بخشی از مقاله
چکیده
عموماً، انرژی گرههای حسگر تشکیلدهندهی شبکه حسگر بیسیم - - WSN توسط باتریهای غیرقابل تعویض و یا شارژ مجدد، تأمین میشود. بنابراین، مهمترین مسأله در WSN کاهش مصرف انرژی گرهها است که با طول عمر شبکه رابطه مستقیمی دارد. ادراک اطلاعات مختلف محیطی، پردازش و تبادل اطلاعات توسط گرههای حسگر نیازمند مصرف انرژی میباشد که در این میان، میزان قابل توجهی از این انرژی صرف ارتباطات در شبکه میشود.
در سالهای اخیر پروتکلهای مسیریابی بسیاری مبتنی بر مصرف انرژی کارآمد توسط محققین معرفی شده است. در این مقاله، دستهبندی از این پروتکل ها بعد از بررسی مختصری از آنها ارائه شده است. همچنین، مقایسهای از آنها بر اساس معیارهایی از قبیل مصرف بهینهی انرژی، جمعآوری دادهها، مقیاسپذیری، تأخیر، سربار دادهای، مدل های تحویل اطلاعات و کیفیت سرویس نشان داده شده است.
-1 مقدمه
پیشرفتهای اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بیسیم باعث بوجود آمدن حسگرهای کوچکی شده است که توانایی انجام اعمالی چون ادراک اطلاعات مختلف محیطی، پردازش و تبادل اطلاعات را دارند. توانایی این حسگرها موجب پیدایش شبکهای بنام شبکه حسگر بیسیم - - WSN شد. در سالهای اخیر WSN به طور گستردهای مورد استفاده قرار گرفته است، از قبیل میدان نبرد[1,2]، شبکههای خودرو[3,4] و شبکه روباتهای همکار در زیر آب[5] و غیره.
WSN از حسگرهای مستقل و توزیعشده بصورت گسترده تشکیل شده است که بصورت گروهی کمیتهای فیزیکی یا شرایط محیطی از قبیل، دما، صدا، لرزش، فشار، حرکت یا آلایندهها را اندازهگیری میکنند. معمولا هر گره حسگر از اجزایی از قبیل: منبع تغذیه، حافظه، کنترلر، دستگاه ارتباطات و دستگاه حسگر تشکیل میشود.[6] ادراک اطلاعات مختلف محیطی، پردازش و تبادل اطلاعات نیازمند مصرف انرژی میباشد. در این میان، میزان قابل توجهی از انرژی صرف ارتباطات در شبکه میشود.[7] از طرف دیگر، انرژی گرههایحسگر عموماً توسط باتریهای غیرقابل تعویض و یا شارژ مجدد تأمین میشود.
بنابراین، اساسیترین چالش، بهینهسازی مصرف انرژی در کل شبکه است که با طول عمر شبکه رابطه مستقیم دارد.
محققین بسیاری روی موضوع بهینهسازی مصرف انرژی درWSN مطالعه نمودهاند.[9,10,11] یکی از رویکردهای مورد توجه محققین در سالهای اخیر برای کاهش مصرف انرژی در WSN استفاده از پروتکلهای مسیریابی مبتنی بر مصرف انرژی کارآمد میباشد. تکنیکهای استفاده شده در این پروتکل ها بگونهای است که مصرف انرژی در بخش ارتباطات شبکه به حداقل برسد.
در این مقاله با بررسی جامع بر روی پروتکلهای مسیریابی مبتنی بر مصرف انرژی کارآمد، دستهبندی مناسبی از این پروتکلها ارائه شده است. علاوه بر این، با بررسی ویژگی های هر یک از این پروتکلها، یک مقایسه میان آنها در قالب یک جدول براساس معیارهایی از قبیل مصرف بهینهی انرژی، جمعآوری دادهها، مقیاس پذیری، تأخیر، سربار داده ای، مدلهای تحویل اطلاعات و کیفیت سرویس نشان داده شده است.
قسمتهای بعدی این مقاله بصورت زیر سازماندهی شده است. بررسی و دستهبندی پروتکلهای مسیریابی مبتنی بر مصرف انرژی کارآمد در بخش 2 ارائه شده است. در بخش 3 معیارهای مورد نیاز برای مقایسهی پروتکلها با یکدیگر بیان شده است. در بخش 4 مقایسه پروتکلها با یکدیگر انجام شده و نتایج آن نشان داده شده استنهایتاً.، در بخش 5، نتیجهگیری کلی ارائه خواهد شد.
-2 پروتکلهای مسیریابی مبتنی بر مصرف انرژی کارآمد
در ارتباطات بیسیم، انتقال دادهها انرژی بیشتری نسبت به پردازش دادهها مصرف می کند. از این رو در شبکه حسگر بیسیم تمرکز بر یافتن مسیرهایی با هدف کاهش مصرف انرژی است. به این شیوه، مسیریابی با انرژی کارآمد میگویند. در ادامه پروتکلهای مسیریابی با انرژی کارآمد براساس طبقهبندی ارائه شده در[12,13,14]، کلاس پروتکلهای داده محور، پروتکلهای تخت، سلسلهمراتبی یا مبتنی بر خوشه، جغرافیایی یا مبتنی بر مکان، مبتنی بر کیفیت سرویس و مبتنی بر عامل متحرک مورد بررسی قرار گرفتهاند.
-1-2 پروتکل های داده محور
در این کلاس از پروتکل ها، تکنیک مسیریابی مجموعه ای از گره ها را بر اساس یک مدل پرسوجو انتخاب میکند، سپس داده را از این گرهها جمعآوری میکند و به گره sink می فرستد. اولین پروتکل این گروه SPIN[15,16] است. اما مؤثرترین پروتکل این گروه پروتکل انتشارهدایت شده - [17] - DD میباشد.
-2-2 پروتکلهای تخت
در این نوع پروتکل، همه گره ها در شبکه وظایف یکسان داشته و هیچ یک از گرهها ارجهیتی نسبت به دیگر گرهها ندارند.
پروتکلهایی نظیر RR[18,19]، GBR[20]،CADR[21] وCOUGAR[22] را میتوان در این گروه قرار داد.
-3-2 پروتکلهای سلسله مراتبی یا مبتنی بر خوشه
در پروتکل های سلسلهمراتبی، نقش گره ها در شبکه متفاوت است. هدف این پروتکل ها، تحمیل و اعمال نفوذ ی ک ساختار جهت رسیدن به بهره وری انرژی، ثبات و مقیاس پذیری است.
معمولاً در این حالت، شبکه بوسیلهی عمل خوشه بندی به چندین خوشه تقسیم میشود. هر خوشه یک سرخوشه دارد که جمعآوری داده را انجام میدهد و آنها را به گره sink میفرستد.
سرخوشه به وسیله گرههای خوشه بر اساس انرژی ذخیره شده در گرهها انتخاب میشود.
از میان پروتکلهای متعدد این کلاس، میتوان پروتکلهایLEACH[12,23] و بهبودهای آن،
PEGASIS[12,24]، TEEN[25] و بهبود آن APTEEN[26]، VGA[27] و SOP[28,35] را نام برد.
-4-2 پروتکلهای مبتنی بر مکان
در این نوع مسیریابی گره های حسگر به وسیله مکانشان آدرس دهی شده اند. فاصله بین گره های همسایه میتواند براساس شدت سیگنالهای ورودی تخمین زده شود. این کلاس از پروتکلها برای پیدا کردن مسیر بهینه از لحاظ مصرف انرژی بر اطلاعات مکانی گرههای حسگر تکیه میکنند. برای پیدا کردن مکان دقیق گرهها از سیستم موقعیتیاب جهانی - - GPS استفاده میشود که هزینه اضافی به هر نود تحمیل میکند.
برخی از پروتکلهای این کلاس عبارتند از:GAF[29,30]، GEAR[31,32]، SPAN[33] و . LEAR[34,32]
-5-2 پروتکلهای مبتنی بر کیفیت سرویس
در پروتکل های مسیریابی مبتنی بر کیفیت سرویس، شبکه باید بین مصرف انرژی و کیفیت داده ها تعادل برقرار کند. به خصوص، شبکه باید معیارهای خاص کیفیت سرویس - تأخیر، انرژی، پهنای باند و غیره - را هنگام تحویل داده به ایستگاه پایه - - BS برآورده سازد. در کل، انتقال دادهها برای دستیابی به یک سطح خاص از کیفیت، همراه با مصرف انرژی کارآمد انجام میگیرد.
پروتکل SAR[35,36] را میتوان پرکاربردترین پروتکل از این دسته عنوان کرد.
-6-2 پروتکلهای مبتنی بر عامل متحرک
عامل متحرک گره ای است دارای قابلیت تحرک که به منظور ارتباط بهتر با دیگر گره ها، در میان شبکه جابجا میشود. این نوع پروتکلها یک انعطافپذیری را برای شبکه فراهم مینمایند. بسیاری از برنامه هایکاربردی، شامل گره های حسگری هستند که استاتیک میباشند. اما در برخی موارد، به منظور اتصال بهتر، پوشش گسترده تر و یا پشتیبانی از مأموریت های متعدد، مجهز شدن گره به قابلیت تحرک مفید بوده و میتواند در مصرف انرژی نیز بهتر عمل کند. داشتن جنبش محدود در حد چند متر، به نوبه خود، باعث می شود که بارها توپولوژی شبکه نیاز به تغییرات داشته باشد. با ای ن وجود، ایستگاه پایه متحرک در شبکه حسگر بی سیم ممکن است چالش های بسیار بیشتری را برای مسأله مسیریابی داده ایجاد کند
یکی از رایجترین این پروتکلهاEAGRP[38,32] میباشد.
-3 معیارهای مقایسه
جهت مقایسهی پروتکل های مسیریابی نیازمند معیارهایی هستیم که در ادامه به برخی از مهمترین آنها اشاره میکنیم:
-1-3 مقیاسپذیری
تعداد گره حسگر مستقر در منطقه سنجش ممکن است از صدها و یا هزاران عدد تجاوز نماید. برای پاسخ به رویدادها، طرح ها و پروتکل های مسیریابی باید به اندازه کافی مقیاس پذیر باشد. این بدین معناست که اگر یک پروتکل در یک منطقهی آزمایشی به درستی عمل نماید، زمانی به آن مقیاس پذیر گویند که در یک منطقهی وسیع و حقیقی نیز عملکردی صحیح را ارائه دهد.
-2-3 طول عمر شبکه
طول عمر شبکه برابر با مدت زمانی است که انرژی اولین گره به پایان میرسد. از این رو معیار طول عمر یکی از اصلیترین معیارهای بررسی و مقایسه پروتکل های مسریابی به حساب میآید.
-3-3 مصرف بهینهی انرژی
بنابر مطالب گفته شده در بخشهای پیشین، انرژی هر گره توسط باتریهایی با توان اندک و غیرقابل شارژ مجدد تأمین میشود. با توجه به این مسأله، پروتکلهایی که به مصرف بهینهی انرژی توجه کافی را داشته باشند با اقبال بیشتری روبرو هستند.
-4-3 جمعآوری دادهها
از آنجا که گرههای حسگر ممکن است دادههای تکراری قابل توجهی تولید نمایند، بسته های مشابه از گرههای متعدد نیز میتواند جمع آوری شده به طوری که تعداد انتقال ها را کاهش دهد. جمع آوری داده ها، ترکیب اطلاعات از منابع مختلف با استفاده از توابعی مانند توقیف - حذف موارد تکراری - ،کمینه، بیشینه و متوسط است.[39] از این تکنیک میتوان برای رسیدن به بهرهوری انرژی و بهینهسازی ترافیک استفاده نمود.
-5-3 تأخیر و سربار دادهای
این موارد را میتوان به عنوان عوامل مهم و مؤثر بر طراحی پروتکل مسیریابی در نظر گرفت. جمع آوری داده ها و چند گام بودن باعث تأخیر دادهای می شود. علاوه بر این، برخی از پروتکل های مسیریابی برای پیاده سازی الگوریتم خود سربار بیش از حدی را ایجاد میکنند، که برای شبکههایی دارای انرژی محدود مناسب نیست.
-6-3 مدلهای تحویل اطلاعات
زمانی که دادهها توسط گره جمعآوری شد، مدل تحویل داده تعیین می شود. با توجه به نوع کاربرد شبکه، مدل تحویل داده به سینک میتواند به طور مستمر، رویداد محور، پرسوجو محور و ترکیبی باشد.[40] در مدل مستمر، هر سنسور مرتباً داده را ارسال میکند. در مدل رویداد محور، زمانی که یک رویداد رخ میدهد انتقال اطلاعات صورت میگیرد. در مدل های پرس وجو محور، هنگامی که یک پرس وجو توسط س ینک تولید میشود انتقال اطلاعات انجام میگیرد. در برخی از شبکهها نیز یک مدل ترکیبی تحویل داده با استفاده از مدل های مستمر، رویداد محور و پرسوجو محور اعمال میشود.
-7-3 کیفیت سرویس - QoS -
کیفیت سرویس به معنای خدمات با کیفیت مورد نیاز برنامه های کاربردی است که میتواند مربوط به مدت زمان طول عمر، دادههای قابل اعتماد، بهرهوری انرژی، مکانآگاهی و پردازش مشارکتی باشد. این عوامل بر انتخاب پروتکل های مسیریابی برای یک کاربرد خاص تاثیر میگذارند.
