بخشی از مقاله
چکیده
شبکههای حسگر بیسیم شامل تعداد زیادی گرههای حسگر بسیار کوچک هستند که شرایط محیطی که در آن پخششدهاند را اندازهگیری میکنند. وظیفه حسگرها، جمعآوری دادهها و تبدیل آن به یک سیگنال الکترونیکی و انتشار سیگنال جهت پردازش به ایستگاه پایه از طریق رسانههای ارتباطی بیسیم قابل اطمینان است. یکی از چالشهای این شبکهها محدودیت در منابع انرژی به دلیل تغذیه حسگرها از باتریهای کوچک با انرژی پایین است.
از راههای کاهش مصرف انرژی، استفاده از خوشهبندی میباشد، بدینصورت که گرهها در خوشههایی دستهبندی میشوند، در هر خوشه یک گره بهعنوان سر خوشه انتخاب میشود. گره سرخوشه وظیفه تبادل اطلاعات را با ایستگاه پایه دارد و دیگر گرهها برای برقراری ارتباط با ایستگاه پایه از گره سرخوشه بهعنوان واسط استفاده میکنند و تمامی اطلاعات هر خوشه توسط سرخوشه به ایستگاه پایه انتقال داده میشود.
در این مقاله جهت بهبود مصرف انرژی در این شبکهها پروتکل LEACH را با استفاده از هوش مصنوعی پیشنهاد شده است. برای تحقق این هدف در روش پیشنهادی پنج فاکتور سطح انرژی گره، تعداد همسایهها، مرکزیت، فاصله گره با ایستگاه پایه و تعداد دورهایی که گره سرخوشه نبوده در چهارچوب منطق فازی برای انتخاب سرخوشه بکار گرفته شده است. انتخاب این فاکتورها و انتخاب گرهای که دارای این پارامترها باشد بهعنوان سرخوشه موجب بهبود انرژی در شبکه شده و طول عمر شبکه را میدهد.. نتایج شبیهسازی روش پیشنهادی با استفاده از شبیهساز NS-2 نشاندهنده عملکرد خوب روش پیشنهادی تحت عنوان FLECH در معیارهای طول عمر شبکه و تعداد گرههای زنده تا پایان طول عمر شبکه میباشد.
مقدمه
شبکههای حسگر بیسیم که برای نظارت و کنترل یک محیط خاص مورد استفاده قرار میگیرند، از تعداد زیادی گره حسگر ارزان قیمت تشکیل شدهاند که بهصورت متراکم در یک محیط پراکنده میشوند . - Akkaya et al, 2005 - این گرهها انرژی، قدرت پردازش و حافظهی محدودی دارند. طول عمر شبکه بستگی به طول عمر گرهها دارد، بهطوریکه با پایان پذیرفتن انرژی یک گره طول عمر شبکه پایان میپذیرد. لذا چون منبع انرژی گرهها - باتریهای کوچک - قابل تعویض یا شارژ مجدد نیستند - حالتی را در نظر بگیرید که حسگرها در محیطی خشن که امکان ورود و نفوذ انسان ممکن نیست - در سالهای اخیر بحث کارا کردن انرژی در شبکههای حسگر بیسیم همواره موردتوجه محققان زیادی در این زمینه بوده است - Al-Karak et al, 2004 - و . - Akyildiz et al, 2002 -
وظیفه حسگرها جمعآوری و پردازش اطلاعات در محیطی میباشد که بهصورت تصادفی پخششدهاند. اطلاعات جمعآوریشده بهوسیله حسگرها باید به یک ایستگاه پایه منتقل شوند. در ارسال مستقیم، هر حسگر مستقیماً اطلاعات را به مرکز ارسال میکند که به دلیل فاصله زیاد حسگرها از مرکز، انرژی زیادی مصرف میکنند. اگر هر گره دادههایش را بهطور مستقیم به سینک ارسال کند، انرژی زیادی مصرف میشود. به دلیل اینکه مقادیر حس شده توسط گرههای نزدیک کمی متفاوت است، احتمال افزونگی در دادههای انتقالی وجود دارد.
در مقابل طراحیهایی که فواصل ارتباطی را کوتاهتر میکنند، میتوانند دوره حیات شبکه را طولانیتر کنند. لذا ارتباطهای چند گامی در اینگونه شبکهها مفیدتر و مقرونبهصرفه تر از ارتباطهای تک گامی هستند؛ اما در ارتباطهای چند گامی نیزبیشترِ انرژی نودها صرف ایجاد ارتباط با حسگرهای دیگر میشود، که منجر به مصرف زیاد انرژی در حسگرها میگردد . - Breckling et al, 1989 - یکی از راهحلهای این مشکل، خوشهبندی گرهها است.
خوشهبندی کردن به این صورت است که شبکه را به تعدادی خوشههای مستقل قسمتبندی میکنیم که هرکدام یک سرخوشه دارند که همه اطلاعات را از گرههای داخل خوشهاش جمعآوری میکند. سپس این سرخوشهها اطلاعات رامستقیماً یا بهصورت گام به گام با تعداد گامهای کمتر وصرفاً با استفاده از گرههای سرخوشه به مرکز اصلی ارسال میکنند. خوشهبندی کردن میتواند به میزان زیادی هزینههای ارتباطی اکثر گرهها را کاهش دهد.
همانطور که اشاره شد، انرژی زیادی برای ارسال دادهها به سینک مصرف میشود. درنتیجه، گرههای سر خوشه با چالش کاهش سریع انرژی مواجه میشوند. بهمحض اینکه سرخوشه کند شود، قسمتی یا کل شبکه از کار میافتد. یک روش جلوگیری از این مسئله این است که گرههای سرخوشه، به منبع انرژی قابل تعویض یا قابل شارژ مجهز شوند - کهقبلاً ذکر شد که باتری گرهها در بعضی محیطها قابل شارژ مجدد یا تعویض نیستند - . روش دیگر تغییر مداوم سرخوشهها بین گرههای شبکه است تا مصرف انرژی در شبکه توزیع شود. این موضوع بیانگر این است که انتخاب بهینه گره سرخوشه یکی از چالشهای مهم خوشهبندی در شبکههای حسگر بیسیم است . - Dastgheib et al, 2011 -
خوشهبندی گرهها
وظیفه اصلی گرههای شبکه حسگر،جمعآوری اطلاعات از محیطی است که در آن قرار میگیرند. ازآنجاییکه یکی از مهمترین دلایل مصرف انرژی گرهها، انتقال دادهها میباشد و توان ارسال اطلاعات بهصورت بیسیم با توان دوم یا بالاتر مسافت رابطه مستقیم دارد، ارسال مستقیم هر گره حسگر به ایستگاه اصلی به دلیل فاصله زیاد بعضی از گرهها از ایستگاه اصلی باعث مصرف انرژی زیادی از گرهها میگردد. درنتیجه طرحهایی که فواصل ارتباطی گرهها را کوتاهتر کند، میتواند مصرف انرژی را در آنها کاهش داده و باعث افزایش طول عمر شبکه حسگر گردد - Myoung Kim et al, . - 2008
حالت ایدهآل در شبکه حسگر بهگونهای است که انرژی همه گرهها باهم به پایان برسد، لذا برای افزایش طول عمر شبکه سعی میشود توزیع بار در شبکه یک توزیع یکنواخت باشد تا فاصله زمانی بین مرگ اولین گره و آخرین گره حداقل گردد. جهت رسیدن به این هدف، تاکنون پروتکلهای ارتباطی متعددی ارائهشده که در این بین پروتکلهای مبتنی بر خوشهبندی بهطور قابل توجهای انرژی مصرفی شبکه را کاهش میدهد . - Chiu et al, 2011 -
خوشهبندی کردن به این صورت است که کل شبکه به چندین گروه مستقل که هرکدام یک خوشه نامیده میشوند افراز میگردد و هر گره دریکی از خوشهها قرار میگیرد که یکی از این گرهها در هر خوشه بهعنوان سرخوشه انتخاب میشود. وظیفه سرخوشه این است که همه اطلاعات را از گرههای داخل خوشهاش جمعآوری نموده و سپس این اطلاعات را بهصورت مستقیم یا با استفاده از سایر گرههای سرخوشه به ایستگاه اصلی ارسال میکند. بدین ترتیب خوشهبندی میتواند به میزان قابل توجهای هزینههای ارتباطی اکثر گرهها را کاهش دهد.
پروتکل LEACH
یکی از معروفترین پروتکلهای مسیریابی خوشهای، پروتکل سلسله مراتبی خوشهبندی انطباقی با انرژی پایین - LEACH - است. این پروتکل بهطوری محسوسی با استفاده از تکنیک خوشهبندی طول عمر شبکه را افزایش میدهد. عملیات LEACH متشکل از چندین دورو هر دور شامل دو مرحلهی نصب و حالت پایدار میباشد. در هر مرحلهی نصب، خوشهها سازماندهی و سرخوشهها - CH - انتخاب میشوند.
هر حسگرn یک عدد تصادفی بین 0 و1 تولید میکند اگر این عدد از T - n - تعریفشده توسط معادله زیر باشد آنگاه حسگر n بهعنوان سرخوشه انتخاب میشود - Vanheel et al, در این رابطه p درصد دلخواه از CH است، r دور فعلی و G مجموعه گرههایی که بهعنوان سرخوشه در1/P دور قبل انتخاب نشدهاند را تعین میکند. پس از انتخاب سرخوشه، CH یک پیغام تبلیغاتی میفرستد و دیگر گرهها، نزدیکترین سرخوشه را بر اساس قدرت سیگنال دریافتی انتخاب میکنند. با وجود اینکه LEACH قادر به افزایش طول عمر شبکه است اما دارای مشکلاتی است.
