بخشی از مقاله
چکیده
شبکههای حسگر بیسیم برداشت انرژی، از طریق پروتکلهای مسیریابی و برداشت انرژی از منابع طبیعی توسط باتریها و دستگاههای برداشت انرژی طول عمر خود را افزایش میدهند. در روش پیشنهادی، بعد از چیدمان حسگرها به صورت تصادفی در یک محیط دایرهای شکل، با توجه به موقعیت حسگرها، تعدادی حسگر را تصادفی به عنوان گره مرکزی انتخاب میکنیم و مابقی گرهها به عنوان اعضای خوشهها میباشند.
گرههای مرکزی با توجه به تعداد اعضای خوشه خود، تعدادی از نزدیکترین و قویترین گرهها نسبت به خود را، به عنوان گرههای گروه سرخوشه انتخاب میکنند، خوشهبندی یکبار انجام میشود و تعداد خوشهها بر اساس فرمول پیشنهادی محاسبه میگردد. گرهها بعد از مصرف بودجه انرژی خود - برای هر گره با توجه به سطح انرژی خودش و مقدار انرژی که برداشت کرده است یک آستانه مصرف انرژی در نظر گرفتهایم - ، به حالت خواب میروند و به برداشت انرژی میپردازند تا از شکست خوشه جلوگیری شود و عملیات دائمی شبکه تضمین شود.
البته هر گره در حین عملکرد خود هم به برداشت انرژی میپردازد. در پایان هر بازه زمانی گرههایی که به حالت خواب رفته بودند با توجه به اینکه انرژی لازم را برای کار دریافت کردهاند به شبکه برمیگردند و شروع به فعالیت میکنند. با مکانیسم گروه سرخوشه بار ترافیکی سرخوشه کاهش و در نتیجه طول عمر گره افزایش مییابد. با حداکثر شدن طول عمر شبکه مقدار اطلاعات جمعآوری شده از شبکه افزایش مییابد.
مقدمه
-بیان مسئله
از مهمترین ویژگیهای شبکههای حسگر بیسیم، بهرهبرداری دائمی1 است. بدین معنا که حسگرها باید قادر به تشکیل شبکههای خودسازمان و خودترمیم باشند و توسط یک منبع انرژی دائمی، تامین انرژی شوند. یک دستهبندی بارز و پرکاربرد، استفاده از حسگرهای مجهز به باتری میباشد. چندین مصداق از چنین کاربردهایی، نظارت بر زیستگاه - Mainwarning et al, - 2002، نظارت بر آتشفشان - Werner et al, 2006 - ، نظارت بر سازه - Lee et al , 2006 - ، و ردیابی خودروها - Karpiriski et - al, 2006 میباشد.
حسگرهای مورد استفاده در چنین استقرارهایی، تحرک و استقرار را در مکانهایی که به سختی قابل جابهجایی هستند تسهیل میکنند. هنگامی که حسگرها جایگذاری میشوند، باید برای یک مدت زمان طولانی عملیات باقی بمانند. از مهمترین مسائل افزایش طول عمر شبکه است. چون، باتریهای حسگر، دارای انرژی ذخیره شده محدود هستند و بهطورکلی تعویض یا شارژ مجدد این باتریها ممکن نیست. هنگامی که توان باتری حسگر تمام شود، باتری بلااستفاده خواهد شد - گلسرختبار امیری و بزرگی، . - 1394 تکنیکهای متعددی برای افزایش طول عمر گرههای حسگر دارای باتری پیشنهاد شدهاند.
برخی از این تکنیکها شامل پروتکلهای آگاه از انرژی - Buettner et al , 2006 - XMAC و - Polastre,2004 - BMAC و - Ye et al, 2002 - SMAC، ذخیرهسازهای آگاه از توان، پروتکلهای مسیریابی و انتشار داده - Buettner et al, 2006 - ، استراتژیهای سیکل کاری2 - Dutta, 2005 - ، نرخ حس کردن تطبیقپذیر - Kulkarani, 2007 - ، معماریهای لایهای سیستم - Gnawali, 2006 - و جایگزینی حسگرهای اضافی - Kumar rt al, 2008 - میباشند. در حالی که همه این تکنیکها، مصرف انرژی را برای افزایش طول عمر یک گره حسگر، بهینه و تطبیقپذیر میکنند، اما طول عمر، همچنان محدود باقی میماند. همه این تکنیکها به طولانی شدن طول عمر کاربردها و یا بازه زمانی بین جاگذاری باتری کمک میکنند، اما نگرانی مربوط به انرژی را برطرف نمیکنند.
با یک منبع انرژی محدود، بهندرت میتوان همه پارامترهای عملکردی را بهطور همزمان بهینه کرد. بعنوان مثال: ظرفیت بالاتر باتری، افزایش هزینه را اعمال میکند. سیکل کاری پایین، قابلیت اطمینان را کاهش میدهد. محدوده انتقال بالاتر، نیازمندیهای توان بالاتر و محدوده انتقال پایینتر، منجر به مسیرهای انتقال با تعداد گام بیشتر و مصرف انرژی در تعداد بیشتر حسگرها میشود - گلسرختبار امیری و بزرگی، . - 1394 با توجه به ماهیت منطقه کاربردی حسگرها و به دلیل اینکه منابع انرژی باید در ساختارهای موجود نصب شده باشند، تامین انرژی حسگرها از طریق منابع انرژی اصلی، یک اتلاف انرژی است و اغلب امکانپذیر نیست. طول عمر موثر آنها، اگر که با باتری طراحی شده باشند به شدت محدود میباشد.
با این حال، حسگرها در محیطهایی مستقر میشوند کهمعمولاً سرشار از فرصتهای جمعآوری انرژی هستند، مانند: نور خورشید،3 باد4، ارتعاشات،5 بیوشیمیایی6و اختلافات درجه حرارت.7 یک تکنیک جایگزین برای پرداختن به مسئله طول عمر محدود حسگر، استفاده از تکنولوژی برداشت انرژی است. تکنیک برداشت انرژی، اشاره به جمعآوری انرژی از منابع انرژی محیطی دارد. بنابراین، ایدهآل این است که اگر حسگرها میتوانند محیطهای غنی اطراف خودشان را برای به دست آوردن انرژی تخلیه کنند تا خودشان تامین انرژی شوند. برداشت انرژی به نظر یک راهحل مناسب برای تامین انرژی مطمئن و نامحدود برای شبکههای ارتباطی میباشد.
این فناوری میتواند بهطور قابل توجهی طول عمر شبکهها را طولانیتر کند و حتی باعث شود که شبکه به صورت مداوم عمل کند. با این حال، انرژی محیطی بهطور یکنواخت توزیع نشده است و پارامترهای زیادی وجود دارد که در بهرهوری تاثیر میگذارد . - Reddy and Murthy, 2011 - در نتیجه، برخی حسگرها قادر به برداشت انرژی بیشتری نسبت به دیگر حسگرها هستند و میتوانند کار بیشتری انجام دهند. بنابراین نمیتوان از تکنیکهای افزایش طول عمر مطرح شده در شبکه حسگر سنتی، در این شبکهها استفاده کرد - گلسرختبار امیری و نوری، . - 1394 استراتژی بهکارگیری حسگرهای برداشتکننده انرژی، تاثیر قابل توجهی در توزیع انرژی حسگرها و از اینرو طول عمر شبکه دارد.
طراحی یک شبکه حسگر بیسیم با در نظرگرفتن قابلیت برداشت حسگرها یک مسئله اساسی است. با فرض اینکه هر گره حسگر بتواند برداشت انرژی را انجام دهد، برای طراحی مهم این است که انرژی برداشتی را به نحو بهینه بهکار بگیرند. چنین طرحهایی باید با پویایی برداشت انرژی، بار کاری1شبکه و ... سازگار باشند و همچنین باید سربار2عملیاتی کمی داشته باشند. از آنجا که انرژی محیطی3آزاد است، یک ایده جذاب، ایجاد یک شبکه حسگر پایدار است، یعنی یک شبکه با طول عمر ابدی با بهرهگیری از تکنولوژی برداشت انرژی محیطی ایجاد میکنیم.
همچنین با توجه به این که تکنولوژی برداشت انرژی غیرقابل کنترل است، چگونگی به حداکثر رساندن عملکرد بهینه شبکه نیز یک مسئله جالب است. فرصتهای نابرابر و متفاوت نرخ برداشت انرژی محیطی به دلیل عوامل زمانی- مکانی همراه با عوامل دیگر مانند حجم کاری، کیفیت متفاوت باتریها و ... ممکن است منجر به توزیع انرژی ناهمگن حسگرها شود. در نتیجه برخی حسگرها قادر به برداشت انرژی بیشتری نسبت به دیگران هستند و میتوانند کار بیشتری را نسبت به دیگران انجام دهند. در نتیجه نیاز است تا تخصیص کار به حسگرها با ویژگیهای مکانی و زمانی در دسترس بودن انرژی هر حسگر در نظرگرفته شود - گلسرختبار امیری و نوری، . - 1394
نقطه اشتراک بین تکنولوژی برداشت انرژی و الگوریتمهای شبکه، توزیع انرژی است. برداشت انرژی تعیین میکند که چگونه انرژی به دست آورده شود، در حالی که پروتکلهای شبکه تعیین میکنند که انرژی برداشت شده چگونه باید مصرف شود - گلسرختبار امیری و بزرگی، . - 1394 برای شبکههای حسگر بیسیم برداشت انرژی4، مدت طول عمر شبکه طولانیتر از کار اصلی نمیباشد. حسگرهای از کار افتاده عملیات را زمانی دوباره از سر میگیرند که انرژی کافی توسط دستگاههای برداشت انرژیشان، به دست آید.
حقیقت امر این است که برای حسگر برداشت انرژی، یک حالت انرژی خنثی - Kansal et al, 2007 - میتوان به دست آورد، - زمانی که انرژی استفاده شده توسط یک حسگر کمتر از مقدار انرژی برداشت شده باشد - ، بهطوری که میتوان آن را دائماً با سطح عملکرد مورد نظر به کار انداخت - تابع شکست سخت افزار - . این نوع عملیات انرژی خنثی پتانسیل بسیار زیادی را در ایجاد یک شبکه قوی با طول عمر نامحدود ارائه میدهد . - Peng and Low, 2013 -
