بخشی از مقاله
چکیده
در یک شبکه حسگر بیسیم، با در نظر گرفتن انرژی محدود باطری حسگرها و امکان خسارت دیدن گرهها در حین پخش آنها برای جمعیت زیادی از گرهها مورد انتظار است. در چنین شبکهای، گرهها محدودیت انرژی دارند و نمیتوانند مجددا شارژ شوند. بنابراین، واضح است که پروتکلهای بهینه برای کاهش مصرف انرژی و افزایش طولعمر مورد نیاز است. یکی از روشهای مورد نظر در این زمینه جایگذاری گرههای رله اضافه شونده است. مساله جایگذاری گره، یک مساله NP-hard محسوب میشود و این مساله با استفاده از برخی از روشهای بهینهسازی مختلفی حل شده است. در این مقاله با استفاده از الگوریتم بهینهسازی گرانش، سعی در انتخاب مکانهای بهینهای برای حسگرهای اضافه شونده شده است. نتایج نشان میدهد در صورت استفاده از روش پیشنهادی نسبت به الگوریتمهای پیشین، طولعمر شبکه را افزایش میدهد.
-1 مقدمه
یکی از مسائل قابل بحث در شبکههای حسگر بیسیم، چگونگی انتقال اطلاعات از گرههای داخل شبکه به ایستگاه پایه و انتخاب بهترین مسیر ممکن برای انتقال این اطلاعات میباشد. انتخاب بهترین مسیر میتواند بر اساس فاکتورهای مختلفی مانند انرژی مصرفی، سرعت در پاسخگویی و میزان تاخیر، دقت در انتقال داده و ... تحت تاثیر قرار بگیرد. با استفاده از ارسال داده در چند مسیر، شبکه در مقابل خراب شدن یک گره مقاوم میشود.
در اینجا هر گره پرش بعدی خود را بر اساس گرهای تعیین میکند که بیشترین انرژی باقیمانده را دارا باشد. با این طرحها، نسبت مصرف انرژی، آهسته کاهش مییابد، اما انرژی مصرف شده جبران نمیشود. بنابراین، کارایی این طرحها بطور ذاتی توسط مقدار انرژی که پیش از آن در نودهای حسگر بارگیری شده محدود میشود.حل کامل این مشکل نیازمند این است که انرژی دائماً در گرههای حسگر ذخیره شود.
روشهای سختافزاری و نرمافزاری مختلفی میتوان برای افزایش طولعمر شبکه به کار گرفت. یک روش شامل طرح-هایی است که استفاده از انرژی محیطی را درنظر میگیرند. انرژی از چندین منبع محیطی مثل نورخورشید و یا باد محیط برداشت میشود. اما مقدار انرژی که در دسترس است نیز به شرایط غیرقابل کنترل مثل ابری بودن آسمان، وزیدن باد و .. بستگی دارد. بنابراین، بسیار محتمل است که انرژی برداشته شده محدود باشد و نیاز گرههای حسگر را تأمین نکند .[1]
-2 روش برداشت و جایگزینی
گره - NRR - هم میتواند روش موثری برای افزایش طول عمر شبکه باشد. در فواصل معین، یک روبات یا نیروی انسانی که تعمیر کار متحرک - MR - 1 نامیده میشود، در فواصل معین نودهای کم انرژی یا بدون انرژی را بر میدارد، آنها را با نمونههای شارژ شده جایگزین میکند و گرههای حسگر برداشته شده به ایستگاه انرژی 2 - ES - برگردانده می-شوند. این روش تنها در WSNهایی قابل اجراست که در محیطهایی که در دسترس روبات یا نیروی انسانی است گسترده شدهاند. اما این طرح نیز دارای معایبی میباشد، که عبارتند از: ظرفیت نامحدود فرضی حاملان یا روباتها، ارتباط فشرده بین حسگرها و ایستگاه اصلی، حسگرها و روباتها نیازمندند .[2]
-2 مروری بر کارهای گذشته
بنابراین یافتن راه حل مؤثر و کارآمد برای تضمین در تأمین طولانی مدت انرژی چالش بزرگی است. راه حل دیگری که میتوان ارائه داد استفاده از نودهای اضافی جدید میباشد تا بتواند بر کاهش انرژی گرههای حسگر غلبه کند. تلاشهای زیادی در این زمینه صورت گرفته است که در ادامه تحقیق به چند نمونه از آنها اشاره میشود. بحث جایابی گرههای واسط در شبکههای حسگر بیسیم ناهمگن در [3] مطرح شد. استراتژی جایابی با هدف کمینه کردن هزینه شبکه با محدودیتهای طول عمر و اتصال مد نظر بود. جایابی، برمبنای یک الگوریتم اکتشافی دو مرحلهای ارائه شده است. سودمندی روش پیشنهادی هم در شبکههای گرید و هم شبکههای تصادفی بررسی شده است.
وای.توماس و همکاران [4]، مسئله ذخیره انرژی و جایابی گره واسط را بررسی کردند. هدف از این تحقیق ماکزیمم کردن طولعمر شبکه بر اساس میزان انرژی و مکان گرههای واسط میباشد. مسئله ذخیره انرژی و جایابی گره واسط به-صورت ترکیبی فرموله شده است، که مسئله حاصل غیرخطی و NP-hard میباشد. برای حل این مسئله یک الگوریتم ابتکاری به نام SPINDS ارائه شده است. در طراحی این الگوریتم از تکنیکهای طراحی الگوریتمی جدید استفاده شده که این مسئله پیچیده را به یک مسئله خطی تبدیل میکند.
روشی برای جایابی بهینه حسگرها در محیط گرید با موانع و اولویت ها بر اساس الگوریتم ژنتیک توسط وای.زو و همکاران [5] ارائه شده است که هدف آن به حداقل رساندن تعداد حسگرها بود. نتایج نشان میدهد که این الگوریتم نسبت به الگوریتم های اکتشافی قبلی نتایج بهتری ارائه می دهد و مدل جدیدی نیز برای آشکارسازی حسگر معرفی شده است. اس.میسرا و همکاران [6] ، مسئله اتصال را بررسی کردند. هدف قرار دادن حداقل تعداد گره های واسط در زیرمجموعه ای از موقعیتهای کاندید می باشد به طوریکه اتصال و زنده ماندن تضمین شود. برای حل مسئله، الگوریتم تقریب با زمان چندجملهای با نسبت تقریب پایین ارائه شده است.
طرح جایابی نود با توان کارآمد در شبکههای حسگر بیسیم چندرسانهای خطی در [7] مطرح شد که متوسط انرژی مصرفی را به ازای هر نود کاهش داده و طول عمر شبکه را افزایش میدهد. دی دندکار و همکاران [8] در سال 2012،مسئله استقرار گرههای واسط اضافی را بررسی کردند تا اتصال چندمسیره بین همه گرهها ایجاد شود. در این صورت شبکه درجه اتصال بالاتری برای تحمل پذیری خطا خواهد داشت. در این تحقیق الگوریتمی بر پایه اجتماع ذرات ارائه شده است تا تعداد بهینه گرههای واسط مستقر شوند.
یکی از روشهای افزایش طولعمر، کاهش مقدار ارتباطات است . در این مقاله از فرآیند ذخیره سازی1 در جهت کاهش تعداد ارسالها در راستای هدف موردنظر استفاده میشود .[9] با استفاده از الگوریتم ژنتیک چند هدفه، جایگذاری گره ذخیره 2 - مخزن - در شبکهی حسگر بیسیم انجام میشود. الگوریتم موجود با دو هدف افزایش حسگرهای ذخیره در میزان انرژی و پوشش ، و با قیود مصرف انرژی گرهها، تعداد گرههای حسگری که متصل نیستند و یا بدون پوشش باقی میمانند، و کاهش همپوشانی گرههای ذخیره ارتباطی، عمل میکند. در شبیهسازی انجام شده درون شبکهی حسگری که گرهها بصورت یکنواخت قرارگرفتهاند، میانگین تاخیر و تعداد کلی پیامهای سربار3 با استفاده از الگوریتم GA کاهش مییابد.
جایگذاری گرهی رله براساس ساختار توری4 در شبکههای حسگر بیسیم با هدف تعیین بهینه موقعیت گرهی رله در راستای ایجاد حداقل یک مسیر ارتباطی بین هر گرهی حسگر تا گرهی سینک، مطرح میشود .[10] در مدل بهینه سازی موجود، قیود سایز ساختار توری، ماکزیمم تعداد گام، معیار انتخاب مسیر ارتباطی، ظرفیت ارتباطی و مصرف انرژی درنظرگرفته میشود. در راستای اهداف موردنظر گرهی حسگر یا گرهی رله، گرهای از همسایگان که نزدیکتر به گرهی سینک میباشد را بعنوان گام بعدی انتخاب میکند. نتایج نشاندهندهی کاهش تعداد گرههای رله و مصرف انرژی می-باشد.
برای جلوگیری از مصرف توان در شبکهی WSN سلسلهمراتبی، الگوریتم مسیریابی کارآمد در انرژی در توپولوژی مش براساس مود خواب مطرح میشود .[11] در واقع مطالعهی موردی از جایگذاری گرههای حسگر با فرض وجود مود خواب و بدون این مود، انجام میشود و کاهش مصرف توان را در حالتی که مود خواب درنظرگرفته میشود، نتیجه میدهد. توپولوژی مش بکارگرفته شده در جهت ذخیرهی انرژی برای ارتباط با نزدیکترین گرهی همسایه انتخاب میشود. مادامی که از مود خواب در راستای کارایی انرژی استفاده میشود، زمان تشخیص جایگذاری گره کمتر است.
