فصل اول:کلیات تحقیق

1-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………4

1-2بیان مساله……………………………………………………………………………………………………………………………..11

1-3اهمیت و ضرورت تحقیق……………………………………………………………………………………………………….14

1-4سؤالات تحقیق:……………………………………………………………………………………………………………………..16

1-5 فرضیه‏های تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………16

فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق

2-1 WSn ‌ها با یک چاهک ثابت…………………………………………………………………………………………………19

2-1-1 مشکل اتمام انرژی در گره‌های اطراف چاهک……………………………………………………………………19

2-1-2 بهبود حالت چاهک ثابت ……………………………………………………………………………………………….20

2-2 WSN با یک چاهک متحرك…………………………………………………………………………………………………21

2-2-1 مزایای چاهک متحرک …………………………………………………………………………………………………..22

2-2-2  عیب استفاده از چاهک متحرک………………………………………………………………………………………23

2-2-3 انواع حرکت چاهک متحرک …………………………………………………………………………………………..23

2-2-3-1 جابجایی تصادفی ……………………………………………………………………………………………………23

2-2-3-2 شبكه های موبایل ثابت …………………………………………………………………………………………..24

2-2-3-3 جابجایی كنترل موبایلیتی ………………………………………………………………………………………….25

2-3  ارسال داده های حساس به تاخیر …………………………………………………………………………………………29

2-4 استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان………………………………………………………………..29

2-5 روش ارائه شده در  EEQR ……………………………………………………………………………………………….32

2-5-1 معرفی مشکل نقاط کور…………………………………………………………………………………………………….33

2-6 مسیریابی در شبکه‌های حسگر بیسیم………………………………………………………………………………………33

2-6-1 اهداف مسیریابی……………………………………………………………………………………………………………33

2-6-2 معیارهای تعیین مسیر بهینه …………………………………………………………………………………………….34

2-6-3 مسیریابی در شبکه‌های بیسیم ………………………………………………………………………………………….34

2-6-3-1 مسیریابی بردار فاصله ………………………………………………………………………………………………35

2-6-3-2 مسیریابی حالت اتصال …………………………………………………………………………………………….36

2-6-3-3 مسیریابی مبدا …………………………………………………………………………………………………………36

2-7 روش های انتشار اطلاعات ………………………………………………………………………………………………….36

2-7-1 روش همه پخشی (Flooding)……………………………………………………………………………………..37

2-7-2 روش شایعه پراكنی (gossiping)………………………………………………………………………………….38

2-7-3 روش SPIN………………………………………………………………………………………………………………….40

2-7-4 پیغام های SPIN …………………………………………………………………………………………………………40

2-7-5  SPIN-1 یک روش دست تكانی سه مرحله ای ……………………………………………………………..41

2-7-6 خلاصه سازی فرصت طلبانه (opportunistic data aggregation)………………………………43

2-7-7 خلاصه سازی حریصانه(greed data aggregation) ……………………………………………………43

2-7-8 پرسش تو رد تو(nested query) …………………………………………………………………………………44

2-8  الگوریتم خوشه بندی …………………………………………………………………………………………………………44

2-8-1 معیارمطلوبیت خوشه ها …………………………………………………………………………………………………45

2-8-2 ویژگی‌های یک الگوریتم خوشه بندی مناسب …………………………………………………………………..46

2-8-3 معایب روش خوشه بندی ……………………………………………………………………………………………..46

2-8-4 انواع خوشه بندی ………………………………………………………………………………………………………….46

2-8-5  الگوریتم kmeans ……………………………………………………………………………………………………..47

2-8-5-1  مراحل كار …………………………………………………………………………………………………………….47

2-8-6 پیش پردازش داده ها …………………………………………………………………………………………………….48

2-8-7 انواع ویژگی ها در خوشه‌بندی  ………………………………………………………………………………………48

2-8-8 دلایل اصلی پیش پردازش داده‌ها …………………………………………………………………………………….48

2-8-9 عملیات اصلی پیش پردازش داده ها ………………………………………………………………………………..49

2-8-10 آلودگی‌ها در خوشه بندی …………………………………………………………………………………………….49

2-8-11 روش های مورد استفاده در پیش پردازش …………………………………………………………………………50

2-8-12 روش (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)…………………………………..50

2-8-12-1 جزئیات الگوریتم LEACH …………………………………………………………………………………52

2-8-12-2 فاز تبلیغات……………………………………………………………………………………………………………52

2-8-12-3 فاز تشكیل دسته‌ ها…………………………………………………………………………………………………53

2-8-12-4 فاز تشكیل برنامه……………………………………………………………………………………………………53

2-8-12-5 فاز انتقال داده‌ها…………………………………………………………………………………………………..54

فصل سوم :روش تحقیق

3-1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………..56

3-2 فاز  اول: استقرار اولیه  ………………………………………………………………………………………………………..58

3-2-1 توسعه اولیه …………………………………………………………………………………………………………………58

3-2-2خوشه‌بندی …………………………………………………………………………………………………………………..58

3-2-2-1 استفاده از روش BSK-Means  برای خوشه بندی گره ‌ها …………………………………………61

3-2-3 مسیریابی………………………………………………………………………………………………………………………63

3-2-3-1  مسیریابی جهت اتصال به گره سرخوشه……………………………………………………………………64

3-2-3-2  مسیریابی سرخوشه به سمت فوق گره……………………………………………………………………….64

3-2-3-3 مسیریابی به سمت چاهک متحرک …………………………………………………………………………….65

3-2-3-4 مسیریابی وایجاد کانال خصوصی بین فوق‌گره‌ها…………………………………………………………..65

3-3 فاز دوم : حیات و ادامه زندگی شبکه……………………………………………………………………………………..66

3-3-1  اولویت بندی اطلاعات………………………………………………………………………………………………….66

3-3-2 تصمیم گیری برای ارسال داده‌ها ……………………………………………………………………………………..67

3-3-3 تصمیم‌گیری در مورد جهش حرکت چاهک متحرک…………………………………………………………..68

3-3-4 نحوه آگاهی فوق‌گره متصل به چاهک متحرک، به سایر فوق‌گره ها و نرک ایستگاه…………………..70

3-3-5 ارسال  غیر مستقیم اطلاعات چاهک متحرک……………………………………………………………………..70

3-4 مقایسه روش های ارائه شده………………………………………………………………………………………………….71

3-4-1 روش چاهک ثابت…………………………………………………………………………………………………………71

3-4-2 روش چاهک متحرک……………………………………………………………………………………………………..72

3-4-3 استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان(DualSink)…………………………………….73

3-4-4 روش ارائه شده …………………………………………………………………………………………………………….74

3-5 طرح و نقشه ……………………………………………………………………………………………………………………….75

3-6 مزایای استفاده از این روش نسبت به سایر روش‌ها…………………………………………………………………..76

فصل چهارم :تجزیه و تحلیل داده ها و ارزیابی کارایی

4-1  ارزیابی کارایی ………………………………………………………………………………………………………………….78

 

4-1-1 جزییات شبیه سازی …………………………………………………………………………………………………….78

4-1-2 مدل انرژی مصرفی گره‌ها ……………………………………………………………………………………………80

4-1-3 مقایسه انرژی مصرف شده در روش ارائه شده ……………………………………………………………….80

4-1-4 تاثیر روش ارائه شده ،بر نرخ گم شدن بسته‌ها ………………………………………………………………..82

4-1-5 متوسط تعداد گام طی نموده برای رسیدن به چاهک ………………………………………………………….83

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادهای تحقیق

5-1نتایج………………………………………………………………………………………………………………………………86

5-2 پیشنهادهای تحقیق……………………………………………………………………………………87

فهرست جداول

جدول4-1 پارامترهای شبیه سازی………………………………………………………………………………………………..79

فهرست اشکال

شکل 1-1معماری ارتباطی شبکه های حسگر بیسیم…………………………………………………………………………. 6

شکل 1-2 ساختمان داخلی گره  حسگر…………………………………………………………………………………………. 6

شکل 2-1 انواع خوشه بندی در شبکه های حسگر بیسیم……………………………………………………………….. 21

شکل 2-2یک چاهک سیال در حال حرکت در طول یک خط مستقیم……………………………………………… 28

شکل2-3  انواع روش های جابه حایی کنترل شده…………………………………………………………………………. 29

(شکل 2-4 )روش ارائه شده در EEQR……………………………………………………………………………………. 32

(شکل 2-5) پدیده تصادم…………………………………………………………………………………………………………… 37

(شکل 2-6) پدیده هم پوشانی…………………………………………………………………………………………………….. 38

شکل 2-7 روش شایعه پراکنی…………………………………………………………………………………………………….. 39

شکل 2-8 روش دست تکانی……………………………………………………………………………………………………… 42

شکل 2-9 نحوه دسته بندی در زمان های t و t+c………………………………………………………………………… 51

شکل 2-10 میران نرمال شده مصرف  انرژی سیستم درصد گره‌های سردسته……………………………………. 52

شکل3-1 نمایه ای از طرح پیاده‌سازی شده…………………………………………………………………………………… 58

شکل 3-2  خوشه بندی با روش Leach ……………………………………………………………………………………. 62

شکل 3-3 روش خوشه‌بندی با روش BSK-Means…………………………………………………………………… 63

شکل 3-4 نمایه چاهک ثابت و نحوه اتصال گره‌ها………………………………………………………………………… 71

شکل 3-5 نمایه روش چاهک متحرک و نحوه اتصال گره‌ها……………………………………………………………. 72

شکل 3-6 استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان (Dual Sink) ………………………………. 73

شکل 3-7 نمایش گرافیکی طرح پیشنهادی………………………………………………………………………………….. 74

فهرست نمودارها

(نمودار 3-1) مصرف انرژی  BSK-Means، در مقایسه با روش‌های دیگر، در شبکه‌‌های حسگر بیسیم. 61

(نمودار 3-2)کارایی الگوریتم BSK-means  برای ارسال اطلاعات در مقایسه با سایر روش‌ها…………… 62

(نمودار 4-1) نمودار مصرف انرژی در استفاده از روش‌های در مختلف شبکه…………………………………… 81

 

(نمودار 4-2 ) درصد بسته های گم شده نسبت به تعداد گره‌های مورد استفاده………………………………….. 82

 

(نمودار 4-3) میانگین تعداد گام در حالت های چاهک متحرک و چاهک ثابت و راه‌کار کنونی در خالت استفاده از 35 گره………………………………………………………………………………………………………………………..84

چکیده

یکی از چالش های مطرح در زمینه شبکه‌های حسگر ،نحوه مسیریابی و جمع‌ آوری اطلاعات از گره‌های شبکه می‌باشد .از آنجا که این شبکه‌ها از لحاظ منابع انرژی و پردازشی محدودیت دارند،نیازمند روش‌های خاصی برای مسیریابی و انتقال اطلاعات می‌باشند که مصرف انرژی پایینی داشته باشند.

برای واضح تر شدن موضوع ،در شبکه های حسگر معمولی یک گره چاهک در وسط شبکه قرار دارد که اطلاعات حس شده توسط آن، به سوی چاهک هدایت می‌گردد اما طول عمر پایین شبکه به علت از بین رفتن گره‌های اطراف چاهک و تاخیر انتها به انتهای زیاد گره به علت انتقال اطلاعات از طریق تعداد نسبتا زیادی گره برای رسیدن به چاهک ، دو مشکل اساسی در ارسال اطلاعات در شبکه های حسگر بی‌سیم معمولی هستند. دو مشکل ذکر شده  ،امروزه به عنوان یكی از مباحث بسیار داغ علمی مطرح است و تاكنون كارهای زیادی در جهت بهبود و افزایش كارایی در زمینه جمع‌ آوری اطلاعات در این حوزه ، صورت گرفته است. یكی از روش‌های مطرح در این زمینه، روش استفاده از چاهک متحرک است كه در این روش با حرکت چاهک در کل شبکه اطلاعات از گره‌های حسگر جمع‌ آوری می‌گردد. این روش، پایه بسیاری از روش‌های مطرح شده بعدی در جهت حل مشکلات مطرح شده در حوزه مسیریابی و جمع‌ آوری اطلاعات در شبكه‌های حسگر را تشكیل می‌دهد كه در این پایان‌نامه مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند و در نهایت از لحاظ قابلیت و نقاط ضعف و قوت، با یكدیگر مورد مقایسه قرار گرفته اند.

در این پایان‌نامه قصد داریم تا با ارائه روشی جامع، ساده و کارا دو مشکل مطرح در این گونه شبکه‌ها که باعث کارایی پایین این شبکه‌ها گردیده را بهینه تر نماییم. روش ارائه شده مبنی بر حرکت چاهک متحرک در طول شبکه است که در آن شبکه به صورت خوشه‌بندی شده می باشد و با در نظر گرفتن اولویت بسته‌ها در ارسال اطلاعات به چاهک می‌باشد .نتایج به دست آمده بهبود دو پارامتر ذکر شده را  نشان می‌دهد .

1-1مقدمه

امروزه بحث سیستم‌های كنترل و نظارت از راه دور یكی از مباحث پرچالش در زمینه علوم الكترونیک و كامپیوتر می‌باشد. لذا محققان در هر زمان به دنبال راه حلی می‌باشند تا شرایط خاص و انتظارات مدنظر را پاسخ دهد؛ در شرایط و كیفیت كاری یكسان هر چه نسبت هزینه به كارائی پائینتر باشد، همان قدر محبوبیت آن شیوه بیشتر خواهد شد.

برای آگاهی از تغییرات محیط اطراف و یا وضعیت هر مجموعه ،نیازمند یكسری تجهیزات هستیم كه بعنوان حسگر شناخته می شوند.حسگر‌ها تغییرات مدنظر (تغییرات فیزیكی یا شیمیایی) را در قالب یک پاسخ، به منظور اندازه گیری میزان تغییرات و یا وجود تغییر، ارائه می دهند. پس از جمع آوری اطلاعات مورد نیاز می‌توان سایر عملیات را بر اساس پاسخ ارائه شده، انجام داد.

پیشرفتهای اخیر در زمینه الكترونیک و مخابرات بی سیم باعث شده ،بتوانیم گره‌های حسگر چندكاره، با توان مصرفی پایین و هزینه كم داشته باشیم كه از نظر اندازه خیلی كوچك هستند و برای مسافت های كوتاه می‌توانند با هم ارتباط برقرار كنند. این گره‌های حسگر كوچك طبق نظریه شبكه های حسگر، دارای تجهیزات حس كردن، پردازش داده‌ها و مخابره می‌باشند. تفاوت اصلی شبكه های حسگر با سایر شبكه‌ها در ماهیت داده– محور (data – centric) و همچنین منابع انرژی و پردازشی بسیار محدود در آنهاست كه موجب شده تا روش های مطرح شده جهت انتقال داده‌ها در سایر شبكه‌ها و حتی شبكه‌هایی كه تا حد زیادی ساختاری مشابه شبكه‌های حسگر دارند مانند شبكه های موردی(AdHoc)، در این شبكه‌ها قابل استفاده نباشند. روند توسعه این شبكه‌ها در حدی است كه مطمئناً این شبكه‌ها در آینده نزدیك،‌نقش مهمی را در زندگی روزمره ما ایفا خواهند كرد. از كاربردهایی كه در حال حاضر برای شبكه حسگر مطرح می‌شود و روزبه‌روز بر تعدادشان افزوده می‌شود، می توان به كاربردهایی نظیر عمل ردیابی در محیط های گسترده جغرافیایی، سیستم‌های امنیتی، نظارت بر سازه‌های بزرگ، نظارت بر بیماران دارای وضعیت حساس و همچنین نظارت بر پارامترهای محیطی در مناطقی كه حضور انسان در آنها خطرناك است و بسیاری كاربردهای دیگر اشاره كرد.

شبكه های حسگر در واقع تجمع تعداد زیادی از گره‌های حسگر می‌باشند كه در محیط پراكنده شده‌اند و هر كدام به طور خودمختار و با همكاری سایر گره‌ها هدف خاصی را دنبال می‌كنند. گره‌ها، به هم نزدیک هستند و هر گره ای با گره دیگری می تواند ارتباط برقرار كند و اطلاعات خود را در اختیار گره دیگری قرار دهد و در نهایت وضعیت محیط تحت نظر، به یک گره مركزی گزارش می شود.

عواملی چون اقتصادی بودن سیستم، توانایی های مورد انتشار، تعداد انبوه گره‌ها موجب گشته هر گرهی یكسری محدودیتهای سخت افزاری داشته باشد. این محدودیتها باید در پیاده سازی سیستم های مختلف در این گونه شبکه‌ها مورد توجه قرار گیرد. برخی از محدودیت‌های این گونه شبکه‌ها عبارتند از :

• هزینه پائین : بایستی سیستم نهایی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. چون تعداد گره‌ها خیلی زیاد بوده و برآورده هزینه هر گره در تعداد زیادی (بالغ بر چند صدهزار) ضرب می گردد، بنابراین هر چه از هزینه هر گره كاسته شود، در سطح كلی شبكه صرفه جویی زیادی صورت خواهد گرفت و سعی می شود هزینه هر گره به كمتر از یک دلار برسد.
• حجم كوچك : گره به نسبت محدوده ای كه زیر نظر دارند، بخشی را به حجم خود اختصاص می دهند. لذا هر چه این نسبت كمتر باشد به همان نسبت كارایی بالاتر می رود و از طرفی در اكثر موارد برای اینكه گره‌ها جلب توجه نكند و یا بتوانند در برخی مكان‌ها قرار بگیرند نیازمند داشتن حجم بسیار كوچك می باشند.
• توان مصرفی پایین : منبع تغذیه در گره‌ها محدوده می باشد و در عمل امكان تعویض یا شارژ مجدد آن مقدور نیست، لذا بایستی از انرژی موجود به بهترین نحو ممكن استفاده گردد.
• نرخ بیت پائین : به خاطر وجود سایر محدودیتها، عملاً میزان نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در گره‌ها، نسبتاً پایین می باشد.
• خودمختار بودن : هر گره ای بایستی از سایر گره‌ها مستقل باشد و بتواند وظایف خود را طبق تشخیص و شرایط خود، به انجام برساند.

قابلیت تطبیق پذیری : در طول انجام نظارت بر محیط، ممكن است شرایط در هر زمانی دچار تغییر و تحول شود. مثلاً برخی از گره‌ها خراب گردند. لذا هر گره بایستی بتواند وضعیت خود را با شرایط بوجود آمده جدید تطبق دهد.

همانطور كه در  قبل نیز بیان شد، شبكه های حسگر در حالت كلی ماهیت داده – محور دارند و بنابراین ساختار ارتباطی بین گره‌های حسگر باید طوری طراحی شوند كه با ماهیت این شبكه‌ها هماهنگی داشته باشند. چون اكثر كاربردهای شبكه های حسگر در مواردی است كه عملاً امكان اتصال گره‌ها به یكدیگر عملی یا مقرون به صرفه نیست، در این گونه شبكه‌ها عموماً از ارتباط بیسیم استفاده می شود. و ساختار كلی این شبكه‌ها به این صورت است كه تعداد زیادی گره همسان، در محیط پراكنده می‌شوند و پس از جمع‌ آوری اطلاعات مورد نظر، آن را به یک چاهک (Sink) ارسال می‌كنند. چاهک، گرهی دارای میزان انرژی بالا و تجهیزات مورد نیاز می باشد و در واقع واسط بین شبكه حسگر و محیط اطراف می‌باشد. در شبكه‌های با وسعت جغرافیایی زیاد، می توان از چندین چاهک استفاده كرد تا مسیر ارسال داده‌ها به گیرنده‌ها، بیش از حد طولانی نگردد.

از آنجایی كه ارسال مستقیم رادیویی در فواصل زیاد، به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد، در شبكه‌های حسگر از روش‌های انتقال اطلاعات به صورت گام به گام استفاده می‌شود. علاوه بر این مورد، در اكثر موارد بین بسیاری از گره‌ها و گیرنده‌های مركزی به علت مسایلی مانند فاصله زیاد یا موانع جغرافیایی، ممكن است دید مستقیمی بین گره و گیرنده مركزی وجود نداشته باشد. روش های متنوعی جهت پراكندن اطلاعات در شبكه های حسگر، پیشنهاد شده است كه تعدادی از آنها در فصل بعد، مختصراً آورده شده اند. در شكل 1-1 و 1-2شمایی از معماری ارتباطی در شبكه های حسگر نشان داده شده است.

تكنیك‌ها و شیوه های مورد استفاده در چنین شبكه‌ها وابستگی شدیدی به ماهیت كاربرد شبكه دارد و ساختار توپولوژی شبكه، شرایط جوی و محیطی، محدودیت‌ها و … عوامل موثری در پارامترهای كارایی و هزینه شبكه می باشند. لذا امروزه در سرتاسر دانشگاه‌های معتبر و مراكز تحقیقاتی كامپیوتری، الكترونیكی و بخصوص مخابراتی، شبكه‌های حسگر بیسیم، یک زمینه تحقیقاتی بسیار جذاب و پرطرفدار محسوب می‌شود. تحقیقات و پیشنهادات زیادی در مباحث مختلف ارائه شده است و همچنان حجم تحقیقات در این زمینه سیر صعودی دارد.

هدف اصلی تمامی این تلاش‌ها و ارائه راه‌كارها، داشتن سیستمی با شیوه های كنترلی ساده، آسان و با هزینه پائین می‌باشد كه در نهایت با پاسخگویی به نیازمندی‌های ما ، بتواند در مقابل محدودیتها (پهنای باند، انرژی ، ‌دخالت‌های محیطی ، فیدینگ و …) ایستادگی كند و شرایط كلی را طبق خواسته‌ها و تمایلات ما (انتقال حجم زیاد اطلاعات پرمحتوا، بقاء پذیری و طول عمر بالا، هزینه پائین و ..) را فراهم سازد. لذا محققین جنبه‌های مختلف را تحلیل و بررسی می‌نمایند و سعی می‌كنند ایده‌های بهینه و كارا را استخراج كنند. این ایده‌ها می‌توانند از محیط وحش اطرافمان الهام گرفته شده باشد و با بهره گرفتن از قوانین ریاضی و نظریات تئوری و آماری می‌توان آنها را تحلیل نمود.

به دلایل ذكر شده در بالا،‌بحث شبكه های حسگر در حال حاضر یكی از مباحث داغ در محافل علمی است و روز به روز بر تعداد مقاله‌هایی كه در این مورد منتشر می‌شوند افزوده می گردد. در سالهای اخیر نیز چند كنفرانس معتبر IEEE نیز در همین زمینه برگزار شده است.

یكی از چالش‌های مطرح در زمینه شبكه‌های حسگر، نحوه مسیریابی و انتقال اطلاعات جمع‌ آوری شده، در گره‌های این شبكه هاست. از آنجایی كه این شبكه‌ها از لحاظ میزان انر‍ژی قابل دسترسی و منابع پردازشی موجود، محدودیت دارند، نمی توان از روش‌های مطرح شده برای سایر شبكه‌ها، در شبكه‌های حسگر استفاده كرد.

دو نوع مصرف انرژی در  شبکه در بین محققان مطرح می‌باشد

• میانگین مصرف انرژی گره‌ها در شبکه که در اصطلاح به آن Ebar   می‌گویند
• بیشترین میزان مصرف انرژی در شبکه در بین گره‌ها که در اصطلاح به آن Emax می گویند

یک شبکه حسگر را در نظر بگیرید که در قسمتی از شبکه انرژی گره‌های یک قسمت از شبکه به میزان زیادی مصرف می‌گردد این موضوع باعث می‌شود که قسمتی از شبکه بعد از مدتی، انرژی‌اش تمام شود و از کار بیافتد و در نتیجه نتواند اطلاعاتی در رابطه با آن ناحیه به چاهک برساند ، از طرفی در آن شبکه ،ناحیه ای وجود دارد که مصرف انرژی پایینی دارد ،در این صورت میانگین مصرف انرژی شبکه مشکلی را در این شبکه نشان نمی‌دهد اما پارامتر  Emax  این موضوع را بیان می‌کند که در یک قسمت از شبکه انرژی زیادی در حال استفاده می‌باشد .

در طراحی‌های اخیر یک WSN معمولا تشكیل شده از یک سری گره ثابت و یک چاهک ثابت که در میان ناحیه جغرافیایی قرار گرفته است. در چنین پیكربندی،مصرف كننده انرژی،ماژول ارتباطات هر گره می‌باشد. در عمل، برای ارسال اطلاعات گره‌ها به چاهک، به ارتباطات چندگانه نیاز است. با توجه به این که در هر ارتباط از انرژی شبکه کاسته می‌شود، انرژی شبکه به میزان نسبتا زیادی به ازای یک بسته کاهش پیدا خواهد کرد. در این گونه شبکه‌ها مشکل دیگری نیز وجود دارد و آن این است که در صورتی که شبکه دارای یک چاهک ثابت در محیط باشد تمامی گره‌های شبکه اطلاعات خود را  به سوی چاهک ارسال می‌کنند. هرچند چاهک، از بابت مصرف انرژی دارای محدودیتی نمی‌باشد، اما گره‌های اطراف چاهک تعداد بسته های زیادی را مبادله می کنند و این موضوع باعث می‌شود که انرژی آن‌ ها زود تمام شود، با وجود این که گره‌های دور از چاهک همچنان انرژی دارند و قادر به رصد محیط می‌باشند، اما نمی‌تواننداطلاعات خود را به چاهک ارسال نمایند.

از طرفی احتمال ایجاد نقاط کور برای دسترسی درشبکه‌های با چاهک ثابت  به صورت بارزی امکان پذیر می‌باشد.از طرفی به دلیل محدودیت های جغرافیایی و یا عدم امنیت یک مسیر، برای ارسال اطلاعات حسگرها نمی‌توانند اطلاعات خود را به چاهک ثابت ارسال نمایند. این موضوع به عنوان یکی از نقاط ضعف استفاده از چاهک ثابت به شمار می‌آید .

یک راه‌کار ارائه شده در این حوزه ،استفاده از چند چاهک ثابت در شبکه می‌باشد. اما استفاده از چندین چاهک، به دلیل هزینه زیاد و محدودیت‌هایی که در مورد مکان چاهک می‌باشد مانند محیط‌های نظامی (که چاهک لزوما باید در نقطه امنی از شبکه حضور داشته باشد)، معمولا مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

راه‌کار دیگری در این زمینه توسط[1] بیان گردید و آن، استفاده از رویکرد سلسله مراتبی در ارسال اطلاعات به چاهک می‌باشد. در این روش هر گره خود را در یک مجموعه بزرگ تر عضو می کند و اطلاعات خود را از طریق گره ای که نماینده آن گروه می‌باشد ارسال می‌کند. این روش میزان مسیریابی‌های مجدد و هم‌پوشانی در ارسال اطلاعات را کاهش می‌دهد. اما تاثیر قابل توجهی در ترافیک اطلاعات ارسالی به چاهک ثابت نخواهد داشت.

رویكرد دیگری كه برای افزایش طول عمر شبكه كاربرد دارد، استفاده از چاهک متحرك در این گونه شبكه‌ها است. این رویکرد در خیلی از موارد شبیه استفاده از چندین گره ثابت است، در حالی كه در حالت استفاده از چند گره ثابت نیاز به استفاده از یک ارتباط عمومی برای جمع‌ آوری تمام داده‌ها در یک نقطه پایانی است. برای غلبه بر نقص های موجود در یک چاهک ثابت، استفاده از چاهک متحرك پیشنهاد شده است. یک چاهک متحرك، می‌تواند انواع مختلفی از جابه‌جایی را در میان سنسورها داشته باشد. مانند حركت تصادفی، حركت ثابت و پیش‌بینی شده از قبل و حركت های كنترل شده كه نتیجه آن بهبود در مصرف انرژی و جمع‌ آوری داده می‌باشد، که به تفصیل، هریک را توضیح خواهیم داد.

روش استفاده از چاهک متحرک، مشکلات تمام شدن انرژی گره‌های اطراف چاهک و همچنین ارتباطات چندگامه و تاخیر انتها به انتها را به نسبت روش چاهک ثابت برطرف می‌کند اما دارای مشکلاتی نیز می‌باشد. در این گونه شبکه‌ها، اطلاعاتی که در یک منطقه از شبکه ایجاد می‌گردند، نمی‌توانند خود را به دلیل نبود چاهک متحرک در آن ناحیه، به موقع به چاهک برسانند.این موضوع زمانی بدتر خواهد شد که شبکه دارای ترافیک‌های حساس به تاخیر باشد . ترافیک‌های حساس به تاخیر، اطلاعاتی هستند که دارای محدودیت زمانی در ارسال و دریافت توسط مقصد هستند. در برخی از این ترافیک‌ها مانند ترافیک‌های چندرسانه‌ای، حتی ترتیب دریافت بسته حایز اهمیت می‌باشد. بنابراین، روش استفاده از چاهک متحرک، برای این‌گونه ترافیک‌ها نتیجه عکس خواهد داشت. استفاده از چاهک متحرک، معایب دیگری نیز دارد که در این جا به برخی از آن‌ ها به اختصار اشاره خواهد شد و توضیحات کامل تر را در فصل بعد ارائه خواهیم کرد .از دیگر مشکلات این روش، افزایش تاخیر انتها به انتها و مسیریابی مدام به چاهک متحرک و مشکل بودن شناسایی حضور چاهک متحرک توسط چاهک ثابت را می‌توان نام برد.

راه‌کار استفاده شده دیگر، در این حوزه  استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان است. در برخی کاربرد‌ها نیاز است تا ارتباط گره‌ها با چاهک همواره برقرار باشد. یکی از این موارد، ترافیک‌های حساس به تاخیر است. در این گونه ترافیک‌ها، داده‌ها برای ارسال به چاهک دارای محدودیت در زمان دریافت هستند. در بعضی کاربرد‌ها، مانند رشته های ویدیویی حتی ترتیب دریافت نیز اهمیت دارد. در این خصوص، راه‌کارهای مختلفی ارائه شده است. یکی از مهمترین راه‌کارهای ارائه شده، استفاده از چاهک ثابت و متحرک به صورت همزمان می‌باشد. این روش در مقلات علمی مختلف بیان گردیده و مورد علاقه بسیاری از محققین می‌باشد. مزیت این روش حضور همیشگی حداقل یک چاهک برای ارسال اطلاعات می‌باشد. اما در این روش نیز خلاهایی وجود دارد. مانند اتصال قسمت عظیمی از شبکه به چاهک ثابت و دیگری، مسیریابی همیشگی مجدد به چاهک متحرک است. در قسمت ضرورت انجام تحقیق مفصل تر در رابطه با این موضوع سخن خواهیم گفت.

1-2بیان مساله

همانطور که در مقدمه نیز بیان گردید، روش های زیادی برای پروتكل‌های مسیریابی طراحی شده‌اند تا بهینه‌سازی مصرف انرژی در جمع‌ آوری داده‌ها در شبكه حسگر بیسیم را فراهم كنند. در مورد روش چاهک ثابت،گره‌های مستقر شده در مجاورت چاهک، انرژی‌شان را خالی می‌كنند و خیلی زودتر از گره‌های قرار گرفته در دور از چاهک، به خاطر بار پاسخگویی بالاتر زودتر می‌میرند. به خاطر اینكه این مساله را مورد توجه قرار دهیم، متحرک‌سازی چاهک را معرفی می‌كنیم كه در آن چاهک می‌تواند در یک مسیر معین درون شبكه حركت كند همچنین در خیلی از موارد نشان داده شده كه چاهک متحرك در متعادل سازی بار مسیریابی و در نتیجه كاهش انرژی گره‌ها كمك می‌كند. اگرچه این موضوع واضح هست كه چاهک متحرك بالانس بار بین گره‌ها را بهبود می‌بخشد، اما این یک سوال باز است كه آیا این مساله در بهبود كارایی انرژی شبكه WSN مفید است یا خیر؟ برای اینكه این مساله را مورد متوجه قرار دهیم ابتدا نیازمند این هستیم كه معیارهای مناسبی را برای كمی سازی كارایی انرژی تعریف كنیم.

1- دو پارامتر ممكن که برای مقایسه استراتژی های متحرك سازی چاهک استفاده می‌شود، این است كه تمام انرژی مصرف شده گره‌ها در WSN را برای تمام بار كاری انجام شده توسط WSN مقایسه كنیم.ارزیابی اول، كاهش انرژی متوسط به ازاء همه گره‌ها می‌باشد. برای مثال میانگین كاهش انرژی برای تمامی گره‌ها در WSN در طول مدت زمان مشخص است. با این همه مشخص است كه در مورد یک چاهک ثابت، مصرف انرژی گره‌ها در طول شبكه به شدت متغیر است. علت این موضوع این هست که، گره‌های اطراف چاهک، تحت بار سنگین‌تری هستند و عملیات پاسخ آنها، نسبت به گره‌های دورتر از چاهک بیشتر است. بنابراین Emax، قطعا یكی از پارامترهای نماینده ممكن برای تعیین طول عمر WSN در یک محیط انتزاعی می‌باشد. اغلب كارهای انجام شده در مقالات در زمینه طول عمر یک WSN، به دو پارمتر میانگین اتلاف انرژی گره‌های شبکه و بیشینه مصرف انرژی شبکه توجه کرده‌اند.

در این پایان نامه می خواهیم این دو نوع نحوه مصرف انرژی را همزمان با حفظ کیفیت سرویس، از طریق ارائه راهکاری در مسیریابی شبکه، با بهره گرفتن از چاهک ثابت و متحرک، کاهش دهیم.

چتد عامل در بهینگی عوامل بیان شده تاثیرگذار می باشد، که قصد داریم تاثیر این عوامل را بر مصرف انرژی شبکه کم یا حذف نماییم در ادامه به اختصار هر یک از موارد را توضیح خواهیم داد.

اول: معمولا WSNها از سنسورهای ثابت ریزی تشكیل شده است كه در محیط جغرافیایی پارامترهای مورد نظر را حس كرده و پارامترهای مورد علاقه را بررسی می‌كنند. توسعه نامتقارن رندوم باعث شده كه همیشه یكی از پارامترهای مهم، بدست آوردن انرژی بهینه باشد و همیشه باید به فكر اثر تكنولوژی‌ها در تغییر ارسال داده‌ها باشیم. در شبكه های ad-hock، در یک محیط جغرافیایی بزرگ که پارامترهای مورد نظر را حس می‌كنند، یک استقرار شبكه غیر كنترل شده و تصادفی، یک توپولوژی غیر قابل درك و نامفهوم را در یک محیط پویا با پهنای باند كم، انرژی باتری پایین و حافظه گره‌های كم ایجاب می‌كند كه هر گره یک مسیر كارآمد از نظر انرژی را به شبکه معرفی كند. استقرار ad-hock گره‌ها، برنامه نویسان را از جداول مسیریابی پیكربندی شده روی هر گره در گره‌های حسگر محدود می‌كند.هر چند شبکه‌های ad-hoc  با ساختار شبکه‌های حسگر بیسیم متفاوت می‌باشند اما می‌توان از برخی روش‌های آن‌ ها برای تحرک چاهک استفاده نمود. تكنیک های گوناگونی برای حفظ مسیرهای مسیریابی شده و به روز شدهی چاهک ارائه شده‌اند. [2]. روش پرواكتیو(در روش‌هایی كه تغییر توپولوژی مسیریابی به كندی صورت می‌گیرد) روش بهتری برای كاهش مصرف انرژی می‌باشد، به این صورت كه برای دستیابی به توپولوژی شبكه به صورت فراگیر، یک بسته را به تمام شبكه ارسال می‌شود. در جواب بسته ارسالی، برگشت داده داریم. در مقدمه تاثیر چاهک متحرک، در مصرف انرژی بیان گردید. اما روش پرواکتیو، به دلیل این که چاهک متحرک در هر زمان در یک قسمت از شبکه می‌باشد، باعث می‌شود که شبکه متناوبا به مسیریابی مجدد تا گره مرتبط با چاهک بپردازد ، ارسال بسته به تمامی شبکه، باعث مصرف انرژی زیادی می‌گردد. با توجه به این موضوع، یکی از مشکلات استفاده از چاهک متحرک، مسیریابی چند باره می‌باشد که در روش ارائه شده، مورد توجه قرار می‌دهیم

دوم: در شبکه‌های حسگر بیسیم معمولی، چاهک درمرکز شبکه،ثابت می‌باشد و بسته‌های اطلاعاتی باید برای رسیدن به چاهک از چند گام عبور نمایند. افزایش تاخیر انتها به انتها ،به دلیل ارسال بسته‌ها توسط چند گام، یکی از مشکلات استفاده از چاهک ثابت می‌باشد. افزایش تاخیر انتها به انتها در ترافیک‌های حساس به تاخیر مساله مهمی می‌باشد. این در حالی است که ارسال اطلاعات به چاهک متحرک می تواند به صورت  یک گام انجام شده یا توسط چند گام محدود، انجام شود. . ارسال اطلاعات با بهره گرفتن از چند گره، کیفیت سرویس را کاهش می‌دهد. علاوه برآن، ارسال اطلاعات با بهره گرفتن از چند گره تاثیر زیادی بر افزایش انرژی مصرفی در شبکه دارد. یکی از هدف‌های این پایان نامه کاهش ارتباطات چند گامه برای ارسال اطلاعات به چاهک می‌باشد

سوم : اگر چه روش چاهک متحرک بهینگی مصرف انرژی و کاهش تاخیرانتهابه انتها را بهبود می‌دهد‌، اما مشکل اساسی این روش انتظار برای حضور چاهک متحرک برای ارسال اطلاعات می‌باشد .این مشکل باعث می‌شود که تاخیر انتهابه انتها در نقاطی که چاهک متحرک در آن منطقه حضور ندارد به شدت افزایش یابد و این موضوع برای ترافیک‌های حساس به تاخیر چندرسانه‌ای قابل قبول نمی‌باشد. بنابراین در روش ارائه شده،موضوع ارتباطات چندگانه را مورد توجه قرار می‌دهیم.

چهارم : یکی از مشکلات استفاده از چاهک ثابت عدم دسترسی به نقاط کور در شبکه می‌باشد .در این‌گونه شبکه‌ها، تعدادی از گره‌ها معمولا به علت پدیده‌های جغرافیایی با توزیع ناهمگن در قسمتی از شبکه و یا تمام شدن انرژی