Table of Contents
Understanding Large-Scale Sensor Networks
ولا تشكل شبكات الاستشعار الكبيرة أساس نظم الرصد والمراقبة الحديثة، إذ توزع هذه الشبكات مئات الآلاف من أجهزة الاستشعار التي تجمع البيانات البيئية - الترطيب، والهز، والتركيز الكيميائي، والارتفاع في استخدام الطاقة، والربط بين المصارف المركزية أو البوابات، وكثيرا ما تشمل التطبيقات النموذجية الزراعة الدقيقة، ورصد الصحة الهيكلية، وكشف الحرائق، ومراقبة حقول القتال، وإدارة الشبكات الذكية.
ولا يجوز أن يكون هناك سوى مجموعة من عشرات المترات من أجهزة الاستشعار، ولغطاء منطقة كبيرة، يجب أن تسافر البيانات من خلال خط الاستقدام المتوسط - كل خطوة إلى الأمام تستهلك الطاقة وتستحدث تأخيراً، وبدون تحديد مسارات الذكاء، قد تعاني الشبكة من الوفاة المبكرة للزهور (الثقوب في التغطية)، واستهلاك الطاقة غير المتوازن، والارتفاع المفرط في عمليات النقل، وزيادة البرمجة المتقلبة.
كما أن نطاق هذه الشبكات ينطوي على قدر كبير من عدم اليقين، إذ يمكن أن تكون القراءات الحساسة مزعجة، وقد تتسبب عمليات الاصطدام بالحزم في إعادة النقل، ويمكن أن تكون الوصلات الإذاعية غير متماثلة أو متقطعة، ويجب أن يكون بروتوكول المسار القوي نموذجاً متسرعاً لهذه العوامل، حيث تكون تقنيات البرمجة الدينامية - خاصة تلك التي تستمد جذورها من عمليات اتخاذ القرارات في ماركوف - إطار رسمي للتقلب.
دور البرمجة الدينامية في جمع البيانات
وتحل البرمجة الدينامية مشاكل التصعيد الأمثل بكسرها إلى تداخلات في المظاهرات الفرعية، وحل كل منها مرة، وتخزين الحلول، وفي سياق تحديد المسارات، تتطابق هذه المقاصد الفرعية مع إيجاد التكلفة المثلى (مثل الحد الأدنى للطاقة، وأدنى درجة من المرونة، والموثوقية القصوى) من شعار معين إلى الوجهة، وتستوعب معادلة بيلمان هذا الهيكل الترويح:
V(s) = min]a [C(s,a) + tal ]s P(s' ⁇ s,a) V(s]
حيث يكون (الخامس) هو الحد الأدنى المتوقع من التكلفة من الدولة، وهذا هو الإجراء (الجولة القادمة) و(جيم) (أ) هو التكلفة الفورية، و(بي)-هو) احتمال الانتقال إلى الدولة التالية، وهذه المعادلة تشكل أساس العديد من مقاييس تحديد المسار، بما في ذلك تقديرات المقياس الكلاسيكي لجهاز بيلمان - فورد، وقيمتها بالنسبة للتطورات المثلى.
وتناسب إدارة شؤون الإعلام بشكل خاص شبكات الاستشعار لأنها تستطيع أن تتعامل مع معايير متعددة للتكاليف )الطاقة، التأخير، فقدان الحزم( في وقت واحد عن طريق المبالغ المرجحة أو التسلسل الهرمي المقيد، كما أنها تستوعب بطبيعة الحال البيئات المتأصلة: يمكن أن تؤدي احتمالات الانتقال إلى ربط بين التفاوتات في نوعية البطاريات، أو الاصطدامات في القنوات، أو حركة النواة، وعلاوة على ذلك، تسمح تركيبات التي وضعتها إدارة شؤون الإعلام بإدراج أهداف الشبكة مدى الحياة مثلاً، بعدم التوازن.
تقنيات البرمجة الدينامية الرئيسية
Bellman-Ford Algorithm
() " بروتوكولات " بيرمان - فورت " هي طريقة تقليدية من نوع " دي. تي " لإيجاد أقصر مسارات من مصدر واحد إلى جميع المعاهد الأخرى، حتى في وجود أوزان سلبية (غير نمطية في شبكات الاستشعار) وهي تعمل بشكل متكرر: ففي البداية، تكون المسافة إلى المصدر صفراً، كما أنها غير محدودة.
Value Iteration in Markov Decision Processes
وعندما تكون الصفات والقابلية للتداول هي احتمالية، تصبح مشكلة تحديد المسار عملية لاتخاذ قرار بشأن قضية ماركوف (MDP).
فلويد - وارشل الغوريتم لجميع العراء
(ب) بالنسبة للشبكات التي قد يحتاج كل عقد إلى طريق إلى كل عقد آخر (مثلاً، في الاتصالات بين الأقران أو تجهيز الاستفسارات الموزعة)، فإن الخوارزمية الزائفة توفر حلاً لأفضل الطرق، وهي تبنى مصفوفة للمسافات (Di) و(jk) تعتبر كل شكل من أشكال التكرار (Dshallition)
التموينات التنافسية وإدارة الشؤون السياسية
ومن النماذج الناشئة في شبكات الاستشعار اللاسلكية هو المسار الانتهازي الذي يمكن أن يلقي فيه أي شعار يلقي نظرة على عبوة ما، مما يخفف من الطابع الاذاعي للوسيلة، وتحسب التكلفة المتوقعة للإحالة باستخدام إدارة الشؤون السياسية، نظرا لأن الحلف التالي الفعلي ليس محددا مسبقا ولكنه أول مجموعة من المرشحين الذين يتلقون بالفعل التعبئة.
V(s) = C(s) + / ]candidate set] [احتمال of candidate * V(candidate)]
وتستخدم المواد الدوارة مثل ExOR ] (النشرة التفضيلية المتاحة سابقاً) و]MORE ] [FLT:] [MAC-independent Opportunistic Routing ' Encoding) إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية لوضع قوائم أولويات مقارنتها، مما يؤدي إلى ارتفاع كبير في عدد النافذ في شبكات الخسارة.
مزايا البرمجة الديناميكية - القاذفة
ويؤدي تنفيذ أساليب إدارة شؤون الإعلام في شبكات الاستشعار الواسعة النطاق إلى تحقيق فوائد ملموسة تؤثر مباشرة على أداء الشبكة وعمرها.
الفرص القابلة للارتجال
ونظرا لنموذج التكلفة الصحيح، تضمن الخوارزميات التابعة لإدارة شؤون الإعلام إيجاد السياسة المثلى (أو سياسة عامة من أجل إحداث الاحترار العالمي)، وهذا يتعارض مع الأساليب الهيمنة مثل استخدام المستعمرات المثلى أو الخوارزميات الجينية التي لا توفر ضمانات مثالية، وفي التطبيقات الحيوية للسلامة (مثل الكشف عن الحرائق في غابة أو الرصد الهيكلي في جسر)، فإن هذا الضمان حيوي.
التكيف مع التغيرات الدينامية
ويمكن تنفيذ الخوارزميات القائمة على إدارة الشؤون السياسية بطريقة موزعة ومتزامنة، كما يمكن أن تتبادل المنظمات بصورة دورية تقديرات القيمة (مثلاً، النواقل البعيدة) وتستكمل نفسها، وعندما تفشل الرابطة أو تنضم إلى عقد جديد، فإن الطبيعة المتكررة لشبكة بيلمان أو ترتيب القيمة تروج للتغيير من خلال الشبكة، والتفاوت أبطأ من الأساليب المحلية المحضة، ولكن يؤدي إلى تحديث جداول كافية على الصعيد العالمي.
كفاءة الطاقة من خلال الاستخدام الأمثل المتعدد الأغراض
ومن التحديات الرئيسية في شبكات الاستشعار زيادة عمر الشبكة إلى أقصى حد، وهو ما يعرّف بأنه الوقت الذي يستنفد فيه العقد الأول بطارية جهاز الاستشعار، ويمكن لإدارة شؤون الإعلام أن تدمج الطاقة المتبقية مباشرة في وظيفة التكلفة، وعلى سبيل المثال، بدلا من تقليل عدد الأسهم إلى أدنى حد، يمكن أن تخفض الخوارزمية تكلفة تتناسب مع الطاقة المتبقية لكل عقد، وهذا يتفادى استخدام نفس الوصلات ذات الارتفاع المنخفض إلى 15 مركزا.
Scalability with Hierarchical Decomposition
:: عدم كفاية حجمات إدارة الشؤون السياسية إلى الشبكات الكبيرة جدا بسبب انفجارات الأماكن الحكومية، ولكن بتقسيم الشبكة إلى مجموعات أو طبقات، يمكن تطبيق إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية داخل كل مجموعة وفيما بين المجموعات على حدة، وعلى سبيل المثال، في هيكل ذي مستويين، وفي فترات أدنى إلى رؤساء المجموعات، يستخدم رؤساء المجموعات حزمة طرق من جميع أنحاء العمود الفقري، مما يقلل من فعالية عدد الدول ويجعل إدارة الشؤون الإنسانية قابلة للانتقال.
التحديات والحدود
وعلى الرغم من انفصالها النظري، فإن تطبيق نظام إدارة شؤون الإعلام في شبكات الاستشعار العملياتي يشكل عقبات عديدة يجب معالجتها من أجل النجاح في النشر.
Computational Complexity and Memory Constraints
ولا يمكن أن يكون هناك عادة ملوثات دقيقة ذات ترددات محدودة (بطلب كيلوبايت) وسرعة منخفضة من ساعات العمل (بضعة ميغاهيرتز) ولا يمكن أن تستخدم شبكات متجانسة من أجل كل دولة من الدول إلا في شكل مواضع مبسطة، ولا يمكن أن تُستخدم فيها شبكات ملامح مصغرة من حيث الحجم.
الحاجة إلى نماذج إيجابية دقيقة
وتتوقف ضمانات الإدارة المثلى على دقة الاحتمالات الانتقالية ونماذج التكلفة، وفي الممارسة العملية، تذبذب نوعية الربط اللاسلكي بسرعة بسبب التدخل، والتشويه المتعدد الأشكال، والإعاقة البيئية، وبناء نموذج دقيق لكل وصلة، نماذج تبسيطية مفرطة (مثلاً، افتراض وجود روابط مثالية مع معدل التقارب بين الخطأ) تؤدي إلى طرق دون المستوى الأمثل للتفاعل بين القيم والقابلية للتكرار على الإنترنت.
وقت التقارب وخطابات الاتصال
فعمليات التبادل التجاري التي توزع على نطاق واسع، مثل خوارزميات بيلمان - فورد الموزعة، تتطلب عدة جولات من تبادل الرسائل لتنسجم مع جداول ثابتة للطرق، وفي الشبكات التي لها قدرة عالية على الحركة (مثل شبكات الاستشعار الفيزيائي)، يمكن أن تتغير الطبقات الجغرافية أسرع من التقارب بين الغوارزميات، مما يؤدي إلى حدوث ثغرات جغرافية أو ثقوب في القيمة السوداء أو إلى خسائر في الحزمة.
الطاقة العامة في تنفيذ الخوارزمية
كما أن ادارة عمليات حفظ السلام بشأن المعاهد التي تدرها الموارد تستهلك الطاقة، كما أن تبادل المعلومات عن القيمة بين الجيران يضيف الى المعلومات العامة - أكبر مصارف الطاقة في معظم شبكات الاستشعار، وفي بعض الحالات، لا يمكن أن يعوض النفقة العامة لإدارة الخوارزميات عن وفورات الطاقة من تحسين المسارات، ولذلك يجب أن يراعى في تحديثات الخوارزمية ما يلي:
المستقبل
ويقوم الباحثون بنشاط بوضع حلول للتغلب على القيود المفروضة على إدارة الشؤون السياسية وحدها مع الحفاظ على ممتلكاتها المثلى، ويجري استكشاف عدة سبل واعدة.
مهبط للقيمة الموزعة والمتزامنة
فالترتيب الكلاسيكي يتطلب تحديثات متزامنة، فالتنسيق المتزامن بالنسبة للشبكات الواسعة النطاق غير واقعي بسبب التأخيرات العائمة والمتغيرة في الوقت الذي تسود فيه قيمة متزامنة (المسمى " غوس - سيديل " )، ويسمح للعقيدات باستكمال قيمها المحلية بالاستعانة بأحدث القيم المعروفة من الجيران، ويسود هذا النهج في ظروف ضيقة، ويزيد من اتساع نطاقه.
التكامل مع التعليم المعزز
وبدلاً من أن تُتخذ مسبقاً شروط الانتقال، يمكن للأجهزة الاستشعار أن تتعلم أفضل إجراءات الإحالة عن طريق المحاكمة والخطأ. -تعلم ]، وهو نظام خال من النموذج RL، يرتبط ارتباطاً وثيقاً بتقدير قيمة الترميز، ولكنه لا يتطلب نموذجاً للبيئة، وتمثل قاعدة القيمة Q(s,a) التحديثية المتوقعة بعد ذلك.
Q(s,a) − (s,a) + Á [C(s,a) + ma min ]a'[ Q(s',a]]]
وهذه نسخة من معادلة بيلمان تستند إلى عينة، وفي شبكات الاستشعار، يقدم كل توصيلة عينة من التكاليف (الطاقة المستهلكة، والتأخير، والنجاح/العجز) ويستكمل عدد القيم التي تُقيّم محلياً وأحياناً مع الجيران، والميزة هي أنه لا توجد حاجة إلى نموذج واضح، وأن المقياس الطبيعي يتوافق مع التغيرات دون إعادة حساب الاحتمالات.
تقدير التكاليف والهرمية
(ب) أن يتعامل الباحثون مع الأماكن الكبيرة للدولة ويقترضون تقنيات من البرمجة الدينامية التقريبية (البرنامج الإنمائي) بدلاً من تخزينها في كل دولة، مقاربة لوظيفة شبه قياسية (مثلاً، مزيج خطي من المعالم، أو شبكة عصبية) يمكن أن تشمل مواقع العرض الحالية، والطاقة، وطول المدة، وعدد الجيران العاملين.
التكامل مع الربط الشبكي والاتصال التعاوني
ويمكن أن يؤدي الجمع بين توجيه إدارة الشؤون السياسية وربط الشبكات إلى زيادة تحسين المخرجات والموثوقية، فعلى سبيل المثال، يمكن لنموذج إدارة شؤون الإعلام أن يقرر مكان عقد الترميز (حيث يتم حرق الأحزمة) للتقليل إلى أدنى حد من إعادة النقل، وبالمثل، يمكن للتواصل التعاوني أن يستغل عدة قنوات لنقل لتحسين فرص النجاح في التسليم؛ ويمكن لإدارة شؤون الإعلام أن تقارن توزيع الطاقة الأمثل بين شبكات المرور المتعاونة.
النشرات والتوحيد القياسي في العالم الحقيقي
وفي حين أن مسارات الإدارة قد تم محاكاتها على نطاق واسع، فإن عدد حالات النشر في العالم الحقيقي أقل نظراً لتحديات التنفيذ، إلا أن الأطر المفتوحة المصدر مثل [الطرق المرجعية] [النظام الإلكتروني لتحديد المواقع:] ، وهي تشمل الآن دعم بروتوكولات تحديد المسارات الدينامية (مثلاً، الشبكة الإلكترونية، مجموعة المواد الكيميائية).
خاتمة
إن البرمجة الدينامية توفر أساساً صارماً من الناحية العملية لتعظيم مسار البيانات في شبكات الاستشعار الواسعة النطاق، ومن خلال نظام بيلمان - فورد التقليدي إلى تركيبات عملية القرار الحديثة في ماركوف، فإن الخوارزميات التي تستخدمها إدارة شؤون الإعلام تتيح حساب المسارات القصوى أو القريبة من الطبيعة التي تقلل من استهلاك الطاقة، وتخفض من درجة الحرارة، وتمتد إلى مدى الحياة الشبكية.
For further reading, consult the traditional text ]Dynamic Programming and Optimal Control by Dimitri Bertsekas, and the survey