کتاب کاهش ‏مصرف ‏انرژی ‏در ‏پروتکل‌های ‏مسیریابی ‏شبکه

فهرست
عنوان صفحه
مقدمه 7
فصل 1 13
مباحث اولیه 13
ساختار کلی شبکه حسگر بیسیم 14
شبکه های حسگر بیسیم زیر آب 16
اجزای شبکه های حسگر بیسیم زیر آب 18
معماری داخلی حسگر بیسیم زیر آب 20
معماری ارتباطی حسگر بیسیم زیر آب 21
روش‌های قدیمی پیاده سازی شبکه های حسگر بی سیم زیر آب 21
شبکه های حسگر بی سیم زیرآب دو بعدی 22
شبکه های حسگر بی سیم زیرآب سه بعدی 24
شبکه های حسگر بی سیم زیرآب سه بعدی با استفاده از AUV 25
تفاوت های شبکه های حسگر بیسیم زیر آب با شبکه های حسگر بیسیم زمینی 26
کاربردهای شبکه های حسگر بیسیم زیر آب 27
مسیریابی در شبکه 29
مسیریابی مبتنی بر ساختار شبکه 30
مسیریابی مسطح 31
مسیریابی مبتنی بر مكان 31
مسیریابی سلسه مراتبی (مبتنی بر خوشه‌بندی) 32
مسیریابی مبتنی بر پروتکل 33
مسیریابی چند مسیره 33
مسیریابی مبتنی بر مذاکره 33
پروتکل‌های مبتنی بر پرس و جو 34
پروتکل مسیریابی مبتنی بر QoS 34
مسیریابی با کاهش مصرف انرژی 34
مروری بر مطالعات انجام شده 35
فصل 2 41
پروتکلهای مسیریابی مبتنی بر کاهش مصرف انرژی 41
مسیریابی مبتنی بر کاهش انرژی 41
پروتكل خوشه‌بندی LEACH 41
پروتکل مسیریابی Rumor 43
پروتکل SPIN 44
پروتکل انتشار مستقیم 46
پروتکل EAR 48
پروتکل GBR 49
پروتکل TEEN 50
پروتکل APTEEN 54
پروتکل GAF 56
پروتکل SPAN 58
پروتکل TBF 58
پروتکل MECN 59
مقایسه پروتکل ها 60
فصل 3 63
کارهای انجام شده 63
خوشه بندی پوشش آگاه 63
الگوریتم خوشه بندی انرژی کارآمد توزیع شده با پوشش بهبود یافته 64
رنگ آمیزی گراف 65
الگوریتم پوششی توزیع شده 67
درخت کمترین-بیشترین 67
الگوریتم خوشه بندی انرژی و پوشش آگاه توزیع شده 68
مسیریابی انرژی و پوشش آگاه بهینه 70
الگوریتم GEAR 70
الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات 72
الگوریتم DECAR 74
شیوه های متداول و مختلف مکان یابی 75
الگوریتم مکان یابی ثابت 76
الگوریتم های مکان یابی متمرکز 77
الگوریتم های مکان یابی توزیع شده 79
پروتکل مسیریابی در شبکه حسگر بیسیم زیر آب برای نمایش وضعیت خطوط لوله زیر آب 81
شبکه سنسور خطی 81
دسته بندی شبکه های سنسور خطی 83
مدلسازی شبکه های سنسوری خطی مبتنی بر وسایل نقلیه زیر آب مستقل 84
فصل 4 105
نتیجه گیری 105
منابع و مآخذ 107

پروتکل­های مسیریابی مبتنی بر کاهش مصرف انرژی

در بحث کاهش مصرف انرژی در شبکه های حسگر، روشهای مسیریابی خوشه ای یکی از بهترین و موثر ترینها بوده که در سالهای اخیر بسیار پرکاربرد شده است. یکی از پروتکل‌های معروف در این دسته LEACH است که خود الهام بخش توسعه پروتکل‌های دیگری نیز شده است. پروتکل‌هایی که سعی در مرتفع ساختن مشکلات در بخش هایی خاص شده اند که به عنوان نمونه میتوان از پروتکل‌هایی نظیر EECS، EEUC HEED، PEGASIS، LEA2C و شماری زیادی دیگر نام برد.

مسیریابی مبتنی بر کاهش انرژی

پروتكل خوشه‌بندی LEACH

در شبکه های فعال، سنسورها بطور دوره ای مقدار حس شده را منتقل می کنند. در مواقع دیگر، سنسورها و فرستنده ها برای صرفه جویی در مصرف انرژی خاموش می شوند. این نوع شبکه برای کاربردهایی که نیاز به بررسی دوره ای دارند، یعنی نظارت بر ماشین آلات برای تشخیص و تشخیص خطا مناسب است.

میتوان گفت LEACH (سلسله مراتب خوشه بندی سازگار با انرژی کم) پروتکلی تقریبا خوب برای یک شبکه فعال است.
در این پروتکل اگر فاصله بین انتقال افزایش یابد، تعداد کل انتقال ها کاهش می یابد و در نتیجه در مصرف انرژی سنسور صرفه جویی می شود؛ اما به دلیل افزایش مدت زمان بین دوره، داده های بلادرنگ بحرانی ممکن است فقط پس از مدت زمان مشخص شده به کاربر برسند، در نتیجه برای کاربردهای حساس مناسب نیست.

همچنین اگر فاصله زمانی کاهش یابد، داده های مهم با تأخیر کوتاه تر به کاربر می رسد و این تعداد انتقال داده ها و مصرف انرژی را افزایش می دهد، از این رو باعث کاهش عمر شبکه می شود.

پروتکل LEACH با برخی تفاوت های جزئی تقریبا برای یک شبکه فعال مناسب است. پس از تشکیل خوشه ها،CH^[[1]] ها یک زمانبندی TDMA^[[2]] را پخش می کنند که به این ترتیب اعضای گروه می توانند داده ها را منتقل کنند. به هر گره در خوشه اسلاتی در فریم اختصاص داده می شود که در طی آن داده ها را به سر خوشه منتقل می کند. هنگامی که آخرین گره در برنامه داده های خود را منتقل کند، برنامه تکرار می شود. زمان گزارش معادل زمان فریم در LEACH است.

فریم تایم توسط CH پخش نمی شود بلکه از زمانبندی TDMA گرفته می شود. با این حال، تحت کنترل کاربر نیست. همچنین ویژگی ها از پیش تعیین شده و پس از راه ندازی اولیه تغییر نمی کنند. این شبکه می تواند برای نظارت بر ماشین آلات برای تشخیص و عیب یابی استفاده شود. همچنین می توان از آن برای جمع آوری داده های مربوط به دما یا فشار یا الگوهای تغییر رطوبت در یک منطقه خاص استفاده کرد؛ اما جمع آوری داده ها بصورت دوره ای و متمرکز انجام می شود.

بنابراین فقط برای نظارت مداوم بر شبکه ها مناسب است. در بیشتر موارد، کاربردها همیشه به تمام داده ها احتیاج ندارند، بنابراین انتقال اطلاعات دوره ای ضروری نیست و باعث مصرف بیشتر انرژی در هر حسگر می شود.

پروتکل مسیریابی Rumor

ایده اصلی مسیریابی شایعه استفاده از عوامل (Agents) برای ایجاد مسیرهای منتهی به هر رویداد هنگام وقوع آن است. عوامل در واقع پیامهای طولانی مدت هستند که در شبکه در حال گذر هستند. پرس و جوهای بعدی می توانند جهت مسیریابی از مسیرهای ایجاد شده توسط عوامل استفاده کنند. برای پیوستن به مسیر، پرس و جوها ابتدا جهت یک پیاده روی تصادفی در شبکه ارسال می شوند.

هر گره در شبکه لیستی از همسایگان خود و یک جدول رویداد را با ارسال اطلاعات به تمام وقایعی که از آنها می شناسد، نگهداری می کند. با آغاز بکار شبکه، لیست های همسایگان با پخش شناسه هر گره و گوش دادن به شناسه های پخش شده تولید می شوند. اگر رویدادها فقط برای مدت مشخصی لازم باشند یا اندازه جدول رویداد محدود باشد، می توان زمانهای تمدید را به ورودی های جدول رویداد اضافه کرد.

عوامل ایجاد کننده مسیر

مسیرها به صورت حالت در گره های منفرد ذخیره می شوند و توسط عوامل متحرک ایجاد می شوند. عوامل درگره های رویداد با اضافه شدن مسیری به طول 0 به رویداد ساخته شده و احتمالاً منجر به تولید یک عامل می شوند. کلمه احتمالا به این خاطر بکار برده شد زیرا معمولاً بسیاری از گره ها متوجه یک واقعه مشابه می شوند و مسیرهای بسیار برای یک رویداد باعث سربار زیادی می شود. عامل برای حداکثر تعداد هوپ ها در شبکه سفر می کند. در راه خود، جدول رویدادهای خود را با جداول رویدادهای گرههای بازدید شده ترکیب می کند. هر وقت یک عامل از مسیری منتهی به یک رویداد دیگر عبور کند، شروع به ایجاد یک مسیر کل برای هر دو (چندین رویداد) می کند. همچنین وقتی عامل گره ای را با مسیری طولانی تر از مسیر خود در همان رویداد قرار می دهد، جدول مسیریابی را با مسیری کوتاه تر به روز می کند.

نکته: ایده ی اصلی الگوریتم Rumor عبارتست از عدم پخش کورکورانه پرس و جوی داده در کل شبکه و در عوض پخش آن در قسمتی از شبکه که گره های آن ناحیه ی رخداد خاصی را مشاهده کرده­اند.

پروتکل SPIN

این روش، روش نسبتا خوب و جدیدی برای مسیریابی در شبکه های حسگر بی سیم است روش SPIN خانواده‌ای از پروتکل‌های وقفی است که می‌توانند داده‌ها را به صورت موثری بین حسگرها در یک شبکه حسگر با منابع انرژی محدود، پراکنده کنند. همچنین گره‌های SPIN می‌توانند تصمیم گیری جهت انجام ارتباطات خود را، هم بر اساس اطلاعات مربوط به برنامه کاربردی و هم بر اساس اطلاعات مربوط به منابع موجود به انجام برسانند. این کار باعث می‌شود که حسگرها بتوانند داده‌ها را با وجود منابع محدود خود، به صورت کارآمدی پراکنده کنند. در این پروتکل علاوه بر پیغام های داده، پیغامهای دیگری نیز مورد استفاده قرار می گیرد و بدین صورت از حجم نقل وانتقال کلی اطلاعات می کاهد. گره‌ها برای ارتباط با یکدیگر از سه نوع پیغام استفاده می‌کنند.

ADV: وقتی یک گره SPIN، داده‌هایی برای به اشتراک گذاشتن در اختیار دارد، این امر را می‌تواند با ارسال شبه­داده مربوطه ارسال شود.

REQ: جهت درخواست اطلاعات استفاده می‌شود. یک گره SPIN می‌تواند هنگامی که می‌خواهد داده حقیقی را دریافت کند از این پیغام استفاده کند.

DATA: شامل پیغام‌های داده‌ای است. پیغام‌های DATA محتوی داده حقیقی جمع آوری شده توسط حسگرها هستند.

نحوه ی کار SPIN بدین صورت است که که حسگر پس از دریافت یک داده ی جدید، به همه ی همسایه های خود یک پیغام تبلیغ یا ADV می­فرستد. هر کدام از همسایه ها که به این داده نیاز داشته باشند یک پیغام در خواست ( Request  یا REQ) به حسگر بر می گردانند. وقتی حسگر پیغام REQ را دریافت کرد، داده را فقط به آن همسایه هایی که REQ فرستاده بودند، می فرستند داده های تکراری که در روش سیل وجود داشت، پیش نمی­آید و بدین صورت کارایی بسیار بالاتر می رود. یکی از خوبی های پروتکل SPIN  این است که در این پروتکل تغییرات در توپولوژی شبکه فقط به صورت محلی مورد توجه است. در واقع هر حسگر نیاز دارد تا همسایه های نزدیک خود را بشناسد.