دانلود ترجمه مقاله پروتکل مسیریابی پیشگیرانه مشارکتی کارآمد انرژی برای شبکه حسگر بی سیم (ساینس دایرکت – الزویر 2018)

 پروتکل مسیریابی پیشگیرانه مشارکتی کارآمد انرژی برای شبکه حسگر بی سیم (WSN)

Energy efficient collaborative proactive routing protocol for Wireless Sensor Network

چکیده
1 مقدمه
2 کارهای مرتبط
3 مخابره رادیویی و مدل شبکه
4 تجزیه و تحلیل درختی با درجه محدود
5 پروتکل آنتن توزیع‌شده مشارکتی
6 نتایج تجربی
7 نتیجه‌گیری و کارهای آتی
منابع

چکیده
شبکه حسگر بی‌سیم (که به اختصار WSN نامیده می‌شود) گروهی از گره‌های  بسیار کوچک با توانی محدود هستند که منطقه مطلوب (ROI) پهناوری را پوشش می‌دهند و آن را حس می‌کنند و آن را به ایستگاه پایه (BS) مخابره می‌کنند. اصلی‌ترین چالشی که WSNها با آن روبرو هستند این است که چگونه می‌توان ROI را به شکلی کامل پوشش داد و داده‌های نظارت شده را به BS برای طولانی‌ترین زمان ممکن مخابره کنیم. با وجود اینکه اخیرا بسیاری پروتکل‌های مسیریابی کم‌مصرف برای برنامه‌های کاربردی نظارت دوره‌ای معرفی شده‌اند ولی ماهیت پویا و محیط‌های پیچیده برنامه‌های کاربردی WSN سبب شده است که ساخت چنین پروتکل‌هایی چالشی قابل‌توجه باشد. در این مقاله درجه گره درختی با محدودیت درجه‌ (DCT) در WSN پیش‌فعال همگن به شکلی تحلیلی برای شبکه‌ای با یک BS خارج از ROI مورد بررسی قرار گرفته است. از آنجایی که درجه گره بر طول عمر شبکه‌هایی از این نوع تاثیر می‌گذارد، درجه گره مطلوب برای کمینه مصرف انرژی در DCT مشتق شده است. در ادامه مقاله، یک پروتکل مسیریابی آنتن توزیع شده مشارکتی (CDA) پیشنهاد می‌شود که بر اساس نظریه آنتن توزیع شده است تا بدین شکل توزیع بار به شکلی عادلانه از نظر انتقال انرژی صورت بگیرد. CDA بر اساس DCT با درجه گره بهینه است و به منظور نظارت بر داده‌ها به شکل دوره‌ای در برنامه‌های کاربردی WSN طراحی شده است. نتایج تجربی ثابت می‌کند که تجزیه و تحلیل ما تاکید می‌کند که استفاده از درجه گره بهینه در DCT سبب دو برابر شدن طول عمر شبکه خود در قیاس با استفاده از درجه‌های دیگر گره خواهد شد. علاوه بر این ثابت شده است که افزودن CDA به DCT با درجه گره مطلوب سبب دو برابر شدن دوره ثبات شبکه و کاهش نسبت بین دوره بی‌ثباتی و طول‌‌عمر شبکه به نیمی از آن می‌شود. همچنین از این نتایج شاهد 25% افزایش طول عمر شبکه و به حداقل‌رسانی میزان تلفات گره نسبت به همتایان خود هستیم به طوی که طول عمر نصف گره‌ها تا چند دوره قبل از پایان طول عمر شبکه حفظ می‌شود.

2- کارهای مرتبط
از آنجا که کاربردهای WSN به طور معمول در مناطق شهری هستند [10]، دسترسی به گره‌های حسگر برای نگهداری شبکه مشکل‌ساز و هزینه‌بر است. در این بخش، تلاش‌های قبلی انجام شده برای به حداکثررسانی طول عمر WSN ها را خلاصه می‌کنیم.

عاشوریان و همکاران [11] یک مطالعه اجمالی دقیق ارائه دادند که در آن بر روش‌های متعادل‌کننده انرژی تمرکز کرده بودند و تحقیقات تحلیلی نیز بر روی WSN مبتنی بر کورونا انجام دادند. آنها در مورد ارتباط بین عوامل موثر بر کارایی شبکه بحث کردند که این عوامل شامل طول عمر شبکه، پوشش حسگر، تعداد گره‌های زنده، اتصال شبکه، کیفیت برنامه مورد نیاز خدمات و مشکلات حفره انرژی می‌شدند. آنها همچنین مدلسازی ریاضی مبنای اتصال و پوشش شبکه، ملاحظات انرژی و عرض کورونا بهینه را نیز پوشش دادند. به همین ترتیب، لویی در [12]یک بررسی اجمالی اطلاعاتی را انجام داد که در طی آن پروتکل‌های مسیریابی سلسله مراتبی معمول WSN را با استفاده از مقایسه جامع بر اساس عملکرد و سناریوهای کاربردی آنها مورد بررسی قرار داد. او اثرات آنها را بر افزایش طول عمر شبکه نشان داد. علاوه بر این، او طبقه‌بندی این پروتکل‌ها را بر اساس توپولوژی گره منطقی به چهار نوع تقسیم کرد که عبارتند از مسیریابی مبتنی بر زنجیره ، مسیریابی مبتنی بر درخت، مسیریابی مبتنی بر شبکه و مسیریابی مبتنی بر محدوده.

چندین تلاش تحقیقاتی برای به حداکثررسانی طول عمر شبکه با استفاده از رویکردهای مختلف انجام شده است با این حال کم مصرف‌ترین پروتکل‌های WSN که در برنامه‌های کاربردی جمع‌آوری داده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، سلسله مراتبی هستند. مسیریابی سلسله مراتبی یا بر اساس پروتکل‌های مسیریابی مبتنی بر خوشه هستیند یا بر اساس مسیریابی مبتنی بر درخت هستند که این موضوع در شکل 1 نشان داده شده است. برای مسیریابی مبتنی بر خوشه، پروتکل‌های مسیریابی پیش‌فعال وجود دارند که در آنها داده‌ها به شکل دوره‌ای به ایستگاه پایه گزارش می‌شوند که بیشتر برای برنامه‌های کاربردی نظارتی مناسب هستند. بر این اساس، بسیاری از پروتکل‌های مسیریابی کم مصرف مبتنی بر خوشه به نوعی گسترش یافته از LEACH [13] هستند تا بدین شکل پایداری شبکه و طول عمر شبکه بالاتری را ارائه دهند. این پروتکل‌ها شامل HEED [14]، T-Leach [13]، IBLEACH [15]، NEECP [16] و WCDA[17] هستند.

استفاده از الگوریتم‌های هوشمند مانند منطق فازی ، الگوریتم ژنتیک (GA)، شبکه‌های عصبی نیز توجه بسیاری از پژوهشگران را به منظور افزایش طول عمر WSN پویا به خود جلب کرده است. یوان و همکاران پیشنهاد یک پروتکل مبتنی بر خوشه [18] را دادند که سبب بهبود ماهیت پویایی WSNها با استفاده از الگوریتم ژنتیک (GA) می‌شد. به طور مشابهی، الحسینی و همکاران در [19] از عوامل مختلفی از جمله محدوده پوشش هر حسگر تا مدل پوشش K مبتنی بر الگوریتم ژنتیکی را استفاده کردند تا بدینت شکل طول عمر یک WSN را گسترش دهند. با این حال، این روش‌ها از تخلیه انرژی در شبکه‌های چند هاپی رنج می‌برند و معمولا در یک چهارچوب مدل خوشه‌ای یکپارچه بهتر عمل می‌کنند. در نتیجه، یک روش انتخاب CH جدید براساس GA برای مدل‌های خوشه ای تک‌هاپ و چند هاپی در [20] معرفی شد، هرچند که فرض بر این بود که انتقال تک‌هاپ امکان پذیر است. علاوه بر این، یک مدل مبتنی بر GA برای بهینه‌سازی پوشش شبکه برای برنامه‌های نظارت مستمر [21] پیشنهاد شده است.