigated. The simulation results show that BLUE-TSCH is highly adaptable to the interference conditions created and prevents network performance degradation. It also has good performance and efficiency, especially in large-scale multi-hop networks, and has improved the reliability of network data transmission compared to other methods.