بخشی از مقاله
چکیده
با پیشرفت شبکههای مخابرات بیسیم، شبکههای حسگر از سالهای گذشته به طور گستردهای مورد مطالعه قرار گرفتهاند. یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گرههای حسگر است که در یک محیط بهطور گسترده پخش شده و به جمعآوری اطلاعات از محیط میپردازندلزوماً. مکان قرار گرفتن گرههای حسگر، از قبلتعیینشده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم میآورد که بتوانیم آنها را در مکانهای خطرناک یا غیرقابل دسترس رها کنیم. جمعآوری داده یکی از کارهای مهم در شبکههای حسگر بیسیم است. میتوان عملیات جمعآوری داده را با استفاده از چاهک متحرک انجام داد. گره-های حسگر از نظر حافظه، پردازش و باتری دارای محدودیت هستند.
با توجه به کمبود حافظه، به منظور کاهش نرخ از دست رفتن دادهها چاهک باید دادهها را به موقع از دروازهها جمعآوری نماید. در این مقاله روشی جهت اولویتبندی حرکت چاهک بر اساس حجم دادهها ارائه شده است. نتایج شبیهسازی انجام شده نشان میدهد که نرخ از بین رفتن بستهها در حالت اولویت-بندی نسبت به حالت بدون اولویت به میزان قابل قبولی کاهش یافته است. برای ارزیابی میزان انرژی مصرفی و درصد گرههای زنده، روش پیشنهادی را با Z-DDS، Somasudara et al، mobicluster و static LEACH مقایسه کردیم، نتایج بدست آمده نشان میدهد روش پیشنهادی عملکرد بهتری نسبت به سایر روشها دارد.
مقدمه
شبکههای حسگر بیسیم شامل تعداد زیادی گره حسگر بیسیم میباشد که میتوانند بصورت تصادفی در محیط قرار بگیرند و برای بازبینی رویدادها یا مسیریابی در یک منطقه با یکدیگر همکاری کنند. گره حسگر که واحد اصلی شبکههای حسگر بیسیم است شامل واحد حسگر واحد ارتباطی، واحد میکروکنترلر و واحد حافظه و توان است. از جمله محدودیتهای این نوع از شبکهها انرژی مصرفی، محدوده ارتباطی کوتاه، پهنای باند کم، پردازش محدود و میزان حافظه هر حسگر میباشد. واحد پردازش داده، شامل یک پردازنده کوچک و یک حافظه با ظرفیت محدود است که دادهها را دریافت و بسته به کاربرد موردنظر، پردازش محدودی روی آنها انجام میدهد و از طریق فرستنده ارسال میکند.
در شبکههای حسگر بیسیم، منبع انرژی فراهم شده برای حسگرها معمولا توان باتری است. بنابراین برای اینکه حسگرها برای مدت طولانی بتوانند کارکنند نیاز به شارژ مجدد دارند. حسگرها اغلب برای کار کردن در محیطهای متعلق به دشمن یا مناطق دور مثلا میدان جنگ یا بیابانها استفاده میشوند. بنابراین شارژ مجدد آنها یا جایگزینی توان باتری همه حسگرها غیرممکن یا نامطلوب است. بنابراین در این شبکهها باید از ارسال مجدد دادهها توسط حسگرها جلوگیری شود تا انرژی مصرفی کاهش یابد.
یکی از مسائلی که در این شبکهها مورد توجه قرار میگیرد پر شدن حافظهی دروازه و از بین رفتن دادههای جدیدالورود میباشد. بنابراین اگر حرکت چاهک متحرک به نواحی مبتنی بر میزان دادههای جمعآوری شده از حسگرها باشد، دادهها به موقع و پیش از پر شدن حافظه دروازه، توسط چاهک جمع-آوری میشوند و دادههای جدیدالورود از بین نمیروند در نتیجه بستههای کمتری از بین خواهد رفت و کارایی افزایش مییابد.
از جمله کاربردهای این مقاله میتوان به شبکههای حسگر دوربین اشاره کرد. این شبکهها به دلیل پردازش دادههای چندرسانهای، در مقایسه با پردازش دادههای برداری پیچیدهتر بوده و به منابع سختافزاری بیشتری، از جمله پردازشگر قویتر و بافر بزرگتر نیاز دارد. دوربینها در طول زمان مقدار زیادی داده تولید میکنند که در بعضی مواقع باید برای آنالیزهای بعدی ذخیره شوند. بنابراین گرههای دوربین باید به یک حافظه با ظرفیت بزرگ برای ذخیره داده مجهز باشند. از آنجایی که ظرفیت این حافظهها سریع پر میشود باید چاهک سریعتر دادههای ناحیه مورد نظر را جمعآوری کند تا دادههای جدیدالورود از بین نروند.
در شبکه نوع خاصی حسگر وجود دارد که چاهک نامیده میشود. چاهک مسئول دریافت اطلاعات و مدیریت رفتار شبکه است و نقش مهمی در شبکههای حسگر بیسیم بازی میکند. چاهک میتواند به صورت ثابت یا متحرک باشد. شبکه میتواند یک یا چند چاهک داشته باشد. در این مقاله چاهک براساس میزان دادهی جمعآوری شده توسط دروازه در یک ناحیه، اولویتبندی میشود تا چاهک به موقع به هر ناحیه رفته و دادهها را جمعآوری کند و دادههای جدیدالورود از بین نروند.
چاهک متحرک میتواند یا بین چندین موقعیت از پیش تعریف شده پرش کند یا همواره روی یک مسیر بهینه که از طریق مدل جغرافیایی بار ترافیکی بدست میآید، حرکت کند. در این روش چاهک متحرک پیرامون شبکه حرکت میکند، حسگرها نیز بطور پیوسته موقعیت چاهک را ردیابی و بستههایشان را از طریق ارتباط چندگامه به چاهک ارسال میکنند. این روش چند عیب اساسی دارد: - 1 چاهک متحرک باید حول شبکه حرکت کند تا طول عمر شبکه را حداکثر نماید - 2 همه نودهای شبکه باید از مکان فعلی چاهک متحرک آگاه باشند تا بتوانند اطلاعات را به سمت آن هدایت کنند. دسته دیگری از روشهای حفظ انرژی، استفاده از الگوریتمهای کنترل جریان برای یافتن مسیرهای حفظ انرژی بهینه است.
کارهای مرتبط:
در برخی مطالعات انجام شده، گرههای متحرک به عنوان چاهکهای متحرک برای ذخیره انرژی استفاده میشدند. Khan و همکارانش، الگوریتمی ارائه دادند که تعدیل مسیر پویا مبتنی بر گرید مجازی نامیده میشود و برای شبکههای حسگر بیسیم است، جاییکه چاهک، متحرک و سایر گرهها ایستا هستند. مسیر حرکت چاهک از پیش تعیین میشود. ایده اصلی در این روش ساختن یک زیربنای مجازی است. ابتدا، شبکه به چند قسمت مساوی تقسیم میشود. اندازه این قسمتها قبل از شروع شبکه تعیین میشود. منطقه مربعی به مربع-های کوچکتر تقسیم میشود. پس از تقسیم شبکه به مربعهای فرضی، هر منطقه یک سلول نامیده میشود و یک حسگر به عنوان سرسلول انتخاب میشود.
انتخاب سرسلول بر مبنای فاصله اقلیدسی از مرکز منطقه است؛ حسگری که به مرکز نزدیکتر است بعنوان سرسلول انتخاب میشود. دادهها از سایر اعضای سلول جمعآوری و به سرسلول همسایه ارسال میشوند تا به سمت چاهک هدایت شوند. چاهک در امتداد حرکتش، سرسلولها را از موقعیتش مطلع میکند و سپس سرسلولهایی که در همسایگی چاهک هستند موقعیت چاهک را به سرسلولهای دیگر ارسال میکنند. مزیت اصلی این روش بر توابع دیگر، تعداد پیامهای کنترلی برای زیربنای مجازی است که کمینه میشود و کمترین انرژی برای ساختار درخت مصرف میشود، که این روش را در مقایسه با سایر روشها بهبود میدهد.
اگرچه، فرض میشود مسیر چاهک بیرون از منطقه است و گرهها را مجبور میکند که فاصله زیادی را طی کنند تا اطلاعاتشان را به چاهک ارسال کنند - . - Khan et al, 2015 Salarian و همکارانش یک الگوریتم اکتشافی برای مسیریابی چاهک متحرک در شبکههای حسگر بیسیم پیشنهاد دادهاند. در روش پیشنهادی، مجموعهای از گرهها بعنوان نقاط پاتوق در نظر گرفته شده است و سایر نقاط باید دادههایشان را به این نودها ارسال کنند. سپس چاهک متحرک یک دور بهینه که شامل نقاط پاتوق است، مییابد.
یافتن یک دور بهینه مسئله NP-hard است. بنابراین برای برخورد با این مسئله یک اکتشاف که طرحریزی پاتوق وزندار نامیده میشود پیشنهاد شده است. سپس چاهک متحرک در این دور حرکت میکند و دادهها را از نقاط پاتوق دریافت میکند. نتایج نشان میدهد که این روش مصرف انرژی را متعادل میکند و بهبود می-بخشد. در اینجا الگوریتم WRP برای حل مسئله NP-hard آورده شده است که تضمین نمیکند یک دور بهینه شده تولید شود. این پروتکلِ پیشنهاد شده در برخی پیادهسازیها تأخیر بزرگی ایجاد میکند. - Salarian et al, 2014 -
Mishraوهمکارانش یک الگوریتمِ طراحیِ مسیر بهینه برای چاهک متحرک در شبکههای حسگر بیسیم پیشنهاد دادهاند. این روش مبتنی بر نقطه پاتوق - RP - است. منطقه هدف به سلولهای شش گوشه تقسیم میشوند که مراکز آنها به عنوان موقعیتهای عامل نقاط پاتوق در نظر گرفته میشوند. این موقعیتهای عامل بر اساس چندین پارامتر شبکه برای انتخاب کمترین تعداد نقاط پاتوق به حداقل می-رسد تا مسیر تعیین تأخیر را شکل دهد. گرههای حسگر باید دادههایشان را به نقاط پاتوق ارسال کنند و سپس چاهک متحرک نقاط پاتوق را ملاقات میکند تا دادههای آنها را جمعآوری کند.
Kaswan و همکارانش، الگوریتمی برای طراحی مسیری کارآمد برای چاهک متحرک در شبکههای حسگر بیسیم پیشنهاد دادهاند که برای کاربردهایی که محدودیت تأخیر دارند قابل اجرا است. الگوریتم برمبنای نقاط پاتوق است. چاهک متحرک نقاط پاتوقی که از قبل تعیین شدهاند را ملاقات میکند. الگوریتم پیشنهادی این نقاط پاتوق را بر اساس بار مسیریابی تعیین میکند. - Kaswan et al, 2016 - Kinalis و همکارانش، یک الگوریتم مسیریابی در شبکههای حسگر بیسیم پیشنهاد دادهاند که از چاهک متحرک استفاده میکند. شبکههای حسگر بیسیم در این مقاله شامل چاهک متحرک است. مسیر چاهک متحرک احتمالی است.
