مهندسي برق و كامپيوتر دانشكده

نامه پايان

ارشد كارشناسي درجه دريافت براي

مخابرات- برق

سيم از جهت مصرف توان هاي حسگر بي هاي مسيريابي در شبكه ارزيابي پروتكل

رضا سعادت دكتر : راهنما استاد

زاده م احمد خاد دكتر: مشاور استاد

امفروشهانا خ: نگارش و پژوهش

1388 تير

، از كلمه ايثار و از خود گذشتگياش به پاس تعبير عظيم و انساني

روزگـاران بهتـرين كه در اين سـردترين دبخش وجودش به پاس عاطفه سرشار و گرماي امي

،پشتيبان است

بـه شـجاعت شپنـاه كـه فريـادرس اسـت و سـرگرداني و تـرس در به پاس قلب بزرگشو

،گرايد مي

كند، كه هرگز فروكش نميدريغش هاي بي پاس محبتو به

كنم به اين مجموعه را تقديم مي

و فداكارممادر مهربان

تشكر و قدرداني

در پناه او و خانواده دلسوزم ، اين مهم نيز به پايان رسيد گويم كه را سپاس مي بزرگخداوند

.شدو يك مقطع حساس ديگر از زندگي به خوبي پشت سر گذاشته

كه پـژوهش حاضـر مرهـون رضا سعادت آقاي دكتر بر خود الزم ميدانم از زحمات جناب

كه زحمـت احمد خادم زادهآقاي دكتر ، از جناب و شكيبايي ايشان است هاي دلسوزانه راهنمايي

آرش دانـا دكتـر و قاسم ميرجليلي دكتر ي اين كار را تقبل نمودند و از اساتيد بزرگوار مشاوره

.نامه، تشكر و قدرداني نمايم اوري اين پايانبراي د

مادر مهربانم كه كنم، به ويژه ي دلسوزم تقديم مي انوادهخپايان خود را به پيشگاه سپاس بي

برادر عزيزم كه در تمام مراحل تحصيل الگوي من از . نمود ش را مصروف فرزندانش ا ي هستي عصاره

همچنـين از همـه همكالسـيهاي . ه جستم سپاسگزارم بودند و همواره از راهنماييهاي مفيدش بهر

اند، صميمانه سپاسـگزارم و بـراي پرمهرم كه زيباترين خاطرات مرا در اين مقطع از زندگي رقم زده

. همگي آرزوي بهروزي و نيك انجامي دارم

در پايان از مركز تحقيقات مخابرات ايران كه حمايت از اين پروژه را بر عهده گرفتنـد كمـال

.تشكر و قدرداني را دارم

چكيده

اي از تعداد زيادي گره حسگر با ابعاد بسيار كوچك هستند هاي حسگر بيسيم، مجموعه شبكه

كه داراي قابليتهاي حس كردن محيط، پردازش اطالعات حس شده و انتقال اطالعات بين يكـديگر

ها دارند، اما به دليل اينكه انـرژي عليرغم قابليتهاي بيشماري كه اين گره . سيم هستند به صورت بي

در حقيقـت . شود، طول عمر آنها محدود خواهد بـود آنها بوسيله باتريهايي با توان محدود تامين مي

در . هاسـت ها و طول عمر شبكه يكي از چالشهاي مهم بر سـر راه ايـن شـبكه محدوديت انرژي گره

.آيد از مهمترين عوامل به حساب ميها يكي ميان عوامل مختلف مصرف انرژي، مسيريابي داده

هاي حـسگر در اين نوشتار با تكيه بر موضوع كاهش مصرف انرژي و افزايش طول عمر شبكه

سپس بر روي . ها و چالشهاي مختلف آنها خواهيم پرداخت بيسيم، در فصل اول به معرفي اين شبكه

هاي دوم و سـوم، برخـي از فـصل . مهمترين عامل مصرف انرژي يعني مسيريابي متمركز خواهيم شد

در فصل چهارم، ابتدا بـه . ها را معرفي خواهند كرد روشهاي مسيريابي پيشنهاد شده براي اين شبكه

از ديـدگاه مـصرف انـرژي PEGASIS و LEACHارزيابي دو الگوريتم مسيريابي معروف و اساسـي

گرفتن از اين دو روش پردازيم و سپس روشهاي پيشنهادي خود كه با الهام تحت شرايط مختلف مي

در ادامـه ايـن فـصل، نتـايج . اند را معرفي خواهيم نمـود و رفع برخي از عيبهاي آنها به دست آمده

را از لحاظ مـصرف ERA و LEACHمقايسه روشهاي پيشنهادي خود و الگوريتمهاي قديمي مانند

ملكـرد روش پيـشنهادي نتايج حاصله، بيانگر بهبود ع. انرژي و طول عمر شبكه بررسي خواهيم كرد

.در مقايسه با روشهاي مشابه قبلي است

I

صفحه عنوان

هاي حسگر بيسيم اي بر شبكه مقدمه: فصل اول

1 هاي حسگر بيسيم تاريخچه شبكه1-1

7 هاي حسگر بيسيم معرفي شبكه 1-2

10 هاي حسگر بيسيم كاربردهاي شبكه 1-3

10 ايجاد امنيت 1-3-1

11 محيط و موجودات زنده 1-3-2

11 صنعت 1-3-3

12 كنترل ترافيك 1-3-4

12 هاي حسگر بيسيم چالشهاي شبكه 1-4

16 هاي حسگر بيسيم مفاهيم قابل بحث و تحقيق در شبكه 1-5

17 تنگناهاي سخت افزاري 1-5-1

17 توپولوژي1-5-2

18 قابليت اطمينان 1-5-3

18 پذيري مقياس 1-5-4

19 قيمت تمام شده 1-5-5

19 شرايط محيطي 1-5-6

19 رسانه ارتباطي 1-5-7

20 ها توان مصرفي گره 1-5-8

20 افزايش طول عمر شبكه 1-5-9

21 ارتباط بالدرنگ و هماهنگي 1-5-10

22 امنيت 1-5-11

23 نشده بيني عوامل پيش 1-5-12

II

23 مروري بر فصلهاي آتي 1-6

هاي حسگر بيسيم مسيريابي در شبكه: مفصل دو

25 مقدمه2-1

25 هاي حسگر بيسيم مفهوم مسيريابي در شبكه2-2

28 هاي حسگر بيسيم چالشهاي مسيريابي در شبكه2-3

36 هاي حسگر بيسيم روشهاي پيشنهاد شده براي مسيريابي در شبكه2-4

36 روش ارسال سيل آسا2-4-1

40 بندي روشهاي مبتني بر خوشه2-4-2

41 روش مبتني بر زنجير 2-4-3

42 روشهاي مطلع از انرژي 2-4-4

43 گيري خالصه فصل و نتيجه2-5

LEACH,PEGASIS,ERAمعرفي روشهاي مسيريابي : فصل سوم

44 مقدمه3-1

LEACH 44 روش مبتني بر خوشه بندي 3-2

PEGASIS 50 روش مسيريابي مبتني بر زنجير 3-3

53 روشهاي مسيريابي مطلع از انرژي 3-4

LEACH 54بندي فته روش مبتني بر خوشهبهبود يا 3-4-1

ERA 54بندي مطلع از انرژي باقيمانده الگوريتم خوشه 3-4-2

56 خالصه فصل3-5

سازيها و نتايج شبيه: فصل چهارم

57 مقدمه4-1

58 مدل انرژي4-2

60 سازي و ارزيابي شبيه4-3

III

60 سازي معرفي سناريوي شبيه 4-3-1

ــبيه 4-3-2 ــام شـ ــرم روش انجـ ــك نـ ــه كمـ ــازي بـ ــزار سـ MATLABافـ

63

LEACH 66ارزيابي نتايج شبيه سازي روش 4-3-3

بررسي اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر روي انرژي مـصرفي بـراي 4-3-3-1

67 يك بيت

ناحيه آرايش حسگرها بر انرژي مصرفي براي بررسي اثر تغيير ابعاد 4-3-3-2

76 بيت يك

بررسي اثر تغيير تعداد گره هاي آرايش يافته بر انرژي مصرفي براي 4-3-3-3

78 يك بيت

بررسي اثر تغيير احتمال انتخاب سرگروه بر انرژي مصرفي براي يك 4-3-3-4

82 بيت

84 تحت شرايط مختلفPEGASISبررسي روش 4-3-4

بررسي اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر روي انرژي مـصرفي بـراي 4-3-4-1

85 يك بيت

بررسي اثر تغيير ابعاد ناحيه آرايش حسگرها بر روي انرژي مـصرفي 4-3-4-2

90 يك بيت براي

92 ها بر روي انرژي مصرفي براي يك بيت بررسي اثر تغيير تعداد گره 4-3-4-3

PEGASIS 96 و LEACH دو روش مقايسه4-4

96 مقايسه دو روش براي موقعيتهاي مختلف ايستگاه پايه 4-4-1

101 هاي حسگر مقايسه دو روش براي تعداد مختلف گره 4-4-2

104 خالصه نتايج به دست آمده از شبيه سازيها 4-5

105 هادي معرفي روش پيشن4-6

IV

هـا روش مبتني بر خوشـه بـا پرشـهاي چندگانـه در داخـل و خـارج خوشـه 4-6-1

(CBMT) 106

ارزيابي نتايج شبيه سازي روش مبتني بر خوشه با پرشهاي چندگانه 4-6-1-1

112 ها در داخل و خارج خوشه

ه در داخل و خارج روش مبتني بر خوشه و مطلع از انرژي با پرشهاي چندگان 4-6-2

116 (CBEAMT)ها خوشه

سازي روش مبتني بر خوشه و مطلع از انرژي بـا ارزيابي نتايج شبيه 4-6-2-1

121 ها پرشهاي چندگانه در داخل و خارج خوشه

126 خالصه فصل4-7

گيري و پيشنهادات نتيجه: فصل پنجم

127 گيري بندي و نتيجه جمع 5-1

130 هاي آيندهپيشنهاداتي براي كار 5-2

131 مراجع

V

فهرست جداول

شرايط آزمايش براي مقايسه روش مبتني بر خوشه با پرشهاي چندگانه در داخل و ):1-4 (جدول

LEACH .......................................................................112خارج خوشه و روش

ERA , CBEAMT ...........................122آزمايش براي مقايسه روش شرايط ): 2-4(شكل

VI

اشكالفهرست

9.............................................................ساختار داخلي يك گره حسگر): 1-1(شكل

27...........................................چگونگي انتشار داده در شبكه حسگر بيسيم): 1-2(شكل

37.............................................................اصول روش ارسال سيل آسا ): 2-2(شكل

38...............................................انفجار ترافيكي در روش ارسال سيل آسا): 3-2(شكل

39.......................................اصطكاك و همپوشاني در روش ارسال سيل آسا): 4-2(شكل

45............................بندي وفقي با انرژي پايين اي خوشه عملكرد روش سلسله): 1-3(شكل

47...........بندي وفقي با انرژي پايين اي خوشه دو فاز استفاده شده در روش سلسله): 2-3(شكل

X*X ....................61يه مربع شكل با ابعادآرايش تصادفي حسگرها در يك ناح): 1-4(شكل

62..........................................تغيير موقعيت ايستگاه پايه در سناريوي اول ): 2-4(شكل

63...........................................تغيير موقعيت ايستگاه پايه در سناريوي دوم): 3-4(شكل

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه ): 4-4(شكل

P=0.05...........................................................67براي مقدار LEACHپايه در روش

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه ): 5-4(شكل

p=0.01...........................................................69براي مقدار LEACHش پايه در رو

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه ): 6-4(شكل

p=0.2 ............................................................70 براي مقدار LEACHپايه در روش

يستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه اثر تغيير فاصله ا ): 7-4(شكل

p=0.05 ..........................................................71 براي مقدار LEACHپايه در روش

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر نسبت انحراف معيـار بـه ميـانگين انـرژي الزم بـراي ): 8-4(شكل

p=0.05 .............................72براي مقدار LEACHدر روشانتقال يك بيت به ايستگاه پايه

VII

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر واريانس انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه ): 9-4(شكل

p=0.05 ..........................................................73 براي مقدار LEACHپايه در روش

وقعيت ايستگاه پايه برميـانگين انـرژي الزم بـراي انتقـال يـك بيـت بـه اثر تغيير م ): 10-4(شكل

LEACH .................75روش - بر روي قطر مربع جابجا شودBSايستگاه پايه براي حالتي كه

اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم بـراي ): 11-4(شكل

p=0.05 .........................76 براي مقدار LEACHانتقال يك بيت به ايستگاه پايه در روش

اثر تغيير ابعاد ناحيه آرايش حسگرها بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ): 12-4(شكل

p=0.05 ................................................77 براي مقدار LEACHايستگاه پايه در روش

اثر تغيير ابعاد ناحيه آرايش حسگرها بر نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم ): 13-4(شكل

p=0.05 ...................78 براي مقدار LEACHبراي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه در روش

نگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه اثر تغيير تعداد حسگرها بر ميا): 14-4(شكل

p=0.05 ...............................................................79 براي مقدار LEACHدر روش

اثر تغيير تعداد حسگرها بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه ): 15-4(شكل

p=0.05 ...............................................................80 براي مقدار LEACHدر روش

اثر تغيير تعداد حسگرها بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه ): 16-4(شكل

p=0.05 ..............................................................81 براي مقدار LEACHدر روش

اي انتقال يك بيـت بـه بر انرژي الزم بر ها بررسي اثر تغيير احتمال انتخاب سرگروه ): 17-4(شكل

BS82.................................................................................... را نمايش ميدهد

ها بر انرژي الزم براي انتقال يك بيـت بـه بررسي اثر تغيير احتمال انتخاب سرگروه ): 18-4(شكل

BS83..................................................................................... را نمايش ميدهد

تخاب سرگروه ها بر انرژي الزم براي انتقال يك بيت بـه بررسي اثر تغيير احتمال ان ): 19-4(شكل

BS83.................................................................................... را نمايش ميدهد

VIII

تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه اثر ):20-4(شكل

PEGASIS ...............................................................................86پايه در روش

تغيير فاصله ايستگاه پايه بر نسبت انحراف معيار به ميـانگين انـرژي الزم بـراي اثر : )21-4(شكل

PEGASIS ................................................87انتقال يك بيت به ايستگاه پايه در روش

به ايستگاه تغيير فاصله ايستگاه پايه بر واريانس انرژي الزم براي انتقال يك بيت اثر: )22-4(شكل

PEGASIS ...............................................................................88پايه در روش

تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه اثر: )23-4(شكل

PEGASIS ...............................................................................89پايه در روش

پايه بر نسبت انحراف معيار به ميـانگين انـرژي الزم بـراي تغيير فاصله ايستگاه اثر :)24-4(شكل

PEGASIS ................................................89انتقال يك بيت به ايستگاه پايه در روش

تغيير ابعاد ناحيه آرايش حسگرها بر متوسط انرژي الزم براي انتقال يك بيت به اثر : )25-4(شكل

PEGASIS ......................................................................91ايستگاه پايه در روش

اثر تغيير ابعاد ناحيه آرايش حسگرها بر نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم : )26-4(شكل

PEGASIS ..........................................91براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه در روش

متوسط انـرژي الزم بـراي انتقـال يـك بيـت بـه هاي حسگر بر تغيير تعداد گره اثر : )27-4(شكل

PEGASIS ......................................................................93ايستگاه پايه در روش

هاي حسگر بر متوسط انـرژي الزم بـراي انتقـال يـك بيـت بـه تغيير تعداد گره اثر : )28-4(شكل

PEGASIS ......................................................................94ايستگاه پايه در روش

هاي حسگر بر متوسط انـرژي الزم بـراي انتقـال يـك بيـت بـه تغيير تعداد گره اثر : )29-4(كل ش

PEGASIS ......................................................................94ايستگاه پايه در روش

اثر تغيير تعداد گره هاي حسگر بر نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم براي : )30-4(شكل

PEGASIS ................................................95ستگاه پايه در روش انتقال يك بيت به اي

IX

اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيـت مقايسه : )31-4(شكل

97....................................................... گرهN=100به ايستگاه پايه در دو روش براي

تغيير موقعيت ايستگاه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيـت بـه اثرمقايسه : )32-4(شكل

97............................................................ گرهN=500ايستگاه پايه در دو روش براي

اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيـت مقايسه : )33-4(شكل

98....................................................... گرهN=1000 براي به ايستگاه پايه در دو روش

مقايسه اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيـت : )34-4(شكل

99......................................................... گرهN=100به ايستگاه پايه در دو روش براي

ت ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيـت اثر تغيير موقعي مقايسه : )35-4(شكل

100....................................................... گرهN=500به ايستگاه پايه در دو روش براي

اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيـت مقايسه : )36-4(شكل

100..................................................... گرهN=1000به ايستگاه پايه در دو روش براي

هاي حسگر بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت مقايسه اثر تغيير تعداد گره : )37-4(شكل

101.................................... 500*500به ايستگاه پايه در دو روش براي ناحيه اي با ابعاد

هاي حسگر بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت ر تغيير تعداد گره مقايسه اث : )38-4(شكل

102................................. 1000*1000به ايستگاه پايه در دو روش براي ناحيه اي با ابعاد

هاي حسگر بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت مقايسه اثر تغيير تعداد گره : )39-4(شكل

102................................. 2500*2500ه ايستگاه پايه در دو روش براي ناحيه اي با ابعاد ب

110................ )1فلوجارت (فلوچارت ساختن ساختار درختي با طول مينيمم : )40-4(شكل

111 (CBMT)رشهاي چندگانه فلوچارت كلي روش پيشنهادي مبتني بر خوشه با پ: )41-4(شكل

از لحـاظ متوسـط مـصرف انـرژي CBMTروش و LEACHمقايسه عملكرد روش : )42-4(شكل

BS(500,1250) .................................113براي انتقال يك بيت داده به ايستگاه پايه براي

X

از لحـاظ متوسـط مـصرف انـرژي CBMT و روش LEACHوش مقايسه عملكرد ر : )43-4(شكل

BS(500,500) .................................114براي انتقال يك بيت داده به ايستگاه پايه براي

فلوچارت مراحل عملكرد روش مبتني بر خوشه مطلع از انرژي با پرشهاي چندگانه : )44-4(شكل

120.............................................................. (CBEAMT)در داخل و خارج خوشه

از لحاظ طول عمر شبكه بر اسـاس ERAمقايسه عملكرد روش پيشنهادي و روش : )45-4(شكل

FND .............................................................................................122معيار

از لحاظ طول عمر شبكه بر اسـاس ERAمقايسه عملكرد روش پيشنهادي و روش : )46-4(شكل

LND .............................................................................................123معيار

ERA ..124 براي روش FND,LNDمقايسه طول عمر شبكه بر اساس معيارهاي : )47-4(شكل

.. CBEAMT براي روش FND,LNDمقايسه طول عمر شبكه بر اساس معيارهاي : )48-4(شكل

125

مقايسه متوسط مصرف انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه براي روش : )49-4(شكل

ERA و روش پيشنهادي (CBEAMT) .............................................................126

WSN ……………………………………………………... Wireless Sensor Network

SOSUS…………………………………………….……. Sound Surveillance System

DARPA………..………………….. Defense Advanced Researched Projects Agency

MIT……………………………………..…… Massachusetts Institute of Technology

BS……………………………………………………………..…….……Base Station

MAC………………………………………….…………….. Medium Access Control

TDMA……………………………………………….. Time Division Multiple Access

CSMA………………………………………………… Carrier Sense Multiple Access

TTL……………………………………………………. …………………Time to Live

LEACH…………………………………. Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

PEGASIS………………… Power Efficient Gathering in Sensor Information Systems

CDMA………………………………….……………. Code Division Multiple Access

ERA…………………………………………………………… Energy Residue Aware

FND……………………………………………………………………..First Node Die

LND……………………………………………………………………..Last Node Die

فصل اول هاي حسگر بيسيم اي بر شبكه مقدمه

هاي حسگر بيسيم تاريخچه شبكه -1-1

اي كه ميتوان آن يكي از فناوريهاي كليدي براي آينده است، به گونه1هاي حسگر فناوري شبكه

يك شبكه حسگر، ساختاري متشكل از اجزاي . دانست21ها براي قرن ترين فناوري را پراهميت

حس كننده، محاسبه كننده و مخابراتي است كه به يك مدير، اجازه مشاهده و تنظيم مشاهدات

خص العمل نشان دادن در برابر رويدادهايي كه در يك ناحيه مش دهد و همچنين عكس را مي

منظور از مدير، نوعاً ميتواند يك هويت اجتماعي، دولتي، . سازد تر مي افتد را ساده اتفاق مي

تواند جهان فيزيكي، يك سيستم بيولوژيكي و يا ناحيه مورد نظر مي. تجاري و يا صنعتي باشد

هاي حسگر شبكه شده، امروزه به صورت سيستم. يك چارچوب خاص تكنولوژي اطالعات باشد

نولوژي بسيار مهم كه در سالهاي آينده آرايشهاي مختلفي را تجربه خواهند كرد قابل يك تك

كاربردهاي نوعي اين نوع از حسگرها شامل جمع آوري ]. 4- 1[بررسي براي كاربران خواهند بود

تجهيزات ارزان قيمت و هوشمند، . گيريهاي مختلف است داده، كنترل، نظارت و انجام اندازه

اي را حسگر بر روي يك برد، كه از طريق لينكهاي بيسيم با يكديگر شبكههمراه با چندين

ها و حتي اند امكانات و فرصتهاي بسياري را در مديريت و كنترل شهرها، خانه تشكيل داده_________________________________________________________

1 Sensor Networks

2

هاي حسگر در مسائل دفاعي عالوه بر اين، شبكه. دهند محيطهاي پيرامون در اختيارمان قرار مي

امكانات دشمن و نظارت بر اعمال و رفتار آنها امكانات فراواني را در و نظامي، مانند بررسي

. دهند اختيار ما قرار مي

حسگرهاي هوشمند ميتوانند در هوا، در زمين، زير آب، در داخل وسائل نقليه و حتي در

يك سيستم از حسگرهاي شبكه شده ميتواند براي . داخل ساختمانها نيز به كار برده شوند

مانند وسائل نقليه بالدار و چرخدار، اشخاص و عوامل شيميايي و يا (دگيري رفتارها تشخيص و ر

، هدفگيري به كمك سالحهاي پيشرفته و جلوگيري از نفوذ عوامل دشمن استفاده )بيولوژيكي

.]4- 3[شود

توان به مقاصد نظامي، امنيت فيزيكي، هاي حسگر، مي از جمله كاربردهاي متداول شبكه

ك هوايي، نظارت ترافيكي، اتوماسيون صنعتي، روبوتها، حفاظت از بناها، كنترل و كنترل ترافي

ساختار شبكه و نوع . مديريت شرايط بحراني و تحقيقات در حيات جانداران اشاره كرد

.ها متفاوت خواهد بود حسگرهاي به كار رفته بر حسب كاربرد اين شبكه

از تحقيقات انجام شده در فناوري حس ها برگرفته در اين شبكهفناوري به كار رفته

از اين رو، معايب . است) شامل سخت افزار، نرم افزار و الگوريتمها( كردن، ارتباطات و محاسبات

هاي حسگر را تحت تاثير و مزاياي برخاسته از اين فناوريها، تحقيقات و پيشرفت فناوري شبكه

هاي راداري نيا استفاده شده ميتوان شبكههايي كه اخيراُ در د از جمله شبكه. قرار خواهد داد

ها قبل اين شبكه. هاي توزيع نيروي برق را نام برد استفاده شده در كنترل ترافيك هوايي و شبكه

ها و امكانات مخابراتي هاي حسگر در ساختار خود استفاده كنند از رايانه از اين كه از شبكه

.كردند مخصوصي استفاده مي

ي تحقيقات و توسعه در هاي ديگر، كاربردهاي نظامي محرك اصلي برامشابه اغلب فناوري

را 1(WSN)سيم هاي حسگر بي تاريخچه پيدايش شبكه. هاي حسگر بوده است زمينه شبكه

_________________________________________________________ 1 Wireless sensor networks (WSN)

3

اين چهار فاز به صورت مختصر در زير . صورت چهار فاز جدا در نظر گرفتتوان به مي

].2-1[اند آمده

در دوران جنگ سرد سيستم . وران جنگ سرد استهاي حسگر نظامي د ، شبكهفاز اول

، سيستمي متشكل از حسگرهاي صوتي در زير اقيانوسها براي (SOSUS) 1ارزيابي صوتي

پس از آن سالها نيز، . هاي كشور شوروي به كار گرفته شد آشكارسازي و رديابي زيردريايي

سيستم . شد استفاده ميها هاي پيچيده صوتي براي كنترل و ردگيري زيردريايي همچنان شبكه

SOSUSشناسي و مديريت هوايي فعاليت ، هم اكنون نيز براي سازمانهايي كه در زمينه اقيانوس

اي در داخل اقيانوسها و يا بررسي رفتار موجودات داخل دارند، براي كنترل فعاليتهاي زمين لرزه

بوط به رادارهاي دفاع هاي مر همچنين در طول جنگ سرد، شبكه. شوند آنها به كار گرفته مي

هايي با شبكه. سازي شده و براي دفاع از اياالت متحده و كانادا استفاده شدند هوايي بهينه

پردازش در سطوح متوالي و انتقال اطالعات از عامل به وجود آورنده آن (2ساختار سلسله مراتبي

ها ي و كليدي در سيستمرشد كردند و در بيشتر موارد، عامل انساني نقش اساس) به دست كاربر

).پردازش سيگنالهاي صوتي، تغيير اطالعات و تركيب آنها(كرد ايفا مي

انگيزه . بود(DARPA) 3هاي تحقيقاتي پيشرفته دفاعي ابتكارات مركز پروژه، فاز دوم

و به وسيله 1980هاي حسگر، در اوائل سال بر روي شبكه پيشرفتهاصلي براي تحقيق

نسل اوليه (در اين زمان، آرپانت . وجود آمد ، حمايت شدند بهDARPAوسيله هايي كه به برنامه

4كان. شد و آر با دويست ميزبان در دانشگاهها و مراكز تحقيقاتي استفاده مي) اينترنت فعلي

او . بودDARPAمدير سازمان فنون پردازش اطالعات در ) TCP/IPبنيانگذار پروتكل (

در آن زمان چنين . هاي حسگر كشاند روش آرپانت را به شبكهخواست بداند كه آيا ميتوان مي

اي با نبودن كامپيوترهاي شخصي و ايستگاههاي كاري، پردازش ضعيف و انتقال اطالعات با ايده

_________________________________________________________ 1 Sound Surveillance System (SOSUS) 2 Hierarchical 3 Defense Advanced Researched Projects Agency (DARPA) 4 R.Kahn

4

در آن ، DARPAهاي واقع يكي از برنامهدر . آمد طلبانه به شمار مي سرعت پايين يك فكر جاه

اي كه هاي حسگر توزيع شده يع شده را به صورت گرههاي حسگر توز آن بود كه شبكهزمان

بهبه صورت خودگردان كار كنندتوانند در يك حالت اشتراكي و بسيار كم هزينه هستند و مي

هاي حسگر همان چيزهايي بود كه امروزه براي شبكهدر حقيقت اين اهداف تقريباً .كار گيرند

.سيم انتظار داريم بي

اين تجهيزات شامل . معرفي شدند1978گر پخش شده در سال تجهيزات براي شبكه حس

شامل الگوريتمهاي ( ، ارتباطي، روشهاي پردازش و الگوريتمها )اغلب صوتي( ها حس كننده

قابل تغيير به طور ديناميكي بر روي (1و نرم افزارهاي پخش شده) ها يابي براي حس كننده مكان

قويترين حمايت DARPAبه دليل آن كه در آن زمان، . دبودن) نويسي سيستمها و زبانهاي برنامه

بود، بازار فروش محصوالت بيشتر در اين زمينه فعال بود 2كننده تحقيقات هوش مصنوعي

به دليل فقر امكانات و فناوري، ) . آشكارسازي سيگنال و روشهاي حل مسائل به صورت گسترده(

روش محاسبات گسترده، پردازش هاي حسگر پخش شده مجبور شد با كمك برنامه شبكه

.سيگنال، ردگيري و محل آزمايش موجود حل شود

افزاري كه داراي قابليت بر روي تهيه نرم3تحقيقات در دانشگاه كارنجي ملون و پترزبورگ

هاي حسگر انعطاف و استفاده از منابع گسترده مورد نياز براي مقاومت در برابر خرابي در شبكه

توليد كردند كه در آن ACCENTآنها يك سيستم عامل به نام . كز شدپخش شده باشد، متمر

. امكاناتي از قبيل انتقال در شبكه، امكان بنا كردن دوباره سيستم و نوسازي شبكه وجود داشت

را تكميل كرد و از اين رو توانست حالت تجاري به MACHاين سيستم عامل، سيستم عامل

توان به وجود آوردن پروتكلهايي براي ايجاد ن مركز تحقيقات مياز كارهاي ديگر اي. خود بگيرد

ارتباط جهت پردازش داخلي در شبكه براي حمايت از نوسازي ديناميكي محاسبات مربوط به

ارتباط فعال، ساخت زبان مخصوص واسط براي ساختن نرم افزار سيستم پخش شده و يك _________________________________________________________

1 Self-Location Software 2 Artificial Intelligence 3 Carengie Mellon and Pittsburg

5

كي و اصالح خطا در نرم افزار شبكه پخش شده سيستم براي به وجود آوردن تعادل در بار دينامي

در آن زمان تمامي اين كارها به وسيله محيط آزمايش داخلي با منابع سيگنال، حس . بود

كه بوسيله اترنت به يكديگر وصل بودند مورد ارزيابي VAXهاي صوتي و كامپيوترهاي كننده

.گرفت قرار مي

روي روشهاي پردازش سيگنال هوشمند، ، تالش خود را بر1محققين دانشگاه ماساچوست

هاي صوتي و به كمك اي از ميكروفن هاي پخش شده هاي ردگير با استفاده از آرايه براي چرخبال

حذف اطالعات جزئي در سطوح پايين ( تجهيزاتي كه از روشهاي تطبيق و خالصه سازي

. گرفتند، متمركز كرده بودند بهره مي) سيگنال و استفاده از سطوح باالتر سيگنال يا قله سيگنال

آنها ساختاري مفهومي براي تفكر درباره سيستمهاي پردازش سيگنال با الهام از آنچه كه

با . كند تهيه كردند سيگنالهاي دنياي واقعي را انسان به صورت داخلي، پردازش و تفسير مي

يطهاي پر نويز كمك تجربيات مدل انساني، روشي براي افزايش بهره سيگنال به نويز در مح

براي 2 كنشي- ، زبان پردازش سيگنال و محيط محاسبه ميانMITعالوه بر اين . ساخته شد

.ها و بهسازي الگوريتم را به وجود آورد آناليز داده در اين شبكه

در ادامه اين پيشرفتها مشخص شد كه ردگيري اهداف چندگانه در محيطهاي گسترده به

گيري براي رديابي و به دست استفاده از اندازه. تر است ده سختطور كامل از ردگيري متمركز ش

در دهه . هاي حسگر را به وجود آورد نياز به شبكه) محل و سرعت( آوردن مشخصات اهداف

، مركز سيستمهاي هوشمند پيشرفته در اياالت متحده براي مسائل و مشكالت به وجود 1980

شوند و هشدارهاي پيداشدن بنا به دالئلي گم ميآمده از قبيل تعداد باالي اهداف كه پس از

اي يكي از روشهاي فرضيه-اكنون ردگيري چند. دروغين، الگوريتمهايي را به وجود آورد

اين الگوريتم براي ردگيري هواپيمايي كه در ارتفاع . استاندارد براي مسائل ردگيري مشكل است

به طوري كه نمايش محل پرواز . نشان دادكرد اجرا شد و نتيجه خوبي را از خود كم پرواز مي

_________________________________________________________ 1 Massachusetts Institute of Technology (MIT) 2 Interactive Computing Environment

6

از آزمايشات . هاي صوتي همانند نمايش آن در نمايشگر رادار بود كننده هواپيما، به وسيله حس

هاي حسگر استفاده شد، مسئله ردگيري وسائل نقليه ديگري كه براي اثبات درستي برنامه شبكه

.هاي محلي بود متحرك و كنترل گره

اين (1990 و 1980ي نظامي توسعه يافته و آرايش يافته در سالهاي فاز سوم، كاربردها

هاي حسگر با وجود اينكه محققان شبكه. بود) ميتواند نسل اول محصوالت تجاري خوانده شود

. ها به صورت كامل آماده نبود دادند، اما هنوز فناوري براي اين شبكه فعاليتهاي بسياري انجام مي

هاي حسگر توزيع شده به وسيله ي تحقيقات بر روي شبكه مدهبر اساس نتايج به دست آ

DARPAو 1980ها در ميدان رزم، در سالهاي ، طراحان نظامي به دليل اهميت اين شبكه

به منظور پذيرفتن تكنولوژي شبكه حسگر شروع به كار كردند و آن را به عنوان يك جز 1990

، هر )قديمي(در محيطهاي جنگي سنتي . د مد نظر قرار دادن1مركز-كليدي در جنگهاي شبكه

مركز، -شود اما در جنگهاي شبكه هايش را به صورتي نسبتاً مستقل مالك مي بخشي سالح

كارگيري حسگرهاي ها الزاماً وابسته به يك بخش ويژه نيستند، بلكه در عوض از طريق به سالح

ك شبكه حسگر مشاركت هاي مختلف با هم و بر روي ي شده، سيستمهاي سالحي و بخش توزيع

هاي حسگر در پهنه مثالهايي از شبكه. شود كرده و اطالعات به طرف گره مناسب فرستاده مي

دريايي در جنگها و همچنين هاي حسگر آكوستيكي براي ضد حمالت زير نظامي، شامل آرايه

اين زمان در . باشند هاي حسگر تاكتيكي از راه دور مي سيستم حسگر جنگي از راه دور و سيستم

هاي حسگر، براي باالبردن دقت در ردگيري و روشهاي هندسي مختلف، توانستند از شبكه مي

از طرف ديگر هزينه توسعه . افزايش دامنه آشكارسازي و كاهش زمان پاسخ دهي استفاده كنند

.هاي تجاري موجود پايين بود نيز به دليل استفاده از شبكه

اين ميتواند نسل (هاي حسگر در قرن بيست و يكم فاز چهارم، تحقيقات بر روي شبكه

هاي مخابراتي و وجود آمده در زمينه هاي به پيشرفت. است) دوم محصوالت تجاري خوانده شود

دست آمد تحقيقات در مورد به2000 و اوائل سال 1990هاي محاسباتي كه در اواخر سال_________________________________________________________

1 Network-Centric

7

حس . خود نزديك نموده استهاي حسگر را متحول كرده و آن را به اهداف نهايي شبكه

هاي كوچك و ارزان قيمت ساخته شده بر اساس فناوري سيستمهاي كننده

الكترومكانيكي، شبكه بندي بيسيم و پردازشگرهاي كم مصرف و ارزان قيمت اجازه ميكرو

به همين دليل . براي مقاصد گوناگون استفاده كنيم1هاي بيسيم موردي دهند تا از شبكه مي

هاي حسگر بر اساس پيشرفتهاي موجود شروع كرده ز برنامه جديدي را بر روي شبكهمحققان ني

و روشهاي جديد در شبكه بندي را توسعه داده اند، كه از جمله اين اقدامات ميتوان به جاگذاري

اقدام بعدي . ها در محيطهاي مختلف اشاره كرد سريع حسگرها به صورت ادهاك و تطبيق شبكه

ردازش اطالعات بود، يعني اينكه چگونه ميتوان اطالعات را از شبكه حسگر به آنها در زمينه پ

. شكل مناسب، واقعي و در زمان مناسب استخراج كرد

هاي حسگر بيسيم معرفي شبكه -1-2

اي از تعداد بسيار زيادي گره حسگر با ابعاد كوچك و يك شبكه حسگر بيسيم مجموعه

آوري و انتقال اطالعات از يك ت كه به منظور جمعقابليتهاي مخابراتي و محاسباتي محدود اس

وري پيشرفتهاي اخير در فنا .شود محيط به سمت يك كاربر و يا ايستگاه پايه به كاربرده مي

هاي كوچك از يك سو و توسعه فناوري ارتباطات بيسيم از ساخت مدارات مجتمع در اندازه

تفاوت اساسي اين ]. 4- 3[رديده است حسگر بيسيم گهاي ، زمينه ساز طراحي شبكهسوي ديگر

هاي شبكه. هاي فيزيكي است هاي سنتي و قديمي، ارتباط آن با محيط و پديده ها با شبكه شبكه

هاي حسگر كنند در حالي كه شبكه هاي اطالعاتي را فراهم مي سنتي، ارتباط بين انسانها و پايگاه

ها با استفاده از حسگرها، محيط شبكهاين . به طور مستقيم با جهان فيزيكي در ارتباط هستند

گيري نموده و عمليات مناسب فيزيكي را مشاهده كرده و سپس بر اساس مشاهدات خود تصميم

.دهند را انجام مي

_________________________________________________________ 1 Adhoc

8

هاي مختلفي است كه به شبكه حسگر بيسيم، يك نامگذاري عمومي براي انواع شبكه

هاي اند، شبكه ه همه منظورههاي سنتي ك بر خالف شبكه. شوند منظورهاي خاص طراحي مي

ها آن است كه نيازمنديها و شرايط منظوره بودن اين شبكه-منظور از تك. اند حسگر تك منظوره

ها در صورتي كه گره. طراحي يك شبكه حسگر بيسيم بسته به كاربرد آن متفاوت خواهد بود

نظر گرفته شود كه با توانايي حركت داشته باشند، شبكه ميتواند گروهي از رباتهاي كوچك در

كنند و جهت مقاصد خاصي مثالً بازي فوتبال و يا مبارزه با دشمن هم به صورت تيمي كار مي

].4[طراحي شده است

از ديدگاه ديگر اگر در شبكه تلفن همراه، ايستگاههاي پايه را حذف كنيم و هر گوشي را

و يا از طريق يك يا چند گره مياني ها بايد به طور مستقيم يك گره فرض كنيم، ارتباط بين گره

هاي اگرچه به نقلي تاريخچه شبكه. باشد اين خود نوعي شبكه حسگر بيسيم مي. برقرار شود

گردد، حسگر به دوران جنگ سرد و ايده اوليه آن به طراحان نظامي صنايع دفاع آمريكا بر مي

هاي يا حتي طراحان شبكهولي اين ايده ميتوانسته در ذهن طراحان رباتهاي متحرك مستقل و

هاي به هرحال از آنجا كه اين فن نقطه تالقي ديدگاه. بيسيم موبايل نيز شكل گرفته باشد

كاربرد فراوان . سازي بسياري از كاربردهاي آينده باشد مختلف است تحقق آن ميتواند بستر پياده

از جمله امنيت شبكه، ارتباط ها و ارتباط آن با مباحث مطرح در كامپيوتر و الكترونيك اين شبكه

كاوي، رباتيك، طراحي خودكار سيستمهاي جاسازي شده بالدرنگ، پردازش صوت و تصوير، داده

منديهاي ميدان وسيعي براي پژوهش محققان با عالقه.... ديجيتال، بهينه سازي توان و انرژي و

]. 5[متفاوت فراهم نموده است

حسگر بيسيم، مجموعه اي از تعداد بسيار زيادي به بيان ساده ميتوان گفت كه يك شبكه

هاي حسگر با با ابعاد كوچك و قابليتهاي محدود هستند كه به منظور حس كردن محيط گره

پيرامون و جمع آوري اطالعات مفيد و مخابره كردن آنها به كاربر، مورد استفاده قرار خواهند

].6[مي باشد) 1-1(ساختار داخلي يك گره حسگر مطابق شكل . گرفت

9

]6[ساختار داخلي يك گره حسگر): 1-1(شكل

توان ديد، هر گره در يك شبكه حسگر، شامل واحد مي) 1- 1(گونه كه از شكل همان

بخشهاي . باشد گيرنده بيسيم و منبع تغذيه مي- ها، فرستنده حس كننده، واحد پردازش داده

ياب و توليد توان نيز ممكن است بسته به ساز، سيستم مكاناضافي، همچون واحد متحرك

واحد پردازش داده، شامل يك پردازنده كوچك و يك حافظه . ها وجود داشته باشد كاربرد در گره

ها را از حسگرها گرفته و بسته به كاربرد مورد نظر، پردازش با ظرفيت محدود است كه داده

واحد پردازش، وظيفه . كند طريق فرستنده ارسال ميمحدودي روي آنها انجام ميدهد و از

گيرنده -واحد فرستنده. دهد مديريت و هماهنگي و مشاركت با ساير گره ها در شبكه را انجام مي

. كند ارتباط گره با شبكه را برقرار مي

واحد حسگر، شامل يك سري حسگر و مبدل آنالوگ به ديجيتال است كه اطالعات

واحد تامين انرژي، . دهد گرفته و به صورت ديجيتال به پردازنده تحويل ميآنالوگ را از حسگر

محدوديت . كند كه اغلب يك باتري با انرژي محدود است توان مصرفي تمام بخشها را تامين مي

هاي حسگر همه چيز را تحت منبع انرژي، يكي از تنگناهاي اساسي است كه در طراحي شبكه

اين بخش، ممكن است واحدي براي توليد انرژي مثل سلولهاي در كنار. دهد تاثير قرار مي

10

. هاي متحرك، واحدي براي متحرك سازي وجود دارد در گره. خورشيدي وجود داشته باشد

بسياري از تكنيكهاي . دهد ياب، موقعيت فيزيكي گره را تشخيص مي همچنين واحد مكان

نياز دارند و در اينگونه موارد وجود مسيريابي و وظايف حسگري به اطالعات مكاني با دقت باال

به هرحال، يك شبكه حسگر . يك بخش مكان ياب در داخل گره، امري اجتناب ناپذير است

هاي محدود باشد كه عليرغم قابليت هاي حسگر مي اي از تعداد زيادي از اين گره بيسيم مجموعه

.ليتهاي باال توليد كرداي با قاب ها ميتوان شبكه تك تك آنها، با تركيبي از اين گره

هاي حسگر بيسيم كاربردهاي شبكه -1-3

سائل نظامي هاي حسگر، م تمايل بيشتر تحقيقات بر روي شبكههمان طور كه گفته شد

وتي زير اقيانوسها گرفته تا هاي حسگر، امروزه از سيستمهاي كنترل ص كاربرد اين شبكه. است

براي تعيين اهداف در ميدانهاي جنگ و هاي حسگر بسيار كوچك و غير قابل شناسايي شبكه

هاي حسگر را الصه، كاربردهاي متصور براي شبكه به طور خ.محيط زيست گسترده شده است

. ]7و4و3[ميتوان در موارد زير خالصه نمود

ايجاد امنيت -1-3-1

. هاي حسگر، كاربرد وسيعي در حفظ امنيت فضاهاي باز و يا بسته دارند شبكه

توان توسط اين يل نيروگاههاي توليد برق و مراكز مخابراتي را ميساختمانهاي حساس، از قب

افزايش ناحيه پوشش و آشكارسازي و . هاي ويديوئي و صوتي به خوبي كنترل نمود شبكه و شبكه

هاي به دست آمده از اين حسگرها ارهاي كاذب را با كمك تلفيق دادههمچنين كاهش هشد

نگهاي بيولوژيكي، حسگر، كمك فراواني ميتوانند در جهاي همچنين شبكه. توان انجام داد مي

.اي انجام دهند شيميايي و هسته

11

محيط و موجودات زنده -1-3-2

توانند در هاي حسگر مي هايي است كه شبكه يكي از زمينهبررسي محيط و حيات وحش،

پاسخ مطالعهتوان نام برد، از مثالهايي كه در اين زمينه مي. آن كاربرد فراواني داشته باشند

گيري جمعيت مربوط به آنها، ردگيري و اندازهگياهان در شرايط مختلف دمايي و بيماري

هاي حسگر در بررسي شرايط آب و هوايي و شبكههم اكنون نيز از. باشد پرندگان و غيره مي

.شود كنترل ترافيك افراد سودجو و كنترل ترافيك هوايي در آمازون استفاده مي

صنعت -1-3-3

هميشه به دنبال حسگرهاي ارزان قيمت براي بهبود عملكرد ماشينها و صنايع تجاري

به كار بردن حسگرها در قسمتهاي مختلف ماشين كه عملكرد آنها حساس .اند جتي كارگران بوده

اي كه انسان نميتواند كار كند دو مثال به لرزش و پوسيدگي هستند و استفاده از آنها در نواحي

هم اكنون نيز برخي تجهيزات صنعتي از قبيل . هاست به اين شبكهكامالً آشكار براي نياز

باشد در صنايع امروزي استفاده ها و حسگرهايي كه كامالً نصب و راه اندازي آنها ساده مي شبكه

هاي طبيعي به صورت وسيعي در صنعت و در سيستمهاي كننده با توجه به اينكه حس. شوند مي

شوند و تاثير بسياري در كنترل كيفي هاي نوري استفاده مي ها و پروپ سنجPHمختلف مانند

توانند از نظر دارند، با كمك شبكه تاثير شگرفي مي) اندازه گيريهاي مختلف(محصوالت توليدي

.هاي توليد و تعمير و نگهداري در صنايع مختلف ايفا كنند پايين آوردن هزينه

كنترل ترافيك -1-3-4

ي حسگر، كنترل و نظارت بر ترافيك وسائل نقليه ها از جمله كاربردهاي اساسي شبكه

هم اكنون از حسگرهاي زير خاكي و هوايي براي كنترل چراغهاي راهنما و دوربينهاي . است

گردد تا اطالعات را به مراكز ويديويي به طور وسيعي در مواقعي كه ترافيك باال باشد استفاده مي

12

گران قيمت ) هاي ارتباطي حسگرها و شبكه(يزات اين تجه. كنترل و نظارت ترافيكي انتقال دهند

با ورود . شود هستند و از اين رو كنترل ترافيك به اين روش فقط به نقاط بحراني محدود مي

اين . هاي حسگر ارزان قيمت، تغيير بزرگي در كنترل ترافيك به وجود آمده است شبكه

اي براي مشخص كردن و دهحسگرهاي ارزان قيمت به سادگي ميتوانند در هر خيابان و جا

هاي همسايه خود تبادل اين حسگرها با گره. شمارش اتومبيلها و تخمين سرعت آنها به كار روند

هاي اتوماتيكي اطالعات نموده و يك تصوير ترافيك كلي براي اپراتور انساني و يا كنترل كننده

.جهت توليد سيگنالهاي الزم، به وجود خواهند آورد

ها هاي حسگر براي كنترل ترافيك، استفاده از حس كننده ستفاده از شبكهروش ديگر در ا

باشد تا بدين ترتيب اطالعات مختصري از سرعت و ترافيك اتومبيلها و خود در وسائل نقليه مي

.اتومبيلها براي جلوگيري از افزايش ترافيك مبادله شود

روز قابل تصور است، اما به ها در دنياي ام عليرغم همه كاربردهايي كه براي اين شبكه

دليل برخي ضعفها با چالشهايي در امر به كارگيري آنها مواجه هستيم كه در بخش بعدي به آن

.اشاره خواهيم كرد

هاي حسگر بيسيم چالشهاي شبكه -1-4

هاي حسگر با مسائل فني از قبيل پردازش داده، ارتباطات و مديريت به طور كلي شبكه

دالئلي كه سبب به وجود آمدن اين مسائل شده است ميتوان به حسگرها روبرو هستند و از

، نا معين و ديناميك و همراه )گرما و سرماي زياد(استفاده از اين شبكه ها در محيطهاي خشن

هاي همين عوامل سبب شده است تا شبكه. با محدوديتهاي پهناي باند و انرژي اشاره كرد

و كنترل شبكه، پردازش اطالعات مشترك، روشهاي در مسيريابي) بدون زير ساختار( موردي

.تقاضا و انجام وظايف خود دچار مشكل گردند

هر ]. 7[اهي از ويژگيهاي شبكه، يكي از اصول اساسي در عملكرد صحيح حسگرهاستآگ

گره الزم است كه از مشخصات و محل همسايگان خود آگاهي يابد تا بتواند با آنها اطالعات رد و

13

، توپولوژي شبكه )بدون زير ساختار(هاي ادهاك در شبكه. بدل كرده و همكاري داشته باشد

صورت بالدرنگ عمل كرده و شبكه را نوسازي كند تا حسگرهاي خراب شده را بايستي كامالً به

اطالع از كل شبكه براي حس كننده الزم . حذف و حسگرهاي تازه را به شبكه اضافه نمايد

از طرفي ديگر، هر . بنابراين اگر حسگرها از همسايگان خود اطالع داشته باشند كافيست. نيست

هنگاميكه استفاده از ابزارهاي . نظر مختصاتي تا حدودي بداندحسگر بايستي مكان خود را از

در دسترس نباشد، الگوريتمهايي بايستي وجود داشته باشند تا حسگر، 1GPSگران قيمتي مانند

.مختصات خود را به كمك آنها تخمين بزند

يير اي كه منابع، انرژي، پهناي باند و توان پردازش، به طور دائمي در حال تغ در شبكه

است و سيستم بايستي به صورت خودكار به حيات خود ادامه دهد، تغيير در ساختار آن، يك

هاي بدون زير ساختار به دليل اين كه طرح خاصي براي ارتباطات در شبكه. نياز اساسي است

وجود ندارد ارتباط بين الگوريتمها و نرم افزارها ضروري است، به ويژه وقتي كه لينكهاي ارتباطي

به همين دليل، تحقيقات . به دليل غيرقابل اطمينان بودن و محوشدگي ممكن است حذف شوند

ها براي پايين آوردن خطا و باال ها و تعداد لينكها و گره بر روي موضوعات مربوط به اندازه شبكه

.بردن قابليت اطمينان در شبكه ضروري به نظر ميرسد

RFشوند به دليل اين كه از امواج ميهايي كه بر روي زمين ايجاد همچنين شبكه

كند از اين رو مديريت كنند و اين امواج قدرتشان با افزايش مسافت كاهش پيدا مي استفاده مي

از طرف ديگر، استفاده از . كنند خوبي بر روي تجهيزات ارتباطي و مصرف انرژي طلب مي

هاي حسگر امكان عداد باالي گره ، به دليل تIPروشهاي استفاده شده در اينترنت مانند ايجاد

خواهيم گسترش دهيم و لذا اي كه مي در واقع ما بايد بتوانيم شبكه را به هر اندازه. پذير نيست

نياز به داشتن جداول نگهداري IPاي در شبكه نبايد استفاده كنيم، زيرا استفاده از IPهيچگونه

. ها امكان پذير نيست حافظه و انرژي گرهآن را در پي خواهد داشت و اين امر به دليل محدوديت

_________________________________________________________ 1 Global Positioning System (GPS)

14

نيز با توجه به هندسه زمين و صرفه 1عالوه بر مسئله آدرس دهي در شبكه، مسئله مسيريابي

]. 8[جويي در انرژي بايستي حل شود

اندازه شبكه، ( از موارد مهم ديگر در طراحي شبكه، چگونگي تاثير پارامترهاي سيستم

در تاخير، قابليت ) و غيره2ها، فاصله ايستگاه پايه نهايي طي گرهها، شعاع ارتبا چگالي گره

. و انرژي شبكه است3اطمينان

آوري و پردازش داده همكاري كرده و هاي موجود در شبكه حسگر، بايد براي جمع گره

پردازش اطالعات و به وجود آوردن سيگنالهايي براي همكاري در . اطالعات مناسبي توليد كنند

ي حسگر بيسيم، يكي از موضوعات مهم در طراحي بوده و مربوط به پيوند اطالعات در ها شبكه

بين 4آن چه در اين باره مهم است مرتبه اطالعات تسهيم شده. شود هاي پخش شده مي شبكه

به طور كلي، پردازش اطالعات مربوط به . هاست ها و چگونگي پيوند اين اطالعات در گره گره

، به دليل افزايش دقت داراي كارايي ) منابع اطالعاتي(آنها زياد است حسگرهايي كه تعداد

از اين رو طراح اين . مناسب تري است ولي نياز به منابع ارتباطي باال و مصرف انرژي زيادي دارد

. بين كارايي شبكه و استفاده از منابع شبكه برقرار كند5ها بايستي نوعي مصالحه گونه شبكه

كند، اين اطالعات بايستي با طالعات را از گره ديگر دريافت ميهنگامي كه گرهي ا

روشهاي پيوند اطالعات كه از قوانين ساده شروع و به . اطالعات خود گره پيوند و تركيب شوند

در محيط شبكه . رسند همگي وابسته به چگونگي توليد اطالعات هستند مدلهاي جديد مي

ره به گره مورد نظر برسند از اين رو، الگوريتم پيوند ممكن است اطالعات با گذشتن از چندين گ

روشي . بايستي وابستگي اطالعات رسيده را تشخيص داده و از پيوند مجدد آنها جلوگيري كند

شود نگه داشتن سابقه داده و مسير آن است، اما ممكن ها استفاده مي كه در بسياري از شبكه

_________________________________________________________ 1 Routing 2 Base Station (BS) 3 Reliability 4 Degree of Information Sharing 5 Trade-Off

15

سيار زياد گره حسگر و با محدوديت انرژي و منابع هاي داراي تعداد ب است اين روش براي شبكه

].9و8[پردازشي و ارتباطي عملي نباشد

بندي اهداف به كار هاي حسگر در بسياري موارد براي تشخيص، ردگيري و طبقه شبكه

بنابراين تشريك داده، هنگامي كه چندين هدف در يك ناحيه كوچك داشته باشيم يك . روند مي

گره بايستي مقادير به دست آورده براي يك هدف را با مقادير به دست هر. مسئله ضروري است

هاي ديگر يكسان سازد تا عالوه بر جلوگيري از مقادير تكراري، پيوند داده نيز امكان آمده از گره

از اين رو در . تشريك داده بهينه به صورت محاسباتي نياز به پهناي باند كافي دارد. پذير باشد

.اي بين كارايي و استفاده از منابع، برقرار گردد ايستي موازنهتشريك داده، ب

از موضوعات ديگري كه بايستي در پردازش داده به آن توجه گردد چگونگي داشتن

اي شبكه. قابليت اطمينان در شبكه با تاخيرهاي موجود و همچنين افزايش عمر شبكه است

ساده بدون نياز به الگوريتمهاي 1اريهاي ارزان قيمت، از نمونه برد متشكل از حس كننده

برخي الگوريتمها ممكن است از لحاظ سرعت پردازنده و توانايي ارسال . كند پيچيده استفاده مي

هاي حسگر بايستي به طور متناوب دقت نتايج خود را گره. و دريافت، غير همزمان باشند

.بسنجند و اين عمل را تا رسيدن به دقت مطلوب ادامه دهند

شوند و در بانك اطالعات ها از محيط پيرامون جمع مي هاي حسگر، داده شبكهدر

شود كه توسط لينكهاي غير قابل اطمينان هايي منتشر مي داده در گره. شوند حسگرها ذخيره مي

همين كار، بانك اطالعاتي را با چالشهايي در زمينه مقدار تاخير، . اند به يكديگر وصل شده

براي كاربرها مهم است كه با يك . كند ال بودن قابليت اطمينان رو به رو ميبالدرنگ بودن و با

تواند واحدي به عنوان مثال، اين واسط مي. واسط ساده، شبكه را مورد پرس و جو قرار دهند

كاربران بايستي قادر باشند فرمانهايي از قبيل تغيير در . باشد كه ورودي صوتي قبول ميكند

بنابريان يكي از چالشهاي مهم در مورد اين . نوع هدفها را صادر نماينداولويت بندي و تغيير

_________________________________________________________ 1 Sampling

16

ها، طراحي زباني است كه بتوان، توسط آن بانك اطالعاتي شبكه حسگر را مورد پرس و شبكه

.جو قرار داد

چالش ديگر، پيدا كردن روشي مناسب و موثر در جمع آوري داده از پرس و جوي انجام

همچنين در نظر گرفتن روشهاي . باشد ي و مديريت داده در آن ميشده و چگونگي جايگذار

از آنجايي كه در اينگونه شبكه ارتباطات به صورت . امنيتي در طراحي شبكه بسيار ضروري است

بنابراين ارتباطات بيسيم بايستي به صورتي . شود لذا آسيب پذيري آنها باالست بيسيم انجام مي

به همين . توانند سبب مزاحمت شوند تشخيص داده نشوند ميهايي كه باشد كه توسط گيرنده

].8[ها بايستي از نفوذ عوامل ناخواسته محافظت گردند دليل، اين شبكه

ها دارند، اما به همان گونه كه ديديم عليرغم صورت به ظاهر جذابي كه اين دسته از شبكه

ي آنها وجود دارد، پياده سازي دليل محدوديتهايي كه در ساختار فيزيكي و نحوه ارتباطات برا

.عملي آنها با مشكالتي جدي مواجه است

هاي حسگر بيسيم مفاهيم قابل بحث و تحقيق در شبكه -1-5

هاي حسگر همان طور كه قبالً نيز مختصراً اشاره شد، عوامل متعددي در طراحي شبكه

در اين نوشتار شود كه بررسي همه آنها موثر است و موضوعات بسياري در اين زمينه مطرح مي

].9- 7[كنيم از اين رو تنها به ذكر برخي از آنها به طور خالصه اكتفا مي. نمي گنجد

تنگناهاي سخت افزاري -1-5-1

هر گره ضمن اين كه بايد كل اجزاي الزم را داشته باشد بايد به حد كافي كوچك، سبك

كي يك قوطي كبريت به عنوان مثال، در برخي كاربردها گره بايد به كوچ. و كم حجم نيز باشد

باشد و حتي گاهي حجم گره محدود به يك سانتي متر مكعب و يا كمتر است و از نظر وزن بايد

در عين حال، هر گره بايد توان . آن قدر سبك باشد كه بتواند همراه باد در هوا معلق شود

17

ينها همه ا. مصرفي بسيار كم و قيمت تمام شده پايين داشته و با شرايط محيطي سازگار باشد

ارائه .كند هاي حسگر را با چالش مواجه مي محدوديتهايي است كه كار طراحي و ساخت گره

طرحهاي سخت افزاري سبك و كم حجم در مورد هر يك از اجزاي گره، به خصوص قسمت

پيشرفت . ارتباط بيسيم و حسگرها از جمله موضوعات تحقيقاتي است كه جاي كار بسيار دارد

رات مجتمع با فشردگي باال و مصرف پايين، نقش به سزايي در كاهش فناوري ساخت مدا

.تنگناهاي سخت افزاري خواهد داشت

توپولوژي -1-5-2

ها بيسيم و به دليل اين كه ارتباط گره. توپولوژي ذاتي شبكه حسگر، توپولوژي گراف است

ارد ارتباط به صورت پخش همگاني است و هر گره با چند گره ديگر كه در محدوده برد آن قرار د

دارد، الگوريتمهاي كارآ در جمع آوري داده و كاربردهاي ردگيري اشيا شبكه را درخت پوشا در

ها از چند گره به سمت يك گره حركت چون ترافيك اصوالً به فرمي است كه داده. گيرند نظر مي

وژي، راه يك مرحله اساسي مديريت توپول. كنند، مديريت توپولوژي بايد با دقت انجام شود مي

اند، در هنگام جايگيري و اي نداشته هايي كه قبالً هيچ ارتباط اوليه گره. اندازي اوليه شبكه است

الگوريتمهاي مديريت توپولوژي در . شروع به كار اوليه بايد بتوانند با يكديگر ارتباط برقرار كنند

كه به دالئلي از كار هايي هاي جديد و حذف گره راه اندازي اوليه، بايد امكان عضويت گره

هاي حسگر است كه امنيت آن را پويايي توپولوژي از خصوصيات شبكه. افتند را فراهم كنند مي

ارائه روشهاي مديريت توپولوژي پويا به طوري كه موارد امنيتي را هم پوشش . كشد به چالش مي

.دهد از موضوعاتي است كه جاي كار زياد دارد

18

قابليت اطمينان -1-5-3

مكن است خراب شود و يا در اثر رويدادهاي محيطي مثل تصادف يا انفجار به هر گره م

منظور از تحمل پذيري يا . كلي نابود شود و يا در اثر تمام شدن منبع انرژيش از كار بيفتد

در . ها نبايد عملكرد كلي شبكه را تحت تاثير قرار دهد قابليت اطمينان اين است كه خرابي گره

بنابراين . استفاده از اجزاي غيرقابل اطمينان، يك شبكه قابل اطمينان بسازيمخواهيم با واقع مي

.هاست قابل اطمينان بودن شبكه و پروتكلهاي آن، يكي از مفاهيم قابل بحث در اين شبكه

1 مقياس پذيري1-5-4

. ها، مقياس پذير باشد شبكه بايد هم از نظر تعداد گره و هم از نظر ميزان پراكندگي گره

عبارت ديگر، شبكه حسگر از طرفي بايد بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتي ميليونها گره كار به

در بسياري كاربردها، . ها را نيز پشتيباني كند كند و از طرف ديگر، چگالي توزيع متفاوت گره

و گيرد و امكان توزيع با چگالي مشخص و يكنواخت وجود ندارد ها اتفاقي صورت مي توزيع گره

بنابراين، چگالي بايد بتواند از چند عدد تا چند . شوند ها در اثر عوامل محيطي جابجا مي يا گره

برخي روشها ممكن . شود پذيري به نوع روشها نيز مربوط مي موضوع مقياس. صد گره تغيير كند

رخي در مقابل ب. است مقياس پذير نباشد يعني در يك چگالي و يا تعداد محدودي گره كار كنند

بنابراين طراحي پروتكلهايي . روشها مقياس پذير هستند و براي هر تعداد گره جوابگو خواهند بود

كه براي هر تعداد گره حسگر جوابگو بوده و تحت هر شرايطي به خوبي كار كنند، يكي از مسائل

.هاست مهم در اين شبكه

_________________________________________________________ 1 Scalability

19

قيمت تمام شده1-5-5

ها زياد است، كاهش قيمت هر تك گره اهميت هها تعداد گر از آنجايي كه در اين شبكه

در اين صورت كاهش قيمت گره، حتي . ها گاهي تا ميليونها عدد ميرسد تعداد گره. زيادي دارد

.به مقدار كم تاثير قابل توجهي در قيمت كل شبكه خواهد داشت

شرايط محيطي 1-5-6

د كه انسان شون هاي حسگر، مربوط به محيطهايي مي طيف وسيعي از كاربردهاي شبكه

اي و مانند محيطهاي آلوده از نظر شيميايي، ميكروبي، هسته. تواند در آن حضور داشته باشد نمي

يا مطالعات در كف اقيانوسها و فضا و يا محيطهاي نظامي به علت حضور دشمن و يا در جنگل و

يطي نيز بايد در هر مورد، شرايط مح. شود زيستگاه جانوران كه حضور انسان باعث فرار آنها مي

به عنوان مثال در دريا و محيطهاي مرطوب، گره حسگر در . ها در نظر گرفته شود در طراحي گره

.گيرد محفظه اي كه رطوبت را منتقل نكند قرار مي

1رسانه ارتباطي 1-5-7

ها به صورت بيسيم و از طريق رسانه راديويي، مادون هاي حسگر، ارتباط گره در شبكه

ها از ارتباط راديويي اغلب اوقات در اين شبكه. گيرد وري ديگر صورت ميهاي ن قرمز، يا رسانه

اش آسانتر است ولي مهمترين عيب البته ارتباط مادون قرمز، ارزانتر و ساختن. شود استفاده مي

.آن اين است كه فقط در خط مستقيم سير ميكند

_________________________________________________________ 1 Media

20

ها توان مصرفي گره 1-5-8

گاهي منبع تغذيه، يك باتري . باشندهاي شبكه حسگر بايد توان مصرفي كم داشته گره

ماه را 9ساعت است كه بايد توان الزم براي مدت طوالني مثالً -آمپر/. 5 ولتي با انرژي 2/1

لذا عمر باتري عمالً عمر گره . در بسياري از كاربردها، باتري گره قابل تعويض نيست. تامين كند

يا اجراي ) توسط حسگر(تن اطالعات به علت اين كه يك گره عالوه بر گرف. را مشخص ميكند

كند، لذا بد عمل كردن گره باعث نيز عمل مي1به عنوان رهياب) توسط كارانداز( يك فرمان

حذف آن از توپولوژي شده و سازماندهي مجدد شبكه و مسيردهي مجدد بسته عبوري را در پي

تي كه مصرف پاييني دارند ها، استفاده از طرحها و قطعا در طراحي سخت افزار گره. خواهد داشت

.، براي كل گره و يا براي هر بخش به طور مجزا مهم است2و فراهم كردن امكان حالت خواب

افزايش طول عمر شبكه 1-5-9

هاي حسگر، نوعاً كوتاه ها اين است كه عمر شبكه يكي از مشكالت اساسي در اين شبكه

عالوه بر آن، گاهي . كوتاه استها به علت محدوديت انرژي منبع تغذيه است چون طول عمر گره

اي كه در فاصله به عنوان مثال در گره. موقعيت ويژه يك گره در شبكه، مشكل را تشديد ميكند

يك قدمي گره اصلي قرار دارد از يك طرف به دليل بار كاري زياد، خيلي زود انرژي خود را از

اط گره اصلي با كل شبكه دهد و از طرف ديگر، از كار افتادن آن باعث قطع ارتب دست مي

برخي از راه حلها براي مقابله با اين مشكالت به ساختار . گردد شود و لذا كار شبكه مختل مي مي

به دليل . مثالً در مورد مشكل فوق استفاده از ساختار خودكار، راهكار موثري است. گردد بر مي

شود لذا ترافيك انتقال از جام ميگيريها به طور محلي ان آن كه در ساختار خودكار، بيشتر تصميم

طريق گره بحراني كم شده و در نتيجه طول عمر آن گره و نهايتاً طول عمر شبكه افزايش

_________________________________________________________ 1 Router 2 Sleep

21

هاي نواحي كم تراكم در توزيع غير مشكل تخليه زود هنگام انرژي در مورد گره. يابد مي

ها توان در داخل گرهكند، در اين گونه موارد، داشتن يك مديريت ها نيز صدق مي يكنواخت گره

هاي بحراني كمترين استفاده را بكند مناسب حلهاي مطلع از توان به طوري كه از گره و ارائه راه

شود، لذا در صورت اين در حقيقت نوعي به اشتراك گذاري منابع محسوب مي. خواهد بود

ها در ميدان داشتن مديريت وظيفه و مديريت توان مناسب بر روي توزيع با چگالي زياد گره

ارائه الگوهاي ساختاري مناسب و ارائه روشهاي . دهد حسگر، طول عمر شبكه را افزايش مي

مديريتي و الگوريتمهاي مطلع از توان با هدف افزايش طول عمر شبكه حسگر از جمله مباحث

.مهم تحقيقاتي است

ارتباط بالدرنگ و هماهنگي 1-5-10

سوزي يا جلوگيري از گسترش آتشدر برخي از كاربردها مانند سيستم تشخيص و

براي تحقق بالدرنگ . گيري از سرقت، سرعت پاسخگويي شبكه اهميت زيادي دارد سيستم پيش

هاي ارسالي، يك ضرب العجل تعيين بودن انتقال اطالعات، يك راه حل اين است كه براي بسته

. زودتر ارسال شوندهاي با ضرب العجل كوتاهتر شود و در اليه كنترل دسترسي رسانه، بسته

.مدت ضرب العجل به كاربرد آن شبكه بستگي دارد

مسئله مهم ديگر تحويل گزارش رخدادها به گره اصلي يا كارانداز ناحيه، به ترتيب وقوع

نكته ديگر، . آنهاست زيرا در غير اين صورت ممكن است شبكه واكنش درستي انجام ندهد

ي است كه در مورد يك رخداد از حسگرهاي مختلف هماهنگي كل شبكه در ارتباط با گزارشهاي

به عنوان مثال، در يك كاربرد نظامي فرض كنيد . شود به كاراندازهاي ناحيه مربوطه داده مي

حسگرهايي جهت تشخيص حضور يگانهاي پياده دشمن و كاراندازهايي جهت نابودي آن در نظر

شبكه بايستي در . دهند اطالع ميچند حسگر حضور دشمن را به كاراندازها. گرفته شده است

در غير اين صورت با واكنش اولين كارانداز سربازان . كل منطقه، عمليات را به يكباره شروع كند

درنگ و هماهنگي به هر حال موضوع بال. شود دشمن متفرق شده و عمليات با شكست مواجه مي

22

ز مباحث مهم تحقيقاتي مطمئن ا هاي حسگر، بخصوص در مقياس بزرگ و شرايط نا در شبكه

.است

امنيت 1-5-11

موضوع امنيت در برخي كاربردها به خصوص در كاربردهاي نظامي يك موضوع بحراني

يك مورد، . هاي حسگر در مقابل مداخالت آسيب پذيرترند است و به خاطر برخي ويژگيها شبكه

مداخالت آسانتر بيسيم بودن ارتباط شبكه است كه كار دشمن را براي فعاليتهاي ضد امنيتي و

.سازد مي

مورد ديگر استفاده از يك فركانس واحد ارتباطي براي كل شبكه است كه شبكه را در

مورد بعدي ويژگي پويايي توپولوژي است كه زمينه را . كند پذير مي مقابل استراق سمع آسيب

كنترل اين كه پروتكلهاي مربوط به مسيريابي، . كند هاي دشمن فراهم مي براي پذيرش گره

ترافيك و اليه كنترل دسترسي شبكه سعي دارند با هزينه و سربار كمتري كار كنند مشكالت

هاي حسگر در مقياس بزرگ براي كاهش به عنوان مثال براي شبكه. آورد امنيتي به وجود مي

كنند يك راه حل خوب اين هايي كه در مسير طوالني در طول شبكه حركت مي تاخير بسته

هاي شود حمله همين روش باعث مي. هاي عبوري داده شود يت مسيردهي به بستهاست كه اولو

هاي حسگر كمبود منبع انرژي است و دشمن يكي از نقاط ضعف شبكه. سيل آسا موثرتر باشد

تواند با قرار دادن يك گره مزاحم كه مرتباً پيغامهاي بيدار باش به صورت پخش همگاني و با مي

. هاي همسايه بدون دليل از حالت خواب خارج شوند كند باعث شود گره انرژي زياد توليد مي

.كند ها شده و عمر آنها را كوتاه مي ادامه اين روند باعث به هدر رفتن انرژي گره

با توجه به محدوديتهاي ذكر شده بايستي به دنبال راه حلهاي ساده و كارا مبتني بر

با چگالي باال ميتوانند توزيع شوند و هر گره داراي ها مثالً اين كه گره. طبيعت شبكه حسگر بود

ها در يك مدت كوتاه معتبرند از اين ويژگيها ميتوان به عنوان اطالعات كمي است يا اين كه داده

23

اساساً چالشهاي زيادي در مقابل امنيت . يك نقطه قوت در رفع مشكالت امنيتي استفاده كرد

.ي مطرح در اين زمينه گسترده و پيچيده استشبكه حسگر وجود دارد و مباحث تحقيقات

عوامل پيش بيني نشده 1-5-12

عوامل طبيعي غيرقابل . يك شبكه حسگربيسيم، تابع تعداد زيادي از عدم قطعيتهاست

پيش بيني مثل سيل، زلزله، مشكالت ناشي از ارتباط بيسيم و اختالالت راديويي، امكان خرابي

هاي جديد ي ساختار و مسيردهي شبكه، اضافه شدن گرههر گره، كاليبره نبودن حسگرها، پوياي

ها به طور كنترل شده و يا در اثر عوامل طبيعي و غيره، هاي قديمي، جابجايي گره و حذف گره

سوالي كه در اينجا مطرح . هاست همه و همه مثالهايي از وجود عدم قطعيت در اين شبكه

اندازي فراهم كنيم كه از ديدگاه اليه م چشمتواني شود اين است كه در اين شرايط چگونه مي مي

كاربرد، شبكه يك موجوديت قابل اطمينان در مقياس بزرگ و داراي كارايي عملياتي مشخص و

.قابل اعتماد باشد

هاي حسگر بيسيم تا حدود زيادي به صورت مركزي غيرقابل با توجه به اين كه شبكه

كنند بايد بتوانند با مديريت ه خودكار عمل ميكنترل هستند و به صورت خودكار يا حداقل نيم

از اين رو بايد ويژگيهاي خود بهينه سازي، خود سازماندهي و . مستقل بر مشكالت غلبه كنند

اينها از جمله مواردي هستند كه بحث در مورد آنها آسان ولي . خود درماني را داشته باشند

موضوعات از جمله موارد تحقيقاتي جديد به هر حال همه اين . تحقق آنها بسيار پيچيده است

.باشد قابل بحث مي

مروري بر فصلهاي آتي -1-6

و قابليتها و ضعفهاي آنهاهاي حسگر بيسيم مطابق آن چه كه در مورد تاريخچه شبكه

تر ساختن آنها منظور عمليبه ها زمينه هاي مختلفي براي تحقيق بر روي اين شبكهگفته شد،

24

ها با توجه به امكاناتي كه عملي شدن اين شبكه. ا، همچنان ادامه دارده در همه ابعاد و زمينه

براي زندگي بشر فراهم ميكند و از آنجايي كه بسياري از نقاط ضعف آنها هنوز هم بدون راه حل

.خالي از فايده نخواهد بودبه صورت دقيق ها ذا بحث بر روي نقاط ضعف اين شبكهمانده است، ل

در اين موضوع اصلي اين نوشتار يعني مسيريابي دوم به معرفي در ادامه و در فصل

ها همچنين برخي از روشهاي قبلي پيشنهاد شده براي اين شبكه. ها خواهيم پرداخت شبكه

در فصل سوم با تمركز بر روي بخش اصلي كار، جزئيات برخي از روشهاي . معرفي خواهد شد

ايم ا را مبنا قرار داده و ايده اصلي را از آنها گرفتهاي را كه براي پيشنهاد روش خود آنه مسيريابي

در فصل چهارم، ابتدا عملكرد دو روش مسيريابي معروف . به طور مفصلتر توضيح خواهيم داد

LEACH و PEGASISاي را تحت شرايط مختلف به صورت جداگانه و سپس به صورت مقايسه

اياي اين روشها، روش جديدي را براي كاهش در ادامه با الهام گرفتن از مز. بررسي خواهيم كرد

ها پيشنهاد خواهيم كرد و نشان خواهيم داد كه روش ما مصرف انرژي در امر مسيريابي داده

براي اثبات اين ادعا، . قابليت تركيب با ديگر روشها را به منظور بهبود عملكرد آنها خواهد داشت

شود كه روش هيم كرد و مالحظه مي تركيب خواERAروش خود را با روش مطلع از انرژي

ERAتركيبي هم از لحاظ مصرف انرژي و هم از لحاظ توزيع عادالنه مصرف انرژي بهتر از روش

نتايج به دست آمده از تحقيقات، كارهاي آتي در اين زمينه نفصل پنجم، ضمن بيا. عمل ميكند

.را معرفي خواهد كرد

فصل دوم

هاي حسگر بيسيم مسيريابي در شبكه

مقدمه -2-1

هاي حسگر بيسيم، چگونگي انتقال اطالعات از يكي از مهمترين مسائل قابل بحث در شبكه

به ايستگاه پايه و انتخاب بهترين مسير ممكن براي انتقال اين اطالعات هاي داخل شبكه گره

انتخاب بهترين مسير ميتواند بر اساس فاكتورهاي مختلفي مانند انرژي مصرفي، سرعت . باشد مي

همانگونه كه از . تحت تاثير قرار بگيرد.... در پاسخگويي و ميزان تاخير، دقت در انتقال داده و

به .باشد لذا آيد هدف ما انتخاب بهترين مسير از لحاظ مصرف انرژي مي ر بر ميعنوان اين نوشتا

ها را تعريف منظور بررسي دقيقتر اين مسئله، در اين فصل ابتدا مفهوم مسيريابي در اين شبكه

خواهيم كرد سپس برخي از روشهاي مسيريابي پيشنهاد شده براي آنها را به صورت مختصر

. معرفي خواهيم كرد

هاي حسگر بيسيم مفهوم مسيريابي در شبكه -2-2

ايي كه پديده هدف مالحظه شده و جايستگاه پايهها را بين ها و پرسش روشي كه داده

و مسيريابي هاي حسگر بيسيم است ند يك مسئله بسيار مهم براي شبكهك مي به جا ، جااست

وش انتقال داده بين از يك ديدگاه ميتوان، مسيريابي را به صورت ر.]10[شود خوانده مي

26

هاي حسگر داخل هاي حسگر در نظر گرفت و از ديدگاهي ديگر، انتقال اطالعات بين گره گره

.توان به عنوان مسيريابي تعريف نمود شبكه و ايستگاه پايه نهايي را مي

داده را به صورت حسگر،گرهيك روش بسيار ساده براي انجام اين وظيفه آن است كه هر

بر بسيار هزينه1پرشي-اما به هرحال يك روش مبتني بر تك. يستگاه پايه مبادله كندامستقيم با

دور هستند، ممكن است كه ذخيره انرژيشان ايستگاه پايه هايي كه از گرهاست به اين دليل كه

در اين موضوع خصوصاً . طول عمر شبكه را محدود كنندسريعتر تخليه شود و بنابراين شديداً

طقه جغرافيايي بزرگ، آرايش دادن يك من گرهاي بيسيم، به منظورپوشش كه حسمواردي

، متحرك هستند و ممكن است كه از سمت و يا درمواردي كه حسگرهاي بيسيماند يافته

ه منظور مقابله با كمبودها و نقصهاي ناشي از روش ب.]11[ دور شوند، مهم استايستگاه پايه

انتقال بسته روشهاي به وسيله، معموالًستگاه پايهاي تبادل داده بين حسگرها و ،پرشي-تك

اي، منجر به چنين روش انتقال داده.شود و بر روي شعاع ارتباطي كوچك انجام مي2پرشي-چند

هاي گرهجوئي مشخصي در مصرف انرژي و كاهش چشمگيري در تداخل مخابراتي بين صرفه

، پيشروي و انتقال )1-2(شكل . رددگ بت براي دسترسي به كانال هستند، ميحسگري كه در رقا

ه داده به وسيله آن كايستگاه پايهداده را در بين حسگرهايي كه داده در آنها جمع آوري شده و

.]10[دهد گيرد را نشان مي در دسترس كاربر قرار مي

_________________________________________________________ 1 Single-hop based 2 Multi-hop

27

] 10[ چگونگي انتشار داده در شبكه حسگر بيسيم):1-2(شكل

كه رويدادهاي هنگامي گردند و يا ه كاربر منتشر ميهايي كه به وسيل شدر پاسخ به پرس

بينيم، اق بيفتند همان طور كه در شكل مياتف شوند، اي كه كنترل مي خاصي در داخل ناحيه

پرشي به طرف - اند از طريق مسيرهاي چند آوري شده هايي كه به وسيله حسگرها جمع داده

هاي واسط، بايستي در يسيم چندپرشي، گره بهاي حسگر در شبكه. يابند ايستگاه پايه انتقال مي

تعيين كردن اين كه، كدام دسته . مقصد شركت كنند هاي داده بين منبع و به پيش راندن بسته

مقصد انتخاب ، براي ساختن يك مسير پيشروي داده بين منبع وهاي واسط بايستي از گره

هاي با مسيريابي در شبكه به طور كلي .ترين وظيفه الگوريتم مسيريابي است شوند، اساسي

تلفي مانند هاي مخ يك مسئله مشكل است كه راه حل آن، بايستي چالشاساساً مقياس بزرگ،

.، و بهينگي با توجه به معيارهاي عملياتي مختلف را جوابگو باشدصحت و درستي، پايداري

اند كيب شدهيد پهناي باند و انرژي ترهاي حسگر بيسيم، با محدوديتهاي شد خواص ذاتي شبكه

ارضاكردن شود كه بايستي به منظور كه اين موضوع منجر به چالشهاي اضافي ديگري مي

نيازمنديهاي ترافيكي كاربردهايي كه تحت پوششان است پاسخ داده شوند به طوري كه طول

. عمر شبكه را نيز افزايش دهند

28

دي و باسيم دارند،هاي مور بيسيم، نقاط مشترك زيادي با شبكههاي حسگر اگرچه شبكه

هاي دي نيز دارند كه آنها را از شبكهها مشخصات منحصر به فر اما به هرحال اين نوع از شبكه

اين مشخصات منحصر به فرد منجر به نيازمنديهاي طراحي مسيريابي . كند موجود متمايز مي

اين در واقع .هاي باسيم و موردي متفاوت است شوند كه در مقايسه با شبكه جديدي مي

اين چالشها . شود اي متمايز و منحصر به فرد از چالشها مي يازمنديهاي طراحي منجر به مجموعهن

ميتوانند شامل فاكتورهاي مختلفي مانند محدوديتهاي انرژي بسيار شديد ، قابليتهاي محاسباتي

د وان يطي كه حسگرها در آن آرايش يافتهغييرات پويا و ديناميكي مح تو مخابراتي محدود،

مدلهاي ترافيك داده منحصر به فرد و همچنين نيازمنديهاي كيفيت خدمات مربوط به كاربرد

بنابراين در مسئله مسيريابي، طراح بايستي نيازمنديهاي مختلفي را مدنظر داشته باشد و .باشند

.ها نهايت استفاده را ببرد بتواند تا حد ممكن از امكانات موجود در اين شبكه

هاي حسگر بيسيم يريابي در شبكهچالشهاي مس -2-3

كردن مخابره عمليهاي حسگر بيسيم، شبكههاي ترين اهداف طرح يكي از اساسي

، جلوگيري از خراب ايش طول عمر شبكه دارند و همچنين به طوري كه سعي در افزستها داده

گونه از هاي مسيريابي در اين پروتكل. باشد هاي مديريت توان مي شدن اتصاالت از طريق روش

از جمله اين .گيرند حت تاثير قرار مي، تبرانگيز وسيله تعداد زيادي از عوامل چالشبه ها، شبكه

داد ها را مورد توجه قرار ها آن از برقراري ارتباطات در اين شبكهها كه بايستي قبل چالش

].11و10[توان به موارد زير اشاره كرد مي

وابسته به كاربرد ها، كامالً ها در اين شبكه يش گرهآرا: ها گرهچيدمان آرايش ونحوه ) 1

هم ،ها گرهچيدمان .دهد ابي را به شدت تحت تاثير قرار ميهاي مسيري است و عملكرد پروتكل

.تواند به صورت قطعي و معين باشد و هم به صورت تصادفي مي

هاي از ز طريق مسيرشوند و داده ا حسگرها به صورت دستي چيده مي قطعي،در آرايش

به صورت هاي حسگر اما در آرايش تصادفي، گره. گردد اي، مسيردهي مي قبل تعيين شده

29

اگر توزيع .اند هاي موردي را به وجود آورده اند و يك زير ساختار شبيه شبكه تصادفي پخش شده

بندي بهينه به منظور برقرار كردن اتصاالت براي داشتن نباشد،خوشه1ها يكنواخت منتجه گره

هاي به علت محدوديتمعموالً ارتباطات بين حسگرها، .ك عملكرد موثر بر شبكه، الزم استي

هاي ارتباطي بسيار كوتاه و محدود انجام هاي حسگر، در داخل محدوده انرژي و پهناي باند گره

م متعدد باشد، خيلي زياد يسيهاي ب بنابراين احتمال اين كه يك مسير شامل پرش. شوند مي

.است

توانند منابع انرژي حسگر ، ميهاي گره: مصرف انرژي بدون از دست دادن دقت) 2

. جام محاسبات و يا انتقال اطالعات در يك محيط بيسيم، مصرف كنندمحدودشان را در هنگام ان

جوئي در انرژي در هنگام انجام محاسبات و ارتباطات هاي مختلف براي صرفه لذا بكارگيري روش

هاي حسگر، وابستگي بسيار زيادي به طول عمر از طرفي طول عمر گره .بسيار ضروري است

اي را به عنوان فرستنده شبكه حسگر بيسيم چند پرشي، هر گره نقش دوگانهدر يك .باتري دارد

تواند هاي حسگر به علت كمبود توان مي بدعمل كردن اغلب گره. كند و مسيردهنده داده ايفا مي

به راها است نياز به مسيريابي مجدد بستهكه ممكن كي در شبكه شودمنجر به تغييرات توپولوژي

هاي مسيريابي در اين گونه گوريتمهاي مهم در طراحي ال در حقيقت يكي از چالش. وردوجود بيا

.ها و كاهش يافتن آنها، دقت شبكه پايين نيايد ها، آن است كه با مصرف انرژي گره شبكه

دهي داده حس شده، در حس كردن داده و گزارش: دهي داده مدلسازي گزارش) 3

دهي مان بحراني قابل قبول براي گزارشهاي حسگر بيسيم به كاربرد مورد استفاده و ز شبكه

ران - زمانهاي توانند به دسته دهي داده مي مدلهاي مختلف گزارش.داده مورد نظر وابسته است ،ران-زمانمدل تحويل داده .بندي شوند دستهو مختلط ، ران- پرسش،3حادثه رانيا پيوسته، 2

براي . دارند نظارت بر داده به صورت متناوب كنترل وكاربردهايي مناسب است كه نياز بهبراي _________________________________________________________

1 Uniform 2 Time-driven 3Event-driven

30

هايشان سوييچ خواهند و فرستندههاي حسگر به صورت متناوب بر روي حسگرها اين منظور گره

اصل زماني متناوب ثابت انتقال كرد و محيط اطراف را حس كرده و داده مورد نظر را در فو

.دهند مي

به تغييرات ناگهاني شديدي كه در مقدار يك ها گره،ران-ران و حادثه- پرسشدر مدلهاي

ايستگاه شده به وسيله صفت خاص كه به علت رخداد يك اتفاق خاص و يا يك پرسش ايجاد

لها براي كاربردهايي كه اين مد. دهند العمل نشان مي پايه به وجود آمده است، بالفاصله عكس

همچنين ممكن است تركيبي از .. زمان براي آنها يك عامل بحراني است، بسيار مناسب هستند

مسيريابي به وسيله هاي پروتكل. داده استفاده كنند دهي قبلي را براي مدلسازي گزارشمدلهاي

.گيرند ر قرار مي تحت تاثيدهي داده و مصرف انرژي و پايداري مسير عميقاً مدلهاي گزارش

م شده، فرض بر اين است كه در اغلب مطالعات انجا: ها و اتصاالت نامتجانس بودن گره) 4

ي هاي متجانس بايستي ظرفيت يكسان به عبارت ديگر، گره. هاي حسگر متجانس باشند همه گره

سته به كاربرد، اما، ب.، مخابراتي و نيز از لحاظ توان داشته باشنداز لحاظ انجام عمليات محاسباتي

وجود يك مجموعه .ا قابليتهاي متفاوتي داشته باشندها و ي توانند نقش هاي حسگر مي گره

نامتجانس از حسگرها، ممكن است منجر به تعداد زيادي وجوه تكنيكي مرتبط با مسيريابي داده

از حسگرها به عنوان مثال در بسياري از كاربردها ممكن است نياز به يك مخلوط چندگانه .گردد

براي نظارت بر درجه حرارت، فشار و رطوبت محيط احاطه شده و يا آشكارسازي حركت به

داشته و دنبال كردن ويدئويي اشيا متحركوسيله مشخصات آكوستيكي و يا تصويربرداري

وت كه به صورت هاي متفا توان از حسگرهاي با ويژگي براي رسيدن به اين اهداف هم مي. باشيم

يف اند استفاده كرد و يا اين كه ميتوان از حسگرهاي يكساني كه وظا ايش يافتهمستقل آر

جام اين وظايف مختلف به وسيله براي ان. ايم، استفاده كنيم متفاوتي برايشان در نظر گرفته

هاي متفاوتي براي حسگرها انجام توانند با نرخ دهي مي ها و گزارش هاي مشابه، خواندن داده گره

مدلهاي ن محدوديتهاي كيفيت خدمات متعددي براي آنها در نظر گرفته شوند و همچني.شوند

مراتبي، گره سرگروه درپروتكلهاي سلسلهمثالً .دهي داده مختلفي را نيز دنبال كنند گزارش

31

يعني در اينگونه . كنند از ساير حسگرهاي معمولي طراحي مي را به صورت متفاوت خوشه

اين .هاي معمولي متفاوت است شود با گره ، تعريف مياي گره سرگروهها قابليتهايي كه بر پروتكل

هم اين كه در مقايسه با توانند از بين حسگرهاي آرايش يافته انتخاب شوند و ها، هم مي سرگروه

در نتيجه در اين .، پهناي باند و حافظه قدرتمندتر باشندهاي حسگر از لحاظ انرژي ساير گره

.شود ها انجام مي انتقاالت به وسيله مجموعه سرگروه ها، وظيفه گونه پروتكل

ممكن است به علت فقدان توان، صدمات هاي حسگر برخي از گره: تحمل نقصها) 5

نكاتي كه بايد در طراحي يكي از .تداخل محيطي دچار خرابي و نقص شوند يا فيزيكي و

هاي حسگر، نبايد عملكرد كلي نها توجه كرد آن است كه خرابي گرههاي مسيريابي به آ الگوريتم

ها دچار خرابي و نقص شوند، اگر تعداد زيادي از گره. تحت تاثير قرار دهنداشبكه حسگر ر

آوري داده از و مسيرها را براي جمعهاي مسيريابي بايستي آرايشي جديد از اتصاالت پروتكل

امر ممكن است نيازمند آن كه اين طبيق يافتن با اين مشكالت بسازندهاي پايه براي ت ايستگاه

تنظيم هاي سيگنالينگ بر روي اتصاالت موجود هاي انتقال و نرخ توانباشد تا به صورت فعاالنه،

اي از شبكه را مجدداً از طريق نواحيها گردند تا بتوانيم مصرف انرژي را كاهش داده و يا بسته

اين سطوح مختلفي از افزونگي بنابر .مسيردهي كنيمكه انرژي بيشتري در آن جا وجود دارد،

.كند، نياز باشد يك شبكه حسگر كه خطا را تحمل ميممكن است در

اند ممكن است هاي حسگري كه در يك منطقه آرايش يافته تعداد گره: 1پذيري مقياس) 6

اي بايستي قادر به هر طرح مسيريابي.تر باشند صدي و يا هزاري و ياحتي خيلي بيشاز مرتبه

هاي مسيريابي به عالوه، پروتكل. هاي حسگر باشند گره با اين تعداد بسيار زيادكردن كار

پذيري را غيير مقياس و يا به عبارتي مقياسهاي حسگر بايستي به اندازه كافي قابليت ت شبكه

ا ت. دهند پاسخ دهند ها رخ مي داشته باشند براي اين كه بتوانند به وقايعي كه در آن محيط

بنابراين با .توانند در حالت خواب باقي بمانند ، اغلب حسگرها ميواقعه اتفاق بيفتدزماني كه يك

.مانده، بايستي كيفيت بااليي فراهم شود ناشي از تعداد كم حسگرهاي باقيداده _________________________________________________________

1 Scalability

32

هاي حسگر ايستان كنند كه گره اغلب ساختارهاي شبكه، فرض مي: پويايي شبكه) 7

هاي پايه، ايستگاههاي حسگر و يا ي كاربردها، حركت گره گاهي در برخاما به هر حال .باشند

بسيار چالش هايي كه در حال حركتند ها، از و يا به گره مسيردهي بسته.ممكن است الزم باشند

در اين گونه برانگيزتر است، از آنجايي كه عالوه بر انرژي و پهناي باند، مسئله پايداري مسيرها

.ت يك امر بسيار مهم اسها شبكه

تواند هم پويا و هم اي كه حس شده بر حسب كاربرد مي به عالوه، پديده و يا حادثه

در كاربردهاي آشكارسازي اهداف و يا كاربردهاي دنبال كردن اشيا متحرك، مثالً. ايستان باشد

در حالي كه در كاربرد مربوط به كنترل جنگلها به منظور . پديده مورد نظر يك پديده پوياست

وقايع ايستان كنترلي، به شبكه اجازه .باشد تش سوزي، پديده موردنظر ايستا مي از آجلوگيري

زماني كه گزارش داده شد، به راحتي يعني هر.، كار بكند1دهند كه در يك حالت انفعالي مي

دهي در اغلب كاربردها نياز به گزارشوقايع پويا، .امكان ترافيك و انتقال داده را فراهم كنند

ايستگاه پايه برقرار در نتيجه، ترافيك مشخصي را براي مسيردهي شدن به طرف دارند ومتناوب

.كنند مي

برقراري ارتباط با هايي كه در حال ، گرهدر يك شبكه حسگر چندپرشي: واسط انتقال) 8

مشكالت قديمي ناشي از .اند رسانه بيسيم به يكديگر متصل شدهيكديگر هستند از طريق يك

ممكن است عملكرد شبكه حسگر ... مخابراتي بيسيم مانند فيدينگ، نرخ خطاي باال و يك كانال

100-1پايين و از مرتبه ،حسگربه طور كلي، پهناي باند مورد نياز داده . را تحت تاثير قرار دهند

هاي حسگر براي طراحي اليه هايي كه در شبكه يكي از روش. كيلو بيت بر ثانيه خواهد بود

به جاي 3تسهيم سازي زمانيهاي مبتني بر شوند، پروتكل استفاده مي2رسي رسانه كنترل دست

_________________________________________________________ 1 Reactive 2 Medium Access Control (MAC) 3 Time Division Multiple Access (TDMA)

33

است كه اين 1روش دسترسي چندگانه با حس كردن حاملاستفاده از پروتكلهاي رقابتي مانند

.ها خواهد شد جويي در مصرف انرژي در اين شبكه منجر به صرفه

ها شدن گره هاي حسگر بيسيم، از ايزوله ها در شبكه چگالي بسيار باالي گره: 2اتصاالت) 9

هاي حسگر، شديداً رود كه گره نتظار ميبنابراين ا .كند از يكديگر به صورت كامل، جلوگيري مي

،اما به هرحال اين امر. با هم در ارتباط باشنديا به عبارت بهتر شديداً به هم متصل باشند و

ي و كوچك شدگ و نيز اندازه شبكه را از جمعكند ي شبكه را از متغير بودن حفظ نميتوپولوژ

ها به توزيع اتصاالت گرهبه عالوه،. هاي حسگر، حفظ نخواهد كرد شدن به علت اشتباهات گره

.اند ها وابسته تصادفي گره

كه يك ديد خاص از محيط به حسگر داخل شب هر گرهها، در اين گونه شبكه: پوشش) 10

آورد هم از لحاظ حسگر از محيط اطرافش به دست مياين ديدي كه هر گره. آورد دست مي

تواند حسگر مي عبارت بهتر، هر گرهبه. ، محدود استقت و هم از لحاظ محدوده تحت پوششد

بنابراين پوشش كل منطقه مورد .يك منطقه فيزيكي محدودي از محيط اطرافش را پوشش دهد

.هاي حسگر بيسيم است طراحي شبكهك مسئله بسيار مهم در، يهاي حسگر نظر، به وسيله گره

هاي اضافي قابل توجهي هاي حسگر، ممكن است داده از آنجايي كه گره: 3تراكم داده) 11

توانند متراكم شده و در مي،هاي مختلف هاي مشابه گره ها بسته كنند لذا در اين شبكهتوليد

تركيب كردن داده ناشي از منابع ، در حقيقت تراكم داده. الت الزم كاهش يابندنتيجه تعداد انتقا

، ماكزيمم و يا هاي تكراري، مينيمم ك تابع تراكم خاص مانند حذف نسخهمختلف برطبق ي

اين روش، يعني متراكم نمودن .باشد تكراري ميهاي كپي شده و رفتن از نسخهميانگين گ

هاي ر بسياري از پروتكل دسازي انتقال داده به كارايي باالتر انرژي و بهينهها، براي رسيدن داده

توانند براي متراكم نمودن داده روشهاي پردازش سيگنال نيز مي. گردد مسيريابي استفاده مي

كند كه گونه موارد، پردازش سيگنال به يك نوع تركيب داده اشاره مي ند كه در ايناستفاده گرد_________________________________________________________

1 Carrier Sense Multiple Access (CSMA) 2 Connectivity 3 Data Aggregation

34

ز برخي تكنيكها مانند قابليت توليد يك سيگنال خروجي دقيقتر با استفاده ادر آن، يك گره

هاي ورودي را با هم تركيب كرده ونويز را درآنها ، را دارد كه در آن سيگنال1ها دهي پرتو شكل

.دهد كاهش مي

طول يك دوره زماني در بسياري از كاربردها، يك داده بايستي در: كيفيت خدمات) 12

مقصد تحويل داده شود وگرنه در غير اين صورت شود به گره اي كه فرستاده مي خاص از لحظه

، يكي ديگر از ل دادهبه عبارت ديگر تاخير محدود براي تحوي .آن داده بال استفاده خواهد بود

برخي از كاربردها، ذخيره و به هر حال در .شرايط براي كاربردهاي داراي محدوديت زمان است

تر از عمر شبكه وابسته است بسيار مهمل به طوجويي در مصرف انرژي كه مستقيماً صرفه

هنگامي كه انرژي در حال اتمام است، ممكن است كه الزم . كيفيت داده انتقال داده شده است

ها، كاهش دهد و به اين به منظور كاهش مصرف انرژي در گرهباشد تا شبكه كيفيت نتايج را

. ترتيب طول عمر كلي شبكه را افزايش دهد

مطلع از كه به صورتهاي مسيريابي كلر كه در باال هم اشاره شد، پروتبنابراين همان طو

عليرغم اختالف قابل مالحظه . نيازمنديهاي باال را برآورده كنندالزم است ،كنند مي كارانرژي

كردن و هاي حسگر بيسيم، حس اي مختلف حسگرها، وظيفه اصلي گرهموجود در كاربرده

به عقب و به يك سري ها داده هدف، پردازش و انتقال آوري كردن داده از يك حوزه جمع

رسيدن به يك چنين كارايي .باشد اربرد خاص در آنجا اقامت دارد ميهاي خاص كه آن ك مكان

كه اين .انرژي است بر هاي مسيريابي موثر سري پروتكل در انجام وظيفه، نيازمند توسعه يك

درحقيقت . برقرار كنند ايستگاه پايهحسگر و هاي ين گرهب ها بايد بتوانند مسيرهايي را پروتكل

ت محيطي در واقع مشخصا. انتخاب مسير بايد طوري باشد كه طول عمر شبكه را ماكزيمم كند

هاي شديد انرژي و منابع موجود، كنند به اضافه محدوديت هاي حسگر در آن كار مي كه گره

هاي از استراتژيادامه توضيح مختصري در .مسئله مسيريابي را بسيار چالش برانگيز كرده است

مسيريابي اساسي كه به منظور برقرار كردن تعادل بين ميزان پاسخگويي از يك طرف و كارايي _________________________________________________________

1 Beam-forming

35

برقرار .شدند ارائه خواهيم كرد نرژي ازسوي ديگر به كار گرفته ميسيستم از لحاظ مصرف ا

هايي ي شبكه را درحالتها شودكه اليه هاي جديدي مي كردن چنين تعادلي منجر به چالش

اگرچه موضوع . دهند قرار مي هاي موردي و شبكه1هاي بيسيم زيرساختار متفاوت از شبكه

ست و سيم و مسيريابي در آنها در نخستين مراحل رشدش قرار گرفته ا هاي حسگر بي شبكه

رح ها به عنوان يك موضوع قابل بحث براي تحقيقات اخير مط مسئله مسيريابي در اين شبكه

ا، براي مسئله مسيريابي مطرح هاي كارگش هاي مختلفي نيز به عنوان راه حل است، اما استراتژي

هاي مختلف بسيار بيشتر ها در زمينه از شبكه به كارگيري اين نوعچنين ازآنجائي كه هم. اند شده

بر موثر، راه به كارگيري عملي و ها افزار شبكه و تكنولوژي باتري شده است، پيشرفت در سخت

هاي اكثر كاربردهاي شبكه.هاي مسيريابي را هموار خواهد كرد هزينه اين دسته از پروتكل

هايي كه حسگرها در اين اين كه راهزيادي هستند از لحاظ ، داراي شباهتهاي بيسيمحسگر

در تعقيب آنها هستند ش داده به منظور اجراي اهدافي كهپخ ها براي جمع آوري و شبكه

، به منظور حس كردن در اكثر اين گونه كاربردها، حسگرها ابتدائاً. كنند، مشابه است مياستفاده

، قبل از اين كه اطالعات جمع آوري شده را از شانهاي پردازش خواندهمحيط و ضبط و احتماالً

فرآيند .اند ر اقامت دارد بفرستند طراحي شده به طرف جايي كه كارب2ايستگاه پايهطريق

در محيطي كه حسگرها ، به وسيله رخداد وقايع ويژهداده و هدايت آن به سمت جلوآوري جمع

سيله هايي كه به و ري از موارد مناسب است كه دادهدر بسيا. گردند رهبري مياند آرايش يافته

در .متراكم گردند ،ايستگاه پايهاند قبل از ارسال به طرف حسگرهاي مختلف جمع آوري شده

دهند و منجر به شوند را كاهش مي هايي كه انتقال داده مي م داده ، تعداد پيغام، اين تراكحقيقت

.شود مشخصي در مصرف انرژي ناشي از نقل و انتقاالت ميكاهش

_________________________________________________________ 1 Infrastructure 2 Base-station

36

هاي حسگر بيسيم روشهاي پيشنهاد شده براي مسيريابي در شبكه -2-4

اند كه هاي حسگر بيسيم پيشنهاد شده روشهاي مسيريابي مختلفي تا كنون براي شبكه

در . هيچ يك از آنها نتوانسته به عنوان كاملترين و بهترين روش تحت همه شرايط عمل كند

اي بين عوامل ها گفته شد، همواره مصالحه حقيقت با توجه به مسائلي كه در مورد اين شبكه

در ادامه اين بخش، برخي . مختلف در انتخاب يك روش به عنوان مسيريابي بايستي برقرار شود

. معروفترين روشهاي مسيريابي پيشنهادي براي اين شبكه ها را معرفي خواهيم كرداز

1آسا روش ارسال سيل -2-4-1

ف مسير و انتشار اطالعات در براي كش، يك تكنيك متداول است كه غالباًآسا ارسال سيل

استراتژي مسيريابي. ]12[نددش هاي موردي بيسيم به كار گرفته مي هاي باسيم و يا شبكه شبكه

بر و يا ورت هزينهدر اين روش بسيار ساده است و بر روي نگهداري توپولوژي شبكه به ص

، در حقيقت روش انفعالي را به آسا ارسال سيل. كند هاي كشف مسير پيچيده تكيه نمي الگوريتم

ي كه يك بسته داده و يا يك بسته كنترلي را دريافت ر مي گيرد به اين ترتيب كه هر گرهكا

، يك بسته همه مسيرهاي بعد از انتقال.فرستد هايش مي بسته را براي همه همسايهكند آن مي

. ، وگرنه بسته سرانجام به مقصدش ميرسدمگر اين كه شبكه قطع شود. كند ممكن را دنبال مي

، مسيرهاي استاي كه انتقال داده شده ه توپولوژي شبكه تغيير كند، بستهبه عالوه چنان چ

آسا را در يك شبكه مخابره داده اصول روش ارسال سيل) 2-2(شكل . كند جديد را دنبال مي

. دهد نشان مي

_________________________________________________________ 1 Flooding

37

]12[آسا اصول روش ارسال سيل): 2-2(شكل

ترين شكلش، آسا در ساده شود، ارسال سيل مالحظه مي)2-2 (طور كه در شكل همان

. رگردانده شونددود بهاي شبكه به صورت نا مح ها به وسيله گره ممكن است باعث شود كه بسته

يك رشته از اين كه يك بسته در داخل شبكه به طور نامحدود بچرخد، معموالًبراي جلوگيري

، شماره پرش به صورت تقريبي به صورت اوليه. شود ل بسته قرار داده مي، در داخ1شماره پرش

، شمارهكند ي، در داخل شبكه حركت مهنگامي كه بسته. شود برابر با قطر شبكه قرار داده مي

ي كه شماره پرش يابد، هنگام پيمايد، يك واحد كاهش مي پرش به ازاي هر پرشي كه بسته مي

يك روش .شود كشد و دور انداخته مي ه به سادگي از پرش دست مي، بستبسته به صفر برسد

يا رشته طول عمر است كه 2ديگر براي حل اين مشكل استفاده از يك رشته زمان براي زندگي

، تعداد واحدهاي زماني كه يك بسته مجاز است در داخل شبكه زندگي كند را نگه ن رشتهاي

روش ارسال . شود ام آن، بسته ديگر فرستاده نميبعد از سپري شدن اين زمان و اتم. دارد مي

رد از يكديگر و هاي داده به صورت منحصر به ف تواند از طريق مشخص كردن بسته سيل آسا، مي

_________________________________________________________ 1 Hop-number 2 Time-to-live(TTL)

38

. بهبود يابد، اند فرستاده شدههايي كه قبالً ر گره شبكه براي دور انداختن همه بستهوادار كردن ه

، به اين حداقل تاريخچه آخرين ترافيك است، نيازمند نگه داشتناي البته چنين استراتژي

عليرغم سادگي قواعد .اند فرستاده شدههاي داده قبالً نظور كه مشخص شود كداميك از بستهم

آسا الزم است، ن نگهداري كه براي روش ارسال سيل پاييو بردن داده و هزينه نسبتاًانتقال و جل

اولين . ز داردهايي ني ر بيسيم، نقصها و كاستيهاي حسگ ا اين روش هنگام استفاده در شبكهام

، همان طور كه در 1آسا، آمادگي و قابليت اين روش براي انفجار ترافيكي عيب روش ارسال سيل

.باشد مده، ميآ) 3-2(شكل

]12[انفجار ترافيكي در روش ارسال سيل آسا): 3-2(شكل

هاي داده و يا كنترلي به هاي تكراري بسته لوب، در اثر فرستاده شدن نسخهاين اثر نامط

، مسئله اصطكاك و يا روي آسا دومين عيب عمده روش ارسال سيل.آيد گره يكسان به وجود مي

.افتادگي نشان داده شده است مسئله اصطكاك و روي هم) 4- 2(در شكل . است2هم افتادگي

_________________________________________________________ 1 Traffic-implosion 2 overlapping

39

]12[ اصطكاك و همپوشاني در روش ارسال سيل آسا):4-2(شكل

كه ناحيه يكساني را مي پوشانند، بسته گرهاين مشكل هنگامي اتفاق مي افتد كه دو

ترين عيب مهسومين و م . يكساني مي فرستندگرههايي كه شامل اطالعات يكساني هستند را به

اي كه ه روش و قاعده انتقال بسيار ساده، كوري منابع است از آن جائي ك ارسال سيل آساروش

كند، به بررسي محدوديت انرژي ها استفاده مي رسال سيل آسا، براي مسيردهي بستهروش ا

لذا اين امر ممكن است منجر به تخليه سريع انرژي گره ها شود و . هاي حسگر نمي پردازد ه گر

.طول عمر شبكه را كاهش بخشد

آسا، روش جديدي كه از همين روش مشتق شد با توجه به عيبهاي روش ارسال سيل

نيز، مشابه روشاين ]. 14[ناميده شد) روش خبركشي(1گوسيپينگاين روش . پيشنهاد گرديد

مشابه كند و ردن داده استفاده مي، يك راه ساده براي انتقال و به جلو باآس با روش ارسال سيل

هاي كشف مسير پيچيده ، نيازي به نگهدارنده توپولوژي گران قيمت و يا الگوريتمروش قبلي

هايش بسته داده را به سمت همه همسايهآسا، كه يك اما برخالف روش ارسال سيل. ندارد

ه كهايش اش را به طرف يكي از همسايه هاي دريافت شده روش هر گره، بستهفرستاد، در اين مي

اي كه به صورت به محض دريافت بسته، همسايه. فرستد به طور تصادفي انتخاب شده است، مي

_________________________________________________________ 1 Gossiping

40

نتخاب كرده و بسته را براي آن گره اتصادفي انتخاب شده بود، يكي از همسايگانش را تصادفاً

اين فرآيند، تا زماني كه بسته به آن مقصد مورد نظرش برسد و يا شماره .فرستد انتخاب شده مي

به وسيله از معضل انفجار ترافيكيگوسيپينگ، روش. كند ش ماكزيمم رد شود، ادامه پيدا ميرپ

فرستد، به يك نسخه اش مي هايي كه هر گره به طرف همسايه محدود كردن تعداد بسته

، ميزان تاخيري كه يك بسته تا زمان ت اين روش آن است كهيكي از مشكال. كند جلوگيري مي

شود و اين موضوع به ويژه در مل ميكند، ممكن است بيش از اندازه زياد رسيدن به مقصد تح

پروتكل كه به صورت به دليل طبيعت تصادفيشود و اين ، بيشتر نمايان ميهاي بزرگ شبكه

. كند، به وجود آمده است ذاتي، در يك لحظه يك مسير را پيدا مي

1بندي خوشهروشهاي مبتني بر -2-4-2

هاي حسگر ها در شبكه ن روشهايي كه به منظور مسيريابي دادهيكي از معروفترين و بهتري

ها و يا به عبارت ديگر بندي كردن گره بيسيم پيشنهاد گرديد، روشهايي بود كه بر مبناي دسته

هاي داخل شبكه بر اساس روش در اين روشها، ابتدا همه گره. كرد بر مبناي خوشه بندي كار مي

نامند، يك گره ند كه در هر دسته كه اغلب آن را خوشه ميشد هايي تفكيك مي خاصي به دسته

روش . شدند هاي عادي ناميده مي ها، گره شود و بقيه گره به عنوان سرگروه دسته انتخاب مي

در اكثر روشهاي مبتني . دهد انتخاب سرگروه در هر روش، معيارهاي متفاوتي را مدنظر قرار مي

].13[ها يكنواخت گردد صرف انرژي بين همه گرهبر خوشه، هدف اصلي آن است كه توزيع م

خوانده 2LEACHبندي روشي بود كه اولين و معروفترين روش مبتني بر خوشه

هاي حسگر به وسيله بندي كردن گره اين روش به عنوان اولين روش دسته]. 17-15[شود مي

Heinzelmanروه هر خوشه، از در اين روش به منظور انتخاب سرگ. و همراهانش پيشنهاد گرديد

كند و به اين ترتيب كه هر گره يك عدد بين صفر و يك توليد مي. شود يك آستانه استفاده مي_________________________________________________________

1 Cluster Based Methods 2 Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH)

41

در صورتي كه عدد توليد شده از آستانه مورد نظر كمتر . كند آن را با آستانه مفروض مقايسه مي

.شود باشد، گره مورد نظر به عنوان سرگروه انتخاب مي

، روشهاي ديگري نيز با الهام گرفتن از اين روش و به LEACHش به دنبال پيشنهاد رو

معرفي شدند كه توانستند تا حدي عملكرد اين روش را از LEACHمنظور بهبود عملكرد روش

Improved و X-LEACHاز جمله اين روشها ميتوان به . لحاظ مصرف انرژي بهبود بخشند

LEACH19-18[ اشاره كرد.[

هاي كنند، گره ها كار مي بندي كردن گره كه بر اساس دستهدر حقيقت در روشهايي

گيرند ممكن است مصرف انرژي كنند و بنا به نقشهايي كه مي حسگر نقشهاي مختلفي را ايفا مي

اين دسته از روشها، جز بهترين الگوريتمهاي مسيريابي در اين . متفاوتي نيز داشته باشند

رفتن از آنها روشهاي جديدي براي افزايش طول عمر هاست و هم اكنون نيز با الهام گ شبكه

.شوند شبكه پيشنهاد مي

روش مبتني بر زنجير -2-4-3

هاي حسگر يكي ديگر از روشهاي مفيدي كه به منظور كاهش مصرف انرژي در شبكه

در اين روش . كند بيسيم پيشنهاد گرديد روشي بود كه بر اساس يك ساختار زنجيري عمل مي

ها بصورت يك ساختار زنجيري با طول حداقل در نظر گرفته كه، همه گرهدر ابتداي عملكرد شب

اين گره، مسئوليت انتقال . شود شوند و سپس يك گره به عنوان رهبر زنجير انتخاب مي مي

روش مبتني بر زنجير . اطالعات نهايي شبكه به سمت ايستگاه پايه را بر عهده خواهد داشت1PEGASISر از روش از لحاظ مصرف انرژي بهتLEACHكند اما يكي از مهمترين عمل مي

علت اين ]. 20[عيبهاي اين روش، تاخير زياد در انتقال نهايي داده به سمت ايستگاه پايه است

_________________________________________________________ 1 Powe Efficient Gathering in Sensor Information Systems (PEGASIS)

42

ها را بعد از متراكم نمودن به ايستگاه نهايي خواهد تاخير آن است كه فقط يك گره همه داده

.فرستاد

ش مبتني بر زنجير و به منظور بهبود عملكرد آن روشهاي ديگري با الهام گرفتن از رو

با اين . گيرند پيشنهاد شدند كه اغلب به جاي ساختار زنجيري از يك ساختار درختي بهره مي

در حقيقت در اين روشها از يك ساختار . كرد روشها، ميزان تاخير تا حد زيادي كاهش پيدا مي

هاي سلسله باالتر ره، اطالعات را به گرهشد و در هر مرتبه يك گ مراتبي استفاده مي سلسله

معرفي شدند عملكرد بهتري از لحاظ ميزان ] 24-21[اين روشها كه در مراجع . كند منتقل مي

. از خود نشان ميدهندPEGASISتاخير در تحويل داده نسبت به روش مبتني بر زنجير

1روشهاي مطلع از انرژي -2-4-4

هاي حسگر بيسيم معرفي د عملكرد شبكهدسته ديگري از روشهايي كه به منظور بهبو

در اغلب اين روشها كه روشهاي . كنند شدند، از يك فرض منطقي براي پروتكل خود استفاده مي

شود كه هر گره حسگر در هر لحظه بتواند تخميني از شوند، فرض مي مطلع از انرژي خوانده مي

جه به اينكه مدل مصرف انرژي كامالً اين فرض با تو]. 42 - 25[انرژي باقيمانده منبع توانش بزند

شود نيز تقريباً مشخص واضح است و همچنين تعداد پرشهايي كه به وسيله هر گره پيموده مي

ها كار از جمله روشهايي كه بر اساس اطالع از انرژي باقيمانده گره. است فرضي منطقي است

اشاره كرد HEED و Improved LEACH وERA وX-LEACHكنند ميتوان به روشهاي مي

كه در مورد برخي از آنها و نحوه عملكردشان به تفصيل در فصل سوم توضيح خواهيم

ها كار توجه شود كه روشهايي كه بر اساس اطالع از انرژي باقيمانده گره]. 38و37و19و18[داد

دهند ها، مسئله انرژي را مدنظر قرار مي كنند به اين دليل كه در انتخاب نقش براي گره مي

.توانند طول عمر شبكه را در مقايسه با روشهاي قبلي افزايش بخشند مي

_________________________________________________________ 1 Energy Aware

43

گيري خالصه فصل و نتيجه -2-5

هاي حسگر بيسيم از بدو طور كه گفتيم روشهاي مسيريابي مختلفي براي شبكه همان

اند كه همگي به نوعي سعي در كاهش مصرف انرژي و يا پيدايش آنها تاكنون پيشنهاد شده

اما نكته مهم در مورد اين روشها آن است كه هيچ يك از آنها . اند شبكه داشتهافزايش طول عمر

در حقيقت با توجه به نيازمنديهايي كه . به طور مطلق نميتواند بهتر از بقيه روشها عمل كند

براي يك كاربرد خاص ممكن است وجود داشته باشد يك روش براي مسيريابي انتخاب

برخي از روشها زمان پاسخگويي شبكه اهميت بسيار زيادي دارد و به عنوان مثال در . گردد مي

لذا در اين حالت ممكن است با انتخاب يك روش خاص، سرعت پاسخگويي را باال برده اما طول

در يك كاربرد ديگر، زمان پاسخگويي چندان اهميتي ندارد اما مدت . عمر شبكه را كاهش دهيم

رژي بسيار مهم است و لذا در اين حالت بايد از يك روش زمان زنده ماندن شبكه و يا مصرف ان

.ديگر بهره برد

هاي حسگر بيسيم انتخاب يك بنابراين با توجه به ويژگي بسته به كاربرد بودن شبكه

در فصل . اي نخواهد بود الگوريتم مسيريابي بهينه براي همه شرايط و در همه زمانها كار ساده

اي كه در اين فصل بصورت مختصر و جزيي معرفي مسيريابيسوم، در مورد برخي از روشهاي

از آنجايي كه روش پيشنهادي ما كه در فصل . شدند به تفصيل بيشتري صحبت خواهيم كرد

كنيم اين سه شود با الهام گرفتن از سه روش قديمي به وجود آمده، سعي مي چهارم معرفي مي

.ر معرفي كنيم را بصورت مفصلتERA و PEGASIS و LEACHروش يعني

فصل سوم

LEACH,PEGASIS,ERA معرفي روشهاي مسيريابي

مقدمه -3-1

گونه كه در قبل گفتيم، اساس كار روش پيشنهادي ما بر مبناي عملكرد سه روش همان

ن به منظور آشنايي بيشتر ابتدا در بنابراي. مسيريابي پيشنهاد شده براي اين شبكه ها استوار است

اين فصل نحوه عملكرد اين سه روش را به طور مفصل معرفي خواهيم كرد و سپس در فصل

.چهارم به معرفي روش پيشنهادي خود بر مبناي اين سه روش خواهيم پرداخت

LEACH بندي خوشه روش مبتني بر -3-2

تم مسيريابي است ري، الگو(LEACH)بندي وفقي با انرژي پايين اي خوشه روش سلسله

اهداف . ]17-15[، طراحي شده استايستگاه پايهآوري و تحويل داده به يك كه به منظور جمع

:اصلي اين روش عبارتند از

افزايش طول عمر شبكه ) 1

حسگر شبكه گرهكاهش مصرف انرژي براي هر) 2

د پيغامهاي مخابراتياستفاده از اجتماع و متراكم نمودن داده به منظور كاهش تعدا) 3

45

ر سازماندهي مراتبي را به منظو يك روش سلسلهLEACH، براي رسيدن به اين اهداف

يله يك سرگروه خوشه به وسخوشههر .كند ها اتخاذ مي خوشهاي از شبكه به صورت مجموعه

.شوند مسئول اجراي وظايف مختلفي فرض مي،خوشهسرگروه . گردد انتخاب شده،مديريت مي

آوري به محض جمع. از اعضاي خوشه استآوري متناوب داده وظيفه سرگروه خوشه، جمعاولين

آوري شده را به وسيله حذف كردن افزونگي بين مقادير ن داده، سرگروه خوشه، داده جمعكرد

ها، انتقال مستقيم داده متراكم شده دومين وظيفه اصلي سرگروه.كند ، متراكم مي دادههمبسته

. شود شده به وسيله يك تك پرش انجام مي انتقال داده متراكم.باشد اه پايه ميايستگبه سمت

. نمايش داده شده است1-3 در شكل شود ، استفاده مياين روشاي كه به وسيله مدل شبكه

]17و12[ژي پايين با انر بندي وفقيخوشهاي عملكرد روش سلسله): 1-3(شكل

سازي زماني تسهيمن يك برنامه زماني مبتني بر ها، ساخت سومين وظيفه اصلي سرگروه

كه هر شود تخصيص داده مي1، يك شيار زماني خوشه داخل گرهكه در اين روش، به هر است _________________________________________________________

1 Time-slot

46

، خوشهسرگروه . ميتواند از شيار زماني مربوط به خودش براي انتقال داده استفاده كندگره

به . كند اعالن مي،1همگاني پخشق ، از طرياش اني را براي اعضاي خوشه مربوطهبرنامه زم

ي ها گره، ها حسگرها، در داخل و خارج خوشهبرخورد بين منظور كاهش دادن احتمال تصادم و

اي انجام ارتباطات خود به را بر 3دك-بندي و تقسيم2دسترسي چندگانهيك طرح مبتني بر ،ليچ

، در دو فاز مجزا روش اينتوان گفت كه عمليات اساسي به طور خالصه مي.گيرند كار مي

:سازماندهي شده است

خوشهگام انتخاب سرگروه و گام ساختن : ، شامل دو گام استاست4 فاز شروعفاز اول كه

، متراكم نمودن داده و آوري داده نام دارد، بر روي جمع5 فاز دوم كه فاز حالت پايدار

. ، متمركز استايستگاه پايهتحويل داده به

:اند ر خالصه نشان داده شدهزير به طواين دو فاز در شكل

]17و16[ با انرژي پايينبندي وفقي خوشهاي دو فاز استفاده شده در روش سلسله):2-3(شكل

_________________________________________________________ 1 broadcast 2 Multiple access based 3 Code division 4 Set-up 5 Steady-state

47

شود و اين امر با هدف طول دوره فاز شروع، نسبتا كوتاهتر از فاز حالت پايدار فرض مي

ها شروع اي از انتخاب سرگروه دورهدر ابتداي فاز شروع، يك . ستمينيمم كردن سربار پروتكل ا

دهند كه اين نقش در بين ، اين اطمينان را به ما ميها فرآيند انتخاب سرگروه خوشه. شود مي

ي ها گرهچرخند و در نتيجه مصرف انرژي به طور يكنواخت در بين همه هاي حسگرها مي گره

است كه سرگروه رهگبه منظور مشخص كردن اين كه آيا نوبت يك . شبكه پخش خواهد شد

را توليد ميكند و آن را با v مانند ،يك عدد تصادفي بين صفر ويكn گره، هر يرشود يا خ

صورتي سرگروه خوشه خواهد در گره. ، مقايسه ميكندnT)( يعنيخوشهآستانه انتخاب سرگروه

آستانه انتخاب . ، كمتر از آستانه مورد نظر گرددvاش يعني ادفي توليد شدهشد كه مقدار تص

مين كند كه كسر از قبل ، طوري طراحي شده است كه با احتمال بااليي تضخوشهسرگروه

همچنين، .انتخاب شوند خوشهبه عنوان سرگروه اي ، در هر دورهp مثال ها گرهاي از تعيين شده

اند در به كار گرفته شده،هاي قبلي دورهp/1يي كه در آخرين ها گرهكند كه آستانه تضمين مي

nT)(، آستانه به منظور رسيدن به اين اهداف. شددوره فعلي به عنوان سرگروه انتخاب نخواهد

].18- 16[شود ، به كمك معادله زير بيان ميn مد نظر مانندگرهيك

)3-1 (0

( ) n G

1 ( mod(1/ ))

if n GT n p

p r p

∉⎧⎪= ⎨ ∀ ∈⎪ −⎩

اي بر ،1ها دورهp/1كند كه در آخرين يي را بيان ميها گره، مجموعه Gكه در اين رابطه متغير

پارامتر از قبل . كند جاري اشاره مي) راوند(، به دوره rاند و ب نشدهشدن انتخا خوشهسرگروه

p/1ي در آخرين گرهواضح است كه اگر . دهد ، احتمال سرگروه را نشان ميpتعريف شده

در . به كار گرفته شده باشد، در اين دوره انتخاب نخواهد شدخوشهدوره به عنوان سرگروه

شدن انتخاب شده بود، خوشهي كه براي سرگروه گرههر ،خوشهانتهاي فرآيند انتخاب سرگروه

شدن، خوشهبه محض دريافت اعالن سرگروه . كند نقش جديدش را براي بقيه شبكه اعالن مي

_________________________________________________________ 1 Rounds

48

، معيار انتخاب. كند ، انتخاب ميخوشه شدن به آن را براي متصلخوشه باقيمانده، يك گرههر

ها، گرهسپس . ممكن است براساس قدرت سيگنال دريافت شده در بين ديگر فاكتورها باشد

به . كنند شدن، مطلع مي براي عضو آن خوشهشان شان را از تصميم سرگروه خوشه انتخاب شده

را ساخته و پخش سازي زماني تسهيم، برنامه زماني خوشه، هر سرگروه خوشهمحض تشكيل

اعضاي آن خوشه، تخصيص كدام از اين برنامه زماني، شيارهاي زماني را كه براي هر. كند مي

دسترسي چندگانه با ، يك كد اي همچنين هر سرگروه خوشه. كند اند، مشخص مي داده شده

ش فرستاده ا خوشه، سپس براي همه اعضاي كند كه اين كد ، را انتخاب مي1بندي كد تقسيم

. دهد ها را كاهش مي خوشه، طوري انتخاب شده است كه تداخل بين اين كد، با دقت. شود مي

آوري ها به جمع گرهدر اين فاز، . باشد انتهاي سيگنالهاي فاز شروع، آغاز فاز حالت پايدار مي

آوري معهاي ج ه به خودشان را براي انتقال دادهپردازند و شيار اختصاص داده شد اطالعات مي

.پذيرد ري داده به صورت متناوب انجام ميآو اين جمع. كنند هايشان، استفاده مي شده به سرگروه

، در مقايسه با روشهاي قبلي همچون ارسال سيل LEACHكه روش كامالً واضح است

ابتدا ،جويي انرژي مقدار صرفه. شود جويي مشخصي در مصرف انرژي مي آساي داده باعث صرفه

عليرغم . ها، به دست آمده است خوشهاي دارد كه به وسيله سرگروه ه نسبت تراكم دادهبستگي ب

با يك ها گرهاين فرض كه همه . همه اين منافع، به هرحال اين الگوريتم نيز داراي معايبي است

، ممكن است منطقي نباشد، از آنجايي كه قابليتها و ذخاير ايستگاه پايه برسندتوانند به پرش مي

به عالوه طول . ديگر تغيير كنندگره به گره ممكن است در طول زمان و از يك ها گرهرژي ان

دوره حالت پايدار، نسبت به مقدار كاهش انرژي الزم براي جبران سرباري كه در اثر فرآيند

سربار ،يك پريود حالت پايدار كوتاه. است به وجود آمده است، متغير وبحرانيخوشهانتخاب

ژي ، ممكن است منجر به تخليه انرطوالني، يك پريود گونه كه هماندهد افزايش ميپروتكل را

. اند گونه مشكالت، پيشنهاد شده هاي متعددي براي غلبه بر اين الگوريتم. سرگروه خوشه گردد

در ها گرهرسيدگي به سطح انرژي ، به منظور توجه و X-LEACH يا گسترش يافتهليچپروتكل _________________________________________________________

1 Code Division Multiple Access (CDMA)

49

خوشهآستانه انتخاب سرگروه ،اين پروتكلدر . ]18[ها، معرفي شد خوشهگروه فرآيند انتخاب سر

، يك گره در دوره جاريبراي تعيين اين كه آيا آن ،n گره، كه به وسيله nT)(منتجه يعني

].18[شود زير تعريف ميبا استفاده از معادله خواهد بود يا نه،خوشهسرگروه

)3-2 (⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−+

−= )1)(/1(

))/1mod((1)(

max,

,,

max,

,

n

currentnsn

n

currentn

EE

pdivrE

Eprp

pnT

currentnEكه در اين معادله، snrمتغير. حسگر استگره انرژي اوليه max,nE، انرژي جاري و , , ،

هنگامي كه . نبوده استخوشهروه ، سرگها ر آن دوره دگرههاي متوالي است كه يك تعداد دوره

snrمقدار به مقداري كه قبل از وارد شدن انرژي باقيمانده ،nT)(، آستانه برسدp/1به ،,

به عالوه. شود مساوي با اين مقدار قرار داده ميتنظيم شده و مجدداً درمعادله آستانه داشت،

snr -Xپروتكل . شود برابر با صفر قرار داده مي شود ميخوشهسرگروه ،گره، هنگامي كه يك ,

LEACH ،گردد اهش مصرف انرژي در اين پروتكل ميخواص زيادي دارد كه منجر به ك .

كه ، از آنجاييه استي حسگر توزيع شدها گرهنيازمندي انرژي براي اين پروتكل، در بين همه

شان ، و بر اساس انرژي باقيمانده1 گردشي نوبتيبودن را در يك مد خوشهآنها، نقش سرگروه

در واقع اين الگوريتم، يك الگوريتم كامال توزيع شده است كه نياز به هيچگونه . گيرند درنظر مي

م ها به صورت محلي انجا خوشهدر اين روش مديريت . نداردايستگاه پايهاطالعات كنترلي از

به عالوه . برد ات كلي درباره شبكه را از بين ميشود و در نتيجه نياز براي دانستن اطالع مي

جويي در انرژي كمك خواهد اي به صرفه ها، به طور گسترده ه وسيله خوشهمتراكم كردن داده ب

ر شود د هايي كه در اين حالت فرستاده مي ها طول بسته با متراكم شدن دادهكرد از آنجايي كه

هاي داده متراكم نشده كمتر است و لذا انرژي الزم براي انتقال آنها نيز مقايسه با طول بسته

..نسبت به حالتي كه بسته متراكم نشده فرستاده شود كمتر خواهد بود

_________________________________________________________ 1 Round-robin

50

PEGASISروش مسيريابي مبتني بر زنجير -3-3

، (PEGASIS)آوري داده كارامد از لحاظ توان در سيستمهاي اطالعاتي حسگر روش جمع

اهداف ]. 20[يك روش مسيريابي مبتني بر ساختار زنجيري در شبكه هاي حسگر بيسيم هستند

:شود در دو مورد خالصه مي ، اصلي اين پروتكل

اين پروتكل سعي در افزايش طول عمر شبكه با رسيدن به سطح بااليي از كارايي ) 1

. ردي شبكه داها گرهانرژي و مصرف انرژي يكنواخت در بين همه

يرش براي رسيدن به اين پروتكل سعي در كاهش تاخيري كه داده در طول مس) 2

. كند دارد سينك، تحمل مي

را ها گرهاي متجانس از شود، مجموعه بررسي مي پروتكلاي كه به وسيله اين مدل شبكه

، ها گرهشود كه فرض مي. اند يك ناحيه جغرافيايي آرايش يافتهكند كه در داخل فرض مي

توانايي ها گرهبه عالوه . هاي ساير حسگرها را داشته باشند اطالعات و دانش كلي درباره موقعيت

ممكن استها گره. هاي دلخواه را دارند ن محدودهپوشش داد كنترل توان خودشان به منظور

بندي دسترسي چندگانه با تقسيم قابليت دارايهاي راديويي گيرنده-همچنين به وسيله فرستنده

ايستگاه آوري و تحويل داده به يك سينك مثال يك ها جمع گرهمسئوليت . مجهز شده باشند كد

هدف، توسعه و بهبود يك ساختار مسيريابي و يك طرح تراكم به منظور . سيم است بيپايه

با كمترين تاخير است، در حالي ايستگاه پايهكاهش مصرف انرژي و تحويل داده متراكم شده به

ها، كه بر روي برخالف ساير پروتكل .ي حسگر متعادل شده استها گرهانرژي بين كه مصرف

آوري داده و خوشه، براي جمعمراتبي مبتني بر ختار درختي و يا يك ساختار سلسلهيك سا

بر اساس اين .گيرد ، يك ساختار زنجيري را به كار مي PEGASIS، روشپخش داده تكيه دارند

ساختار زنجير، با دورترين . كنند هايشان ارتباط برقرار مي ترين همسايه ديكها، با نز گرهساختار،

ي شبكه به صورت تصاعدي و با شروع از نزديكترين همسايه ها گره.شود گره از سينك شروع مي

يي كه در حال حاضر در ها گرهتوان گفت كه در واقع مي. شوند ، به زنجير اضافه مي آخريگرهبه

نزديك ترين همسايه به . شوند حالت حريصانه به زنجير اضافه ميدر يك ند،خارج زنجير هست

51

در بر ها گره، تا جايي كه همه شود و به همين ترتيب راس در زنجير جاري، اول اضافه مي گره

قدرت سيگنال را به منظور ،گرهبراي مشخص كردن نزديك ترين همسايه، يك .گرفته شوند

،گره، با استفاده از اين اطالعات.گيرد اش به كار مي هاي همسايه گره، تا همه گيري فاصله اندازه

.، بتواند شنيده شودگره نزديك ترين هاي دادهكند كه فقط قدرت سيگنال را طوري تنظيم مي

رهبر،انتقال داده گرهمسئوليت . شود به عنوان رهبر زنجير انتخاب مي در داخل زنجير،گرهيك

به منظور اطمينان از چرخش نقش PEGASISدر روش . است ايستگاه پايه همتراكم شده ب

به عنوان رهبر زنجير در آن دوره I mod Nرهبريت بين گره هاي مختلف، در هر دوره، گره

نشان دهنده كل تعداد N به شماره دوره جاري اشاره ميكند و I انتخاب ميشود كه در اين رابطه

.گره ها در شبكه است

نقش رهبري زنجير، در بين مكانهاي مختلف زنجير، بعد از هر راوندي ن انتخاب، با اي

از يك ) انتقال(گذار توانند به وسيله سينك داده مديريت شوند و ها مي دوره.كند انتقال پيدا مي

ه وسيله سينك داده منتشر شده دوره به دوره ديگر، به وسيله يك موج راديويي با توان باال كه ب

مصرف انرژي متعادل ي زنجير،ها گرهاين چرخش نقش رهبريت در بين . يابد دش مياست، گر

يي كه ها گرهاما به هر حال، . كند ، تضمين ميهاي شبكه گرهاي را از لحاظ ميانگين، در بين شده

شوند، ممكن است به طور دلخواه و يا قراردادي به عنوان نقش رهبريت زنجير در نظر گرفته مي

وان بااليي به ، ممكن است الزم باشد با تگرهيچنان . ده دور در نظر گرفته شونداز سينك دا

اكم داده در اين روش، در طول زنجير تر. ، انتقال دهدايستگاه پايههايش به منظور رساندن داده

تواند به صورت متوالي و طبق روند ، ميترين شكل آن، فرآيند تراكم در ساده. آيد به دست مي

: شودزير انجام

. فرستد خري در انتهاي سمت راست زنجير مي آگره را براي 1، يك نشانهتدا، رهبر زنجيراب

زنجير، و به طرف اش را به همسايه پايين دستش در انتهايي، دادهگره، به محض دريافت نشانه

به همسايه پايين دستش كند و آن را گره همسايه، داده را متراكم مي. دهد رهبر انتقال مي_________________________________________________________

1 Token

52

به . كند تا زماني كه داده متراكم شده،به رهبر برسد اين فرآيند ادامه پيدا مي. دهد نتقال ميا

و آنها را به سينك داده كند رهبر، داده را متراكم ميمحض دريافت داده از هر دو طرف زنجير،

قبل از اين كه ، با وجود سادگي اين روش، اما طرح متراكم كردن متوالي.كند منتقل مي

. ني خواهد شد تحويل داده شوند، منجر به تاخيرهاي طوالايستگاه پايههاي متراكم شده به دهدا

چنان طرح پي . تاخير در پاسخگويي استPEGASISدر واقع يكي از مهمترين عيبهاي روش

نتوانند بدون ، انتقاالت همزمان نزديك،ي كه به طور قراردادياي، به هر حال در صورت در پي

، براي كاهش تاخير مورد يك راه بالقوه. است الزامي باشندنالي انجام شوند، ممكن تداخل سيگ

، در طول فاده از متراكم ساختن موازي دادهنياز براي تحويل داده متراكم شده به سينك، است

به اين ترتيب دهد، اليي از موازي كردن را به دست مييك روش كه درجه با. زنجير است

دسترسي چندگانه با هايي كه قابليت گيرنده-با فرستنده ي حسگر،ها رهگآيد كه دست مي به

قابليت اضافه شده، براي اجراي ارتباطات نزديك و . دارند، مجهز شده باشندبندي كد را تقسيم

مراتبي بر روي زنجير استفاده تواند به منظور پوشش دادن يك ساختار سلسله بدون تداخل مي

در هر .ر جاسازي شده موجود براي متراكم نمودن داده استفاده كرد، از ساختاشود و نتيجتاً

مراتب، با يك همسايه نزديكشان در سطحي شده از سلسله ، در يك سطح دادهها گره، اي دوره

اين فرآيند، تا زماني كه داده متراكم شده، . كنند مراتب موجود ارتباط برقرار مي باالتر از سلسله

سپس رهبر، داده متراكم . كند برسد ادامه پيدا مي آن سلسله است،به رهبر كه در سطح راس

.كند منتقل ميايستگاه پايهشده نهايي را به

روشهاي مسيريابي مطلع از انرژي -3-4

در ادامه الگوريتمهاي مسيريابي پيشنهاد شده براي شبكه هاي حسگر بيسيم، روشهاي

در حقيقت، اين . ل عمر شبكه بودديگري معرفي شدند كه هدف اصليشان افزايش دادن طو

دسته از الگوريتمها توجه اصلي شان را بر توزيع يكنواخت مصرف انرژي بين گره ها و نتيجتا

.افزايش طول عمر شبكه به ازاي مصرف انرژي مشخصي قرار دادند

53

در همه الگوريتمهاي مسيريابي اي كه بر اساس انرژي باقيمانده گره ها به تصميم گيري

. ازند، فرض اطالع از انرژي به وسيله هر گره حسگر در هر لحظه در نظر گرفته شده استمي پرد

در حقيقت هر گره با اطالع از انرژي اوليه اش و دانستن تعداد بسته هاي انتقالي اش ميتواند

در ادامه تعدادي از . تخميني از انرژي باقيمانده اش را در هر لحظه در اختيار داشته باشد

توجه شود كه .مهاي مسيريابي مطلع از انرژي براي اين شبكه ها را معرفي خواهيم كردالگوريت

براي بررسي عملكرد آنها از لحاظ طول عمر 2LND و1FND در مورد اين الگوريتمها، دو معيار

، مدت زماني را مشخص مي كند كه FNDمعيار . ]37و27و26و25[شبكه استفاده خواهد شد

. گره حسگر داخل شبكه انرژيش تمام شده و يا به عبارت ديگر بميردطول مي كشد تا اولين

مدت زماني كه طول ميكشد تا همه گره هاي داخل شبكه بميرند را ،LNDمعيار دوم يعني

.در حقيقت معيار دوم، مقياسي از طول عمر كلي شبكه خواهد بود. محاسبه ميكند

LEACHبندي بهبود يافته روش مبتني بر خوشه -3-4-1

، آن است كه بدون توجه به انرژي باقيمانده گره LEACH روش از مهمترين عيبهاييكي

اين امر موجب اتالف انرژي و در برخي موارد . ها در مورد نقش آنها تصميم گيري مي كند

در اين .ممكن است منجر به تخليه بسيار سريع انرژي سرگروه ها و مختل شدن كار شبكه گردد

، روشي پيشنهاد گرديد كه بر LEACHملكرد روش مبتني بر خوشه راستا به منظور بهبود ع

].19[اساس آن انتخاب سرگروه ها بر اساس انرژي باقيمانده آنها در هر مرحله صورت مي پذيرد

براي اين منظور، در مرحله انتخاب سرگروه تعداد از قبل تعيين شده اي از گره ها كه

. اير گره ها دارند به عنوان سرگروه انتخاب خواهند شدانرژي باقيمانده بيشتري در مقايسه با س

در مرحله اول و در ابتداي كار، از آنجايي كه همه گره ها انرژي يكساني دارند، تعداد مشخصي از

سپس در مراحل بعد، از آنجايي كه . گره ها به صورت تصادفي به عنوان سرگروه انتخاب ميشوند_________________________________________________________

1 First Node Die-FND 2 Last Node Die-LND

54

اهد بود، آنهايي كه انرژي باقيمانده بيشتري دارند به عنوان انرژي باقيمانده گره ها متفاوت خو

مراحل انتقال بسته هاي داده در اين روش دقيقاً مشابه با روش . سرگروه انتخاب مي شوند

LEACHاست .

، حاكي از آن است LEACHنتايج شبيه سازيها براي مقايسه روش پيشنهادي و روش

].19[ عمل خواهد كردLEACHه ها بهتر از روش كه روش مبتني بر انرژي باقيمانده گر

ERAبندي مطلع از انرژي باقيمانده الگوريتم خوشه -3-4-2

پيشنهاد شده براي اين شبكه ها كه براي افزايش طول خوشهدر ادامه روشهاي مبتني بر

مي ناميم براي مسيريابي در ERAعمر پيشنهاد شد، يك روش مطلع از انرژي ديگر كه ما آن را

همانطور كه از نام اين روش برمي آيد، يكي از .]37[هاي حسگر بيسيم معرفي شد شبكه

مهمترين معيارها براي تصميم گيري در مورد انتخاب مسير، انرژي باقيمانده گره هاي موجود در

در حقيقت بر خالف اكثر روشهاي قبلي كه سعي در مينيمم كردن طول . آن مسير خواهد بود

تند، اين روش با مدنظر قرار دادن انرژي، سعي در ماكزيمم كردن انرژي مسير پيموده شده داش

.باقيمانده مسير به وجود آمده از هر گره تا ايستگاه پايه خواهد نمود

ها را در هر دوره به عنوان ، تعدادي از گرهLEACH، دقيقاً مشابه با روش ERAروش

LEACHي داخل هر خوشه مانند اما نحوه تعيين اعضا. سرگروه خوشه انتخاب خواهد كرد

در اين روش ، بعد از آن كه سرگروه ها انتخاب شدند، هر سرگروه تخميني از انرژي . نخواهد بود

به دست 3-3باقيمانده اش براي انتقال بسته داده به ايستگاه پايه را با استفاده از رابطه ي

].37[خواهد آورد

)3-3 ( CSi )()()( ∈−= −−− iBStoiremCHiresCH EEE

iremCHE. ها است ، مجموعه سرگروه خوشهCSكه در اين رابطه )( ، انرژي باقيمانده −

iBStoE ام در دوره جاري وiسرگروه )( ام به ايستگاه i، انرژي الزم براي انتقال داده از سرگروه −

سپس هر سرگروهي مقدار انرژي باقيمانده تخميني اش را در داخل بسته . پايه را بيان مي دارد

55

اين فرآيند به .اعالن سرگروه بودنش قرار داده و آن را براي بقيه گره هاي شبكه مي فرستد

. وسيله همه گره هايي كه بعنوان سرگروه انتخاب شده اند انجام مي شود

حال گره هاي عادي بايستي يكي از سرگروه ها را براي قرار گرفتن در گروه مربوطه به

در اين مرحله، هر گره عادي نيز تخميني از انرژي .عنوان سرگروه خودشان انتخاب كنند

4-3ي فرستادن بسته به تك تك سرگروه هاي موجود طبق رابطهباقيمانده اش را برا

]. 37[زند مي

)3-4 (CjitoCHjremCHnonjresCHnon SiEEE ∈∀∈−= −−−− ,Sj )()()( N jremCHnonE مجموعه گره هاي عادي شبكه است و NSكه در اين رابطه، )( انرژي −−

jiEtoCHر دوره جاري را بيان ميكند و ام دjباقيمانده گره عادي انرژي الزم براي برقراري )(

. ام را بيان ميكندiام تا سرگروه jارتباط بين گره عادي

سرانجام هر گره عادي اين مقادير را براي همه سرگروه هاي موجود محاسبه كرده و

].37[ را ماكزيمم كند5-3رهي را به عنوان سرگروه خود انتخاب ميكند كه رابطه نهايتا گ

)3-5 ({ } NCjresCHnoniresCH SjSiEEMax ∈∈∀+ −−− ,)()(

ه وجود آمده از هر ها براي ماكزيمم كردن انرژي باقيمانده مسير ب به اين ترتيب خوشه

.گره عادي تا سرگروه و از سرگروه تا ايستگاه پايه تشكيل خواهد شد

، هر گرهي بسته داده اش را مستقيما براي LEACHدر مرحله بعدي، مشابه با روش

.سرگروه فرستاده و سرگروه ها نيز بسته هاي دريافتي را براي ايستگاه پايه خواهند فرستاد

، از لحاظ طول عمر شبكه در مقايسه ERAه روش مطلع از انرژي نتايج نشان ميدهند ك

. بهتر عمل خواهد كردLEACHبا روش

56

خالصه فصل -3-5

در اين فصل به معرفي برخي از روشهاي مسيريابي پيشنهادي پرداختيم كه منجر به ايده

شد كه گرفتن ما به منظور تركيب آنها و ابداع يك الگوريتم مبتني بر خوشه و چند پرشي جديد

عالوه بر روشهاي مسيريابي معرفي . در مقايسه با نمونه هاي مشابه قبلي بهتر عمل خواهد كرد

شده، الگوريتمهاي مسيريابي مختلف ديگري به منظور بهبود عملكرد شبكه و كاهش مصرف

انرژي براي شبكه هاي حسگر پيشنهاد شده اند كه همگي به نوعي داراي نقاط قوت و ضعف

در حقيقت به علت ويژگيهاي خاص شبكه هاي حسگر بيسيم و محدوديتهاي اين . بوده اند

شبكه ها ، امكان معرفي يك الگوريتم براي مسيريابي داده ها كه از هر لحاظ بر الگوريتمهاي

ديگر برتري يابد بسيار پايين است و ما در تمام حاالت چاره اي جز، مصالحه بين چند پارامتر

. نخواهيم داشت

صل چهارم ، ابتدا به بررسي و ارزيابي دو روش معروف و قديمي مسيريابي يعني در ف

LEACH و PEGASISسپس با بهره گيري از نتايج حاصله، . در اين شبكه ها خواهيم پرداخت

سپس روش . يك روش تركيبي مبتني بر خوشه و چند پرشي را پيشنهاد خواهيم كرد

.بخشيم ادغام كرده و نتايج را مجدداً بهبود ميERAژي پيشنهادشده خود را با روش مطلع از انر

فصل چهارم

شبيه سازيها و نتايج

مقدمه -4-1

در حقيقت، به منظور در اختيار . پردازيم نامه مي خش، به بررسي هدف اصلي اين پاياندر اين ب

ها با انرژي حداقل و اي بهبود يافته در مسيريابي دادهوشهداشتن اطالعات مفيد براي پيشنهاد ر

گوريتم مسيريابي اساسي و معروف در اين هاي حسگر، دوال همچنين افزايش طول عمر شبكه

ها را تحت شرايط مختلف بررسي كرده و در هر حالت انرژي الزم براي انتقال يك بيت از شبكه

براي داشتن ديد بهتر، ابتدا آزمايشات را براي . كرداطالعات به ايستگاه پايه را بررسي خواهيم

در مرحله بعد . اين دو الگوريتم بصورت جداگانه و سپس بصورت مشترك انجام خواهيم داد

روشهاي پيشنهادي خود را به منظور كاهش انرژي مصرفي و افزايش طول عمر شبكه معرفي

.خواهيم نمود

خوشهخاب شده است روش مبتني بر كه به منظور بررسي دقيق انتاولين روشي

LEACH ه براي اين پيشنهاد شدخوشه است كه در حقيقت اساس همه روشهاي مبتني بر

تمامي روشهاي علت انتخاب اين روش به منظور بررسي، آن است كه تقريباً .ها است شبكه

همگي به كنند ها كار مي كردن گره بندي لسله مراتبي و يا بر اساس خوشهديگري كه بصورت س

58

لذا ما اين روش را به عنوان اساس كار خود به . باشند عي بهبود يافته اين روش اساسي مينو

.ايم ، مبنا قرار دادهمنظور ارائه روش بهينه

PEGASISروش دومي كه به منظور بررسي انتخاب شده است، روش مبتني بر زنجير

هاي ده براي انتقال داده در شبكهفي ش، در حقيقت اين روش يكي از بهترين روشهاي معراست

انرژي مصرفي LEACH مانند خوشههاي مبتني بر سيم است و نسبت به روش حسگر بي

.كمتري دارد

وشهاي مبتني بر ما مبناي كار خود را بر اساس تركيب اين دو روش به منظور بهبود ر

ن به هدف خود موفق ه در رسيدايم و نتايج آزمايشات ما حاكي از آن است ك خوشه قرار داده

.ايم بوده

گيري و تخمين انرژي مصرفي اي كه براي اندازه هاي بعدي، ابتدا مدل انرژي در زير بخش

توجه شود كه اين مدل براي انجام . كنيم گردد را بيان مي شبكه مورد بحث استفاده مي

. گيرد ه قرار ميگيري انرژي مصرفي مورد استفاد سازيها براي اندازه آزمايشات و تمامي شبيه

. روش پيشنهادي خود را به تفصيل معرفي خواهيم كردسپس

مدل انرژي -4-2

با توجه به اين كه هدف ما مقايسه انرژي مصرف شده كل شبكه براي الگوريتمهاي موجود

محاسبه انرژي مصرفي درشرايط مختلف است لذا قبل از هر چيز الزم است مدلي استاندارد براي

. شته باشيمها دا در اين شبكه

مشابهي مدلهاي ها انجام گرفته است تقريباً سازيهايي كه براي اين شبكه در اغلب پياده

تمام شود لذا ما نيز مدل مشابهي را براي گيري انرژي كل شبكه استفاده مي براي اندازه

ين مدل، با توجه به اين كه در ا. ]38و37و36و23و20و15[دهيم آزمايشات خود مبنا قرار مي

زم است در مقايسه با هاي حسگر ال هاي داده در بين گره اي كه براي نقل و انتقال بسته نرژيا

كنيم كه قسمت عمده انرژي مصرفي هاي مصرفي شبكه چشمگيرتر است فرض مي ساير انرژي

59

هاي مصرفي مانند انرژي الزم فرستادن داده است و از ساير انرژيشبكه مربوط به دريافت و يا

هاي الزم براي پردازش اطالعات دريافت شده و غيره صرفنظر خواهيم ردن و يا انرژيك براي حس

به ) 1-4( از معادله d بيت داده بر روي فاصله Lدر اين مدل، انرژي الزم براي انتقال . كرد

]:38و37و36و23و20و15[يدآ ميدست

)4-1 ( Sctx deLELdLE ...),( +=

. اجراي مدارات فرستنده و يا گيرنده الزم استاي است كه براي انرژي پايه،cEدر اين رابطه

bitnJيك مقدار نمونه براي اين پارامتر Mbps1گيرنده -، براي يك فرستنده50/

فرستنده براي ارسال اي است كه تقويت كننده ، واحد انرژيe .]38و37و36و23و20و15[است

:گردد ي زير براي فواصل مختلف محاسبه مي معادلهكند و مطابق داده مصرف مي

)4-2 ( ⎩⎨⎧

>=<=

=cr2

cr1

dd if 4S , dd if 2S ,

ee

e

12مقادير نوعي . متر است2.86، فاصله آستانه است كه مقدار نوعي آن crdدر اين رابطه، ,ee

10/.2به ترتيب mbitpj0013.0/.4 و mbitpj38و37و36و23و20و15[باشد مي[.

از dبيت داده بر روي يك فاصله L همچنين در اين مدل، انرژي الزم براي دريافت

]:38و37و36و23و20و15[آيد رابطه زير به دست مي

)4-3 ( crx ELE .=

ام الزم است از jام به گره مقصد i بيت داده از گره مبدا Lبنابراين انرژي كلي كه براي انتقال

].38و37و36و23و20و15[آيد به دست مي) 4- 4(بطه را

)4-4 ( ).(),( 21,S

ji daaLdLE +=

Saaكه متغيرهاي ,, ].38و37و36و23و20و15[شوند تعريف مي) 5-4( مطابق رابطه 12

)4-5 ( 4,,2,,

.2

212

1

orSeorea

Ea c

===

60

هاي كمتر از فاصله توان فهميد، مدل انرژي براي فاصله همان طور كه از روابط باال مي

تر، اين مدل به يك مدل درجه آستانه، يك مدل درجه دوم است در حاليكه براي فواصل بزرگ

گردد، با هر در حقيقت وقتي فاصله پيموده شده از يك حدي بيشتر مي. شود چهار تبديل مي

.شود واحد افزايش فاصله انرژي مصرفي با توان چهار افزوده مي

و ارزيابيسازي شبيه -4-3

پردازيم و سپس يسازي و چگونگي انجام اين كار م در اين بخش، ابتدا به معرفي سناريوي شبيه

بيان خواهيم PEGASIS و LEACHها را براي دو روش سازيها و ارزيابي نتايج حاصل از شبيه

. كرد

سازي معرفي سناريوي شبيه-4-3-1

سازيها را به صورت دقيق بيان كنيم، ابتدا سناريويي كه براي انجام اين قبل از اين كه نتايج شبيه

.ي خواهيم كردآزمايشها استفاده گرديد را معرف

هاي حسگر بيسيم، همه حسگرها را مشابه و ثابت از آنجايي كه در اغلب كاربردهاي شبكه

سازيهاي خود از تعدادي گره حسگر مشابه كه به گيرند، ما نيز براي انجام شبيه در نظر مي

شماي ) 1-4(شكل . كنيم اند استفاده مي صورت تصادفي در يك محيط مربع شكل آرايش يافته

.دهد كلي آرايش تصادفي حسگرها در ناحيه مربعي را نمايش مي

61

XX

X*Xآرايش تصادفي حسگرها در يك ناحيه مربع شكل با ابعاد ): 1-4(شكل

ها بسته به اين كه آن آزمايش، چه پارامتري را بررسي خواهد كرد متفاوت تعداد گره

نمايش داده X*X صورت ، به)1- 4(همچنين، ابعاد ناحيه آرايش حسگرها كه در شكل . است

در ساير حاالت، . شده است به عنوان يك پارامتر تاثيرگذار در مصرف انرژي بررسي شده است

، احتمال انتخاب LEACHسازيهاي مربوط به روش در شبيه. مقدار اين پارامتر ذكر شده است

آنجايي كه به منظور از. شود تعريف مي(p=0.05)ها برابر با ها را تقريباً در همه آزمايش سرگروه

مقايسه نتايج به دست آمده، بايستي تمامي شرايط در همه آزمايشها ثابت باشند لذا ما چاره اي

بيان ] 17[مطابق آن چه كه در مرجع . نخواهيم داشتPجز انتخاب يك مقدار مشخص براي

ز جمله ابعاد شده تعيين بهترين مقدار احتمال انتخاب سرگروه ها تحت تاثير عوامل مختلفي ا

محيط آرايش حسگرها است اما به طور تقريبي ميتوان گفت كه براي هر تعداد گره، تعداد سه تا

در مورد (p=0.05)بنابراين انتخاب . گردد پنج خوشه منجر به كمترين ميزان مصرف انرژي مي

ررسي نتايج در ادامه آزمايشهاي خود به ب. گره بهترين نتيجه ممكن را خواهد داشت100تعداد

پردازيم و مالحظه ميشود آنچه كه به مي(p)حاصل از تغييرات مقدار احتمال سرگروه شدن

تمامي . بيان شده از لحاظ شهودي نيز تا حدي قابل بررسي است] 7[صورت تئوري در مرجع

62

همچنين ايستگاه . شوند و حركت ندارند يافتن در جاي خود ثابت فرض مي ها بعد از آرايش گره

.گيرد ايه نيز در محل مشخص و ثابتي قرار ميپ

آوري شده به وسيله تك دانيم، هدف مسيريابي انتقال اطالعات جمع گونه كه مي همان

به منظور بررسي مسئله مسيريابي، در تمامي آزمايشها طول . ها به ايستگاه پايه است تك گره

هاي و طول بسته(bytes) 525ايه را ها ايستگاه پ هاي داده انتقال داده شده از طرف گره بسته

منظور از بسته هاي سربار، بسته هاي داده كوچكي است . گيريم بيت در نظر مي100 را 1سربار

. در شبكه رد و بدل خواهد شد) غير از داده واقعي(كه به منظور انتقال برخي اطالعات اضافي

اي آمده است به گونه]20و17و16[ها مطابق آن چه كه در مراجع همچنين ميزان تراكم بسته

. باشدbytes 525شود كه طول بسته نهايي نيز، بعد از تراكم همان تعريف مي

بر روي BS در بخشي از آزمايشهاي خود به منظور بررسي دقيق اثر تغيير موقعيت

، دو سناريوي جداگانه را بررسي خواهيم PEGASIS و LEACHمصرف انرژي، در هر دو روش

نمايش داده شده است از ) 2-4(سناريوي اول، ايستگاه پايه را مطابق آنچه كه در شكل در . كرد

.دهيم مركز ناحيه مربعي شكل و بر روي يك خط قائم تا بيرون ناحيه تغيير مي

1000 m

500m

500m

500m

تغيير موقعيت ايستگاه پايه در سناريوي اول): 2-4(شكل

_________________________________________________________ 1 Overhead

63

و از بيرون ناحيه تا نقطه همجنين در سناريوي دوم ايستگاه پايه را بر روي قطر مربع

به خوبي ) 3-4(چگونگي اين تغييرات در شكل . مركزي داخل مربع جا به جا خواهيم كرد

.ايستگاه پايه در هر دو شكل به صورت يك ستاره نمايش داده شده است. اند نمايش داده شده

1000 m

500m (-200,-200)

500m

ومتغييرموقعيت ايستگاه پايه در سناريوي د): 3-4(شكل

MATLABسازي به كمك نرم افزار روش انجام شبيه -4-3-2

افزار سازيها از يك نرم شود كه به منظور انجام شبيه در كارهاي مربوط به شبكه، معموالً سعي مي

مخصوص آن زمينه استفاده شود و در اينگونه موارد، در اغلب اوقات بسياري از پروتكلهاي

سازي را تسريع افزارها، امر شبيه ا استفاده از اين نرماند و لذ سازي شده معروف از قبل پياده

سيم، به دليل اينكه از پيدايش آنها هاي حسگر بي اين موضوع در مورد شبكه. خواهد بخشيد

ترين و از آنجايي كه در دسترس. زمان زيادي نگذشته است كار ما را با مشكل مواجه كرد

بود كه در اليه شبكه و بخش NS2ها نرم افزار همعروفترين نرم افزار موجود در مورد اين شبك

سازيهاي مفيدي وجود نداشت، همه اين موانع ما را بر آن داشت تا ها، پياده مسيريابي داده

توجه شود كه به دليل اين كه در . انجام دهيمMATLABسازيهاي خود را در محيط شبيه

بيت به ايستگاه پايه، تنها توپولوژي فرآيند مسيريابي و محاسبه انرژي الزم براي انتقال يك

گراف شبكه مهم است و فاكتورهاي ديگر نقشي ندارند، لذا اگر بتوانيم شبكه مورد بحث را به

64

هاي پيموده شده را محاسبه كنيم سازي كنيم و تعداد ارتباطات و فاصله وسيله يك گراف شبيه

براي اين منظور در همه حاالت . متوانيم تخمين درستي از انرژي مصرفي شبكه داشته باشي مي

تعدادي گره در موقعيتهاي تصادفي و با توزيع يكنواخت ايجاد MATLABبه وسيله نرم افزار

سازي الگوريتمهاي مورد نظر را نوشتيم و از سپس كدها و دستورهاي الزم براي پياده. كرديم

معرفي گرديد، براي نيز به تفصيل2- 4يك مدل مرجع كه در همه مقاالت آمده و در بخش

به منظور مقايسه بهتر و اطالع از ميزان صحت نتايج به . محاسبه مصرف انرژي استفاده كرديم

ها به ها و نسبت انحراف معيار داده ها، واريانس داده دست آمده، از سه معيار ميانگين داده

دمان آنها در ناحيه توجه شود از آنجايي كه آرايش حسگرها و نحوه چي. ميانگين استفاده كرديم

باشد لذا ما به منظور به دست آوردن نتايج دقيقتر، هر مربع شكل، كامالً به صورت تصادفي مي

هاي زماني مختلف و در دوره) آرايش مختلف1000در حدود ( آزمايش را با چيدمانهاي متفاوت

ت نتايج حاصله، تقريباً توان گف بنابراين مي. گيري كرديم تكرار كرديم و از نتايج حاصله ميانگين

نمودارهاي واريانس و نسبت انحراف معيار . ها صحيح خواهد بود مستقل از نحوه قرار گرفتن گره

. اند به ميانگين نيز به منظور نمايش ميزان دقت نتايج حاصله در برخي حاالت نمايش داده شده

:ب اجرا شدند مراحل زير به دقت و به ترتيLEACHبه منظور پياده سازي الگوريتم

ها توليد يك عدد تصادفي بين صفر و يك به وسيله همه گره )1

مقايسه عدد توليد شده با يك آستانه انتخاب سرگروه )2

در صورتيكه عدد -گيري در مورد نقش گره بر اساس نتيجه مقايسه با آستانه تصميم )3

صورت شود و در غير اين مفروض كوچكتر از آستانه باشد به عنوان رهبر انتخاب مي

.گردد به عنوان گره عادي معرفي مي

هاي ديگر شبكه اعالن نقش رهبري به وسيله ارسال يك بسته به همه گره )4

هر - ها ها تا سرگروه ها بر اساس معيار حداقل كردن فاصله بين گره ساختن خوشه )5

.اش تا سرگروه آن خوشه، حداقل باشد اي است كه فاصله گرهي متعلق به خوشه

65

ته از طرف هر گره به سرگروه متناظرش به منظور اعالم قرار گرفتن در ارسال يك بس )6

خوشه مربوطه

هاي داخل هر خوشه از سازي زماني به گره فرستادن يك بسته حاوي جدول تسهيم )7

طرف سرگروه آن خوشه براي جلوگيري از بروز تداخل

تباط ها به صورت ار هاي داخل هر خوشه به سرگروه هاي داده گره ارسال بسته )8

مستقيم در زمان مشخص شده براي آنها

ها و هاي دريافت شده از اعضاي هر خوشه به وسيله سرگروه متراكم نمودن بسته )9

BSارسال بسته نهايي به صورت ارتباط مستقيم به

:سازي كرديم مراحل زير را به ترتيب پيادهPEGASISسازي روش سپس به منظور شبيه

به عنوان گره راس زنجير BS گره به دورترين انتخاب )1

اضافه شدن نزديكترين گره به گره راس زنجير به عنوان گره دوم زنجير )2

اضافه شدن نزديكترين گره به آخرين گره موجود در زنجير در هر مرحله تا ساخته )3

هاي موجود در شبكه شدن ساختار زنجيري متشكل از همه گره

نشان دهنده N در اين رابطه -ر زنجيرام به عنوان رهبI در دوره I mod Nانتخاب گره )4

هاي موجود در شبكه است كل تعداد گره

هاي موجود در زنجير از اعالن نقش رهبري به وسيله ارسال يك بسته نشانه به همه گره )5

طرف گره رهبر

اش تا رسيدن به رهبر هاي داده بين هر گره و گره همسايه ارسال دست به دست بسته )6

اش را با بسته داده خودش تركيب كرده و داده دريافتي از همسايه هر گره بسته -زنجير

.فرستد سپس آن را براي گره همسايه بعدي مي. كند متراكم مي

هاي دريافتي به وسيله گره رهبر زنجير و ارسال مستقيم متراكم نمودن نهايي همه بسته )7

.BSآن بسته به

66

LEACHسازي روش ارزيابي نتايج شبيه -4-3-3

يكي از بهترين روشهايي كه به منظور كاهش مصرف انرژي گفتيم،قبالً نيزگونه كه انهم

سيم پيشنهاد گرديد، روشي هاي حسگر بي ها به سمت ايستگاه پايه براي شبكه در مسيريابي داده

. كرد ها و بر اساس يك آستانه مشخص عمل مي بندي كردن تصادفي گره بود كه بر مبناي دسته

شود مبناي بسياري از ديگر روشهاي مبتني بر خوشه قرار ناميده ميLEACH اين روش كه

ها مد گرفته و همواره به عنوان يك ايده اوليه براي بهبود مصرف انرژي در امر مسيريابي داده

لذا ما به منظور بررسي دقيقتر نحوه عملكرد اين روش، انرژي مصرفي آن را ]. 17و16[نظر است

براي اين منظور، اثر برخي از پارامترهاي موثر بر . ايم ورد بررسي قرار دادهتحت شرايط مختلف م

توان فهميد فاصله پيموده ، مي)4- 4(همانگونه كه از معادله . ايم انرژي را براي آن بررسي كرده

عواملي از قبيل . شده براي انتقال بسته داده، يكي از مهمترين عوامل تاثيرگذار بر انرژي است

از اين به بعد ناحيه (حيه آرايش حسگرها و فاصله ايستگاه پايه از ناحيه آرايش حسگرها ابعاد نا

هاي و به عبارت بهتر موقعيت ايستگاه پايه، همچنين تعداد گره) شود مربع شكل خوانده مي

هاي داده تاثيرگذارند و جزء حسگر در ناحيه مربعي، بر فاصله پيموده شده به وسيله بسته

در زير بخشهاي بعدي چگونگي اثر تغيير اين . رد تغيير مصرف انرژي خواهند بودمهمترين موا

پارامترها را بر ميانگين، واريانس و نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي مصرفي مالحظه

همچنين به منظور نمايش بهتر تغييرات، در همه آزمايشات محور عمودي در . خواهيد كرد

.شود دسيبل رسم ميمقياس لگاريتمي و بر حسب

بررسي اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر روي انرژي مصرفي براي -4-3-3-1 يك بيت

پيداست يكي از مهمترين عواملي كه بر انرژي مصرفي شبكه اثر)4- 4(همان طور كه از رابطه

ها آنجايي كه هدف اصلي در اين شبكهاز. و گره مقصد استگذارد فاصله بين گره مبدا مي

67

در هاي داده حس شده به وسيله حسگرها به ايستگاه پايه نهايي است كه معموالً بستهانتقال

گيرد، لذا ما به منظور بررسي اثر تغيير موقعيت ايستگاه ناحيه آرايش حسگرها قرار ميخارج

پايه بر انرژي مصرفي براي يك بيت، مطابق آن چه گفته شد دو سناريوي جدا را بررسي خواهيم

اي كه ناحيه(دا مطابق سناريوي اول، ايستگاه را از نقطه مركزي ناحيه مربع شكل ابت. كرد

متر از ناحيه 500اي در خارج ناحيه مربعي و به فاصله تا نقطه) اند حسگرها در آن آرايش يافته

ها احتمال انتخاب سرگروه خوشه. باشد مي1000*1000ابعاد ناحيه مربعي شكل . ايم جابجا كرده

، چگونگي تغييرات انرژي مصرفي براي )4- 4(شكل . در نظر گرفته شده است(p=0.05)مقدار

. دهد تغيير موقعيت ايستگاه پايه را نمايش مي

500 1000 1500-42

-40

-38

-36

-34

-32

-30

-28

-26 LEACH-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,x)N=50N=100N=400N=1000

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت بـه ايـستگاه پايـه در ): 4-4(شكل بر روي محور افقي x گيرد كه مقدار قرار مي (x,500) در موقعيتهاي در اين آزمايش ايستگاه پايه .LEACHروش

. آزمايش براي پنج حالت مختلف با تعداد گره هاي كم و زياد صـورت گرفتـه اسـت . نموداردر حال تغيير است . انتخاب شده است(p=0.05)احتمال سرگروه شدن براي هر تعداد گره برابر با

با افزايش فاصله ايستگاه كه براي هر تعداد گره حسگرشود مالحظه مي،)4-4(شكل از

اين امر با توجه به . يابد راي انتقال يك بيت نيز افزايش ميپايه از ناحيه مربع شكل، انرژي الزم ب

همچنين . آيد طبيعي به نظر مي كامالً مصرفي به فاصله پيموده شده،وابستگي مستقيم انرژي

زياد شده است، براي اصله ايستگاه پايه از ناحيه مربع شكل شود كه براي حالتي كه ف ديده مي

شده است، در واقع علت اين پديده حداكثر بسيار زياد و انرژي مصرفي (N=10) ها تعداد كم گره

68

ر زيرا د. پايين انتخاب سرگروه در چنين مواردي بيان كرد توان با توجه به احتمال بسيار را مي

روش توان گفت عمالً نزديك صفر بوده و مي، تقريباًوهاين صورت احتمال انتخاب سرگر

LEACHها، قيقت براي تعداد بسيار پايين گرهدر ح. دهد بندي را انجام نمي هيچگونه دسته

شود به اين و همين منجر ميكند به درستي كار نميLEACHآستانه انتخاب سرگروه در روش

هايشان را براي ايستگاه پايه ور مستقيم دادههاي حسگر به ط كه تعداد نسبتاً زيادي از گره

همچنين براي ناحيه اي با ابعاد بزرگ، وقتي .بفرستند و لذا انرژي مصرفي بسيار زياد خواهد بود

ها هاي حسگر بسيار زياد شده و لذا حتي درون خوشه ها كم است فاصله بين گره كه تعداد گره

.بنابراين انرژي مصرفي حداكثر خواهد شد. د بودنيز ارتباطات از نوع مدل مرتبه چهار خواهن

شود كه تا زماني كه ايستگاه پايه از ناحيه از طرفي از مقايسه شيب نمودارها مالحظه مي

با افزايش فاصله ايستگاه پايه (N=1000)ها است براي تعداد بسيار زياد گرهمربعي خارج نشده

نزديك به صفر است و با تغيير موقعيت ايستگاه تا مركز ناحيه مربع شكل، شيب نمودار تقريباً

ها حتي براي زماني در حالي كه براي تعداد كم گره. دخيلي تغيير نخواهد كرانرژي مصرفي پايه،

كند نمودار مصرف انرژي شيب زيادي خواهد داشت و تغيير مي ، پايه داخل ناحيهكه ايستگاه

وجيه كرد كه براي تعداد زياد گونه ت توان اين مياين مشاهدات را . كند انرژي مصرفي تغيير مي

هاي حسگر، بسيار ناچيز بوده و تغيير موقعيت ايستگاه در داخل ها، در واقع فاصله بين گره گره

در حالي كه براي تعداد . تناحيه بر روي كل مسافت پيموده شده تاثير چنداني نخواهد گذاش

يكديگر زياد است، لذا دور شدن ايستگاه پايه از مركز ها از ها، از آنجايي كه فاصله گره كم گره

ها تا آن ايستگاه بسيار زياد شود و لذا تغييرات شود فاصله برخي گره ناحيه مربعي، باعث مي

.تر گردد ف انرژي نيز قابل مالحظهمنحني مصر

به منظور مقايسه دقيقتر ما همين آزمايش را براي حالتي كه مقدار احتمال انتخاب

باشند نيز مجدداً تكرار (p=0.2) و(p=0.01)ها براي هر تعداد گره برابر با روه خوشهسرگ

.دهند نمايش ميpنتايج را به ترتيب براي اين دو مقدار ) 6-4(و ) 5-4(هاي شكل. كنيم مي

69

500 1000 1500-42

-40

-38

-36

-34

-32

-30

-28

-26LEACH-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,x),p=0.01N=50N=100N=400N=1000

ه پايـه در اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيـت بـه ايـستگا ): 5-4(شكل بـر روي محـور x قرار مي گيرد كه مقـدار (x,500)در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي .LEACHروش

آزمايش براي پنج حالت مختلف با تعداد گره هاي كم و زيـاد صـورت گرفتـه . افقي نموداردر حال تغيير است . گرفته شده است در نظرp=0.01احتمال سرگروه شدن در همه حاالت برابر با . است

500 1000 1500-42

-40

-38

-36

-34

-32

-30

-28LEACH-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,x),p=0.2N=50N=100N=400N=1000

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه در روش ): 6-4(شكل

LEACH. در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي(500,x) قرار مي گيرد كه مقدار x بـر روي محـور افقـي . حالت مختلف با تعداد گره هاي كم و زياد صـورت گرفتـه اسـت آزمايش براي پنج . نموداردر حال تغيير است

. در نظر گرفته شده استp=0.2احتمال سرگروه شدن در همه حاالت برابر با

از هر دو نمودار، باز هم ميتوان به روند صعودي مصرف انرژي براي انتقال يك بيت با

، آن است كه 6- 4ب توجه در نمودارنكته جال. افزايش فاصله ايستگاه پايه از ناحيه مربعي رسيد

70

آيد، در حالي كه در دو گره بدست مي(N=1000)بيشترين مقدار مصرف انرژي براي تعداد

بيشترين مقدار مصرف انرژي براي تعداد (p=0.01,p=0.05)حالت ديگر يعني نمودارهاي

(N=10)علت اين پديده آن است كه در حالتي كه . گره بدست آمد(p=0.2) هر چهار دوره است

ها به عنوان شود و در اين حالت همه گره ها برابر با يك مي يك بار مقدار آستانه انتخاب سرگروه

ها بسيار زياد باشد قطعاً شوند و لذا براي اين حالت، وقتي تعداد گره سرگروه خوشه انتخاب مي

مستقيماً ارتباط BSا ها ب انرژي مصرفي نيز حداكثر مقدار ممكن را خواهد داشت زيرا همه گره

به درستي عمل نخواهد كرد و هيچگونه LEACHكنند و لذا در اين حالت روش برقرار مي

ها نيز آستانه انتخاب سرگروه، مقادير همچنين در بقيه دوره. بندي انجام نخواهد داد خوشه

ها بعنوان ز گرهشود كه تعداد زيادي ا را اختيار ميكند و اين امر باعث مي(T=0.5)بزرگي مانند

، تقريباً در تمام حاالت LEACHتوان نتيجه گرفت كه روش بنابراين مي. سرگروه انتخاب شوند

ها به درستي كار نخواهد براي تعداد بسيار زياد و يا بسيار كم گره) pبه ازاي مقادير مختلف (

.كرد

بهتر بررسي كنيم پايهبراي آنكه بتوانيم تغييرات انرژي مصرفي را با دورشدن ايستگاه

.دهيم گره افزايش مي100 با اندازه گام (N=1000) تا (N=400)هاي حسگر را از تعداد گره

.دهد ، نتايج اين بررسيها را نمايش مي)7-4( شكل

71

500 1000 1500-39

-38

-37

-36

-35

-34

-33 LEACH-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=400,Area=1000*1000,BS=(500,x),p=0.05N=500N=600N=700N=800N=900N=1000

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت بـه ايـستگاه پايـه در ): 7-4(شكل بـر روي محـور x قرار مي گيرد كه مقـدار (x,500)در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي -LEACHروش

گـره صـورت گرفتـه 400آزمايش براي هفت حالت مختلف با شروع از تعـداد . افقي نموداردر حال تغيير است . در نظر گرفته شده استp=0.05احتمال سرگروه شدن برابر با . است

در . ها انرژي مصرفي نيز افزايش يافته است با افزايش تعداد گرهشود كه مالحظه مي

ها و ديگري يكي ارتباطات درون خوشه. داريم، ما دو نوع ارتباط LEACHحقيقت در روش

كه بسته به اينكه كداميك از اين ) يا خوشهارتباط برون (ها و ايستگاه پايه خوشهارتباطات بين

در واقع با افزايش تعداد . ودكند مصرف انرژي متفاوت خواهد بنوع ارتباطات، بر ديگري غلبه

نها زياد آيابد اما تعداد ها كاهش مي ارتباطات درون خوشهها از يكسو فاصله پيموده شده در گره

.شود ايستگاه پايه نيز زياد ميها و عداد ارتباطات بين سرگروههمچنين ت. شود مي

با زياد شدن LEACHينگونه نتيجه گرفت كه در روش توان ا بنابراين از اين مشاهدات مي

ها و ايستگاه پايه بر انرژي مصرفي براي نرژي مصرفي براي ارتباطات سرگروهها، ا تعداد گره

متعاقب آن زياد شدن ها و و لذا با زياد شدن تعداد گرهكند ها غلبه مي خوشهدرون ارتباطات

اما نكته قابل تامل آن .شود ل يك بيت نيز زياد مي، انرژي مصرفي براي انتقاها تعداد سرگروه

براي همه حالتها به يك مقدار است كه با دور شدن ايستگاه پايه از ناحيه، انرژي مصرفي تقريباً

، براي LEACHاين بدان معني است كه در روش . كند مشخص و بسيار نزديك به هم ميل مي

ي بسيار غالب خواهند بود و ا خوشه ارتباطات برون فواصل زياد بين ايستگاه پايه و ناحيه مربعي،

72

ما به منظور بررسي دقت اطالعات به .اند اي را تحت الشعاع قرار داده خوشه ارتباطات درون عمالً

كنيم كه بيانگر نسبت انحراف معيار اطالعات به دست دست آمده، نمودار ديگري را بررسي مي

توان فهميد كه انرژي مصرفي، با تغيير ز اين نمودار ميدر حقيقت ا. آمده به ميانگين انرژي است

، اين نسبت را براي حالتي كه ايستگاه پايه )8- 4(شكل . شرايط مختلف چگونه تغيير خواهد كرد

.دهد ايم نمايش مي را از داخل ناحيه مربعي تا خارج آن جابجا كرده

500 1000 1500-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2LEACH-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Stan

dard

Dev

iatio

n to

Mea

n of

Ene

rgy-

dB

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,x),p=0.05N=50N=100N=400N=1000

معيار به ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر نسبت انحراف ): 8-4( شكل

قرار مي گيرد كه مقدار (x,500)در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي -LEACHبه ايستگاه پايه در روش x آزمايش براي پنج حالت مختلف براي تعداد گره هاي كم و زياد . بر روي محور افقي نموداردر حال تغيير است

.در نظر گرفته شده است p=0.05احتمال سرگروه شدن برابر با . استصورت گرفته

ها بسيار دقيقتر به دست آمده براي تعداد زياد گرهرفت نتايج همان گونه كه انتظار مي

بسيار كمتر از بقيه (N=1000)يا به عبارت ديگر، نسبت انحراف معيار به ميانگين براي . است

شود ها زياد مي بيان كرد كه هنگاميكه تعداد گرهتوان اينگونه اين مشاهدات را مي. حالتهاست

ي محاسبه لذا انرژ. توانند خيلي تغيير كند آرايش آنها در داخل يك ناحيه با ابعاد مشخص نمي

در . تها مقدار مشخصي خواهد داش ل از آرايش گره مستق، تقريباًشده براي انتقال يك بيت

لذا . ر نظر گرفتتوان براي يك ناحيه د آرايشهاي مختلفي را ميها، حالي كه براي تعداد كم گره

بر انرژي ها در داخل آن ناحيه بسيار متفاوت خواهد بود و اين امر كامالً نحوه چيدمان گره

.گذارد مصرفي تاثير مي

73

، اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه را درهمين آزمايش بر روي واريانس انرژي )9-4(شكل

.دهد هاي حسگر نمايش مي تعداد مختلف گرهمصرفي براي

500 1000 1500-100

-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65LEACH-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

The

Varia

nce

of E

nerg

y pe

r Bit(

Joul

e2 -dB)

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,x)N=50N=100N=400N=1000

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه برواريانس انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه در روش ): 9-4(شكل

LEACH- در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي(500,x) قرار مي گيرد كه مقدار x بـر روي محـور افقـي . آزمايش براي پنج حالت مختلف براي تعداد گره هاي كم و زياد صورت گرفته اسـت . ر است نموداردر حال تغيي

. در نظر گرفته شده استp=0.05احتمال سرگروه شدن برابر با

ها با دور شود كه در همه حاالت براي تعداد مشخصي از گره ، ديده مي)9-4(از شكل

توان اين گونه بيان علت اين مشاهدات را مي. ودش شدن ايستگاه پايه، واريانس انرژي نيز زياد مي

ها و يا به عبارت ديگر شود، نحوه آرايش سرگروه تا حسگر زيادتر ميBSكرد كه وقتي فاصله

زيرا در اين حالت فاصله . ها تاثير بيشتري بر انرژي خواهد گذاشت مكان قرار گرفتن سرگروه

شود لذا با انرژي از مرتبه چهار استفاده مي بسيار بيشتر است و مدل BSها نسبت به سرگروه

تغيير اندكي در فاصله، چون اين مقدار فاصله به توان چهار رسيده است، واريانس انرژي تغييرات

ها در يك ناحيه شود كه با افزايش تعداد گره همچنين مالحظه مي. دهد زيادي از خود نشان مي

كاهش يافته است علت اين پديده آن است كه با ابعاد ثابت، واريانس انرژي مصرفي به شدت

ها خيلي زياد باشد نحوه چيدمان و آرايش آنها و يا به عبارت ديگر مجموع وقتي تعداد گره

74

بنابراين براي ابعاد ثابت، . فواصل پيموده شده به وسيله آنها چندان قابل تغيير نخواهد بود

.يابد ها به شدت كاهش مي يش گرهواريانس و يا تغيير مصرف انرژي نسبت به تغيير آرا

ما حالتي را كه همانگونه كه گفته شد در سناريوي دوم به منظور رسيدن به نتايج دقيقتر،

در اين آزمايش، . كنيم كند بررسي مي ايستگاه پايه بر روي قطر ناحيه مربع شكل حركت مي

در . بيان شد.3-4 شكل مشابه آن چه كه درگيرد قرار مي(X,X)ايستگاه پايه در موقعيتهاي

يه در داخل ناحيه، از لحاظ حداقلخواهيم بدانيم بهترين موقعيت براي ايستگاه پا حقيقت مي

متوسط انرژي مصرفي براي ، اثر اين تغييرات را بر)10-4( شكل. مصرف انرژي كجا خواهد بود

.دهد انتقال يك بيت نمايش مي

-200 -100 0 100 200 300 400 500-42

-40

-38

-36

-34

-32

-30

-28

-26 LEACH-Second Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=10,Area=1000*1000,BS=(x,x),p=0.05N=50N=100N=400N=1000

پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه براي اثر تغيير موقعيت ايستگاه ): 10-4(شكل

(x,x)در اين آزمايش ايستگاه پايـه در موقعيتهـاي -LEACHروش. بر روي قطر مربع جابجا شود BSحالتي كه آزمايش براي پنج حالـت مختلـف بـا . بر روي محور افقي نموداردر حال تغيير است xقرار مي گيرد كه مقدار

. در نظر گرفته شده است p=0.05احتمال سرگروه شدن برابر با . عداد گره هاي كم و زياد صورت گرفته استت

گيرد براي شود كه هنگامي كه ايستگاه پايه در مركز ناحيه مربعي قرار مي مالحظه مي

ا توجه توان ب اين امر را مي. شده مينيمم مقدار را خواهد داشتها، انرژي مصرف همه تعداد گره

ها از ايستگاه پايه به طور ناگهاني به اين حقيقت توجيه كرد كه تحت اين شرايط، فاصله گره

توان به عنوان يك ايده اين نتيجه را مي. ها ناچيز خواهد بود تغيير نخواهد كرد و اختالف فاصله

75

كه ها را طوري بسازيم ها مدنظر قرار داد و سعي كنيم خوشه در هنگام انتخاب سرگروه

اين امر ميتواند در كاهش انرژي مصرفي تاثير . ها دقيقاً در مركز آن قرار گيرند سرگروه

.دهد ، صحت نتايج ما را نمايش مي)11-4(شكل . چشمگيري داشته باشد

-200 -100 0 100 200 300 400 500-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2LEACH-Second Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Stan

dard

Dev

iatio

n to

Mea

n of

Ene

rgy-

dB

N=10,Area=1000*1000,BS=(x,x),p=0.05N=50N=100N=400N=1000

اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم براي انتقـال يـك ): 11-4(شكل

قرار مـي گيـرد كـه (x,x)در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي -LEACH ايستگاه پايه در روش بيت به آزمايش براي پنج حالت مختلف براي تعداد گره هاي كم . بر روي محور افقي نمودار در حال تغيير است xمقدار

.ه شده است در نظر گرفتp=0.05احتمال سرگروه شدن برابر با . و زياد صورت گرفته است

گره از دقت (N=1000)اين نمودار ميتوان فهميد كه نتايج بدست آمده براي تعداد از

آيد و وابستگي نتايج به دقت نتايج پايينتر ميها كم شود هرچه تعداد گره و بااليي برخوردار است

.ها بيشتر خواهد شد نحوه آرايش گره

سگرها بر انرژي مصرفي براي ابعاد ناحيه آرايش حبررسي اثر تغيير 4-3-3-2 يك بيت

خواهيم اثر تغيير ابعاد ناحيه را بر روي انرژي مصرفي براي در اين بخش از آزمايشات خود مي

گره(N=100)آزمايشات خود را بر روي تعداد . انتقال يك بيت به ايستگاه پايه بررسي كنيم

76

چهاررا در ايستگاه پايه . گيريم ظر مي در نX*Xناحيه را مربعي شكل و با ابعاد . ايم انجام داده

.دهد نتايج اين آزمايش را نشان مي)12- 4(شكل . دهيم موقعيت مختلف قرار مي

100 200 300 400 500 600 700 800-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35LEACH

The First Dimension of Square Area-(X)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

Area=X*X,N=100,BS=(X/2,X/2),p=0.05Area=X*X,N=100,BS=(X/2,3X/4),p=0.05Area=X*X,N=100,BS=(X/2,3X/2),p=0.05Area=X*X,N=100,BS=(X/2,X+100),p=0.05

اثر تغيير ابعاد ناحيه آرايش حسگرها بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت بـه ايـستگاه ): 12-4(شكل

شود وايـستگاه پايـه در چهـار تعريف مي (X*X)صورت در اين آزمايش ابعاد ناحيه به -LEACHپايه در روش احتمال سرگروه شدن . بر روي محور افقي نمودار در حال تغيير است xگيرد كه مقدار موقعيت مختلف قرار مي

. در نظر گرفته شده استp=0.05برابر با

. يابد انرژي مصرفي افزايش ميشود كه با افزايش ابعاد ناحيه مالحظه مي)12- 4( شكلاز

ها نيز ها، اگر ابعاد ناحيه زياد شود فاصله بين گره علت اين امر آن است كه براي تعداد ثابت گره

زيرا فاصله . اي انرژي بيشتري مصرف خواهد شد شود و لذا براي ارتباطات درون خوشه بيشتر مي

شود كه ميهمچنين مالحظه. شود گيرند زياد مي هايي كه در داخل هر خوشه قرار مي بين گره

هرچه فاصله ايستگاه پايه از مركز مربع بيشتر شده و يا به عبارت ديگر، هرچه ايستگاه پايه

.گيرد متوسط مصرف انرژي نيز بيشتر شده است فاصله بيشتري از ناحيه مربع شكل مي

، تغييرات نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي را براي همين آزمايش )13-4(شكل

.نشان ميدهد

77

100 200 300 400 500 600 700 800-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2LEACH

The First Dimension of Square Area-(X)

Sta

ndar

d D

evia

tion

to M

ean

of E

nerg

y-dB

Area=X*X,N=100,BS=(X/2,X/2),p=0.05BS=(X/2,3X/4)BS=(X/2,3X/2)(X/2,X+100)

اثر تغيير ابعاد ناحيه آرايش حسگرها برنسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم براي انتقـال ): 13-4(شكل

تعريـف ميـشود (X*X) در اين آزمايش ابعاد ناحيـه بـه صـورت -LEACHيك بيت به ايستگاه پايه در روش . وي محور افقي نموداردر حال تغيير است بر ر xگيرد كه مقدار وايستگاه پايه در چهار موقعيت مختلف قرار مي

. در نظر گرفته شده استp=0.05احتمال سرگروه شدن برابر با

با بزرگ شدن ناحيه آرايش تقريباً در بيشتر حاالتشود كه مالحظه مي)13- 4(شكل از

براي علت اين امر آن است كه. حسگرها، نسبت انحراف معيار به ميانگين نيز بزرگ خواهد شد

ها نيز بيشتر ها، وقتي ابعاد ناحيه بزرگ شود امكان تغيير چيدمان براي گره عداد ثابت گرهت

شود و خواهد شد و لذا امكان تغيير انرژي محاسبه شده براي انتقال يك بيت داده هم، بيشتر مي

.بنابراين ميانگين به دست آمده خيلي دقيق نخواهد بود

هاي آرايش يافته بر انرژي مصرفي براي بررسي اثر تغييرتعداد گره 4-3-3-3 يك بيت

ها را بر روي انرژي مصرفي براي انتقال دن تعداد گرهخواهيم اثر زياد و كم ش در اين بخش، مي

(N=1000) تا (N=5)ها را از براي اين منظور تعداد گره.يك بيت به ايستگاه پايه بررسي كنيم

و 500*500تر، سه ناحيه مختلف با ابعاد قدهيم و براي نتيجه گيري دقي گره تغيير مي

78

كنيم كه ايستگاه پايه گيريم و در هر حالت فرض مي را در نظر مي2500*2500 و 1000*1000

، بيانگر طول ناحيه مربع شكل Xگيرد كه در اين رابطه قرار مي(X/2,X+300)در موقعيت

.دهد ، نتايج اين بررسيها را نشان مي)14-4(شكل . است

0 200 400 600 800 1000-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15LEACH

Number of Nodes-(N)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=500*500,BS=(250,800)Area=1000*1000,BS=(500,1300)Area=2500*2500,BS=(1250,2800)

اثر تغيير تعداد حسگرها بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه پايـه در روش ): 14-4(شكل

LEACH- در اين آزمايش ابعاد ناحيه به صورت (X*X) شود وايستگاه پايه در موقعيـت تعريف مي(X/2,X+300) در نظـر گرفتـه p=0.05ه شدن برابر با احتمال سرگرو . دهد طول ناحيه مربعي رانمايش مي Xقرار مي گيرد كه

.شده است

ها هر سه نمودار ابتدا شود كه با زياد شدن تعداد گره ، ديده مي)14-4(از نمودار شكل

علت اين مشاهدات را . كنند كنند و سپس مجدداً شروع به افزايش مي روند نزولي را طي مي

ها، آستانه انتخاب سرگروه در سيار كم گرهتوان اينگونه بيان كرد كه در ابتدا براي تعداد ب مي

شان را مستقيماً براي هاي داده ها بسته كند و لذا همه گره به درستي كار نميLEACHروش

ها سپس با زياد شدن تعداد گره. شود فرستند و لذا انرژي مصرفي بسيار زياد مي ايستگاه پايه مي

ار پيداست براي نواحي با ابعاد مختلف كه اين حد همان طور كه از نمود(از يك حد مشخص

يابد و از آنجايي كه تقريباً در همه اي نيز افزايش مي تعداد ارتباطات برون خوشه) متفاوت است

79

شوند لذا انرژي مصرفي نيز رو به موارد اين ارتباطات با مدل مرتبه چهار انرژي مدلسازي مي

تا 300هاي بين براي تعداد گرهLEACH شود كه روش بنابراين مالحظه مي. گذارد افزايش مي

ها يعني تعداد بسيار زياد و يا بسيار كم گره. تقريباً مينيمم مصرف انرژي را خواهد داشت500

. به درستي خوشه بندي را انجام ندهدLEACHباعث ميشود كه روش

. ايم م دادهبه منظور بررسي دقيقتر همين آزمايشات را با تغيير موقعيت ايستگاه پايه انجا

را مجدداً در 2500*2500 و1000*1000 و 500*500به عبارت ديگر، سه ناحيه مختلف با ابعاد

قرار (X/2,3X/2) و (X/2,X/2)براي هر ناحيه ايستگاه پايه را در موقعيتهاي . گيريم نظر مي

ه ابعاد توان گفت ك بنابراين مي. ، طول ناحيه مربعي استXتوجه شود كه منظور از . دهيم مي

-4( شكلهاي (N=1000) تا (N=5)ها از با تغيير تعداد گره. استArea=X*X ناحيه مربع شكل

.به دست آمد) 16- 4(و ) 15

0 200 400 600 800 1000-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20LEACH

Number of Nodes-(N)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=500*500,BS=(250,250),p=0.05Area=1000*1000,BS=(500,500),p=0.05Area=2500*2500,BS=(1250,1250),p=0.05

اثر تغيير تعداد حسگرها بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايـه در روش ): 15-4(شكل

LEACH- در اين آزمايش ابعاد ناحيه به صورت (X*X) شود وايـستگاه پايـه در موقعيـت تعريف مي(X/2,X/2) در نظـر گرفتـه p=0.05احتمال سرگروه شدن برابر با . دهد طول ناحيه مربعي رانمايش مي Xگيرد كه قرار مي

.شده است

80

0 200 400 600 800 1000-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10LEACH

Number of Nodes-(N)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=500*500,BS=(250,750)Area=1000*1000,BS=(500,1500)Area=2500*2500,BS=(1250,3750)

ر روش اثر تغيير تعداد حسگرها بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه پايـه د ): 16-4(شكل

LEACH- در اين آزمايش ابعاد ناحيه به صورتX*X) ( شود وايستگاه پايـه در موقعيـت تعريف مي(X/2,3X/2) در نظـر گرفتـه p=0.05احتمال سرگروه شدن برابر با . دهد طول ناحيه مربعي را نمايش مي Xگيرد كه قرار مي

.شده است

عودي نمودار انرژي با افزايش شود كه روند ص ديده مي) 16- 4(و ) 15- 4(از شكلهاي

افتد و يا به ها براي حالتي كه ايستگاه پايه در داخل ناحيه است سريعتر اتفاق مي تعداد گره

داخل ناحيه قرار دارد، انرژي مصرفي BSها براي حالتي كه عبارت ديگر با افزايش تعداد گره

حالتي كه ايستگاه پايه خارج ناحيه در حالي كه براي . يابد ها نيز افزايش بيشتري مي متوسط گره

براي حالتي كه LEACHبنابراين روش . باشد شيب نمودار انرژي چندان زياد نخواهد بود

اين امر را ميتوان اين طور توجيه . كند ايستگاه پايه خارج ناحيه حسگرها قرار دارد بهتر عمل مي

ها، فاصله گره ها افزايش تعداد گره داخل ناحيه مربعي قرار دارد، با BSكرد كه براي حالتي كه

در مقايسه LEACHها و يا استفاده از روش بندي كردن گره كمتر خواهد شد و لذا دستهBSاز

.كند خيلي بهتر عمل نميBSبا ارسال مستقيم داده به

81

بررسي اثر تغيير احتمال انتخاب سرگروه بر انرژي مصرقي براي يك 4-3-3-4 بيت

مايشهاي خود به بررسي چگونگي تغييرات مصرف انرژي با تغيير تعداد در اين بخش از آز

متر مربع در نظر 1000*1000اي با ابعاد براي اين منظور، ناحيه. سرگروه ها خواهيم پرداخت

هاي مختلفي داخل آن آرايش گره در چيدمان(N=10,N=100,N=1000)گيريم كه تعداد مي

چه كه قبالً در مورد سناريوي اول گفتيم در سه وضعيت مختلف ايستگاه پايه مشابه آن. اند يافته

نتايج ) 19-4(تا ) 17-4(شكلهاي . اند قرار گرفته(500,1500) و (500,1000) و (500,500)

. دهند بررسيهاي ما را نمايش مي

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-45

-40

-35

-30

-25

The Probability of CH selection-(p)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

LEACH

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,500)N=100,Area=1000*1000,BS=(500,500)N=1000,Area=1000*1000,BS=(500,500)

را نمـايش BS به ها بر انرژي الزم براي انتقال يك بيت بررسي اثر تغيير احتمال انتخاب سرگروه ): 17-4(شكل

در ايـن آزمـايش ايـستگاه پايـه در موقعيـت . دهد را نمايش ميpمحور افقي مقادير مختلف پارامتر . دهد ميBS(500,500)قرار دارد .

82

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-45

-40

-35

-30

-25

The Probability of CH selection-(p)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

LEACH

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,1000)N=100,Area=1000*1000,BS=(500,1000)N=1000,Area=1000*1000,BS=(500,1000)

را نمـايش BSها بر انرژي الزم براي انتقال يك بيت به بررسي اثر تغيير احتمال انتخاب سرگروه ): 18-4(شكل

در ايـن آزمـايش ايـستگاه پايـه در موقعيـت . دهد را نمايش ميpادير مختلف پارامتر محور افقي مق . دهد ميBS(500,1000)قرار گرفته است .

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-45

-40

-35

-30

-25

-20

The Probability of CH selection-(p)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

LEACH

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,1500)N=100,Area=1000*1000,BS=(500,1500)N=1000,Area=1000*1000,BS=(500,1500)

را نمـايش BSها بر انرژي الزم براي انتقال يك بيت به بررسي اثر تغيير احتمال انتخاب سرگروه ): 19-4(شكل

در ايـن آزمـايش ايـستگاه پايـه در موقعيـت . دهد مي را نمايشpمحور افقي مقادير مختلف پارامتر . دهد ميBS(500,1500)قرار گرفته است .

گره، كمترين مقدار مصرف (N=10)شود كه براي تعداد از هر سه نمودار مالحظه مي

حداقل مقدار انرژي براي تعداد . حداقل مقدار ممكن را خواهد داشت(p=0.5-0.6)انرژي به ازاي

83

(N=100) گره به ازاي (p=0.05) و براي تعداد (N=1000) گره به ازاي حداقل مقدار p به

شود كه تقريباً در تمام حاالت، زماني كه تعداد به اين ترتيب مالحظه مي. دست خواهد آمد

اثبات رياضي اين . ها بين سه تا چهار عدد باشد حداقل مقدار انرژي مصرف خواهد شد خوشه

همچنين از اين سه نمودار ديده ميشود كه با بزرگ شدن بيان شده است ]17[مطلب در مرجع

، ميزان مصرف انرژي در هر سه حالت به سمت مقدار مشخصي ميل كرده و pخيلي زياد مقدار

علت اين مشاهدات آن است كه زماني كه احتمال انتخاب سرگروه ها بسيار . تقريباً ثابت ميماند

در دسته LEACHروه انتخاب ميشوند و لذا روش زياد شود تقريباً همه گره ها به عنوان سرگ

اي انجام نشده بندي بندي كردن گره ها دچار مشكل خواهد شد و بنابراين عمالً هيچگونه دسته

بنابراين انتخاب . ها به صورت مستقيم با ايستگاه پايه ارتباط برقرار خواهند كرد و همه گره

.كه بايستي مورد توجه قرار گيردها امر بسيار مهمي است احتمال انتخاب سرگروه

تحت شرايط مختلف PEGASISبررسي روش -4-3-4

تحت شرايط مختلف خواهيم PEGASISدر اين بخش به بررسي روش مبتني بر زنجير

با اين . استLEACHسازي در روش سازي كامالً مشابه سناريوي شبيه سناريوي شبيه. پرداخت

ا يك گره كه بعنوان رهبر زنجير انتخاب شده در هر دوره تنهPEGASISتفاوت كه در روش

است و لذا در آزمايشات مربوط به اين روش، پارامتر BSاست مسئول انتقال اطالعات نهايي به

Pگونه كه در فصلهاي قبلي گفتيم روش انتخاب رهبر زنجير در هر دوره، همان. وجود ندارد

Iهاي حسگر است و تعداد كل گرهN كه آيد بدست ميI mod Nكامالً تصادفي است و از رابطه

.كند به شماره دوره جاري اشاره مي

84

بررسي اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر روي انرژي مصرفي براي 4-3-4-1 يك بيت

هاي داده بعد از متراكم شدن به گفته شد، بسته PEGASISهمان طور كه در توضيح روش

گره رهبر و رهبر، از طرفنها تا رسيدن به گره وسيله هر گره و دست به دست شدن بين آ

با چرخاندن در حقيقت در اين روش .]20[ براي ايستگاه پايه فرستاده خواهند شدمستقيماً

البته بايد توجه شد انرژي خواهد مصرفها سعي در توزيع يكنواخت نقش رهبر بين همه گره

ام ها در هنگ انرژي باقيمانده گرهعدم توجه به ،داشت كه يكي از مهمترين ضعفهاي اين روش

بديهي است كه هرچه فاصله ايستگاه پايه تا گرهي كه به . باشد انتخاب آنها به عنوان رهبر مي

در . عنوان رهبر انتخاب شده بيشتر باشد انرژي مصرفي به وسيله آن گره نيز بيشتر خواهد بود

نرژي مصرفي براي انتقال يك ايه بر ااين بخش ما به منظور بررسي اثر تغيير جايگاه ايستگاه پ

در حالت اول، ايستگاه پايه را از داخل ناحيه . ايم مورد بررسي قرار دادهدو حالت مختلف را بيت،

در حالت دوم ايستگاه پايه را بر روي قطر ناحيه . ايم به جا كرده ناحيه جا مربعي شكل به خارج

تمام آزمايشات به منظور نمايش بهتر تغييرات در. كنيم كل و در داخل ناحيه جابجا ميمربع ش

.محور عمودي بر حسب دسي بل و در مقياس لگاريتمي بيان شده است

مترمربع و براي حالتي كه 1000*1000با ابعاد اين آزمايش براي يك ناحيه مربع شكل

ر افقي در بر روي محوx كه. گيرد انجام شده است قرار مي (X,500)ايستگاه پايه در موقعيتهاي

در اين آزمايش، ايستگاه پايه را از مركز ناحيه مربعي شكل .كند تغيير مي) 20- 4(نمودار شكل

اين آزمايش كامالً مشابه با آزمايش انجام شده در . متر از ناحيه تغيير ميدهيم500تا فاصله

. انجام ميشودLEACHمورد روش

85

500 1000 1500-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35 PEGASIS-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,x)N=50N=100N=400N=1000

در بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت بـه ايـستگاه پايـه اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه ):20-4(شكل بر روي محـور x قرار مي گيرد كه مقدار (x,500)در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي - PEGASISروش

آزمايش براي پنج حالت مختلف با تعداد گره هاي كم و زيـاد صـورت گرفتـه . افقي نموداردر حال تغيير است .است

شود كه با زياد شدن فاصله ايستگاه پايه از ناحيه آرايش مالحظه مي)20-4(شكل از

در واقع در اين . صعودي استيابد و روند نمودارها كامالً گرها، انرژي مصرفي نيز افزايش ميحس

ها ، آرايش و چگونگي قرار گرفتن گرهLEACHخوشه مانند روش بر خالف روش هاي مبتني بر

بدون تغيير است و لذا با تغيير موقعيت ايستگاه پايه تنها عاملي كه زنجيري كامالًدر ساختار

ايشها باعث افزايش مصرف كند فاصله گره رهبر از آن است كه اين براي همه انواع آر تغيير مي

.شود انرژي مي

انرژي روي نسبت انحراف معياربه ميانگين، اثر تغيير همين پارامتر را بر)21- 4(شكل

دهد كه تا در واقع اين نمودار نشان مي. مصرفي براي انتقال يك بيت و واريانس را نشان ميدهد

در حقيقت .تواند بر انرژي مصرفي اثر بگذارد ها در يك ناحيه مي چه حد چگونگي آرايش گره

، ميزان انحراف انرژي ها ايشهاي مختلف تعداد مشخصي از گره براي آردهد اين نمودار نشان مي

.صرفي از ميانگين آن چقدر خواهد بودم

86

500 1000 1500-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PEGASIS-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Stan

dard

Dev

iatio

n to

Mea

n of

Ene

rgy-

dB

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,x)N=50N=100N=400N=1000

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم بـراي انتقـال يـك ): 21-4(شكل

قرار مـي گيـرد (x,500) در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي -PEGASISبيت به ايستگاه پايه در روش آزمايش براي پنج حالت مختلف با تعداد گره هاي كم . افقي نموداردر حال تغيير است بر روي محور x كه مقدار

.و زياد صورت گرفته است

شود كه در هر پنج حالت، با افزايش فاصله ايستگاه پايه تا ، مالحظه مي)21-4(شكل از

ين امر را علت ا. يابد ها بر روي انرژي بسيار كاهش مي ه مربع شكل، اثر تغيير آرايش گرهناحي

گونه توجيه كرد كه وقتي ايستگاه پايه فاصله زيادي تا ناحيه دارد براي انتقال نهايي توان اين مي

ها تا آن زياد خواهد فاصله همه گرهداده به آن، انرژي بسيار زيادي مصرف خواهد شد و تقريباً

در حالي كه . گذارد ثير نميله زياد خيلي بر انرژي تا لذا با تغيير موقعيت گره رهبر اين فاصبود و

وقتي فاصله ايستگاه پايه تا ناحيه مربع شكل كم است بسته به اينكه رهبر در كجاي ناحيه قرار

زيرا در اين حالت ممكن است فاصله يك گره تا آن خيلي . بگيرد انرژي مصرفي متغير خواهد بود

انرژي با تغيير نحوه غييرلذا اين ت. و بر عكس فاصله يك گره تا آن خيلي زيادتر باشدكم

به منظور بررسي دقيقتر تغييرات صحت نتايج به .ها بسيار مشهودتر خواهد بود چيدمان گره

دست آمده با تغيير تعداد گره ها و موقعيت ايستگاه پايه نمودار واريانس انرژي همين آزمايش

.نمايش داده شده است) 22- 4(در شكل

87

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500-130

-125

-120

-115

-110

-105

-100

-95

-90

-85

-80 PEGASIS-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Varia

nce

of th

e En

ergy

per

bit-

dB

N=10,Area=1000*1000,BS=(500,x)N=50N=100N=400N=1000

انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه پايـه در واريانس ايستگاه پايه بر اثر تغيير فاصله ):22-4( شكل بر روي محـور x قرار مي گيرد كه مقدار (x,500) در اين آزمايش ايستگاه پايه در موقعيتهاي -PEGASISروش

رت گرفتـه آزمايش براي پنج حالت مختلف با تعداد گره هاي كم و زيـاد صـو . افقي نموداردر حال تغيير است .است

همانگونه كه انتظار داشتيم بيشترين واريانس انرژي مربوط به حالتي است كه تعداد

در حالي كه كمترين ميزان واريانس . گره است10هاي مورد آزمايش بسيار كم و برابر با گره

زيرا اين مشاهدات طبيعي به نظر ميرسد. ها بسيار زياد باشد مربوط به حالتي است كه تعداد گره

ها بسيار زياد باشد امكان تغيير نحوه آرايش و اي با ابعاد ثابت وقتي تعداد گره براي ناحيه

ها در داخل ناحيه، خيلي امكانپذير نيست و لذا ميزان متوسط مصرف انرژي براي چيدمان گره

ص و ها تقريباً مقدار مشخ انتقال يك بيت داده به ايستگاه پايه مستقل از نحوه چيدمان گره

ها تقريباً دقيق بنابراين ميتوان گفت كه نتايج به دست آمده براي تعداد زياد گره. ثابتي است

، به بررسي اثر ) 24-4(و ) 23-4(شكلهاي . ها خواهد بود است و مستقل از نحوه چيدمان گره

.پردازند كند مي تغيير موقعيت ايستگاه پايه هنگامي كه بر روي قطر مربع تغيير مي

88

-200 -100 0 100 200 300 400 500-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35 PEGASIS-Second Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=10,Area=1000*1000,BS=(x,x)N=50N=100N=400N=1000

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت بـه ايـستگاه پايـه در ): 23-4(كلش

قرار مي گيرد كه مقدار (x,x) در اين آزمايش ايستگاه پايه بر روي قطر مربع و در موقعيتهاي -PEGASISروش x حالت مختلف با تعداد گره هاي كـم و زيـاد آزمايش براي پنج . بر روي محور افقي نموداردر حال تغيير است

.صورت گرفته است

-200 -100 0 100 200 300 400 500-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0PEGASIS-Second Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Stan

dard

Dev

iatio

n to

Mea

n of

Ene

rgy-

dB

N=10,Area=1000*1000,BS=(x,x)N=50N=100N=400N=1000

اثر تغيير فاصله ايستگاه پايه برنسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت ):24-4(شكل

قرار (x,x) در اين آزمايش ايستگاه پايه بر روي قطر مربع و در موقعيتهاي -PEGASISبه ايستگاه پايه در روش راي پنج حالت مختلـف بـا تعـداد آزمايش ب. بر روي محور افقي نموداردر حال تغيير استxمي گيرد كه مقدار

.هاي كم و زياد صورت گرفته است گره

89

، ميتوان ديد كه با نزديك شدن ايستگاه پايه به مركز ناحيه، انرژي )23-4(شكل از

آنچه كه قبالً بارها گفته شد و در توجه به با امراين. متوسط مصرفي بسيار كاهش خواهد يافت

،)24- 4(در شكلاز طرفي روند نمودار . امري بديهي است هم ديده شد، LEACHمورد روش

نيز با نزديك شدن به مركز ناحيه صعودي است و اين بدان معني است كه در حوالي مركز نحوه

ايستگاه پايه داخل ناحيه قرار دارد زيرا وقتي. گذارد ها بر انرژي بسيار تاثير مي چيدمان گره

از يك درجه خواهد بود و لذا كوچكترين تغييري در فاصله منجر به فواصل پيموده شده تقريباً

و بتابراين حساسيت انرژي به تغيير شود تغيير زيادي در انرژي نسبت به حالتهاي قبلي آن مي

. موقعيت ايستگاه پايه بيشتر خواهد شد

اثر تغييرابعاد ناحيه آرايش حسگرها بر روي انرژي مصرفي بررسي 4-3-4-2 براي يك بيت

در اين بخش از آزمايشات، با بزرگ كردن ابعاد ناحيه مربع شكل براي دو حالت مختلف اثر اين

گره به طور تصادفي در يك 100در قسمت اول آزمايشات تعداد . پارامتر را بررسي خواهيم كرد

BS(X/2,3X/2)ايستگاه پايه در مختصاتهاي .اند يش يافته آراX*Xناحيه با ابعاد

Xدر اين آزمايشات . قرار گرفته است BS(X/2,3X/4) و BS(X/2,X/2) و BS(X/2,X+100)و

طول اثر تغيير،)26-4(و ) 25- 4(شكلهاي . باشد دهنده طول ضلع ناحيه مربع شكل مينشان

رفي و نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي بر انرژي متوسط مص به ترتيبناحيه مربع شكل را

.الزم براي انتقال يك بيت نمايش ميدهد

90

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-70

-65

-60

-55

-50

-45PEGASIS

The First Dimension of Square Area-(X)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=X*X,N=100,BS=(X/2,X/2)BS=(X/2,3X/4)BS=(X/2,3X/2)(X/2,X+100)

اثر تغييرابعاد ناحيه آرايش حسگرها برمتوسط انرژي الزم براي انتقال يك بيت بـه ايـستگاه ):25-4( شكل

(X/2,X/2) و (X/2,X+100) و (X/2,3X/2) در اين آزمايش ايستگاه پايه درمختـصاتهاي -PEGASISپايه در روش .بر روي محور افقي نموداردر حال تغيير است) طول ناحيه مربعي (x قرار مي گيرد كه مقدار (X/2,3X/4)و

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-25

-20

-15

-10

-5

0PEGASIS

The First Dimension of Square Area-(X)

The

Sta

ndar

d D

evia

tion

to M

ean-

dB

Area=X*X,N=100,BS=(X/2,X/2)BS=(X/2,3X/4)BS=(X/2,3X/2)(X/2,X+100)

اثر تغييرابعاد ناحيه آرايش حسگرها برنسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم براي انتقـال ):26-4(شكل

و (x/2,3x/2)در ايـن آزمـايش ايـستگاه پايـه درمختـصاتهاي -PEGASISيك بيت به ايستگاه پايه در روش (x/2,x+100) و (X/2,X/2) و(X/2,3X/4)گيرد كه مقدار قرار ميx) بـر روي محـور افقـي ) طول ناحيـه مربعـي

.نموداردر حال تغيير است

هاي حسگر، با زياد شدن ابعاد از هر دو نمودار واضح است كه براي تعداد ثابتي از گره

حيه آرايش حسگرها انرژي مصرفي و همچنين انحراف معيار از ميانگين انرژي مصرفي، افزايش نا

91

در واقع در اين آزمايش، ارتباطات داخل ناحيه مربعي در مقايسه با تك ارتباط خارج آن . يابد مي

اد توان با توجه به زي در حقيقت اين امر را مي. ناحيه بسيار مهمتر و قابل تغييرتر خواهد بود

بزرگتر توجيه كرد كه اين امر منجر به افزايش مصرف هاي حسگر در ناحيه شدن فاصله بين گره

ها همچنين در يك ناحيه بزرگتر، امكان تغيير آرايش براي تعداد مشخصي از گره. شود انرژي مي

همچنين . نسبت به نواحي كوچكتر، بيشتر خواهد بود و لذا انحراف معيار انرژي نيز بيشتر است

ان نسبت انحراف معيار انرژي به ميانگين براي حالتي شود كه كمترين ميز از نمودارها ديده مي

دورترين حالت يعني در اتفاق افتاده كه ايستگاه پايه در خارج ناحيه آرايش حسگرها و در

اين پديده قابل توجيه است، زيرا در روش مبتني بر . گيرد قرار ميBS(X/2,3X/2)مختصات

رار دارد، انرژي مصرفي براي ارتباطات داخل زنجير هنگامي كه ايستگاه پايه در خارج ناحيه ق

كمتر BS نسبت به انرژي مصرفي براي انتقال داده نهايي به ) اش يك گره با گره همسايه(مربع

است و لذا با دورترشدن اين فاصله، ميزان تاثير ارتباطات درون ناحيه نسبت به ارتباط نهايي

از ناحيه BS ها در داخل ناحيه براي فواصل دور شود و لذا نحوه آرايش گره كمتر ميBSرهبر با

مربعي شكل، اثر كمتري بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايه خواهد

فاصله بيشتري از BSها بدست آمده براي حالتي كه لذا نتايجي كه براي ميانگين انرژي. گذاشت

. ناحيه مربعي دارد، دقيقتر است

ها بر روي انرژي مصرفي براي يك بيت سي اثر تغييرتعداد گره برر4-3-4-3

براي . ها را بر انرژي مصرفي متوسط بررسي خواهيم كرد در اين بخش اثر تغيير تعداد گره

مربعي اي در سناريوي اول ناحيه. واهيم كردرسيدن به يك نتيجه معقول سه سناريو را بررسي خ

(250,800)در اين سناريو، ايستگاه پايه در موقعيت . است در نظر گرفته شده 500*500با ابعاد

در 2500*2500 و 1000*1000 در دو سناريوي بعد ابعاد ناحيه را به ترتيب . قرار گرفته است

قرار (X/2,X+300)همچنين در اين دو حالت ايستگاه پايه را در موقعيتهاي . گيريم نظر مي

92

ها را ، اثر تغييير تعداد گره)27-4(شكل . شكل است، طول ناحيه مربعXكه منظور از . دهيم مي

.براي حالتهاي مختلف بر انرژي متوسط نمايش ميدهد

0 200 400 600 800 1000-70

-60

-50

-40

-30

-20PEGASIS

Number of Nodes-(N)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=500*500,BS=(250,800)Area=1000*1000,BS=(500,1300)Area=2500*2500,BS=(1250,2800)

هاي حسگر بر متوسط انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه پايـه در اثر تغييرتعداد گره ): 27-4(شكل

شود و ايستگاه پايـه در مختـصات انجام مي x*x اين آزمايش براي سه ناحيه با ابعاد مختلف -PEGASISروش (x/2,x+300)دهد هاي حسگر را نمايش مي محور افقي تغييرات تعداد گره. گيرد قرار مي.

ها براي هر ناحيه شود با زياد شدن تعداد گره مالحظه مي)27-4(شكل همان طور كه از

علت اين كاهش مصرف انرژي . يابد الزم براي انتقال يك بيت كاهش ميبا ابعاد مشخص انرژي

راي زيرا ب. هاي داده دانست هتوان كاهش فواصل پيموده شده در هر پرش به وسيله بست را مي

هاي همسايه نيز كاهش ياد شود، به ناچار فاصله بين گرهها ز يك فضاي مشخص وقتي تعداد گره

لذا انرژي كل مصرفي به . كند در حاليكه فاصله گره رهبر تا ايستگاه پايه تغيير نمي. يابد مي

.شود وسيله يك بيت براي انتقال به ايستگاه پايه نيز كم مي

همين آزمايش را براي حاالتي كه ايستگاه پايه در ) 29- 4(و ) 28-4(شكلهاي

.دهند گيرد نمايش مي قرار ميBS(X/2,3X/2) و BS(X/2,X/2)مختصاتهاي

93

0 200 400 600 800 1000-70

-60

-50

-40

-30

-20PEGASIS

Number of Nodes-(N)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=500*500,BS=(250,250)Area=1000*1000,BS=(500,500)Area=2500*2500,BS=(1250,1250)

ر متوسط انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه پايـه در هاي حسگر ب اثر تغييرتعداد گره ):28-4(شكل و ايستگاه پايـه درمختـصات شود انجام مي x*x اين آزمايش براي سه ناحيه با ابعاد مختلف -PEGASISروش

(x/2,x/2)دهد هاي حسگر را نمايش مي محور افقي تغييرات تعداد گره. قرار مي گيرد.

0 200 400 600 800 1000-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10PEGASIS

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=500*500,BS=(250,750)Area=1000*1000,BS=(500,1500)Area=2500*2500,BS=(1250,3750)

هاي حسگر بر متوسط انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايـستگاه پايـه در د گره اثر تغييرتعدا ):29-4(شكل و ايستگاه پايـه درمختـصات شود انجام مي x*x اين آزمايش براي سه ناحيه با ابعاد مختلف -PEGASISروش

(x/2,3x/2) دهد هاي حسگر را نمايش مي محور افقي تغييرات تعداد گره. دقرار مي گير.

شود كه در هر حالت، يعني چه ايستگاه پايه ديده مي) 29- 4(و ) 28- 4 ( شكلهاياز

هاي حسگر آرايش داخل ناحيه مربعي قرار گيرد و چه در خارج آن باشد، با زياد شدن تعداد گره

توان اين اين امر را مي. يابد يافته ميزان متوسط مصرف انرژي براي انتقال يك بيت كاهش مي

94

، در هر دوره تنها يك گره مسئول ارتباط با LEACH بر خالف روش طور توجيه كرد كه چون

ها در داخل ناحيه بر روي انرژي مصرفي براي ارتباط ايستگاه پايه است، لذا تغيير تعداد گره

ها داخل اثري نخواهد داشت و اين در حالي است كه با زياد شدن تعداد گرهBSرهبر زنجير و

از يكديگر كاهش يافته و لذا انرژي الزم براي انتقال اطالعات بين هاي همسايه ناحيه، فاصله گره

بنابراين در اين روش . يابد هاي زنجير تا رسيدن به رهبر زنجير در مجموع كاهش مي گره

ارتباطات درون ناحيه بر ارتباطات بيرون ناحيه فائق آمده و لذا انرژي مصرفي متوسط كاهش

.يافته است

ن آزمايش را بر روي نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم ، اثر همي)30- 4(شكل

. نشان ميدهد قرار داردBS(X/2,X+300) حالتي كه ايستگاه پايه در مختصات براي

0 200 400 600 800 1000-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1PEGASIS

Number of Nodes-(N)

Sta

ndar

d D

evia

tion

to M

ean

of E

nerg

y-dB

Area=500*500,BS=(250,800)Area=1000*1000,BS=(500,1300)Area=2500*2500,BS=(1250,2800)

هاي حسگر بر نسبت انحراف معيار به ميانگين انرژي الزم براي انتقال يـك اثر تغييرتعداد گره ): 30-4( شكل

و انجـام شـده x*x اين آزمايش براي سه ناحيـه بـا ابعـاد مختلـف -PEGASISروش بيت به ايستگاه پايه در هـاي حـسگر را نمـايش محور افقي تغييرات تعـداد گـره . گيرد قرار مي (x/2,x+300)ايستگاه پايه درمختصات

.دهد مي

انحراف معيار به ت، تغييراها در هر سه ناحيه شود كه با افزايش تعداد گره ديده مي

انرژي كم خواهد شد و همچنين ميزان اين تغييرات براي نواحي با ابعاد بزرگتر بيشتر از ميانگين

ها در يك تعداد گرهتوان گفت با بزرگ شدن براي توجيه اين مشاهدات مي .نواحي كوچكتر است

95

ن ناحيه بسيار كم شده و لذا همين منجر به آها در ناحيه مشخص، امكان تغيير نحوه آرايش گره

توان ديد كه هر چه ابعاد ناحيه همچنين مي. انحراف معيار نسبت به ميانگين خواهد شدكاهش

مر به دليل افزايش شود و اين ا ها، انرژي مصرفي نيز زياد مي براي تعداد ثابتي از گرهزيادتر شود،

ت زيرا در روش مبتني بر زنجير در هر حال. هاي همسايه قابل توجيه خواهد بود فاصله بين گره

تنها يك گره مسئول انتقال اطالعات نهايي به ايستگاه پايه است و لذا اين نوع از ارتباط خيلي بر

هاي همسايه درون ناحيه كه بين گرهدر حالي كه ارتباطات. گذارد تاثير نميروي روند نمودارها

.بسيار قابل تغيير استبر حسب تغيير ابعاد ناحيه دهد رخ مي

PEGASIS و LEACHمقايسه دو روش -4-4

هدف از انجام اين آزمايشات آن است كه بتوانيم مقايسه طور كه در ابتدا هم گفتيم، همان

صحيحي از نحوه عملكرد اين دو روش تحت شرايط مختلف داشته باشيم و با توجه به نتايج

هاي حسگر بيسيم از لحاظ مصرف انرژي حاصله روش جديدي به منظور بهبود عملكرد شبكه

لذا در اين بخش به مقايسه دو روش فوق تحت شرايط يكسان آزمايشگاهي . د كنيمپيشنها

در تمام . كنيم خواهيم پرداخت و مجدداً حالتهاي باال را اين بار به طور همزمان بررسي مي

.كنيم انتخاب ميP=0.05 را برابر با مقدار LEACHآزمايشها، احتمال انتخاب سرگروه در روش

روش براي موقعيتهاي مختلف ايستگاه پايهمقايسه دو -4-4-1

در اين بخش با تغيير موقعيت ايستگاه پايه، انرژي مصرفي براي انتقال يك بيت داده را به

براي اين منظور، . مقايسه خواهيم كردPEGASIS و LEACHايستگاه پايه در دو روش

گره و (N=500) گره و (N=100) را در نظر مي گيريم و سپس 1000*1000اي با ابعاد ناحيه

(N=1000)شكلهاي . گره را به طور تصادفي در ناحيه مزبور به طور تصادفي پخش خواهيم كرد

.دهند نتايج اين آزمايشها را نمايش مي) 33- 4(و ) 32-4(و ) 4-31(

96

500 1000 1500-55

-50

-45

-40

-35

-30LEACH & PEGASIS Comparison-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=100,Area=1000*1000,BS=(500,x),LEACH,p=0.05N=100,Area=1000*1000,BS=(500,x),PEGASIS

يت به ايستگاه اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك ب مقايسه ):31-4(شكل محـور . شود انجام مي 1000*1000 و در يك ناحيه با ابعاد گره N=100 اين آزمايش براي تعداد - در دو روش پايه

.دهد افقي تغييرات مولفه دوم مختصات ايستگاه پايه را نمايش مي

500 1000 1500-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30LEACH & PEGASIS Comparison-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=500,Area=1000*1000,BS=(500,x),LEACH,p=0.05N=500,Area=1000*1000,BS=(500,x),PEGASIS

نتقـال يـك بيـت بـه اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انـرژي الزم بـراي ا مقايسه ):32-4( شكل

انجـام 1000*1000 و در يـك ناحيـه بـا ابعـاد گره N=500 اين آزمايش براي تعداد - در دو روش ايستگاه پايه .محور افقي تغييرات مولفه دوم مختصات ايستگاه پايه را نمايش ميدهد. شود مي

97

500 1000 1500-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30LEACH & PEGASIS Comparison-First Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=1000,Area=1000*1000,BS=(500,x),LEACH,p=0.05N=1000,Area=1000*1000,BS=(500,x),PEGASIS

زم براي انتقال يك بيت به ايستگاه بر ميانگين انرژي ال مقايسه اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه ): 33-4(شكل محور . شود انجام مي 1000*1000 و در يك ناحيه با ابعاد گره N=1000 اين آزمايش براي تعداد - در دو روش پايه

.افقي تغييرات مولفه دوم مختصات ايستگاه پايه را نمايش ميدهد

در هر PEGASISشود، روش مبتني بر زنجير همان طور كه از هر سه نمودار مالحظه مي

. كند عمل ميLEACHبندي سه حالت و براي هر تعداد گره، بهتر از روش مبتني بر خوشه

ها، اختالف انرژي مصرفي براي دو روش، بيشتر شود براي تعداد باالتر گره همچنين مشاهده مي

تباط ، تنها يك گره با ايستگاه پايه ارPEGASISعلت اين امر آن است كه در روش . خواهد بود

ها را ايفا ها كه نقش سرگروه خوشه ، تعدادي از گرهLEACHكند در حالي كه در روش برقرار مي

شود كه براي تعداد اين امر باعث مي. كنند در هر دوره با ايستگاه پايه در ارتباط خواهند بود مي

ارتباط BSكه با هايي شود و تعداد گره ها نيز بيشتر مي ها كه احتمال انتخاب سرگروه بيشتر گره

PEGASISدارند نيز بيشتر خواهد شد انرژي مصرفي نيز بيشتر شود و لذا در اين حالت روش

اي با ابعاد توان گفت كه براي ناحيه همچنين مي. عمل خواهد كردLEACHبسيار بهتر از روش

د بود و لذا هاي همسايه كمتر خواه ها زياد باشد فاصله بين گره مشخص، در حالتي كه تعداد گره

هاي با كاهش فواصل پيموده شده، انرژي مصرفي براي دست به دست شدن داده بين گره

ها زياد البته توجه به يك نكته ضروري است كه در حالتي كه تعداد گره. يابد همسايه كاهش مي

هاي همسايه هاي داده بصورت پرش به پرش بين گره كشد تا بسته باشد مدت زماني كه طول مي

98

توان د و بدل شود تا به رهبر زنجير برسد بسيار بيشتر از حالت با تعداد گره كم است و لذا مير

گفت كه ما همواره ناچاريم بين مصرف انرژي از يكسو و زمان پاسخگويي از سوي ديگر

نيازمند PEGASISتر در روش به عبارت ديگر، مصرف انرژي پايين. اي برقرار كنيم مصالحه

زيرا در . خواهد شدLEACHي به نام زمان پاسخگويي طوالني در مقايسه با روش ا صرف هزينه

ها رد و هاي عادي و سرگروه هاي داده به صورت تقريباً همزمان بين گره بستهLEACHروش

. بدل خواهد شد و بنابراين قطعاً زمان پاسخگويي در اين روش كوتاهتر خواهد بود

گيريم كه ايستگاه پايه بر كرد اين دو روش، حالتي را در نظر ميبراي مقايسه دقيقتر عمل

تا ) 34- 4(شكلهاي . گيريم در نظر مي1000*1000روي قطر مربع جابجا شود ابعاد ناحيه را

نمايش (N=100,N=500,N=1000)هاي مختلف اين آزمايش را براي تعداد گره) 4-36(

.دهد مي

-200 -100 0 100 200 300 400 500-55

-50

-45

-40

-35

-30LEACH & PEGASIS Comparison-Second Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=100,Area=1000*1000,BS=(x,x),LEACH,p=0.05N=100,Area=1000*1000,BS=(x,x),PEGASIS

وقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه اثر تغيير م مقايسه): 34-4(شكل محـور . شود انجام مي 1000*1000 و در يك ناحيه با ابعاد گره N=100 اين آزمايش براي تعداد - در دو روش پايه

.افقي تغييرات مولفه دوم مختصات ايستگاه پايه را نمايش ميدهد

99

-200 -100 0 100 200 300 400 500-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30 LEACH & PEGASIS Comparison-Second Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=500,Area=1000*1000,BS=(x,x),LEACH,p=0.05N=500,Area=1000*1000,BS=(x,x),PEGASIS

ر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انـرژي الزم بـراي انتقـال يـك بيـت بـه اث مقايسه): 35-4( شكل

انجـام 1000*1000 و در يـك ناحيـه بـا ابعـاد گره N=500 اين آزمايش براي تعداد - در دو روش ايستگاه پايه .محور افقي تغييرات مولفه دوم مختصات ايستگاه پايه را نمايش ميدهد. شود مي

-200 -100 0 100 200 300 400 500-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30LEACH & PEGASIS Comparison-Second Scenario

The Second Coordination of BS-(x)

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

N=1000,Area=1000*1000,BS=(x,x),LEACH,p=0.05N=1000,Area=1000*1000,BS=(x,x),PEGASIS

اثر تغيير موقعيت ايستگاه پايه بر ميانگين انـرژي الزم بـراي انتقـال يـك بيـت بـه مقايسه ):36-4( شكل

انجـام 1000*1000 و در يك ناحيـه بـا ابعـاد گره N=1000 اين آزمايش براي تعداد - در دو روش ايستگاه پايه .محور افقي تغييرات مولفه دوم مختصات ايستگاه پايه را نمايش ميدهد. شود مي

100

شود كه روش مالحظه مي. ت قبلي در اين آزمايشها نيز مجدداً قابل بيان استمشاهدا

PEGASIS در هر شرايطي از لحاظ انرژي متوسط مصرفي براي انتقال يك بيت داده به BS ،

. عمل خواهد كردLEACHبهتر از روش

هاي حسگر يسه دو روش براي تعداد مختلف گرهمقا -4-4-2

ها بر انرژي مصرفي متوسط و مقايسه دو روش مذكور بر اين براي تعيين اثر تغيير تعداد گره

را در نظر 500*500اي با ابعاد در حالت اول، ناحيه.ايم ت مختلف را بررسي كردهاساس، سه حال

. و در خارج ناحيه مربعي قرار بگيرد(250,800) در موقعيت BSكنيم كه فرض مي. ايم گرفته

. رسانيم گره ميN=1000گره به N=5 اين ناحيه را ازهاي آرايش يافته در سپس تعداد گره

.دهد ، نتيجه اين آزمايش را براي هر دو روش نمايش مي)37-4(شكل

0 200 400 600 800 1000-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35LEACH & PEGASIS Comparison

Number of Nodes-(N)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=500*500,BS=(250,800),LEACH,p=0.05Area=500*500,BS=(250,800),PEGASIS

هاي حسگر بر ميانگين انـرژي الزم بـراي انتقـال يـك بيـت بـه مقايسه اثر تغيير تعداد گره ): 37-4( شكل

محـور افقـي تغييـرات . ودش انجام مي 500*500با ابعاد اين آزمايش براي ناحيه اي - در دو روش ايستگاه پايه .ها را نمايش ميدهد تعداد گره

-4(شـكل . كنيم تكرار مي 1000*1000در حالت بعدي همين آزمايش را براي ناحيه اي با ابعاد

.دهد نتيجه اين آزمايش را نمايش مي) 38

101

0 200 400 600 800 1000-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25LEACH & PEGASIS Comparison

Number of Nodes-(N)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=1000*1000,BS=(500,1300),LEACH,p=0.05Area=1000*1000,BS=(500,1300),PEGASIS

گاه نگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايست بر ميا هاي حسگر مقايسه اثر تغيير تعداد گره ): 38-4(شكل

محـور افقـي تغييـرات تعـداد . شود انجام مي1000*1000 اي با ابعاد اين آزمايش براي ناحيه-پايه در دو روش .ها را نمايش ميدهد گره

گيري دقيقتر همين آزمايش را براي يك ناحيه با ابعاد بسيار بزرگ و به منظور نتيجه

.دهد ، نتيجه اين آزمايش را نشان مي)39-4(شكل . كنيم كرار مي ت2500*2500

0 200 400 600 800 1000-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15LEACH & PEGASIS Comparison

Number of Nodes-(N)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=2500*2500,BS=(1250,2800),LEACH,p=0.05Area=2500*2500,BS=(1250,2800),PEGASIS

بر ميانگين انرژي الزم براي انتقال يك بيت به ايستگاه هاي حسگر مقايسه اثر تغيير تعداد گره ): 39-4(شكل اد محـور افقـي تغييـرات تعـد . ودش انجام مي 2500*2500براي ناحيه اي با ابعاد اين آزمايش - در دو روش پايه .دهد ها را نمايش مي گره

102

براي هر تعداد گره، از لحاظ PEGASISشود كه روش از هر سه نمودار مشاهده مي

شود كه روند از طرفي مالحظه مي.كند كار ميLEACHمتوسط مصرف انرژي بهتر از روش

اي ها نزولي است در حالي كه بر با افزايش تعداد گرهPEGASISنمودار انرژي مربوط به روش

علت اين . ، روند نمودار انرژي در ابتداي كار نزولي و سپس صعودي خواهد بودLEACHروش

مشاهدات همان گونه كه قبالً نيز گفتيم به دليل عدم انتخاب درست آستانه تعيين سرگروه در

ها به درستي انجام نشود و لذا هر گره به بندي گره شود دسته است كه باعث ميLEACHروش

ها احتمال اين كه در هر اما با زياد شدن تعداد گره. ارتباط برقرار كندBSتقيم با صورت مس

يابد و لذا انرژي مصرفي نسبت ها به عنوان سرگروه انتخاب شوند افزايش مي دوره تعدادي از گره

يابد كه كاهش اما اين كاهش مصرف انرژي تا زماني ادامه مي. يابد به حاالت قبل كاهش مي

اي اي بر افزايش انرژي الزم براي ارتباطات بيرون شبكه صرفي براي ارتباطات درون شبكهانرژي م

ها ها، از يكسو تعداد سرگروه در واقع با افزايش تعداد گره. براي انتقال يك بيت داده غلبه كند

يعني انرژي مصرفي . يابد هاي همسايه كاهش مي يابد و از سوي ديگر فاصله بين گره افزايش مي

يابد و از سويي ديگر به افزايش ميBSها و از سويي به دليل افزايش تعداد ارتباطات بين سرگروه

يابد كه در مصالحه بين اين افزايش ها كاهش مي ها عادي و سرگروه دليل كاهش فاصله بين گره

داً ها به تعادل رسيده و بعد از آن مجد و كاهش در مصرف انرژي به ازاي تعداد مشخصي از گره

اي بر كاهش انرژي مصرفي افزايش انرژي مصرفي به علت افزايش تعداد ارتباطات برون خوشه

كه هميشه يك ارتباط برون PEGASISاما در مورد روش مبتني بر زنجير . كند غلبه مي

ها، به دليل كاهش فاصله بين وجود دارد با افزايش تعداد گرهBSها و اي بين يكي از گره شبكه

يابد و لذا روند همسايه، همواره انرژي مصرفي براي انتقال يك بيت داده كاهش ميهاي گره

البته توجه شود كه اين كاهش مصرف انرژي در . نمودار نيز همواره به صورت كاهشي خواهد بود

به دست LEACH نسبت به روش PEGASISقبال افزايش چشمگير زمان پاسخگويي در روش

.آيد مي

103

سازيها دست آمده از شبيهخالصه نتايج به -4-5

سازيهاي اين دو روش به دست در پايان اين بخش نتايج مفيدي كه از انجام آزمايشها و شبيه

. آورديم را به صورت تيتروار بيان خواهيم كرد

در همه شرايط و براي هر تعداد گره حسگر، از PEGASISروش مبتني بر زنجير ) 1

اين . عمل خواهد كردLEACHش مبتني بر خوشه لحاظ متوسط انرژي مصرفي بهتر از رو

اي برابر با افزايش مدت زمان پاسخگويي در پي بهبود عملكرد از لحاظ مصرف انرژي، هزينه

.خواهد داشت

هاي حسگر در ناحيه مورد آزمايش، انرژي ، با افزايش تعداد گرهPEGASISدر روش ) 2

LEACHيابد در حالي كه در روش هش مي همواره كاBSمصرفي براي انتقال يك بيت داده به

يعني نمودار انرژي مصرفي، . شود ها مينيمم مقدار انرژي حاصل مي براي تعداد مشخصي از گره

. ها روند نزولي و سپس روند رو به رشد از خود نشان خواهد داد در ابتدا و براي تعداد كم گره

هاي بسيار بزرگ و با تعداد به شبكه LEACHتوانيم با چندين مرتبه اعمال روش بنابراين مي

ها بهره ها، اميدوار باشيم كه از عملكرد بهينه اين روش براي تعداد مشخص گره بسيار زياد گره

.ببريم

، با افزايش ابعاد ناحيه آرايش حسگرها انرژي مصرفي براي انتقال PEGASISدر روش ) 3

هاي همسايه اد شدن فاصله بين گرهاين امر به دليل زي. شود زياد ميBSيك بيت داده به

.طبيعي و قابل توجيه است

نيز با بزرگ شدن ابعاد ناحيه، انرژي مصرفي متوسط افزايش LEACHدر روش ) 4

.اي است توجيه اين امر افزايش فاصله پيموده شده در ارتباطات درون خوشه. يابد مي

اي هر دو روش بيانگر آن است نمودارهاي مربوط به نسبت انحراف معيار به ميانگين بر) 5

هاي حسگر در يك ناحيه، درحقيقت انرژي مصرفي براي كه با افزايش خيلي زياد تعداد گره

104

تقريباً مقدار ثابت و مشخصي خواهد داشت و يا به عبارتي BSانتقال يك بيت داده به سمت

.تغيير نحوه آرايش حسگرها بر انرژي مصرفي متوسط تاثير نخواهند گذاشت

در مركز ناحيه مربعي قرار بگيرد، مقدار انرژي BSدر هر دو روش، در صورتي كه ) 6

از اين ويژگي . مينيمم مقدار ممكن را خواهد داشتBSمصرفي براي انتقال يك بيت داده به

ها بر اساس مينيمم كردن بندي كردن گره بسيار مهم به منظور پيشنهاد روشهايي براي دسته

.توان استفاده كرد ز مركز خوشه ميها ا فاصله سرگروه

با ايده گرفتن از مزايا و معايب روشهاي فوق، ايده تركيب اين دو روش به منظور استفاده

از مزاياي هر دو روش بصورت همزمان در ما تقويت شد و همانگونه كه در بخش بعد نشان

ن انرژي مصرفي شبكه را خواهيم داد با تركيب روشهاي مبتني بر خوشه و مبتني بر زنجير ميتوا

.كاهش داده و لذا طول عمر شبكه را افزايش بخشيم

سازيهاي اين بخش روش در زير بخش بعدي به كمك نتايج به دست آمده از شبيه

پيشنهادي خود را به منظور كاهش مصرف انرژي و بهبود عملكرد شبكه حسگر بيسيم معرفي

.كردخواهيم

معرفي روشهاي پيشنهادي -4-6

ها كار بندي كردن گره هايي كه براساس دسته كه در فصلهاي قبلي نيز گفته شد، روشرطو همان

كنند عملكرد خوبي هم از لحاظ مصرف انرژي و هم از لحاظ سرعت در پاسخگويي از خود مي

كنند به جز در مواردي از طرفي روشهايي كه بر مبناي ساختار زنجيري كار مي. دهند نشان مي

ها خيلي زياد باشد در ساير موارد بسيار بهتر از روشهاي بزرگ باشد ويا تعداد گرهكه ابعاد ناحيه

.مبتني بر خوشه عمل خواهند كرد

، آن است كه براي نواحي با LEACHيكي از مهمترين عيبهاي روش مبتني بر خوشه

ها، انرژي ههاي درون خوش كند و يا به عبارتي با افزايش فاصله بين گره ابعاد بزرگ خوب كار نمي

از جمله مواردي كه باعث افزايش مصرف انرژي تحت . يابد مصرفي براي اين روش نيز افزايش مي

105

اند هايي كه در داخل هر خوشه قرار گرفته شود، آن است كه در اين روش گره اين شرايط مي

شه شان به صورت ارتباط مستقيم با سرگروه آن خو هاي داده انرژي زيادي صرف انتقال بسته

پرشي و با دست به -ها را نيز به صورت چند بنابراين اگر بتوانيم ارتباطات درون خوشه. كنند مي

هاي همسايه انجام دهيم ممكن است بتوانيم مصرف انرژي را كاهش دست كردن داده بين گره

LEACHاز طرفي يكي ديگر از مواردي كه منجر به مصرف انرژي زيادي در روش . دهيم

زيرا در بسياري از . گردد برقرار ميBSها و باطات مستقيمي است كه بين سرگروهگردد ارت مي

ها و ايستگاه پايه بسيار زياد است و همين منجر به مصرف انرژي زياد موارد، فاصله بين سرگروه

.خواهد شد

، روشي BSهاي حسگر و ما به منظور كاهش انرژي مصرفي براي انتقال اطالعات بين گره

ها، از خواص بندي كردن گره گيري از خواص روشهاي دسته كنيم كه عالوه بر بهره هاد ميرا پيشن

در زير بخش بعدي ابتدا به معرفي روش پيشنهادي . پرشي نيز بهره خواهد برد-ارتباطات چند

ها يعني روش بندي كردن گره سپس اين روش را با معروفترين روش خوشه. پردازيم خود مي

LEACHه و نتايج را با روش تركيب كردLEACHدر بخشهاي بعدي اين . مقايسه خواهيم كرد

روش را با يك روش مطلع از انرژي تركيب خواهيم كرد تا عالوه بر كاهش انرژي مصرفي،

ها تقسيم كنيم و لذا طول عمر شبكه را بتوانيم مصرف انرژي را به صورت عادالنه بين گره

.افزايش دهيم

ا پرشهاي چندگانه در داخل و خارج بخوشهروش مبتني بر -4-6-1 1(CBMT)ها خوشه

روش پيشنهادي ما، كه آن را روش مبتني بر خوشه با پرشهاي چندگانه در داخل و خارج

ها ناميديم، در حقيقت تركيبي از روشهاي مبتني بر خوشه و مبتني بر زنجير يا درختي خوشه

_________________________________________________________ 1 Cluster-Based with Multi-Hop Transmission-CBMT

106

ها بندي كردن گره قبلي كه براي دسته ها را با يكي از روشهاي در اين روش، ابتدا گره. است

را به عنوان اساس كار خود LEACHدر ابتداي كار ما روش . كنيم بندي مي وجود داشت، دسته

در داخل هريك از ساخته شدند، LEACHها مشابه با روش بعد از اين كه خوشه. دهيم قرار مي

اش هر گره با گره همسايهاين ساختار ها بايد يك ساختار درختي تهيه شود كه در خوشه

در واقع اين ساختار درختي نيز با الهام گرفتن از روش مبتني بر زنجير .مينيمم فاصله را دارد

PEGASISهاي همسايه در اين ساختار نسبت شود با اين تفاوت كه فاصله بين گره ساخته مي

ن حالت ممكن را تري در حقيقت، ما حريصانه. كمتر استPEGASISبه همين فاصله در روش

براي اين منظور، در هر مرحله گرهي به . ايم كردن فواصل پيموده شده در نظر گرفته براي حداقل

هاي موجود در درخت تا آن مرحله درخت اضافه خواهد شد كه كمترين فاصله را از همه گره

اصله در واقع بر خالف روش زنجيري، معيار ساخته شدن درخت، حداقل كردن ف. داشته باشد

.ها از يكديگر خواهذ بود بين همه گره

بعد از ايجاد ) غير سرگروه(هاي عادي تن يك ساختار درختي متشكل از گرهبه منظور ساخ

ورترين گره به سرگروه آن خوشه ابتدا دخوشهدر داخل هر ،LEACHها مشابه با روش خوشه

عنوان به گره ابتدايي بهشود سپس نزديكترين گره عنوان گره ابتدايي درخت انتخاب ميبه

به عنوان يك دوم براي انتخاب گره بعدي دو گره اول و .شود دومين عضو درخت انتخاب مي

كه كمترين ضافه شدن گره سومابا .شود گروه انتخاب شده وكمترين فاصله از آنها محاسبه مي

و فاصله گرفته شدهفاصله را از گروه داشت دوباره اين سه گره به عنوان يك گروه در نظر

سه گره فاصله را از هرحداقلاين بار نيز گرهي كه .شود سايرين از اعضاي آن گروه محاسبه مي

درختي ساخته در حقيقت با اين انتخابها. شود به درخت اضافه ميدارد) عضو درخت(موجود

ا خواهد را پوشش داده و كوتاهترين طول ر) بجزسرگروه(خوشه هاي شود كه تمام گره مي

به وسيله درخت،خوشههاي موجود در اين روند و در برگرفتن تمام گرهبا ادامه دادن. داشت

توجه شود . شود انتخاب ميخوشه به عنوان رهبر درخت در هر نزديكترين گره به سرگروه خوشه

قبل هاي شوند كه با دوره ها طوري انتخاب مي خوشههاي كه به دليل آن كه در هر دوره سرگروه

107

يكنواخت ها تقريباً شوند كه اين نقش در بين همه گره يعني طوري انتخاب مي(متفاوت باشند

نواخت توزيع شده و با به طوريكها نيز تقريباً خوشههاي نزديكترين گره به سرگروه) بچرخد

د در حقيقت رهبر درخت، وظيفه دار .كند هم تغيير ميخوشه، رهبر درخت داخل هر تغيير دوره

خوشه را به سرگروه آن خوشه منتقلهاي داخل بعد از متراكم نمودنهاي متوالي، نماينده داده

ها بفرستد كه به وسيله آن اعالم ر درخت يك پيغام را براي همه گرهدر اين مرحله بايد رهب .كند

سپس . تطول اين بسته بسيار كوچك اس. كند كه آن گره، به عنوان رهبر انتخاب شده است مي

هر گرهي كه يك بسته داده را . فرستد اش مي اش را براي نزديكترين همسايه بسته دادهر گره، ه

اش دريافت كرده، آن را با داده خودش تركيب كرده و بعد از انجام عمل تراكم، از گره همسايه

هبر ها به ر يابد تا تمام بسته اين روند ادامه مي .فرستد بسته متراكم شده را براي گره بعد مي

حجم حداكثرهاي دريافتي يك بسته با حال رهبر بعد از متراكم نمودن داده .درخت برسند

هاي دريافتي خود براي سرگروه طول را به نمايندگي همه دادهحداقلاطالعات موجود و

.فرستد ش ميا خوشه

ها ي سرگروهها حال به جاي آن كه داده .شود ها تكرار مي خوشهاين پروسه در همه

براي ساختن يك درخت متشكل از به سمت ايستگاه پايه منتقل شوند، همين روند ستقيماًم

ابتدا دورترين سرگروه به ايستگاه پايه به عنوان گره راس درخت . شود هاي سرگروه، تكرار مي گره

به آن ختهاي موجود در فاصله از گرهحداقلها با در نظر گرفتن انتخاب شده بعد ساير سرگروه

مطابق آنچه قبالً( شود تكرار ميها به گروه مرتباً و اين روند اضافه كردن گره .شوند فه مياضا

سپس نزديكترين سرگروه به ايستگاه پايه به عنوان رهبر درخت انتخاب شده و بعد از ).گفته شد

بر بسته متراكم شده به وسيله رههاي داده، نهايتاً انجام فرآيند متراكم نمودن متوالي بسته

، روش شود بنابراين فرستاده ميها براي ايستگاه پايه مستقيماً درخت متشكل از سرگروه

ها ها براي انتقال به سمت سرگروه كردن فواصل پيموده شده به وسيله بستهحداقلپيشنهادي با

تواند كاهش چشمگيري در انرژي هاي داده، مي هاي متوالي بسته از يكسو و طرح متراكم نمودن

ها به خوشه اي، سرگروه مچنين به دليل اين كه در هر دورهه. في شبكه به وجود بياوردمصر

108

در واقع . شود در نتيجه انتخاب رهبر درختها نيز تصادفي خواهد شد صورت تصادفي انتخاب مي

شود و اين يكي از مزاياي روشهاي ها توزيع مي هموار در بين گرهمصرف انرژي به صورت تقريباً

اند انرژي بيشتري هايي كه به عنوان سرگروه انتخاب شده ر دسته بندي است زيرا گرهمبتني ب

. ها بچرخد تا اين مصرف انرژي تعديل گردد كنند و لذا بايد اين نقش در بين همه گره مصرف مي

هاي انتخاب در روش پيشنهادي، با انتخاب نزديكترين سرگروه به ايستگاه پايه از بين سرگروه

تواند بر انرژي آخرين پرش تا حد ممكن كاهش داده شده است و اين خود ميشده طول

داخل و خارج ها در هاي متوالي بسته همچنين با متراكم نمودن .مصرفي تاثير زيادي بگذارد

طور كه در ابتدا نيز همان. باز هم انرژي مصرفي كاهش داده شده استها در اين روش خوشه

ها و يا ديگر روشهاي كردن گره بندي انيم با ديگر روشهاي دستهگفته شد، اين روش را ميتو

ها مبتني بر خوشه نيز تركيب كنيم و با انجام پرشهايي با طول كوتاه بسته را در داخل خوشه

، فلوچارت مربوط به ساختن درخت در روش )40-4(شكل . ها برسند جا كنيم تا به سرگروه جابه

.دهد كلي روش پيشنهادي را نمايش ميفلوچارت ) 41-4(پيشنهادي وشكل

109

)1فلوچارت(فلوچارت ساختن ساختار درختي با طول مينيمم): 40-4(شكل

110

(CBMT) با پرشهاي چندگانهخوشه فلوچارت كلي روش پيشنهادي مبتني بر ):41-4(شكل

111

توان به جاي انتخاب نزديكترين گره به توجه شود كه به منظور كاهش سربارها مي

، در PEGASISروه در داخل خوشه و يا نزديكترين سرگروه به ايستگاه پايه، مشابه با روش سرگ

بديهي است كه در . ها به عنوان رهبر درخت انتخاب گردد هر دوره به صورت تصادفي يكي از گره

هاي سربار نيز در اين صورت كاهش مصرف انرژي در مقايسه با روش قبلي كمتر است اما بسته

گونه كه گفته شد در تمامي الگوريتمهايي كه براي بهبود در در واقع همان. يابد هش ميمقابل كا

.گردد همواره با مسئله مصالحه بين چند فاكتور مواجه خواهيم شد ها پيشنهاد مي اين شبكه

بـا پرشـهاي خوشـه سازي روش مبتني بـر ارزيابي نتايج شبيه 4-6-1-1

ها خوشهچندگانه در داخل و خارج

چند حالت مختلف LEACH خوشهه منظور مقايسه عملكرد روش پيشنهادي و روش مبتني برب

.را بررسي خواهيم كرد

LEACHبراي اين كه نشان دهيم كه روش پيشنهادي ما بهتر از روش مبتني بر خوشه

گره وبراي يك ناحيه مربع (N=1000) تا (N=5)عمل ميكند با تغيير تعداد گره هاي حسگر از

ايستگاه پايه در دو موقعيت مختلف، . آزمايشات خود را انجام ميدهيم1000*1000با ابعاد شكل

يعني جايي كه مينيمم مصرف انرژي را خواهيم (يكبار در درون ناحيه مربعي و درمركز ناحيه

شرايط آزمايش در جدول .و يكبار هم در خارج ناحيه مربعي در نظر گرفته شده است) داشت

.شود ميمالحظه ) 4-1(

با پرشهاي چندگانه در داخل و خوشهشرايط آزمايش براي مقايسه روش مبتني بر ): 1-4(ول جد

LEACH و روشخوشهخارج احتمال انتخاب شكل ناحيه

سرگروه ابعاد ناحيه طول بسته داده طول بسته كنترلي

bits 525 bytes 1000*1000 100 0.05 مربعي

112

مقدار انرژي متوسطي كه بـراي انتقـال يـك بيـت داده بـه ايـستگاه پايـه ، )42-4(شكل

در اين حالت ايستگاه پايه در خـارج ناحيـه . دهد شود را براي هر دو روش نمايش مي مصرف مي

.گيرد آرايش حسگرها قرار مي

0 200 400 600 800 1000-50

-45

-40

-35

-30LEACH & CBMT Comparison

Number of Nodes-N

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule)

Area=1000*1000,BS=(500,1250),CBMT,p=0.05Area=1000*1000,BS=(500,1250),LEACH,p=0.05

ز لحاظ متوسط مصرف انرژي براي انتقال يـك ا CBMT و روش LEACHمقايسه عملكرد روش ): 42-4(شكل

قـرار (500,1250)بيت داده به ايستگاه پايه،در اين آزمايش ايستگاه پايه در خارج ناحيه مربعي و در موقعيـت . انتخاب ميشود0.05همچنين احتمال انتخاب سرگروه در هر دو روش برابر با . گيرد مي

ها ، براي همه تعداد گرهCBMTنهادي شود كه روش پيش ، مشاهده مي)42-4(از شكل

LEACHهمان طور كه در فصل قبل هم ديديم، روش . كند عمل ميLEACHبهتر از روش

در LEACHكند بنابراين نمودار مربوط به روش ها به درستي عمل نمي براي تعداد كم گره

ها انه انتخاب سرگروهها، آست يعني براي تعداد بسيار كم گره. ابتداي كار سير نزولي خواهد داشت

بنابراين . در ارتباط خواهند بودBSها به طور مستقيم با به درستي عمل نكرده و لذا همه گره

ما به . ها بسيار كم است شود كه تعداد گره حداكثر مقدار مصرف انرژي براي حالتي مصرف مي

اي ا از يك آستانهه منظور حل مشكل فوق، با اعمال يك شرط ويژه براي حالتي كه تعداد گره

استفاده كنيم PEGASISكمتر باشد براي انتقال داده از روشي مشابه با روش مبتني بر زنجير

كند و ها، روش ما به درستي كار مي اين مشكل را حل خواهيم كرد و بنابراين براي تعداد كم گره

ه رهبر براي انتقال هاي همسايه و استفاده از يك گر اطالعات را با دست به دست شدن بين گره

113

شود كه در روش پيشنهادي با همچنين مالحظه مي. منتقل خواهد كردBSداده نهايي به

توان اين گونه اين امر را مي. شود ها، انرژي الزم براي انتقال يك بيت زياد مي افزايش تعداد گره

هاي اد بستههاي همسايه به دليل افزايش تعد توجيه كرد كه عليرغم كاهش فاصله بين گره

كنترلي رد و بدل شده و همچنين افزايش تعداد پرشهايي كه براي انتقال اطالعات در طول

. ها و خارج آنها، انرژي مصرفي نهايي افزايش يافته است درختهاي ساخته شده در داخل خوشه

يعني توجه شود كه نمودار فوق، ميزان انرژي مصرفي براي انتقال يك بيت داده را نشان ميدهد،

شود بسيار جويي مي اي كه در كل شبكه با استفاده از روش پيشنهاد شده صرفه مقدار انرژي

براي LEACHبه منظور مقايسه عملكرد روش پيشنهادي و روش . بيشتر از مقدار فوق است

حالتي كه ايستگاه پايه در داخل ناحيه قرار بگيرد، آزمايشي با همان شرايط قبلي ترتيب

، نتايج اين )43-4(شكل . دهيم قرار مي(500,500) را در موقعيت BS اين تفاوت كه با. دهيم مي

.دهد آزمايش را نشان مي

0 200 400 600 800 1000-50

-45

-40

-35LEACH & CBMT Comparison

Number of Nodes-N

Ener

gy p

er b

it(Jo

ule-

dB)

Area=1000*1000,BS=(500,500),CBMT,p=0.05Area=1000*1000,BS=(500,500),LEACH,p=0.05

از لحاظ متوسط مصرف انرژي براي انتقال يـك CBMT وروش LEACH مقايسه عملكرد روش ):43-4(شكل

قرار مـي (500,500)عي و در موقعيت بيت داده به ايستگاه پايه،در اين آزمايش ايستگاه پايه درداخل ناحيه مرب .شود انتخاب مي0.05همچنين احتمال انتخاب سرگروه در هر دو روش برابر با . گيرد

براي حالتي كه LEACHگونه كه انتظار داشتيم بهبود روش ما در مقايسه با روش همان

شود كه فاصله ميهمچنين ديده. ايستگاه پايه در داخل ناحيه قرار دارد كمتر از حالت قبل است

114

يابد يا به عبارت ديگر، وقتي ايستگاه پايه داخل ها كاهش مي دو نمودار با افزايش تعداد گره

ها هم زياد است استفاده از طرح چند پرشي و انتقال داده فقط با ناحيه قرار دارد و تعداد گره

آيد، زيرا ه نظر مياين امر طبيعي ب. چندان كارساز نيستLEACHيك گره در مقايسه با روش

ها با ها و فاصله سرگروه هاي همسايه در داخل خوشه ها، فاصله گره با زياد شدن تعداد گره

لذا استفاده از طرح چند پرشي در مقايسه با انتقال مستقيم داده . يابد هاي عادي كاهش مي گره

اخل ناحيه قرار دارد دBSاز طرف ديگر، وقتي كه . تواند مفيدتر باشد ها خيلي نمي به سرگروه

در خارج ناحيه قرار گرفته BSها تا آن در اغلب موارد كمتر از حالتي است كه فاصله سرگروه

در مقايسه با ارسال BSلذا در مقايسه با آزمايش قبل، انتقال اطالعات با چند سرگروه به . باشد

ساختن ساختار درختي هاي كنترلي زياد براي اطالعات تنها با يك گره رهبر و ارسال بسته

.انرژي مصرفي را خيلي باال نخواهد برد

از مشاهدات و آزمايشات باال ميتوان اينگونه نتيجه گرفت كه روش پيشنهادي ما براي

.گيرد خيلي خوب عمل خواهد كرد در خارج ناحيه قرار ميBSحالتي كه

نرژي كه در پرشي خود را با يك روش مطلع از ا- در بخش بعدي روش پيشنهادي چند

كنيم و مالحظه ها پيشنهاد شد تركيب مي سالهاي اخير به منظور افزايش طول عمر اين شبكه

طول عمر شبكه را افزايش بخشيده و نيزمصرف ERAخواهيم كرد روش ما در مقايسه با روش

. تر تقسيم خواهد كرد ها به صورت عادالنه انرژي را بين گره

115

انرژي با پرشهاي چندگانه در داخل و و مطلع ازخوشهروش مبتني بر -4-6-2 1(CBEAMT) ها خوشهخارج

ي كه بر اساس دسته توانيم روش پيشنهادي خود را با روشهاي ديگر گونه كه گفتيم، مي همان

كنند نيز تركيب كنيم و طول عمر شبكه را افزايش اي ديگر كار مي ها به گونه بندي كردن گره

.بخشيم

روشهاي مسيريابي مطلع از انرژي صحبت كرديم وگفته شد كه در فصلهاي قبلي در مورد

ها، گره مناسبي را كه از لحاظ انرژي باقيمانده وضعيت اين روشها با اطالع از انرژي باقيمانده گره

يكي از . ها دارد، براي انتقال اطالعات در هر مرحله انتخاب خواهند كرد بهتري از ديگر گره

هاي ها، بر خالف روش است كه براي تشكيل خوشهERAژي، روش بهترين روشهاي مطلع از انر

دادند، ها را اساس كار خود قرار مي ، كه حداقل كردن فاصله بين گرهLEACHقديمي مانند

ERAها و در هنگام انتخاب سرگروه براي هر گره، سعي در حداكثر كردن براي ساختن خوشه

].37[ ساخته خواهد شدBSل اطالعات به سمت انرژي باقيمانده مسيري دارد كه براي انتقا

ERAما به منظور افزايش بيشتر طول عمر شبكه، روش پيشنهادي خود را با روش

ايم كه اين امر، منجر ها اعمال كرده تركيب كرده و همچنين اصالحاتي در روش انتخاب سرگروه

. شده استERAبه افزايش طول عمر شبكه در مقايسه با روش

ها شود آن است كه انتخاب سرگروه ، ديده ميERA روش اي كه در يبهاي عمدهيكي از ع

پايه و به صورت تصادفي انجام در هر دوره بدون توجه به انرژي باقيمانده و فاصله آنها از ايستگاه

اين نوع انتخاب اگرچه در برخي شرايط ممكن است منجر به ). LEACHمشابه با روش (شود مي

ها شود ولي در بسياري موارد هم ممكن است باعث مرگ وار انرژي در بين گره همتوزيع تقريباً

ها زيرا از آنجايي كه سرگروه. ه شودسرگروه انتخاب شده و مختل شدن عملكرد بخشي از شبك

شوند لذا ممكن است در در هر دوره با توجه به يك آستانه و به صورت تصادفي انتخاب مي_________________________________________________________

1 Cluster-Based and Energy Aware with Multi Hop Transmission-(CBEAMT)

116

ها ها كاهش يافته است يك گره كه در مقايسه با ديگر گره قيمانده گرههاي باال كه انرژي با دوره

اش از ايستگاه پايه نيز زياد است، به عنوان سرگروه انتخاب شود و به انرژي كمتري دارد و فاصله

ما در روش . هاي داده اعضايش را به ايستگاه پايه انتقال دهد ليل كمبود انرژي قادر نباشد بستهد

. ايم ها در هردوره را تغيير داده خوشهد براي حل اين مشكل، نحوه انتخاب سرگروه پيشنهادي خو

هايي كه انرژي ، در هر دوره تعداد مشخصي از گره آمده]19[در حقيقت مشابه آن چه كه در

با . ها انتخاب خواهند شد خوشهها دارند به عنوان سرگروه يمانده باالتري نسبت به بقيه گرهباق

ها انرژي باالتري داشته هاي سرگروه نسبت به ديگر گره توان مطمئن بود كه گره ب مياين انتخا

. و لذا براي انتقال داده به ايستگاه پايه مشكلي نخواهند داشت

هاي داده به وسيله هر سرگروه به سمت ، انتقال مستقيم بستهERAدومين عيب روش

اي دور از ناحيه ري موارد، ايستگاه پايه در ناحيهادر واقع از آنجايي كه در بسي. ايستگاه پايه است

زيادي مصرف ها انرژي بسته) پرشي-تك(رار گرفته است انتقال مستقيمآرايش حسگرها ق

اند، در پايان دوره دوره به عنوان سرگروه انتخاب شدههايي كه در يك خواهند كرد و لذا گره

- مشكل ما نوع خاصي از انتقال داده چندبراي رفع اين. انرژي باقيمانده كمي خواهند داشت

ايم كه منجر به ا به ايستگاه پايه در نظر گرفتهه انتقال اطالعات نهايي از سرگروهپرشي را براي

در اين . ها و لذا افزايش طول عمر كلي شبكه خواهد شد كاهش چشمگير انرژي مصرفي سرگروه

اعضاي گروهشان دريافت كردند، با رد و بدل هاي داده را از ها بسته سرگروهروش، بعد از آن كه

در بين خودشان، سرانجام سرگروهي را براي ) ديتا- متا(كردن تعداد محدودي بسته كنترلي

. كندحداكثر را )5-4(ابطه كنند كه ر انتقال بسته داده نهايي به ايستگاه پايه انتخاب مي

)4-5 ( toBSremCHres EEE −=−

، toBSE، انرژي باقيمانده سرگروه مورد نظر در لحظه جاري و remEكه در اين رابطه،

توان مطمئن بود ميبا اين انتخاب. باشد بيت داده به ايستگاه پايه ميLانرژي الزم براي انتقال

كه سرگروهي با انرژي باقيمانده بيشتر و نزديكتر به ايستگاه پايه بسته نهايي را براي ايستگاه

، يك ساختار PEGASISبا روش ها مشابه خوشههاي در حقيقت سرگروه. ه خواهد فرستادپاي

117

مقدار حداقلاش صله بين هر گره با تك گره همسايهسازند كه در اين ساختار فا زنجيري را مي

انتخاب شده است و ما آن را رهبر زنجير )5-4(خواهد بود و تنها يك سرگروه كه مطابق رابطه

. ناميم براي انتقال نهايي داده به ايستگاه پايه استفاده خواهد شد مي

ساختن يك زنجير متشكل از با، هم ديديم PEGASIS طور كه قبالً در مورد روش همان

كوتاهترين طول ممكن و فرستادن بسته نهايي داده از طريق نزديكترين سرگروه به ها با سرگروه

روه ها به مقدار ، انرژي مصرفي سرگ كه داراي حداكثر انرژي باقيمانده خواهد بودايستگاه پايه

توجه شود كه به دليل . يابد ا طول عمر شبكه باز هم افزايش مييابد و لذ قابل توجهي كاهش مي

ها بنابراين، نقش رهبريت در بين گرهكند ها تغيير مي ر دوره سرگروه خوشه هاين كه در

متراكم همچنين با. چرخد و لذا از لحاظ توزيع مصرف انرژي مشكلي ايجاد نخواهد شد مي

در طول زنجير طول بسته انتقال داده شده به ) در صورت امكان(هاي داده نمودن متوالي بسته

همواره بين زيرا از آنجايي كه در يك شبكه حسگر. كاهش خواهد يافت تا حدوديايستگاه پايه

توان در صورت وجود به هم، همبستگي وجود دارد لذا ميهاي نزديك ي گره هاي داده بسته

هاي ناهمبسته دريافتي از سرگروه همسايه، مولفههاي هاي حس شده و داده همبستگي بين داده

. ته داده نهايي به سمت گره همسايه منتقل كردرا به عنوان بس) اطالعات مفيد(

CBEAMTشده كه ما آن را در اين جا به طور خالصه ميتوان گفت روش پيشنهاد

:ايم، در هر دوره داراي سه فاز است ناميده

انتخاب سرگروه بر اساس ماكزيمم انرژي باقيمانده) فاز اول

اكزيمم كردن انرژي باقيمانده مسيرانتخاب اعضاي متعلق به هرگروه بر اساس م) فاز دوم

بوجود آمده از هر گره به سرگروهش و ايستگاه پايه

كه اين كارايستگاه پايهها از طريق تنها يكي از آنها به گروهانتقال اطالعات سر) فاز سوم

دست شدن ها در طول يك ساختار زنجيرگونه و دست به ه وسيله متراكم كردن متوالي بستهب

. يردگ كديگر صورت ميآنها بين ي

118

، امكان اين كه خوشههاي با انرژي باالتر به عنوان سرگروه در حقيقت ما با انتخاب گره

برسانند را ايستگاه پايههاي دريافتي را به تمام شدن انرژيشان نتوانند بستهها به دليل سرگروه

ها در بين قال دادهپرشي براي انت-ك طرح چنداز طرفي با در نظر گرفتن ي. ايم كاهش داده

حد نهايي تا ايستگاه پايهها و استفاده از تنها يك سرگروه براي انتقال بسته داده به سرگروه

به . ايم افزايش دادهERAها در پايان هر دوره را نسبت به روش زيادي انرژي باقيمانده سرگروه

.فته استاين ترتيب با اعمال اين تغييرات طول عمر كلي شبكه نيز افزايش يا

، فلوچارتي از نحوه عملكرد روش پيشنهاد شده مبتني بر خوشه و مطلع از )44-4(شكل

و ERAدر اين شكل مراحلي كه مشابه با دو روش . دهد انرژي با پرشهاي چندگانه را نمايش مي

PEGASISاست توضيح داده نشده است .

119

مطلع از انرژي با پرشهاي چندگانه در داخل و هخوشفلوجارت مراحل عملكرد روش مبتني بر ): 44-4(شكل

(CBEAMT)خوشهخارج

120

و مطلع از انرژي با خوشهسازي روش مبتني بر ارزيابي نتايج شبيه4-6-2-1 خوشهپرشهاي چندگانه در داخل و خارج

ERAدر اين بخش به بررسي عملكرد روش پيشنهادي خود در مقايسه با روش مطلع از انرژي

افزايش طول عمر شبكه بود بنابراين ERAبا توجه به اينكه ادعاي روش . ختخواهيم پردا

در اغلب مقاالتي كه به . بايستي يك معيار مشخص براي محاسبه طول عمر شبكه داشته باشيم

: گردد گيري طول عمر تعريف مي بررسي طول عمر شبكه مي پردازند دو معيار مهم براي اندازه

.باشد ميLNDيار دوم ، معيار و معFNDمعيار اول، معيار

كشد تا اولين گره در داخل شبكه بميرد و به صورت مدت زماني كه طول ميFND معيار

كند هايش كار مي هاي زماني كه شبكه با در اختيار داشتن همه گره يا به عبارت ديگر تعداد دوره

.گردد تعريف مي

كشد تا همه كه طول مي كه معيارمهمتري است بر اساس مدت زماني LNDمعيار

.گردد هاي داخل شبكه بميرند و يا انرژيشان تمام شود تعريف مي گره

كنيم و در واقع به تفاوت زماني معيار ما براي بررسي دقيقتر، از هر دو معيار استفاده مي

FNDو LNDكنيم ها نگاه مي به عنوان ميزان يكنواخت بودن مصرف انرژي بين همه گره .

ميرد و زماني كه آخرين گره داخل ه هر چه فاصله بين زماني كه اولين گره ميبديهي است ك

ها توان نتيجه گرفت مصرف انرژي به صورت غير يكنواخت بين گره شبكه بميرد زيادتر باشد مي

.تر خواهد بود توزيع شده و بالعكس، هرچه اين فاصله كمتر باشد توزيع مصرف انرژي يكنواخت

گيريم كه در هر بار را در نظر مي100*100اي مربع شكل با ابعاد هبراي مقايسه، ناحي

ايستگاه پايه . گيريم است را در نظر مي2Jouleشان آزمايش تعدادي گره حسگر كه انرژي اوليه

.دهد ، شرايط آزمايش را نمايش مي)٢-۴(جدول .گيرد قرارمي(50,200)در موقعيت

121

CBEAMT و ERAايسه روش شرايط آزمايش براي مق):2-4(جدول ابعاد ناحيه انرژي اوليه گره طول بسته داده طول بسته كنترلي احتمال انتخاب سرگروه شكل ناحيه

bits 525 bytes 2 Joule 100*100 100 0.05 مربعي

از لحاظ طول عمر شبكه بر اساس ERAروش پيشنهادي ما را با روش ) 45-4(شكل

. مقايسه كرده استFNDمعيار

100 200 300 400 500 600 7000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500ERA & CBEAMT Comparison-FND Parameter

Number of Nodes

Net

wor

k Li

fetim

e-F

ND

par

amet

er(R

ound

s)

Area=100*100,BS=(50,200),ERAArea=100*100,BS=(50,200), CBEAMT

، FNDاز لحاظ طول عمر شبكه براساس معيـار ERA مقايسه عملكرد روش پيشنهادي و روش ):45-4(شكل

همچنـين احتمـال انتخـاب . گيـرد قرار مي(50,200)در اين آزمايش ايستگاه پايه در خارج مربع و در موقعيت .شود انتخاب مي0.05سرگروه در هر دو روش برابر با

عمر شبكه را با استفاده از طول وان فهميد براي حالتي كه، ميت)45-4(شكل از

عمل خواهد كرد و به ERAايم،روش پيشنهادي بسيار بهتر از روش تعريف كردهFNDمعيار

در حقيقت . گيرد قرار ميERAازاي هر تعداد گره، نمودار روش پيشنهادي باالتر از نمودار روش

داده و سرگروه و انتقال داده، طول عمرشبكه را افزايش ما با اعمال اصالحاتي در فازهاي انتخاب

ولين كشد تا ا ايم و لذا زماني كه طول مي تر توزيع كرده ها يكنواخت مصرف انرژي را در بين گره

فواصل ها به دليل انتقال اطالعات به زيرا سرگروه. تر شده است گره داخل شبكه بميرد طوالني

122

كنند و انتخاب تصادفي آنها ممكن است منجر عادي مصرف ميهاي دورتر انرژي بيشتري از گره

شود كه همچنين ديده مي. به تخليه سريع انرژي آنها شده و لذا طول عمر شبكه را كاهش دهد

هاي ها و عدم توجه به انرژي باقيمانده گره به دليل تصادفي انتخاب شدن سرگروهERAدر روش

در حالي كه اين مشكل در روش ما . ه وجود آمده استسرگروه، يك پيك در نمودار طول عمر ب

زيرا امكان اين كه در يك حالت، انرژي گره سرگروه خيلي . حل شده است و نقطه پيكي نداريم

.ها كامالً آگاهانه انجام شده است زود تمام شود وجود ندارد و انتخاب سرگروه

.ست مقايسه كرده اLND، دو روش را بر اساس معيار )46-4(شكل

100 200 300 400 500 600 7001000

1500

2000

2500

3000

3500ERA & CBEAMT Comparison-LND

Number of Nodes

Net

wor

k Li

fetim

e-LN

D p

aram

eter

(Rou

nds)

Area=100*100,BS=(50,200),ERAArea=100*100,BS=(50,200),CBEAMT

، LNDاز لحاظ طول عمر شبكه براسـاس معيـار ERA مقايسه عملكرد روش پيشنهادي و روش ):46-4(شكل

همچنـين احتمـال انتخـاب . گيـرد قرار مي(50,200)در اين آزمايش ايستگاه پايه در خارج مربع و در موقعيت .شود انتخاب مي0.05سرگروه در هر دو روش برابر با

معيار ( ميتوان فهميد در هر دو حالت)46- 4(و ) 45-4(مقايسه دو نمودارهمان طور كه از

FNDو LND ( روش پيشنهادي طول عمر شبكه را نسبت به روشERAهم . افزايش خواهد داد

ها بدون توجه به انرژي انتخاب سرگروهERA شود به دليل اين كه در روش چنين مالحظه مي

كشد تا اولين گره در شبكه بميرد در زماني كه طول ميشود، مدت ها انجام مي ده گرهباقيمان

123

در حاليكه اختالف بين نمودارهاي مربوط به .مقايسه با روش پيشنهادي خيلي كوتاهتر است

ها ميتوان از اين مقايسه. يار اول كمتر استنسبت به مع) LND( طول عمر براي معيار دوم

ها پخش خواهد تر بين همه گره ور يكنواختي، مصرف انرژي را به طنتيجه گرفت روش پيشنهاد

.كرد

ها در روش براي اين كه بهتر بتوانيم يكنواخت بودن توزيع مصرف انرژي را بين گره

ببينيم، طول عمر شبكه را بر اساس هر دو معيار براي هر ERAپيشنهادي در مقايسه با روش

نتايج اين بررسيها را ) 48- 4 (و) 47- 4(شكلهاي . روش در يك نمودار جدا بررسي خواهيم كرد

.دهند نمايش مي

100 200 300 400 500 600 7000

500

1000

1500

2000

2500FND & LND Comparison- ERA

Number of Nodes

Net

wor

k Li

fetim

e-LN

D p

aram

eter

(Rou

nds)

Area=100*100,BS=(50,200),ERA-FNDArea=100*100,BS=(50,200),ERA-LND

در ايـن آزمـايش .ERA بـراي روش FND,LND طول عمر شبكه بر اساس معيارهـاي مقايسه): 47-4(شكل

0.05همچنين احتمال انتخاب سرگروه برابر با . گيرد قرار مي(50,200) ايستگاه پايه در خارج مربع و در موقعيت .شود انتخاب مي

124

100 200 300 400 500 600 7001600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200FND & LND Comparison-CBEAMT

Number of Nodes

Net

wor

k Li

fetim

e-LN

D p

aram

eter

(Rou

nds)

Area=100*100,BS=(50,200),CBEAMT-FNDArea=100*100,BS=(50,200),CBEAMT-LND

در اين آزمايش .CBEAMT براي روش FND,LND طول عمر شبكه بر اساس معيارهاي مقايسه): 48-4 (شكل

0.05همچنين احتمال انتخاب سرگروه برابر با . گيرد قرار مي (50,200)ايستگاه پايه در خارج مربع و در موقعيت .شود انتخاب مي

مربوط به روش مودارشود كه ن الحظه ميم) 48- 4(و) 47-4(از مقايسه دو نمودار

تر بوده و اختالف هموارERAمربوط به روش در مقايسه با نمودار (CBEAMT)پيشنهادي

در .ميرد كم است ر مقايسه با زماني كه گره آخر ميميرد د اي كه اولين گره مي زماني بين لحظه

ار توان نتيجه گرفت كه روش پيشنهادي مصرف انرژي را بسي حقيقت از اين مشاهدات مي

نيز قابل مشاهده ) 48-4(شكل زيرا از .ها پخش خواهد كرد در بين گرهERAهموارتر از روش

شود هاي داخل شبكه حسگر تقريبا در پريود زماني يكساني انرژيشان تمام مي است كه همه گره

مشاهده )47-4(در حالي كه از نمودار . و اين يكي از نقاط قوت روش پيشنهادي خواهد بود

ميرد با زماني زماني كه اولين گره داخل شبكه مي كه براي هر تعداد گره حسگر اختالف شود مي

ر يكنواخت ها خواهند مرد بسيار چشمگير خواهد بود و اين معادل با توزيع غي كه همه گره

.هاي شبكه است مصرف انرژي در بين گره

125

العات به ايستگاه پايه به منظور مقايسه بهتر متوسط انرژي الزم براي انتقال يك بيت اط

، آمده است با هم 2-4را در هر دو روش و تحت شرايط آزمايشگاهي مشابه با آنچه كه در جدول

.دهد نتيجه اين آزمايش را نمايش مي) 49-4(شكل . مقايسه كرده ايم

100 200 300 400 500 600 700-68.5

-68

-67.5

-67

-66.5

-66

-65.5

-65

-64.5ERA & CBEAMT Comparison

The Second Coordination of BS-(x)

Ene

rgy

per

bit(

Joul

e-dB

)

Area=100*100,BS=(50,200),ERAArea=100*100,BS=(50,200),CBEAMT

و ERA مقايسه متوسط مصرف انرژي الزم براي انتقال يك بيت بـه ايـستگاه پايـه بـراي روش ):49-4(شكل

قـرار مـي (50,200)در اين آزمايش ايستگاه پايه در خارج مربـع و در موقعيـت ،(CBEAMT)روش پيشنهادي .شود انتخاب مي0.05همچنين احتمال انتخاب سرگروه برابر با . گيرد

روش پيشنهادي ما از طريق كاهش متوسط انرژي توان ديد همانطور كه از نمودار باال مي

هاي حسگر براي انتقال داده توانست طول عمر نواخت مصرف انرژي بين گرهمصرفي و توزيع يك

عالوه بر اين . هاي حسگر را متعادلتر سازد شبكه را بهبود بخشيده و مصرف انرژي بين گره

هاي حسگر، متوسط انرژي مصرفي نيز شود كه در هر دو روش با افزايش تعداد گره مالحظه مي

. افزايش يافته استBS براي انتقال يك بيت داده به

تواند باعث افزايش توان نتيجه گرفت كه روش پيشنهادي ما هم مي از مشاهدات باال مي

اين بهبود در عملكرد روش . تر سازد طول عمر شبكه شود و هم مصرف انرژي را متعادل

:پيشنهادي به وسيله دو عامل ايجاد شد

126

تخاب سرگروهها در فاز ان توجه به انرژي باقيمانده گره- 1

ها هاي داده نهايي از سرگروه ي با طول كوتاه براي انتقال بستهپرش-استفاده از يك مسير چند - 2

.ERAپرشي استفاده شده در روش – بر خالف روش تكايستگاه پايهبه

ها لي رد و بدل شده به وسيله سرگروههاي كنتر رچه در روش پيشنهادي، تعداد بستهاگ

آنها باز هم است اما به دليل كوتاه بودن مسافتهاي پيموده شده به وسيلهERA بيشتر از روش

ها در داخل محيط آرايش حسگرها زيرا اين بسته. دياب ها كاهش مي انرژي مصرفي سرگروه

ها در روش هاي داده سرگروه هاي كنترلي، بسته شوند در حالي كه در عوض اين بسته منتقل مي

ERAاين انرژي زيادي مصرف خواهد ه آرايش حسگرها منتقل شوند و بايستي به خارج ناحي

.كرد

مالحظه شد كه روش پيشنهادي ما در هر دو حالت بسيار خوب عمل كرد و مصرف انرژي را

.كاهش بخشيد، متعادل ساخت و طول عمر را افزايش بخشد

خالصه فصل -4-7

ها شهاي مبتني بر خوشههمانگونه كه مالحظه شد روشهاي مبتني بر زنجير در مقايسه با رو

در حقيقت علت اين امر، انتقال نهايي بسته داده به وسيله يك گره به . كنند بهتر عمل مي

همچنين ديده شد كه با تركيب كردن روشهاي مبتني بر خوشه و مبتني بر . ايستگاه پايه است

يج بهتري پرشي منجر به نتا-پرشي به جاي انتقاالت تك-زنجير و استفاده از طرحهاي چند

پرشي را با ديگر روشهاي مبتني بر خوشه تركيب -توان اين روش چند در ادامه مي. خواهد شد

.كرد و عملكرد آنها را نيز ارزيابي كرد

فصل پنجم

گيري و پيشنهادات نتيجه

گيري نتيجه بندي و جمع -5-1

هاي حسگر بيسيم، در اين نوشتار، ابتدا به معرفي برخي از روشهاي مسيريابي معروف براي شبكه

LEACHسپس در فصل چهارم عملكرد دو الگوريتم مسيريابي معروف يعني . پرداختيم

را ابتدا بصورت جداگانه و تحت شرايط مختلف با تغيير پارامترهاي موثر بر انرژي PEGASISو

با توجه به اين كه مهمترين عامل در تعيين مقدار انرژي مصرفي، فاصله پيموده . بررسي كرديم

. به بررسي عواملي پرداختيم كه ميتوانند بر فاصله پيموده شده تاثيرگذار باشندشده است لذا ما

:اين عوامل عبارتند از

فاصله ايستگاه پايه نهايي تا ناحيه آرايش حسگرها) 1

تغييرابعاد ناحيه آرايش حسگرها) 2

هاي حسگر آرايش يافته در ناحيه مربعي شكل تغيير تعداد گره) 3

حاكي از آن است كه LEACH در مورد روش مبتني بر كالستر نتايج بررسيهاي ما

ها خيلي كم و يا خيلي زياد باشد به آستانه انتخاب سرگروه كالستر براي حالتي كه تعداد گره

درستي عمل نخواهد كرد و لذا در اكثر اين موارد هر گره به صورت مستقيم با ايستگاه پايه

ها در داخل ناحيه مربعي شكل، تعداد با افزايش تعداد گرههمچنين. كند نهايي ارتباط برقرار مي

ارتباطات بين (يابد و لذا تعداد ارتباطات برون كالستري هاي انتخاب شده نيز افزايش مي سرگروه

شود و در اكثر موارد، انرژي مصرفي براي اين نوع از نيز زياد مي) ها و ايستگاه پايه سرگروه

128

اي ارتباطات داخل كالسترها غلبه كرده و لذا انرژي مصرفي كل، با ارتباطات بر انرژي الزم بر

نتايج به دست آمده از تغيير موقعيت ايستگاه پايه در داخل . يابد ها افزايش مي افزايش تعداد گره

و خارج كالسترها حاكي از آن است كه بهترين حالت ممكن از ديدگاه حداقل كردن مصرف

اين . كه ايستگاه پايه دقيقاً در مركز ناحيه مربع شكل قرار بگيردافتد انرژي، زماني اتفاق مي

.ها مد نظر قرار گيرد بندي كردن گره نتيجه ميتواند به عنوان يك ايده كليدي براي دسته

ها، انرژي ، مالحظه شد كه با افزايش تعداد گرهPEGASISدر مورد روش مبتني بر زنجير

يابد و در توجيه اين امر ميتوان ايستگاه پايه كاهش ميمتوسط مصرفي براي انتقال يك بيت به

، تنها يك گره مسئول انتقال اطالعات به ايستگاه پايه است لذا PEGASISگفت چون در روش

اي بايد اي كه از لحاظ مصرف انرژي براي ارتباطات برون شبكه ها، هزينه با زياد شدن تعداد گره

ها در داخل ناحيه مربع الي است كه با افزايش تعداد گرهكند و اين در ح بپردازيم تغيير نمي

هاي همسايه كاهش يافته و در نتيجه انرژي متوسط الزم براي انتقال شكل، فاصله بين گره

. يابد و اين يكي از نقاط قوت روش مبتني بر زنجير است در مجموع كاهش ميBSاطالعات به

بال اين مقدار كاهش در مصرف انرژي بايستي هزينه البته نبايد از اين نكته غافل بود كه در ق

به عبارت ديگر، به علت اينكه در روش مبتني بر زنجير به منظور . زماني بيشتري بپردازيم

ها رد و بدل شود و ساختن زنجير و انتخاب گره رهبر بايستي تعدادي بسته كنترلي بين گره

بنابراين . پاسخگويي شبكه خواهد شدهاي كنترلي منجر به افزايش زمان افزايش اين بسته

استفاده از اين روش در كاربردهايي كه نياز به پاسخگويي سريع شبكه خواهند داشت خيلي

.مقرون به صرفه نخواهد بود

به آن توجه كرد اين است كه با قرار PEGASISنكته ديگري كه بايد در مورد روش

حداقل مقدار انرژي مصرف خواهد شد و از گرفتن ايستگاه پايه در مركز ناحيه مربعي شكل،

قسمت عمده انرژي در اثر رد و بدل شدن بسته هاي داده بين PEGASISآنجايي كه در روش

ميتوان در گره هاي همسايه به منظور رساندن آنها به رهبر زنجير مصرف خواهد شد بنابراين

129

ها و فاصله انتخاب رهبر زنجير اين مسئله را مد نظر قرار داده و با تركيبي از انرژي باقيمانده گره

.از مركز شبكه يك آستانه مناسب، براي انتخاب رهبر زنجير در هر دوره تعريف كرد

مالحظه PEGASISهمچنين نكته قابل بحث ديگري كه در مورد روش مبتني بر زنجير

است كه با بزرگ شدن ابعاد ناحيه آرايش حسگرها، انرژي متوسط مصرفي نيز افزايش شد آن

ما از اين نكته به منظور كاهش انرژي مصرفي و افزايش طول عمر شبكه در روش . يابد مي

، PEGASISدر حقيقت، به منظور استفاده از نقاط قوت روش . پيشنهاد شده خود بهره برديم

هايي با ابعاد ها به ناحيه ث را به كمك روشهاي دسته بندي كردن گرهابتدا كل ناحيه مورد بح

.ها استفاده كرديم كوچكتر تقسيم كرده و سپس از ساختار زنجير در داخل آن ناحيه

عالوه بر اين مالحظه شد كه تقريباً در تمام حاالت روشهاي مبتني بر زنجير بهتر از

ند كرد و تنها نقطه ضعف آنها تاخير در روشهاي مبتني بر دسته بندي كردن كار خواه

ها هاي كنترلي رد و بدل شده و غير موازي بودن انتقال بسته پاسخگويي به علت تعداد زياد بسته

است و BSزيرا در اين روشها، تنها يك گره مسئول رساندن بسته داده به . به ايستگاه پايه است

ها در داخل ناحيه حسگرها نتقال اين بستهاين در حالي است كه مدت زمان زيادي بايد صرف ا

.به گره انتخاب شده بعنوان رهبر شود

پيشنهاداتي براي كارهاي آينده -5-2

گونه كه در فصل چهارم مالحظه شد، ما توانستيم با تركيب كردن روشهاي مبتني بر همان

ع يكنواخت زنجير و مبتني بر كالستر به نتايج قابل قبولي از لحاظ كاهش مصرف انرژي و توزي

در ادامه اين كارها ميتوانيم روشهاي پيشنهاد شده خود را با روشهاي . مصرف انرژي دست يابيم

. تركيب كردHEEDها و مطلع از انرژي همچون روش ديگر مبتني بر كالستربندي كردن گره

ه همچنين توجه به فاصله از مركز و نزديكي به مركز، در انتخاب سرگروه كالسترها و يا دست

در حقيقت ميتوانيم با در نظر گرفتن . ها يكي از نكات جالب توجه خواهد بود بندي كردن گره

سه عامل فاصله از ايستگاه پايه نهايي و انرژي باقيمانده گره و همچنين فاصله از مركز به صورت

130

پرشي مبتني بر زنجير-ها را بهبود بخشيده و سپس روش چند همزمان، آستانه انتخاب سرگروه

عالوه بر اين، از آنجايي كه روشهاي مبتني بر ساختار درختي نيز . را با اين روش تركيب كنيم

مشابه با روش مبتني بر زنجير در كاهش مصرف انرژي نقش مهمي ايفا ميكنند، لذا ميتوانيم

روشهاي مبتني بر دسته بندي كردن گره ها را با روشهاي مبتني بر ساختار درختي نيز تركيب

.پرشي خوبي برسيم- و از تركيب آنها به روشهاي چندكنيم

نكته قابل بحث ديگر در مورد روشهاي مبتني بر زنجير مطلع از انرژي ساختن آنها در

عدم توجه به انرژي PEGASISاز آنجايي كه مهمترين ضعف روش . مرحله انتخاب رهبر است

اي براي انتخاب رهبر در اين روش تانهتوان آس باقيمانده گره ها براي انتخاب رهبر است، لذا مي

پيشنهاد كرد كه در هر لحظه گرهي با كمترين فاصله از ايستگاه پايه و حداكثر انرژي باقيمانده

.را بعنوان گره رهبرانتخاب كند

ها ها، تمركز بر روي مهمترين مشكل اين شبكه با توجه به كاربردهاي روزافزون اين شبكه

هاي حسگر بيسيم در همه گشاي كاربردهاي عملي شبكه تواند راهيعني محدوديت انرژي مي

توجه به همه الگوريتمهاي مسيريابي پيشنهاد شده تا كنون و مقايسه مزايا و . ها باشد زمينه

معايب آنها تحت شرايط مختلف ميتواند به عنوان بهترين و موثرترين راه حل به منظور ارائه

. مختلف مد نظر قرار گيردالگوريتمهاي كارآمدتر تحت شرايط

131

:مراجع

[1] C. Y. Chong, S. P. Kumar, "Sensor Networks: Evolution, Opportunities,

and Challenges," Proceedings of the IEEE Transaction on Computers, Vol.

91, pp.23-27, May, 2003.

[2] G. J. Pottie, W. J. Kaiser, "Wireless Integrated Sensor Networks,"

Communications of the ACM, May 2000. An overview with more of a

signal processing viewpoint.

[3] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, "A Survey on

Sensor Networks," IEEE Communications, Aug. 2002, pp.102-114.

[4] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarsabramaniam and E. Cayirci, "Wireless

Sensor Networks: A Survey," Computer Networks, Vol. 38, pp. 393-422,

March 2002.

[5] J. Hill, R. Szewczyk, A. Woo, S. Hollar, D. Culler, and K. Pister, "System

architecture directions for networked sensors," In Proceedings of the 9 th

International Conference on Architectural Support for Programming

Languages and Operating Systems, November 2000.

[6] J. N. Alkaraki and A.E. Kamal, "Routing Techniques in Wireless Sensor

Networks: A Survey," IEEE Journal of Wireless Communications, vol. 11,

No. 6, Dec. 2004, pp. 6-28.

[7] D. Estrin, R. Govindan, J. Heidemann, and Satish Kumar, "Next Century

Challenges: Scalable Coordination in Sensor Networks," In Proceedings of

Mobicom'99, 1999.

132

[8] J. M. Kahn, R. H. Katz and K. S. J. Pister, "Next Century Challenges:

Mobile Networking for Smart Dust," in the 5 th Annual ACM/IEEE

International Conference on Mobile Computing and Networking

(MobiCom 99), Aug. 1999, pp. 271-278.

[9] D. Estrin, L.Girod, G. Pottie, and M. Srivastava, "Instrumenting the World

with Wireless Sensor Networks," in International Conference on Acoustics,

Speech, and Signal Processing (ICASSP 2001), Salt Lake city, Utah, May

2001.

[10] K. Akkaya, and M. Younis, "A Survey on Routing Protocols for Wireless

Sensor Networks. Elsevier Adhoc Network Journal, 2005, 325-349.

[11] J. N. Alkaraki, A. E. Kamal, "On the Correlated Data Gathering Problem in

Wireless Sensor Networks," Proceedings of the 9th IEEE Symposium on

Computers and Communications, Alexandria, Egypt, July 2004.

[12] K. Sohraby, D. Minoli, T. Znati, "Wireless Sensor Networks: Technology,

Protocols and Applications, " Published by WILEY INTERSCIENCE-

2007.

[13] C. Schurgers, M. B. Srivastava, "Energy Efficient Routing in Wireless

Sensor Networks," Proceedings of the IEEE Military Communications

Conference (MilCom'01): Communications for Network-Centric

Operations-Creating the Information Force, McLean, VA, Oct. 2001.

[14] S. Hedetniemi, A. Liestman, "A Survey of Gossiping and Broadcasting in

Communication Networks," IEEE Networks, Vol. 18, No. 4, 1988, pp. 319-

349.

133

[15] W. Heinzelman, A. Chandrakasan, H. Balakrishnan, "Energy-Efficient

Communication protocol for Wireless Microsensor Networks," Proceeding

of the 33 rd Hawaii International Conference on System Sciences

(HICSS'00), Maui, HI, Jan. 2000.

[16] W. Heinzelman, J. Kulik, H. Balakrishnan, "Adaptive Protocols for

Information Dissemination in Wireless Sensor Networks," Proceedings of

the 5 th ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and

Networking (MobiCom'99), Seattle, WA, Aug. 1999, pp. 174-185.

[17] W. Heinzelman, A. Chandrakasan and H. Balakrishnan, "An Application-

Specific protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks," IEEE

Transactions on Wireless Communications, Vol. 1, No. 4, October 2002.

[18] M. Handy, M. Hasse, D. Timmermann, "Low Energy Adaptive Clustering

Hierarchy with Deterministic ClusterHead Selection," IEEE MWCN,

Stockholm, Sweden, Sep. 2002.

[19] F. Xiangning, S. Yulin, "Improvemnet on LEACH protocol of Wireless

Sensor Network," In Proceedings of IEEE International Conference on

Sensor Technologies and Applications, pp. 260-264,October 2007.

[20] S. Lindsey, C. Raghavendra, "PEGASIS: Power-Efficient Gathering in

Sensor Information Systems," IEEE Aerospace Conference Proceedings,

2002, Vol. 3, No. 9-16, pp. 1125-1130.

[21] D. Kofman Ravi Mazumdar, N. Shrof Vivek, P. Mhatre, Catherine

Rosenberg, "A minimum cost heterogeneous sensor network with a lifetime

134

constraint," IEEE Transactions on Mobile Computing, 04(1):4-15, Jan/Feb

2005.

[22] B. Banerjee, and S. Khuller, "A Clustering Scheme for Hierarchical Control

in Multi-Hop Wireless Networks," Proc of INFOCOM, April 2001.

[23] W. Heinzelman, A. Sinha, A. Wang, A. Chandrakasan, "Energy-Scalable

algorithms and protocols for wireless microsensor networks," Proc,

International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing

(ICASSP'00), June 2000.

[24] O. Younis, M. Krunz and S. Ramasubramanian, "Node Clustering in

Wireless Sensor Networks: Recent Development Challenges," IEEE

Network, Vol. 20, issue 3, May 2006, pp.20-25.

[25] J. Chang and L. Tassiuals, "Maximum lifetime routing in WSNs," In

Proceedings of the Advanced Telecommunications and Information

Distribution Research Program (ATRIP'00), College Park, MD, USA,

March 2000.

[26] C. Ma and Y. Yang, "Battery-Aware for Streaming Data Transmissions in

Wireless Sensor Networks," Mobile Networks and Applications Journal,

Springer, Vol. 11, Issue 5 (2006), pp. 757-767.

[27] S. Park and M. Srivastava, "Power aware routing in sensor networks using

dynamic source routing," ACM MONET Special Issue on Energy

Conserving Protocols in Wireless Networks, 1999.

[28] J. H. Chang and L. Tassiulas, "Energy conserving routing in wireless adhoc

networks," In Proceeding of IEEE INFOCOM, Tel Aviv, Israel, Mar. 2000.

135

[29] I. Stojmenovic and X. Lin, "Power aware localized routing in wireless

networks," IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, Vol.

12. No. 11, November 2001, 1122-1133.

[30] Y. Ming Lu, V. W. S. Wong, "An energy-efficient multipath routing

protocol for wireless sensor network," Published in Wiley InterScience

International Journal of Communication Systems, 2007, 20: 747-766.

[31] F. Yiming, Y. Jianjun, "The Communication Protocol for Wireless Sensor

Networks about LEACH," In Proceeding of IEEE International Conference

on Computational Intelligence and Security Workshops, 2007.

[32] K. Zhou, L. Meng, Z. Xu, G. Li and J. Hua, "A Dynamic Clustering-Based

Routing Algorithm for Wireless Sensor Networks," Information

Technology Journal, Vol. 7, 2008.

[33] X. Wang, X. Zhang, G. Chen, S. Tian, "An Adaptive and Distributed

Clustering Scheme for Wireless Sensor Networks," In Proceedings of

International Conference on Convergence Information Technology, IEEE

Computer Society, 2007.

[34] C. Li, M. Ye, G. Chen, and J.Wu, "An energy-efficient unequal clustering

mechanism for wireless sensor networks," in Proc. Of IEEE Mobile Adhoc

and Sensor Systems Conference (MASS), Nov. 2005.

[35] K. Akkaya and M. Younis, "An energy-aware QOS routing protocol for

wireless sensor networks," In the Proceedings of the IEEE Workshop on

Mobile and Wireless Networks (MWN 2003), May. 2003.

136

[36] S. Bandyopadhyay and E. J. Coyle, "An energy efficient hierarchical

clustering algorithm for wireless sensor networks," In Proceedings of the

IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM), 2003.

[37] H. Chen, C. Wu, Y. Chu, C. Cheng, L. Tsai, "Energy Residue Aware (ERA)

Clustering Algorithm for Leach-based Wireless Sensor Networks," In

Proceedings of Second International Conference on Systems and Networks

Communications (ICSNC 2007), IEEE Computer Society.

[38] O. Younis, S. Fahmy, "HEED: A Hybrid Energy-Efficient, Distributed

Clustering Approach for Adhoc Sensor Networks, " IEEE Transactions on

Mobile Computing 3 (4) (2004) 366-379.

[39] R. Shah and J. Rabaey, "Energy Aware Routing for Low Energy Adhoc

Sensor Networks," In the Proceedings of the IEEE Wireless

Communications and Networking Conference (WCNS), March, 2002.

[40] M. Younis, M. Youssef, K. Arisha, "Energy-aware routing in cluster-based

sensor networks, " In Proceddings of the 10 th IEEE/ACM International

Symposium on Modeling, Analysis and Simulation of Computer and

Telecommunication Systems (MASCOTS2002), Fort Worth, TX, October

2002.

[41] I. Stojmenovic, X. Lin, "Power-Aware Localized Routing in Wireless

Networks, " Proceedings IPDPS 2000, Cancun, Mexico, pp.371-376, May.

2000.

137

[42] J. Aslam, Q. Li, and D. Rus, "Three Power-aware routing algorithms for

sensor networks, " Wireless Communications and Mobile Computing, Vol.

3, pp. 187-208, Mar, 2003.

[43] A. Abbasi, M. Younis, "A survey on clustering algorithms for wireless

sensor networks, " Published by ELSEVIER Computer Communications

2007, pp. 2826-2841.

Abstract

Wireless Sensor Networks (WSNs) are set of some micro sensor nodes

which have many capabilities such as sensing their environment, processing the

sensing information and the transmission of information between each other

through the wireless communication. Regardless of these capabilities, because the

energy of these nodes is produced by means of batteries with limited energy, so the

energy limitation is one of the most challenges in these networks. In fact, the

energy limitation and network lifetime limitation is two most important

challenging factors in WSN. Routing is the most important factor to energy

consumption in WSNs.

In this study, we will concentrate on the energy consumption reduction and

network lifetime increase. We will propose wireless sensor networks and their

history in chapter.1. Then, routing concepts will be introduced and some of the

famous routing algorithms will be demonstrated in chapter.2. In chapter3, we will

illustrate some of the routing algorithms such as LEACH, PEGASIS and ERA.

These algorithms will be based for our new routing methods.

In chapter.4, first we will simulate and evaluate two traditional routing

algorithms (LEACH & PEGASIS) in many different conditions in terms of energy

consumption. Then we get some helpful conclusions from these simulations. At the

end, we will propose two routing algorithms which can solve some of the

traditional algorithm problems and also can reduce the energy consumption of

network and increase the network lifetime.

Yazd University Faculty of Electrical and Computer Engineering

Department of Communications

Thesis submitted for the degree of M.Sc.

Title: Evaluation of Routing Protocols in Wireless Sensor

Networks in Terms of Power Consumption

Supervisor: Dr. R. Saadat Adviser: Dr. A. Khademzadeh

By: Hana Khamfroush

July 2009