بخشی از مقاله
چکیده - یک روش جمع آوری داده در WSN فرستادن داده نماینده محلی به نود سینک براساس ارتباط فضایی داده های نمونه است. در این مقاله، ما مشکل نود های سنسور را در مدل های ارتباط فضایی اخیر که داده برای اندازه گیری ارتباط در محیط های پیچیده مناسب نیست، نشان می دهیم. بدلیل مناسب نبودن داده نماینده در زمان مقایسه با داده واقعی ما برای حل این مشکل روش DDCD را پیشنهاد می کنیم. در روش پیشنهادی ارتباط بین داده نود سنسور و داده نودهای سنسور همسایه اندازه گیری شده و نشان خواهیم داد که داده نماینده ارتباط کمی نسبت به داده های وابسته اش در WSN دارد.
-1 مقدمه
شبکه های WSN از نود های سنسور بیسیم خود سازمان یافته ای که در یک منطقه تحت نظارت، پخش شده اند تشکیل می شود. در این شبکه پردازش و انتقال داده در یک محیط فیزیکی صورت می گیرد .[1,2] هدف اصلی شبکه های WSN اطمینان در شناسایی و ارزیابی دقت حوادث در محیط نظارت شده با جمع آوری اطلاعات است. برای این منظور، نود های سنسور باید به مقدار زیاد در محیط پخش شوند. اما ازیاد نودهای سنسور باعث روی هم افتادگی آن ها و یا به عبارت دیگر تداخل داده ها می گردد .
[3,4] اگر هر نود سنسور داده خودش را به نود سینک منتقل کند انرژی زیادی مصرف می شود که برای کاهش مقدار داده های منتقل شده در شبکه WSN تا به حال روش های زیادی ارائه شده است .[5-1] براساس سطح داده های نمونه، روش های جمع آوری داده به سه دسته تقسیم می شوند: تجمع سطحی داده، تجمع سطحی ویژگی ها و تجمع سطحی تصمیم گیری. همچنین ما می توانیم روش تجمع سطحی داده را به سه دسته تقسیم کنیم:
-1 نوع جست و جو در شبکه [5,13]
-2نوع فشرده سازی داده ها [4,6]
-3نوع نماینده [7,9,15,16]
در نوع اول برای دریافت پاسخ از WSN به مدت زمان زیادی نیاز داریم و نوع دوم بدلیل پیچیدگی بیش از حدش باعث کاهش استفاده از آن شده است. نوع سوم حساسیت اندازه گیری ارتباط نود های سنسور است. در این مقاله ما برای اندازه گیری ارتباط نود های سنسور از نوع سوم روش تجمعی ساده استفاده می کنیم.
هدف اصلی این نوع از روش تجمعی سطحی داده، انتخاب سنسور نماینده محلی و ارسال مشاهدات به نود سینک است.
بنابراین خطای وابسته بین داده نماینده و داده تجمع یافته، یک شاخص مهم برای ارزیابی عملکرد نماینده است. در این روش ارتباط فضایی بین نود های سنسور به عنوان یک داده اساسی در دقت داده های تجمع و تعیین مصرف انرژی نود های سنسور محسوب می شود .[7,8,9,17,18] ضریب همبستگی پیرسون برای اندازه گیری داده نود های سنسور استفاده شده که مدلی برای ارتباط فضایی داده نود های سنسور است. این ضریب یک ارتباط خطی بین دو نود سنسور را نشان می دهد.
-2 بخش های مقاله
در این مقاله بخش اول مربوط به کارهایی است که روی مدل های ارتباط فضایی در WSN انجام شده است. در بخش دوم از DDCD برای اندازه گیری ارتباط فضایی داده نود های سنسور استفاده شده و روش خوشه بندی DDCD معرفی می شود. در بخش سوم دقت نود سنسور نماینده در روش DDCD با روش های دیگر خوشه بندی مقایسه می شود.
-1-2 کارمرتبط
مدل ارتباط فضایی براساس محل نود های سنسور است که در مقاله [7] انتقال داده از منبع به نود سینک شبیه سازی شده است. برای دستیابی به مشخصات نقطه ای و منبع WSN مدل ارتباط فضایی موقتی در [20] ارائه شده است. در [21] و [22] درجه ارتباط بین دو نود سنسور با تداخل نواحی نظارتی بدست آمده است. اما از آنجایی که پوشش ناحیه به انرژی نود سنسور وابسته است، این مدل کاربردی نیست. در یک محیط عملی مناطق پوشش داده شده با WSN به قسمت های نامنظمی تقسیم می شوند.
نود های سنسور در یک بخش مشابه دارای ارتباط زیادی در دامنه داده هستند در حالی که نود های سنسور بخش های مختلف ارتباط کمی دارند. در مرز دو بخش دو نود نزدیک به هم نباید با هم ارتباط داشته باشند که در [7] و [22] این نبود ارتباط در عمل نشان داده شده است. در [8] ارتباط بین نود های سنسور در دامنه مدل شده است. متاسفانه در مدل پیشنهادی اگر داده دو نود در زمان های متفاوت مشابه باشد درجه ارتباط آن ها متفاوت می شود.
پس این مدل نیز کاربردی نیست. در [18] پارامتری به نام وزن ارتباط فضایی معرفی شده است که از میانگین فاصله فضایی بین هر نود سنسور نمونه با نود همسایه اش بدست می آید. این پارامتر برای اندازه گیری درجه ارتباط استفاده شده است اما متاسفانه زمانی که فاصله دو نود سنسور زیاد است کاربردی ندارد. در [23] یک معماری خوشه بندی با توجه به اطلاعات و ارتباطات نود های سنسور ارائه شده است، اما این معماری فقط برای نوع اول روش تجمع سطحی داده کاربرد دارد.
-2-2 توصیف روش خوشه بندی
الف - درجه ارتباط چگالی داده
در شبکهWSN اگر داده نودهای سنسور همسایه در نزدیکی داده نود سنسور باشد این سنسور در دامنه، داده نود های همسایه را نشان می دهد که این نود سنسور را نود سنسور هسته می نامند.
ب - روش خوشه بندی درجه ارتباط چگالی داده در شبکه های مبتنی بر خوشه بندی برای انتخاب نود سنسور نماینده ما روش خوشه بندی DDCD را پیشنهاد می کنیم . شبکه های WSN با یک گراف بدون جهت G= - V,E - مدل می شود که در آن V مجموع نود های سنسور و E تمام زاویه های ارتباط در WSN می باشد. آنتن نود سنسور یک آنتن چند وجهی است که دارای شعاع ارتباطی a است. در این شبکه ها انتقال داده به این صورت است که نود با مرتبه بالاتر در هر شاخه داده های نود های آن شاخه را جمع می کند و به نود سینک منتقل می کند.
الگوریتم خوشه بندی DDCD شامل سه مرحله است:
-1تعیین نوع سنسور STC
-2شکل گیری شاخه های محلی LCC
-3انتخاب نود سنسور نماینده GRS
در مرحله STC هر نود سنسور به صورت هوشمند عمل کرده و طبق تعریف 1 مشخص می کند که نود سنسور هسته است یا خیر. در مرحله LCC شاخه های محلی با توجه به نتایج بدست آمده از مرحله اول شکل می گیرد. در مرحله GRS شاخه های محلی به یک خوشه تبدیل شده و در هر شاخه، نود سنسور نماینده مشخص می شود.
-3-2 تجزیه و تحلیل عملکرد
در این بخش ما روش خوشه بندی PCC و روش خوشه بندی -LS را برای ارزیابی روش خوشه بندی DDCD به واسطه مقایسه کردن عملکرد خوشه بندی آن ها انتخاب کردیم. قبل از مقایسه کردن عملکرد خوشه بندی ها ما میانگین جهانی خطای نسبی را به عنوان شاخص عملکرد معرفی می کنیم. در پایان روش تجزیه و تحلیل مصرف انرژی در فرایند خوشه بندی مورد ارزیابی قرار می گیرد. در آزمایش های مقایسه عملکرد خوشه بندی ها دو مجموعه داده های واقعی مطرح می شود که یکی از آن ها در آزمایشگاه اینتل در سال 2004 و دیگری در آزمایشگاه اوربان در سال 2006 جمع آوری شده است.
الف: شاخص عملکرد خوشه بندی اگر داده های یک نود سنسور بوسیله داده های نود های سنسور مرتبط نمایش داده شوند، خطای نسبی بین داده نماینده و داده مرتبط باید کوچک باشد. بنابراین ما از میانگین خطای نسبی برای اندازه گیری جمع شوندگی داده به واسطه خوشه بندی استفاده می کنیم.
ب: تجزیه و تحلیل پارامتر ها در روش خوشه بندی DDCD در این بخش ما نحوه پیکربندی پارامتر ها در روش خوشه بندی DDCD را معرفی می کنیم. پارامتر ها شامل شعاع ارتباطات نود های سنسور, مقدار آستانه , minPts مقدار آستانه داده ε و وزن در فرمول 1 است. در آزمایشگاه تحقیقات اینتل در شکل 2 نود های سنسور به طور یکنواخت پراکنده شده اند. ما قادر خواهیم بود که حداقل فاصله فضایی برای هر نود سنسور که برابر است با فاصله بین نود سنسور و نزدیکترین نود سنسور به آن دو را بدست آوریم.
در میان تمام فاصله های فضایی, حداکثر مقدار با ارزش برابر 5.66 متر است. برای اتصال به شبکه شعاع ارتباطات نود سنسور باید حداقل 5.66 متر باشد. بنابراین در روش خوشه بندی DDCD با داده های آزمایشگاه اینتل شعاع ارتباطات نود حسگر برابر 6 متر در آزمایشات ما قرار داده شده است. بنابراین تعداد نود های سنسور همسایه برابر 4 یا 5 برابر همه نود های سنسور است.
شکل 3 پرا کندگی نود های حسگر در LUCE را نشان می دهد. در این شکل 15 مربع قرمز رنگ نشان دهنده نود های سنسوری هستند که کمترین فاصله فضایی آن ها بزرگتر از 30 متر است و تعداد 65 ستاره آبی نشانگر آن هایی هست که حداقل فاصله فضایی آن ها کمتر از 30 متر است. در آزمایش ما در شکل 3 ما فقط روش خوشه بندی را برای نود های سنسور ستاره ابی انجام داده ایم.
