شماره ركورد
34672
پديد آورنده
سپيده يوسفي آبكنار
عنوان
ارائه يك پروتكل ارتباطي چند-هدفه به منظور ايجاد مصالحه در ميان انرژي مصرفي، كارايي و قابليت اطمينان سامانههاي سايبر-فيزيكي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي كامپيوتر- گرايش معماري سيستمهاي كامپيوتري
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/15
استاد راهنما
دكتر امير مهدي حسيني منزه
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
كامپيوتر
چكيده
با گسترش روزافزون كاربرد سامانههاي سايبر-فيزيكي در حوزههاي گوناگون چالشهاي مرتبط با مصرف انرژي، قابليت اطمينان و كارايي اين سامانهها به مسئلهاي اساسي تبديل شده است. بسياري از دستگاههاي مورد استفاده در اين سامانهها با منابع محدودي مانند باتري تغذيه ميشوند و هرگونه اتلاف انرژي يا از دست رفتن داده ميتواند پيامدهاي جدي و جبرانناپذيري به همراه داشته باشد. اغلب پژوهشهاي پيشين اين مسائل را بهصورت تكبعدي بررسي كردهاند و عمدتاً بر بهينهسازي در سمت گرهها يا پروتكل تمركز داشتهاند در حاليكه رويكردي جامع و هماهنگ كه بتواند همزمان انرژي، قابليت اطمينان و كارايي را مديريت كند، در ادبيات موجود كمتر ديده ميشود.
در پاسخ به اين چالشها، اين پژوهش، معماري سبكوزن، تطبيقي و دوسويهاي با نام INSPIRE پيشنهاد ميدهد كه با بهرهگيري از دو تنظيمگر مبتني بر منطق فازي در سمت ناشرها Publishers ، همزمان تغييراتي را در سطح گرهها و واسط پيام (Broker) پروتكل اعمال ميكند. نخست، تنظيمگر انرژي-قابليت اطمينان است كه نرخ نمونهبرداري و ارسال داده را متناسب با سطح باتري، تغييرات داده و ارزش آن بهصورت پويا تنظيم ميكند و بدينترتيب استقلال گرهها را افزايش ميدهد. دومين تنظيمگر، انرژي-كارايي است كه وضعيت عملياتي ناشر را ميان حالتهاي فعال، خواب سبك و خواب عميق تعيين ميكند و ضمن صرفهجويي انرژي، با افزايش فاصلهي ارسالها باعث افزايش زمان پاسخگويي ميشود. افزون بر اين، سازوكاري مشابه براي مشتركها (Subscribers) طراحي شده تا آنها نيز بتوانند رفتار خود را متناسب با ناشرها مديريت كرده و در تصميمگيري سامانه مشاركت كنند.
در سمت واسط پيام، سازوكار رأيگيري وزندار توسعه يافته كه با جمعآوري مقادير ارزش داده از ناشرها و مشتركها، يك مقدار نهايي هماهنگ را براي كل دستگاهها تعيين ميكند. اين مقدار ورودي اصلي تنظيمگرهاي فازي است و هماهنگي ميان رفتار گرهها را تضمين مينمايد. براي پيادهسازي، پروتكل MQTT بهصورت سبك و سازگار گسترش يافته و بدون تحميل سربار محاسباتي يا انرژي قابلتوجه، با استاندارد اصلي سازگار مانده است.
نتايج ارزيابي به صورت تجربي نشان ميدهد كه روش INSPIRE توانسته است عملكردي برتر نسبت به سناريوهاي Baseline ارائه دهد. در ناشرها، تنظيمگر انرژي-قابليت اطمينان با توجه به ارزش دادهها عمر باتري را تا حدود 4 برابر و تنظيمگر انرژي-كارايي نيز در بهترين حالت تا حدود 30 برابر افزايش داده است. همچنين در مشتركها، بهبود عمر باتري تا حدود 22 برابر بهدست آمده است. اين نتايج نشاندهندهي توانايي INSPIRE در برقراري مصالحه ميان انرژي-قابليت اطمينان و انرژي-كارايي است.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/01/29
عنوان به انگليسي
Providing a multi-objective communication protocol to conduct a trade-off between energy consumption, performance and reliability cyber-physical systemsr
تاريخ بهره برداري
3/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سپيده يوسفي ابكنار
چكيده به لاتين
With the rapid expansion of cyber-physical systems (CPSs) in various domains, challenges related to energy consumption, reliability, and performance have become fundamental and critical issues. Many devices in these systems operate on limited resources such as batteries, where any energy waste or data loss may lead to serious and irreversible consequences. Previous studies have mostly addressed these challenges in a one-dimensional manner, focusing either on node-level optimization or protocol-level improvements, while a comprehensive and coordinated approach that simultaneously manages energy, reliability, and performance has been largely overlooked.
To address these challenges, this research proposes a lightweight, adaptive, and bidirectional architecture called INSPIRE, which employs two fuzzy-logic-based knobs at the publisher side, while applying corresponding modifications to both nodes and the protocol broker. The first knob, energy–reliability, dynamically adjusts the sampling and transmission rates based on battery level, data variation, and data importance, thereby enhancing node autonomy. The second knob, energy–performance, determines the operational mode of publishers among active, light sleep, and deep sleep states, which saves energy but, due to longer transmission intervals, increases the system’s response time. Moreover, a similar mechanism is designed for subscribers, enabling them to adapt their operational behavior in line with publishers and actively participate in system-level decision-making.
At the broker side, a weighted voting mechanism has been developed to aggregate the data importance values reported by publishers and subscribers, producing a unified final value for the entire system. This value is used as the main input for the fuzzy knobs, ensuring synchronized behavior across all nodes. For implementation, the MQTT protocol has been extended in a lightweight and compatible manner, introducing no significant computational or energy overhead while maintaining backward compatibility with the standard.
Experimental evaluation results demonstrate that INSPIRE significantly outperforms baseline scenarios.
At the publisher side, the energy–reliability knob improved battery lifetime by up to 4 times, while the energy–performance knob achieved up to 30 times improvement depending on data importance. At the subscriber side, battery lifetime was extended by up to 22 times. These results highlight the capability of INSPIRE to establish an effective trade-off between energy–reliability and energy–performance in CPS environments.
كليدواژه هاي فارسي
مصرف انرژي , قابليت اطمينان , كارايي , سامانه هاي سايبر-فيزيكي , پروتكل ارتباطي
كليدواژه هاي لاتين
Energy consumption , Reliability , Performance , Cyber-physical systems (CPSs) , Communication protocol
Author
Sepideh Yousefi Abkenar
SuperVisor
Amir Mahdi Hosseini Monazzah