KABLOSUZ DUYARGA AĞLARINDA YER BULMA PROBLEMİ

Transkript

1 KABLOSUZ DUYARGA AĞLARINDA YER BULMA PROBLEMİ (ÖZET) Kablosuz Duyarga Ağları, üzerlerinde çeşitli duyargaların yer aldığı, birbirleriyle ve mevcut ise bir ana birimle, üzerlerindeki radyo veya akustik gibi kablosuz iletişim aygıtları aracılığıyla haberleşen çeşitli düğümlerden oluşan ağ yapılarıdır. Bu ağlar, çeşitli çevresel olay ve durumların tahmin edilmesi ve/veya takip edilmesi amacı ile kullanılmaktadır. Üzerlerinde barındırdıkları, çeşitli özelliklere sahip duyargalar nedeniyle, kullanım alanları da çok çeşitlilik göstermektedir. Günümüzde mems (mikro-elektronik-mekanik sistemler) alanındaki ve dolayısıyla duyarga teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde, üzerlerinde çok sayıda duyarga barındırabilen yetenekli düğümler üretilmeye başlamıştır. Bu düğümlerin maliyeti giderek düşürülmeye çalışıldığından, günümüzde kablosuz duyarga ağları, askeri alandan piyasa ihtiyaçlarına yönelik veya araştırma amaçlı sivil uygulamalara kadar çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Askeri alanlarda, saha güvenliğinin sağlanması, mayın taraması yapılması, belirli bir alanda belirli objelerin takip edilebilmesi, deniz altı gibi ortamlarda bile ortamda oluşabilecek çeşitli değişikliklerin (manyetik alan gibi) algılanması ve buna benzer pek çok uygulama alanı bulunmaktadır. Sivil uygulamalarda da pek çok alanda kendine yer edinen bu ağların genellikle akıllı ev, ofis gibi alanlarda kullanımlarının yaygın olduğunu görmekteyiz. Yangın, deprem, hırsız gibi olağan dışı olayların fark edilmesinden, sıcaklık, nem basınç gibi özelliklerin olağan durumlarının kontrolünün yapılması gibi pek çok amaca hizmet edebilmektedirler. Araştırma amaçlı sivil uygulamalar, ileride pratiğe aktarılmak üzere, bu ağların performanslarının, niteliklerinin, kabiliyetlerinin arttırılmasına yönelik, düğümlerin yerlerini bulma, ağ trafiğini düzenleme, yönlendirme algoritmalarının özelleştirilmesi gibi pek çok araştırma konusunu içermektedir. Su altı da dâhil olmak üzere çok çeşitli saha alanlarında, değişik amaçlara hizmet edecek şekilde tasarlanan, programlanan ve alana çok sayıda, değişik topolojilerde bırakılan duyarga düğümleri, düşük güç tüketimi prensipleri ile mümkün olduğu kadar uzun süre hizmet vermeye çalışırlar. Düğümlerin taşınabilirlikleri, sayılarının çok fazla olması, maliyetlerinin çok arttırılmamaya çalışılması gibi sebeplerden dolayı, bu düğümlere sağlanabilen güç kaynakları oldukça sınırlı olmaktadır. Bu nedenle, duyarga ağlarında tasarlanacak herhangi bir algoritma, protokol veya uygulamanın en önemli kısıtlarından birini güç tüketimi oluşturmaktadır. İşlem birimini zorlayacak, karmaşıklığı yüksek işlemlerden, haberleşmelerde veya olayların sezilmesinde yoklama yöntemlerinden bu nedenden dolayı uzak durulması gerekmektedir. Olay takibinde veya herhangi bir duyarganın çalışması denetlenmek istendiğinde de benzer sebepten dolayı yoklamalı çalışmayı önlemek açısından, donanım denetiminde de kesmeli çalışma tercih edilmektedir. Örnek olarak duyarga ağlarında kullanılan düğümler üzerinde uygulama geliştirirken sıklıkla kullanılan TinyOS işletim sistemi verilebilir. TinyOs sınırlı kaynakları olan (örneğin 8K byte program belleği, 512 byte RAM) duyarga ağları için Univercity of California, Berkeley tarafından Intel Araştırma Grubu desteği ile geliştirilmiş, olay güdümlü (event-driven) bir işletim sistemidir. Genel prensibi, güç harcamasını minimize etmeye yönelik olarak kısa sürede görevini tamamlayıp uyuma durumuna geçmektir. Bu prensibe uygun olarak kesmeli çalışma yapar, yoklamalı çalışma gerçekleştirmez. [tinyos]

2 Düğümler üzerinde gerekli duyargaların yanında, düğümün istenildiği gibi çalışmasını sağlayacak bir işlem birimi bulunmaktadır. Genellikle işlem birimi olarak miktrokontrolorler kullanılmaktadır. Çalıştığımız İTÜ-Bilgisayar Ağları Laboratuarı nda kullanılan, GenetLab firmasının tasarladığı duyarga düğümlerinde de tercih edilen işlemci Texas Instruments firmasının düşük güç tüketimi kademeleri ile bilinen MSP430 ailesindendir. Bu örnekten de, düşük güç tüketimi kısıtlamasına, donanımsal tasarımlarda da dikkat edilmesinin gerekliliği görülmektedir. Kablosuz ağlara ilişkin uygulamalarda, diğer kısıtlar ise düğümlerin kablosuz haberleşmeleri ile birlikte gelen, band genişliği harcamalarının ayarlanması, çakışmaların oluşması, bu çakışmaların önlenmeye çalışılması gibi problemlerdir. Kablosuz ağlarda veri aktarımı yapılan ortam boşluk olduğundan, kablolu ağların aksine, düğümlerin bu boşluğun bir kısmını ayırmaları, belirli bir kısmını kullanmaları gibi düzenlemeler yapılamamaktadır. Duyarga düğümlerinin haberleşmelerinde merkez gözetiminde sıralama yöntemlerinin kullanımı gibi önerilen çözümler ile oluşabilecek çakışmalar önlenmeye çalışılmaktadır. Gerçek zamanlı uygulamalarda, bu kısıtların önemi daha çok artmakta ve bunlara ilişkin çözüm önerileri geniş bir araştırma konusu kapsamına girmektedir. Bitirme tasarım projesinin temel konusu olan yer bulma (kerteriz) problemi ise, kablosuz duyarga ağlarında ortaya çıkmış önemli problemlerden biridir. Bu ağlarda, çok sayıda düğüm, genellikle sabit veya belirli bir topolojiye oturtulmadan, ilgili alana dağıtıldığından, her düğümün yerinin bilinmesi çok olanaklı olmamaktadır. Pratik bir örnek olarak, çeşitli saha alanlarına, çok fazla sayıda düğüm, bir uçak aracılığıyla atılmaktadır, oluşan topolojilerin, hız, ortamın fiziksel koşulları gibi koşulların da etkilediği çeşitli olasılık dağılımlarına uyduğu düşünülmektedir. Düğümlerin yer bilgilerini, GPS gibi ek donanımsal bileşenlerden elde etmeleri ise, bu düğümlerin maliyetlerinin düşük olması beklentisine ters düştüğünden çok tercih edilmemektedir. Yer bulma problemi, kablosuz duyarga ağlarında pek çok uygulamada alanında büyük önem taşımaktadır. Bu ağlarda, düğümler üzerinde yer alan duyargalar aracılığı ile algılanan verilerin işlenmesinde, verinin algılandığı alan bilgisi genellikle önemli bir ölçüttür. Ölçülen sıcaklık veya benzeri herhangi bir ortam koşulunun hangi bölgeden geldiğinin önemli olması, kırılan bir camın binanın hangi bölümünde olması gibi pratik açıdan kritik önem taşıyabilecek pek çok uygulama örnek olarak verilebilir. Bu nedenle, düğümlerin yer bilgilerine sahip olmaları veya bu bilgileri hesaplayabilmeleri belirli durumlarda büyük önem taşımaktadır. Veri işlemesinin yanı sıra, nesne takip edilmesi, kablosuz ağlarda coğrafi yönlendirme gibi değişik konularda da düğümlerin yer bilgilerine sahip olmaları gerekmektedir. Genellikle uygulama alanlarında düğümlerin statik oldukları düşünülse de, kablosuz duyarga ağlarının kullanımında farklı bir alan olan su altı duyarga ağları sistemlerinde olduğu gibi hareketli düğümlerin yer aldığı ağlar da mevcuttur. Bu hareketli ağlarda da zaman içinde değişen yer bilgisinin güncellenmesi aşamasında yer bulma algoritmalarının kullanımı yaygın olarak tercih edilen bir yöntemdir. Çözüm algoritmalarının başlangıcında yararlanan en önemli varsayım, ağ içerisinde göreceli olarak az sayıda düğüme, çeşitli yollardan yer bilgisi ulaştırılabilmekte olmasıdır. Bu durumda maliyet, bu düğümlerin sayısı azaltılarak düşürülebilir. Kablosuz duyarga ağlarında yer bulma problemi olarak ortaya konan problem de bu durumda, genel olarak yeri bilinmeyen düğümlerin, ağ içerisinde yerini bilen bu düğümlerden faydalanarak yerlerini hesaplaması şeklinde tanımlanmaktadır. Yeri bilinen düğümlere olan uzaklık ölçümlerinin yapılması ve bu ölçümlerden faydalanarak yer hesaplamasının nasıl yapılabileceği maddeleri

3 kerteriz probleminin temel iki alanıdır. Bunun yanında, raporda da belirtileceği üzere, uzaklık ölçümlerinin kullanılmadığı yer bulma algoritmaları da bulunmaktadır. Yeri bilinen düğümlerin sayısı ilk aşamada az verilmekte ve maliyet düşürülmektedir. Fakat sistemde sıkça yapılan bir düzenleme ile yerini hesaplayan düğümler de bu aşamadan sonra yerini bilen düğüm olarak davranıp, diğer düğümlerin yer bulma algoritmalarında kullanılır hale gelmektedirler. Bu prensiple çalışmaya kimi kaynaklarda iteratif çalışma denilmekte ve ilk aşamada değil daha sonraki zaman dilimlerinde yerini hesaplayıp, yerini hesaplamayan düğer düğümlere yardımcı olan bu düğümlere de referans düğümü denilmektedir. Bu yaklaşımda dikkat edilmesi gereken husus ise yerini hesaplayan bir düğümün hesapladığı yerinde mutlaka hata olacağı ve başlangıçta sistemde bulunan ana düğümler kadar güvenilir bir yer bilgisi sağlayamayacağıdır. Bu sistemlerde hatanın birikimli olarak ilerlediği söylenebilir: hatalı olarak yerini bildiren referans düğümlerinin bilgilerinden algoritma tekrar çalıştırılarak bir diğer düğüm yerini hesapladığında, algoritmadan gelecek olan hata bir kere daha eklenecektir. Bu probleme çözüm olarak, yerini sonradan hesaplayan düğümlere bir nesil numarası verilmesi ve bu nesil numarasına bir sınır konularak, belirli bir aşamadan sonra diğer düğümlerin algoritmalarında hesaba katılmamaları sağlanması yaklaşımı verilmektedir. Kablosuz Ağlarda Yer Bulma Problemi projesinde, öncelikli amaç, literatürde yer alan yer bulma algoritmalarının araştırılarak öğrenilmesidir. Bu algoritmalarda kullanılan uzaklık ölçümlerinin elde edilme yöntemleri ve algoritmalarda kullanılan matematiksel ilişkiler gibi diğer ilgili alanlarda bilgi sahibi olmak da amaçlanmıştır. Bu aşamada, geniş bir literatür araştırması yapılarak ilgili bilgiler edinilmiştir. Daha çok tek aşamalı yer bulma yöntemleri incelenmiştir. Tek aşamalı yöntemlerden kasıt, düğümlerin tek uzaklıktaki (maksimum bir haberleşme mesafesi uzaklarındaki) yerini bilen düğümlerden faydalanarak yer bulmalarıdır. Olasılık hesapları kullanan, statik topolojiler gerektiren, dağıtık hesaplamalar içeren, iteratif olarak yer bilgisi tahminini iyileştirenler gibi çok çeşitli algoritma incelenmiştir. Pratik olarak gerçeklenen algoritmalar üzerinde de durulmuştur. İkinci aşamada, yer bulma yöntemlerinden biri seçilerek bir ağ benzetim programı aracılığıyla gerçeklenmiştir. Uzaklık ölçümlerini kullanmayan bu yöntemde (overlapping connectivity) kısaca, yeri bilinmeyen düğümler, yeri bilinen düğümlerden bağlı oldukları (haberleşme kapsama alanı içinde bulundukları) düğümlerin yer bilgilerinden faydalanarak, kendi yerlerini aritmetik ortalama almak yöntemiyle belirlemektedirler. Raporda detaylı açıklaması ve analizleri verilen bu yöntem, Bilgisayar Ağları Araştırma Laboratuarı nda da lisanslı olarak kullanım imkânı bulunan, yaygın olarak tercih edilen QualNet benzetim programında gerçeklenmiştir. Gerçekleme aşamasında bir uygulama katmanı protokolü yazılarak simülasyon sistemine eklenmiştir. Bunu gerçekleyebilmek üzere, benzetim programının yazılım yapısı incelenmiş, mesajlaşma, kesme hizmet programları, zamanlayıcı kullanımı gibi temel kavramlar ile birlikte, uygulama katmanı seviyesinde protokol ekleme kuralları öğrenilmiştir. Uygulamaya özel bazı değişikliklerin de eklenmesi ile bu yer bulma algoritmasını gerçekleyen protokol yazılarak test edilmiştir. Sonraki aşamada, kablosuz duyarga ağlarında düşük güç tüketimi ihtiyacından doğan ve sıklıkla tercih edilen, düğümlerin çeşitli aralıklarla uyutulması konusu incelenmiştir. Konunun sınanmasına ilişkin, zaman güdümlü, ayrık zamanlı olay tetiklemeli benzetim prensibi ile çalışan bir benzetim programı yapısı tasarlanarak, C++ programlama dili kullanılarak gerçeklenmiştir. Bu aşamada, yer bulma algoritmalarının yöntem olarak gerçeklenmesi ve karşılaştırılmasından ziyade, düğümlerin bu prensiple çalıştığı ağlarda yer bulma algoritmalarının nasıl etkilenebileceği konusunda benzetimler yapılmıştır. Uyku durumunda oldukları ve aktif oldukları periyotları tanımlanan düğümlerin kullanıldığı sistemde, yer

4 bulma oranlarının, ortamda ilk aşamada yerini bilen düğümlerin sayısı ile ilişkisi incelenerek ilgili grafikler elde edilmiştir. Bu benzetimlerin sonuçları da detaylı bir şekilde raporda bulunmaktadır. Kerteriz yöntemleri hakkında yeterli bilgi ve analiz elde edildikten sonra, geliştirilmiş bir tahminsel algoritma tasarlanmış ve önerilmiştir. Önerilen algoritmada temel yaklaşım, yeri bilinen düğümlere olan uzaklık değerlerinin ölçümlerinde, çevresel etkenler veya kullanılan yöntemler nedeniyle oluşan hataların göz önünde bulundurulmasıdır. Bu durumlarda, geleneksel kerteriz algoritmalarında problemler oluşabilmektedir. Multi-Lateration adlı yöntemin bu hataları göz önünde bulunduran bir versiyonu olmasına karşılık, bu yöntemin karmaşıklığı çeşitli matris işlemlerinden dolayı yüksektir. Detayları raporda da anlatılan, önerilen yöntem ise geometrik ilişkilerden (oluşturulan üçgen benzerliklerinden) faydalanarak tahmin üretmekte olduğundan matris işlemleri gibi karmaşıklığı yüksek işlemleri kullanmamaktadır. Önerilen yer bulma yönteminin performansı, geliştirildiği multi-lateration yöntemi ile ve bir diğer yöntem olan bounding-box yöntemi ile aynı koşullar altında karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmeler yapılırken pek çok değişik parametre ile ilgili simülasyonlar yapılmıştır. Benzetim sisteminde, düğümlerin alana dağıtılması, çalışmaya başlamaları için geçen süre gibi pek çok durumun modellenmesinde rastgele sayılar kullanılmaktadır. Bu nedenle, aynı çevresel koşullar altında, farklı rastgele sayı üreteci tohumları verilerek, her koşul için 10 adet benzetim yapılarak bu çalıştırmaların sonuçlarının ortalaması alınarak değerlendirilmiştir. Bu analizlerin grafiksel ifadelerine ve oluşturulan tablolarına raporda yer verilmiştir. Sonuç olarak, bu proje kapsamında, kablosuz duyarga ağlarında önemli bir yere sahip olan kerteriz problemi ile ilgili kullanılan yöntemler hakkına bilgi edinilmiştir. Yaygın olarak kullanılan bir ağ benzetim programı olan QualNet yazılım yapısı, mesajlaşma, ortamın modellenmesi, oluşabilecek kesme tiplerinin belirlenmesi ve bunlara ilişkin hizmet programlarının yazılması, protokol tasarımı (uygulama katmanında) ve ekleme konuları öğrenilmiş ve gerçeklenmiştir. Bunların yanında, geliştirilmiş bir tahminsel algoritma tasarlanarak, gerçeklenmesi ve performans analizi yapılmıştır. Karmaşıklığı da daha düşük olan bu algoritmanın, uzaklık ölümlerinde oluşan hataların da modellendiği ortamlarda analizi yapılarak, sağladığı tahminlerdeki hatanın ortalama ve standart sapma değerlerinin diğer yöntemlere göre daha düşük olduğu görülmüştür.