بخشی از مقاله
چکیده
رشد علاقه مندی در شبکه های حسگر بی سیم زیر آب1 برای اهداف گوناگون مانند نظارت زلزله های زیر دریایی و هم چنین پروژه های تجاری اکتشاف نفت، رو به افزایش است. این شبکه های هوشمند اجازه ی استقرار سریع، خود سازماندهی، مصرف انرژی و سازگاری با خطا را توسط اجرای الگوریتم های بهینه سازی چند منظوره، می دهند. هدف این مقاله ارائه یک روش غیر متمرکز برای زمانبندی حسگر می باشد به طوری که امکان خوشه بندی فضا-زمان به صورت پویا را برای ردیابی هدف با انرژی موثر در یک شبکه ی حسگر فرآهم کند.
هر گره حسگر به عنوان یک ماشین حالت متناهی احتمال گرایانه2 مدل شده است که مصرف انرژی، حس کردن و فعالیت های ارتباطی اش را تضمین می کند ضمن این که به گره های حسگر اجازه می دهد که به صورت پویا حالت شان را به ذخیره کردن انرژی تغییر دهند زمانی که هدفی وجود ندارد و ابزار های حس کردن با توان بالا را روشن کنند زمانی که هدف حاضر است. این الگوریتم انرژی را ذخیره می کند در حالی که دقت ردیابی را نیز حفظ می کند. الگوریتم پیشنهاد شده با طرح های زمانبندی سنتی مقایسه شده است و نتایج نشان می دهد که روش پیشنهادی انرژی را ذخیره می کند در حالی که یک تخمین دقیق ردیابی را در یک حالت غیر متمرکز حفظ می کند.
مقدمه
کشف کردن، طبقه بندی کردن و ردیابی اهداف زیر آب، بخش های ضروری از سیستم های جدید دفاعی زیرآب هستند. تاکنون، انواع مختلفی از ناوبری صدا و آرایشات ردیابی آوایی برای این اهداف استفاده شده است - waite,2001 - ، - - Eickstedt et al,2006، - Pettersson et al,2005 - ، - Dalberg et al,2006 - ، - Asif et - al,2006، . - Rao,2006 - این آرایشات ردیابی آوایی معمولا روی یک کشتی یا یک زیر دریایی نصب شده اند یا توسط یک کشتی و یا یک زیر دریایی به یدک کشیده می شوند - Eickstedt et al,2006 - ، - Pettersson et - al,2005 یا قبل از برنامه کاربردی مستقر شده اند - Dalberg et al,2006 - که آن ها را برای ماموریت های ردیابی بر حسب تقاضا نامناسب می سازد.
به علاوه سکویی که آرایش را به یدک می کشد یا سکویی که آرایش روی آن نصب شده است، یک نقطه ی منفرد شکست برای کل سیستم است. در مفاهیم نظارت، شناسایی و هدف گیری کردن، شبکه های حسگربه عنوان یک تکنولوژی امیدوار کننده هستند - - Song et al,2014، . - Mukherjee et al,2011 - برای دست یابی به تشخیص هدف زیر آب و ردیابی، چالش های ارتباطات صوتی زیر آب باید به حساب بیایند. برای مثال، تاخیر انتشار3 در زیر آب، 5 مرتبه بزرگ تر از تاخیر در کانال های فرکانس رادیویی زمینی است - Isbitiren and . - Akan,2011
در - Yu et al,2008 - ، روش خواب- بیدار برای انتخاب چندین گره حسگر و روش انتخاب اندازه گیری معتبر برای کاهش تعداد گره های حسگر بیدار استفاده شده است اما تعداد زیادی از حسگر های ایستای توزیع شده به صورت یک نواخت مستقر شده اند که به استقرار پیشین حسگر ها نیاز دارد. به علاوه، ردیابی تنها در دو بعد در نظر گرفته شده است که یک محدودیت مهم برای برنامه های کاربردی عملی می باشد. در - Aslam et al,2003 - و - Zhao et al,2002 - معمولا زمانبندی حسگر توسط تخصیص وظیفه برای حداقل سازی مصرف انرژی هر گره حسگر، انجام شده است. چندین روش متمرکز پیشنهاد شده اند که به گره های حسگر نیاز دارند تا مشاهداتشان را به یک ایستگاه محاسبات مرکزی گزارش بدهند.
محاسبه کننده4 مرکزی موقعیت اهداف را تخمین می زند در حالی که وظیفه زمانبندی بهینه را برای هر گره حسگر بر اساس اطلاعات سراسری دریافت شده در ناحیه را محاسبه می کند. به علت محدودیت ها، اجرای روش های مرکزی برای شبکه های حسگر در مقیاس بزرگ، بسیار مشکل و غیر عملی است - . - Hare et al,2014 در - Huang et al,2008 - و - Isbitiren and Akan,2011 - روش های ترکیبی هم چنین در نظر گرفته شده اند برای چیره شدن بر مباحث ارتباطی که با شبکه های حسگر متمرکز رو به رو می شوند اما این روش ها ممکن است تصمیم زمانبندی بهینه را به علت ماهیت غیر متمرکزشان به دست نیاورند.
این روش ها یک ترکیبی از روش های غیر متمرکز و متمرکز هستند که به انتخاب گره های حسگر نیاز دارند که سر خوشه ها5 نامیده می شوند و به عنوان محاسبه کننده های مرکزی محلی در یک منطقه خاص عمل می کنند. در - Jian et al, 2011 - زمانبندی حسگر برای کنترل مصرف انرژی در سراسر شبکه است به طوری که طول عمر شبکه را به حداکثر برساند. به علت مولفه غیر متمرکز این روش های ترکیبی، مباحث ارتباطات یافته شده در روش های متمرکز با یک طرح مسیریابی تک قدمی تسهیل شده اند.
وظایف انتخاب گره سر خوشه به اطلاعات محل دیگر گره های حسگر در سراسر محیط نیاز دارد. آن ها معمولا اندازه گیری های به دست آمده از حسگر ها را در خوشه شان پردازش می کنند، موقعیت هدف را تخمین می زنند و گره حسگر بهینه را درون مسیر هدف به سمت سر خوشه بعدی بر اساس حداقل فاصله یا حداقل مصرف انرژی، جست و جو می کنند. زمانبندی و پردازش های انتخاب سر خوشه به جست و جو های دقیق از خوشه شان و خوشه های همسایه نیاز دارد به طوری که بهترین تصمیم زمانبندی اتخاذ شود - . - Hare et al,2014در - Li et al,2011 - و - Cayirci et - al,2006 برای بهبود این روش، روش های زمانبندی حسگر به صورت غیر متمرکز در حال پیشنهاد هستند که به هر گره حسگر اجازه می دهد به صورت پویا تصمیمات زمانبندی خودش را بر اساس اطلاعات محلی اش اتخاذ کند.
هدف این مقاله این است که یک روش غیر متمرکز را توسعه دهد که خوشه بندی فضا-زمان به صورت پویا برای حالت های گره حسگر به منظور ردیابی هدف به صورت موثر در یک محیط زیر آب را فرآهم می سازد. این روش یک ماشین حالت متناهی احتمال گرایانه برای هر گره حسگر توسعه می دهد به طوری که فعالیت هایش را بر اساس اطلاعات محلی شان، زمانبندی می کند - . - Hare et al,2014 گره های حسگر به صورت پویا احتمالات تغییر ماشین حالت متناهی احتمال گرایانه بر اساس حضور یک هدف برای تغییر کردن بین حالت خواب، گوش کردن، حس کردن با پاور کم و حس کردن با پاور بالا برای حداقل سازی مصرف انرژی را به روز رسانی می کنند.
زمانی که گره های حسگر کاملا غیر متمرکز هستند، آن ها باید بین حالت های خواب، گوش کردن و حس کردن با پاور کم تغییر کنند. این فعالیت یا توسط ادغام مسیر به مسیر تخمین های همسایگان - Bar-Shalom and Campo,1986 - ، - Chang et - al,1997 و یا از طریق تشخیص با استفاده از یک ابزار حس کردن با پاور کم، به دست می آید. به محض این که هدف تشخیص داده شود، ابزار های حس کردن با پاور بالا برای تخمین هدف و پیش بینی با استفاده از تخمین کننده ی موقعیت فیلتر کالمن، روشن شده اند . - Bar-Shalom et al,2004 - با استفاده از موقعیت تخمین زده شده ی هدف، گره های حسگر موقعیت مورد انتظار هدف را در طول قدم زمانی بعدی اش برای خوشه بندی فضا-زمان به صورت پویا در اطراف هدف، محاسبه می کنند.
این مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است: ابتدا مشکل توسط توصیف محیط زیست، پویایی هدف و فرضیات ساخته شده فرموله سازی می شود. سپس راه حل زمانبندی ماشین حالت متناهی احتمال گرایانه پیشنهادی برای ردیابی هدف با استفاده از یک شبکه حسگر غیر متمرکز، ارائه می شود. سپس، نتایج به دست آمده با استفاده از روش پیشنهادی فرآهم شده است و در نهایت نتیجه گیری مقاله و بحث های کار آتی می باشد - . - Hare et al,2014
بیان مسئله
مسئله مورد نظر، تشخیص و ردیابی اهداف با حداقل سازی مصرف انرژی می باشد که در یک محیط زیر آب دو بعدی در حال حرکت هستند. گره های حسگر فرض شده است که غیر متحرک هستند و به صورت تصادفی در سراسر یک منطقه N*N از پیش تعیین شده توسط کاربران مستقر شده اند. هر گره حسگر فرض شده است که یک واحد پردازش داده، یک ابزار ارتباطی، یک واحد حس کردن با پاور کم و یک واحد حس کردن با پاور بالا دارد.
