پایان نامه بهینه سازی تعداد و مکان مسیریاب ها در شبکه های مش بی سیم

قیمت: ۳۵,۰۰۰ تومان
۶۵,۰۰۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست
  • خلاصه پایان نامه بهینه سازی تعداد و مکان مسیریاب ها در شبکه های مش بی سیم

    پایان نامه

    برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

    مهندسی فناوری اطلاعات- شبکه‌ های کامپیوتری

    چکیده

    شبکه­ های مش بی­سیم، شامل مسیریاب­های مش و کلاینت­های مش هستند، که مسیریاب­های مش با کمترین تحرک، ستون فقرات شبکه مش را شکل می­دهند. مسیریاب­ها و کلاینت­ها در شبکه مش از طریق دروازه به اینترنت دسترسی پیدا می­کنند. امروزه شبکه­های مش بی­سیم، سرویس­های بی­سیم را در گستره متنوعی از کاربردها، در سطح شخصی، محلی، محوطه­های دانشگاهی و نواحی شهری ارائه می­دهد. یکی از اصلی­ترین چالش­های موجود در طراحی شبکه مش بی­سیم، تعیین موقعیت مکانی مسیریاب­های مش در شبکه است. در واقع، تعیین مکان مسیریاب­های مش در ساختن یک شبکه مش بی­سیم، اولین مرحله در تضمین کارایی مطلوب در شبکه است. مسئله­ی اساسی در جایگذاری مسیریاب­های مش، یافتن تعداد مسیریاب­های مورد نیاز مش است به گونه­ای که معیارهای مورد نیاز این شبکه را برآورده کند. در این پایان­نامه یک روش ابتکاری که با استفاده از الگوریتم ژنتیک، برای یافتن تعداد  مسیریاب­ها و موقعیت بهینه آن­ها پیشنهاد شده است. روش پیشنهادی می­تواند معیارهای لازم این شبکه را به طور موثری تامین کند. نتایج حاکی از کارایی قابل قبول این روش دارد. نتایج شبیه­سازی نشان می­دهد که الگوریتم پیشنهادی از لحاظ تعداد مسیریاب­ها و میزان فضای پوششی متناسب با آن، از روش­های مشابه، بهتر است.

    کلمات کلیدی: شبکه مش بی­سیم، تعیین موقعیت مکانی مسیریاب­ها، پوشش، اتصال، الگوریتم ژنتیک.

    1         فصل اول
    مقدمه­ای بر شبکه­ های مش بی­سیم

    در این فصل ابتدا مقدمه‌ای راجع به شبکه‌های مش بی‌سیم، کاربردها و خصوصیات آن­ها ارائه خواهد شد، سپس موضوع انتخاب شده در این پایان‌نامه و اهمیت آن بررسی می‌شود. در پایان ساختار پایان‌نامه مشخص می­شود.

     

    (تصاویر در فایل اصلی موجود است)


    پیاده­سازی­های اولیه شبکه­های بی­سیم مبتنی بر استاندارد IEEE 802.11، متشکل از چندین BSS[2] است. درون هر BSS یک ایستگاه به نام نقطه دسترسی(AP[3]) وجود دارد که برای دسترسی به ساختار سیمی به کار برده می­شود، BSSها از طریق LANهای اترنت (ساختار سیمی) به هم متصل می­شوند یا به اینترنت دسترسی پیدا می­کنند. همان­طور که در شکل        1-1نشان داده شده است، دو ایستگاه پایه وجود دارد و در هر کدام یک نقطه دسترسی قرار گرفته است.

     

    نقاط دسترسی به شبکه سیمی وصل می­شوند و از این طریق بین دو BSS ارتباط ایجاد می­شود. این چنین شبکه­هایی، شبکه­های تک­گامه[4] با معماری ثابت هستند که قابلیت انعطاف­پذیری پایین و هزینه پیاده­سازی بالایی دارند. برای تامین تحرک­پذیری گره­ها و چند­گامه[5]­ بودن شبکه، شبکه­های سیار موردی[6] به­وجود آمدند که حالت بدون ساختار را تشکیل می­دهند. در این حالت ایستگاه­ها بدون هیچ هماهنگ­کننده مرکزی مثل نقطه دسترسی و یا یک سیستم توزیعی (ساختار سیمی) به هم متصل می­شوند و گره­ها کاملاً خودگردان هستند (شکل 1-2) [1].

     

    (تصاویر در فایل اصلی موجود است)
     شبکه­ های سیار موردی برای بسیاری از کاربردها مناسب نیستند چون همان­طور که تحرک و چندگامه بودن مورد نیاز است دسترسی به اینترنت و مجتمع ­شدن با شبکه­های دیگر نیز مورد نیاز است. بنابراین حالت دارای ساختار[7] و حالت بدون ساختار با هم ترکیب شده­اند و یک نوع جدید از شبکه­های چند گامه به نام مش بی­سیم را به­وجود آورده­اند.

     شبکه بی­سیم مش یک شبکه متشکل از چندین گره است که به طور بی­سیم با هم ارتباط دارند و همان­طور که از نام آن پیدا است بین همه گره­ها به طور مستقیم یا غیر­مستقیم مسیر ارتباطی وجود دارد. هر گره نه تنها به صورت یک  میزبان[8] عمل می­کند بلکه یک مسیریاب نیز عمل می­نماید و بسته­ها را به گره­های دیگر که ممکن است در محدوده انتقال[9] گره مقصد نیز نباشند، ارسال می­کند. شکل 1-3 نمای کلی از شبکه مش را نشان می­دهد

     

    (تصاویر در فایل اصلی موجود است)

     

    یک شبکه مش بی­سیم به صورت یک شبکه خودگردان[10] با تنظیم خودکار[11] است که گره­های موجود در آن به طور اتوماتیکی ارتباط را در میان خودشان راه­اندازی و حفظ می­کنند. این ویژگی مزیت­های زیادی مثل هزینه پایین، نگه­داری آسان شبکه، نیرومندی و ارائه سرویس قابل اعتماد برای شبکه­­های بی­سیم مش ایجاد کرده­است. گره­هایی از قبیل(desktop، laptop، PDA و ...) به کارت­های شبکه بی­سیم مجهز هستند و  به طور مستقیم به شبکه مش وصل می­شوند [1].     مشتری­های بدون کارت بی­سیم از طریق وصل شدن به مسیریاب­های مش بی­سیم مثلاً با اترنت به شبکه مش دسترسی پیدا می­کنند. بنابراین شبکه­های مش بی­سیم­ به کاربران کمک می­کنند تا در هر زمان و هر مکانی فعال باشند. علاوه بر این توانایی­های دروازه[12] در مسیریاب­های مش، امکان مجتمع­شدن شبکه مش بی­سیم را با شبکه­های بی­سیم موجود از قبیل حسگر[13]، Wi-Fi، Wi-MAX، Wi-Media و ... می­دهد. در نتیجه از طریق یک شبکه مش مجتمع، کاربران درون شبکه مش می­توانند از سرویس­های موجود در شبکه­های دیگر استفاده کنند. شبکه­های مش بی­سیم برای تعداد زیادی از کاربرد­ها مانند، شبکه­بندی خانگی ،... استفاده می­شوند [1].

    در قسمت­های بعد به معرفی شبکه­های مش بی­سیم از جنبه­های مختلف پرداخته می­شود.

    1-2              معماری شبکه مش

    شبکه مش بی­سیم شامل دو نوع گره است: 1-مسیریاب و 2-کاربر.

    یک مسیریاب مش بی­سیم علاوه بر توانایی مسیریابی همانند شبکه­های بی­سیم قبلی، شامل توانایی­های مسیر­یابی اضافی برای راه­اندازی و تامین شبکه­بندی مش است. برای بهبود بیش­تر شبکه مش، یک مسیریاب مش معمولا به چندین واسط[14] بی­سیم مجهز می­شود که بر اساس تکنولوژی­های دسترسی بی­سیم مختلف یا یکسانی ساخته می­شوند­. یک مسیریاب مش در مقایسه با مسیریاب­های قبلی، می­تواند به پوشش یکسان با توانایی انتقال کمتر از طریق ارتباطات چندگامه برسد. با وجود این مسیریاب­های مش بی­سیم و مسیریاب­های قبلی براساس  یک بستر سخت­افزاری یکسان ساخته می­شوند. مسیریاب­های مش می­توانند براساس سیستم­های کامپیوتری embedded یا براساس سیستم­های کامپیوتری چند منظوره[15] ساخته شوند.

    کاربران مش هم­چنین قابلیت کافی برای شبکه­بندی مش را دارند و بنابراین می­توانند به صورت یک مسیریاب کار کنند. اگر چه توابع دروازه یا پل[16] در این گره­ها وجود ندارد. به علاوه کلاینت­های مش معمولاً تنها یک واسط دارند. بستر سخت­افزار و نرم­افزار برای کاربر­های مش آسان­تر از مسیریاب­ها ساخته می­شود. کاربرد­های مش تنوع محصول بیشتری نسبت به مسیریاب­ها دارند و می­توانند desktop ، laptop،PDA  و... باشند. 

    معماری شبکه مش بی­سیم  به سه گروه اصلی دسته­بندی می­شود­:

    شبکه ستون فقرات[17] ساخت­یافته: این نوع از شبکه مش بی­سیم شامل مسیریاب­های مش است و یک زیر ساختار را برای کاربران ایجاد می­کند که به آن­ها متصل شوند. این مدل می­تواند از چندین نوع تکنولوژی رادیویی استفاده­ کند که در بیشتر موارد از IEEE 802.11 استفاده می­کنند.     مسیریاب­های مش لینک­های خودگردان و خودشفا[18] را بین خودشان ایجاد می­کنند. با توانایی دروازه بودن، مسیریاب­های مش می­توانند به اینترنت متصل شوند. این کاربرد یک ستون فقرات را برای کلاینت­های سنتی  ایجاد می­کند و امکان مجتمع­شدن شبکه مش بی­سیم را با شبکه­های بی­سیم موجود، می­دهد. از طریق قابلیت دروازه در مسیریاب­های مش، کلاینت­های سنتی با واسط­های اترنت می­توانند به مسیریاب­های مش از طریق لینک­های اترنت وصل شوند. برای کلاینت­های با تکنولوژی­های رادیویی مشابه آن­ها می­توانند به طور مستقیم با مسیریاب­های مش ارتباط برقرار کنند (شکل 1-4). این دسته رایج­ترین نوع استفاده از شبکه­های مش هستند. برای مثال شبکه­های ارتباط همسایه­ای[19] می­توانند از این مدل استفاده کنند. مسیریاب­های مش در سقف خانه­ها قرار می­گیرند و به صورت یک نقطه دسترسی برای کاربران درون خانه به کار می­روند. معمولاً دو نوع رادیو در مسیریاب­ها استفاده می­شود: 1-برای ارتباطات ستون فقرات و 2- برای ارتباطات کاربر.


     ارتباطات ستون فقرات مش می­توانند با استفاده از تکنیک­های ارتباطی محدوه زیاد، از قبیل آنتن­های جهت­دار برقرار شوند [2].

    (تصاویر در فایل اصلی موجود است)


    شبکه کاربری: این روش ارتباط را در میان وسیله­های کاربر ایجاد می­کند. در این نوع معماری، گره­های کلاینت یک شبکه واقعی را برای انجام مسیر­یابی و پیکر­بندی قابلیت­هایی مانند      ایجاد­کردن برنامه­های کاربردی برای مشتری­ها تشکیل می­دهند، در نتیجه مسیریاب مش­ برای این نوع کاربرد ندارد (شکل1-5). در این معماری یک بسته برای رسیدن به گره مقصد از چندین گام (چندین گره) عبور می­کند. این روش معمولاً از یک نوع رادیو برای وسیله­ها استفاده می­کند. علاوه بر آن ملزومات برای کاربران انتهایی در مقایسه با مدل اول افزایش پیدا می­کند زیرا در برخی از کابردها، کاربران انتهایی باید توابع اضافی از قبیل مسیر­یابی و تنظیم خودکار را نیز، انجام دهند. 

     

    (تصاویر در فایل اصلی موجود است)


    شبکه ترکیبی[20]: این معماری ترکیبی از دو روش قبلی است، همانطور که در شکل 1-6 دیده می­شود کاربران مش از طریق مسیریاب­های مش ­­به شبکه ارتباط و اتصال دارند. علاوه بر آن با دیگر کاربر­های مش به طور مستقیم ارتباط دارند. در عین حال که شبکه زیر ساختار اتصال به دیگر شبکه­ها مثل  Wi-Fi، Wi-MAX، سلولی[21] و ... را ایجاد می­کند، توانایی­های مسیریابی کلاینت­ها، اتصال و میزان پوشش را نیز در شبکه بهبود می­بخشد. این مدل نسبت به دو مدل قبلی کاربردی­تر است[2].

    1-3              ویژگی­های شبکه مش بی­سیم

    ویژگی­های شبکه­های مش بی­سیم به شرح زیر می­باشد:

    چندگامه بودن: یک هدف برای گسترش شبکه­های مش، گسترش محدوده تحت پوشش شبکه مش بدون قربانی­کردن و هدردادن ظرفیت کانال است. هدف دیگر ایجاد­ کردن اتصال خارج از محدوده دید مستقیم در میان کاربران، بدون لینک­های مستقیم است. برای برآوردن این نیازها، شبکه­بندی مش چندگامه ضروری است. در این شبکه می­توان با استفاده از فاصله لینک کمتر، تداخل[22] کمتر بین گره­ها و بهره بردن از استفاده دوباره فرکانس[23] به گذردهی بالاتر بدون هدر دادن محدوده رادیویی مفید رسید.

    حمایت از شبکه­بندی سیار موردی و توانایی تنظیم خودکار، خودشفایی و خودگردانی: شبکه­های مش بی­سیم به خاطر معماری قابل­انعطاف شبکه، توسعه­پذیری، پیکربندی آسان و تحمل خطا کارایی شبکه را بالا می­برند. به خاطر این ویژگی­ها، این شبکه­ها هزینه پایینی دارند و شبکه می­تواند هر وقت که نیاز باشد، به­تدریج رشد کند.

    تحرک­پذیری وابسته ­به نوع گره: مسیریاب­های مش معمولاً کمترین تحرک را دارند در حالی که کاربران مش می­توانند ساکن یا متحرک باشند.

    چندین روش دسترسی به شبکه: در شبکه­های مش بی­سیم هم دسترسی چندگامه به اینترنت و هم ارتباطات همتا ­به­ همتا[24] میان کاربر­ان وجود دارد. علاوه بر آن شبکه­های مش بی­سیم می­توانند با دیگر شبکه­های بی­سیم مجتمع شوند و سرویس­هایی به کاربران انتهایی این شبکه­ها ارائه دهند.

    محدودیت انرژی وابسته به نوع گره: مسیریاب­های مش معمولاً محدودیت خاصی روی مصرف توان ندارند، اما کلاینت­های مش ممکن ­است نیاز به پروتکل­های کارائی توانی[25] داشته باشند. به عنوان یک مثال، یک حسگر با قابلیت مش برای اینکه کارائی توانی داشته باشد نیاز به پروتکل­های ارتباطی خاص خودش دارد. بنابراین پروتکل­های لایه شبکه و لایه انتقال که برای مسیریاب­های مش بهینه می­شوند، ممکن­ است برای کاربران مش مثل حسگرها مناسب نباشند، چون کارائی توانی یک نگرانی اصلی برای شبکه­های حسگر بی­سیم است.

     

    (تصاویر در فایل اصلی موجود است)

    Abstract

  • فهرست پایان نامه بهینه سازی تعداد و مکان مسیریاب ها در شبکه های مش بی سیم

    فهرست:

    فصل اول:  مقدمه­ای بر شبکه­های مش بی­سیم- 1

    1-1 شبکه مش بی­سیم- 2

    1-2 معماری شبکه مش-- 5

    1-3 ویژگی­های شبکه مش بی­سیم- 9

    1-4 تفاوت با سایر شبکه­های چندگامه 11

    1-5 چالش­های موجود در شبکه­های مش بی­سیم- 13

    1- 6 اهداف پایان­نامه 17

    1- 7 ساختارپایان‌نامه 18

    فصل دوم: مروری بر روش­های تعیین مکان مسیریاب­ها در شبکه مش بی­سیم- 19

    2-1 مقدمه 20

    2-2 مروری بر کارهای انجام گرفته 21

    2-2-1 روشهای مبتنی بر الگوریتم­های ابتکاری- 21

    2-2-2 روشهای مبتنی بر الگوریتم­های تکاملی- 27

    2-2-3 روشهای مبتنی بر مدل بهینه­سازی- 28

    2-2-4 سایر روش­ها 31

    2-3 نتیجه­گیری- 34

    فصل سوم: معرفی الگوریتم پیشنهادی بر مبنای الگوریتم ژنتیک-- 36

    3-1 مقدمه 37

    3-2 معرفی Packing Problem- 37

    3-3 مسئله Circle Packing 38

    3-4 مدل شبکه 39

    3-5 فرموله سازی مسئله 41

    3-6 الگوریتم ژنتیک-- 42

    3-6-1 کروموزوم 43

    3-6-2 جمعیت ژنتیکی- 43

    3-6-3 تابع برازش-- 43

    3-6-4 عملیات ژنتیکی- 44

    3-6-5 پارامترهای الگوریتم ژنتیکی- 44

    3-6-6 روش­های کدگذاری- 45

    3-6-7 عملگرهای ژنتیکی- 46

    3-6-8 ساختار الگوریتم پیشنهادی- 50

    3-7 مدل ترافیک-- 56

    3-8 تعیین تعداد مسیریاب­ها 59

    3-9 نتیجه­گیری- 60

    فصل چهارم: شبیه‌سازی و ارزیابی روش پیشنهادی- 62

    4-1 مقدمه 63

    4-2 مقایسه با مرجع [10] 63

    4-3 مقایسه  با مرجع [12] 66

    4-4 تعیین تعداد مسیریاب­ها 73

    فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادات- 76

    5-1 مقدمه 77

    5-2 نتیجه­گیری- 77

    5-3 پیشنهادات- 79

    واژه‌نامه‌ انگلیسی به فارسی- 81

    منابع- 86

     

    منبع:

    1          

    [1] A.O.L. Xudong Wang, wireless mesh networks:   Framework and challenges, Ad Hoc Networks 6 (2008) 970-984.

    [2] I.F. Akyildiz, X. Wang, W. Wang, Wireless mesh networks: a survey, Computer Networks 47 (2005) 445–487.

    [3] Y. Zhang, J. Luo, H. Hu, Wireless Mesh Networking, architecture,protocols and standards, ISBN: 978-0-8493-7399-2,2007.

    [4] M. Sichitiu, wirelessmeshnetworks: opportunities and challenges, Technical Report, 2005.

    [5] J. Wang, B. Xie, K. Cai, D.P. Agrawal, Efficient Mesh Router Placement in Wireless Mesh Networks, in Mobile Adhoc and Sensor Systems, IEEE Internatonal Conference on 2007 pp. 1-9.

    [6] F. Xhafa, Admir Barolli, Christian Sánchez, L. Barolli, A simulated annealing algorithm for router nodes placement problem in Wireless Mesh Networks. Simulation Modelling Practice and Theory, In Press, Corrected Proof (2010).

    [7] F. Xhafa, C. Sanchez, L. Barolli, Ad Hoc and Neighborhood Search Methods for Placement of Mesh Routers in Wireless Mesh Networks, in Distributed Computing Systems Workshops, IEEE International Conference on 2009, pp. 400 - 405.

    [8] F. Xhafa, C. Sanchez, L. Barolli, Locals Search Algorithms for Efficient Router Nodes Placement in Wireless Mesh Networks in Network-Based Information Systems, International Conference on 2009, pp. 572 – 579.

    [9] A.A. Franklin, C.S.R. Murthy, Node Placement Algorithm for Deployment of Two-Tier Wireless Mesh Networks in Global Telecommunications Conference,GLOBECOM '07, IEEE 2007, pp. 4823 – 4827.

    [10] J. Wang, W. Fu, D.P. Agrawal, An Adaptive Router Placement Scheme for Wireless Mesh Networks, in GLOBECOM Workshops, IEEE 2008, pp. 1-5.

    [11] J. Wang, K. Cai, D.R. Agrawal, A Multi-Rate Based Router Placement Scheme for Wireless Mesh Networks, in Mobile Adhoc and Sensor Systems, IEEE 6th International Conference on 2009, pp. 100 – 109.

    [12] F. Xhafa, C. Sánchez, L. Barolli, Genetic Algorithms for Efficient Placement of Router Nodes in Wireless Mesh Networks, in Advanced Information Networking and Applications, IEEE International Conference 2010, pp. 465 - 472.

    [13] G. De Marco, MOGAMESH: A multi-objective algorithm for node placement in wireless mesh networks based on genetic algorithms in Wireless Communication Systems, International Symposium 2009, pp. 388 – 392.

    [14] D. Benyamina, N. Hallam, Multi-criteria Optimization Approach for the Deploymen Planning Problem of Multi-hop Wireless Networks in CIS'09 Proceedings of the international conference on Computational and information science, 2009, pp. 1-7.

    [15] S.M. Allen, R.M. Whitaker, S. Hurley, Seed node deployment for wireless mesh networks with uncertain subscription, in Wireless Telecommunications Symposium 2007, pp. 1-7.

    [16] A.C. E. Amaldi, M. Cesana, I. Filippini, F. Malucelli, Optimization models and methods for planning wireless mesh networks Computer Networks 52 (2008) 2159-2171.

    [17] J. Robinson, M. Singh, R. Swaminathan, E. Knightly, Deploying Mesh Nodes under Non-Uniform Propagation, in INFOCOM, Proceedings IEEE 2010, pp. 1-9.

    [18] X. Wang, L. Guan, C. Xuefen, G. Xin, Investigation of Relaying Node Placement in Wireless Mesh Networks, in Computer Modeling and Simulation, 2010, pp. 467 – 471.

    [19] R. R., S. Iyer, Designing Multi-Tier Wireless Mesh Networks: Capacity-Constrained Placement of Mesh Backbone Nodes, in INFOCOM. 25th IEEE International Conference on Computer Communications. Proceedings 2006, pp. 1-6.

    [20] A. So, B. Liang, Optimal Placement of Relay Infrastructure in Heterogeneous Wireless Mesh Networks by Bender’s Decomposition, in QShine '06 Proceedings of the 3rd international conference on Quality of service in heterogeneous wired/wireless networks, 2006, pp. 1-4.

    [21] Genetic Algorithms for the Antenna Placement Problem. Mobile Networks and Applications 10 (2005) 79–88.

    [22] P. Calégari, F. Guidec, P. Kuonen, F. Nielsen, Combinatorial Optimization Algorithms for Radio Network Planning. Theoretical Computer Science (2001) 235–245.

    [23] A. Beljadid, A.S. Hafid, M. Gendreau, Optimal Design of Wireless Mesh Networks, in IEEE Global Telecommunications Conference, 2007, pp. 4840–4845.

    [24] J. Robinson, E.W. Knightly, A Performance Study of Deployment Factors in Wireless Mesh Networks, in INFOCOM. 26th IEEE International Conference on Computer Communications, 2007, pp. 2054 – 2062.

    [25] T. Vanhatupa, M. Hännikäinen, T.D. Hämäläinen, Performance model for IEEE 802.11s wireless mesh network deployment design. Parallel and Distributed Computing 68 (2008) 291-305.

    [26] P.Y. Wang, G. Wa ¨scher, Cutting and packing, European Journal of Operational Research 141 (2002) 239–240.

    [27] K.A. Dowsland, Palletisation of cylinders in cases, OR Spektrum 13 (1991) 171–172.

    [28] G. Wa ¨scher, H. Haussner, H. Schumann, An improved topology of cutting and packing problems, European Journal of Operational  Research 183 (2007) 1109–1130.

    [29] E. Bischoff, G. Wa¨scher, Cutting and packing, European Journal of Operational Research 84 (1995) 503–505.

    [30] A. Lodi, S. Martello, M. Monaci, Two dimensional packing problems: A survey, European Journal of Operational Research 141(2002) 241–252.

    [31] Y.-C. Xu, R.-B. Xiao, M. Amos, A Novel Genetic Algorithm for the Layout Optimization Problem, in Evolutionary Computation, IEEE Congress, 2007, pp. 3938 – 3943.

    [32] C. L. Karr, L.M. Freeman, Industrial Applications of genetic Algorithms, CRC Press, 1999.

    [33] C. David, An Introduction to Genetic Algorithms for Scientists and Engineers, World Scientific, 1999.

     

  • ثبت سفارش
    عنوان محصول
    قیمت