بخشی از مقاله
چکیده : ردیابی اهداف متحرک در شبکههای حسگر بیسیم به دلیل کاربردهای متنوع از جمله کنترل و نظارت بر محیط، ردیابی اهداف نظامی و غیره یک موضوع تحقیقاتی مهم در این شبکهها میباشد. یکی از عمدهترین چالشها در این نوع شبکهها، منبع انرژی محدود است، که مستقیما طول عمر شبکه را تحت تاثیر قرار میدهد. بنابراین همواره موازنهای بین مصرف انرژی و دقت ردیابی لازم است تا مصرف انرژی را کاهش و دقت ردیابی را افزایش دهد. لذا در این مقاله روشی کارا و موثر برای ردیابی اهداف در شبکههای حسگر بیسیم ارائه میشود. یکی از مهمترین اهداف این روش کاهش مصرف انرژی در کل شبکه است. به این صورت که با استفاده از مکانیزم (پاداش/ جریمه) آتوماتای یادگیر، عدم استفاده از گرههایی که در مسیر حرکت هدف قرار ندارند، مورد توجه واقع می شود. به این ترتیب انرژی آنها محفوظ میماند و گرههایی را که در مسیر اهداف میباشند از طریق الگو سازی و آموزش، در حالت فعال قرار میدهد، تا این گرهها به گونهای آموزش ببینند که دائما برای حس کردن اهداف متحرک آماده باشند. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان میدهد که روش پیشنهادی، انرژی مصرفی شبکه را به میزان قابل توجهی کاهش داده و در مقایسه با روشهای دیگر رفتار بهینهتری را دنبال میکند.
کلمات کلیدی: شبکههای حسگر بیسیم، ردیابی اهداف، آتوماتای یادگیر
-1مقدمه سالهای اخیر، کاربرد شبکههای حسگر بیسیم در زمینههایی
از قبیل جمع آوری خودکار دادهها، نظارت، و نظارت بر محیط زیست به سرعت رشد پیدا کرده اند. یکی از موارد مهم استفاده از شبکههای حسگر بیسیم ردیابی هدفهای متحرک می-باشد.[1] ردیابی هدف یک برنامه کاربردی مهم از شبکه حسگر بیسیم است. در این شبکهها، انرژی، توان محاسبه و ارتباطات پهنای باند محدود هستند. یک شبکه حسگر بی سیم دارای چندین گره قدرتمند برای تجمع و باز پخشی دادهها، در نظر گرفته شده است. همچنین این شبکه دارای تعداد زیادی از گرههای حسگر با انرژی محدود است که به صورت تصادفی مستقر شده اند تا هدف را در یک منطقه پوشش دهند .[2]سیستم ردیابی هدف اغلب نیازمند نظارت مستمر میباشد، یعنی همیشه گرههایی وجود دارند، که میتواند هدف را در امتداد مسیرش با کمترین تاخیر و بیشترین سطح پوشش تشخیص دهد.[3]
به شبکه حسگر بی سیمی که برای ردیابی اهداف استفاده شود "شبکه حسگر ردیابی هدف" گفته می شود که هدف آن یـافتن
مکان اشیا بصورت دوره ای به منظور پیدا کردن خط سیر آنهـا است. به علت محدودیتهای خاص شـبکه هـای حسـگر از نظـر انرژی مصرفی، توان محاسباتی، حافظه گره های حسگر و شـعاع ارتباطی بین گره ها همواره موازنه ای میان میزان مصرف انـرژی و دقت ردیابی وجود دارد.
-2چالش های موجود در سیستمهای ردیابی هدف چالش ها شامل تامین انرژی و پهنـای بانـد ارتباطـاتی محـدود،
الگوریتم هـای توزیـع و کنتـرل، و محـدودیت عملکـرد اساسـی گره های حسگر، به خصوص در شبکههای بـزرگ مـیباشـد. بـر خلاف شبکه های سنتی، طراحی شبکه حسگر بی سیم و منـابع، محدودیتهای خود را دارد.
محدودیت منابع شامل یک مقدار محدود انـرژی، دامنـه کوتـاه، پهنای باند کم و محدودیت پردازش و ذخیره سازی در هر گـره است. محدودیت های طراحی نرم افزاری وابسته به محیط تحت نظارت است. محیط زیست نقش کلیدی در تعیین اندازه شبکه،
*ارائه دهنده
1
طرح استقرار، و توپولوژی شبکه دارد. مصرف تـوان مهـم تـرین عامل در طراحی شبکه حسگر بیسیم است.[4]
با بالا رفتن تعداد حسگرها در شـبکه ، پیـام هـای بیشـتری بـه سمت چاهک منتقل می شود و پهنای باند اضـافه تـری مصـرف می شود. بنابراین روش های سنتی بـه سـبب وجـود یـک نقطـه شکست و مقیاس پذیری نامناسب ،دارای تحمـل پـذیری خطـا نیستند. با این حال، در شبکه های حسگر، صـدها، و در نهایـت، صدها هزار حسگر در یک ناحیه جغرافیایی بزرگ مستقر شدند. دست یابی به این موضوع که هر گـره بایـد در جهـت عملیـات شبکه کار کند، امری دشوار است.شـبکه بایـد سـطح بـالایی از تحمل پذیری خطا به منظور داشتن مقـادیر عملـی و کـاربردی دارا باشد.[5] در یک جمله، موازنه بـین دقـت ردیـابی و منـابع شبکه مانند انرژی، پهنای باند، و بار ارتباطـاتی و محاسـباتی در الگوریتم ردیابی هدف موضوع چالش برانگیزی است.
-3روشهای ردیابی هدف از نظر ساختار شبکه الگوریتمهای ردیابی را از روی ساختار شبکه به چهار دسته طبقه بندی میشود.
-1 -3ردیابی مبتنی بر فعال سازی ساده در ردیابی مبتنی بر فعال سازی ساده[6] ، همه گره هـا درهمـه
زمان ها در حالت ردیابی هستند. هر گره اندازه گیری های محلی را به گره مقصد و یا ایستگاه پایه ارسال می کند. سپس ایسـتگاه پایه هدف را با توجه به اندازه گیری های محلی بـرآورد و پـیش بینی می کند و بهترین نتایج ردیابی را ارائه می دهد. با این حال، این استراتژی بدترین بهره وری انرژی را ارائـه مـی دهـد و وزن ارتباطاتی و بـار محاسـباتی سـنگینی در ایسـتگاه پایـه از گـره مقصد ایجاد میکند.
-2-3 ردیابی مبتنی بر خوشه روش مبتنی بر خوشه بندی، مقیاس پذیری و استفاده بهتر از
پهنای باند را از دیگر انواع روشها ارائه میدهد. اگر سر خوشه از طریق پردازش شبکه محلی تشکیل شده باشد، پیامهای اضافی کاهش مییابد و پیامهای کمتری به ایستگاه پایه منتقل میشود بنابراین تامین امنیت و همچنین استفاده کمتر از پهنای باند را فراهم میکند.[7]
2
در معماری خوشه ای ایستا، خوشـه هـا از نظـر آمـاری در زمـان استقرار شبکه تشکیل شده اند و خواص هر خوشه مانند تعـداد اعضا، ناحیه تحت پوشش، و غیره ثابت است .
خوشه بندی ایستا صرف نظر از سادگی، از نقطه نظر تحمل خطا قوی نیست و مانع به اشتراک گذاری اطلاعات حسگر در خوشههای مختلف است. در مقابل، در خوشه بندی پویا خوشهها به صورت پویا با توجه به وقوع رویداد خاص تشکیل میشوند. سرخوشه گرههای حسگر نزدیک را برای اعضای خوشه شدن دعوت میکند. از آنجا که حسگرها از نظر آماری یک خوشه را تشکیل نمیدهند، آنها ممکن است در زمانهای مختلف به خوشههای مختلف تعلق یابند. چون تنها یک خوشه در یک زمان فعال است، دادههای اضافی و تداخل کاهش مییابد. ردیابی مبتنی بر خوشه بندی ترکیبی نوع دیگری از این دسته می باشد که ترکیبی از خوشه بندی ایستا و پویا می-باشد
