بررسی راهکارهای مناسب جهت بهینه سازی مصرف انرژی در شبکه های حسگر بی سیم با …

۱-۷- تعاریف اصطلاحات
۱-۷-۱- تعریف عمر شبکه
به مدت زمان طی شده تا موقع مرگ اولین یا آخرین گره شبکه ، عمر شبکه گفته می شود .
۱-۷-۲- تعریف الگوریتم ممتیک
الگوریتم memetic یک استراتژی جستجو در میان مجموعه ای از عوامل بهینه ساز است که به صورت رقابتی یا همکاری در کنار هم قرار گرفته انددر الگوریتم memetic یک مجموعه از راه حل ها را برای حل مسئله در دست داریم
۱-۷-۳- تعریف ازدحام در شبکه
هرگاه نیاز بیش از ظرفیت باشد ازدحام به وجود می آید. در شبکه های کامپیوتری نیز هنگامی که بسته های زیادی در قسمتی از زیر شبکه وجود داشته باشد،کارایی کاهش می یابد . این وضعیت ازدحام نامیده می شود.
۱-۸- طرح تحقیق و شیوه تجزیه و تحلیل داده ها
با توجه به اینکه هدف تحقیق بررسی روشهای موثر جهت بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از الگوریتم ممتیک می باشد، نوع مطالعه میدانی و بررسی مقالات مرتبط در این زمینه است.برای این موضوع سایتهای مختلف از جمله Elsevier و Springer مورد جستجو قرار می گیرد.
از آنجایی که این پژوهش بر روی موضوع مینیمم کردن مصرف انرژی تکیه دارد برای تحلیل داده ها از نرم افزار مطلب استفاده شده است.
فصل دوم
ادبیات و پیشینه پژوهش
۲-۱ تاریخچه شبکه های حسگر بیسیم
شروع پژوهش در این زمینه به حدود سال ۱۹۸۰ بر می گردد که آژانس پروژه های تحقیقات پیشرفته دفاعی موسوم به( DARPA )[2] مشغول کار روی برنامه شبکه های بی‌سیم توزیع شده (DSN)[3] بود یعنی زمانی که آرپانت ( شبکه قبل از اینترنت) با وسعتی حدود ۲۰۰ هاست در دانشگاهها و مراکز علمی مشغول به کار بود. DSN ها یعنی نودهای حسگری که از لحاظ جغرافیایی پراکنده اما با هم تعامل و همکاری می کنند علاوه بر این هر کدام خود مختار و خود گردان می باشند و این شبکه ها اطلاعات به سمت نودی که بهترین توانایی را در استفاده از این اطلاعات داشت مسیر یابی می شد عموم مولفه هایی که در یکDSN به کار می رفت عبارت بودند از حسگر ها ( صوتی و … ) ، ارتباط ، تکنیک های پردازشی و الگوریتم ها و نرم افزار های توزیعی.محققان دانشگاه ملون سیستم عامل ارتباط گرا موسوم به Accent را ارائه کردند که با انعطاف پذیر بودن و دسترسی شفاف به منابع توزیع شده می توانست یک DSN با قابلیت فلورانس خطا را آماده کند. یکی از کاربردهای پیاده سازی شده DSN که توسط دانشگاه صنعتی ماساچوست ایجاد شد سیستم ردیاب بالگرد بود که از تعدادی میکروفن های صوتی و سپس تکنیک های تطبیق و ربایش سیگنال استفاده می شد. اما در راستای تحقیقات اولیه روی شبکه های حسگر به خصوص DSN ها ، تکنولوژی هنوز به طور کامل آماده نبود،ٍبه طور نمونه حسگر ها نسبتاً بزرگ بودند ( بعنوان مثال یک جعبه کفش یا بزرگتر ) که این خود دامنه کاربردی این شبکه ها را کم می کرد.بعلاوه DSN های اولیه سازگاری زیادی با اتصالات بی‌سیمی نداشتند اما پیشرفت های اخیر در محاسبات و ارتباطات و تکنولوژی های میکروالکترومکانیک تحول مهمی را در پیدایش شبکه‌های حسگر بی‌سیم بوجود آورد.اولین حرکت در تحقیقات شبکه‌های حسگر بی‌سیم در حدود سال ۱۹۹۸ رقم خورد و از آن به بعد نظر محققان زیادی را در سرتاسر دنیا به خود جلب کرد.در تحقیقات جدیدی که روی شبکه های حسگر انجام می گیرد امکانات و تکنولوژیهای شبکه ای بسیار برای محیط های ادهاک با داینامیکی بالا مناسب می باشند و تمرکز کار روی حسگرهای بی‌سیم بیشتر و بیشتر شد علاوه بر اینکه نود های حسگر سایز کوچکتر و قیمت ارزانتری دارند و در نتیجه کاربرد های زیادتری را می توان از آن ها داشت کاربردهایی همچون نظارت های محیطی ، شبکه های حسگر خودرویی و شبکه های حسگر بدنی و غیره. مجددا DARPA بعنوان یک پیش رو، در تحقیقات شبکه های حسگر کار خود را با تحقیق روی برنامه ای به نام SensIT آغاز نمود که در آن شبکه های حسگر فعلی را مجهز به قابلیت های همچون شبکه های ادهاک، پرس و جوی داینامیک و ایجاد توانایی چند وظیفه گی و دوباره برنامه نویسی در آنها بود. در همان زمان IEEE شبکه هایی با هزینه هایی کمتر و توانایی های بالاتر از شبکه های حسگر را معرفی کرد و به عنوان استاندارد IEEE 802.15.4 برای شبکه های بی‌سیم شخصی با نرخ داده پایین معرفی شد و به دنبال آن اتحادیه ZigBee استانداردهای موسوم به استاندارد های ZigBee را منتشر کرد که در آن تعدادی پروتکل ارتباطی سطح بالا که توسط شبکه‌های حسگر بی‌سیم بکار می رفت را معرفی می کرد و اکنون شبکه‌های حسگر بی‌سیم یکی از مهم ترین تکنولوژیهای قرن ۲۱ می باشند کشورهایی همچون چین شبکه‌های حسگر بی‌سیم را بعنوان یک استراتژی ملی در راس برنامه های تحقیقاتی خود قرار داده است.هم چنین دید تجاری به شبکه‌های حسگر بی‌سیم نیز در بسیاری از کمپانی های معروف در حال افزایش است. مشابه اغلب فناوریهای دیگر، کاربردهای نظامی محرک اصلی برای تحقیقات و توسعه درزمینه شبکه های حسگر بوده است.
از دیدگاهی دیگر و به طور اجمال ، تاریخچه پیدایش شبکه های حسگر بی سیم [۴](WSN) را می توان به صورت چهار فاز و مرحله جدا در نظر گرفت. این چهار فاز به صورت مختصر در زیر آمده اند .
فاز اول، شبکه های حسگر نظامی دوران جنگ سرد است. در دوران جنگ سرد سیستم ارزیابی صوتی[۵] ، سیستمی متشکل از حسگرهای صوتی در زیر اقیانوسها برای آشکارسازی و ردیابی زیردریایی های کشور شوروی به کار گرفته شد. پس از آن سالها نیز، همچنان شبکه های پیچیده صوتی برای ک

دانلود متن کامل این پایان نامه در سایت abisho.ir

نترل و ردگیری زیردریایی ها استفاده می شد. سیستم SOSUS هم اکنون نیز برای سازمانهایی که در زمینه اقیانوسشناسی و مدیریت هوایی فعالیت دارند، برای کنترل فعالیتهای زمین لرز های در داخل اقیانوسها و یا بررسی رفتار موجودات داخل آنها به کار گرفته می شوند. همچنین در طول جنگ سرد، شبکه های مربوط به رادارهای دفاع هوایی بهینه سازی شده و برای دفاع از ایالات متحده و کانادا استفاده شدند. شبکه هایی با ساختار سلسله مراتبی[۶] (پردازش در سطوح متوالی و انتقال اطلاعات از عامل به وجود آورنده آن به دست کاربر ) رشد کردند و در بیشتر موارد، عامل انسانی نقش اساسی و کلیدی در سیستمها ایفا می کرد ( پردازش سیگنالهای صوتی، تغییر اطلاعات و ترکیب آنها ).
فاز دوم، ابتکارات مرکز پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی[۷] (DARPA) بود. انگیزه اصلی برای تحقیق پیشرفته بر روی شبکه های حسگر، در اوائل سال ۱۹۸۰ و به وسیله DARPA ، حمایت شدند، به وجود آمد. در این زمان، آرپانت (نسل اولیه اینترنت فعلی) با دویست میزبان در دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی استفاده می شد و آر. کان[۸] (بنیانگذار پروتکل (TCP/IP مدیر سازمان فنون پردازش اطلاعات در DARPA بود. او می خواست بداند که آیا میتوان روش آرپانت را به شبکه های حسگر کشاند. در آن زمان چنین ایده ای با نبودن کامپیوترهای شخصی و ایستگاههای کاری، پردازش ضعیف و انتقال اطلاعات با سرعت پایین یک فکر جاه طلبانه به شمار می آمد. در واقع یکی از برنامه های DARPA ، در آن زمان آن بود که شبکه های حسگر توزیع شده را به صورت گره های حسگر توزیع شده ای که بسیار کم هزینه هستند و می توانند در یک حالت اشتراکی و به صورت خودگردان کار کنند به کار گیرند. در حقیقت این اهداف تقریباً همان چیزهایی بود که امروزه برای شبکه های حسگر بی سیم انتظار داریم.
تجهیزات برای شبکه حسگر پخش شده در سال ۱۹۷۸ معرفی شدند. این تجهیزات شامل حس کننده ها (اغلب صوتی)، ارتباطی، روشهای پردازش و الگوریتمها ( شامل الگوریتمهای مکان یابی برای حس کننده ها ) و نرم افزارهای پخش شده[۹] قابل تغییر به طور دینامیکی بر روی سیستمها و زبانهای برنامه نویسی ) بودند. به دلیل آن که در آن زمان DARPA قویترین حمایت کننده تحقیقات هوش مصنوعی[۱۰] بود، بازار فروش محصولات بیشتر در این زمینه فعال بود. ( آشکارسازی سیگنال و روشهای حل مسائل به صورت گسترده). به دلیل فقر امکانات و فناوری،برنامه شبکه های حسگر پخش شده مجبور شد با کمک روش محاسبات گسترده، پردازش سیگنال، ردگیری و محل آزمایش موجود حل شود.
تحقیقات در دانشگاه کارنجی ملون و پترزبورگ[۱۱] بر روی تهیه نرم افزاری که دارای قابلیت انعطاف و استفاده از منابع گسترده مورد نیاز برای مقاومت در برابر خرابی در شبکه های حسگر پخش شده باشد، متمرکز شد. آنها یک سیستم عامل به نام ACCENT تولید کردند که در آن امکاناتی از قبیل انتقال در شبکه، امکان بنا کردن دوباره سیستم و نوسازی شبکه وجود داشت .این سیستم عامل، سیستم عامل MACH را تکمیل کرد و از این رو توانست حالت تجاری به خود بگیرد. از کارهای دیگر این مرکز تحقیقات می توان به وجود آوردن پروتکلهایی برای ایجاد ارتباط جهت پردازش داخلی در شبکه برای حمایت از نوسازی دینامیکی محاسبات مربوط به ارتباط فعال، ساخت زبان مخصوص واسط برای ساختن نرم افزار سیستم پخش شده و یک سیستم برای به وجود آوردن تعادل در بار دینامیکی و اصلاح خطا در نرم افزار شبکه پخش شده بود. در آن زمان تمامی این کارها به وسیله محیط آزمایش داخلی با منابع سیگنال، حس کننده های صوتی و کامپیوترهای VAX که بوسیله اترنت به یکدیگر وصل بودند، مورد ارزیابی قرار می گرفت. محققین دانشگاه ماساچوست[۱۲] ، تلاش خود را بر روی روشهای پردازش سیگنال هوشمند، برای چرخبال های ردگیر با استفاده از آرایه های پخش شده ای از میکروفنهای صوتی و به کمک تجهیزاتی که از روشهای تطبیق و خلاصه سازی ( حذف اطلاعات جزئی در سطوح پایین سیگنال و استفاده از سطوح بالاتر سیگنال یا قله سیگنال ) بهره می گرفتند، متمرکز کرده بودند. آنها ساختاری مفهومی برای تفکر درباره سیستمهای پردازش سیگنال با الهام از آنچه که سیگنالهای دنیای واقعی را انسان به صورت داخلی، پردازش و تفسیر می کند تهیه کردند. با کمک تجربیات مدل انسانی، روشی برای افزایش بهره سیگنال به نویز در محیطهای پر نویز ساخته شد. علاوه بر این MIT ، زبان پردازش سیگنال و محیط محاسبه میان- کنشی[۱۳] برای آنالیز داده در این شبکه ها و بهسازی الگوریتم را به وجود آورد.
در ادامه این پیشرفتها مشخص شد که ردگیری اهداف چندگانه در محیطهای گسترده به طور کامل از ردگیری متمرکز شده سخت تر است. استفاده از اندازه گیری برای ردیابی و به دست آوردن مشخصات اهداف ( محل و سرعت) نیاز به شبکه های حسگر را به وجود آورد. در دهه ۱۹۸۰ ، مرکز سیستمهای هوشمند پیشرفته در ایالات متحده برای مسائل و مشکلات به وجود آمده از قبیل تعداد بالای اهداف که پس از پیداشدن بنا به دلائلی گم می شوند و هشدارهای دروغین، الگوریتمهایی را به وجود آورد. اکنون ردگیری چندفرضیه ای یکی از روشهای استاندارد برای مسائل ردگیری مشکل است. این الگوریتم برای ردگیری هواپیمایی که در ارتفاع کم پرواز می کرد اجرا شد و نتیجه خوبی را از خود نشان داد. به طوری که نمایش محل پرواز هواپیما، به وسیله حس کننده های صوتی همانند نمایش آن در نمایشگر رادار بود. از آزمایشات دیگری که برای اثبات درستی برنامه
شبکه های حسگر استفاده شد، مسئله ردگیری وسائل نقلیه متحرک و کنترل گره های محلی بود.
فاز سوم، کاربردهای نظامی توسعه یافته و آرایش یافته در سالهای ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ ( این میتواند نسل اول محصولات تجاری خوانده شود ) بود . با وجود اینکه محققان شبکه های حسگر فعالیتهای بسیاری انجام می دادند، اما هنوز فناوری برای این شبکه ها به صورت کامل آماده نبود. بر اساس نتایج به دست آمده ی تحقیقات بر روی شبکه های حسگر توزیع شده به وسیله DARPA ، طراحان نظامی به دلیل اهمیت این شبکه ها در میدان رزم، در سالهای ۱۹۸۰ و۱۹۹۰ ،DARPA به منظور پذیرفتن تکنولوژی شبکه حسگر شروع به کار کردند و آن را به عنوان یک جز کلیدی در جنگهای شبکه-مرکز[۱۴] مد نظر قرار دادند. در محیطهای جنگی سنتی (قدیمی) ، هر بخشی سلا حهایش را به صورتی نسبتاً مستقل مالک می شود اما در جنگهای شبکه-مرکز، سلاح ها الزاماً وابسته به یک بخش ویژه نیستند، بلکه در عوض از طریق به کارگیری حسگرهای توزیع شده، سیستمهای سلاحی و بخشهای مختلف با هم و بر روی یک شبکه حسگر مشارکت کرده و اطلاعات به طرف گره مناسب فرستاده می شود. مثالهایی از شبکه های حسگر در پهنه نظامی، شامل آرایه های حسگر آکوستیکی برای ضد حملات زیر دریایی در جنگها و همچنین سیستم حسگر جنگی از راه دور و سیستم های حسگر تاکتیکی از راه دور می باشند. در این زمان می توانستند از شبکه های حسگر، برای بالابردن دقت در ردگیری و روشهای هندسی مختلف، افزایش دامنه آشکارسازی و کاهش زمان پاسخ دهی استفاده کنند. از طرف دیگر هزینه توسعه نیز به دلیل استفاده از شبکه های تجاری موجود پایین بود.
فاز چهارم، تحقیقات بر روی شبکه های حسگر در قرن بیست و یکم ( این میتواند نسل دوم محصولات تجاری خوانده شود ) است. پیشرفت های به وجود آمده در زمینه های مخابراتی و محاسباتی که در اواخر سالهای ۱۹۹۰و اوائل سال ۲۰۰۰ به دست آمد، تحقیقات در مورد شبکه های حسگر را متحول کرده و آن را به اهداف نهایی خود نزدیک نموده است. حس کننده های کوچک و ارزان قیمت ساخته شده بر اساس فناوری سیستمهای میکرو الکترومکانیکی، شبکه بندی بیسیم و پردازشگرهای کم مصرف و ارزان قیمت اجازه می دهند تا از شبکه های بیسیم موردی[۱۵] برای مقاصد گوناگون استفاده کنیم. به همین دلیل محققان نیز برنامه جدیدی را بر روی شبکه های حسگر بر اساس پیشرفتهای موجود شروع کرده و روشهای جدید در شبکه بندی را توسعه داده اند، که از جمله این اقدامات میتوان به جاگذاری سریع حسگرها به صورت ادهاک و تطبیق شبکه ها در محیطهای مختلف اشاره کرد. اقدام بعدی آنها در زمینه پردازش اطلاعات بود، یعنی اینکه چگونه میتوان اطلاعات را از شبکه حسگر به شکل مناسب، واقعی و در زمان مناسب استخراج کرد.
۲-۲- ویژگی های عمومی شبکه های حسگر بیسیم (WSN)
۱) همه گره ها در شبکه های بی سیم حسگر ( بر خلاف شبکه های بی سیم سنتی) نیازی به برقراری ارتباط مستقیم با نزدیک ترین برج کنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند، بلکه حسگرها به خوشه هایی (سلول هایی) تقسیم می شوند که هر خوشه (سلول) یک سرگروه خوشه موسوم به Parent انتخاب می کند.
وظیفه این سرگروه ها جمع آوری اطلاعات می باشد. آنها اینکار را به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره ها به ایستگاه پایه و در نتیجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام می دهند.
۲) وظیفه پروتکل های شبکه ای همتا به همتا ایجاد یک سری ارتباطات مش مانند جهت انتقال اطلاعات بین هزاران دستگاه کوچک با استفاده از روش چندجهشی می باشد .معماری انطباق پذیر مش، قابلیت تطبیق با گره های جدید جهت پوشش دادن یک ناحیه جغرافیایی بزرگ تر را دارا است. علاوه بر این، سیستم می تواند به طور خودکار از دست دادن یک گره یا حتی چند گره را جبران کند.
۳) هر حسگر موجود در شبکه دارای یک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. یکی از اهداف شبکه های حسگری این است که هر محل در فضای مورد نظر بایستی حداقل در رنج حسگری یک گره قرار گیرد تا شبکه قابلیت پوشش همه منطقه موردنظر را داشته باشد.
یک حسگر با شعاع حسگری r را می توان با یک دیسک با شعاع r مدل کرد. این دیسک نقاطی را که درون این شعاع قرار می گیرند، تحت پوشش قرار می دهد. بدیهی است که برای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه این دیسک ها باید کل نقاط منطقه را بپوشانند.
با این که توجه زیادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها می شود، احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هیچ حسگری قرار نگیرد. این نقاط تحت عنوان حفره های پوششی نامیده می شوند. اگر تعدادی حسگر به علاوه یک منطقه هدف داشته باشیم، هر نقطه در منطقه باید طوری توسط حداقل n حسگر پوشش داده شود که هیچ حفره پوششی ایجاد نشود. این موضوع لازم به ذکر است که مساله حفره پوششی بسته به نوع کاربرد مطرح می گردد. در برخی کاربردها احتیاج است که درجه بالایی از پوشش جهت داشتن دقت بیشتر داشته باشیم.
الف) حفره پوششی
ب) استفاده از حسگری اضافی (با ناحیه پوششی پررنگ) جهت حذف حفره پوششی
۲-۲- ۱ ساختار ارتباطی شبکه های حسگر
گره های حسگری دارای توانایی خودساماندهی هستند. آنها در یک منطقه پراکنده می شوند. هر کدام از این گره های پخش شده دارای توانایی جمع کردن اطلاعات و ارسال آنها به پایانه ای موسوم به sink می باشد. این اطلاعات از یک مسیر چند مرحله ای که زیرساخت مشخصی ندارد به سینک فرستاده می شوند و سینک توسط لینک ماهواره یا اینترنت با گره task manager ارتباط برقرار می کند .
طراحی یک شبکه تحت تاثیر فاکتو
رهای متعددی است. این فاکتورها عبارتند از: تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری، محدودیت های سخت افزاری، محیط انتقال و مصرف توان که در زیر به شرح آنها می پردازیم.
۲-۲-۲ فاکتورهای طراحی
فاکتورهای بیان شده در بالا از اهمیت فراوانی در طراحی پروتکل های شبکه های حسگر برخوردار هستند؛ در ادامه درباره هر یک از آنها توضیحات مختصری ارایه می کنیم.
۲-۲-۳ تحمل خرابی
برخی از گره های حسگری ممکن است از کار بیفتند یا به دلیل پایان توانشان، عمر آنها تمام شود، یا آسیب فیزیکی ببینند و از محیط تاثیر بگیرند. از کار افتادن گره های حسگری نباید تاثیری روی کارکرد عمومی شبکه داشته باشد. بنابراین تحمل خرابی را “توانایی برقرار نگه داشتن عملیات شبکه حسگر علی رغم از کار افتادن برخی از گره ها” تعریف می کنیم. در واقع یک شبکه حسگر خوب با از کار افتادن تعدادی از گره های حسگری، به سرعت خود را با شرایط جدید (تعداد حسگرهای کمتر) وفق داده و کار خود را انجام می دهد.
۲-۲-۴ قابلیت گسترش
برای مطالعه یک پدیده ممکن است در حدود صدها و یا هزاران گره که مورد استفاده قرار گیرند البته تعداد گره ها به کاربرد و دقت موردنظر بستگی دارد؛ به طوری که در بعضی موارد این تعداد ممکن است به میلیون ها عدد نیز برسد. یک شبکه باید طوری طراحی شود که بتواند چگالی بالای گره های حسگری را نیز تحقق بخشد. این چگالی می تواند از چند گره تا چند صد گره در یک منطقه که ممکن است کمتر از ۱۰ متر قطر داشته باشد، تغییر کند.