بخشی از مقاله
خلاصه
از جمله چالشهای تحقیقاتی در شبکههای حسگر بیسیم، کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه میباشد. بنابراین به کارگیری چندین چاهک متحرک در این شبکهها منجر به تعادل در مصرف انرژی گرههای حسگر میشود. در مدل ارائه شده در این مقاله با توجه به مزایای شش ضلعی بودن کندوهای زنبور عسل، گرههای حسگر به صورت تصادفی در یک شش ضلعی کلی که محیط شبکههای حسگر میباشد، توزیع شده-اند. این شش ضلعی به چندین خوشه با اندازه مساوی تقسیم میشود، که در این مدل در قالب سه لوزی مطرح شده است.
همچنین یک مسیر حرکت قابل پیش بینی برای چاهکهای متحرک تعیین شده است، که با حرکت چاهکها در چندین موقعیت از هر خوشه، دسترسی سایر گرههای حسگر و سرخوشهها به گرههای چاهک به راحتی امکان پذیر میشود. در نتیجه مشکل فاصله زیاد سرخوشهها از چاهکها که در روش های پیشین مطرح شده است، برطرف میشود. براساس شبیه سازیهای مدل پیشنهادی که با شبیه ساز NS2 انجام شده است، مصرف انرژی کل گرههای حسگر کاهش داشته است. درنتیجه افزایش متوسط انرژی باقیمانده گره های حسگر و افزایش تعداد گره های فعال، نشان دهنده بهبود طول عمر شبکههای حسگر در مدل پیشنهادی نسبت به روشهای پیشین میباشد.
-1 مقدمه
با توجه به توسعه سریع سیستم های میکرو الکترومکانیکی و تکنولوژی ارتباطات بیسیم استفاده از شبکه های حسگر بیسیم درسطح وسیع ازکاربردها از قبیل نظارت بر محیط زیست، تشخیص رخدادها و ردیابی هدف و غیره امکان پذیر میباشند. شبکه های حسگر بیسیم به دلیل داشتن ویژگیهایی از قبیل خود سازماندهی، بدون زیر ساخت بودن و تحمل پذیری در مقابل خطا برای شبکههای هوشمند بدون زیرساخت مناسب هستند.
از آنجا که هرگره حسگر به وسیله باتری کوچکی تغذیه میشود، که معمولا" این باتریها به آسانی قابل شارژ یا تعویض نیستند. درنتیجه یکی از نگرانیهای اصلی در این شبکهها صرفه جویی در مصرف انرژی گرههای حسگر در جهت افزایش طول عمر شبکه میباشد.
بنابراین در سالهای اخیر بیشتر تحقیقات در حوزه شبکه های حسگر بی سیم مبتنی بر چند چاهک متحرک بوده است.[4 , 5] چرا که قابلیت تحرک منجر به بهبود کارایی این نوع شبکهها درکاهش مصرف انرژی، تاخیر انتقال و همچنین کاهش مساله حفره انرژی می شوند .[3-6] به منظور افزایش طول عمرشبکههای حسگر، یک الگوریتم مسیریابی انرژی کارآمد مبتنی بر چند چاهک متحرک یعنی مدل MECA پیشنهاد شده است
در این مرجع محیط مورد بررسی گرههای حسگر به صورت یک دایره کلی در نظرگرفته شده است و بر اساس روشهای خوشهبندی شامل چندین خوشه مساوی می باشد. در این مدل چاهک های متحرک در راستای یک مسیر از قبل تعیین شده پیرامون دایره در حال حرکت هستند. در این الگوریتم در جهت کاهش مصرف انرژی گرههای حسگر، این امکان برای هر گره حسگر فراهم شده است، که داده های خود را به کوتاهترین مسیر - سرخوشه/چاهک - ارسال نماید. بنابراین در زمان ارسال داده، هرگره حسگر میبایست؛ فاصله خود را تا سرخوشه و نزدیک ترین چاهک از قبل محاسبه نماید و در نهایت دادهها به کوتاهترین مسیر ارسال شوند. با توجه به نتایج ارزیابی ها، این مدل از نظر کاهش مصرف انرژی و بهبود در طول عمر شبکه به نسبت به الگوریتم های سلسله مراتبی مرسوم عملکرد بهتری داشته است.
اما از آنجایی که حرکت چاهکهای متحرک فقط در دورتا دور محیط کاربردی می باشد، ممکن است بعضی مواقع سرخوشه در موقعیتی قرار گیرد که از چاهکها دور باشد. بنابراین دورافتادن سرخوشه ها از چاهک ها منجر به مصرف انرژی بیشتر و عملکرد نامطلوب شبکه میشود. بنابراین در مدل پیشنهادی که بهبود مدل MECA است، در جهت برطرف شدن این مشکل چند مسیر حرکت مناسب در راستای قطرهای شش ضلعی برای چاهک های متحرک تعیین شده است. همچنین در این مدل با پوشش مناسب هر خوشه توسط گرههای چاهک از چندین موقعیت، سایر گرههای حسگر به راحتی به گرههای چاهک دسترسی خواهند داشت. در این مدل تاثیر حرکت چاهکها بر روی مسیرهای از قبل تعیین شده منجر به بهبود مرجع [5] یعنی مدل MECA درکاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه میشود.
ساختار ادامه مقاله به این شرح است: در بخش دوم کارهای قبلی مرتبط با مدل قرارگیری یک یا چند چاهک متحرک در محیط شبکه های حسگر در راستای مسیرهای از قبل تعیین شده درجهت کاهش مصرف انرژی وافزایش طول عمر شبکه بررسی شده است. در بخش سوم اهمیت و ضرورت انجام تحقیق و تعریف مدل پیشنهادی مطرح شده است. در بخش چهارم نتایج حاصل از شبیه سازیها و در بخش پنجم نتیجه گیری از این تحقیق ارائه خواهد شد.
-2 کارهای قبلی
اگر چه تحقیقات اولیه پژوهشگران در مورد افزایش طول عمر شبکه، عمدتا بر روی پروتکلهای مسیریابی تمرکز داشتهاند، تا از مصرف انرژی درگره-های حسگر بکاهد[1]، اما اخیرا براساس نتایج تحقیقات انجام شده توسط بیشتر پژوهشگران مشاهده شده است، که متحرک بودن چاهک به عنوان یک تکنیک مهم برای بهبود هرچه بیشتر طولعمر شبکه مطرح شده است
در مرجع [3] محققان بررسی کردهاند، که حسگرها نه تنها برای ارسال بستههای اطلاعاتی خود انرژی مصرف میکنند، بلکه برای تقویت و رله کردن اطلاعات ارسالی توسط حسگرهای دیگر به سمت گره چاهک نیز به انرژی نیاز دارند. این را با عنوان مسئله همسایگی چاهک و یا مسئله حفره انرژی میشناسند، که باعث کاهش قابل توجه در طول عمر شبکه می شود. استراتژیهای مربوط به بهبود راندمان انرژی با استفاده از چاهکهای متعدد در زمینه های کاربردی جهت جمع آوری اطلاعات از گرههای حسگر، به منظور کاهش مصرف انرژی گرههای حسگر ودرنهایت بهبود در طول عمر شبکههای حسگر میباشد.
در مرجع [4] محیط شبکههای حسگر بیسیم به صورت چندین موزاییک شش ضلعی که کنار هم چیده شدهاند، در نظرگرفته شده است و از چند چاهک ثابت و متحرک استفاده شده است. در این مدل چاهکهای ثابت در مرکز موزائیکهای شش ضلعی قرار گرفتهاند و هر شش ضلعی متشکل از چندین دایره متحدالمرکز است. گرههای حسگر می بایست، با استفاده از مسیریابی چندگامی دادههای خود را از طریق گرههایی که در ناحیه اول - دایره نزدیک به چاهک - قرار گرفتهاند، به گره چاهک ارسال کنند.
در این وضعیت انرژی گرههای نزدیک به چاهک به سرعت کاهش مییابد و درصورت غیر فعال شدن این گرهها دسترسی به چاهک غیر ممکن میشود. بنابراین در این مرجع نیز به مشکل تشکیل حفرههای انرژی در نزدیک چاهکها که منجر به تقسیم شبکه و محدود شدن طول عمر شبکه میشود، اشاره شده است. راه حل ارائه شده در این مقاله، استفاده از چاهکهای متحرک و حرکت چاهکها در پیرامون موزاییک های شش ضلعی میباشد. که در این تحقیق با حرکت چاهک ها در پیرامون شش ضلعیها بهبود، در طول عمر شبکه نشان داده شده است.
در تحقیق دیگری در مرجع [5]، محققان چند چاهک متحرک را بررسی کرده اند. در این مدل محیط شبکههای حسگر به صورت یک دایره کلی در نظر گرفته شده است، که براساس شعاع دایره به نواحی تقسیم میشود. به هر کدام از این نواحی که اندازه یکسانی دارند، خوشه گفته می شود. در این مدل گرههای حسگر به صورت تصادفی در محیط پخش میشوند و از چندین گره چاهک متحرک و الگوریتم خوشه بندی انرژی کارآمد استفاده شده است. چاهکهای متحرک در راستای یک مسیر از قبل تعیین شده با یک سرعت ثابت پیرامون دایره درحال حرکت هستند
در این مدل برای هرخوشه یک سرخوشه درنظر گرفته شده است، به گونه ای که در هر خوشه گرهای که در مرکز خوشه است و انرژی باقیمانده بیشتری نسبت به همسایه های خود دارد، براساس رای گیری به عنوان سرخوشه انتخاب می شود.
همچنین محققان در مرجع [5] تاثیر وجود چند چاهک ثابت و متحرک را در عملکرد شبکه های سلسله مراتبی تحت مقیاس های متفاوت بررسی کرده اند. محققین در این مرجع با ارائه دو الگوریتم خوشه بندی انرژی کارآمد مبتنی بر چند چاهک ثابت Energy-efficient Multi-sink Clustering Algorithm - EMCA - و چند چاهک متحرک Mobile-sink based Energy-efficient Clustering Algorithm - MECA - ، تاثیر حرکت قابل پیش بینی چاهک بررسی شده است و این امکان برای هر گره فراهم میشود، که مسیر حرکت مناسب برای انتقال اطلاعات به گره مرکزی - چاهک یا سرخوشه - تعیین شود و دادهها به کوتاهترین مسیر ارسال شوند.
در مرجع[6] الگوریتم های مسیریابی سلسله مراتبی انرژی کارآمد مبتنی بر یک یا چند چاهک متحرک در طول پنج سال اخیر بررسی شده است. در این مقاله پروتکل های مسیریابی به دو گروه کلی تقسیم شده اند. گروه اول پروتکل های مسیریابی سلسله مراتبی هستند، که مبتنی بر بهینه سازی مصرف انرژی گره های حسگر طراحی شده اند و گروه دوم پروتکل های مبتنی بر روش های کلاسیک می باشند. همچنین در این مقاله پروتکل های مطرح شده را از نظر ساختار شبکه، ویژگی های الگوریتم، مدل انرژی، کاربرد، مدل خوشه بندی و انرژی کارآمد بودن بررسی شده اند.
در مرجع [7] یک پروتکل مسیریابی تکاملی چند منظوره - Multi objective Evolutionary Routing Protocol - MERP ارائه شده است، که براساس یک الگوریتم ژنتیک مرتب سازی غیردامنهایNon- Dominated Sorting Genetic Algorithm -II based Routing Protocol - NSGAII-RP - می باشد. این پروتکل به منظور ارائه مسیریابی انرژی کارآمد و افزایش طول عمر شبکه مطرح شده است. این پروتکل با استفاده از این الگوریتم ژنتیک و به حداقل رساندن انرژی مصرفی واطمینان از پوشش مناسب شبکه، بهترین سرخوشه را انتخاب می نماید و منجر به هماهنگی بیشتر بین گرههای چاهک متحرک می شود. درنهایت افزایش طول عمر شبکه از مزایای این الگوریتم محسوب میشود.
در مرجع [8] یک الگوریتم مسیر یابی براساس کنترل ازدحام مبتنی بر یک چاهک متحرک Clustering Algorithm based on Glowworm swarm optimization with Mobile sink - CAGM - در جهت متعادل شدن مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه مطرح شده است. در این الگوریتم بر اساس کنترل ازدحام شبکه به خوشه هایی مساوی تقسیم میشود. این الگوریتم به منظور به حداقل رسیدن انرژ ی مصرفی بهترین سرخوشه را انتخاب می نماید.
همچنین با توجه به نتایج ارزیابی ها، این الگوریتم در افزایش طول عمر شبکه و کاهش مصرف انرژی گره ها ی حسگر موثر بوده است. در مدل مرجع [9] به دلیل کاهش زمان جمع آوری دادهها از چاهک های متحرک با سرعت بیشتر استفاده شده است. زیرا بعضی از چاهکهای متحرک برای حرکت محدودیت هایی دارند و می بایست در مسیرهای صاف و یکنواخت حرکت کنند. در نتیجه محققان در این مدل الگوریتمی در جهت تشخیص مسیرهای صاف برای چاهک های متحرک مطرح نمودهاند.
در مرجع [10] پژوهشگران یک مکانیزم مسیریابی انرژی کارآمد مبتنی بر روشهای خوشه بندی برای شبکههای حسگر با یک چاهک متحرک همراه با موانع ارائه دادهاند. در این مکانیزم بر مبنای خوشه بندی یک گره به عنوان سرخوشه انتخاب می شود و دادههای سایر گرههای حسگر در هر خوشه را جمعآوری می نمایند و به گره چاهک ارسال می کنند.
در این مقاله چاهک متحرک به صورت دوره ای جمع آوری داده ها را از موقعیت اولیه شروع می نماید. سپس به صورت مستقیم دادهها را از سرخوشهها به صورت تک گامی جمع آوری می نماید و در نهایت به موقعیت اولیه باز می گردد. با توجه به پیچیدگی زمانبندی در شبکه های حسگر بیسیم با وجود موانع، الگوریتم های مرسوم کارآمد نمی باشند. بنابراین در این مقاله یک مکانیزم موثر بر پایه گراف پوشا ارائه شده است، که یک الگوریتم برنامه ریزی اکتشافی برای چاهک متحرک است تا کوتاهترین مسیرها را برای چاهک متحرک مشخص نماید و مانع برخورد چاهک به موانع شود.
