یک رویکرد افزایشی برای کاهش مصرف انرژی در شبکه های سنسور بی سیم

چکیده

کلمات کلیدی

1.مقدمه

شکل 1: زمان بندی دسترسی متعدد تقسیم زمانی برای عملکرد LEACH.

2. آثار مرتبط

3. مدل شبکه و فرضیات

3.1. مدل رادیویی انرژی

3.2 تعداد مطلوب سر خوشه ها 

شکل2. مد رادیویی

4. رویکرد پیشنهادی

4.1 اصلاح انتخاب سرخوشه

4.2. برنامه زمانبندیTDMA اصلاح شده

شکل4. جریان LEACH پیشنهادی اصلاح شده.

شکل5.  TDMA در LEACH برای فاز حالت دائمی.

5. نتایج و آنالیز شبیه سازی

جدول1. پارامترهای شبیه سازی

5.1 نتایج

5.1.1 تعداد سر خوشه

شکل 6. تعداد سرخوشه ها در مقایسه با تعداد دورها. 

شکل 7. طول عمر شبکه بر اساس تعداد گره های مرده.

5.1.2. طول عمر شبکه

جدول3. تعداد گره های مرده در سه دور.

شکل 8. تعداد بسته ها در مقابل انرژی (J).

5.1.3 تعداد بسته ها در ایستگاه پایه

جدول4. نتایج شبیه سازی تعداد گره های مختلف

5.1.4 مصرف انرژی

شکل9. مصرف انرژی در مقابل تعداد گره ها.

6. نتیجه گیری 

شبکه های سنسور بی سیم (WSN) شامل دستگاه های کم توان است که در مناطق مجزا جغرافیایی توزیع شده اند. سنسورها در خوشه ها مرتب می شوند. هر خوشه یک گره حیاتی را تعریف می کند که به سر خوشه (CH) شناخته می شود. هر CH داده های دریافت شده از گره های سنسور خود را جمع آوری می کند تا به یک ایستگاه پایه (BS) منتقل شود. سنسورها با باتری هایی که نمی توانند جایگزین شوند، مستقر شده اند. مصرف انرژی نگرانی مهمی برای WSN است. برای افزایش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه یک رویکرد افزایشی را پیشنهاد می کنیم. این کار با تقویت تعادل انرژی در خوشه ها در میان تمام گره های حسگر انجام می شود تا موجب کاهش انرژی در طول ارتباطات شبکه شود. این روش توسعه یافته براساس روش انتخاب سر خوشه است. علاوه بر این، یک برنامه زمانبندی بهسازی شده TDMA پیاده سازی شده است. در نهایت، رویکرد توسعه نشان دهنده پیشرفت در طول عمر شبکه، تعداد سر خوشه، مصرف انرژی و تعداد بسته های انتقال یافته به BS نسبت به LEACH و دیگر پروتکل های مرتبط است. آنالیز ریاضی و نتایج شبیه سازی متلب( MATLAB 2015a) اثربخشی این رویکرد پیشنهادی را نشان می دهد. این رویکرد مصرف انرژي WSN تا حدود 60 درصد کاهش يافته و چرخه عمر شبكه را 73 درصد از LEACH افزايش مي دهد.

شبکه های حسگر بی سیم (WSNs) شامل صدها یا هزاران دستگاه کوچک است که با قدرت محدود قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر هستند. این سنسورهای بی سیم در محیط دنیای واقعی برای حس کردن اثرات مختلف محیطی قرار می گیرند. گره های سنسور قدرت محدودی دارند، بنابراین داده های جمع آوری شده از محیط هدف به طور مستقیم به ایستگاه پایه (BS) ارسال می شود. BS گره ای است که علاقه مند به دریافت اطلاعات از مجموعه ای از گره های حسگر است. این گره شباهت بین داده های خود را که برای تصمیم گیری مورد استفاده قرار می گیرد آنالیز و کاهش می دهد. علاوه بر این، BS نه تنها می تواند از این داده ها به صورت محلی استفاده کند، بلکه می تواند این داده ها که در یک منطقه دور به شبکه های دیگر ارسال کند. با این وجود، این کار باعث ایجاد سربارهای ارتباطی بالا می شود که توسط گره های حسگر قابل تحمل نیست. در WSN، فرایندهای جمع آوری داده ها از تمام سنسورها و گزارش آنها به BS به عنوان جمع آوری داده شناخته می شوند. تکنولوژی WSN ها برای استفاده در بسیاری از برنامه های کاربردی مختلف گسترش یافته است. این برنامه ها ممکن است شامل برنامه های نظامی، نظارت بر بقاء، کنترل ترافیک، ساختمان های هوشمند و ردیابی شیء باشند. با این حال، WSN محدودیت های گسترده ای مانند حافظه محدود، توانایی محاسباتی کم، عدم داشتن باتری قابل شارژ و باتری محدود، امنیت و تنظیم آدرس جهانی برای تمام گره های حسگر دارد. صرفه جویی در مصرف انرژی یک مسئله حساس برای گره های حسگری است که قرار است برای مدت طولانی بدون مراقبت کار کند. علاوه بر این، مصرف انرژی به شرایط مورد نیاز برنامه ها بستگی دارد. علاوه بر این، گاهی اوقات در یک محیط ناسازگار قرار می گیرد که در آنجا کسی نمی تواند باتری را شارژ و یا جایگزین کند. بنابراین، باتری نقش اصلی را در WSN بازی می کند، که نشانگر طول عمر آن است. در شبکه بی سیم، بیشترین انرژی در فرایند انتقال داده مصرف می شود. بنابراین، پروتکل های مسیریابی کارآمد انرژی مورد نیاز است. بسیاری از آثار تحقیقی این موضوع را برای طراحی WSN با کارآیی بیشتر انرژی مورد توجه قرار داده اند. انواع مختلف تحقیق برای صرفه جویی در انرژی معرفی شده اند. این تحقیقات از لایه های فیزیکی عبور از پروتکل های مسیریابی آغاز می شود، که بر نحوه ارتقای تکنیک های جمع آوری داده ها مبتنی است. از سوی دیگر، پروتکل های مبتنی بر خوشه بندی، تعداد زیادی محقق را جذب خود کرده اند. این کار از دو مرحله تشکیل شده است: فاز راه اندازی و فاز حالت دائمی. در مرحله راه اندازی، WSN به خوشه (گروه های گره) تقسیم می شود. در هر خوشه، یک گره وجود دارد که به عنوان یک سر خوشه (CH) عمل می کند. در مرحله وضعیت دائمی اعضا در خوشه (گره های غیر سرخوشه) حس می کنند و داده های خود را به سیستم CH منتقل می کنند. هر گره حسگر در خوشه وقت خود را برای ارسال داده های حساس به CH خود دارد. فرایند ارسال بر اساس برنامه زمانبندی TDMA (Time Division Multiple Access) انجام شده است. این برنامه زمانبندی توسط هر CH ایجاد شده و آن را به تمام اعضا در خوشه ارسال می کند. شکل 1 را ببینید. سر خوشه مسئول کاهش داده های بیش از حد و اعمال تکنیک های جمع آوری و به حداقل رساندن اندازه داده ها و ارسال آنها به BS است. پروتکل LEACH ((Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)سلسله مراتب خوشه بندی سازگار با انرژی کم) یک پروتکل پیشرو است که برای برنامه های شبکه های میکرو سنسورها استفاده می شود. این پروتکل دو مفهوم خوشه با انرژی کارآمد مبتنی بر مسیریابی و دسترسی رسانه را با هم ادغام می کنند. ایده LEACH این است که تا جای ممکن در انرژی سنسورها صرفه جویی شود تا موجب بهبود طول عمر شبکه گردد. در مرحله نصب، گره ها سر خوشه هایی که پس از اعمال تمام گره های حسگر به طور تصادفی انتخاب شده اند را نشان می دهند. انتخاب سر خوشه هادر آغاز هر دور انجام می شود. هر گره سنسور یک عدد تصادفی بین 0 و 1 را انتخاب می کند. اگر این عدد تصادفی کمتر از آستانه T (n) باشد آن گره به عنوان CH برای دور فعلی انتخاب شده است. T (n) در معادله (1) بعدی معین می شود: که در آن: p: درصد انتخاب سر خوشه است. R: دور کنونی است. G: مجموعه ای از گره های حسگر است که سر خوشه ها را در 1/p دور خوشه بندی نکرده است. اگرچه پروتکل LEACH انرژی را در گره های حسگر حفظ می کند، و اندازه جدول مسیریابی را به حداقل می رساند، هنوز محدودیت هایی دارد، مانند: هنگامی که انتخاب تصادفی CH انجام می شود، انرژی باقی مانده در گره ها در نظر گرفته نمی شود. هنگامی که اندازه شبکه افزایش می یابد، CH ها که دور از BS قرار دارند، به سرعت انرژی بیشتری مصرف می کنند. اگر محیط استقرار کوچک باشد پروتکل LEACH به خوبی کار می کند. برنامه زمانبندی TDMA (Time division multiple access) محدودیت هایی دارد: صرف نظر از اینکه هیچ اطلاعات اخیری وجود ندارد هر سر خوشه زمان خود را برای ارسال داده ها در شکاف طراحی شده دارد. برخی از خوشه ها ممکن است گره های حسگر بیشتری نسبت به خوشه های دیگر داشته باشند که بر فرکانس ارسال اطلاعات به BS تاثیر می گذارد. گره ها در یک خوشه کوچکتر انرژی را سریعتر از گره های متعلق به یک خوشه بزرگ تر تخلیه می کنند. شکل 1: زمان بندی دسترسی متعدد تقسیم زمانی برای عملکرد LEACH. گره های سنسور یک عدد تصادفی بین 0 و 1 تولید می کنند. اگر تعداد گره کمتر از آستانه باشد، به سر خوشه تبدیل می شود. بنابراین محدودیت های تولید شده توسط سر خوشه ها وجود ندارد. بهره وری انرژی گره حسگر تحت تاثیر تعداد سرخوشه های استفاده کننده قرار می گیرد. پروتکل LEACH فرض می کند که تمام گره های حسگر برای ارتباط با سینک(sink) به اندازه کافی انرژی دارند. بنابراین، اگر گره های حسگر از سینک دور باشند انرژی بیشتری مصرف می شود. LEACH همچنین فرض می کند که تمام گره ها در شبکه همگن هستند، که در اکثر برنامه ها واقعی نیست. بنابراین، به بهبود بیشتر برای مدیریت گره های ناهمگن نیاز است. LEACH حفظ حریم خصوصی داده ها در بین گره های حسگر را حفظ نمی کند و به امنیت بیشتر نیاز دارد. بقیه مقاله به شرح زیر است: بخش 2 شرح مختصری از آثار مربوط به پروتکل LEACH را نشان می دهد. بخش 3 مدل و فرضیه های شبکه را ارائه می دهد. علاوه بر این، رویکرد پیشنهادی در بخش 4 مورد بحث قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی و آنالیز در بخش 5 مورد بحث قرار گرفته است. در پایان نتیجه گیری و کارهای آتی در بخش 6 معرفی شده است.