بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک پروتکل مسیریابی بر اساس عملکرد پروتکل LEACH - Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy - که معروف ترین پروتکل مسیریابی است، ارائه شدهاست. از اساسیترین مشکلات شبکههای حسگر بیسیم، مسالهی مصرف انرژی آنهاست چرا که اغلب این شبکهها در محلهایی قرار دارند که تعویض باتری آنها دشوار و یا غیر ممکن است.
به همین دلیل هدف از نوشتن این مقاله ارائهی یک راهکار برای کاهش توان این شبکهها است. این راهکار، بهینهسازی پروتکل مورد استفاده در شبکه و استفاده از تکنیک خوشهبندی است. همچنین با در نظر گرفتن میزان انرژی ماندهی گرههای حسگری، فاصلهی آنها از گرهی مرکزی و استفاده از گرههای میانی برای ارسال دادهها، طول عمر شبکه نسبت به پروتکلهای اخیر از خانوادهی LEACH، 30 درصد افزایش داشته است.
شبیهسازیها با نرمافزار متلب انجام شدهاند و نتایج نشان میدهند که الگوریتم ارائهشده، میزان مصرف انرژی را تا 35 درصد کاهش و تعداد بستههای ارسالی را افزایش دادهاست.
-1 مقدمه
شبکههای حسگر بی سیم، در دهههای اخیر توجه محققان زیادی را در حوزههای تحقیقات و صنعت به خود جلبکردهاست. این شبکهها کاربردهای زیادی در زمینههای اتوماسیون، حمل و نقل هوشمند و مراقبت های محیطی دارند و به طور اجتناب ناپذیری روی جنبههای مختلف زندگی ما اثر میگذارند .[1,2] به هر حال، اساسیترین محدودیت این شبکهها منبع انرژی محدود آنهاست. به خصوص در محیطهایی مثل جنگلهای با تراکم بالا دسترسی به سختافزار این شبکهها و تعویض باتری آنها بسیار دشوار میباشد .[3] بنابراین تحقیقات زیادی در راستای ذخیرهی انرژی طی عملکرد طولانیمدت گرههای حسگری و درنتیجه افزایش طول عمر آنها، انجام شده است.
در راستای بررسی طول عمر شبکه، چندین شاخص معروف وجود دارند. مرگ اولین گره FND - First Node Dies - ، مرگ نیمی از گره ها HND - Half Node Die - و مرگ آخرین گره LND - Last Node Dies - و شاخصهای دیگر .[4] برای مثال در شبکههای غیر یکنواختی مثل برر سی سلامت در بیمار ستان، زمان مرگ اولین گره ب سیار مهم ا ست چرا که مرگ اولین گره میتواند آ سیب های غیر قابل جبرانی به بار آورد. اما در شبکههای یکنواختی مثل دیدهبانی ساخت تونلها، پل ها و ساختمان، مرگ چند گرهی اولیه، بحرانی نی ست و به همین دلیل شبکه تا زمان مرگ تعداد مشخصی از گرهها قابل اطمینان است
در این م قا له اب تدا در بخش دوم، عملکرد پروت کل هایی که از تکنیک خو شه بندی ا ستفاده می کنند، شرح داده شده ا ست. تکنیک های بهکارگرفته شده در قدیمی ترین پروتکل از این د سته و همچنین یکی از جدیدترین پروتکل های این دسته، توضیح داده شده است. در بخش سوم، مدل ارتباطی برای بررسی میزان انرژی مصرفی و چگونگی انتخاب سرخو شه در پروتکل پی شنهادی شرح داده شدها ست. نتایج شبیه سازی نیز در بخش چهارم گردآوری و در انتها، نتیجه در بخش پنجم ذکر شدهاست.
-2 پروتکل های مسیریابی
یکی از راهکارهای کاهش توان در شبکه های حسگر بیسیم، اعمال پروتکلی مناسب برای ارسال و دریافت دادهها است .[6] پروتکلهای مسیریابی نمونه ای از پروتکلهای کاهش مصرف انرژی در شبکههای حسگر بیسیم هستند که به سه دسته ی کلی مسطح، مکان-محور و سلسلهمراتبی تقسیم میشوند .[7] در مسیریابی مسطح، تمامی گرهها عملکرد یکسان دارند و با هم فعالیت میکنند
در پروتکلهای مسیریابی مکان-محور، اطلاعات درباره ی مکان گرهی حسگر برای تولید مسیر استفاده میشود .[9] تکنیکهای مسیریابی سلسلهمراتبی، شبکه را به خوشههای مشخصی تقسیمبندی میکنند.
در روش خوشهبندی، گرههای مرتبط با حسگرها به گروههای مشخصی به نام خوشه، تقسیمبندی میشوند. هر خوشه برای خودش یک سرخوشه دارد و سایر حسگرها به عنوان اعضای خوشه شناخته میشوند. هر گرهی حسگری فقط میتواند متعلق به یک خوشه باشد. هر کدام از حسگرها، اطلاعات حسشده را به سرخوشهی مربوط به خودشان میفرستند و سرخوشهها، اطلاعات گردآوریشده را از طریق ارتباط تکمسیر یا چندمسیر، به گرهی مرکزی ارسال میکنند .[10,11] شکل - - 1 یک شبکه ی حسگری خوشهبندیشده را نشان میدهد.
شکل :1 یک شبکهی حسگری خوشه بندی شده
معروف ترین پروتکل سلسلهمراتبی، پروتکل سلسلهمراتبی خوشه بندی سازگار با انرژی پایین است[8] که LEACH نام دارد.
در پروتکل LEACH سرخوشهها به روش تصادفی خود گزینشی، انتخاب میشوند. این پروتکل، خوشهها را بر اساس یک الگوریتم توزیعی می سازد که این امر باعث می شود گرهها به صورت خودمختار تصمیم به سرخوشه شدن بگیرند بدون اینکه به کنترل مرکزی نیاز دا شتهبا شند. نقش سرخو شه بودن، به صورت تناوبی بین گرهها می چرخد تا حجم کار و انرژی بین گرهها تقسیم شود.
عملکرد LEACH در هر بازهای از زمان، به دو فاز پایدار و فاز برپایی تقسیم می شود. در فاز برپایی، به هر گرهی n یک عدد تصادفی pr - n - بین صفر و یک، نسبت داده میشود. اگر عدد تصادفی گرهی n از مقدار آستانه کمتر باشد، به سرخوشه تبدیل می شود. مقدار آستانه به کمک معادله ی - 1 - محاسبه می شود که در آن P درصد سرخوشه های مورد نظر، r شمارهی بازهی زمانی کنونی و G بازهی گرههایی است که در 1/P بازههای زمانی گذشته، سرخوشه نشدهاند.
بعد از مشخص شدن سرخوشهها، آنها به تمامی گرههای حسگری در سرتاسر شبکه، سرخوشه شدن خود را اعلام میکنند. بعد از آنکه گرههای غیر سرخوشه، این خبر را دریافت کردند، نزدیکترین سرخوشه به خود را از نظر فاصلهی ارتباطی برمیگزینند. به این ترتیب خو شهها شکل گرفته و ار سال داده آغاز می شود. بعد از گذ شت زمان م شخص در فاز پایدار، دوباره شبکه به فاز برپایی میرود تا سرخو شه های جدید را انتخاب کند.
از پروتکل های مسیریابی معروفی که بعد از پروتکل LEACH معرفی شدند، می توان به پروتکل جمع آوری با توان بهینه در سامانه های اطلاعاتی حسگری - - PEGASIS اشاره کرد. در این پروتکل یک زنجیر برای همه ی گره ها به منظور ارسال بستههای داده شکل می گیرد تا داده ها را به گرهی مرکزی جمعآوری کنندهی داده ارسال کند .[12] در سال 2016 رزاق و همکارانش پروتکل مرجع[13] را ارائه کردند که از ترکیب LEACH و PEGASIS می با شد و م صرف انرژی را نسبت به آن دو در مسیریابی بهینه می سازد.
بعد از آن، در همان سال پروتکل H-LEACH ارائه شد که م صرف انرژی در آن به دلیل بهکارگیری میزان انرژی ماندهی گرهها و حداکثر انرژی، در تعیین گرههای سرخو شه، بهبود یافتها ست .[14] با توجه به تحلیلهای ارائه شده در مقالات، یک پروتکل مناسب باید 4 معیار اساسی را برای انتخاب سرخوشه ها در نظر بگیرد. اول انرژی ماندهی گرهها، دوم محل قرارگیری آنها ، سوم ا ستقلالمحلی و چهارم پو ششدهی شبکه.
طبق بررسیهای صورتگرفته در مرجع [15] هیچ کدام از موارد مذکور، هر 4 معیار را در نظر نمیگیرند این در حالی است که پروتکل جدید ارائه شده در سال 2017 با نام پروتکل م سیریابی با انرژی بهینه برح سب گرانیگاه - EECRP - هر چهار معیار را در نظر گرفته و طبق نتایج ارائه شده، این پروتکل در مصرف انرژی نسبت به سایر موارد بهتر ا ست .[15] عملکرد این پروتکل در سه فاز صورت می گیرد:
فاز اول، فاز ارزشدهی آغازین که در آن گرهها، اطلاعات مکان خود را به گرهی مرکزی ارسال میکنند و گرهی مرکزی به کمک این اطلاعات، فاصلهی گرهها تا خودش را مییابد و شبکه را به خوشههای ابتدایی تقسیم می کند. گرهها همچنین اطلاعات مربوط به انرژی مانده ی خود را نیز به گرهی مرکزی ار سال میکنند . بنابراین این گره مقادیر مربوط به انرژی میانگین کل شبکه و دورترین فاصله را حساب کرده و به گرهها ارسال می کند.
فاز دوم، فاز انتخاب اولین سرخوشه است که در آن گرهی مرکزی گرهای را که دارای انرژی بیشتر از انرژی میانگین است، به عنوان گرهی سرخوشه انتخاب میکند و در شبکه اعلام میکند تا گره ها از وضعیت خود نسبت به سرخوشه بودن یا نبودن آگاه شوند.
در فاز سوم که فاز چرخش نام دارد، کاندیدهای سرخوشه برای فاز بعد انتخاب می شوند. از آنجایی که همهی گرههای یک خو شه، اطلاعات خود را به سرخوشه ارسال میکنند، سرخوشه گرانیگاه انرژی خوشه را محاسبه میکند. گرهای به عنوان کاندید برای سرخو شه شدن انتخاب می شود کهاولاً انرژی ماندهی آناز میانگین انرژی خو شه بی شتر با شد و دوماً فا صلهی آن تا گرانیگاه انرژی خو شه، کمتر از میانگین فا صلهی همهی گرهها تا گرانیگاه انرژی خوشه باشد.
در رشتهی ریاضی، گرانیگاه وزنی، نقطهای فرضی است که در آن جرم مترکز است. در پروتکل EECRP از گرانیگاه انرژی به منظور بهینه سازی مصرف انرژی استفاده شدهاست چرا که توزیع انرژی مانده را در شبکه نشان میدهد. مختصات گرانیگاه انرژی، به کمک روابط زیر بد ست میآید که در آن ها 0 مقدار انرژی اولیه، _ انرژی ماندهی گرهی i ام،n ت عداد گره های ز نده، N ت عداد کل گره ها، X و Y، مختصات گره ی i ام و ̅̅̅̅ و ̅̅̅̅ نتایج گرانیگاه انرژی هستند .
در این مقاله بعد از تو ضیح عملکرد پروتکل پی شنهادی، برتری آن در شکلهای مربوط به شبیهسازی، نسبت به پروتکل اولیه LEACH و همین طور پروتکل جدید EECRP که از خانواده ی LEACH می با شد، ن شان داده شدها ست. لازم به ذکر ا ست پروتکل پی شنهادی هر چهار معیار مربوط به انتخاب سرخوشه ی مناسب را در نظر میگیرد.
-3 تعیین مقدار آستانه در پروتکل پیشنهادی
مقدار آستانه میتواند به کمک معیارهای مختلفی تعیین شود. این معیارها با توجه به هدف طراحی پروتکل، انتخاب میشوند. مثلاً اگر هدف افزایش کیفیت دادههای ارسالی باشد، از معیار میزان نویز راههای ارتباطی استفاده میشود .[16] همچنین برای طراحی پروتکل پر سرعت، از معیار تاخیر استفاده میشود
در این مقاله یک پروتکل مسیریابی سلسلهمراتبی با نامRDEP - Relay Distance and Energy aware Protocol - ارائه شده است که هدف از طراحی آن افزایش طول عمر شبکه بودهاست. به همین دلیل معیارهای در نظر گرفتهشده برای تعیین مقدار آستانه موارد مربوط به کاهش مصرف انرژی و در نتیجه طول عمر طولانی تر شبکه است. این موارد شامل انرژی ماندهی گرههای حسگری و فواصل گرهها تا گرهی مرکزی میبا شد. علاوه بر در نظر گرفتن این معیارها در راستای کاهش مصرف انرژی، برای انتقال داده از گره های میانی استفاده شده ا ست
