بخشی از مقاله
چکیده
نگرانیهای انرژی در شبکههای ارتباطی بیسیم، همواره موردتوجه محققین بسیاری بوده است. اخیرا کسب انرژی از منابع تجدیدپذیر، توجه رو به رشدی را در نسل بعدی شبکههای حسگر بیسیم بوجود آورده است. در حالی که محققین زیادی فرض میکنند که تمام نودها در یک شبکه حسگر باتری محور هستند، نودها همچنین میتوانند توسط منابع دیگر انرژی مانند انرژی خورشید، باد، ...تامین انرژی شوند. الگوریتمهای سنتی چون فرض میکنند که یک منبع انرژی قابل اعتماد اما محدود دارند که توسط باتریها عرضه میشود برای شبکههای حسگری که از انرژی محیطی برای توان استفاده میکنند قابل اجرا نیست.
بنابراین الگوریتمها باید با فرض برداشت از انرژی محیطی طراحی شوند. تکنیکهای خوشهبندی کمی در منابع موجود است که قابلیت برداشت نود را در نظر میگیرد. با اینحال، هیچیک از آنها هزینه ارتباطی داخل خوشه، نرخ برداشت انرژی از محیط و یا ماکزیمم ظرفیت ذخیره سازی انرژی یک سرخوشه را در نظر نمیگیرد .این مقاله، به همه این مسائل، با پیشنهاد یک روش خوشهبندی چندهاپه آگاه از انرژی محیطی برای شبکههای حسگر بیسیم میپردازد. روش پیشنهادی، مفهوم خوشهبندی مشهورHEED را دنبال میکند. اما، برای شبکههای حسگری که در آن برخی نودها مبتنی بر انرژی محیطی هستند بهینه شده است.
واژگان کلیدی: شبکه حسگر بیسیم، برداشت انرژی، طول عمر، خوشهبندی، انرژی محیطی
.1 مقدمه
شبکههای حسگر بیسیم1، شبکههایی متشکل از تجهیزاتی فشرده بنام نودهای حسگر2 هستند که دادهها مانند دما، رطوبت، رویداد و .. را در منطقه هدف جمعآوری میکنند و به صورت بیسیم به ایستگاه پایه انتقال میدهند - Akyildiz et al, .2002 - بهطور رایج، نودها در شبکههای حسگر بیسیم توسط باتریهای غیرقابل شارژ تامین انرژی میشوند. هنگامیکه انرژی باتری نود به اتمام برسد، نود خواهد مرد. بنابراین، مصرف انرژی، همواره یک چالش کلیدی در طول طراحی شبکههای حسگر بیسیم مجهز شده با باتری باقیمانده است . - Eu et al, 2010 - با اینحال، نودها در محیطهایی مستقر میشوند که معمولا سرشار از انرژیهای محیطی مانند باد، خورشید، ارتعاشات و ... هستند - Raghunathan and . - Kansal, 2005 بنابراین، این ایدهآل است که نودها بتوانند محیطهای غنی خودشان را برای انرژی تخلیه کنند تا خودشان را به توان برسانند.
فرآیند استخراج انرژی از محیط و یا دیگر منابع انرژی و تبدیل آن به انرژی الکتریکی به منظور توان بخشی نودها، برداشت انرژی3 نامیده میشود. انرژی الکتریکی مهار شده به نودها توان می دهد که به نوبه خود طول عمر نود را افزایش می دهد. هر نودی که بر مبنای انرژی برداشتی از محیط عمل میکند به عنوان یک نود برداشتکننده انرژی4 نامیده میشود. درنتیجه، یک شبکه متشکل از این نوع نودها بعنوان یک شبکه حسگر برداشتکننده انرژی5 بیسیم نامیده میشود. یک رویکرد عملی در شبکههای بزرگ مقیاس، بکارگیری نودهای برداشتکننده بهصورت پراکنده در شبکه حسگر بیسیم میباشد . - Medepallyand and Mehta, 2010 - نودهای حسگر بیسیم عملیاتی در زمینه انرژی محیطی بدون چالش نیست. متاسفانه انرژی محیطی به طور یکنواختی توزیع نشده است و پارامترهای زیادی وجود دارد که در بهرهوری6 تاثیر میگذارد . - Kawashima and Sato, 2013 -
درنتیجه، برخی نودها قادر به برداشت انرژی بیشتری نسبت به دیگر نودها هستند و از نظر تئوری میتوانند کارهای انرژیبر بیشتری را نسبت به دیگر نودها انجام دهند. یک پروتکل خوشهبندی7 مناسب میتواند تا حد زیادی عملکرد شبکه را بهبود بخشد. در شبکههای مبتنیبر خوشه، سرخوشهها مسوول انجام کارهای پرمصرفتر از لحاظ انرژی هستند . - Abbasi and Younis, 2013 - از اینرو، انتخاب نودها با قابلیت برداشت انرژی بعنوان سرخوشه8 موردتوجه است. درنتیجه، الگوریتمهای خوشهبندی باید انرژی برداشتی از محیط را برای تصمیمگیری در انتخاب سرخوشه درنظر بگیرند. این امر مستلزم یک الگوی تغییر در طراحی الگوریتمهای مسیریابی خوشهبندی میباشد.به علت تعدد الگوریتمهای خوشهبندی موجود در شبکههای حسگر بیسیم، ما تصمیم به توسعه یکی از پروتکلهای موجود مبتنی بر خوشه، به جای تعریف یک پروتکل جدید گرفتیم. برای این منظور، - younis and fahmy, 2004 - HEED که یکی از شناختهترین الگوریتمهای خوشهبندی موجود است را برای نسخه آگاه از انرژی محیطی توسعه دادیم.
در این مقاله، به منظور به حداکثر رساندن طول عمر شبکه، ما یک الگوریتم خوشهبندی آگاه از انرژی محیطی بنام EH-HEED را برای شبکه حسگر مبتنی بر نودهای برداشت کننده انرژی پیشنهاد میکنیم. در رویکرد ما، نودهای قوی با درنظر گرفتن سه جنبه از نود بعنوان سرخوشه انتخاب میشوند: هزینه ارتباطی داخل خوشه، نرخ برداشت انرژی، انرژی ذخیره شده نود. درنتیجه، انتظار میرود که با سطح آگاهی نود از انرژی محیطی در طرح خوشهبندی پیشنهادی ما، طول عمر شبکه9، در مقایسه با نوع متداول آن افزایش یابد. بقیه مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. کارهای مشابه در بخش 2 بحث شدهاست. در بخش 3، مدل سیستم و فرضیات پایه در نظر گرفته شده ارائه میشود. بخش 4، چارچوب طرح پیشنهادی را شرح میدهد. بخش 5 تاثیر پارامترهای مختلف بر روی عملکرد شبکه را مورد ارزیابی قرار میدهد و در نهایت، در بخش6 نتیجهگیری مقاله انجام شده است.
2.کارهای مشابه
اولین روش خوشهبندی آگاه از انرژی خورشیدی بر مبنای توسعهای از LEACH متمرکز - Heninzelman et al, 2002 - پیشنهاد شد. - Voigt et al, 2004 - SLEACH ، با استفاده از مفهوم راندها10 و به صورت احتمالی، سرخوشهها را در هر راند، برای گسترش بار مسیریابی انتخاب میکند. برای تنظیم مقادیر بالاتر، احتمال نودهای با قابلیت برداشت، نسبت به نودهای باتریدار بیشتر است. برای انجام این کار، یک فاکتور وزنی ثابت به نودهای خورشیدی و متقابل آن به نودهای باتریدار تخصیص داده شد. در نتیجه، اگر نودهای برداشت کننده در یک خوشه وجود داشته باشد، با احتمال بالا، یکی از آنها بعنوان سرخوشه انتخاب خواهد شد.
نویسندگان در - Kinoshita et al, 2008 - ، یک پروتکل مسیریابی متفاوت مبتنی بر خوشه بههمراه چارچوب پیشرفتهای از برداشت انرژی محیطی ارائه دادهاند. در E-EEHF، هر نود دو نوع باتری دارد: یک باتری غیرقابلشارژ که نمیتواند کسب انرژی کند و یک باتری قابلشارژ، که میتواند انرژی را از محیط بهدست آورد. به هر نود، یک مقدار هزینه تخصیص داده شده است. به نود دارای انرژی باقیمانده بالاتر در باتری قابلشارژ خود، یک هزینه پایین تخصیص داده میشود. از سوی دیگر، به نود با انرژی باقیمانده پایینتر در باتری قابل شارژ آن، یک هزینه بالاتر تخصیص داده شده است. سرخوشهها بر اساس حداقل هزینه، انتخاب شدهاند.
الگوریتم خوشهبندی - Xiao et al , 2013 - EP-LEACH ، با معرفی یک تابع پتانسیل انرژی، برای اندازهگیری توانایی برداشت انرژی هر نود ارائه شد. EP-LEACH نسخه توسعهیافته - Heinzelman et al, 2000 - LEACH است که یک تابع انرژی را برای اندازهگیری توانایی برداشت انرژی هر نود معرفی میکند. با توجه به LEACH، نودها به نسبت تصادفی به عنوان سرخوشه انتخاب میشدند. اما در این الگوریتم، با توجه به ویژگیهای شبکه برداشتکننده انرژی، استراتژی انتخاب سرخوشه اصلاح میشود.در - Zhang et al , 2013 - ، الگوریتم خوشهبندی برای بهحداکثر رساندن طول عمر شبکه پیشنهاد شد که در آن، نودهای برداشتکننده انرژی بهعنوان نودهای رله11 اختصاصی برای سرخوشهها به کارگرفته میشوند. با برقراری ارتباط با نودهای برداشتکننده در فاصله کوتاهتر، به جای ارسال دادهها بهصورت مستقیم به سرخوشه، سرخوشهها میتوانند مصرف
