بخشی از مقاله
چکیده - شبکههای حسگر بیسیم از مجموعهای از گرههای حسگر کوچک هستند که توانایی نظارت و حس کردن محیط پیرامون خود و ارسال دادههای حس شده را به یک ایستگاه اصلی دارند . استفاده از منطق فازی برای انتخاب سرخوشه مناسب یکی از راههای این مسئله است. با این روش هدف کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر بیشتر گرههای شبکه است. در تحقیقات پیشین ساختار خوشهبندی در زمان تغییر میکند و خوشهبندی بصورت تصادفی ممکن است تغییر کند. در این تحقیق ساختار مجدد خوشهها با استفاده از منظق فازی و بهوسیله الگوریتم سلسلهمراتبی GHEF به روز خواهد شد و میزان مصرف انرژی کاهش یابد.
-1 مقدمه
شبکههای حسگر بیسیم - WSN - دارای تعداد بالایی گره حسگر بیسیم هستند که توانایی حس کردن یک یا چند پدیدهی فیزیکی را دارند. گرههای حسگر در شبکههای حسگر بیسیم معمولا بصورت تصادفی پراکنده میشوند و معمولا در تعداد زیاد مثلا چند صد عدد هستند. در این محیط امکان پشتیبانی یا جایگزینی باطری برای اکثر کاربردها میسر نیست.تجمیع بهینه دادهها میتواند انرژی گرهها را حفظ کند.
یک روش انتقال داده برای جمعآوری دادهها[1] وجود دارد که تجمیع داده1 نامیده میشود. کاهش ارتباط بین گرهها میتواند میزان مصرف انرژی را کاهش دهد. دو روش مطرح برای تجمیع دادهها وجود دارد.[2] معروفترین پروتکلهای ارتباطی در این زمینه تجمیع داده مبتنی بر خوشهبندی و تجمیع داده مبتنی بر درخت است. خوشهبندی موجب توازن انرژی میشود، اما بعضاً به دلیل مسافت زیاد بین سرخوشه و ایستگاه مرکزی، مصرف انرژی زیاد است.
در ساختار درختی با توجه به مسافت کوتاه بین حسگرها انرژی مصرفی کم میباشد اما عمق درخت زیاد است. در یک شبکه حسگر بیسیم گرههای حسگر در یک محیط خاص به طور گسترده پخش شدهاند و بصورت دورهای دادههای حس شده از محیط را جمعآوری میکنند، پردازش بسیار کمی بر روی آنها انجام میدهند سپس اطلاعات حاصل را برای ایستگاه مرکزی ارسال میکنند. ایستگاه مرکزی یک گره حسگر قدرتمند است که معمولاً به هر دو شبکه حسگر بیسیم و شبکه IP سنتی اتصال دارد. طول عمر هر گره حسگر توسط باطری تعیین میشود که به میزان قابل توجهی ارتباط میان حسگرها را تحت تاثیر قرار میدهد.
در بسیاری از کاربردهای شبکههایحسگر خصوصاً در زمینههای نظامی و کنترل امنیت، به نظارت از راه دور محیطها پرداخته میشود. لذا امکانی برای تعمیر، نگهداری و یا تعویض باطری وجود ندارد. از این رو یکی از عمدهترین چالشها در این شبکهها، محدودیت مصرف انرژی است که مستقماًی طول عمر شبکه را تحت تاثیر قرار میدهد.پیشرفتهای اخیر در زمینه الکترونیک، سیستم های 2MEMS و مخابرات بیسیم، توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربردهای گوناگون را فراهم ساخته است.
-2 بیان مسئله
سیستم های 3MEMS و مخابرات بیسیم، موجب پیدایش ایدهای برای ایجاد و گسترش شبکههایی موسوم به شبکههای حسگر بیسیم شده است. شبکههای حسگر بیسیم نوع خاصی از شبکههای موردی[ 3] هستند که متشکل از تعداد زیادی گره حسگر میباشند. هر گره حسگر شامل ماژول حسگر، ماژول پردازش، ماژول ارتباط و باطری است. این حسگرها محدودیتهایی نیز در توان و باطری، محاسبات، ظرفیت و ذخیرهسازی و.. دارند.
کاربرد عمده این نوع شبکهها نظارت و کنترل بر محیطهای مختلف از جمله محیطهای نظامی، محیط زیست و پزشکی میباشد. در یک شبکه حسگر بیسیم گرههای حسگر در یک محیط خاص به طور گسترده پخش شدهاند و بصورت دورهای دادههای حس شده از محیط را جمعآوری میکنند، پردازش بسیار کمی بر روی آنها انجام میدهند سپس اطلاعات حاصل را برای ایستگاه مرکزی ارسال میکنند. ایستگاه مرکزی یک گره حسگر قدرتمند است که معمولاً به هر دو شبکه حسگر بیسیم و شبکه IP سنتی اتصال دارد. اطلاعات جمع آوری شده توسط حسگرها باید به یک ایستگاه مرکزی منتقل شوند. برای این ارسال دو روش وجود دارد که یکی ارسال تکگامی و دیگری ارسال چندگامی میباشد. در روش تکگامی هر حسگر مستقماًی اطلاعات خود را به ایستگاه مرکزی میفرستد.
در این روش به دلیل فاصله زیاد حسگرها از مرکز، انرژی زیادی مصرف میشود. در مقابل این رویکرد، روش چند گامی با کمک حسگرهای میانی فواصل ارتباطی را کوتاهتر میکند و میتواند طول عمر شبکه را طولانیتر کند. میتوان گفت ارتباطات چند گامی در این گونه شبکهها مفیدتر و مقرون به صرفهتر از ارتباطات تکگامی است. اما در ارتباطهای چند گامی نیز بیشتر انرژی نودها صرف ایجاد ارتباط با حسگرهای دیگر میشود، که این امر موجب مصرف انرژی زیاد در حسگرها میگردد.
در سناریوی مشترک شبکههای حسگر، دادهها از طریق گرههای حسگر از ناحیه مورد مطالعه جمعآوری میشوند و به طور موثر این دادههای حس شده برای ایستگاه مرکزی ارسال میگردند. حسگرهای همسایه اغلب باعث افزونگی دادهها میشوند. انتقال این اطلاعات افزونه به ایستگاه مرکزی لازم نمیباشد زیرا در شبکههای بزرگ، پردازش بسیار زیادی را در ایستگاه مرکزی به دنبال خواهد داشت. از این رو به روشی برای ترکیب دادهها جهت جلوگیری از افزونگی در انتقال دادهها و نیز کاهش ترافیک دادهها نیاز میباشد که در نتیجه آن از انرژی و پهنای باند نیز محافظت میشود.
تعدادی از محققین، اخیراً برای کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکههای حسگر بیسیم، استفاده از سیستمهای فازی را برای مسیریابی مبتنی بر خوشهبندی در دستور کار خود قرار دادهاند. بطور خلاصه، نقطه شروع ساخت یک منطق فازی بدست آوردن مجموعهای از قواعد اگر-آنگاه فازی از دانش حوزه مورد بررسی میباشد. مرحله بعدی ترکیب این قواعد در یک سیستم واحد است. سیستمهای فازی مختلف از اصول و روشهای متفاوتی برای ترکیب این قوانین استفاده میکنند.
-3معماری سخت افزاری یک گره
هر گره از چهار واحد پایه حس کردن، فرستنده -گیرنده، پردازش و منبع انرژی تشکیل شده است.البته وابسته به کاربرد، شبکه های حسگر میتوانند شامل اجزای دیگری چون سیستم پیداکردن مکان جغرافیایی، مولد توان و بخش مربوط به حرکت در گرههای متحرک نیز باشند.
-4 اهمیت و ضرورت روش تحقیق
روش تجمیع داده در محیطهای بیسیم ضروری است به دلیل اینکه کاهش بستهها میتواند باعث کاهش مصرف انرژی، افزایش طول عمر شبکه و افزایش نسبت انتقال دادههای موفق گردد.[4] علاوه بر این در کاربردهای شبکههای حسگر، اغلب تجمیع دادهها به منظور تسهیل عملیات، پوشش گسترده، افزایش دقت و قابلیت اطمینان میباشد.[5]از معروفترین پروتکلهای ارتباطی در این زمینه میتوان به تجمیع داده مبتنی بر خوشهبندی و تجمیع داده مبتنی بر درخت[6-8] اشاره کرد. ویژگیهای برجسته در خوشهبندی، توزیع و توازن انرژی و کاهش برخورد است. اما برقراری ارتباط بین سرخوشه و ایستگاه مرکزیبعضاً به دلیل مسافت زیاد مصرف انرژی بسیاری به دنبال دارد.
در روش مبتنی بر درخت، با توجه به مسافت کم بین حسگرها مصرف انرژی برای ارسال داده پایین است اما در این روش سایر حسگرها نقش یک حسگر را در درخت دارند که این موضوع باعث افزایش عمق درخت میگردد. بنابراین زمانی که تعداد حسگرها زیاد میشود ساخت درخت تجمیع دشوار میگردد. منطق فازی، ابزاری قدرتمند است که میتواند تصمیمگیری کند حتی اگر دادهها کافی نباشد. در حالی که برای تصمیمگیری در کنترل کلاسیک نیاز به دادههای کافی است. اخیراً از منطق فازی برای مسیریابی و بهبود طول عمر شبکه استفاده میشود. ما نیز از منطق فازی به عنوان وسیلهای برای انتخاب سرخوشهها استفاده کردهایم. تبدیل میکند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب سنج، مغناطیس سنج و...
خوشهبندی: خوشهبندی را میتوان به عنوان مهمترین مسئله در یادگیری بدون نظارت در نظر گرفت. خوشهبندی با یافتن یک ساختار درون یک مجموعه از دادههای بدون برچسب درگیر است. خوشه به مجموعهای از دادهها گفته میشود که به هم شباهت داشته باشند. در خوشهبندی سعی میشود تا دادهها به خوشههایی تقسیم شوند که شباهت بین دادههای درون هر خوشه حداکثر و شباهت بین دادههای درون خوشههای متفاوت حداقل شود. با توجه با اینکه روشهای خوشهبندی سلسله مراتبی اطلاعات بیشتر و دقیقتری تولید میکنند برای تحلیل دادههای با جزئیات پیشنهاد میشوند ولی از طرفی چون پیچیدگی محاسباتی بالایی دارند برای مجموعه دادههای بزرگ روشهای خوشهبندی مسطح پیشنهاد میشود.
منطق فازی: کاربرد این بخش در علوم نرمافزاری را میتوان به طور ساده اینگونه تعریف کرد: منطق فازی از منطق ارزشهای "صفر و یک" نرمافزارهای کلاسیک فراتر رفته و درگاهی جدید برای دنیای علوم نرمافزاری و رایانهها میگشاید، زیرا فضای شناور و نامحدود بین اعداد صفر و یک را نیز در منطق و استدلالهای خود به کار برده و به چالش میکشد. منطق فازی از فضای بین دو ارزش "برویم" یا "نرویم"، ارزشهای جدید "شاید برویم" یا " میرویم اگر" یا حتی "احتمال دارد برویم" را استخراج کرده و به کار میگیرد. بدین ترتیب به عنوان مثال مدیر بانک پس از بررسی رایانهای بیلان اقتصادی یک بازرگان میتواند فراتر از منطق "وام میدهیم" یا "وام نمیدهیم" رفته و بگوید: "وام میدهیم اگر ..." یا " وام نمیدهیم ولی...".
