مقاله روشی برای آگاه از انرژی در شبکه های حسگر بی سیم

بخشی از مقاله

چکیده

درسال های اخیر، روشها و تکنیک های بسیاری برای استفاده بهینه از انرژی در شبکه های حسگر بی سیم ارائه شده است. یکی از چالش های حیاتی در این شبکه ها، محدودیت انرژی است که طول عمر شبکه را به صورت مستقیم تحت تاثیر قرار می دهد. در اکثر روشهای موجود به منظور مصرف کارآمد انرژی در جمع آوری اطلاعات، گره های حسگر بی سیم در شبکه های حسگر بی سیم را خوشه بندی می کنند و برای هر خوشه یک سرخوشه انتخاب می کنند. گره های حسگر هر خوشه، اطلاعات جمعآوری شده خود را به سرخوشه های خود ارسال می کنند و سرخوشه ها بر روی آن اطلاعات پردازش انجام می دهند. سپس آن اطلاعات را به ایستگاه پایه ارسال می کنند. در این مقاله از دو نوع گره به عنوان گره سرخوشه استفاده شده است.

یکی به عنوان گره سرخوشه اصلی و دیگری به عنوان گره سرخوشه جایگزین. علاوهبراین، پروتکل های زیادی برای انتخاب بهترین سرخوشه ارائه شده است که مصرف انرژی را در شبکه های حسگر بی سیم کاهش داده اند. در این مقاله برای بهینه کردن مصرف انرژی، یک روش مبتنی بر منطق فازی با پارامترهای انرژی باقیمانده گره ها، چگالی، نزدیکی به مرکز خوشه و نزدیکی به چاهک، برای انتخاب بهترین سرخوشه ارائه شده است. که باعث کاهش مصرف انرژی کل شبکه و افزایش طول عمر کل شبکه می شود. روش پیشنهادی با استفاده از نرمافزار متلب پیادهسازی شده و با الگوریتم LEACH مورد ارزیابی قرار گرفته است که نتایج شبیهسازی از برتری روش پیشنهادی در مقایسه با روشهای مورد ارزیابی حکایت میکند.

-1 مقدمه

یک شبکهی حسگر بیسیم، شبکهای بیسیم متشکل از تعداد زیادی از دستگاههای بسیار کوچک است که گرههای حسگر نامیده میشوند. گرههای حسگر عموما مجهز به قابلیتهای حسگری، پردازشی و ارتباطی هستند. گرههای حسگر از نظر مکانی توزیع شده بوده و شرایط مربوط به محیط اطراف خود را اندازهگیری میکنند.[13] وظیفهی اصلی گره حسگر، جمعآوری نقاط داده در فواصل زمانی منظم و تبدیل آن به یک سیگنال الکترونیکی و انتشار سیگنال به گره چاهک یا ایستگاه مبنا از طریق رسانههای ارتباطی بیسیم قابل اطمینان است.

با ظهور و تکامل فناوری میکروالکترونیک در دههی هفتاد میلادی، حسگرهای جدید مورد توجه قرار گرفتند. با استفاده از فناوری میکروالکترونیک، حسگرهای ارزان قیمت با ابعاد کوچک و وزن کم تولید شدند. مواد اولیهی جدید برای ساخت حسگرها کشف و شناخته شد و متعاقب آن، اصول جدیدی برای مقاصد عملی جمعآوری اطلاعات مطرح گردید. یکپارچگی حسگر و مدارات الکترونیکی و تغییر شکلدهندهی سیگنال، فرصتهای قابلتوجهی را برای بخش عمدهای از کاربردها پدید آورند .

امروزه کاهش حجم و وزن حسگرها و افزایش میزان حساسیت آنها، هدف اصلی بسیاری از آزمایشگاههای تحقیقاتی و شرکتهای مختلف است.[4] اما کوچک شدن حجم گرههای حسگر به معنای کوچکتر شدن باتریهای مولد انرژی آنان بود. مهمترین دلیل پیدایش و توسعه شبکههای حسگر بیسیم، کاربردهای پایش مداوم محیطهایی بوده است که دستیابی و حضور دائمی انسان در آنها، سخت یا ناممکن است.

کاربردهایی نظیر پایش فوران یک کوه آتشفشان فعال، پایش مناطق مرزی صعبالعبور، پایش استحکام سدها، پلها و جادهها، پایش میدان جنگ یا مناطق حساس نظامی و غیره . در نتیجه معمولا شارژ مجدد یا تعویض گرههای مرده - از کار افتاده به-دلیل اتمام منبع انرژی - امکانپذیر نیست، زیرا همانطور که گفته شد، این گرهها معمولا در محیطها و شرایط سخت، خشن و غیرقابل دسترس قرار گرفته و اغلب بهصورت تصادفی و اقتضایی در محیط پراکنده میشوند.

بنابراین دو نکته در کارایی شبکههای حسگر از اهمیت خاصی برخوردار است: یکی طول عمر و دیگری میزان پوشش شبکهای این شبکهها. از آنجایی که کاربردهای پایشی اصولا کارهای زمانبری هستند، انتظار میرود که طول عمر شبکههای حسگر به حد کافی طولانی باشد. لیکن اگر فضای کل شبکه را به نواحی مجازی تقسیم کنیم، معمولا در هر ناحیه چندین گره حسگر قرار خواهد گرفت. بنابراین در صورت مرگ برخی از گرههای یک ناحیه، گرههای دیگر میتوانند پوشش شبکهای را تا حدی حفظ کنند.

روشهای کاهش مصرف انرژی مبتنی بر معماری شبکه های حسگر بی سیم

در شبکه های حسگر بی سیم، نحوه قرار گرفتن اجزای شبکه برای بهینه سازی منابع شبکه، در دسترس بودن لینک، ارائه کیفیت سرویس و کیفیت تجربه مهم می باشد. پس معماری دقیق و کارآمد شبکه حسگر بی سیم، می تواند مصرف انرژی و طول عمر شبکه را افزایش دهد. که تعدادی از روش های مبتنی بر معماری را مورد بررسی قرار می دهیم. اتصال شبکه های موردی بی سیم برای خدمات اضطراری امدادرسانی در هنگام فاجعه در[2]ترکیب شبکه های موردی بی سیم متحرک - - MANETبا ماهواره را توسعه داده اند. که اتصال محلی یک محیط بسیار متحرک، پویا و از راه دور را برای خدمات اضطراری امداد رسانی در هنگام بروز فاجعه از جمله: آتش سوزی در جنگل، نجات از کوه و نجات از ساحل و غیره را فراهم می کند.

در این نوع شبکه های ترکیبی، چالش های مهمی از جمله: بهینه سازی منابع شبکه و در دسترس بودن لینک، کیفیت سرویس ، کیفیت تجربه، به حداقل رساندن هزینه و به حداکثر رساندن بهره وری انرژی، تاثیرآن بر هر دو شبکه موردی بی سیم متحرک و بخش های ماهواره ای وجود دارد. ماهواره یکی از راه حل ها برای فراهم کردن اتصال از راه دور با سایر نقاط جهان است. هردو خدمات ماهواره ای ثابت FSS و خدمات ماهواره ای تلفن همراه MSS می تواند اتصالات پهنای باند به اینترنت، امکان تبادل صدا، داده و تصویر، تقویت کننده پیام های کنترل و داده مراکز خدمات شبکه های موردی بی سیم متحرک را فراهم کند.

شبکه های موردی بی سیم توسط توپولوژی پویا، پهنای باند محدود، محدودیت های مصرف انرژی، امنیت فیزیکی محدود و مدیریت توزیع شده مشخص شدند. در این تحقیق، راه حل ها بر روی لینک و لایه های شبکه متمرکز شده است. حرکت تصادفی گره ها در یک شبکه موردی بی سیم، آن احتمال وجود دارد که در برخی از قسمت ها در شبکه های بی سیم اتصالی برقرار نشود. هر دو ماهواره ثابت یا ماهواره غیر ثابت می تواند به عنوان یک شبکه با دامنه محدود در نظر داشته باشد.

بررسی مدیریت متمرکز در مقابل توزیع شده و یا شبکه مختلط و سازماندهی مجدد و همچنین تعیین روش های تصمیم گیری - دستی یا اتوماتیک - چالش دیگری برای نشان دادن آدرس تشکیل می دهد. مسائلی مانند اتصال / قطع اتصال از نقاط دسترسی ماهواره - به عنوان مثال، برای ذخیره انرژی و یا برای افزایش توان - و همچنین انتخاب نقاط دسترسی ماهواره - تحویل افقی - در میان سؤالات مورد توجه شمارش شدند.

تمرکز اصلی مقاله، بهینه سازی عملکرد شبکه و مسیریابی می باشد. یک روش مسیریابی هوشمند، چندین هدف مانند: موازنه بار، صرفه جویی در انرژی، هزینه ارتباطات و تحمل خطا را دنبال می کند. ارتباط این اهداف نیز به ویژگی های خدمات مسیریابی وابسته است. علاوه براین، وابسته به حالات کاربرد، خدمات خاص مورد نیاز در دوره کیفیت سرویس، امنیت و انعطاف پذیری تضمین شده باشد.

الگوریتم پیشنهادی براساس ترافیک جاری شبکه، پیکربندی، آمار ترافیک شبکه تصمیم می گیرد. در این راه، بهترین تصمیم مسیریابی را به حساب خواهد آورد. معماری شبکه یکپارچه و توابع مبتنی بر نیاز ها از خدمات اورژانس و امداد رسانی در هنگام بروز فاجعه نیز درحالت هایی نشان داده شده است. شبکهMANET و ماهواره را برای کاهش مصرف انرژی و کم کردن فاصله بین گره ها با یکدیگر ترکیب نموده است.

بدین صورت که گرههای داخل شبکهMANET را خوشه بندی میکند و گرهی را بعنوان سرخوشه برای هر خوشه انتخاب می کند. که آن گره نزدیکترین فاصله را با گره های دیگر داخل خوشه و کمترین فاصله را با ماهواره داشته باشد. سپس از طریق سرخوشه به ارسال و دریافت اطلاعات می پردازد. در این سیستم هدف کوتاهترین مسیر می باشد. از معایب سیستم پیشنهادی، این است که کوتاهترین مسیر به صورت توزیع شده نیست. بنابراین در صورت خرابی یک قسمت از سیستم، کل مجموعه به مشکل برخورد می کند..

روشهای کاهش مصرف انرژی مبتنی بر تحلیل و مدلسازی

مصرف انرژی و مدل سازی انرژی، موضوعات مهمی در طراحی و اجرای شبکه های حسگر بی سیم هستند که به طراحان کمک میکنند تا مصرف انرژی گره های حسگر بی سیم را در شبکه های حسگر بی سیم بهینه سازند. آگاهی بهتر از منابع مصرف انرژی در شبکه های حسگر بی سیم، اولین مرحله برای کاهش مصرف انرژی است. بنابراین، یک مدل انرژی دقیق به منظور ارزیابی پروتکل های ارتباطی لازم است. که تعدادی از مدل های تحلیلی مصرف انرژی در شبکه های حسگر بی سیم را مورد بررسی قرار می گیرد.

مدل تحلیلی از مصرف انرژی در شبکه های حسگر بی سیم خوشه بندی شده در[2]یک مدل تحلیلی برای ارزیابی مصرف انرژی از نظر انتقال داده ها، دریافت و انباشت در ساختار شبکه های حسگر بی سیم مبتنی بر خوشه بندی را با استفاده از مدل صف M/M/1 مطرح شده. به منظور محاسبه انرژی مصرف شده برای انتقال داده ها به گره سینک، هر گره را براساس صف ساده M/M/1 الگوسازی مینماید. در مدل پیشنهادی، گره های حسگر بی سیم بصورت دوره ای محیط را حس کرده و داده های حس شده را به گره سرخوشه می فرستند. گره سرخوشه پس از دریافت داده ها، آنها را انباشته کرده و نتیجه را به گره سینک میفرستد.

در مدل تحلیلی مصرف انرژی با انباشت داده ها، مصرف انرژی در گره های حسگر بی سیم، مصرف انرژی در گره های سرخوشه و مصرف انرژی در گره سینک محاسبه می شود. در نهایت، کل انرژی مصرف شده در شبکه محاسبه می شود. سپس نتایج بدست آمده در مدل تحلیلی مصرف انرژی با انباشت داده ها را با نتیجه بدست آمده در مدل تحلیلی مصرف انرژی بدون انباشت داده ها مقایسه میگردند. پس از مقایسه نتیجه دو مدل تحلیلی مصرف انرژی، میتوان دید که مصرف انرژی درمدل مصرف انرژی با انباشت داده ها در بهترین حالت 25 درصد کاهش می یابد. همچنین برای احتمال حذف کمتر از 0/8، مصرف انرژی برای شبکهای با انباشت داده ها، بیشتر از شبکهای بدون انباشت داده ها است.

با این حال، آن مقادیر مبتنی بر پارامتر های پژوهش هستند و ممکن است در پژوهش دیگری با پارامترهای متعدد در شبکه های حسگر بی سیم متفاوت باشند. با توجه به اینکه در روش پیشنهادی از شبکه های صف استفاده شده است و تنظیم مقدار دقیق صف خیلی سخت می باشد این الگو باید از سربارهای موجود در صف اطلاع داشته باشد و میزان الویت بسته ها را شناسایی کرده باشد تا بتواند به راحتی به تبادل اطلاعات بپردازد.

تجزیه و تحلیل مصرف انرژی و طول عمر برای شبکه های حسگر بی سیم:

در [4] تحقیقات زیادی در زمینه مدل سازی انرژی شبکه های حسگر بی سیم انجام شده است. ولی در تمامی تحقیقات در زمینه مدل سازی انرژی شبکه های حسگر بی سیم، منبع مهم مصرف انرژی مثل سربار لایه فیزیکی و خطای کانال را نادیده گرفته اند. در روش پیشنهادی، پارامترهای لایه فیزیکی با تعیین انرژی مصرف شده در هر بیت بار پرداختی منتقل شده بدون خطا در سراسر کانال - AWAG - در نظر گرفته می شود. توان انتقال را طوری انتخاب می کند تا به ارتباطات مقرون به صرفه از نظر مصرف انرژی در سراسرکانال AWAG دست یابد و همچنین، برای هر طرح مدولاسیونی، توان انتقال بهینهای وجود دارد که در آن مصرف انرژی به حداقل میرسد.

مدل مطرح شده میتواند برای تحلیل مصرف انرژی شبکه حسگر بی سیم به منظور ارزیابی پروتکل های ارتباطی به کار رود و نیز میتواند برای برآورد مصرف انرژی و زمان عمر شبکه که برای حسابداری انرژی آنلاین استفاده میشود، به کار رود. در نهایت، مدل مصرف انرژی مطرح شده را با دیگر مدل ها مقایسه مینماید. در نتیجه، ابتدا مولفه های مصرف انرژی گره حسگر را تحلیل نموده، سپس، با ارائه مدل مصرف انرژی مطرح شده ادامه میدهد که ویژگی های ساختار بسته و خطای کانال را با هم ادغام میکند.

نشان میدهد که حداقل مصرف انرژی و زمان عمر حداکثری میتوانند با بهینه سازی انرژی سیگنال منتقل شده به دست آیند. دلایل اصلی برای این تنوع، کاربرد مدل انرژی جامع تر با برآورد واقع بینانهتر انرژی دستگاه فرستنده و گیرنده هستند و پارامترهایی را در نظر میگیرد که در این مدل ها گنجانده نشدهاند. در این روش نشان داده شده که میانگین مصرف انرژی در هر واحد زمانی در واحد دستگاه فرستنده و گیرنده دارای حداقلی با توجه به انرژی انتقال است.

روش پیشنهادی

در روش هایی که گره های حسگر بی سیم راخوشه بندی نمی کنند. گره های حسگر بی سیم داده های خود را مستقیما به ایستگاه پایه ارسال می کنند که در این صورت نقطه داغ بوجود می آید و گره های حسگر بی سیم، انرژی خود را سریعتر از دست می دهند. با توجه به ارائه روش پیشنهادی و استفاده از روش خوشهبندی fcm و منطق فازی، دلایل زیادی برای استفاده از روشهای مورد نظر میتوان ارائه نمود. خوشه بندی fcm به دلیل اینکه دارای خروجی مناسب برای موقعیتهای دو بعدی است و همچنین همواره همگرا میشود پس کارایی مناسبی برای روش پیشنهادی دارد.استفاده از منطق فازی در این روش به این خاطر است که با توجه به اینکه برای انتخاب سرخوشه مناسب از پارامترهای چهار گانه استفاده شده است.