Fault Tolerant Mission-Critical Wireless Sensor and Actor Networks

Abstract

ظهرت شبكات الاستشعار التفاعلية في الآونة الأخيرة في كثير من التطبيقات الحرجة والهامة مثل المراقبة العسكرية، والبحث والإنقاذ، والإطفاء، الخ. هذه الأنواع من التطبيقات تحتاج إلى نشرها على شبكات قوية تستطيع التعامل مع حالات الفشل آنيا . تعمل شبكات الاستشعار التفاعلية في بيئة قاسية ولذلك تصبح عرضة لانقطاع الاتصال بسبب تعطل جهاز تفاعلي واحد أو أكثر. وبالنظر إلى أن هذه الشبكات تنشر في أماكن نائية ، فإن إعادة الاتصال عن طريق إعادة التكوين الذاتي لطوبولوجيا الشبكة هو الحل الأكثر تفضيلا. في أطروحة الدكتوراه هذه ، تحقننا من متطلبات شبكات الاستشعار التفاعلية ذات التطبيقات الحرجة من حيث المتانة والاتصال ، وقمنا من الناحية التحليلية و المحاكاتية بتوفير حلول مركزية و موزعة للتعامل مع فشل جهاز تفاعلي واحد أو أكثر من أجهزة هذه الشبكات. الحل المركزي والذي يمكن أن يمثل الحد الادني للحلول الأخرى قائم على البرمجة الخطية ذات العددية الصحيحة من حيث الصياغة ويستخدم مسافة التحرك كهدف وظيفي. مع أن التقليل من المسافة الإجمالية للتحرك هو الهدف الأساسي للحل المركزي ، إلا أننا اعتبرنا مقاييس الأداء الأخرى مثل فقدان التغطية والمسافة القصوى التي يمكن أن يقطعها أي جهاز تفاعلي أثناء عملية إعادة الاتصال للشبكة. وبسبب ان الحلول المركزية ليست مجدية في شبكات الاستشعار التفاعلية ، وضعنا حلول موزعة تعتمد على المعلومات المحلية لكل جهاز تفاعلي ، وتوفر آلية للترميم تستطيع التعامل مع فشل جهاز تفاعلي واحد أو أكثر بحدود أدنى للكلفة. حلنا الأول هو حل الاستعادة ذو المسافة الاقل للحركة (Least Distance Movement Recovery Approach) والذي يستغل الأجهزة التفاعلية ذات المواضع غير الحرجة (المهمة) في الشبكة من أجل استبدال الأجهزة التفاعلية المتعطلة ، وقد تم تعزيز هذا الحل بجعله متكيفا حسب طوبولوجيا الشبكة من أجل تحقيق أداء أفضل في الشبكات الكثيفة و المتفرقة. وقد أسمينا هذا الحل الجديد والذي يقوم على حلنا الأول بخوارزمية إعادة الاتصال المتكيفة (Adaptive Connectivity Restoration Algorithm). ولاستعادة اتصال الشبكة في حالة الفشل المتزامنة لأكثر من جهاز تفاعلي، وضعنا حلا جديدا يسمى حل الاستعادة بسبب الفشل الآني (Simultaneous Failures Recovery Approach) . يعتمد هذا الحل على بناء شجرة الاستعادة من الشبكة الأصلية بدءا من جذر محدد مسبقا. وخلافا لغيره من الحلول الأخرى ، يمكن لهذا الحل التعامل مع الشبكات المنقسمة تماما استنادا للحالة الراهنة لطوبولوجيا الشبكة. وقد وضحنا صحة وفعالية هذه الحلول بالتحليل والمحاكاة.