بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه مصرف انرژی انواع شبکه های بی سیم، به دلیل رشد قابل ملاحظه این شبکه ها به شدت بالا رفته است. به گونه ای که کاهش مصرف انرژی در این شبکه ها جهت حفاظت از محیط زیست مورد توجه قرار گرفته است. مقابله با اثرات جانبی مصرف انرژی و آلودگی های الکترومغناطیسی در شبکه های بی سیم منجر به الگوی تحقیقی جدید به نام - - فناوری اطلاعات سبز - - 1 شده است.
در این مقاله تمرکز بر روی اینترنت اشیا2 می باشد، که از اتصال گره های حسگر3 به هم به وجود می آید. از آنجایی که شبکه های حسگر استفاده شده در اینترنت اشیا دارای تجهیزاتی با انرژی محدود است و اینترنت اشیا قسمتی از آینده اینترنت است و هر روز در حال گسترده تر شدن می باشد ما در این کار الگوریتم زنبور عسل را جهت محاسبه توان ارسال هر گره در حالتی که شبکه تمام متصل باشد پیشنهاد داده ایم. نتایج حاصل از الگوریتم پیشنهادی نشان می دهد که روش پیشنهادی ما تا حد قابل توجه ایی می تواند از هدر رفت انرژی جلوگیری نماید.
-1 مقدمه
طرحهای مختلفی برای مقابله با اثرات منفی زیست محیطی تکنولوژیهای ساخت بشر متولد شده است . که به عنوان موضوعات سبز شهرت یافتهاند. در زمینه فناوری اطلاعات، سبز بودن بدین معنا است که تا جای ممکن تجهیزات ما مصرف انرژی کمی داشته باشند و آلایندگیهای الکترومغناطیسی در آنها به حداقل رسیده باشد. اینترنت اشیا شبکهای از اشیا به هم متصل می باشد که این اشیا بصورت بی سیم همراه با حسگرهای هوشمند به هم متصل شده اند.
اینترنت اشیا بدون مداخله انسان توانایی تعامل با محیط را دارد و می توانند در هر جایی حاضر باشند از این رو پتانسیل بالایی جهت کمک به اهداف سبز دارند . اساس کار اینترنت اشیا بر گرههای حسگر است. در واقع از اتصال گرههای حسگر به هم اینترنت اشیا به وجود می آید. متاسفانه شبکههای حسگری که جهت اینترنت اشیا ایجاد میشوند دارای تجهیزاتی با انرژی محدود هستند. به همین دلیل روش ها و راه حلهای متعددی برای ذخیره انرژی در این نوع شبکه مطرح شده است.
یکی از راه هایی که میتوانیم توسط آن انرژی را ذخیره کنیم، بدست آوردن توان سیگنال لازم برای هر گره حسگر جهت ارسال است، به گونه ای که شبکه متصل باشد و هیچ انرژی هدر نرود. تحقیقات در این زمینه تقریبا به یک دهه می رسد و هنوز هم بسیار جای کار دارد تا آنجا که به یک نگرانی تبدیل شده است و پژوهش گران را جهت تحقیق در این زمینه علاقهمند کرده است.
روش پیشنهادی ما در این مقاله روشی تکاملی مبتنی بر هوش جمعی زنبورهای عسل است، که دارای پیاده سازی آسان، محاسبات کار آمد و همگرایی سریع است. در این کار ضمن تمام متصل نگه داشتن شبکهی حسگر اینترنت اشیا ، توان هر حسگر را جهت ارسال در وضعیت حداقلی حفظ می کنیم تا ضمن کاهش مصرف انرژی، اثرات الکترومغناطیسی حاصل از امواج و سیگنالهای رادیویی تجهیزات اینترنت اشیا که هر روزه در حال توسعه و رشد هستند و تاثیرات احتمالی خطرناکی بر بدن انسان دارند را از طریق کنترل میزان توان ارسال هر حسگر، به حداقل برسانیم.
-2 مروری بر کار های انجام شده
1-2 پروتکل LEACH1
تا به امروز تحقیقات فراوانی در زمینه بهبود مصرف انرژی در شبکههای حسگر بی سیم صورت گرفته است . پروتکل LEACH یکی از معروفترین پروتکلهای سلسله مراتبی مبتنی بر خوشهبندی2 در شبکههای حسگر بی سیم استLEACH .[3] گرههای حسگر اندکی را به طور تصادفی به عنوان سرخوشهها انتخاب کرده و انتساب گرهها به سرخوشهی مربوطه بر اساس فاصله صورت میگیرد.
گره های غیرسرخوشه دادههای خود را به سرخوشهها ارسال میدهند.گرههای سرخوشه نسبت به گرههای عادی به انرژی بیشتری نیاز دارند.ایجاد توازن انرژی سرخوشهها با چرخش نوبتی نقش سرخوشه بین گرههای مختلف برقرار میشود. در این روش زمان به قسمتهایی به نام دور3 تقسیم میشود.هر دور با مرحله تشکیل خوشهها آغاز میشود. بعد از آن ،مرحله ارسال داده قرار دارد که گرههای غیرسرخوشه،دادههای خود را به سرخوشههای مربوطه ارسال کرده و پس از آن گرههای سرخوشه دادهها را به ایستگاه مبنا ارسال میکنند.
در این پروتکل زمانبندی ارسال دادههای حسگر توسط پروتکل دستیابی چندگانه با تقسیم کد - 4 - CDMA یا دستیابی چندگانه با تقسیم زمانی - 5 - TDMA انجام میگیرد.انتخاب سرخوشه بوسیلهی یک تابع احتمال بدست - میآید. هر گره عددی تصادفی بین صفر و یک انتخاب میکند و اگر عدد انتخاب شده کمتر از آستانهی تعریف شده در رابطه - - 1 باشد، آن گره به عنوان سرخوشه ی دوره کنونی انتخاب میشود که P احتمال سرخوشه شدن است که از قبل با توجه به تعداد بهینه خوشهها و تعداد کل گرههای حسگر بدست میآید، r شماره دور جاری و G مجموعه گرههایی است که در دور اخیر، سرخوشه نبودهاند.
2-2 پروتکل SEP
پروتکل SEP توسعه یافته LECHE است که هدف آن بهرهگیری از حسگرهای ناهمگن در شبکههای حسگر بیسیم است. این پروتکل عملکردی همانند LECHE دارد با این تفاوت که در پروتکل SEP گرههای حسگر دارای دو سطح انرژی میباشند - حسگرها ناهمگن هستند - در این پروتکل با فرض این که انرژی برخی از گرهها بیشتر است، احتمال سر خوشه شدن گرههای با انرژی بالاتر را بیشتر در نظر گرفته است و در مقایسه با LECHE کارایی بهتری از خود نشان داده است.
3-2 الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات
با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات راهحلهای زیادی جهت ذخیره انرژی پیشنهاد شده است. مقالهی[5] با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات یک الگوریتم خوشهبندی برای مدیریت مصرف انرژی شبکه پیشنهاد میکند.که در این روش انتخاب سرخوشهها بر اساس انرژی باقیمانده در گرههای حسگر انجام میشود و در افزایش طول عمر شبکه نقش زیادی را ایفا میکند.
در[6] یک راهحلی با استفاده از الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات برای ایستگاههای اصلی متحرک در شبکههای حسگر پیشنهاد شده است.هدف تعیین مسیر حرکت و مکانهایی برای توقف ایستگاه اصلی ، جهت جمعآوری دادهها از تمام گرههای حسگر است. نتایج از این پیشنهاد نشان میدهد که طول عمر شبکه افزایش یافته است.
در مقاله[7] روش تکاملی ازدحام ذرات دومرحلهای پیشنهاد شده است. مرحله اول شامل انتخاب مناسب سرخوشهها ، که ضمن خوشهبندی با کیفیت خوب و پوشش شبکه بالا، بتواند مصرف انرژی در گرههای حسگر را کاهش دهد و مرحله دوم این روش پیشنهادی تشخیص یک مسیر مناسب برای ارسال دادهها از سرخوشهها به ایستگاه اصلی است.
در سالهای اخیر راهحل ها و شیوههای زیادی جهت بهبود مصرف انرژی در انواع شبکههای حسگر بدست آمده است، لیکن در تمام این پژوهشها استفاده از شیوه های تکاملی جهت بهینه کردن مصرف انرژی و ابداع الگوریتم های مسیریابی مبتنی بر شیوه های تکاملی از سایر روش ها کارآمدتر بودهاند.
