یک پروتکل مسیریابی مبتنی بر خوشه بندی مصرف انرژی کارآمد (مقاله ترجمه شده)

چکیده

در شبکه‌های حسگر بی‌سیم زیرآب (UWSNs) گره‌ها با محدودیت در انرژی باتری روبه‌رو هستند و جایگزینی باتری با توجه به محیط زیرآب بسیار پرهزینه است. بنابراین، روش EBECRP، پروتکل مسیریابی مبتنی بر خوشه‌بندی انرژی کارآمد و مصرف متعادل انرژی برای UWSNs را پیشنهاد می‌کنیم. در پروتکل مسیریابی مبتنی بر عمق، گره‌های نزدیک (گره‌های کم عمق) در هیچ زمانی به دلیل بار بالا از بین نمی‌روند. ما از مسیریابی مبتنی بر عمق در طرح پیشنهادی جلوگیری می‌کنیم و از sink برای تعادل بار بر روی تمام گره‌ها استفاده می‌کنیم. همچنین از مفهوم خوشه به‌منظور کاهش در نتایج مصرف انرژی استفاده می‌کنیم. سرخوشه‌ی انتخاب شده (CHS) اطلاعات را از گره همسایه برای کاهش ارتباطات جهانی در ارتباطات فشرده محلی جمع‌آوری می‌کند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که EBECRP به حداکثر ثبات و طول عمر شبکه در طول حیات دست می‌یابد.

مقدمه

در چند سال گذشته، UWSNs به‌دلیل برنامه‌های کاربردی خود مانند نظارت محیطی برای اکتشاف علمی، کنترل آلودگی، نظارت نظامی، پیشگیری از فاجعه، تحقیق و بررسی، استخراج نفت و غیره محبوبیت بسیاری در حوزه‌ی پژوهش به دست آورده است [1]. UWSNs شامل sinkها و گره‌های حسگر صوتی است. گره‌های حسگر صوتی داده‌ها را از محیط دریافت و به دنبال مسیریابی روبه جلو برای sink اطلاعات جمع‌آوری شده است. گره سنسور صوتی دارای قدرت باتری محدودی است که در آن هیچ محدودیت انرژی در sink وجود ندارد [2].

بسیاری از پروتکل‌های مسیریابی برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم زمینی (WSN ها) پیشنهاد شده‌اند. این پروتکل مسیریابی موجود ممکن است برای محیط زیرآب مناسب نباشد [3]. WSN از امواج رادیویی برای برقراری ارتباط استفاده می‌کند که در آن UWSNs از کانال آکوستیک برای برقراری ارتباط استفاده می‌کند. سیگنال‌های رادیویی در آب به‌دلیل تضعیف سریع به خوبی کار نمی‌کنند. سیگنال‌های صوتی ویژگی‌های منحصر به فردی دارند: تاخیر طولانی انتشار، سیگنال بالا برای نرخ نویز، پهنای باند کم و غیره. با توجه به این ویژگی‌ها، توسعه‌ی پروتکل مسیریابی کارآمد و مقیاس‌پذیر برای UWSNs بسیار چالش‌برانگیز است [4].

کارهای گذشته

LEACH [13] اولین پروتکل مسیریابی براساس خوشه برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم زمینی است. هدف اصلی LEACH کاهش ارتباطات جهانی به ارتباطات فشرده محلی با استفاده از مفهوم خوشه‌بندی است. شکل‌گیری خوشه براساس حداقل فاصله و قدرت سیگنال دریافت شده است. در خوشه یک CH وجود دارد؛ که مسئول جمع‌آوری داده‌ها از گره‌ها به ایستگاه پایه (BS) است. در LEACH CH، انتخاب به‌طور تصادفی و در طول زمان برای حفظ تعادل بار بر روی گره‌ها به هنگام مصرف انرژی صورت می‌گیرد.

انگیزه

DBR یک پروتکل مسیریابی محلی‌سازی مبتنی بر هرعمقی برای UWSNاست. که در آن انتخاب مسیر براساس انتخاب همسایه با حداقل عمق است. گره منبع، همسایه با کمترین عمق را به‌عنوان فرستنده بعدی برای انتقال داده ها به sink انتخاب می‌کند. داده‌ها از منبع به BS در چند هاپ فرستاده می‌شود. با توجه به مدل چند هاپ و انتخاب همسایه با حداقل عمق، گره ‌های نزدیک به sink اصلا نمی‌میرند. در مسیریابی براساس عمق، گره نزدیک به sink خیلی سریع می‌میرند. کاهش بار بر روی گره‌های نزدیک به sink، انگیزه‌ی ما برای طرح پیشنهاد EBECRP است. که از مسیریابی براساس عمق جلوگیری می‌کند و مشکل تحرک sink را حل می‌کند. علاوه‌براین، ما از خوشه‌بندی برای کاهش ارتباطات جهانی به ارتباطات فشرده محلی در UWSNs استفاده می‌کنیم.

EBECRP: طرح پیشنهادی

مدل شبکه: در محیط‌های زیرآب گره حسگر داده‌ها را از اطراف خود به سمت BSجمع‌آوری می‌کند. در طرح پیشنهادی EBECRP، چهار نوع گره وجود دارد: CH(نوع C)، غیر سرخوشه non CH(نوع S، نوع N) و BS (Sink1، Sink2). گره‌های نوع S گره‌هایی هستند که در نزدیکی sink قرار دارند و داده را مستقیما به sink انتقال می‌دهند. گره‌های نوع N دور از sink هستند و داده‌ها را به sink و از طریق سرخوشه انتقال می‌دهند. گره‌های نوع C به‌عنوان سرخوشه انتخاب می‌شوند، این گره‌ها داده‌ها را از گره‌های طبیعی (نوع N) جمع‌آوری و به صورت محلی انتقال می‌دهند و اطلاعات را در نزدیکترین sink جمع‌آوری و فشرده می‌کنند.

تحرک sink و تشکیل منطقه

در طرح پیشنهادی ما EBECRP، دو sink تلفن‌همراه (sink1، sink2) را پیاده‌سازی کرده است، در اینصورت طیف شبکه را به شانزده منطقه با اندازه برابر (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است) تقسیم کرده و تراکم گره ها در هر منطقه بررسی می‌شود. sink1 بسیاری از مناطق نه گانه متراکم را پوشش می‌دهد درحالی که sink2 هفت منطقه باقی‌مانده پراکنده را پوشش می‌دهد. فرض می‌کنیم که sink از مناطق پراکنده و متراکم آگاه است. تحرک sink1 به صورتی مدیریت می‌شود که از منطقه متراکم به منطقه با تراکم کمتر حرکت می‌کند و به همین ترتیب ادامه می‌یابد. هر زمان که، sink1 تمام نه منطقه متراکم را ملاقات کرد به منطقه متراکمی که از آن شروع کرده است مجدد برمی‌گردد. این فرآیند تا پایان شبکه ادامه می‌یابد. درحالی‌که sink2 از منطقه پراکنده به منطقه‌ای با پراکندگی کمتر حرکت می‌کند و همینطور ادامه می‌یابد. بقیه فرآیند sink2 مشابه sink1است. هنگامی که sink در منطقه خاصی باقی می‌ماند گره موجود در آن منطقه، داده را به طور مستقیم به sink ارسال می‌کند، درحالی‌که گره‌های موجود در مناطق دیگر، داده را به نزدیکترین sink از طریق خوشه ارسال می‌کنند. زمانی که تمام گره‌ها در منطقه خاص می‌میرند هر دو sink از ملاقات منطقه متوقف می‌شوند و تنها آن منطقه‌ای را پوشش می‌‎دهد که در آن گره زنده وجود دارد. همانطور که در منطقه پراکنده گره‌ها زودتر از منطقه متراکم می‌میرند. وقتی که تمام گره‌های منطقه پراکنده می‌میرند.

شبیه‌ سازی و نتایج

ما طرح پیشنهاد خود را از طریق شبیه‌سازی کامپیوتری با DBR و EEDBRاعتبارسنجی می‌کنیم. به‌خاطر مقایسه عادلانه، از تعداد گره یکسانی همانند DBR و EEDBR، 200 گره استفاده می‌کنیم. 200 گره سنسور به‌صورت تصادفی در یک 500M X 500M X 500M سه بعدی توزیع می‌شود. هر گره حسگر با انرژی اولیه 5 ژول شروع به اجرا می‌کند. دامنه انتقال هر گره حسگر 100 متر (در تمام جهات) است. اندازه بسته داده و بسته پیام سلام، 200 بایت و 8 بایت است. مودم صوتی LinkQuest UWM1000 [25] استفاده می‌شود، که دارای نرخ بیت از 10K BPSاست. مصرف برق گره در ارسال و دریافت داده‌ها به ترتیب 2 وات و 0.1وات است. پارامترهای شبیه‌سازی در جدول 2 داده شده است.

پارامترهای عملکرد: تعریف

ما از پارامترهای زیر برای ارزیابی عملکرد استفاده می‌کنیم.

1) دوره ثبات: دوره ثبات مدت زمان تا مرگ اولین گره در یک شبکه است.

2) دوره بی‌ثباتی: دوره بی‌ثباتی، مدت زمان پس از مرگ اولین گره تا مرگ تمام گره‌ها در یک شبکه است.

نتیجه‌ گیری

در این مقاله، یک پروتکل مسیریابی EBECRP برای بهبود دوره ثبات و زمان زندگی شبکه UWSNs ارائه شده است. زیبایی پروتکل پیشنهادی این مقاله، کاهش بار در گره‌های نزدیک به sink برای رسیدن به مصرف متعادل انرژی است. همانگونه که گره‌ها انرژی بیشتری برای انتقال نسبت به دریافت (در صورت چند هاپی) برای کاهش تعداد انتقال مصرف می‌کنند ما از مفهوم خوشه که در آن سرخوشه داده‌ها از یک گره هاپ همسایه خود جمع‌آوری می‌کند و به داده فشرده‌ی sink می‌فرستد استفاده می‌کنیم. نتایج شبیه‌سازی بهبود شایانی در عملکرد EBECRP در مقایسه با DBR و EEDBR از نظر مصرف متعادل انرژی و طول عمر شبکه نشان داده شده است.

این مقاله در سال 2016 در نشریه آی تریپل ای و در کنفرانس بین المللی شبکه های اطلاعاتی پیشرفته و برنامه های کاربردی، توسط موسسه فناوری اطلاعات منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله یک پروتکل مسیریابی مبتنی بر خوشه بندی مصرف انرژی کارآمد در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.