بخشی از مقاله
چکیده
شبکههای حسگر بیسیم از تعداد صدها یا حتی هزاران گره حسگر تشکیل شدهاند که با همکاری با یکدیگر به کنترل و جمعآوری داده از محیط اطراف خود پرداخته و اطلاعات بدست آمده را برای پردازش نهایی به ایستگاه پایه منتقل میکنند. یکی از مهمترین عاملها در این گرهها، عامل انرژی است. از آنجایی که این گرهها دارای انرژی محدودی هستند، نحوه چگونه مصرف شدن این انرژی از اهمیت ویژهای برخوردار است. یکی از روشهای رایج برای کنترل مصرف انرژی دستگاههای حسگر، خوشهبندی است. در این مقاله ما ابتدا به بحث انرژی و خوشهبندی و همچنین ارتباط آنها با یکدیگر پرداخته و سپس مروری بر دستهبندی روشهای خوشهبندی پیشنهاد شده برای بهبود مصرف انرژی انجام میدهیم. در ادامه، مقایسهای از روشهای بیان شده ارائه داده تا بتوان بنابر شرایط و کاربرد مختلف، بهترین تصمیمگیری را در جهت پیادهسازی برای این نوع شبکهها در محیط موردنظر داشته باشیم.
واژگان کلیدی: شبکههای حسگر بیسیم، مصرف انرژی، خوشهبندی، بهبود انرژی
.1 مقدمه
با پیشرفت چشمگیر چند دهه اخیر در تکنولوژی و فناوری اطلاعات، شبکهها، سیستمها، خانهها و مراکز مختلف هوشمندی بوجود آمده و زیرساخت دنیای ما را تشکیل دادهاند. جذابیت این موضوع باعث شده تا افراد بسیاری زندگی خود را برای گسترش این تکنولوژیها صرف کرده تا بتوانند با ایجاد یا بکارگیری تکنولوژی بیشتر، زندگی انسانها را آسانتر سازند. رشد این تکنولوژیها باعث شده تا ما بتوانیم با محیط فیزیکی خود، حتی زمانی که در آن حضور فیزیکی نداریم، ارتباط برقرار کرده، به آن نظارت داشته و در صورت نیاز آن را کنترل کنیم. با رشد مهندسی فناوری اطلاعات و مخابرات داده و همچنین گسترش شبکههای بیسیم، دستگاههایی بوجود آمدند که توانستند با همکاری یکدیگر و با استفاده از شبکههای بیسیم، شبکهای را بوجود آورند که ما امروزه آن را به عنوان شبکههای حسگر بیسیم1میشناسیم.
شبکههای حسگر بیسیم از مجموعه چندین دستگاه کوچکی به نام گره تشکیل شدهاند که میتوانند در محیطهای مختلف قرار گرفته و با توجه به ماهیت و تنظمیات انجام گرفته بر روی آنها، اطلاعاتی را از محیط جمعآوری، پردازش و ارسال کنند. از گرههای دستگاه حسگر معمولا برای پردازش نهایی کاربر استفاده نشده و از اینرو دادههای دریافت شده یا به اصطلاح حس شده از محیط، برای پردازش و بررسی نهایی به ایستگاه اصلی که از آن با عنوان ایستگاه پایه یاد میشود، ارسال میشود. توان مصرفی پایین، اندازه کوچک و قیمت مناسب این دستگاهها تنها بخشی از مزایای آنها بوده که باعث شده از این دستگاهها در محیطهای مختلف نظامی، پزشکی، محیطهای زیر آب، کشاورزی و... - Arampatzis, et al, 2005 - استفاده زیاد شود.
ساختار فیزیکی بکار رفته در دستگاههای حسگر به طور کلی به 4 بخش اصلی: واحد پردازشگر2، واحد ارتباطات3، واحد حسگر4و واحد انرژی، - Akyildiz, et al, 2002 - 5 تقسیمبندی میشود. از آنجایی که هر چیزی در دنیا برای بقای خود نیاز به انرژی دارد، گرههای حسگر هم برای تامین این نیاز از واحد انرژی که از یک باتری با ظرفیت محدود بهره میبرد، استفاده میکنند. به علت ساختار دستگاهای حسگر، قرارگیری در محیطهای خصمانه و یا محیطهایی که امکان دسترسی مجدد به آنها به طور مداوم وجود ندارد، باتری آنها را غیرقابل تعویض و به اصطلاح یکبار مصرف میدانند و با تمام شدن انرژی این باتری، عمر دستگاه حسگر پایان مییابد.
در صورتی که مدیریت درستی در جهت مصرف بهینه این انرژی وجود نداشته باشد، عمر دستگاهها و در ادامه بقای شبکه حسگر ما زودتر پایان میپذیرد. به همین علت، مدیریت انرژی برای این شبکهها یکی از مهمترین و چالش برانگیزترین مسائل مورد توجه در اینگونه شبکههاست. از اینرو روشها و راهکارهای مختلفی با تمرکز بر روی بخشهای مختلف ساختار شبکه - یا حتی ساختار دستگاهها - ارائه شده است. به طور مثال میتوان به نحوه قرارگیری گرهها در شبکه و نوع خوشهبندی آنها، چگونگی انتقال دادهها به گرههای مختلف تا رسیدن به ایستگاه پایه، الگوریتمهای مدیریت چرخه خواب و مواردی از این قبیل - Frye and Cheng, 2009 - اشاره کرد. در هر کدام از این موارد از روشهای خاص استفاده شده تا بتوان انرژی باتری موجود در دستگاههای شبکه و بقای شبکه را کنترل کرد. در بخشهای بعدی به چند مورد از آنها اشاره خواهیم کرد.
در ادامه بحث لازم است به چند سوال که ممکن است در رابطه با موضوع انرژی مطرح شود پاسخ داده شود. شاید اولین سوالی که برای شما پیش بیاید این باشد که چرا از انرژی دستگاهها به عنوان باتری با ظرفیت محدود یاد میشود و نمیتوان این باتری را تعویض کرد؟ برای پاسخ به این سوال، همانطور که پیش از این به آن اشاره شد، دستگاههای حسگر، دستگاههایی با اندازه کوچک هستند و در نتیجه نمیتوان از باتری با حجم بالا در آنها استفاده کرد. همچنین از آنجایی که این دستگاهها عموما در محیطهای غیرقابل دسترس مجدد یا محیطهایی که هزینه دسترسی دوباره به آن به صرفه نیست، استفاده میشوند،بنابراین نمیتوان تضمین کرد که به طور منظم به دستگاهها دسترسی داشت و بتوان باتری آنها را تعویض یا شارژ مجدد کرد.
به طور مثال میتوان به محیطهای عملیاتی نظامی اشاره کرد. در ادامه، به پرسش: چرا با استفاده از انرژیهای دیگر، مانند انرژی خورشیدی، نمیتوان انرژی دستگاهها را مجدد تامین کرد؟ پاسخ میدهیم. باید در ابتدا بگوییم امکان این کار وجود دارد اما فرض کنید که دستگاههای حسگر شما قرار است در محیط زیرآب یا در جنگلهای مملوء از درختانی که باعث میشود انرژی خورشید به سختی یا اصلا به مناطق نرسد، بکار گرفته شود. در نتیجه به هیچ عنوان تضمینی برای بقای مناسب شبکه ما، در صورت عدم وجود مدیریت مصرف انرژی، وجود ندارد. در آخر کار لازم به ذکر است که راهکارهای بیان شده در جهت بهبود مصرف انرژی دستگاههای شبکه حسگر بیسیم با فرض اینکه ایستگاه پایه ما دارای انرژی نامحدود است، مطرح میشود. قبل از شروع بحث انرژی و خوشهبندی نیاز است که با اصطلاحات بکار رفته در بخشهای بعد آشنا شده تا بتوانیم درک درستی از مباحث آن داشته باشیم. این اصطلاحات به صورت زیرند:
.گره حسگر:1 به دستگاه حسگر، به اصطلاح گره حسگر گفته میشود که مولفه اصلی یک شبکه حسگر بیسیم را تشکیل میدهد. گره حسگر نقشهای مختلفی از جمله حس محیط - جمعآوری داده یا کنترل - ، ذخیره داده، مسیریابی و پردازش داده را بر عهده دارد.
.خوشهها:2 زمانی که گرههای حسگر در ویژگیهایی مشابه بوده، میتوان آنها را در یک خوشه قرار داد و در نتیجه خوشهها شکل میگیرند.
.سرخوشه:3 هر خوشه میتواند حداقل یک رهبر داشته باشد که وظیفه آن، جمعآوری دادههای دریافتی از اعضای خوشه بوده و هدایت آن به سمت مقصد بعدی است، به این رهبر سرخوشه میگویند. سرخوشه میتواند از گرههای حسگر معمولی یا گرههای حسگر از قبل مشخص شده با توان انرژی بالاتر انتخاب شود.
.ایستگاه پایه:4 از ایستگاه پایه میتوان به عنوان لایه بالایی شبکه حسگر بیسیم یاد کرد. در واقع این ایستگاه مانند پل ارتباطی بین گرههای حسگر و کاربر نهایی عمل میکند.
.کاربر نهایی:5 در سادهترین تعریف میتوان اینگونه بیان کرد که کاربر نهایی کسی یا دستگاهی است که از اطلاعات شبکه حسگر بیسیم استفاده میکند. در واقع کاربر نهایی است که به شبکه حسگر یک درخواست داده ارسال کرده و شبکه حسگر پاسخ این سوال را جمعآوری کرده و به کاربر نهایی برمیگرداند.
روند کلی شبکههای حسگر بیسیم با بکارگیری خوشهبندی به این صورت است که در ابتدا گرهها توسط الگوریتم خوشهبندی استفاده شده به خوشههایی تقسیمبندی شده و سرخوشههای تعیین میشوند. سپس دادههای محیط توسط گرههای قرار گرفته شده در آن، جمعآوری شده و به سرخوشهها انتقال مییابند. سرخوشهها با انجام مواردی مثل فشردهسازی و ادقام داده، آن را برای ارسال به گره بعدی که میتواند ایستگاه پایه یا گرهای در مسیر رسیدن به مقصد باشد آماده میکنند. پس از دریافت داده ارسالی، در صورتی که گیرنده ایستگاه پایه باشد به تحلیل پاسخ داده شده پرداخته و در غیر این صورت، داده به گره دیگر منتقل شده تا آن گره اطلاعات دریافتی را در مسیر رسیدن به ایستگاه پایه قرار دهد. ایستگاه پایه هم اطلاعات دریافتی را به کاربر نهایی داده تا بتواند از آن استفاده کند. برای تکمیل بحث میتوان به شکل 1 توجه کرد. در این شکل گرههای حسگر، خوشهها، سرخوشهها، ایستگاه پایه و نمونهای از کاربران نهایی نشان داده شده است.
