بخشی از مقاله
چکیده:
روشهای مسیریابی سلسله مراتبی یا مبتنی بر خوشهبندی تکنیکهای کاملا شناخته شده با نتایجی خاص در ارتباط با مقیاسپذیری و کارآمدی ارتباطات میباشد. تکنیکهای خوشه بندی معمولا بعنوان یک مسیریابی انرژی-کارا در شبکه های حسگر بیسیم استفاده میشود که در آن گرهها باید دارای بیشترین انرژی باقی مانده جهت جمع آوری و ارسال اطلاعات باشند. در این مقاله یک شیوه مبتنی بر خوشه با استفاده از الگوریتم فازی c-means را توضیح داده و آنالیز میکنیم و آن را با شیوههای k-means ، LEACH و MTE مقایسه خواهیم کرد. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که پروتکل فازی c میانگین مصرف انرژی را کاهش داده و طول عمر شبکه را افزایش میدهد.
بخش اول مقدمه :
شبکههای حسگر بیسیم شامل صدها تا هزاران حسگر ریز است که به تجهیزات حسگر، پردازش داده و واحدهای ارتباطی مجهز شدهاند از این گرههای حسگر به منظور جمع آوری اطلاعات از محیط پیرامون همچون دما، رطوبت، نور، ارتعاش، صدا و ... استفاده میشود. اندازه گیریهای پیش پردازش میشوند و دادههای مفید به دیگر گرهها و یا ایستگاه پایه ارسال میشوند
به سبب این تواناییها است که شبکههای حسگر بیسیم در کاربردهایی همچون ردیابی هدف، نظارت بر محل سکونت، پایش سلامت، کنترل و مراقبت و ... به کار میرود. با این وجود برای اینکه شبکه های حسگر بیسیم بتوانند از عهده وظایف خود برآیند میبایست یکسری الزامات در طراحی و راه اندازی شبکه های حسگر بیسیم در نظر گرفته شود.
ارتباطات رادیویی بیشترین مصرف انرژی را در این نوع از شبکهها به خود اختصاص میدهند. پروتکلهای مسیریابی زیادی در سالهای اخیر برای دستیابی به یک ارتباط بهرهور از نظر مصرف انرژی در شبکه های حسگر بیسیم ارائه شده است . شیوههای مسیریابی بر اساس ساختار شبکه به سه گروه طبقه بندی شدهاند که عبارتند از پروتکلهای مسیریابی مسطح، سلسله مراتبی1 و برپایه مکان
در پروتکل مسیریابی مسطح به تمامی گرهها وظایف یکسانی محول میشود و نودها با همکاری یکدیگر وظیفه حسگری و مراقبت از محیط بعلاوه وظیفه ارتباطات را به انجام میرسانند. در پروتکلهای سلسله مراتبی یا به عبارت دیگر شیوههای مسیریابی برپایه خوشه معمولا دو نوع گره سرخوشه - CH - و غیرسرخوشه وجود دارد. گرههای غیرسرخوشه عملیات حس محیط را انجام میدهند و فقط در مواقع لزوم اطلاعات را به سرخوشه ارسال میکنند در حالی که سرخوشهها اطلاعات را از سایر گرهها جمع آوری کرده و آنها را به گره های نهایی ارسال میکنند. در پروتکلهای مبتنی بر مکان مسیریابی داده نیازمند اطلاع از موقعیت قرارگیری گرهها در محیط است.
در بین این سه شیوه پروتکلهای سلسه مراتبی و یا همان مبتنی بر خوشه شناخته شدهترین تکنیک با نتایج مرتبط با مقیاس پذیری و بهرهوری ارتباطات هستند. مفهوم مسیریابی سلسه مراتبی معمولا برای اجرای مسیریابی انرژی-کارا2 در شبکههای حسگر بیسیم بکار می-رود.
با گروه بندی گرهها به خوشهها همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است با کمک تجمیع دادهها وتکنیکهای ترکیب، استفاده کارا از منابع انرژی قابل حصول است چراکه مقادیر بسیار بالایی از دادهها که لازم بود به ایستگاه پایه فرستاده شود بطور قابل توجهی کاهش مییابد. ارتباطات درون خوشهای فاصله انتقال گرههای غیرسرخوشه را کاهش داده و موجب کاهش مصرف انرژی میشوند. علاوه بر این چرخه وظایف گرههای غیرسرخوشه میتواند بوسیله گره سرخوشه در خوشه انجام پذیرد و گرههای عضو خوشه اجازه دارند برای مدت طولانیتری به حالت خواب روند.
با این وجود جمع آوری و پردازش اطلاعات بعلاوه ارسال داده به ایستگاه پایه موجب مصرف انرژی زیادی در سرخوشه میشود و به این ترتیب منجر به کوتاهتر شدن طول عمر گره سرخوشه شده و اتصالات شبکه دیگر نمیتواند بیش از این برپا باشند. راه حل معمول برای متعادل کردن مصرف انرژی در گرهها و سرخوشهها چرخش وظیفه سرخوشگی بین نودها است. انتخاب سرخوشه برپایه انرژی باقی مانده گرهها میباشد هر گرهی با انرژی باقیمانده بالاتر از حد آستانه میتواند به عنوان سرخوشه انتخاب میگردد.
شکل .1 معماری شبکههای سلسله مراتبی
3LEACH یک پروتکل مبتنی بر سرخوشه بسیار معروف میباشد که یک الگوریتم شکلدهی خوشهبندی توزیع شده را طراحی میکند. سرخوشهها بر اساس یک احتمال از پیش تعیین شده انتخاب میشوند و سایر گرهها بر اساس پیغام اعلانی که از سرخوشهها دریافت می-کنند نزدیکترین خوشه را برای الصاق به آن انتخاب میکنند.
بعد از تشکیل خوشه، سرخوشهها دادههای رسیده از گرهها را برای کاهش مقدار اطلاعات ارسالی به ایستگاه پایه فشرده کرده و یک بسته تجمیع شده را به ایستگاه پایه ارسال میکنند. برای جلوگیری از تصادم درون خوشه و بین خوشهها شیوههای TDMA و CDMA برای دستیابی به یک ارتباط بهرهور و کارا میتواند مورد استفاده قرار گیرد.
نتایج شبیه سازی نشان میدهد که پروتکل LEACH بطور قابل ملاحظهای طول عمر شبکه را از لحاظ مشاهده اولین مرگ در گرهها افزایش میدهد از طرف دیگر تضمین بیشتری در رابطه با پوشش شبکه تا مرگ آخرین گره ارائه میکند. برخی مشکلات در کار با پروتکل LEACH وجود دارد. انتخاب تصادفی سرخوشه ممکن است منجر به برپایی خوشه بندی ضعیفی گردد و سرخوشهها در برخی دورها دچار افزونگی1 گردند. از طرف دیگر در این شیوه پراکندگی سرخوشهها یکنواخت نیست بنابراین بعضی از گرهها باید دادههای خود را به فاصلهای دورتر ارسال نمایند. سایر پروتکلهای مبتنی بر خوشه براساس LEACH طول عمر شبکه را با افزایش بازده ارسال داده بهبود میبخشند ولیکن ساختار خوشه در این پروتکلها بهینه نمیشود.
دیگر شیوه معروف برای خوشهبندی شبکههای حسگر بیسیم روش K-means میباشد وBPK-means2 بهبود یافته الگوریتم K-means میباشد . - Liansheng Tan et al, 2008 - پروتکل BPK-means به منظور کاهش انرژی مصرفی گرهها در طی مدت ارتباط با سرخوشهها طراحی و توسعه داده شدهاند. با این وجود در یک آرایش تصادفی گرهها در یک محیط بدون ناظر3 تقسیم بندی سخت شبکه با استفاده از میانگینها و با بکارگیری الگوریتم K-means ممکن است دارای نتایج مبهم و غیر روشنی در نزدیکی کرانه و مرز خوشهها باشد بنابراین بهینه سازی شکل دهی خوشهها بطورکامل قابل حصول نمیباشد.
در این مقاله یک پروتکل مبتنی بر خوشه با استفاده از الگوریتم فازی C-Means ارائه و تشریح خواهد شد که در آن گرهها به خوشههایی با یک درجه تعلق به هرخوشه، گروه بندی خواهند شد. الگوریتم فازی C-Means به بهینه سازی خوشهها برپایه کمینه سازی فاصله بین گرهها و مراکز خوشه کمک میکند. این شیوه ایجاد یکنواخت خوشهها را در آرایشی تصادفی از گرهها تضمین میکند. خوشهها با تراکم بالایی از گرهها گروه بندی میشوند بنابراین فاصله فضایی4 بین سرخوشهها و گرهها بطور قابل ملاحظهای کم میشود. بار ترافیکی در میان سرخوشهها در سراسر شبکه متوازن گشته و مصرف انرژی در میان گرههای هر خوشه نیز بهینه میگردد.
بخش دوم: فرضیات و مدل رادیویی
در ابتدا فرضیات و مدل شبکه را ارائه میکنیم.
الف - فرضیات
میدانیم کاربرد گرههای حسگر با آرایش تصادفی پایش پیوسته محیطی است. اطلاعات توسط گرههای حسگر جمعآوری و به ایستگاه پایه که در فاصله دورتری از محیط قرارگیری گرهها مستقر است فرستاده میشود. سایر فرضیات به شرح ذیل است:
· گرهها همانند ایستگاه پایه بعد از قرارگیری در محیط ثابت میباشند.
· شبکه همگن در نظر گرفته شده و تمامی گرهها دارای انرژی اولیه همانند هستند.
· هر گره موقعیت جغرافیایی خود را میداند.
· همه گرهها پارامترهای محیطی را با یک نرخ ثابت اندازهگیری کرده و به صورت دورهای به گرههای دریافت کننده ارسال می-کنند.
· کانال رادیویی متقارن میباشد به این ترتیب که انرژی مصرفی برای انتقال داده از گره الف به گره ب همانند انتقال از گره ب به گره الف میباشد.
· تمامی گرهها میتوانند بعنوان یک حسگر برای نظارت بر مقادیر محیطی و همچنین حالت ارسال داده به ایستگاه پایه و یا سرخوشه برای جمع آوری، فشرده سازی و ارسال به ایستگاه پایه، راهاندازی شوند.
ب - مدل انرژی رادیویی
همانطور که قبلا نیز اشاره شد در اغلب کاربردها و در میان مصارف انرژی اجزا مختلف سیستم همچون مصرف انرژی واحدهای پردازشگر، حسگر، حافظه و فرستنده و گیرنده واحد ارتباط رادیویی دارای بیشترین مصرف انرژی میباشد. بنابراین بطور خاص بر روی انرژی مصرفی گرهها در ارتباطات درون شبکهای متمرکز میشویم.
