شبیه سازی نانو (Nano-sim)، مبتنی بر شبیه سازی شبکه های نانو الکترومغناتیس در شبیه ساز شبکه NS-3 Nano-Sim: simulating electromagnetic-based nanonetworks in the Network Simulator 3
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : ACM
- چاپ و سال / کشور: 2013
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی فناوری اطلاعات، مهندسی برق، فناوری اطلاعات و ارتباطات، فناوری نانو، شبکه های مخابراتی، برق مخابرات، دیتا، مهندسی کنترل، مهندسی الکترونیک، سامانه های شبکه ای، مکاترونیک و شبکه های کامپیوتری
پیشرفت فناوری نانو، راه را برای درک مفهوم شبکه نانوحسگرهای بی سیم(WNSN) در حال ظهور ، هموار ساخته است. به طور کلی در حال حاضر امکان ایجادماشین آلات یکپارچه درمقیاس نانو، که با استفاده ازارتباطات بی سیم، با هم همکاری و تعامل دارند ، فراهم شده است. پژوهش در این زمینه، هنوز هم درمرحله ی مبتدی وطراحی مجموعه پروتکل های WNSN، قرار دارد که همین امر نشان دهنده اهمیت و حساسیت این موضوع می باشد. بنابراین،چارچوبی با عنوان شبیه سازی کد باز(open source simulation) برایWNSN، معرفی شده است که برای فعالیت های تحقیقاتی به سمت همگراسازی روش طراحی، بسیار مفید می باشد . اخیراً ما، ماژول جدیدی به نامNS-3 (Nano-Sim) ، را ارائه کرده ایم که در مدل سازیWNSNs ، بر اساس ارتباطات الکترومغناطیسی درگروه تراهرتز(Terahertz) ، طراحی شده است. درنسخه اولیه آن، نانوسیم، معماری ساده ای از شبکه ومجموعه پروتکل های آن رابرای چنین تکنولوژی در حال ظهور ، ارائه داده است . در این مقاله، ما به طور قابل توجهی ، کارهای قبلی خود را در جهات مختلف، بهبود داده ایم. اول اینکه ما ابزارهای کاربردی در این زمینه مانند الگوریتم های جدید مسیریابی و یک پروتکل کارامد تر به نام Mac ، گسترش داده ایم . علاوه بر این تمرکز ما بر نظارت بر سلامت سناریوی WNSN می باشد ، در مورد اینکه چگونه ، تراکم گره ها ، محدوده انتقال نانو ماشین و تصویب ترکیبی برخی از استراتژی های خاص مسیریابی از جمله Mac ، بر رفتار شبکه تاثیر می گذارد . در نهایت،یک مطالعه درNano-Simو نیازهای محاسباتی آن، نیز انجام شده است که نشان دهنده ی پیشرفت ماژول توسعه یافته ، از نظر مقیاس پذیری ، می باشد . ۱ – مقدمه : در سال های آینده، روند پیشرفت نوآوری در زمینه ی فناوری نانو، تا حدی روند رو به رشدی طی کرده است که انتظار می رود ، با ترویج و توسعه یکپارچهدستگاه و نانوماشین ها (نانو ابزارها)، با اندازه های مختلف از یک تا چند صدنانومتر، به خوبی برای فناوری اطلاعات و ارتباطات و موارد پزشکی، صنعتی و کاربردهای نظامی ، استفاده و کاربردی تلقی شود [۱]. با توجه به محدود قابلیت ابزارها ، یک دستگاه نانو ممکن است تنها عملیات ساده از جمله سنجش، محاسبات، وظایف تحریک و ذخیره سازی اطلاعات و … را انجام دهد، اما همین محدودیت ها ، می تواند عاملی برای ارتباط و هماهنگی ابزار ها با یکدیگر گردند [۲] .در این روش،قابلیتهای بسیاری وجود دارد که برای ایجاد یک شبکه ی نانو حسگر بی سیم (WNSN) ، به اندازه کافی قوی می باشد و همین مسئله در حوزه ی نانو بسیار مفید و حائز اهمیت است . با این حال،هنوز راه حلی برای رد و بدل کردن اطلاعات در مقیاس نانو، تعریف نشده است. در واقع،چهار حالت ارتباطی مختلف برای نانو ارائه شده است (به عنوان مثال، نانومکانیک،صوتی، مولکولی،والکترومغناطیسی( ، اما با این وجود، تنها فناوری نانومولکولی ،و تابش الکترومغناطیس (EN) ، برای ساخت یک شبکه ی نانو حسگر بی سیم یا همان WNSN ، مناسب می باشند [۴] . با فرض اینکه نانو ابزار ها مجهز می باشند به فرستنده و گیرنده هایی که قابلیت رمزگذاری اطلاعات در مولکول را دارند، تلاش می شود که بعد ها بتوان این ابزارها را بر اساس دریافت امواج EM مجهز کرد . پژوهش بر روی شبکه های نانوهنوز هم ادامه داردودر حال حاضر، به طور عمده تمرکز مادرخصوصیات کانال درمقیاس نانو، می باشد . [۳] و [۱۰] نقش مهمی در ارائه ی مدل های پیچیده برای هر دو ارتباط مولکولی و EN ، و همچنین برآورد حداکثر ظرفیت کانال ، را ایفا کرده اند. با شروع نتیجه گیری از پژوهش های اخیر و با توجه به دستوالعمل های عمومی معماری شبکه در [۲] ، ما در حال بررسی پشته پروتکل ، معماری شبکه و روش دسترسی به کانال هایی که میتوان بعدها از طریق آن ها به فن آوری دسترسی پیدا کرد و آن ها را به بازار عرضه کرد ، هستیم . در این زمینه،یک ابزارشبیه سازی انعطاف پذیربرای حمایت واجازه فعالیت های تحقیقاتی به سمت اهداف همگرای مشترک ، بسیار مفید می باشد . در زمان نگارش این مقاله به چند ابزار مانند NanoNS[8] و N3Sim[13] و همچنین یک ابزار پیشنهادی در [۷] ، قبلا با صراحت به ارتباط بر اساس انتشار مولکولی ، اشاره شده است .با این حال ما به تازگی در [۱۶] ، شبیه ساز کد باز یا متن باز (open source)را برای امواج EM ، ارائه کرده ایم که شامل شبکه های نانو سیم ، شبکه ی نانو شبیه ساز (NS-3) می باشد که در پلت فرم ۱ ، آن را توسعه داده ایم . با این وجود ماژولی در نظر گرفته شده است که ، مبنای طراحی و ارزیابی معماری شبکه ، پروتکل ، الگوریتم مربوط به WSNS ، به حساب می آید و این ماژول ، از یک پشته پروتکل، یک رسانه کنترل دسترسی بسیار ساده simple Media Access Control (MAC)))، یک ماژول مسیریابی بر اساس استراتژی جاری شدن سیل انتخابی و یک واحد عمومی برای تولید و پردازش پیام ، تشکیل شده است . در این مقاله ما به صورت ویژه مطالعات و تحقیقات پیشین خود را بهبود می بخشیم. اول از همه، مابا اجرای لایه ی کارامد Mac و الگوریتم مسیر یابی تصادفی، نانو – سیم را گسترش خواهیم داد . طرح جاری شدن سیل آسای مسیر یابی برای جلوگیری از تکرار شدن عملیات بسته ها می شود که در نتیجه این طرح منجر به صرفه جویی در پهنای باند می شود. علاوه براین،ما یک ارزیابی دقیق برعملکرد سناریو و نظارتی بر سلامت ابزارهای نانو، برای جمع آوری اطلاعات درمورد ذرات شیمیایی وعملکرد هایبیولوژیکاین ابزار ها ، انجام داده ایم . دراین مطالعه،چندین ویژگی برجسته که ممکن است بر تراکم گره،محدوده انتقال نانوماشینها ورفتارسیستم نظارت، تاثیرگذارد، بررسی شده است وهمچنین تأثیرات افزایش عملکردناشی ازاتخاذ ترکیبات خاص مسیریابی واستراتژیهایMAC ، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. درنهایت،یک مطالعه مقیاس پذیری قابل توجهی ،درشرایط محاسباتی نانوسیم،نیزانجام شده است. بقیه این مقاله به شرح زیراست . ما دربخش ۲ به توصیف نانوسیم وهمچنین خلاصه مسائل مربوط به گسترشWNSNs ، پرداخته ایم . در بخش ۳ ، عملکردمراقبت ازسلامت سیستم (health-care) ، به دقت و خوبی تست مقیاس پذیری ، مورد ارزیابی قرار گرفته است . و درنهایت دربخش ۴ نتیجه گیری، بحث و برنامه ریزی در خصوص ارتقاء ماژول پیشنهادشده ، صورت گرفته است .
پیشرفت فناوری نانو، راه را برای درک مفهوم شبکه نانوحسگرهای بی سیم(WNSN) در حال ظهور ، هموار ساخته است. به طور کلی در حال حاضر امکان ایجادماشین آلات یکپارچه درمقیاس نانو، که با استفاده ازارتباطات بی سیم، با هم همکاری و تعامل دارند ، فراهم شده است. پژوهش در این زمینه، هنوز هم درمرحله ی مبتدی وطراحی مجموعه پروتکل های WNSN، قرار دارد که همین امر نشان دهنده اهمیت و حساسیت این موضوع می باشد. بنابراین،چارچوبی با عنوان شبیه سازی کد باز(open source simulation) برایWNSN، معرفی شده است که برای فعالیت های تحقیقاتی به سمت همگراسازی روش طراحی، بسیار مفید می باشد . اخیراً ما، ماژول جدیدی به نامNS-3 (Nano-Sim) ، را ارائه کرده ایم که در مدل سازیWNSNs ، بر اساس ارتباطات الکترومغناطیسی درگروه تراهرتز(Terahertz) ، طراحی شده است. درنسخه اولیه آن، نانوسیم، معماری ساده ای از شبکه ومجموعه پروتکل های آن رابرای چنین تکنولوژی در حال ظهور ، ارائه داده است . در این مقاله، ما به طور قابل توجهی ، کارهای قبلی خود را در جهات مختلف، بهبود داده ایم. اول اینکه ما ابزارهای کاربردی در این زمینه مانند الگوریتم های جدید مسیریابی و یک پروتکل کارامد تر به نام Mac ، گسترش داده ایم . علاوه بر این تمرکز ما بر نظارت بر سلامت سناریوی WNSN می باشد ، در مورد اینکه چگونه ، تراکم گره ها ، محدوده انتقال نانو ماشین و تصویب ترکیبی برخی از استراتژی های خاص مسیریابی از جمله Mac ، بر رفتار شبکه تاثیر می گذارد . در نهایت،یک مطالعه درNano-Simو نیازهای محاسباتی آن، نیز انجام شده است که نشان دهنده ی پیشرفت ماژول توسعه یافته ، از نظر مقیاس پذیری ، می باشد . ۱ – مقدمه : در سال های آینده، روند پیشرفت نوآوری در زمینه ی فناوری نانو، تا حدی روند رو به رشدی طی کرده است که انتظار می رود ، با ترویج و توسعه یکپارچهدستگاه و نانوماشین ها (نانو ابزارها)، با اندازه های مختلف از یک تا چند صدنانومتر، به خوبی برای فناوری اطلاعات و ارتباطات و موارد پزشکی، صنعتی و کاربردهای نظامی ، استفاده و کاربردی تلقی شود [۱]. با توجه به محدود قابلیت ابزارها ، یک دستگاه نانو ممکن است تنها عملیات ساده از جمله سنجش، محاسبات، وظایف تحریک و ذخیره سازی اطلاعات و … را انجام دهد، اما همین محدودیت ها ، می تواند عاملی برای ارتباط و هماهنگی ابزار ها با یکدیگر گردند [۲] .در این روش،قابلیتهای بسیاری وجود دارد که برای ایجاد یک شبکه ی نانو حسگر بی سیم (WNSN) ، به اندازه کافی قوی می باشد و همین مسئله در حوزه ی نانو بسیار مفید و حائز اهمیت است . با این حال،هنوز راه حلی برای رد و بدل کردن اطلاعات در مقیاس نانو، تعریف نشده است. در واقع،چهار حالت ارتباطی مختلف برای نانو ارائه شده است (به عنوان مثال، نانومکانیک،صوتی، مولکولی،والکترومغناطیسی( ، اما با این وجود، تنها فناوری نانومولکولی ،و تابش الکترومغناطیس (EN) ، برای ساخت یک شبکه ی نانو حسگر بی سیم یا همان WNSN ، مناسب می باشند [۴] . با فرض اینکه نانو ابزار ها مجهز می باشند به فرستنده و گیرنده هایی که قابلیت رمزگذاری اطلاعات در مولکول را دارند، تلاش می شود که بعد ها بتوان این ابزارها را بر اساس دریافت امواج EM مجهز کرد . پژوهش بر روی شبکه های نانوهنوز هم ادامه داردودر حال حاضر، به طور عمده تمرکز مادرخصوصیات کانال درمقیاس نانو، می باشد . [۳] و [۱۰] نقش مهمی در ارائه ی مدل های پیچیده برای هر دو ارتباط مولکولی و EN ، و همچنین برآورد حداکثر ظرفیت کانال ، را ایفا کرده اند. با شروع نتیجه گیری از پژوهش های اخیر و با توجه به دستوالعمل های عمومی معماری شبکه در [۲] ، ما در حال بررسی پشته پروتکل ، معماری شبکه و روش دسترسی به کانال هایی که میتوان بعدها از طریق آن ها به فن آوری دسترسی پیدا کرد و آن ها را به بازار عرضه کرد ، هستیم . در این زمینه،یک ابزارشبیه سازی انعطاف پذیربرای حمایت واجازه فعالیت های تحقیقاتی به سمت اهداف همگرای مشترک ، بسیار مفید می باشد . در زمان نگارش این مقاله به چند ابزار مانند NanoNS[8] و N3Sim[13] و همچنین یک ابزار پیشنهادی در [۷] ، قبلا با صراحت به ارتباط بر اساس انتشار مولکولی ، اشاره شده است .با این حال ما به تازگی در [۱۶] ، شبیه ساز کد باز یا متن باز (open source)را برای امواج EM ، ارائه کرده ایم که شامل شبکه های نانو سیم ، شبکه ی نانو شبیه ساز (NS-3) می باشد که در پلت فرم ۱ ، آن را توسعه داده ایم . با این وجود ماژولی در نظر گرفته شده است که ، مبنای طراحی و ارزیابی معماری شبکه ، پروتکل ، الگوریتم مربوط به WSNS ، به حساب می آید و این ماژول ، از یک پشته پروتکل، یک رسانه کنترل دسترسی بسیار ساده simple Media Access Control (MAC)))، یک ماژول مسیریابی بر اساس استراتژی جاری شدن سیل انتخابی و یک واحد عمومی برای تولید و پردازش پیام ، تشکیل شده است . در این مقاله ما به صورت ویژه مطالعات و تحقیقات پیشین خود را بهبود می بخشیم. اول از همه، مابا اجرای لایه ی کارامد Mac و الگوریتم مسیر یابی تصادفی، نانو – سیم را گسترش خواهیم داد . طرح جاری شدن سیل آسای مسیر یابی برای جلوگیری از تکرار شدن عملیات بسته ها می شود که در نتیجه این طرح منجر به صرفه جویی در پهنای باند می شود. علاوه براین،ما یک ارزیابی دقیق برعملکرد سناریو و نظارتی بر سلامت ابزارهای نانو، برای جمع آوری اطلاعات درمورد ذرات شیمیایی وعملکرد هایبیولوژیکاین ابزار ها ، انجام داده ایم . دراین مطالعه،چندین ویژگی برجسته که ممکن است بر تراکم گره،محدوده انتقال نانوماشینها ورفتارسیستم نظارت، تاثیرگذارد، بررسی شده است وهمچنین تأثیرات افزایش عملکردناشی ازاتخاذ ترکیبات خاص مسیریابی واستراتژیهایMAC ، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. درنهایت،یک مطالعه مقیاس پذیری قابل توجهی ،درشرایط محاسباتی نانوسیم،نیزانجام شده است. بقیه این مقاله به شرح زیراست . ما دربخش ۲ به توصیف نانوسیم وهمچنین خلاصه مسائل مربوط به گسترشWNSNs ، پرداخته ایم . در بخش ۳ ، عملکردمراقبت ازسلامت سیستم (health-care) ، به دقت و خوبی تست مقیاس پذیری ، مورد ارزیابی قرار گرفته است . و درنهایت دربخش ۴ نتیجه گیری، بحث و برنامه ریزی در خصوص ارتقاء ماژول پیشنهادشده ، صورت گرفته است .
Description
The progress of nanotechnology is paving the way to the emerging concept of wireless nanosensor network (WNSN). In fact, it is now possible to create integrated machines at the nano scale, which interact on cooperative basis using wireless communications. The research in this field is still in an embryonal stage and the design of the WNSN protocol suite represents a fundamental issue to address. Therefore, an open source simulation framework for WNSN would be highly beneficial to let research activities converge towards participated design methodologies. In an our recent work, we presented a new NS-3 module, namely Nano-Sim, modeling WNSNs based on electromagnetic communications in the Terahertz band. In its preliminary version, Nano-Sim provides a simple network architecture and a protocol suite for such an emerging technology. In this paper, we significantly improved our previous work in several directions. First, we have extended the tool by developing a new routing algorithm and a more efficient MAC protocol. Moreover, focusing the attention on a WNSN operating in a health monitoring scenario, we have investigated how the density of nodes, the transmission range of nanomachines, and the adoption of specific combinations of routing and MAC strategies may affect the network behavior. Finally, a study on Nano-Sim computational requirements has been also carried out, thus demonstrating how the developed module guarantees great achievements in terms of scalability.
