دانلود رایگان ترجمه مقاله مکانیسم های اساسی عمر در مسیریابی پروتکل ها برای شبکه های حسگر بی سیم (نشریه MDPI 2012) (ترجمه رایگان – برنزی ⭐️)

مکانیسم های اساسی عمر در مسیریابی پروتکل ها برای شبکه های حسگر بی سیم: بررسی و موضوعات آزاد

Fundamental Lifetime Mechanisms in Routing Protocols for Wireless Sensor Networks: A Survey and Open Issues

چکیده
1- مقدمه
2- کار مرتبط
3- پس زمینه و پیش نیازها
1-3- معماری شبکه حسگر بی سیم
2-3- منابع مصرف انرژی در WSN ها
3-3 رده بندی عمومی پروتکل های مسیریابی در WSN ها
4- مکانیسم های بهبود طول عمر در مسیریابی
1-4- مکانیسم های چند گره چاه
2-4- مکانیسم گره چاه متحرک
3-4- مکانیسم چند مسیری
4-4- مکانیسم کنترل توان
5-4- مکانیسم های الهام گرفته از زندگی
5- مقایسه پروتکل
6- بحث و مسائل آزاد (باز
7- نتایج

چکیده
 شبکه های سنسور بی سیم اساساً از گره های حسگر ارزان قیمتی تشکیل شده که داده ها را از محیط جمع آوری می کند و آن ها را به یک گره چاه رله می کنند، که در آن جا آن ها متعاقباً پردازش خواهند شد. چون گره های بی سیم برق به شدت محدودی دارند، نگرانی اصلی این است که چگونه انرژی گره ها را به گونه ای حفظ کنیم که طول عمر شبکه به طرز قابل توجهی بسط یابد. به کار گیری یک گره چاه ایستا به سرعت انرژی گره های همسایه گره چاه را تمام می کند. به علاوه، استفاده از یک مسیر منفرد غیر بهینه همراه با ماکسیمم سطح توان انتقال می تواند به سرعت انرژی گره های منفرد در مسیر را تخلیه کند. تمامی این موارد باعث مصرف انرژی غیر متوزان از طریق حوزه سنسور و از اینرو اثرگذاری منفی روی طول عمر شبکه است. در این مقاله ما علم رده بندی جامه مکانیسم های مختلف بکار رفته برای افزایش طول عمر شبکه را ارائه می کنیم. این تکنیک ها، خواه در مسیریابی یا در حوزه لایه گذر، در انواع زیر قرار می گیرند: الگوریتم های چند گره چاه، گره چاه متحرک، کنترل توان و الگوریستم های الهام گرفته از زندگی، که این بسته به عملیات پروتکل است. در این رده بندی، توجه خاصی به الگوریتم چند گره چاه اختصاص یافته است که هنوز به میزان کافی در مقالات به آن توجه نشده است. به علاوه، هر رده انواع مختلفی از پروتکل های مدرن را پوشش می دهد که باید ایده هایی برای پتانسیل کار آینده ارائه کنند. در نهایت ما این مکانیسم ها را با هم مقایسه می کنیم و در مورد مسائل تحقیقاتی آزاد (باز) صحبت می کنیم. 
1- مقدمه
شبکه های حسگر بی سیم (WSN ها) از تعداد زیاد گره حسگر ارزان قیمت کوچک تشکیل شده اند که برای سنجش پارامترهای مختلف محیط و ارسال داده ها با یک یا چند گره چاه کار می کنند که در آن در آخر پردازش خواهند شد. WSN ها طیف وسعی از کاربردها را در حیطه های نظامی، پزشکی، شهری و صنعتی یافته اند. آن ها در کاربردهای مختلفی نظیر نظارت بر امنیت، مانیتورینگ میدان جنگ و محل سکونت، تشخیص مزاحمت، و به منظور در نظر گرفتن هدف به کار گرفته شده اند. گرچه کاهش اندازه حسگرها می تواند باعث ارزان تر شدن آن ها شود، این کار مستلزم آن است که تمام تجهیزات سخت افزاری، خصوصاً باطری ها بسیار کوچک باشند. چون گره های حسگر باید در دراز مدت کار کنند و جایگزینی باطری در محیط های خشن نظیر میادین جنگ معمولاً غیر ممکن است، گره ها می توانند انرژی خود را در زمان بسیار کم از دست بدهند، از این رو در کوتاه مدت به قطعاتی بلا استفاده تبدیل می شوند. این موقعیت می تواند تأٍیری منفی روی ارتباط کل شبکه، تحمل نقص و طول عمر داشته باشند. بنابراین بهینه سازی مصرف انرژی موضوع مهمی است، خصوصاً برای طول عمر شبکه دراز در WSN ها. برای کنترل این مشکل، انواع مختلفی از روش ها در حیطه استراتژی های مسیریابی پیاده سازی شده اند که نقشی کلیدی در قابلیت کاربرد و عملکرد شبکه بازی می کنند.
مسیریابی در شبکه های حسگر بی سیم بسیار چالش برانگیز است. یکی از مشکلاتی که روی طول عمر شبکه تأثیر می گذارد اشاره به گره هایی دارد که در مجاورت گره چاه قرار دارند، که فعالیت آن ترافیک بالایی به این سری گره های حسگر تحمیل می کند. در این حالت، گره هایی که به گره چاه نزدیک تر هستند انرژی خود را به سرعت از دست می دهند. این گره ها گره های همسایه ای هستند که در یک پرش دور از یک گره چاه ایستای منفرد قرار گرفته اند. نه تنها ان ها از انرژی برای تقویت داده ها از تمامی دیگر گره ها از طریق شبکه به گره چاه بهره می برند، بلکه علاوه بر این برای ارسال خود داده هایشان نیز از آن بهره می برد. این مسأله به عنوان مسأله مجاورت گره چاه شناخته شده که می تواند منجر به قطع ارتباط پیش رس شبکه شود. وقتی بیشتر انرژی گره های مجاور گره چاه به کلی تخلیه شده باشد، این باعث می شود که گره چاه از بقیه شبکه جدا شود، در حالی که هنوز هم پتانسیل عظیمی برای اغلب گره های حسگر برای انجام وظایفشان و عملیات عادی خود دارند.
یکی از راه حل های ابتدایی برای مسأله مجاورت گره چاه به کار گرفتن بیش از یم گره چاه ایستا در شبکه است. با استفاده از چندین گره چاه که به صورت ایستا در کل حوزه حسگر توزیع شده اند، گسترش بار ترافیک به صورت یکپارچه در میان گره های حسگر ممکن است. این کار می تواند باعث افزایش طول عمر شبکه و کاهش تأخیرات سر به سر به طور قابل توجه و معنادار شود. راه حل دیگری که برای مسأله مجاورت گره جاه در نظر گرفته شده ارائه عناصر شبکه ای با قابلیت تحرک است. استراتژی مناسب برای تعدیل مصرف انرژی برای مخابره داده ها در کل شبکه می تواند جایگزین کردن گره های مجاور گره چاه باشد. چون توان گره ها محدود است، واحد متحرک ساز در گره های متحرک باقیمانده انرژی را بسیار سریع تر از مورد تحت شرایط ایستا مصرف می کنند. ایده کلیدی حفظ ایستایی حسگرها در حین جابجایی دوره ای گره چاه به بخش هایی از شبکه با انرژی کافی می باشد. این کار می تواند از تقسیم بندی شبکه جلوگیری کرده و متعاقباً باعث افزایش طول عمر شبکه شود. پروتکل های متعددی برای تحرک گره چاه پیشنهاد شده اند، اما تفاوت آن ها از جهت خود تحرک است. به عنوان نمونه در برخی کاربردها که در آن گره چاه شبکه را برای جمع آوری خود داده ها می پیماید، الگوی حرکت گره چاه کنترل نشده برای مشی ها به کار رفته است. این بدان معناست که ممکن است شبکه قادر به کنترل حرکت گره چا با اعمال مجاورت خاص مبتنی بر انرژی باقیمانده گره ها یا مقدار ترافیک در هر سنسور نباشد. از طرف دیگر، تحرک گره چاه کنترل شده می تواند به طرز کارایی طول عمر شبکه را بدون هیچ گونه اثر منفی روی تأخیر سر به سر بهبود دهد.
گرچه مسأله مجاورت گره چاه یکی از مهم ترین دلایل برای تقسیم بندی شبکه است، مشکل دیگری که وجود دارد این است که می توند روی طول عمر شبکه تأثیر بگذارد. در حقیقت استفاده از یک مسیر بهینه منفرد برای هر ارتباطی می توند اندک اندک انرژی گره هایی را تمام کند که روی مسیر قرار گرفته اند. بکار بردن مسیریابی چند مسیره در WSN ها می تواند حاصل ترافیک و تعدیل بار انرژی در شبکه باشد. به علاوه به روز رسانی اطلاعات مسیر به صورت دوره ای لازم و ضروری است که مقدار قابل توجهی از توان گره ها را هدر می دهد.
گره های حسگر برای ارسال داده ها و کنترل بسته ها در پرش بعدی در ماکسمم سطح توان استفاده شده اند که حاصل تخلیه انرژی سریع است. در این حالت با به کار بردن شمای کنترل توان در پروتکل های مسیریابی که در آن گره ها قادر به تنظیم سطح توان مخابره بر مبنای فاصله از پرش بعدی می باشند، گره های رله می توانند انرژی بسیار بیشتری را حفظ نمایند.
در نهایت الگوریتم های الهام گرفته از زندگی اخیراً به رده بالا اضافه شده اند و به عنوان رده مهمی در نظر گرفته شده اند چون می توانند فاز ساخت مسیر را بهینه سازی نمایند. پروتکل های ملهم از زندگی که بر مبنای سیستم حسگری حشرات طراحی شده اند سعی در ساختن کوتاه ترین مسیر میان منبع و مقصد به گونه ای دارند که بتواند انرژی بسیار بیشتری حفظ نماید.
هدف ما در این مقاله کمک به خوانندگان در درک بهتر مکانیسم های آگاه از انرژی بنیادین قابل کاربرد در الگوریتم های مسیریابی در شبکه های حسگر بی سیم است و اشاره به پتانسیل موجود برای بهبود طول عمر شبکهباعث استفاده از این تکنیک ها می شود. ما رده بندی جامعی از این مکانسم ها را ارائه می کنیم و در مورد انواع مختلف پروتکل های لایه گذر و مسیریابی کارای انرژی تحت این علم رده بندی صحبت می کنیم. همان طور که قبلاً اشاره کردیم، روش های چند مسیره می توانند از تنقسیم بندی شبکه با توزیع بارهای ترافیک روی اغلب گره های حسگر جلوگیری کنند در حالی که متدلوژی های چندین گره چاه و گره چاه متحرک بر این مشکل با تغییر همسایه های گره چاه به صورت دوره ای و ایجاد تعادل در مصرف انرژی در مجاورت گره چاه غلب ه می کنند. شماهای کنترل توان می توانند انرژی گره ها را با کاهش توان مورد نیاز برای مخابره بسته های داده ای به پرش بعدی در پروتکل های مسیریابی حفظ کنند در حالی که الگوریتم های ملهم از ج زندگی می توانند فاز ساخت مسیر را با یافتن کوتاه ترین مسیر برای مسیریابی داده ها بهینه سازی نمایند. ما پروتکل ها را با استفاده از تکنیک های کنترل توان به عنوان شماهای لایه گذر رده بندی کردیم، در حالی که بقیه آن ها به عنوان مکانیسم های همزمان در لایه شبکه رده بندی شده اند. تا آنجا که ما می دانیم، کار ما اولین تلاش برای رده بندی استراتژی های بهبود طول عمر به کار گرفته شده در مسیریابی برای WSN هاست.
ادامه این مقاله به شرح زیر سازمان یافته است: ما کار مرتبط را در بخش 2 ارائه می کنیم. پس زمینه . پیش نیازها در بخش 3 ارائه شده اند. در بخش 4، در مورد مکانیسم های مختلفی صحبت می کنیم که از چندین گره چاه و گره های چاه متحرک برای تعادل مصرف انرژی شبکه استفاده می کند. ما در این بخش با ارائه چند مکانیسم مسیریابی ادامه می دهیم که از پروتکل های چند مسیره، کنترل توان و پروتکل های الهام گرفته از بیعت برای حفظ انرژی گره و طولانی کردن مدت عمر شبکه استفاده می کنند. مقایسه میان مکانیسم های مختلف در بخش 5 نشان داده شده است. بحث و مسائل آزاد برای مطالعات آینده در بخش 6 ارائه شده است. در نهایت در بخش 7 نتایج مقاله ارائه شده اند.

Abstract

Wireless sensor networks basically consist of low cost sensor nodes which collect data from environment and relay them to a sink, where they will be subsequently processed. Since wireless nodes are severely power-constrained, the major concern is how to conserve the nodes’ energy so that network lifetime can be extended significantly. Employing one static sink can rapidly exhaust the energy of sink neighbors. Furthermore, using a non-optimal single path together with a maximum transmission power level may quickly deplete the energy of individual nodes on the route. This all results in unbalanced energy consumption through the sensor field, and hence a negative effect on the network lifetime. In this paper, we present a comprehensive taxonomy of the various mechanisms applied for increasing the network lifetime. These techniques, whether in the routing or cross-layer area, fall within the following types: multi-sink, mobile sink, multi-path, power control and bio-inspired algorithms, depending on the protocol operation. In this taxonomy, special attention has been devoted to the multi-sink, power control and bio-inspired algorithms, which have not yet received much consideration in the literature. Moreover, each class covers a variety of the state-of-the-art protocols, which should provide ideas for potential future works. Finally, we compare these mechanisms and discuss open research issues.

1- Introduction

Wireless sensor networks (WSNs) are composed of a lot of small, low cost sensor nodes that work together to measure various parameters of the environment and send the data to a unique or several sinks where they will be processed [1]. WSNs have a wide range of uses in military, medical, metropolitan and industrial venues. They are employed in many applications such as security surveillance, battlefield and habitat monitoring, intrusion detection, and target tracking purposes. Although reducing the size of sensors could make them cheaper, this also requires that all hardware equipment, specially the batteries, be extremely small. Since the sensor nodes should be functional for a long period of time and battery replacement in harsh environments like battlefields is usually impossible, nodes may lose their energy very fast, thus becoming nonfunctional in a short time. This situation can negatively affect the whole network connectivity, fault tolerance and lifetime. Therefore, optimization for energy consumption is an important issue, especially to prolong network lifetime in WSNs [2]. To address this problem, a variety of approaches are implemented in the area of routing strategies, which play a key role in network functionality and performance [3].

Routing in wireless sensor networks is very challenging. One of the problems that affect the network lifetime refers to nodes in the vicinity of the sink, whose activity imposes a high traffic on this series of sensor nodes. In this state, the nodes that are closer to the sink lose their energy very fast. These nodes are the neighbors located at one hop away from a single static sink. Not only do they utilize energy to relay the data from any other nodes through the network to the sink, but also for sending their own data. This problem is known as the “sink neighborhood problem” [4], which can lead to premature network disconnection. When most of the sink’s neighbors’ energy is fully depleted, this isolates the sink from the rest of the network, while there is still a huge potential for most of the sensor nodes to continue to perform their tasks and functionalities normally.

One of the basic solutions for the sink neighborhood problem is to employ more than one static sink in the network. Using multiple sinks [5–7] that are statically distributed across the sensor field, it is possible to spread traffic load uniformly among sensor nodes. This can enhance the network lifetime and decrease the end-to-end delays significantly. Another solution for the sink neighborhood problem is to provide some of the network elements with mobile capability [4]. A good strategy to balance energy consumption for data transmission across the network could be replacing the neighbors of the sink. Since nodes’ power is limited, a mobilizer unit in mobile nodes consumes the remaining energy faster than under static conditions. The key idea is to maintain the sensors stationary while moving the sink periodically to the parts of the network with sufficient energy. This can prevent network partitioning and consequently prolong the network lifetime. Many protocols [8–11] are proposed for sink mobility, but they differ from each other in the aspect of mobility itself [4]. For instance, in some applications where the sink goes through the network to collect data by itself, an uncontrolled sink movement pattern is applied to the approaches. This means the network may be unable to control the sink movement by applying a specific trajectory based on the nodes’ remaining energy or the amount of traffic at each sensor [4]. On the other hand, controlled sink mobility [10,11] can efficiently improve the network lifetime without any negative effects on end-to-end delay.

Although the sink neighborhood problem is one of the most important reasons for network partitioning, there is another problem that can affect the network lifetime. In fact, using a single optimal path [12,13] for every communication may gradually drain the energy of nodes which are located on the route. This causes some problems such as node and link failure due to unbalanced depletion of nodes’ batteries across the network. Applying multi-path routing [14,15] in WSNs could result in traffic and energy load balancing over the network. Furthermore, it is not necessary to update the route information periodically, which wastes a remarkable amount of the nodes’ power [16].

The sensor nodes are used to forward the data and control packets to the next hop at a maximum power level, which results in fast energy exhaustion. In this state, by employing a power control scheme [17–19] in routing protocols in which the nodes are able to adjust the transmission power level based on the distance from the next hop, the relay nodes can conserve much more energy.

Finally, bio-inspired algorithms [20] have recently been added to the above category as an important class since they can optimize the route construction phase. Bio-inspired protocols which are designed based on insect sensory systems try to construct the shortest path between the source and the destination so that it can conserve much more energy.

Our aim in this paper is to help readers better understand the fundamental energy-aware mechanisms applicable to routing algorithms in wireless sensor networks and point out the potential for improving network lifetime making use of these techniques. We present a comprehensive classification for these mechanisms and discuss a variety of the state-of-the-art energy-efficient routing and cross-layer protocols under this taxonomy. As mentioned before, multi-path methods can avoid network partitioning by distributing traffic loads on most of the sensor nodes while multiple sink and mobile sink methodologies overcome this problem by changing the sink’s neighbors periodically and balancing the energy consumption in the sink vicinity. Power control schemes can save nodes’ energy by decreasing the power needed to transmit data packets to the next hop in the routing protocols while bio-inspired algorithms can optimize the route construction phase by finding the shortest path for data routing. We categorize the protocols using power control techniques as cross-layer schemes, while the rest are classified as simultaneous mechanisms in the network layer. To the best of our knowledge, our work is the first effort to categorize lifetime improvement strategies applied in routing for WSNs.

The rest of this paper is organized as follows: we present the related work in Section 2. Background and preliminaries is presented in Section 3. In Section 4, we discuss various mechanisms using multiple sinks and mobile sinks to balance the energy consumption of the network. We continue in this section with a presentation of some routing mechanisms using multiple paths, power control and bio-inspired protocols to save node energy and prolong network lifetime. A comparison among different mechanisms is shown in Section 5. Discussion and open issues for future studies is given in Section 6. Finally, Section 7 concludes the paper.

مکانیسم های اساسی عمر در مسیریابی پروتکل ها برای شبکه های حسگر بی سیم: بررسی و موضوعات آزاد

Fundamental Lifetime Mechanisms in Routing Protocols for Wireless Sensor Networks: A Survey and Open Issues