بخشی از مقاله
چکیده
مساله افزایش طول عمر شبکه، یکی از چالشهای اصلی در شبکههای حسگر بیسیم است. در میان تحقیقات انجام شده پیرامون شبکههای حسگر بیسیم، لیچ به عنوان یکی از معتبرترین پروتکلها از نظر مصرف انرژی مطرح است. اساس کار لیچ، خوشهبندی گرهها و معرفی برخی گرهها به عنوان سرخوشه است. بزرگترین انتقادی که به لیچ وارد میشود، عدم خوشهبندی بهینه گرهها در آن است. در الگوریتم لیچ ثابت، خوشهبندی اولیه گرههای حسگر در عملکرد آتی الگوریتم بسیار تاثیرگذار است. لذا استفاده از یک روش خوشهبندی ساده در ابتدای کار ممکن است تاثیر سوئی در طول عمر و کیفیت سرویسدهی الگوریتم داشته باشد.
لذا در این مقاله سعی شده با استفاده از نسخه فازی الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات، به ترکیب بهینهای برای خوشهبندی اولیه گرههای حسگر دست یافته تا به تبع آن بتوان میانگین مصرف انرژی در شبکه را کاهش داده و طول عمر شبکه را افزایش داد. برای انجام شبیهسازی دو دسته پارامتر بایستی تنظیم شود. دسته اول مربوط به محیط شبکه حسگر هستند - ابعاد محیط، تعداد گرههای حسگر، طول بستههای ارسالی از سرخوشهها به چاهک، طول بستههای ارسالی از حسگرها به سرخوشهها - و دسته دوم پارامترهای الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات فازی هستند - تعداد نسلها، اندازه جمعیت، نرخ یادگیری عمومی، نرخ یادگیری شخصی - . نتایج شبیهسازی حاکی از برتری روش ارائه شده در مقایسه با لیچ است.
واژههای کلیدی: شبکههای حسگر بیسیم، بهینهسازی ازدحام ذرات، کاهش انرژی, خوشه بندی, فازی.
-1 مقدمه
شبکههای حسگر بیسیم، مجموعهای از تعداد زیادی گره حسگر با ابعاد بسیار کوچک هستند که دارای قابلیتهای حس کردن محیط، پردازش اطلاعات حس شده و انتقال اطلاعات بین یکدیگر به صورت بیسیم هستند. علیرغم قابلیت-های بیشماری که این گرهها دارند، اما به دلیل اینکه انرژی آنها بوسیله باتریهایی با توان محدود تامین میشود، طول عمر آنها محدود خواهد بود.در حقیقت محدودیت انرژی گرهها و طول عمر شبکه یکی از چالشهای مهم بر سر راه این شبکهها میباشد .[1,2,3] در میان عوامل مختلف مصرف انرژی، مسیریابی دادهها یکی از مهمترین عوامل به حساب می-آید. یکی از معروفترین و بهترین روشهایی که به منظور مسیریابی دادهها در شبکههای حسگر بیسیم پیشنهاد گردیده، روشهایی هستند که برمبنای دستهبندی کردن گرهها و یا به عبارت دیگر بر مبنای خوشهبندی کار میکنند .[ 4,5,6] اولین و معروفترین روش مبتنی بر خوشهبندی روشی بود که لیچ1 خوانده میشود .[4] این روش به عنوان اولین روش دستهبندی کردن گرههای حسگر به وسیله هاینزلمن و همکارانش پیشنهاد گردید.
کارکرد این الگوریتم بدین صورت می-باشد که در این روش به منظور انتخاب سرگروه هر خوشه، از یک آستانه استفاده میشود. به این ترتیب که هر گره یک عدد بین صفر و یک تولید میکند و آن را با آستانه2 مفروض مقایسه میکند. در صورتی که عدد تولید شده از آستانه موردنظر کمتر باشد، گره موردنظر به عنوان سرگروه انتخاب میشود. با توجه به اینکه الگوریتم لیچ از یک روش شبه تصادفی برای انتخاب گرههای سرخوشه استفاده میکند، لذا عملکرد این الگوریتم بنا به ماهیت تصادفی بودن آن ممکن است در برخی مواقع بهینه نباشد. اگر در فرآیند انتخاب تقریبا تصادفی سرخوشهها، در یک منطقه کوچک چندین گره به عنوان سرخوشه انتخاب شوند، این پدیده باعث خواهد شد تا جریان انتقال اطلاعات از گرههای حسگر به گره چاهک حالت غیربهینهای داشته و در نتیجه باعث کاهش عمر گرههای حسگر در شبکه و تبع آن کاهش میانگین عمر شبکه شود. درنتیجه فرآیند انتخاب گرههای سرخوشه روش بهینهتری را طلب میکند. لذا در این مقاله سعی شده تا با هوشمند کردن روال انتخاب سرخوشه در الگوریتم لیچ، کارایی آن را افزایش داد.
-2 مروری برکارهای گذشته
در میان تحقیقات انجام شده برای خوشهبندی با استفاده از روشهای هوشمند، روشهای متعددی برپایه استفاده از روشهای هوشمند از جمله الگوریتمهای ژنتیک، بهینهسازی ازدحام ذرات، ماشین بردار و سایر روشهای هوشمند برای خوشهبندی دادههای متفاوت معرفی شدهاند ُ.[7,8, ]9در روش پیشنهادی برای خوشهبندی گرههای حسگر از الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات فازی [10] برای خوشهبندی گرههای حسگر استفاده شده است.در بین مقالات منتشر شده در حوزه شبکههای حسگر بیسیم چندین مقاله میتوان یافت که هر کدام به نحوی سعی در بهبود کارایی الگوریتم لیچ با روشهای گوناگون دارند .[15,14,13,12,11]اولین نسخه توسعه یافته الگوریتم لیچ که سعی شده در این مقاله در مورد آن بحث شود، سی لیچ3 نام دارد .[14]
در این الگوریتم از یک روش خوشهبندی مرکزی شده به عوض خوشهبندی مطرح شده در الگوریتم لیچ اولیه استفاده می-شود. با درنظر گرفتن بهبود کارایی که در [14] با مقایسه این روش با الگوریتم لیچ اولیه گزارش شده است، مهمترین ایراد این روش را میتوان به این صورت بیان کرد که برای پیادهسازی این روش نیاز به استفاده از GPS با یک روش ردیابی مشابه آن برای ردیابی گرههای حسگر موردنیاز است که محدودیت بزرگی در یک شبکه حسگر محسوب میشود.روش دوم مورد بحث روشی تحت عنوان ام لیچ4 است .[15] در این روش از چند پروتکل مالتی هاپ برای بهبود کارایی الگوریتم لیچ استفاده شده است. در این روش زمانی که ابعاد شبکه بزرگ میشود، فاصله بین سرخوشهها و ایستگاه اصلی به شدت افزایش مییابد که حالت مناسبی برای شبکههای حسگر تلقی نمیشود و باعث میشود که عمر شبکه به شدت کاهش یابد.الگوریتم دیگری تحت عنوان اف لیچ5 است .[13]
مزیت اصلی این روش این است که تعداد خوشهها در آن ثابت است. لذا سربار اضافی به منظور خوشهبندی در ابتدای هر فاز در آن وجود ندارد. در این الگوریتم از مکانیزم معرفی شده در [14] به منظور خوشهبندی مرکزی شده به جای خوشهبندی اولیه معرفی شده در لیچ استفاده میشود.در این مقاله با تکیه بر موضوع کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکههای حسگر بیسیم در بخش3 به معرفی این شبکهها پرداخته خواهد شد . سپس مهمترین عامل مصرف انرژی یعنی مسیریابی معرفی خواهد شد. در بخش 4 چالشی که این مقاله درصدد حل و بهبود آن است معرفی میشود. در بخش 5 نحوه استفاده از الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات فازی به منظور خوشهبندی بهینه در الگوریتم لیچ بیان خواهد شد.در بخش 6 جزئیات شبیهسازی و نیز نتایج آزمایشات انجام شده مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نهایتا در بخش 7 نتیجهگیری از مقاله بیان خواهد شد.
-3 شبکههای حسگر بیسیم
یک شبکه حسگر بیسیم، مجموعهای از تعداد بسیار زیادی گرههای حسگر با ابعاد کوچک و قابلیتهای محدود است که به منظور حس کردن محیط پیرامون و جمعآوری اطلاعات مفید و مخابره کردن آن به کاربر، مورد استفاده قرار خواهد گرفت .[16]به دلیل این که این شبکهها از امواج رادیویی استفاده میکنند و قدرت این امواج با افزایش مسافت کاهش مییابند، از این رو مدیریت خوبی بر روی تجهیزات ارتباطی و مصرف انرژی طلب میکنند .[17] از سوی دیگر، استفاده از روشهای استفاده شده در اینترنت مانند ایجاد آدرس آی پی به دلیل تعداد بالای گرههای حسگر امکانپذیر نیست. در واقع ما باید بتوانیم شبکه را به هر اندازهای که میخواهیم گسترش دهیم و لذا هیچگونه آی پی در شبکه نباید استفاده کنیم. زیرا استفاده از آی پی نیاز به داشتن جداول نگهداری آن را در پی خواهد داشت و این امر به دلیل محدودیت حافظه و انرژی گرهها امکانپذیر نیست .[18]روشهای مسیریابی مختلفی تا کنون برای شبکههای حسگر بیسیم پیشنهاد شدهاند که هیچ یک از آنها نتوانسته به عنوان کاملترین و بهترین روش تحت همه شرایط عمل کند. در حقیقت با توجه به مسائلی که در مورد این شبکهها گفته شد، همواره مصالحهای بین عوامل مختلف در انتخاب یک روش به عنوان مسیریابی بایستی برقرار شود. در ادامه این بخش، برخی از معروفترین روشهای مسیریابی پیشنهادی برای این شبکهها معرفی خواهد شد.
1-3 روش ارسال سیلآسا
ارسال سیلآسا، یک تکینک متداول است که غالبا برای کشف مسیر و انتشار اطلاعات در شبکههای باسیم و یا شبکههای موردی بیسیم به کار گرفته میشدند. استراتژی مسیریابی در این روش بسیار ساده است و بر روی نگهداری توپولوژی شبکه به صورت هزینهبر و یا الگوریتمهای کشف مسیر پیچیده تکیه نمیکند. ارسال سیلآسا، در حقیقت روش انفعالی را به کار میگیرد و به این ترتیب که هر گرهیی که یک بسته داده و یا یک بسته کنترلی را دریافت میکند آن بسته را برای همه همسایههای خود میفرستد. بعد از انتقال، یک بسته همه مسیرهای ممکن را دنبال میکند. مگر این که شبکه قطع شود، در غیر این صورت بسته سرانجام به مقصد میرسد.
به علاوه چنان چه توپولوژی شبکه تغییر کند، بسته-ای که انتقال داده شده است، مسیرهای جدید را دنبال میکند .[ 19] اما این روش هنگام استفاده در شبکههای حسگر بیسیم، نقایص و کاستیهایی نیز دارد. اولین عیب آن، آمادگی و قابلیت این روش برای انفجار ترافیکی است. این اثر نامطلوب، در اثر فرستاده شدن نسخههای تکراری بستههای داده و یا کنترلی به گره یکسان به وجود میآید. دومین عیب عمده روش ارسال سیلآسا، مسئله اصطکاک و یا روی هم افتادگی است. این مشکل هنگامی اتفاق میافتد که دو گره که ناحیه یکسانی را میپوشانند، بستههایی که شامل اطلاعات یکسانی هستند را به گره یکسانی میفرستند. سومین و مهمترین عیب روش ارسال سیلآسا، کوری منابع است که از آن جایی که روش و قاعده انتقال بسیار سادهای که روش
