2-1 WSn ‌ها با يك چاهک ثابت…………………………………………………………………………………………………19
2-1-1 مشکل اتمام انرژي در گره‌هاي اطراف چاهک……………………………………………………………………19
2-1-2 بهبود حالت چاهک ثابت ……………………………………………………………………………………………….20
2-2 WSN با يك چاهک متحرك…………………………………………………………………………………………………21
2-2-1 مزاياي چاهک متحرک …………………………………………………………………………………………………..22
2-2-2 عيب استفاده از چاهک متحرک………………………………………………………………………………………23
2-2-3 انواع حرکت چاهک متحرک …………………………………………………………………………………………..23
2-2-3-1 جابجايي تصادفي ……………………………………………………………………………………………………23
2-2-3-2 شبكه هاي موبايل ثابت …………………………………………………………………………………………..24
2-2-3-3 جابجايي كنترل موبايليتي ………………………………………………………………………………………….25
2-3 ارسال داده هاي حساس به تاخير …………………………………………………………………………………………29
2-4 استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان………………………………………………………………..29
2-5 روش ارايه شده در EEQR ……………………………………………………………………………………………….32
2-5-1 معرفي مشکل نقاط کور…………………………………………………………………………………………………….33
2-6 مسيريابي در شبکه‌هاي حسگر بيسيم………………………………………………………………………………………33
2-6-1 اهداف مسيريابي……………………………………………………………………………………………………………33
2-6-2 معيارهاي تعيين مسير بهينه …………………………………………………………………………………………….34
2-6-3 مسيريابي در شبکه‌هاي بيسيم ………………………………………………………………………………………….34
2-6-3-1 مسيريابي بردار فاصله ………………………………………………………………………………………………35
2-6-3-2 مسيريابي حالت اتصال …………………………………………………………………………………………….36
2-6-3-3 مسيريابي مبدا …………………………………………………………………………………………………………36
2-7 روش هاي انتشار اطلاعات ………………………………………………………………………………………………….36
2-7-1 روش همه پخشي (Flooding)……………………………………………………………………………………..37
2-7-2 روش شايعه پراكني (gossiping)………………………………………………………………………………….38
2-7-3 روش SPIN………………………………………………………………………………………………………………….40
2-7-4 پيغام هاي SPIN …………………………………………………………………………………………………………40
2-7-5 SPIN-1 يك روش دست تكاني سه مرحله اي ……………………………………………………………..41
2-7-6 خلاصه سازي فرصت طلبانه (opportunistic data aggregation)………………………………43
2-7-7 خلاصه سازي حريصانه(greed data aggregation) ……………………………………………………43
2-7-8 پرسش تو رد تو(nested query) …………………………………………………………………………………44
2-8 الگوريتم خوشه بندي …………………………………………………………………………………………………………44
2-8-1 معيارمطلوبيت خوشه ها …………………………………………………………………………………………………45
2-8-2 ويژگي‌هاي يک الگوريتم خوشه بندي مناسب …………………………………………………………………..46
2-8-3 معايب روش خوشه بندي ……………………………………………………………………………………………..46
2-8-4 انواع خوشه بندي ………………………………………………………………………………………………………….46
2-8-5 الگوريتم kmeans ……………………………………………………………………………………………………..47
2-8-5-1 مراحل كار …………………………………………………………………………………………………………….47
2-8-6 پيش پردازش داده ها …………………………………………………………………………………………………….48
2-8-7 انواع ويژگي ها در خوشه‌بندي ………………………………………………………………………………………48
2-8-8 دلايل اصلي پيش پردازش داده‌ها …………………………………………………………………………………….48
2-8-9 عمليات اصلي پيش پردازش داده ها ………………………………………………………………………………..49
2-8-10 آلودگي‌ها در خوشه بندي …………………………………………………………………………………………….49
2-8-11 روشهاي مورد استفاده در پيش پردازش …………………………………………………………………………50
2-8-12 روش (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)…………………………………..50
2-8-12-1 جزئيات الگوريتم LEACH …………………………………………………………………………………52
2-8-12-2 فاز تبليغات……………………………………………………………………………………………………………52
2-8-12-3 فاز تشكيل دسته‌ها…………………………………………………………………………………………………53
2-8-12-4 فاز تشكيل برنامه……………………………………………………………………………………………………53
2-8-12-5 فاز انتقال داده‌ها…………………………………………………………………………………………………..54
فصل سوم :روش تحقيق
3-1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………..56
3-2 فاز اول: استقرار اوليه ………………………………………………………………………………………………………..58
3-2-1 توسعه اوليه …………………………………………………………………………………………………………………58
3-2-2خوشه‌بندي …………………………………………………………………………………………………………………..58
3-2-2-1 استفاده از روش BSK-Means براي خوشه بندي گره ‌ها …………………………………………61
3-2-3 مسيريابي………………………………………………………………………………………………………………………63
3-2-3-1 مسيريابي جهت اتصال به گره سرخوشه……………………………………………………………………64
3-2-3-2 مسيريابي سرخوشه به سمت فوق گره……………………………………………………………………….64
3-2-3-3 مسيريابي به سمت چاهک متحرک …………………………………………………………………………….65
3-2-3-4 مسيريابي وايجاد کانال خصوصي بين فوق‌گره‌ها…………………………………………………………..65
3-3 فاز دوم : حيات و ادامه زندگي شبکه……………………………………………………………………………………..66
3-3-1 اولويت بندي اطلاعات………………………………………………………………………………………………….66
3-3-2 تصميم گيري براي ارسال داده‌ها ……………………………………………………………………………………..67
3-3-3 تصميم‌گيري در مورد جهش حرکت چاهک متحرک…………………………………………………………..68
3-3-4 نحوه آگاهي فوق‌گره متصل به چاهک متحرک، به ساير فوق‌گره ها و نرک ايستگاه…………………..70
3-3-5 ارسال غير مستقيم اطلاعات چاهک متحرک……………………………………………………………………..70
3-4 مقايسه روش هاي ارايه شده………………………………………………………………………………………………….71
3-4-1 روش چاهک ثابت…………………………………………………………………………………………………………71
3-4-2 روش چاهک متحرک……………………………………………………………………………………………………..72
3-4-3 استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان(DualSink)…………………………………….73
3-4-4 روش ارايه شده …………………………………………………………………………………………………………….74
3-5 طرح و نقشه ……………………………………………………………………………………………………………………….75
3-6 مزاياي استفاده از اين روش نسبت به ساير روش‌ها…………………………………………………………………..76
فصل چهارم :تجزيه و تحليل داده ها و ارزيابي کارايي
4-1 ارزيابي کارايي ………………………………………………………………………………………………………………….78
4-1-1 جزييات شبيه سازي …………………………………………………………………………………………………….78
4-1-2 مدل انرژي مصرفي گره‌ها ……………………………………………………………………………………………80
4-1-3 مقايسه انرژي مصرف شده در روش ارايه شده ……………………………………………………………….80
4-1-4 تاثير روش ارايه شده ،بر نرخ گم شدن بسته‌ها ………………………………………………………………..82
4-1-5 متوسط تعداد گام طي نموده براي رسيدن به چاهک ………………………………………………………….83
فصل پنجم: نتيجه گيري و پيشنهادهاي تحقيق
5-1نتايج………………………………………………………………………………………………………………………………86
5-2 پيشنهادهاي تحقيق…………………………………………………………………………………………………………..87

فهرست جداول
جدول4-1 پارامترهاي شبيه سازي………………………………………………………………………………………………..79
فهرست اشکال
شکل 1-1معماري ارتباطي شبکه هاي حسگر بيسيم…………………………………………………………………………. 6
شکل 1-2 ساختمان داخلي گره حسگر…………………………………………………………………………………………. 6
شکل 2-1 انواع خوشه بندي در شبکه هاي حسگر بيسيم……………………………………………………………….. 21
شکل 2-2يک چاهک سيال در حال حرکت در طول يک خط مستقيم……………………………………………… 28
شکل2-3 انواع روش هاي جابه حايي کنترل شده…………………………………………………………………………. 29
(شکل 2-4 )روش ارايه شده در EEQR……………………………………………………………………………………. 32
(شکل 2-5) پديده تصادم…………………………………………………………………………………………………………… 37
(شکل 2-6) پديده هم پوشاني…………………………………………………………………………………………………….. 38
شکل 2-7 روش شايعه پراکني…………………………………………………………………………………………………….. 39
شکل 2-8 روش دست تکاني……………………………………………………………………………………………………… 42
شکل 2-9 نحوه دسته بندي در زمان هاي t و t+c………………………………………………………………………… 51
شکل 2-10 ميران نرمال شده مصرف انرژي سيستم درصد گره‌هاي سردسته……………………………………. 52
شکل3-1 نمايه اي از طرح پياده‌سازي شده…………………………………………………………………………………… 58
شکل 3-2 خوشه بندي با روش Leach ……………………………………………………………………………………. 62
شکل 3-3 روش خوشه‌بندي با روش BSK-Means…………………………………………………………………… 63
شکل 3-4 نمايه چاهک ثابت و نحوه اتصال گره‌ها………………………………………………………………………… 71
شکل 3-5 نمايه روش چاهک متحرک و نحوه اتصال گره‌ها……………………………………………………………. 72
شکل 3-6 استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان (Dual Sink) ………………………………. 73
شکل 3-7 نمايش گرافيکي طرح پيشنهادي………………………………………………………………………………….. 74
فهرست نمودارها
(نمودار 3-1) مصرف انرژي BSK-Means، در مقايسه با روش‌هاي ديگر، در شبکه‌‌هاي حسگر بيسيم. 61
(نمودار 3-2)کارايي الگوريتم BSK-means براي ارسال اطلاعات در مقايسه با ساير روش‌ها…………… 62
(نمودار 4-1) نمودار مصرف انرژي در استفاده از روش‌هاي در مختلف شبکه…………………………………… 81
(نمودار 4-2 ) درصد بسته هاي گم شده نسبت به تعداد گره‌هاي مورد استفاده………………………………….. 82
(نمودار 4-3) ميانگين تعداد گام در حالت هاي چاهک متحرک و چاهک ثابت و راه‌کار کنوني در خالت استفاده از 35 گره………………………………………………………………………………………………………………………..84
چکيده
يکي از چالش هاي مطرح در زمينه شبکه‌هاي حسگر ،نحوه مسيريابي و جمع‌آوري اطلاعات از گره‌هاي شبکه مي‌باشد .از آنجا که اين شبکه‌ها از لحاظ منابع انرژي و پردازشي محدوديت دارند،نيازمند روش‌هاي خاصي براي مسيريابي و انتقال اطلاعات مي‌باشند که مصرف انرژي پاييني داشته باشند.
براي واضح تر شدن موضوع ،در شبکه هاي حسگر معمولي يک گره چاهک در وسط شبکه قرار دارد که اطلاعات حس شده توسط آن، به سوي چاهک هدايت مي‌گردد اما طول عمر پايين شبکه به علت از بين رفتن گره‌هاي اطراف چاهک و تاخير انتها به انتهاي زياد گره به علت انتقال اطلاعات از طريق تعداد نسبتا زيادي گره براي رسيدن به چاهک ، دو مشکل اساسي در ارسال اطلاعات در شبکه هاي حسگر بي‌سيم معمولي هستند. دو مشکل ذکر شده ،امروزه به عنوان يكي از مباحث بسيار داغ علمي مطرح است و تاكنون كارهاي زيادي در جهت بهبود و افزايش كارايي در زمينه جمع‌آوري اطلاعات در اين حوزه ، صورت گرفته است. يكي از روش‌هاي مطرح در اين زمينه، روش استفاده از چاهک متحرک است كه در اين روش با حرکت چاهک در کل شبکه اطلاعات از گره‌هاي حسگر جمع‌آوري مي‌گردد. اين روش، پايه بسياري از روش‌هاي مطرح شده بعدي در جهت حل مشکلات مطرح شده در حوزه مسيريابي و جمع‌آوري اطلاعات در شبكه‌هاي حسگر را تشكيل مي‌دهد كه در اين پايان‌نامه مورد بحث و بررسي قرار گرفته اند و در نهايت از لحاظ قابليت و نقاط ضعف و قوت، با يكديگر مورد مقايسه قرار گرفته اند.
در اين پايان‌نامه قصد داريم تا با ارايه روشي جامع، ساده و کارا دو مشکل مطرح در اين گونه شبکه‌ها که باعث کارايي پايين اين شبکه‌ها گرديده را بهينه تر نماييم. روش ارايه شده مبني بر حرکت چاهک متحرک در طول شبکه است که در آن شبکه به صورت خوشه‌بندي شده مي باشد و با در نظر گرفتن اولويت بسته‌ها در ارسال اطلاعات به چاهک مي‌باشد .نتايج به دست آمده بهبود دو پارامتر ذکر شده را نشان مي‌دهد .
كلمات كليدي :
شبكه هاي حسگر بي‌سيم ،چاهک متحرک، روش‌هاي جمع‌آوري اطلاعات ، خوشه‌بندي، مسيريابي
فصل اول :
کليات تحقيق
1-1مقدمه
امروزه بحث سيستم‌هاي كنترل و نظارت از راه دور يكي از مباحث پرچالش در زمينه علوم الكترونيك و كامپيوتر مي‌باشد. لذا محققان در هر زمان به دنبال راه حلي مي‌باشند تا شرايط خاص و انتظارات مدنظر را پاسخ دهد؛ در شرايط و كيفيت كاري يكسان هر چه نسبت هزينه به كارائي پائينتر باشد، همان قدر محبوبيت آن شيوه بيشتر خواهد شد.
براي آگاهي از تغييرات محيط اطراف و يا وضعيت هر مجموعه ،نيازمند يكسري تجهيزات هستيم كه بعنوان حسگر شناخته مي شوند.حسگر‌ها تغييرات مدنظر (تغييرات فيزيكي يا شيميايي) را در قالب يك پاسخ، به منظور اندازه گيري ميزان تغييرات و يا وجود تغيير، ارائه مي دهند. پس از جمع آوري اطلاعات مورد نياز مي‌توان ساير عمليات را بر اساس پاسخ ارائه شده، انجام داد.
پيشرفتهاي اخير در زمينه الكترونيك و مخابرات بي سيم باعث شده ،بتوانيم گره‌هاي حسگر چندكاره، با توان مصرفي پايين و هزينه كم داشته باشيم كه از نظر اندازه خيلي كوچك هستند و براي مسافت هاي كوتاه مي‌توانند با هم ارتباط برقرار كنند. اين گره‌هاي حسگر كوچك طبق نظريه شبكه هاي حسگر، داراي تجهيزات حس كردن، پردازش داده‌ها و مخابره مي‌باشند. تفاوت اصلي شبكه هاي حسگر با ساير شبكه‌ها در ماهيت داده- محور (data – centric) و همچنين منابع انرژي و پردازشي بسيار محدود در آنهاست كه موجب شده تا روش هاي مطرح شده جهت انتقال داده‌ها در ساير شبكه‌ها و حتي شبكه‌هايي كه تا حد زيادي ساختاري مشابه شبكه‌هاي حسگر دارند مانند شبكه هاي موردي(AdHoc)، در اين شبكه‌ها قابل استفاده نباشند. روند توسعه اين شبكه‌ها در حدي است كه مطمئناً اين شبكه‌ها در آينده نزديك،‌نقش مهمي را در زندگي روزمره ما ايفا خواهند كرد. از كاربردهايي كه در حال حاضر براي شبكه حسگر مطرح مي‌شود و روزبه‌روز بر تعدادشان افزوده مي‌شود، مي توان به كاربردهايي نظير عمل رديابي در محيط هاي گسترده جغرافيايي، سيستم‌هاي امنيتي، نظارت بر سازه‌هاي بزرگ، نظارت بر بيماران داراي وضعيت حساس و همچنين نظارت بر پارامترهاي محيطي در مناطقي كه حضور انسان در آنها خطرناك است و بسياري كاربردهاي ديگر اشاره كرد.
شبكه هاي حسگر در واقع تجمع تعداد زيادي از گره‌هاي حسگر مي‌باشند كه در محيط پراكنده شده‌اند و هر كدام به طور خودمختار و با همكاري ساير گره‌ها هدف خاصي را دنبال مي‌كنند. گره‌ها، به هم نزديك هستند و هر گره اي با گره ديگري مي تواند ارتباط برقرار كند و اطلاعات خود را در اختيار گره ديگري قرار دهد و در نهايت وضعيت محيط تحت نظر، به يك گره مركزي گزارش مي شود.
عواملي چون اقتصادي بودن سيستم، تواناييهاي مورد انتشار، تعداد انبوه گره‌ها موجب گشته هر گرهي يكسري محدوديتهاي سخت افزاري داشته باشد. اين محدوديتها بايد در پياده سازي سيستم هاي مختلف در اين گونه شبکه‌ها مورد توجه قرار گيرد. برخي از محدوديت‌هاي اين گونه شبکه‌ها عبارتند از :
– هزينه پائين : بايستي سيستم نهايي از نظر اقتصادي مقرون به صرفه باشد. چون تعداد گره‌ها خيلي زياد بوده و برآورده هزينه هر گره در تعداد زيادي (بالغ بر چند صدهزار) ضرب مي گردد، بنابراين هر چه از هزينه هر گره كاسته شود، در سطح كلي شبكه صرفه جويي زيادي صورت خواهد گرفت و سعي مي شود هزينه هر گره به كمتر از يك دلار برسد.
– حجم كوچك : گره به نسبت محدوده اي كه زير نظر دارند، بخشي را به حجم خود اختصاص مي دهند. لذا هر چه اين نسبت كمتر باشد به همان نسبت كارايي بالاتر مي رود و از طرفي در اكثر موارد براي اينكه گره‌ها جلب توجه نكند و يا بتوانند در برخي مكان‌ها قرار بگيرند نيازمند داشتن حجم بسيار كوچك مي باشند.
– توان مصرفي پايين : منبع تغذيه در گره‌ها محدوده مي باشد و در عمل امكان تعويض يا شارژ مجدد آن مقدور نيست، لذا بايستي از انرژي موجود به بهترين نحو ممكن استفاده گردد.
– نرخ بيت پائين : به خاطر وجود ساير محدوديتها، عملاً ميزان نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در گره‌ها، نسبتاً پايين مي باشد.
– خودمختار بودن : هر گره اي بايستي از ساير گره‌ها مستقل باشد و بتواند وظايف خود را طبق تشخيص و شرايط خود، به انجام برساند.
– قابليت تطبيق پذيري : در طول انجام نظارت بر محيط، ممكن است شرايط در هر زماني دچار تغيير و تحول شود. مثلاً برخي از گره‌ها خراب گردند. لذا هر گره بايستي بتواند وضعيت خود را با شرايط بوجود آمده جديد تطبق دهد.
(شکل 1-1) ساختمان داخلي گره حسگر
(شکل 1-2)معماري ارتباطي شبکه هاي حسگر بيسيم
همانطور كه در قبل نيز بيان شد، شبكه هاي حسگر در حالت كلي ماهيت داده – محور دارند و بنابراين ساختار ارتباطي بين گره‌هاي حسگر بايد طوري طراحي شوند كه با ماهيت اين شبكه‌ها هماهنگي داشته باشند. چون اكثر كاربردهاي شبكه هاي حسگر در مواردي است كه عملاً امكان اتصال گره‌ها به يكديگر عملي يا مقرون به صرفه نيست، در اين گونه شبكه‌ها عموماً از ارتباط بيسيم استفاده مي شود. و ساختار كلي اين شبكه‌ها به اين صورت است كه تعداد زيادي گره همسان، در محيط پراكنده مي‌شوند و پس از جمع‌آوري اطلاعات مورد نظر، آن را به يك چاهک (Sink) ارسال مي‌كنند. چاهک، گرهي داراي ميزان انرژي بالا و تجهيزات مورد نياز مي باشد و در واقع واسط بين شبكه حسگر و محيط اطراف مي‌باشد. در شبكه‌هاي با وسعت جغرافيايي زياد، مي توان از چندين چاهک استفاده كرد تا مسير ارسال داده‌ها به گيرنده‌ها، بيش از حد طولاني نگردد.
از آنجايي كه ارسال مستقيم راديويي در فواصل زياد، به انرژي بسيار زيادي نياز دارد، در شبكه‌هاي حسگر از روش‌هاي انتقال اطلاعات به صورت گام به گام استفاده مي‌شود. علاوه بر اين مورد، در اكثر موارد بين بسياري از گره‌ها و گيرنده‌هاي مركزي به علت مسايلي مانند فاصله زياد يا موانع جغرافيايي، ممكن است ديد مستقيمي بين گره و گيرنده مركزي وجود نداشته باشد. روشهاي متنوعي جهت پراكندن اطلاعات در شبكه هاي حسگر، پيشنهاد شده است كه تعدادي از آنها در فصل بعد، مختصراً آورده شده اند. در شكل 1-1 و 1-2شمايي از معماري ارتباطي در شبكه هاي حسگر نشان داده شده است.
تكنيك‌ها و شيوه هاي مورد استفاده در چنين شبكه‌ها وابستگي شديدي به ماهيت كاربرد شبكه دارد و ساختار توپولوژي شبكه، شرايط جوي و محيطي، محدوديت‌ها و … عوامل موثري در پارامترهاي كارايي و هزينه شبكه مي باشند. لذا امروزه در سرتاسر دانشگاه‌هاي معتبر و مراكز تحقيقاتي كامپيوتري، الكترونيكي و بخصوص مخابراتي، شبكه‌هاي حسگر بيسيم، يك زمينه تحقيقاتي بسيار جذاب و پرطرفدار محسوب مي‌شود. تحقيقات و پيشنهادات زيادي در مباحث مختلف ارائه شده است و همچنان حجم تحقيقات در اين زمينه سير صعودي دارد.
هدف اصلي تمامي اين تلاش‌ها و ارائه راه‌كارها، داشتن سيستمي با شيوه هاي كنترلي ساده، آسان و با هزينه پائين مي‌باشد كه در نهايت با پاسخگويي به نيازمندي‌هاي ما ، بتواند در مقابل محدوديتها (پهناي باند، انرژي ، ‌دخالت‌هاي محيطي ، فيدينگ و …) ايستادگي كند و شرايط كلي را طبق خواسته‌ها و تمايلات ما (انتقال حجم زياد اطلاعات پرمحتوا، بقاء پذيري و طول عمر بالا، هزينه پائين و ..) را فراهم سازد. لذا محققين جنبه‌هاي مختلف را تحليل و بررسي مي‌نمايند و سعي مي‌كنند ايده‌هاي بهينه و كارا را استخراج كنند. اين ايده‌ها مي‌توانند از محيط وحش اطرافمان الهام گرفته شده باشد و با استفاده از قوانين رياضي و نظريات تئوري و آماري مي‌توان آنها را تحليل نمود.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

به دلايل ذكر شده در بالا،‌بحث شبكه هاي حسگر در حال حاضر يكي از مباحث داغ در محافل علمي است و روز به روز بر تعداد مقاله‌هايي كه در اين مورد منتشر مي‌شوند افزوده مي گردد. در سالهاي اخير نيز چند كنفرانس معتبر IEEE نيز در همين زمينه برگزار شده است.
يكي از چالش‌هاي مطرح در زمينه شبكه‌هاي حسگر، نحوه مسيريابي و انتقال اطلاعات جمع‌آوري شده، در گره‌هاي اين شبكه هاست. از آنجايي كه اين شبكه‌ها از لحاظ ميزان انر‍ژي قابل دسترسي و منابع پردازشي موجود، محدوديت دارند، نمي توان از روش‌هاي مطرح شده براي ساير شبكه‌ها، در شبكه‌هاي حسگر استفاده كرد.
دو نوع مصرف انرژي در شبکه در بين محققان مطرح مي‌باشد
1- ميانگين مصرف انرژي گره‌ها در شبکه که در اصطلاح به آن Ebar مي‌گويند
2- بيشترين ميزان مصرف انرژي در شبکه در بين گره‌ها که در اصطلاح به آن Emax مي گويند
يک شبکه حسگر را در نظر بگيريد که در قسمتي از شبکه انرژي گره‌هاي يک قسمت از شبکه به ميزان زيادي مصرف مي‌گردد اين موضوع باعث مي‌شود که قسمتي از شبکه بعد از مدتي، انرژي‌اش تمام شود و از کار بيافتد و در نتيجه نتواند اطلاعاتي در رابطه با آن ناحيه به چاهک برساند ، از طرفي در آن شبکه ،ناحيه اي وجود دارد که مصرف انرژي پاييني دارد ،در اين صورت ميانگين مصرف انرژي شبکه مشکلي را در اين شبکه نشان نمي‌دهد اما پارامتر Emax اين موضوع را بيان مي‌کند که در يک قسمت از شبکه انرژي زيادي در حال استفاده مي‌باشد .
در طراحي‌هاي اخير يك WSN معمولا تشكيل شده از يك سري گره ثابت و يك چاهک ثابت که در ميان ناحيه جغرافيايي قرار گرفته است. در چنين پيكربندي،مصرف كننده انرژي،ماژول ارتباطات هر گره مي‌باشد. در عمل، براي ارسال اطلاعات گره‌ها به چاهک، به ارتباطات چندگانه نياز است. با توجه به اين که در هر ارتباط از انرژي شبکه کاسته مي‌شود، انرژي شبکه به ميزان نسبتا زيادي به ازاي يک بسته کاهش پيدا خواهد کرد. در اين گونه شبکه‌ها مشکل ديگري نيز وجود دارد و آن اين است که در صورتي که شبکه داراي يک چاهک ثابت در محيط باشد تمامي گره‌هاي شبکه اطلاعات خود را به سوي چاهک ارسال مي‌کنند. هرچند چاهک، از بابت مصرف انرژي داراي محدوديتي نمي‌باشد، اما گره‌هاي اطراف چاهک تعداد بسته هاي زيادي را مبادله مي کنند و اين موضوع باعث مي‌شود که انرژي آن‌ها زود تمام شود، با وجود اين که گره‌هاي دور از چاهک همچنان انرژي دارند و قادر به رصد محيط مي‌باشند، اما نمي‌تواننداطلاعات خود را به چاهک ارسال نمايند.
از طرفي احتمال ايجاد نقاط کور براي دسترسي درشبکه‌هاي با چاهک ثابت به صورت بارزي امکان پذير مي‌باشد.از طرفي به دليل محدوديت هاي جغرافيايي و يا عدم امنيت يک مسير، براي ارسال اطلاعات حسگرها نمي‌توانند اطلاعات خود را به چاهک ثابت ارسال نمايند. اين موضوع به عنوان يکي از نقاط ضعف استفاده از چاهک ثابت به شمار مي‌آيد .
يک راه‌کار ارايه شده در اين حوزه ،استفاده از چند چاهک ثابت در شبکه مي‌باشد. اما استفاده از چندين چاهک، به دليل هزينه زياد و محدوديت‌هايي که در مورد مکان چاهک مي‌باشد مانند محيط‌هاي نظامي (که چاهک لزوما بايد در نقطه امني از شبکه حضور داشته باشد)، معمولا مورد استفاده قرار نمي‌گيرد.
راه‌کار ديگري در اين زمينه توسط[1] بيان گرديد و آن، استفاده از رويکرد سلسله مراتبي در ارسال اطلاعات به چاهک مي‌باشد. در اين روش هر گره خود را در يک مجموعه بزرگ تر عضو مي‌نمايد و اطلاعات خود را از طريق گره اي که نماينده آن گروه مي‌باشد ارسال مي‌کند. اين روش ميزان مسيريابي‌هاي مجدد و هم‌پوشاني در ارسال اطلاعات را کاهش مي‌دهد. اما تاثير قابل توجهي در ترافيک اطلاعات ارسالي به چاهک ثابت نخواهد داشت.
رويكرد ديگري كه براي افزايش طول عمر شبكه كاربرد دارد، استفاده از چاهک متحرك در اين گونه شبكه‌ها است. اين رويکرد در خيلي از موارد شبيه استفاده از چندين گره ثابت است، در حالي كه در حالت استفاده از چند گره ثابت نياز به استفاده از يك ارتباط عمومي براي جمع‌آوري تمام داده‌ها در يك نقطه پاياني است. براي غلبه بر نقص هاي موجود در يك چاهک ثابت، استفاده از چاهک متحرك پيشنهاد شده است. يك چاهک متحرك، مي‌تواند انواع مختلفي از جابه‌جايي را در ميان سنسورها داشته باشد. مانند حركت تصادفي، حركت ثابت و پيش‌بيني شده از قبل و حركت هاي كنترل شده كه نتيجه آن بهبود در مصرف انرژي و جمع‌آوري داده مي‌باشد، که به تفصيل، هريک را توضيح خواهيم داد.
روش استفاده از چاهک متحرک، مشکلات تمام شدن انرژي گره‌هاي اطراف چاهک و همچنين ارتباطات چندگامه و تاخير انتها به انتها را به نسبت روش چاهک ثابت برطرف مي‌کند اما داراي مشکلاتي نيز مي‌باشد. در اين گونه شبکه‌ها، اطلاعاتي که در يک منطقه از شبکه ايجاد مي‌گردند، نمي‌توانند خود را به دليل نبود چاهک متحرک در آن ناحيه، به موقع به چاهک برسانند.اين موضوع زماني بدتر خواهد شد که شبکه داراي ترافيک‌هاي حساس به تاخير باشد . ترافيک‌هاي حساس به تاخير، اطلاعاتي هستند که داراي محدوديت زماني در ارسال و دريافت توسط مقصد هستند. در برخي از اين ترافيک‌ها مانند ترافيک‌هاي چندرسانه‌اي، حتي ترتيب دريافت بسته حايز اهميت مي‌باشد. بنابراين، روش استفاده از چاهک متحرک، براي اين‌گونه ترافيک‌ها نتيجه عکس خواهد داشت. استفاده از چاهک متحرک، معايب ديگري نيز دارد که در اين جا به برخي از آن‌ها به اختصار اشاره خواهد شد و توضيحات کامل تر را در فصل بعد ارايه خواهيم کرد .از ديگر مشکلات اين روش، افزايش تاخير انتها به انتها و مسيريابي مدام به چاهک متحرک و مشکل بودن شناسايي حضور چاهک متحرک توسط چاهک ثابت را مي‌توان نام برد.
راه‌کار استفاده شده ديگر، در اين حوزه استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان است. در برخي کاربرد‌ها نياز است تا ارتباط گره‌ها با چاهک همواره برقرار باشد. يکي از اين موارد، ترافيک‌هاي حساس به تاخير است. در اين گونه ترافيک‌ها، داده‌ها براي ارسال به چاهک داراي محدوديت در زمان دريافت هستند. در بعضي کاربرد‌ها، مانند رشته هاي ويديويي حتي ترتيب دريافت نيز اهميت دارد. در اين خصوص، راه‌کارهاي مختلفي ارايه شده است. يکي از مهمترين راه‌کارهاي ارائه شده، استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان مي‌باشد. اين روش در مقلات علمي مختلف بيان گرديده و مورد علاقه بسياري از محققين مي‌باشد. مزيت اين روش حضور هميشگي حداقل يک چاهک براي ارسال اطلاعات مي‌باشد. اما در اين روش نيز خلاهايي وجود دارد. مانند اتصال قسمت عظيمي از شبکه به چاهک ثابت و ديگري، مسيريابي هميشگي مجدد به چاهک متحرک است. در قسمت ضرورت انجام تحقيق مفصل تر در رابطه با اين موضوع سخن خواهيم گفت.
1-2بيان مساله
همانطور که در مقدمه نيز بيان گرديد، روشهاي زيادي براي پروتكل‌هاي مسيريابي طراحي شده‌اند تا بهينه‌سازي مصرف انرژي در جمع‌آوري داده‌ها در شبكه حسگر بيسيم را فراهم كنند. در مورد روش چاهک ثابت،گره‌هاي مستقر شده در مجاورت چاهک، انرژي‌شان را خالي مي‌كنند و خيلي زودتر از گره‌هاي قرار گرفته در دور از چاهک، به خاطر بار پاسخگويي بالاتر زودتر مي‌ميرند. به خاطر اينكه اين مساله را مورد توجه قرار دهيم، متحرک‌سازي چاهک را معرفي مي‌كنيم كه در آن چاهک مي‌تواند در يك مسير معين درون شبكه حركت كند همچنين در خيلي از موارد نشان داده شده كه چاهک متحرك در متعادل سازي بار مسيريابي و در نتيجه كاهش انرژي گره‌ها كمك مي‌كند. اگرچه اين موضوع واضح هست كه چاهک متحرك بالانس بار بين گره‌ها را بهبود مي‌بخشد، اما اين يك سوال باز است كه آيا اين مساله در بهبود كارايي انرژي شبكه WSN مفيد است يا خير؟ براي اينكه اين مساله را مورد متوجه قرار دهيم ابتدا نيازمند اين هستيم كه معيارهاي مناسبي را براي كمي سازي كارايي انرژي تعريف كنيم.
1- دو پارامتر ممكن که براي مقايسه استراتژي هاي متحرك سازي چاهک استفاده مي‌شود، اين است كه تمام انرژي مصرف شده گره‌ها در WSN را براي تمام بار كاري انجام شده توسط WSN مقايسه كنيم.ارزيابي اول، كاهش انرژي متوسط به ازاء همه گره‌ها مي‌باشد. براي مثال ميانگين كاهش انرژي براي تمامي گره‌ها در WSN در طول مدت زمان مشخص است. با اين همه مشخص است كه در مورد يك چاهک ثابت، مصرف انرژي گره‌ها در طول شبكه به شدت متغير است. علت اين موضوع اين هست که، گره‌هاي اطراف چاهک، تحت بار سنگين‌تري هستند و عمليات پاسخ آنها، نسبت به گره‌هاي دورتر از چاهک بيشتر است. بنابراين Emax، قطعا يكي از پارامترهاي نماينده ممكن براي تعيين طول عمر WSN در يك محيط انتزاعي مي‌باشد. اغلب كارهاي انجام شده در مقالات در زمينه طول عمر يك WSN، به دو پارمتر ميانگين اتلاف انرژي گره‌هاي شبکه و بيشينه مصرف انرژي شبکه توجه کرده‌اند.
در اين پايان نامه مي خواهيم اين دو نوع نحوه مصرف انرژي را همزمان با حفظ کيفيت سرويس، از طريق ارائه راهکاري در مسيريابي شبکه، با استفاده از چاهک ثابت و متحرک، کاهش دهيم.
چتد عامل در بهينگي عوامل بيان شده تاثيرگذار مي باشد، که قصد داريم تاثير اين عوامل را بر مصرف انرژي شبکه کم يا حذف نماييم در ادامه به اختصار هر يک از موارد را توضيح خواهيم داد.
اول: معمولا WSNها از سنسورهاي ثابت ريزي تشكيل شده است كه در محيط جغرافيايي پارامترهاي مورد نظر را حس كرده و پارامترهاي مورد علاقه را بررسي مي‌كنند. توسعه نامتقارن رندوم باعث شده كه هميشه يكي از پارامترهاي مهم، بدست آوردن انرژي بهينه باشد و هميشه بايد به فكر اثر تكنولوژي‌ها در تغيير ارسال داده‌ها باشيم. در شبكه هاي ad-hock، در يك محيط جغرافيايي بزرگ که پارامترهاي مورد نظر را حس مي‌كنند، يك استقرار شبكه غير كنترل شده و تصادفي، يك توپولوژي غير قابل درك و نامفهوم را در يك محيط پويا با پهناي باند كم، انرژي باتري پايين و حافظه گره‌هاي كم ايجاب مي‌كند كه هر گره يك مسير كارآمد از نظر انرژي را به شبکه معرفي كند. استقرار ad-hock گره‌ها، برنامه نويسان را از جداول مسيريابي پيكربندي شده روي هر گره در گره‌هاي حسگر محدود مي‌كند.هر چند شبکه‌هاي ad-hoc با ساختار شبکه‌هاي حسگر بيسيم متفاوت مي‌باشند اما مي‌توان از برخي روش‌هاي آن‌ها براي تحرک چاهک استفاده نمود. تكنيك هاي گوناگوني براي حفظ مسيرهاي مسيريابي شده و به روز شدهي چاهک ارائه شده‌اند. [2]. روش پرواكتيو(در روش‌هايي كه تغيير توپولوژي مسيريابي به كندي صورت مي‌گيرد) روش بهتري براي كاهش مصرف انرژي مي‌باشد، به اين صورت كه براي دستيابي به توپولوژي شبكه به صورت فراگير1، يك بسته را به تمام شبكه ارسال مي‌شود. در جواب بسته ارسالي، برگشت داده داريم. در مقدمه تاثير چاهک متحرک، در مصرف انرژي بيان گرديد. اما روش پرواکتيو، به دليل اين که چاهک متحرک در هر زمان در يک قسمت از شبکه مي‌باشد، باعث مي‌شود که شبکه متناوبا به مسيريابي مجدد تا گره مرتبط با چاهک بپردازد ، ارسال بسته به تمامي شبکه، باعث مصرف انرژي زيادي مي‌گردد. با توجه به اين موضوع، يکي از مشکلات استفاده از چاهک متحرک، مسيريابي چند باره مي‌باشد که در روش ارايه شده، مورد توجه قرار مي‌دهيم
دوم: در شبکه‌هاي حسگر بيسيم معمولي، چاهک درمرکز شبکه،ثابت مي‌باشد و بسته‌هاي اطلاعاتي بايد براي رسيدن به چاهک از چند گام عبور نمايند. افزايش تاخير انتها به انتها ،به دليل ارسال بسته‌ها توسط چند گام، يکي از مشکلات استفاده از چاهک ثابت مي‌باشد. افزايش تاخير انتها به انتها در ترافيک‌هاي حساس به تاخير مساله مهمي مي‌باشد. اين در حالي است که ارسال اطلاعات به چاهک متحرک مي تواند به صورت يک گام انجام شده يا توسط چند گام محدود، انجام شود. . ارسال اطلاعات با استفاده از چند گره، کيفيت سرويس را کاهش مي‌دهد. علاوه برآن، ارسال اطلاعات با استفاده از چند گره تاثير زيادي بر افزايش انرژي مصرفي در شبکه دارد. يکي از هدف‌هاي اين پايان نامه کاهش ارتباطات چند گامه براي ارسال اطلاعات به چاهک مي‌باشد
سوم : اگر چه روش چاهک متحرک بهينگي مصرف انرژي و کاهش تاخيرانتهابه انتها را بهبود مي‌دهد‌، اما مشکل اساسي اين روش انتظار براي حضور چاهک متحرک براي ارسال اطلاعات مي‌باشد .اين مشکل باعث مي‌شود که تاخير انتهابه انتها در نقاطي که چاهک متحرک در آن منطقه حضور ندارد به شدت افزايش يابد و اين موضوع براي ترافيک‌هاي حساس به تاخير چندرسانه‌اي قابل قبول نمي‌باشد. بنابراين در روش ارائه شده،موضوع ارتباطات چندگانه را مورد توجه قرار مي‌دهيم.
چهارم : يکي از مشکلات استفاده از چاهک ثابت عدم دسترسي به نقاط کور در شبکه مي‌باشد .در اين‌گونه شبکه‌ها، تعدادي از گره‌ها معمولا به علت پديده‌هاي جغرافيايي با توزيع ناهمگن در قسمتي از شبکه و يا تمام شدن انرژي گره‌هايي که اطلاعات يک ناحيه توسط آن‌ها به چاهک ثابت انتقال داده مي‌شده است، قادر به ارسال داده به سمت چاهک ثابت نيستند. در اين حالت‌ها مشکل نقاط کور وجود دارد و باعث مي‌شود که با وجود مصرف انرژي، گره‌ها نتوانند اطلاعات خود را به چاهک ارسال نمايند . در روش استفاده از چاهک متحرک،چاهک طوري برنامه ريزي مي‌گردد که در مناطق دور از شبکه نيز حضور داشته باشد و در نتيجه در مقايسه با حالت چاهک ثابت نقاط کور را بهتر پوشش مي‌دهد .
پنجم: در شبکه‌هاي حسگر بيسيم ، گره‌هاي حسگر به طور يکنواخت در محيط پخش نشده اند و از طرفي ترافيک شبکه نيز در تمامي شبکه به طور يکنواخت نمي‌باشد. اين مشکل باعث مي‌شود که مصرف انرژي در تمامي شبکه به يک ميزان نباشد در نتيجه باعث مي‌شود که قسمتي از شبکه انرژي اش به سرعت تمام شود.
ششم : کيفيت سرويس در برنامه‌هاي مختلف‌،متفاوت مي‌باشد. در اين پايان‌نامه نيز تمرکز بر روي داده‌هاي حساس به تاخير مي‌باشد در اين‌گونه برنامه‌ها، هر بسته اطلاعاتي با توجه به نوع برنامه مورد استفاده آن، مي‌تواند داراي اولويت خاصي، نسبت به بسته اطلاعاتي ديگري مي‌باشد. در شبکه هاي حسگر بيسيم معمولي، اولويت خاصي به بسته هاي ورودي براي ارسال به چاهک لحاظ نمي‌گردد. در نتيجه بسته‌هاي با اولويت پايين ،بدون هيچ تاخيري ارسال مي‌گردد، اما بسته‌هاي با اولويت بالا، با تاخير زيادي ارسال مي‌گردند.
با توجه به ضعف هريک از روش‌هاي استفاده از چاهک ثابت و چاهک متحرک، روش پيشنهادي بسياري از محققين ، استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان است
1-3 اهميت و ضرورت تحقيق
با توجه به ميزان اهميت مصرف انرژي در شبکه‌هاي حسگر بيسيم و نيز طبيعت شبکه هاي حسگر که مصرف انرژي نامتوازن در اين شبکه‌ها به دلايل مختلف مانند تراکم بيش از حد گره‌ها ،ترافيک نامتوازن آن‌ها و… مي تواند قسمتي از شبکه به سرعت ازکار بيافتد و علاوه بر آن از بين رفتن گره‌هاي اطراف چاهک باعث مي‌شود، که کل شبکه با وجود داشتن انرژي کافي، از کاربيافتد. راه‌کار ارائه شده توسط دانشمندان، استفاده از چاهک متحرک مي‌باشد. اما اين راه حل نيز با مشکلاتي نظير،مسيريابي هميشگي به سمت چاهک متحرک و يا تاخير انتها به انتهاي بالا در نقاطي که چاهک درآن نقاط حضور ندارد مواجه است .زيرا گره‌هايي که در ناحيه حضور چاهک متحرک جضور ندارند بايد منتظر بمانند تا چاهک به ناحيه آنها برسد. بنابراين ارائه روش‌هاي استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان، براي مقابله با اين مشکل ارايه شده اند .اما روش‌هاي ارايه شده در استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان نيز مشکلاتي دارد .مانند :
– عدم رعايت تفاوت بين قسمت‌هايي که داراي ترافيک بالايي هستند، با نقاطي که داراي ترافيک محدودي مي‌باشند .با توجه به عدم توزيع يکسان گره‌ها در شبکه، نوع حرکت چاهک متحرک ضروري به نظر مي رسد، به طوري که چاهک متحرک طوري برنامه ريزي گردد که با صرف انرژي کمتر، کيفيت سرويس مناسبي را بر اساس ترافيک شبکه ايجاد نمايد.
– با توجه به اين که چاهک متحرک در يک زمان در همه مناطق وجود ندارد، در نتيجه بيشتر بار ترافيکي شبکه بر روي چاهک ثابت اعمال مي‌شود و همچنان مشکل ترافيک بيش از حد در اطراف چاهک ثابت و کوتاه شدن طول عمر شبکه در گره‌هاي اطراف چاهک ثابت همچنان موجود مي‌باشد بنابراين ضروري به نظر مي‌رسد که با اعمال مکانيزمي از چاهک متحرک، استفاده حداکثري گردد.
– با توجه به عدم توازن گره‌ها در شبکه و همچنين صرف انرژي زياد براي اتصال به چاهک متحرک ضروري مي باشد که مکانيزمي براي خوشه بندي شبکه و اتصال يک خوشه با استفاده از سرخوشه اش به چاهک صورت گيرد به نحوي که عدم توازن پخش ترافيک و گره‌ها را در شبکه نتيجه دهد.نکته‌اي که حائز اهميت مي‌باشد اين است که خوشه‌بندي بايد به گونه‌اي باشد که مصرف انرژي در شبکه را مورد توجه قراردهد.
– با توجه به ايجاد ترافيک‌هاي متنوع در شبکه و اين که برخي از ترافيک‌ها حساس به تاخير مي باشند ضروري به نظر مي‌رسد که کلاس هاي مختلف را به بسته‌ها اختصاص داده و براساس کلاس‌هاي ترافيکي به ارسال بسته‌هاي اطلاعاتي پرداخت .
در مقالات مختلف هر يک، روشي را مطرح کرده اند که برخي از موارد بالا را برطرف کرده با توجه به اين موضوع، ارايه روشي که همزمان موارد بالا را بهبود دهد ضروري به نظر مي‌رسد.

1-4 سؤالات تحقيق:
1. چه نوع خوشه‌بندي‌ را مي‌توان در مسيريابي در شبکه ‌هاي حسگر بيسيم به کاربرد تا مصرف انرژي بهينه باشد؟
2. چگونه مي‌توان از صف‌هاي اولويت، براي برنامه‌ريزي براي ارسال اطلاعات در شبکه‌هاي داراي چاهک متحرک استفاده نمود ؟
3. تاريخچه استفاده از تحرک براي چاهک متحرک در شبکه‌هاي حسگر بيسيم چيست و چه کارهايي تا کنون صورت گرفته است؟
1-5 فرضيه‏هاي تحقيق:


پاسخ دهید