مقاله روش های موثر جمع آوری داده توسط سینک متحرک در شبکه حسگر بی سیم

بخشی از مقاله

خلاصه

شبکههای حسگر بیسیم شامل گرههای کوچک با توانایی ارتباط بیسیم، محاسبه و حسگری هستند. گرههای حسگر از محدودیت شدید انرژی رنج میبرند زیرا قدرت باتری آنها محدود است. بنابراین مسئله بقای انرژی برای افزایش طول عمر شبکه حسگر بیسیم، ضروری است. گرههای حسگر، داده حس شده خود را به سمت یک گره به نام سینک مسیریابی میکنند. سینک تمام دادههای دریافت شده را ذخیره میکند. در شبکه حسگر بیسیم، گره سینک میتواند ثابت یا متحرک باشد.

تحقیقات جدید بسیاری نشان میدهد که استفاده از سینک متحرک به طور اساسی کارایی شبکه حسگر بیسیم را از لحاظ مصرف انرژی بهبود میبخشد. از طرفی تحرک سینک چالشهایی را در شبکه حسگر به وجود میآورد. از جمله زمانی که تعداد گرههای حسگر در شبکه زیاد شود جمعآوری داده به طور مستقیم از گرههای حسگر توسط سینک متحرک، غیر ممکن خواهد شد. برای رسیدگی به این چالشها، پروتکلهای مختلفی ارائه شدهاند. در این مقاله، روشهای موثر جمعآوری داده توسط سینک متحرک را در شبکه حسگر بیسیم بررسی میکنیم که در سالهای اخیر طراحی شدهاند و یک دستهبندی برای این پروتکلها در نظر میگیریم. هدف ما ارائه درک عمیقتری از پروتکلهای جمع-آوری داده توسط سینک متحرک است.

.1 مقدمه

شبکه حسگر بیسیم یک تکنولوژی محبوب است که امروزه در سناریوهای مختلف استفاده میشود.[1] پیشرفتهای اخیر در سیستمهای میکروالکترومکانیکی، ارتباطات بیسیم، علوم الکترونیکی دیجیتال باعث توسعه نودهای حسگر کمهزینه و کمتوان شده است که اندازه کوچک دارند و با یکدیگر ارتباطات بیسیم کوتاه برد دارند. یک شبکه حسگر شامل تعداد زیادی نودهای حسگر است که در یک فضا یا نزدیک پدیده مدنظر، پراکنده شدهاند.

[2] عملیات نودهای حسگر شامل حس کردن داده از دنیای فیزیکی، پردازش دادهها و تقویت دادهها در سراسر شبکه است.[3] کاربردهای شبکه حسگر بیسیم شامل نظارت بر محیط طبیعی، نظارت بر محیط نظامی، نظارت بر کیفیت آب، شناسایی زمین لرزه، مراقبتهای بهداشتی، مشاهدات خاک و کشاورزی دقیق، مکانیزم کردن کارها، شناسایی سانحه و ... است. شبکه حسگر بیسیم مزیتهای مانند انعطافپذیری، نظارت متمرکز و هزینه کم دارد.[3] با توجه به خصوصیات جالب شبکههای حسگر بیسیم، آنها از محدودیت شدید انرژی رنج میبرند زیرا قدرت باتری آنها محدود است. بنابراین مسئله بقای انرژی برای افزایش طول عمر شبکه حسگر بیسیم، ضروری است.[2] کارایی انرژی و افزایش طول عمر شبکه دو مفهوم مهم در هر شبکه حسگر بیسیم هستند.[3]

نودها در شبکه حسگر بیسیم داده حس شده خود را به سمت یک نود طراحی شده به نام سینک یا ایستگاه پایه، مسیریابی میکنند. سینک نزدیک ناحیه حسی قرار میگیرد و تمام نتایج فوروارد شده را ذخیره میکند. در شبکه حسگر بیسیم، نود سینک به دو دسته نود ثابت و نود متحرک تقسیم میشود. معمولا شبکههای حسگر بیسیم براساس ارتباطات چند به یک هستند. جایی که سینک ثابت منفرد، داده گزارش شده توسط نودها را با روش چند هاپی جمعآوری می-کند.[2] این معماری ارتباط، دارای ضعفهایی است از جمله ممکن است باعث مصرف انرژی غیر یکنواخت در میان حسگرها شود با توجه به این واقعیت که حسگرهای واقع شده در مجاورت سینک، مجبور هستند بستههای بیشتری نسبت به حسگرهای دورتر از سینک، تقویت کنند.

1] در نتیجه، بدلیل مصرف انرژی بیشتر، انرژیشان سریعتر از سایر نودها تخلیه میشود و دچار مرگ میشوند که به آن، مسئله حفره انرژی میگویند.[3] اخیرا تحقیقات بسیاری آزمایش شدهاند که استفاده از سینک متحرک به طور اساسی کارایی شبکه حسگر بیسیم از لحاظ مصرف انرژی، طول عمر و پوشش بهبود میدهد. آن همچنین از تاخیر تحویل داده اجتناب میکند. در حقیقت، فرایند جمعآوری داده با بکارگیری سینک متحرک موثرتر خواهد بود و به جای تقویت داده از یک نود به سایر نودها براساس الگوی ارتباطی چند هاپی، سینک متحرک به نزدیکی مجموعهای از نودها حرکت میکند تا داده با هاپ کمتر و هزینه انرژی بسیار کمتر جمعآوری شود.[2]

در این مقاله، روشهای جمعآوری داده توسط سینک متحرک را در شبکه حسگر بیسیم بررسی میکنیم که در سالهای اخیر طراحی شدهاند و یک دستهبندی برای این پروتکلها در نظر میگیریم. هدف ما ارائه درک عمیقتری از پروتکلهای جمعآوری داده توسط سینک متحرک است. باقیمانده این مقاله به این ترتیب است: در بخش2، پروتکلهای جمعآوری داده توسط سینک متحرک را طبقه-بندی میکنیم. در بخش 3، این پروتکلها را براساس طبقهبندی ارائه شده، شرح میدهیم. در بخش 4، کارایی پروتکلهای جمعآوری داده توسط سینک متحرک را بررسی میکنیم. در بخش 5، نتیجهگیری حاصل از این مطالعات را بیان میکنیم.

.2 طبقه بندی پروتکلهای جمعآوری داده توسط سینک متحرک

مطالعات اخیر، نشان میدهند سینک متحرک در کاهش مصرف انرژی نودها دارای مزیت است و همچنین از ایجاد حفره-های انرژی در شبکههای حسگر بیسیم جلوگیری میکند. از طرفی تحرک سینک چالشهایی را در شبکه حسگر به وجود میآورد. از جمله زمانی که تعداد نودهای حسگر در شبکه حسگر بیسیم زیاد شود جمعآوری داده به طور مستقیم از نودهای حسگر توسط سینک متحرک، غیر ممکن خواهد شد. برای رسیدگی به این چالشها، پروتکلهای مختلفی ارائه شدهاند. در این بخش ما عملکرد پروتکلهای جمعآوری داده توسط سینک متحرک را مورد بازبینی قرار میدهیم و دسته-بندی برای پروتکلهای ارائه شده، مطرح میکنیم. شکل 1 این دستهبندی را نمایش میدهد.

.1-2 پروتکلهای مبتنی بر نقطه پاتوق

یک روش برای رسیدگی به چالش تحرک سینک، استفاده از یک الگوی حرکتی است که در آن، سینک متحرک به جای اینکه تمام نودهای شبکه را ملاقات کند، تنها از نودهای مشخصی با عنوان نقطه پاتوق1 بازدید میکند. بنابراین نودهای حسگری که جزء دسته نقاط پاتوق نیستند، داده حس شده خود را به نزدیکترین نقطه پاتوق ارسال میکنند و سینک متحرک در طی گردش خود درون شبکه حسگر بیسیم، داده حس شده را از نقاط پاتوق دریافت میکند. نقاط پاتوق نیز میتوانند ثابت یا متحرک باشند. پروتکلهایی مانند [4]WRP، پروتکل جمعآوری داده موثر با بکارگیری سینک متحرک در شبکه حسگر بیسیم[2]، [5]ERMMSDG از این روش استفاده میکنند.

.2-2 پروتکل های مبتنی بر خوشه

در این روش شبکه حسگر بیسیم، به نواحی کوچکتری به نام خوشه2 تقسیمبندی میشود و برای هر خوشه یک سرخوشه3 انتخاب میگردد. پروتکلهایی مانند [3]CTDD و [6]EECLA از این روش استفاده میکنند.

.3-2 پروتکل های مبتنی بر خوشه و نقطه پاتوق

در این روش هم از خوشهبندی و هم از نقاط پاتوق استفاده میشود. پروتکل ترکیبی خوشهبندی LEACH، MS، [7]RP و پروتکل [8]VCCSR این روش را به کار میبرند.