مقاله ارائه یک الگوریتم مسیریابی آگاه از انرژی برپایه LEACH و AOMDV در شبکه های حسگر بیسیم

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

ارائه یک الگوریتم مسیریابی آگاه از انرژی برپایه LEACH و AOMDV در شبکه های حسگر بیسیم

خلاصه

شبکه حسگر بیسیم مجموعه ای از گره های حسگر است که در یک منطقه با هدف جمع آوری داده از محیط، مستقر می گردند. جهت جمع آوری بهینه و بیشتر این داده ها، گره ها نیاز به عمر بیشتری در شبکه دارند و به عبارت دیگر از لحاظ مصرف انرژی می بایست بهینه عمل نمایند. به همین منظور، تقسیم گره ها به خوشه ها انجام می گیرد که داده های جمع آوری شده را به گره سرخوشه ارسال می کند. گره سرخوشه مسئول گردآوری همه داده ها از گره های عضو خود و ارسال آن به ایستگاه پایه می باشد. در این مقاله روشی برای مسیریابی آگاه از انرژی در شبکه های حسگر بیسیم ارائه خواهد شد. در روش ارائه شده از منطق فازی و الگوریتم ژنتیک به منظور بهبود پروتکل مسیریابی AOMDV و پروتکل خوشه بندی LEACH استفاده و یک شمای مسیریابی جدید با حداقل مصرف انرژی، پیشنهاد شده است. در شمای ارائه شده، مصرف انرژی گره ها تا حد زیادی کاهش یافته و طول عمر شبکه، افزایش پیدا می یابد. نتایج شبیه سازی، حاکی از کارایی بالای شمای پیشنهادی در مقایسه با برخی روش های دیگر است.

.1 مقدمه

توسعه تکنولوژی حسگر، منجر به جایگزینی انسان در محیط های خطرناک شده است. ساخت حسگرهای بیسیم هوشمند با قابلیت شنوایی، بویایی و بینایی، باعث شده است تا در کاربردهای مختلف نظامی، صنعتی، پزشکی و علوم مختلف دیگر، به کار گرفته شوند . ساخت سامانه های هوشمند به کمک حسگر، آن ها را مستلزم وجود ارتباط بیسیم می کند. یکی از توابع مهم در شبکه حسگر بیسیم، سنجش رخدادهای محیط و انتقال اطلاعات به منظور پردازش های بعدی جهت دستیابی به یک هدف مشخص است. از این رو، یکی از عملیات ضروری در شبکه های حسگر بیسیم، مسیریابی است.

یکی از بخش های مهم گره های حسگر در شبکه های حسگر بیسیم که از انرژی فراوانی استفاده می کند، رادیوی بیسیم است [1] به طور کلی چهار عملیات برنامه ریزی برای رادیوی بیسیم در حالت های مختلف وجود دارد که شامل دریافت، انتقال، خواب و بیکاری است. زمانی که گره ها در حالت فعال باشند، تمامی گره ها از یک مقدار انرژی مشخص استفاده می کنند که باعث هدر رفتن انرژی در گره هایی که بیکار هستند خواهد شد. روش های متنوعی تا به امروز جهت کاهش مصرف انرژی در زمان مسیریابی برای شبکه های حسگر بیسیم پیشنهاد شده است.
در این مقاله روشی ترکیبی برای مسیریابی در شبکه حسگر بی سیم بر پایه دو پروتکل LEACH و AOMDV با هدف کاهش مصرف انرژی ارائه شده است. تاکنون مکانیزم های مختلفی جهت جمع آوری، ارسال و پردازش داده در شبکه حسگر بیسیم معرفی شده است. یکی از این عملیات مکانیزم ها، خوشه بندی شبکه است. عملیات خوشه بندی، از جمله روش هایی است که به منظور جمع آوری و ارسال بسته در شبکه حسگر بیسیم، مورد استفاده واقع می گردد. این عملیات، دارای مزیت هایی چون مقیاس پذیر بودن سیستم، افزایش عمر شبکه، کاهش افزونگی در ارسال و مصرف انرژی، است. انتخاب سرخوشه در خوشه بندی گره ها، مرحله ای مهم است، چرا که خوشه بندی نیاز به مصرف انرژی دارد و ممکن است انرژی زیادی به هدر برود. بعد از عملیات انتخاب سرخوشه، داده ها از طریق سرخوشه در یک خوشه، جمع آوری و به ایستگاه پایه ارسال می شود. یکی از پروتکل های خوشه بندی و مسیریابی، پروتکل LEACH است .[2]

پروتکل AOMDV، ارتقا یافته پروتکل AODV است [3] که ایده اصلی در آن، مسیریابی چند منظوره در طی عملیات کشف مسیر است. این روش شامل دو مولفه برای پیدا کردن پیوند بین مسیرهای مجزا است. اول، قانون به روز رسانی مسیر برای ایجاد و حفظ مسیرهای چندگانه چرخشی در هر گره و دوم، پروتکلی توزیع کننده برای پیدا کردن پیوند بین مسیرهای مجزا. رویکردی که در رابطه با پروتکل AOMDV در روش پیشنهادی مورد استفاده واقع می گردد، از نوع پیوند بین مسیرهای مجزا است و از روش دیگری به نام پیوند بین گره های مجزا، دوری شده است، زیرا رویکرد کلی روش ارائه شده، مسیریابی با حداقل مصرف انرژی است. اگر مسیرهای موجود، گره هایی داشته باشند که بین بقیه مسیرها، مشترک نباشند یا مسیری که گره اشتراکی با هم نداشته باشند، به آن دسته از گره ها، گره گسسته گفته می شود.

.2 کارهای مرتبط

V.Karthekeyan و همکارانش [4] به کشف گره های همسایه در شبکه حسگر بیسیم پرداخته اند. آن ها روشی جدید برای کشف همسایه در شبکه حسگر بیسیم به منظور کاهش تاخیر، کاهش توان مصرفی شبکه و افزایش کیفیت خدمات را به کمک مسیریابی با پروتکل AOMDV پیشنهاد داده اند که می تواند به صورت دقیق به کشف گره های همسایه و مدیریت منابع پروتکل HMAC بپردازد.
Vivek B.Kute و [5] M.U.Kharat به بررسی تجزیه و تحلیل عملکرد کیفیت در خدمات برای پروتکل AOMDV در شبکه MANET پرداخته اند.
Philipp Hurni و [6] Torsten Braun به بررسی سودمندی چند مسیره بودن در مسیریابی شبکه حسگر بیسیم به منظور بهبود طول عمر توسط تعادل بار پرداخته اند.

[7] A.Rajeswari به رویکردی جدید جهت بهینه سازی پروتکل های مسیریابی با استفاده از ضرایب مکانی بر پایه MAC و MAC ترکیبی در شبکه حسگر بیسیم پرداخته است. پروتکل های استفاده شده در این کار، AOMDV، AODV، DSR و DSDV است که نتایج به دست حاصل، حاکی از بهتر بودن نتیجه با AOMDV است.

Jieying Zhou و همکارانش [8] به ارتقای کارایی پروتکل AOMDV به کمک حالت های مختلف گره در مسیر انتخاب پرداخته اند که در فرآیند کشف مسیر، قانون به روز رسانی مسیریابی به محاسبه وزن های گره در هر مسیر می پردازد و آن ها را بر اساس وزنشان به صورت نزولی، مرتب سازی می کند و مسیری که بیشترین وزن برای انتقال داده را داشته باشد انتخاب می گردد.

Ducksoo Shin و همکارانش [9] از پروتکل AOMDV به منظور کشف چند مسیره بودن در مسیریابی جهت حل مشکل تعویض مسیرهای پویا در شبکه حسگر بیسیم پرداخته اند . این روش، از گره سرخوشه جهت انتخاب مسیرهای پویا و بررسی کیفیت مسیریابی متناوب حاصل از چند مسیره بودن عمل می کند که در بهبود مصرف انرژی و عملکرد مسیریابی شبکه، تاثیر بسزایی دارد.

Vivek Kumar Tiwari و [10] Kavita Upadhyay از پروتکل AOMDV در شبکه حسگر متحرک به منظور افزایش عمر شبکه توسط تعادل بار پرداخته اند.

M. Amareswara Kumar و همکارانش [11] یک شمای انتخاب سرخوشه از گره ها در شبکه حسگر بیسیم به منظور افزایش عمر شبکه به کمک تعادل بار را پیشنهاد کرده اند. از منطق فازی جهت انتخاب سرخوشه و از پروتکل AOMDV به منظور کشف مسیر در شبکه حسگر بیسیم استفاده شده است.

Arun Biradar و همکارانش [12] به استفاده از الگوریتم ژنتیک جهت ساخت شمای مسیریابی هوشمند در شبکه MANET پرداخته اند. کاربرد الگوریتم ژنتیک در این پروژه، بهبود ازدحام و ترافیک شبکه و فراهم آوردن محیطی پایدار در مسیریابی بسته از مبدا تا مقصد و یا از مبدا تا نزدیکترین همسایه به مقصد است که مسیریابی هوشمند، توسط دو عامل تقاطع و جهش، در شبکه آموزش داده می شود.

Mahesh K. Marina و [13] Samir R. Das از پروتکل AOMDV در شبکه Ad Hoc به منظور کشف مسیر و مقایسه ای بین AOMDV و AODV جهت این امر انجام داده اند که نتایج به دست آمده، حاکی از بهتر بودن نتیجه AOMDV است.

Poonam Meghare و [14] Preeti Deskhmukh به استفاده از پروتکل AOMDV در شبکه حسگر بیسیم جهت ارسال بسته و کاهش خطاهای موجود در مسیر در زمان ارسال بسته از طریق پایین آوردن راندمان کاری کشف مسیر توسط AOMDV، پرداخته اند.

P. Samundiswary و [15] S. R. Anandkumar کارایی توان عملیاتی دو پروتکل EAODV و AODV
با اندازه های مختلف بسته در پروتکل CBR مورد تجزیه و تحلیل قرار داده اند که مولفه های مورد نظر آن ها، کاهش مصرف انرژی، اندازه محیط ازدحام و بهبود آن و همچنین اندازه و نرخ بسته های ارسالی در شبکه است.

M. Ali و همکارانش [16] یک مدل مسیریابی چندگانه با حداقل مصرف انرژی و بار در شبکه MANET برپایه روش فازی با استفاده از پروتکل AOMDV پیشنهاد داده اند.

.3 روش پیشنهادی

در این مقاله، توزیع گره های حسگر در شبکه حسگر بیسیم، به صورت تصادفی انتخاب شده است. در روش پیشنهادی به طور همزمان از دو پروتکل مسیریابی یعنی AOMDV و LEACH استفاده خواهد شد.

در روش ارائه شده به منظور عملیات خوشه بندی و انتخاب سرخوشه، از پروتکل LEACH بر پایه منطق فازی استفاده می شود. این پروتکل شامل دو مرحله است، ساخت خوشه و ایجاد برنامه ریزی برای گره هایی که در ارسال بسته در شبکه فعالیت دارند و هرکدام یک عدد تصادفی بین 0 و 1 را تولید می کنند. گره هایی که مقادیر کمتر از حد آستانه را داشته باشند به عنوان سرخوشه انتخاب می شوند. رابطه 1 این قضیه را بیان می کند.

(1)
در رابطه 1، p مقداری است که بررسی می کند آیا گره شرایط سرخوشه بودن را دارا هست یا نه، r تعداد چرخه برای انتخاب سرخوشه و G مجموعه ای از گره ها هستند که به عنوان سرخوشه انتخاب نشده اند. در ابتدا ناحیه شبکه که محیطی 400×400 متر مربع در نظر گرفته شده است و به دو ناحیه به نام ناحیه یک و ناحیه دو تقسیم می شود که گره های موجود در ناحیه یک، دارای احتمال بالاتر جهت انتخاب به عنوان سرخوشه را دارا هستند. قابل ذکر است که ایستگاه پایه، به عنوان یک ناحیه ثابت در مرکز ناحیه شبکه قرار گرفته است. ایستگاه پایه به محاسبه تعیین فاصله از گره سینک با مقدار آستانه می پردازد. این امر به کمک رابطه 2 انجام می شود.

(2)× در رابطه 2، گره هایی که فاصله شان بیشتر از مقدار آستانه باشد، صرف نظر می شوند و گره ای که در نزدیکی مرکزو دارای انرژی کمتری است، به عنوان گره سینک انتخاب می گردد.

دو پروتکل LEACH و AOMDV به صورت یک جا فازی شده اند. دو پارامتر مهم که به عنوان ورودی های فازی سازی انتخاب سرخوشه در پروتکل LEACH به کار گرفته شده اند، میزان انرژی و در مرکز بودن گره در یک مجموعه با توجه به گره های همسایه آن است و دو پارامتر مهم ورودی دیگر برای پروتکل AOMDV، مقدار انرژی مصرف شده در مسیر ارسال بسته که توسط گره استفاده می شود و تعداد گام در مسیر، می باشد. در روش پیش رو، محاسبه مصرف انرژی برای هر خوشه و مسیری که بسته در آن ارسال می شود، امری حیاتی است که هدف آن، به حداقل رساندن مصرف انرژی خواهد بود. دو پارامتر پروتکل AOMDV در زمان درخواست بسته از گره ای به گره دیگر در یک خوشه و خارج از خوشه، به روز رسانی می شوند. سپس گره اول که مسیر مقصد را دارد، دو مقدار پروتکل LEACH را به منظور خوشه بندی و پاسخ بسته، در شبکه ارسال می کند. تا زمانی که گره ارسال کننده پاسخ، در مقصد نباشد، انتشار درخواست بسته در شبکه تا زمان رسیدن به مقصد وجود خواهد داشت. دلیل این امر مبرهن است که به کارگیری و فهمیدن مقدار انرژی مصرفی در مسیر است. سپس نتایج خروجی بخش فازی، ورودی بخش مسیریابی دوباره برای پروتکل LEACH و AOMDV خواهند بود که اولا مسیری بهینه را پیدا می کند، ثانیا کمترین مقدار انرژی، مصرف خواهد شد. تعداد گره های موجود در هر مسیر به غیر گره مبدا و گره مقصد، به عنوان گام شناخته می شوند.

در این پروژه به منظور فازی سازی دو پروتکل LEACH و AOMDV از منطق فازی استفاده می شود. فرایند استتناج فازی شامل توابع عضویت، عملگرهای فازی و قوانین if-then است. سیستم های استنتاج فازی مختلفی تا به امروز ارائه شده اند که از مهمترین آن ها می توان به ممدانی، سوگنو، یاساکووا، اشاره کرد .[17] نوع سیستم استنتاج فازی استفاده شده در این پروژه، ممدانی است. در این روش، توابع عضویت خروجی مجموعه فازی، باید غیرفازی شود. این امر، کارایی غیرفازی سازی را افزایش می دهد. شکل 1، پارامترهای سیستم فازی را در محیط MATLAB نمایش می دهد.

همانطور که در شکل 1 مشخص است، سیستم استنتاج فازی دارای 4 ورودی، 22 قانون و 1 خروجی است. در شکل 2، توابع عضویت و متغیرهای زبانی ورودی اول یعنی انرژی در زمان خوشه بندی، نشان داده شده است.

در شکل 3، توابع عضویت و متغیرهای زبانی ورودی دوم یعنی مرکزیت، نشان داده شده است.