بخشی از مقاله
چکیده
شبکههای حسگر بیسیم یک جزء مهم از اینترنت اشیا میباشند و با وجود پیشرفتهای صورت گرفته در این نوع شبکه ها٬ گرههای حسگر به دلیل تعداد زیاد و اندازه کوچک هنوز هم برای تامین انرژی خود متکی به باتریهایی با توان اندک میباشند..چگونگی انتخاب بهترین مکان در یک شبکه گیرنده بیسیم برای جایدهی گرههای حسگر به منظور کاهش توان مصرفی یک مسئله مهم است. در روشهای مشابه پیشین مساله جایدهی به وسیله گرههای حسگر به صورت استاتیک، حل میشد. در این مقاله، سیستمی جدید که با استفاده از الگوریتم ژنتیک توانسته برای بهینهسازی استقرار گره به کار برود، پیشنهاد شده است.
این روش مکان سنسورها را تعیین و بین گرههای حسگر از لحاظ عملکرد تقسیمبندی انجام میدهد. این کار انرژی مصرفی شبکه حسگر بیسیم را می تواند به حداقل برساند. در این پژوهش با تغییرات تعداد جمعیتها و تغییر میزان سرعت جهش این کدگذاری، نتایج حاصل از بهبود پوشش، کاهش توان مصرفی و افزایش طول عمر شبکه حسگر با مورد بررسی و همچنین با روش تصادفی مقایسه شده است. در نظر گرفتن پوشش حداقلی در ضمن کاهش توان مصرفی و به تبع آن افزایش طول عمر شبکه نوآوری این پژوهش محسوب میشود. از کاربردهای این روش پیشنهادی پوشش راداری مناسب همچنین نظارت در شبکههای هوشمند میباشد.
-1 مقدمه
در گذشته تنها انسانها با ابزارهایی که در اختیار داشتند توسط شبکه اینترنت به هم متصل میشدند و شخصا از قابلیتهای آن بهره میبردند. اما بیش از یک دهه است که ایدهی اینترنت اشیا شکل گرفته است. بر اساس آن هر شی فیزیکی قادر خواهد بود با اتصال به اینترنت و به کمک ابزارهای ارتباطی با سایر افراد و اشیا در تعامل و ارتباط باشد. از اهداف مهم این ایده ایجاد شبکهای هوشمند برای شناسایی نظارت و مدیرت اشیا در جهت بهبود کیفیت زندگی و رسیدن به هدفی مشترک است. یکی از مهمترین ابزارهای کسب اطلاعات و درک محیط اطراف، فناوری شبکههای حسگر بیسیم است، که امروزه تحقیقات گستردهای را به خود معطوف نموده است. این فناوری یکی از مهمترین فناوریهای اینترنت اشیاست.
شبکه گیرنده بیسیم از گرههای حسگر کم هزینه تشکیل شده است و بوسیله همکاری با یکدیگر برای رسیدن به هدفی مشترک در بسیاری از کاربردها مانند ، اتوماسیون کارخانه، ، اندازه گیریهای هوشمند و نظارت میدان جنگ کاربرد دارند. [1] حسگرها معمولا دستگاههایی با انرژی اندک 100nJ هستند. سنجش، پردازش و وظایف برقراری ارتباط همه از عوامل مصرف انرژی هر گره میباشد. تمامی این فعالیتها از زمانی که انرژی کافی وجود ندارد متوقف میشود. اگر انرژی باتری سنسورها تمام شود ممکن است شبکه حسگر بیسیم از نظر فیزیکی آسیب ببیند.[2] بنابراین، مصرف انرژی و طول عمر برای شبکه گیرنده بیسیم مسئله با اهمیتی میباشد. به همین علت، بسیاری از سیستمهای مدیریت انرژی برای غلبه بر این مشکلات توسعه یافتهاند.
1. مبانی نظری پژوهش : پس از مقدمه باید به مبانی نظری و ادبیات پژوهش شامل تعاریف ، سیر جایگذاری حسگرها در شبکه تکنیکی است تا سنسورها به طور موثر در منطقه قرار گیرند. در این صورت در طول فعالیت خود، حداقل انرژی را مصرف میکنند. به طور کلی می توان گره های حسگر را به ثابت و متحرک دسته بندی کرد. در گذشته روش استقرار سنسورها به صورت استاتیک بوده است. در این روش ها تعداد زیادی حسگر استاتیک برای رسیدن به سطح پوشش مورد قبول در شبکه جایگذاری می شوند.
هر چند این روش ساده و آسان است، اما موجب افزایش هزینه ها میشود و همچنین پوشش شبکه را تضمین نمیکند. در حالی که اخیراً، سنسور های متحرک برای شبکه حسگر بیسیم استفاده می شود. [3] یکی از الگوریتم های مهم برای بهینه سازی الگوریتم ژنتیک می باشد. الگوریتم های ژنتیک برای پیدا کردن یک راه حل بهینه یا نزدیک به بهینه برای حسگرهای متحرک مورد استفاده هستند. [4] در روش پیشنهادی این مقاله، الگوریتم ژنتیک به منظور افزایش طول عمر شبکههای حسگر بیسیم مورد استفاده قرار گرفته است.
با استفاده از این الگوریتم ، علاوه بر جایدهی مناسب گرههای حسگر به منظور کاهش توان مصرفی،میزان پوشش حداقلی شبکه حفظ میشود. الگوریتم ژنتیک ضمن جستجو و یافتن مکان مناسب برای جایدهی گرههای حسگر با دستهبندی گرهها به حالتهای فعال و غیرفعال میزان مصرف انرژی را کاهش میدهد. برای این منظور تعدادی سنسور متحرک علاوه بر سنسورهای ثابت به مجموع سنسورها افزوده میشود. الگوریتم روش پیشنهادی، به تفضیل در فصل بخش مورد بحث قرار خواهد گرفت. در ادامه در بخش 2 به معرفی کارهای انجام شده میپردازیم. در بخش 3 فاز اول و دوم را بررسی میکنیم و در بخش 4 به نتایج شبیه سازی و در انتها در بخش 5 نتیجهگیری از تحقیق آورده شده است.
2. پیشینه پژوهش : تحقیقات زیادی در شبکه های حسگر برای افزایش پوشش حسگرها و طول عمر آنها صورت گرفته است و نظریه های مختلفی در این خصوص ارائه شده است٬ که برخی از آنها عبارتند از: در این مقاله[5]، سیستم جدیدی برای بهینهسازی جایگذاری گرهها با استفاده از الگوریتم ژنتیک پیشنهاد شده است و همچنین گره های حسگر از لحاظ عملکرد به دو بخش تقسیم بندی می شوند. بخش اول بهینه سازی پوشش شبکه را بر عهده دارد و بخش دوم با افزودن تعدادی گره حسگر متحرک به گرههای استاتیک اصلی شبکه حسگر، مکان مطلوب قرارگیری آنها را بهینهسازی میکند. سرانجام نتایج شبیهسازی با سه سیستم بهینه سازی دیگر از لحاظ مصرف انرژی و طول عمر شبکه ین قسمت پیشینه داخلی و خارجی مطالعه جهت توسعه فرضیه ها یا سوالات یا الگوی کلی مطالعه ایراد گردد.
نتایج تحقیقات داخلی و خارجی تبیین شده، باید پشتیبانی کننده فرضیه ها و مدل مفهومی تحقیق باشند. ارجاع دهی در مقدمه ، مبانی نظری و پیشینه بسیار حائز اهمیت می باشد. حسگر بی سیم مقایسه شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که روش پیشنهادی کاهش قابل توجه ای در مصرف انرژی، افزایش طول عمر و افزایش دقت شبکه داشته است. مشکل روش پیشنهادی این میباشد که نقاط غیرفعال از دسترس خارج هستند و هیچگونه کنترلی بر این مناطق نیست یعنی پوشش شبکه ما بسیار کاهش پیدا میکند.
در مقاله [6]٬ با موضوع جایگذاری سنسورها برای رسیدن به پوشش حداکثری با استفاده از الگوریتم ژنتیک ارائه شده است که سیستمی برای حل مشکل پوشش و ناهمگنونی در شبکه حسگر - گره ای که محدوده پوشش مختلفی دارد - پیشنهاد شده و در واقع گره سنجش را در بهترین موقعیت جایگذاری میکند و از این طریق تقاطعهای موجود بین محدوده شعاع پوشش حسگرها حذف میشود و پوشش منطقه به حداکثر مقدار افزایش پیدا میکند. موضوع تحرک برای سنسورها در نظر گرفته شده و پوشش شبکه نیز مورد بررسی قرار گرفته است . نتایج شبیه سازی نشان می دهد که بعد از آزمایشات صورت گرفتههیچ گونه تقاطعی بین گره ها وجود ندارد و مناطق تحت پوشش حسگر سنجش به حداکثر میزان خود رسیده است.
هر چند پوشش به میزان حداکثر خود می رسد اما هیچگونه تضمینی برای حداقل مصرف انرژی گره ها و در نتیجهَآن طول عمر بهینه شبکه وجود ندارد. در پژوهش دیگری مقاله [7] نویسندگان روشی پیشنهاد کرده اند که با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه سازی جایدهی سینک و گره رله و نیز برای به حداقل رساندن مصرف انرژی انجام می پذیرد. بهینه سازی در زمینه جایگذاری گره سینک و گره رله است که موجب کاهش انرژی مورد نیاز شبکه بدون افت کیفیت ارسال و دریافت اطلاعات می شود.
همچنین مدلی برای انرژی مصرفی ارائه شده است که می توان از آن بهره گرفت سنسورها متحرک نیستند و پروتکل Sleep&Active مورد استفاده بوده و موضوع پوشش مورد بررسی قرار نگرفته است توزیع سنسورها در شبکه بصورت غیر متمرکز است و جایگذاری سنسورها تصادفی است و در نهایت نتایج آزمایشات مقایسه ای از لحاظ مصرف انرژی و طول عمر بین الگوریتم پیشنهادی و جایگذاری در حالت تصادفی گره های حسگر بررسی شده است. این روش هیچ گونه نظارتی بر پوشش مناسب سنسورها در شبکه ندارد و همچنین افزودن حداکثر تعداد گره نمی تواند محدودیت کاهش تاخیر پیام را تضمین کند.
.3 روش پژوهش : روش پیشنهادی با استفاده از الگوریتم ژنتیک برای پیاده سازی دو هدف اصلی به شرح ذیل تعریف میشود:
- 1 - بهینه سازی جهت یافتن بهترین مکان از شبکه و همچنین افزودن حسگرهای اضافی که متحرک هستند برای به حداکثر رساندن پوشش در تمام نقاط شبکه حسگر بیسیم.
- 2 - بهینه سازی مصرف انرژی سنسورهای شبکه و افزایش طول عمر شبکه حسگر بی سیم با دسته بندی سنسورها به زیر گروه ها و تقسیم بندی وظایف آنها از لحاظ عملکرد یعنی این که بعضی گروه ها را فعال و بعضی را غیر فعال در نظر میگیریم. به این منظور عملیات سیستم پیشنهادی به دو فاز تقسیم می شود. فاز اول عبارت است از عملیات استقرار حسگرها در شبکه، بنابراین در روش پیشنهادی از استراتژی جایدهی ترکیبی استفاده میکنیم.
3,1. فاز اول
شبکه حسگر بیسیم در این مقاله حاوی سینک و تعداد نودهای سنسور متحرک و ثابت است. نود سینک نوع خاصی از نودهای سنسور است که توانایی قوی برای محاسبه و ذخیرهسازی و ارتباطات دارد. ما فرض میکنیم که تعداد نودهای ثابت و متحرک در مدل شبکه ما به ترتیب m و n هستند. بنابراین مجموع تعداد نودها در شبکه - m+n - میشود. S نیز مجموع همه نودهای شبکه است S={s1,s2,…,si,…,sm+n} که مقدار Si به i امین نود از همه نودها دلالت دارد [8]. علاوه بر این شبکه حسگر بیسیم دارای خصوصیات زیر است:
.1 حسگرها در شبکه همان شعاع ارتباطی Rc و همان شعاع سنسور Rs را دارند. به علت این که تمامی سنسورها به طور مستقیم با سینک ارتباط دارند، در صورتی که فاصله هر یک از سنسورها تا سینک کوچکتر از Rcباشد، انتقال اطلاعات در آن شبکه مطمئناً برقرار خواهد بود به عبارت دیگر با درنظر گرفتن موقعیت هر سنسور Si - Xi,Yi - و سنسور سینک SS - XS,YS - این روابط جزو شروط حل مساله ما میباشد.
.2 استقرار - جایگذاری - گره در شبکه به صورت تصادفی در یک منطقه نظارت به صورت مربعی به طول L توزیع می شود. مختصات برد نظارت منطقه از 0 - و - 0 به - L,L - است. و گره اطلاعات مختصات موقعیت خود و همسایه ها را فراهم میکند.
