زمانبندی ارسال داده در شبکه WSN خوشه بندی شده جهت بهبود مصرف انرژی با NS2

زمانبندی ارسال داده در شبکه WSN برای بهبود مصرف انرژی با NS2

در این بخش پروژه شبیه سازی زمانبندی ارسال داده در شبکه WSN خوشه بندی شده جهت بهبود مصرف انرژی با نرم افزار NS2 به همراه گزارش کار و فیلم نحوه اجرا آماده کرده ایم که در ادامه توضیحاتی از معرفی پروژه ارائه شده و فیلم و تصاویر خروجی پروژه قرار داده شده است.

خوشه بندی در شبکه های حسگر بی سیم

خوشه بندی در شبکه های حسگر بی سیم می تواند به طور قابل توجهی در مقیاس پذیری سرتاسری سیستم، طول عمر و کارایی انرژی تأثیرگذار باشد. خوشه بندی سلسله مراتبی، یک روش کارا جهت مصرف کمتر انرژی درون خوشه و تجمیع و ترکیب داده ها به منظور کاهش تعداد پیام های ارسالی به ایستگاه پایه است. شرایط انتخاب یک گره در هر خوشه به عنوان سرخوشه و نحوه ترکیب داده ها به میزان زیادی در افزایش مقیاس پذیری و طول عمر شبکه مؤثر است. پارامترهای مهمی در نظام بخشیدن به نحوه خوشه بندی در شبکه حسگر بی سیم وجود دارند که این پارامتر‌‌ها به عنوان ابزار اساسی جهت مقایسه و دسته بندی پروتکل های مبتنی بر خوشه بندی، مورد استفاده قرار می گیرند. این پارامترها عبارت اند از: تعداد خوشه ها، ارتباط درون خوشه ای، قابلیت تحرک گره ها و سرخوشه ها، انواع گره ها و نقش آن ها، روش های شکل دهی خوشه، انتخاب سرخوشه ها، پیچیدگی الگوریتم، چند لایه‌گی و همپوشانی.

برای انجام وظایف در یک شبکه حسگر بی سیم باید گذر زمان و میزان انرژی مصرفی را در نظر داشته باشیم تا هم موعد انجام کارها نقض نگردد و هم طول عمر این شبکه ها کاهش چشمگیر نداشته باشد. به بیان دیگر، از بین محدودیت های پیش روی این شبکه ها، میزان و نحوه مصرف انرژی از اهمیت ویژه ای برخوردار است چرا که اتمام باتری حسگرها به معنای از بین رفتن آن ها بوده و با توجه به شرایط محیط، کاربرد این شبکه ها، تعویض باتری‌ هزاران گره حسگر به صورت واقعی امری ناممکن است. حالت ایده آل در شبکه های حسگر به گونه ای است که انرژی همه گره ها باهم و یا با برنامه ریزی منظم به پایان برسد تا شبکه دارای بیشترین طول عمر ممکن باشد. لذا برای افزایش طول عمر شبکه سعی می شود توزیع بار در شبکه یک توزیع یکنواخت باشد تا فاصله زمانی بین مرگ اولین گره و آخرین گره حداقل گردد.

شکل مدلی از شبکه حسگر بی سیم مبتنی بر خوشه بندی

راهکار پیشنهادی

روش پیشنهادی این پروژه از دو فاز تشکیل می شود: 1- فاز انتخاب گره سرخوشه و تشکیل خوشه و 2- مسیریابی بین خوشه ای با کدگذاری. در این پروژه سعی شده است تا سرخوشه هایی که به روش پیشنهادی با استفاده از نرم افزار NS2 شبیه سازی و با الگوریتم مقاله پایه مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفت. در نتایج حاصل از مقایسه دو روش مشخص شد که روش پیشنهادی در هدف از پیش تعیین شده افزایش طول عمر شبکه موفق بوده است. هرچند بهبود مشاهده شده بطور قابل توجه نبوده و میزان فاصله مقادیر با راهکار مقاله پایه نسبتا کم بود اما با توجه به اینکه در هر تحقیق و ایده ای ممکن است پارامتری دچار نقص شود ولی می توان بطور خوش بینانه به راهکار نگاه نمود. با توجه به اینکه افزایش طول عمر شبکه در دو حالت متفاوت مورد مقایسه قرار گرفت و همچنین در پارامتر تعداد خوشه ها فاصله اندکی با راهکار مقاله پایه داشت لذا راهکار پیشنهادی قابل قبول می باشد.

شکل فلوچارت روش پیشنهادی

زمانبندی در لایه MAC

راهکار پیشنهادی یک زمانبندی می باشد که در لایه MAC انجام خواهد شد. شبکه بصورت خوشه بندی شده می باشد. برای تشکیل خوشه نیاز به گره سرخوشه خواهیم داشت. برای انتخاب گره سرخوشه از الگوریتم زیر استفاده خواهیم کرد. انتخاب سرخوشه براساس مقدار انرژی باقی مانده گره، تاخیر بسته، فاصله و گذردهی تا گره های دیگر می باشد. لذا از میان گره ها، گره ای به عنوان سرخوشه انتخاب خواهد شد که نسبت انرژی و گذردهی بالاتری نسبت به گره های دیگر داشته باشد و همچنین فاصله با گره های دیگر و تاخیر کمتری داشته باشد. در این روش از تابع HCn=MAX(Costs) برای بدست آوردن مناسب ترین سرخوشه استفاده می کنیم. در مرحله بعدی باید گره های هر خوشه و گره های ارسال کننده به ترتیب اولویت مشخص شوند که بصورت زیر عمل خواهیم کرد:

مقادیر فاکتورهای مهم موجود در شبکه مانند انرژی، انتظار هر گره برای ارسال داده و فاصله تا گره همسایه را محاسبه کرده و آنها در یک قالب یک مقدار بدست می آوریم. پس از بدست آوردن مقدار، با مقدار گره های دیگر مقایسه کرده و با تابع Nn=MIN(Costs) بهترین گره را انتخاب می کنیم. خروجی این تابع، شماره گره ای می باشد که برای ارسال داده انتخاب شده است. در واقع به نسبت ظرفیت یک گره، یک امتیاز به آن می دهیم. مثلا اگر گره ای انرژی باقی مانده کمی در اختیار داشته باشد از نسبت اولویت آن بالا خواهد رفت. شبکه های حسگر بی سیم (WSN) به دلیل محدودیت انرژی مارا بر آن می دارد که برای برطرف نمودن این چالش ها راهکاری جدید پیشنهاد کنیم که باعث بهبود مصرف انرژی و کارایی لایه MAC شده و در نتیجه باعث بهود در عملکرد سیستم پیشنهادی گردد.

بطور خلاصه ضرورت های این پروژه را در ذیل اشاره می کنیم.

• لایه MAC غیر بهینه که موجب می شود هزینه های گزافی به سیستم تحمیل شود.
• عدم یک زیرساخت مناسب و بهینه برای شبکه.
• ارسال پیام های broadcast بسیار زیاد.
• تحرک گره ها و انرژی محدود باتری.

الگوریتم های پیشنهادی در مقالات مشابه روش کار ما، هیچ تضمینی برای ارسال داده توسط گره های دارای محدودیت قائل نبودند. برای مثال در الگوریتم این مقالات یک گره با انرژی 100 و یک گره با انرژی 20 تفاوتی ندارند؛ و ممکن است گره با انرژی 20 قبل رسیدن به زمان ارسال، یک گره زنده تلقی نشود. از این رو الگوریتم پیشنهادی ما با توجه به فاکتور های میزان انرژی هر گره و اولویت ارسال بسته، بین گره ها تفاوت قائل می شود و همه گره ها می توانند داده های خود را در شبکه ارسال کنند.

سناریو شبیه سازی

جدول پارامترها

این جدول پارامتر های مورد استفاده در سناریو شبیه سازی با استفاده از نرم افزار NS2 را نشان می دهد.

شکل حالت های گرافیکی از شبیه سازی (محیط nam)

شکل های بالا محیط گرافیکی (فایل nam) از سناریوی راهکار پیشنهادی در شبکه حسگر بی سیم پیشنهادی را نشان می دهد. در این شکل سنسورهای مختلف در خوشه های مختلف دسته بندی شده اند. سپس خوشه بندی هر سنسور داده های خود را به نزدیک ترین سرخوشه که با استفاده از راهکار این تحقیق بدست آمده است ارسال می کند. پس از ارسال به سرخوشه، این سنسور داده های جمع آوری شده را به یک گره با قدرت پردازش و حافظه بالا ارسال می کند. کنترل کننده، با استفاده از داده های جمع آوری شده درباره وضعیت شبکه مورد نظر تصمیم گیری می کند. تعداد سنسورهای شبکه ما از 100 الی 700 حسگر متغیر می باشد که در شکل گرافیکی بالا مشخص است. مدل آنتن استفاده شده نیز از نوع omni-antenna می باشد. به آنتن های میله ای شکلی که تشعشات آنها در تمام جهت ها منتشر می شود، آنتن های Omni-Directional یا همه طرفه می گویند، آنتن های دو قطبی یا Dipole یک نوع آنتن Omni-Directional هستند. در مقاله پایه نیز از آنتن Dipole استفاده شده است.

---

---

تصاویری از خروجی