بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از چالشهای مهم در استفاده از شبکههای حسگر بیسیم، محدود بودن منابع انرژی حسگرها و عدم دسترسی آسان و همیشگی به گرهها جهت تعویض باتری آنها است که این چالش در شبکههای با ابعاد بزرگ و چگالی بالای گره از اهمیت زیادی برخوردار است. از این رو در شبکههای حسگر بیسیم استفاده از روشهایی که به کاهش مصرف انرژی باتری گرهها و افزایش طول عمر شبکه که در نهایت به بهبود عملکرد شبکه حسگر میانجامد، مورد توجه قرار گرفته است.
استفاده از ساختارهای سلسله مراتبی 1به جای ساختارهای تخت، استفاده از ارسال چند پرشی2داده به مرکز به جای ارسال مستقیم و یا تک پرشی3، استفاده از گرههای ناهمگن4 در شبکه و استفاده از ساختارهای خوشهبندی5 در سطح شبکه از جمله اقداماتی است که جهت بهینه کردن مصرف انرژی در شبکههای حسگر طی سالهای اخیر پیشنهاد شده است. پروتکل 6LEACHیکی از اصلیترین روشهایی است که با استفاده از خوشهبندی گرهها و ایجاد یک شبکه سلسله مراتبی در جهت کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه تلاش کرده است. در این مقاله، با استفاده از روش جدید خوشهبندی در ساختار سلسله مراتبی و انتخاب سرخوشه با استفاده از معیار انرژی و فاصله سرخوشه تا گرههای همسایه و مرکز سعی شده است که شیوه خوشهبندی را ارتقاء بخشیده و میانگین طول عمر گرههای شبکه و مصرف انرژی آنها را تا حد زیادی بهبود ببخشیم.
.1 مقدمه
شبکه حسگر بیسیم شبکهای متشکل از تعدادی حسگر با هزینه و توان پردازشی و مصرفی پائین میباشد که یا به صورت دستی و یا به صورت تصادفی در یک منطقه از محیط قرار گرفتهاند تا اطلاعات مورد نظر کاربر را از محیط اطراف خود دریافت کرده و به مرکز ارسال کنند. به دلیل محدود بودن منابع انرژی در گرهها، توسعه این شبکهها برای طولانی مدت با مشکل همراه است. لذا استفاده از الگوریتمها و پروتکلهایی که بتوانند به افزایش طول عمر شبکه کمک کنند در طراحی شبکههای حسگر بسیار حائز اهمیت است.
یکی از مهمترین مسائل قابل بحث در شبکههای حسگر بیسیم، چگونگی انتقال اطلاعات از گرههای داخل شبکه به ایستگاه پایه و انتخاب بهترین مسیر ممکن برای انتقال این اطلاعات میباشد. یک روش بسیار ساده برای انجام این کار آن است که هر گره حسگر، داده را به صورت مستقیم با ایستگاه پایه مبادله کند که این امر منجر به مصرف زیاد انرژی به خصوص در شبکههای گسترده و پر جمعیت شده و شبکه با افت شدید انرژی همراه خواهد بود.
در مقابل پروتکلهای مسیریابی در ساختارهای سلسله مراتبی نسبت به روشهای ارسال مستقیم مصرف انرژی کمتری را به شبکههای حسگر بیسیم تحمیل میکنند و از این جهت طول عمر شبکه افزایش مییابد. یکی از روشهای بهینه برای ارسال و دریافت داده، استفاده از پروتکل بر اساس خوشهبندی LEACH است که در این روش به جای ارسال مستقیم دادههای هر گره به سمت مرکز، تعدادی از گرهها با هم تشکیل خوشه میدهند و هر خوشه توسط یک سرخوشه با مرکز ارتباط برقرار میکند.
این روش نسبت به روش ارسال مستقیم از نظر مصرف انرژی و طول عمر شبکه عملکرد بهتری دارد. عملکرد LEACH به دو فاز ایجاد خوشه و فاز حالت پایدار تقسیم میشود. در فاز اول، خوشهبندی به این صورت است که تعدادی گره در ابعاد مشخصی از فضا به صورت تصادفی پخش میشوند. در ابتدا برای شروع خوشهبندی، هر گره برای سرخوشه شدن در هر اجرای از برنامه تصمیم میگیرد. این تصمیم بر اساس درصد پیشنهادی از قبل تعیین شده سرخوشهها برای شبکه و تعداد دفعاتی که هر گره در آینده سرگروه میشود خواهد بود. تصمیمگیری به این صورت است که هر گره یک عدد تصادفی بین 0 و 1 انتخاب میکند.
سرخوشه نشدهاند. در ادامه، گرهها به نزدیکترین سرخوشه در اطراف خود متصل میشوند. در اینجا فاز خوشهبندی به پایان رسیده و فاز حالت پایدار با ارسال داده از گرهها به سمت سرخوشهها شروع میشود و سرخوشه بعد از انجام ادغام داده و حذف فاکتورهای اضافی و تکراری، داده را به مرکز ارسال میکند.[1] در این روش انتخاب سرخوشه کاملاً تصادفی خواهد بود و در این انتخاب توجهی به میزان انرژی گرههای شبکه نمیشود در نتیجه ممکن است گرهای به عنوان سرخوشه انتخاب شود که از نظر انرژی در شرایط خوبی نبوده و خیلی زود با اتمام انرژی، از ادامه کار باز ماند. برای بهبود عملکرد پروتکل LEACH، پروتکل مسیریابیLEACH-C1 بر اساس مد نظر قرار دادن انرژی گرهها پیشنهاد شد.
در این پروتکل در شروع هر دور اطلاعات مکانی و سطح انرژی گرهها به ایستگاه مرکزی فرستاده میشود سپس مرکز با محاسبه میانگین انرژی شبکه اقدام به انتخاب گرههایی به عنوان سرخوشه میکند که سطح انرژی آنها از میانگین انرژی شبکه بالاتر است. در ادامه با کمک گرفتن از الگوریتمهای بهینهسازی تلاش میکند که میزان مصرف انرژی گرههای غیر سرخوشه برای ارسال اطلاعات به سرخوشه را کم کند.
در فاز حالت پایدار مشابه پروتکل LEACH ارسال و دریافت داده به سمت سرخوشهها و مرکز انجام میشود. همه گرهها در این پروتکل سرخوشه میشوند و ممکن است گرهی که در دور قبل سرخوشه بوده است در دور جدید هم به عنوان سرخوشه انتخاب شود در حالی که در پروتکل LEACH برای هر گره این امکان وجود ندارد که در دورهای متوالی به عنوان سرخوشه انتخاب شود.[2] یکی دیگر از روشهایی که به بهبود عملکرد میپردازد پروتکل 1 است که در آن HCAEL TL-LEACH سرخوشه به طور مستقیم داده را به مرکز ارسال نمیکند بلکه داده از سمت گره معمولی به سمت سرخوشه ثانویه ارسال شده و سپس از سرخوشه ثانویه به سمت سرخوشه اولیه که مستقیماً به ایستگاه مرکزی متصل است فرستاده میشود.
در حقیقت سرخوشه اولیه در نقش رله بین سرخوشه ثانویه و مرکز عمل میکند. بنابراین انرژی سرخوشههایی که از مرکز دور هستند سریع تخلیه نمیشود . همچنین در این پروتکل، فرآیند ادغام داده با جمعآوری داده و حذف دادههای تکراری و اضافی به صورت محلی و در سرخوشه ثانویه انجام میگیرد که باعث کم شدن ترافیک شبکه و همچنین مصرف انرژی گرهها خواهد شد.[3] برای شبکههای حسگر که دارای ابعاد بزرگ هستند و تعداد زیادی از گرهها در فاصله دوری از مرکز قرار دارند پروتکل FZ-LEACH پیشنهاد شده است به این صورت که برای گرههایی از شبکه که سطح توان آنها از مقدار میانگین توان کل شبکه کمتر است تشکیل خوشه جدایی به نام ناحیه دور میدهد و در همین ناحیه به صورت تصادفی سرگروه انتخاب میشود.
این سرگروه یا به صورت مستقیم و یا به صورت دو سطحی دادههای خود را بعد از پردازش و ادغام به مرکز ارسال میکند.[4] برای شبکههای پخش شده و گسترده الگوریتم MH-LEACH نیز پیشنهاد شده است که در آن فاز تشکیل خوشه و خوشهبندی مشابه الگوریتم LEACH است اما در فاز حالت پایدار چنانچه فاصله گره تا سرخوشه بیشتر از گره تا ایستگاه مرکزی باشد ارسال داده به مرکز به صورت مستقیم انجام میشود در غیر این صورت داده به سرخوشهای نزدیک به مرکز فرستاده شده و از آنجا به ایستگاه مرکزی فرستاده میشود.
[5] در پروتکل E-LEACH تعداد سرخوشهها بهینه شده است و مکانیزم درخت پوشا بین خوشهها استفاده میشود. تعداد سرخوشههای مورد نیاز، ریشه دوم تعداد کل گرههای حسگر است. در دور اول تعدادی گره به صورت رندوم به عنوان سرخوشه انتخاب میشوند و در دورهای بعدی با توجه به میزان انرژی باقیمانده گرهها سرخوشه انتخاب میشود. فاز حالت پایدار این پروتکل مشابه LEACH است اما در فاز اولیه و تشکیل خوشه پروتکل LEACH را بهبود میدهد و در نهایت باعث افزایش طول عمر شبکه میگردد.[6]
با توجه به استفاده از روشهای مختلف خوشهبندی و مسیریابی جهت بهینه شدن مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه بر آن شدیم که یکی از اصلیترین و مهمترین روشهای خوشهبندی به نام LEACH را از نظر مصرف انرژی و طول عمر شبکه تا حد ممکن بهبود ببخشیم. از این رو با استفاده از ناحیه بندیهای مشخص و انتخاب سرخوشه به روش جدید سعی در بهبود عملکرد شبکه کردیم. در ادامه این مقاله در بخش دوم مدل سیستم استفاده شده در الگوریتم پیشنهادی مطرح شده است، در بخش سوم روش پیشنهادی و شبکهی طراحی شده برای الگوریتم بیان میشود، در بخش چهارم شبیهسازی مدل پیشنهادی و مقایسه این مدل با پروتکل LEACH انجام خواهد شد و در بخش آخر به نتیجهگیری میپردازیم.
