بخشی از مقاله
چکیده
حسگرهای بی سیم به لحاظ کیفیت و کارایی امروزه کارایی بسیاری دارد به طوری که استفاده از این شبکه های بی سیم به شکل گسترده ای افزایش یافته است، اما نکته مهم در این شبکه ها مصرف انرژی است که مورد توجه اغلب کارشناسان قرار گرفته و سعی دارند با ارائه روش های نوین ضمن بهینه سازی مصرف انرژی در ذخیره سازی نیز کارایی لازم را داشته باشد، از این رو در این پژوهش هدف "تدوین پروتکل مسیریابی انتخابی مبتنی بر الگوریتم مورچگان" است به این منظور با استفاده از الگوریتم مورچگان - T-ANT - مسیرهایی برای مورچگان پیش رونده و پس رونده ایجاد کرده و انجام وظایف به طور رمزی انجام شده است، نتایج و تجزیه تحلیل در نرم افزار متلب نشان دادند که این الگوریتم منجر به نتایج خوبی در سناریوهای مختلف شبکه های حسگر بی سیم می شود.
مقدمه
شبکههای حسگر یکی از فناوریهای نوینی است که بسیاری از دانشمندان عقیده دارند، آینده بشر را تغییر خواهد داد. در دسامبر 1999نیز مجله Businessweek شبکههای حسگر را جز یکی از مهمترین فناوری های قرن 21 معرفی کرد که آینده بشر را تحت تاثیر قرار می دهد. شبکه حسگرهای بیسیم به سبب کاربردهای گوناگون در زمینههای مختلف و سادگی بکارگیری، یکی از محبوبترین شبکههای بیسیم به شمار میرود. این شبکه ها دارای کاربردهای زیادی از جمله صنعت، مناظره کردن محیط، کاربردهای پزشکی و نظامی می باشند.
حسگرها دارای ابعاد کوچک بوده و قابلیت حس کنندگی محیط اطراف، پردازش داده ها و تبادل اطلاعات بین گره ها را دارند، در نتیجه شبکه حسگر مجموعه ای از گره های حسگر هستند که برای هدف خاصی در کنار هم قرار می گیرند. شبکه های حسگر بی سیم به وسیله عامل های تاثیرگذاری مانند تحمل خطا، مقیاس پذیری، هزینه تولید، توپولوژی، اجزاسخت افزاری، ابزار ارتباطی و انرژی مصرفی طراحی می شوند. با توجه به اینکه حسگرهای موجود در این شبکهها در ابعاد کوچک و با وزن اندک ساخته میشوند امکان قرار دادن منبع انرژی جهت استفاده طولانی در آنها وجود ندارد و معمولا از باتری های کوچک برای تغذیه حسگرها استفاده میشود. برای تشکیل مسیر ارتباطی در شبکههای حسگر، روشهای مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد.
محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه های حسگر همه چیز را تحت تأثیر قرار می دهد. در واقع نحوه اتصال این گره ها و نحوه مسیریابی داده ها برای رسیدن به گره اصلی تغذیه کننده بسیار مهم است زیرا که بر عواملی همچون مصرف انرژی، تأخیر ارسال انتها به انتها، نرخ ارسال موفق بسته ها و طول عمر شبکه مؤثر است. از این رو مهمترین مسأله در شبکه های حسگر بی سیم به کارگیری الگوریتم ها به نحوی است که طول عمر شبکه بیشینه گردد. معمولاً گره های شبکه حسگر هنگامی که در محیط قرار می گیرند، از دسترس ما خارج می شوند به نحوی که با تمام شدن منبع انرژی آنها، عملاً گره ها بلااستفاده می گردند. لذا منبع تغذیه در ساخت گره های شبکه های حسگر از اهمیت خاصی برخوردار است.
در حالت کلی، از دو نوع منبع تغذیه قابل شارژ و غیر قابل شارژ می توان استفاده کرد. در صورتی که شرایط محیطی گره ها اجازه بدهد می توان از انواع انرژی ها مانند انرژی حرکتی یا انرژی خورشیدی برای تامین توان مورد نیاز گره ها یا جهت شارژ کردن باطری ها استفاده نمود
از آنجا که افزایش طول عمر مهمترین محدودیت در شبکه های حسگر بیسیم شناخته شده است و نیز یک رویکرد جهت طولانی کردن طول عمر شبکه های حسگر، متوازن نمودن مصرف انرژی در گره های شبکه میباشد ، لذا هدف اصلی این تحقیق، "تدوین پروتکل مسیریابی انتخابی مبتنی بر الگوریتم مورچگان" است که با انتخاب مسیر انتخابی ارسال اطلاعات در شبکه حسگر بی سیم و نیز مصرف بهینه انرژی به نحوی سبب افزایش طول عمر این نوع از شبکهها گردد.
این پروتوکل در راستای انتخاب مسیر بهینه شبکه برای هر منبع داده از پارامتری به نام تأخیر انتشار بسته مسیریابی در هر گام استفاده میکند. که در واقع این تأخیر تابعی از چهار عامل است که به طور اساسی طول عمر شبکه را تحت تأثیر قرار میدهد.
این پژوهش سعی دارد تا با استفاده از الگوریتم مورچگان - T-ANT - مسیریابی را با خصوصیات شبکه حسگر بی سیم تعیین نموده و به واسطه شبیه سازی با نرم افزار متلب میزان کارایی این مسیریابی انتخابی را از لحاظ مصرف انرژی و طول عمر ارزیابی نموده و بهینه یابی نماییم . بدین منظور ابتدا به معرفی شبکه های حسگر و استفاده از الگوریتم مورچگان در مسیریابی شبکه های حسگر بی سیم پرداخته سپس پروتوکل مبتنی بر الگوریتم مورچگان ارائه شده و نتایج شبیه سازی پس از آن ارائه شده است.
الگوریتم مورچگان“AC”
الگوریتم مورچگان یک روش فرا ابتکاری جدید برای حل مساله بهینه سازی، یعنی یافتن جواب قابل قبول با توجه به محدودیتها و نیازهای مساله است. این الگوریتم یک رویکرد بر پایه جمعیت است که از بهره گیری کامل از باز خور مثبت و با استفاده از جستجوی ممنوع به حل مسایل می پردازد. فکر اصلی الگوریتم مورچگان بر پایه مشاهدات و مطالعات انجام شده در خصوص اجتماعات مورچگان و الهام گرفته از رفتار آنان است.
در این مطالعات، مشاهده شده است که هنگامی که مورچگان حرکت می کنند با رهاسازی ماده شیمیایی به نام فرومون، اثری در مسیر طی شده خود باقی می گذارند. این اثر فرومون توسط سایر مورچگان تشخیص داده می شود و باعث می شود که آنها هم برای دنبال کردن اثر فرومون و در واقع دنبال کردن مسیر انتخاب شده، برانگیخته شوند. به عبارت دیگر یک مورچه که به طور تصادفی حرکت می کند به احتمال زیاد اثر فرومون را دنبال می کند. در واقع به علت تردد بیشتر مورچگان، اثر فرومون ضخیمتر شده و رفته رفته مورچگان بیشتری آن را دنبال می کنند.
در منابع علمی از این روش مسیریابی مورچه ها با نام های دیگری چون بهینه سازی حرکت گروهی مورچگان، سیستم حرکت گروهی مورچگان و شبکه مورچگان یاد شده است در سالهای اخیر، برای حل مسایل زیادی از جمله مساله فروشنده دوره گرد مساله تخصیص [TSP] - Delgado Serna,2002 - درجه دوم[QAP] و زمانبندی تولید کارگاهی و مساله مسیریابی وسیله نقلیه - Reimann2002 - , از روش الگوریتم مورچگان استفاده شده است که در آنها برتری محاسباتی الگوریتم جدید بر سایر روشهای فرا ابتکاری نظیر جستجوی ممنوع، تابکای مصنوعی - - SA و الگوریتم ژنتیک - - GA اثبات شده است.
الگوریتم مورچگان بر این اساس است که مورچه های واقعی قادر به پیدا کردن کوتاهترین مسیر از یک منبع غذا به لانه خود بدون استفاده از قابلیت های بصری هستند. همچنین آنها می توانند خود را با تغییرات محیطی تطبیق دهند. هر مورچه ترجیح می دهد جهتی را انتخاب کند که اثرات فرومون زیادی در آن بجا گذاشته شده است. یک رفتار پایه ای ساده در مورچه ها وجود دارد؛ آنها هنگام انتخاب بین دومسیر بصورت احتمال1 مسیری را انتخاب می کنند که فرومون بیشتری داشته باشد یا به عبارت دیگر مورچه های بیشتریقبلاً از آن عبور کرده باشند. همین تمهید ساده چگونه منجر به پیدا کردن کوتاهترین مسیر خواهد شد. برای پیاده سازی کلونی مورچه، از مورچه های مصنوعی به عنوان عناصر بهینه ساز، استفاده میشود.
