دانلود مقاله پروتکل مسیریابی پیش فعال مشارکتی کم مصرف برای شبکه‌ حسگر بی سیم

چکیده
     شبکه حسگر بی‌سیم (که به اختصار WSN نامیده می‌شود) گروهی از گره‌های  بسیار کوچک با توانی محدود هستند که منطقه مطلوب (ROI) پهناوری را پوشش می‌دهند و آن را حس می‌کنند و آن را به ایستگاه پایه (BS) مخابره می‌کنند. اصلی‌ترین چالشی که WSNها با آن روبرو هستند این است که چگونه می‌توان ROI را به شکلی کامل پوشش داد و داده‌های نظارت شده را به BS برای طولانی‌ترین زمان ممکن مخابره کنیم. با وجود اینکه اخیرا بسیاری پروتکل‌های مسیریابی کم‌مصرف برای برنامه‌های کاربردی نظارت دوره‌ای معرفی شده‌اند ولی ماهیت پویا و محیط‌های پیچیده برنامه‌های کاربردی WSN سبب شده است که ساخت چنین پروتکل‌هایی چالشی قابل‌توجه باشد. در این مقاله درجه گره درختی با محدودیت درجه‌ (DCT) در WSN پیش‌فعال همگن به شکلی تحلیلی برای شبکه‌ای با یک BS خارج از ROI مورد بررسی قرار گرفته است. از آنجایی که درجه گره بر طول عمر شبکه‌هایی از این نوع تاثیر می‌گذارد، درجه گره مطلوب برای کمینه مصرف انرژی در DCT مشتق شده است. در ادامه مقاله، یک پروتکل مسیریابی آنتن توزیع شده مشارکتی (CDA) پیشنهاد می‌شود که بر اساس نظریه آنتن توزیع شده است تا بدین شکل توزیع بار به شکلی عادلانه از نظر انتقال انرژی صورت بگیرد. CDA بر اساس DCT با درجه گره بهینه است و به منظور نظارت بر داده‌ها به شکل دوره‌ای در برنامه‌های کاربردی WSN طراحی شده است. نتایج تجربی ثابت می‌کند که تجزیه و تحلیل ما تاکید می‌کند که استفاده از درجه گره بهینه در DCT سبب دو برابر شدن طول عمر شبکه خود در قیاس با استفاده از درجه‌های دیگر گره خواهد شد. علاوه بر این ثابت شده است که افزودن CDA به DCT با درجه گره مطلوب سبب دو برابر شدن دوره ثبات شبکه و کاهش نسبت بین دوره بی‌ثباتی و طول‌‌عمر شبکه به نیمی از آن می‌شود. همچنین از این نتایج شاهد 25% افزایش طول عمر شبکه و به حداقل‌رسانی میزان تلفات گره نسبت به همتایان خود هستیم به طوی که طول عمر نصف گره‌ها تا چند دوره قبل از پایان طول عمر شبکه حفظ می‌شود.

1. مقدمه
     یک شبکه حسگر تعدادی از گره‌های حسگر بسیار کوچک با هزینه‌هایی پایین هستند که منطقه مطلوب (ROI) مشخصی را پوشش می‌دهند تا بدین شکل به اندازه‌گیری داده‌ها با استفاده از قابلیت‌های حسگری مختلفی بپردازند و نتایج را به ایستگاه پایه (BS) مخابره کنند. برای به حداقل‌رسانی مصرف توان در مخابره‌ داده‌ها بهتر است بهتر است از مخابره چند‌هاپی  استفاده می‌شود به خصوص در ROIهای بزرگی که تنها دارای یک BS هستند. در نتیجه وظایف محاسباتی و ارتباطاتی می‌تواند به سه نوع اصلی بر اساس نقش آنها در ROI تقسیم شود که نقش آنها گره‌های حسگر، مسیریاب‌ها یا روترها  و گره‌های رله  هستند. این سه نوع اصلی ممکن است از لحاظ فیزیکی بسیار متفاوت باشد زیرا شبکه‌های ترکیبی یا ناهمگن بر خلاف شبکه‌های همگن هستند که این موضوع در کار عبدالسلام  و همکاران در [1] مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
     فقدان عدالت در انرژی به خصوص در مسیریابی چندهاپی، به ویژه در زمانی که BS بسیار دور از ROIای است که توسط WSN همگن تحت نظارت قرار گرفته است منجر به از دست رفتن گره‌هایی می‌شود که مسئول مخابره ROI به BS بودند. بر این اساس، گره‌های ROI از BS جدا می‌شوند. بنابراین، نیاز به شبکه‌های خود سازمان یافته سبب تشویق محققان شده است تا پروتکل‌های مسیریابی پویایی را برای جلوگیری از این دست از مسائل معرفی کنند. برای مثال السیاد و همکاران رویکرد خودترمیمی  توزیع شده‌ای با نام DSHA را معرفی کردند که برای معماری شبکه خوشه‌ای در [2] معرفی شده است. این الگوریتم بازیابی در هر دو سطح شبکه، سطح گره‌های حسگر و سطوح سر خوشه کار می‌کند. نویسندگان از DSHA برای غلبه بر چالش‌ هدر رفت انرژی و خرابی ناگهانی اجزای سخت‌افزاری استفاده کردند تا بدین شکل طول عمر WSN را افزایش دهند. با این حال این پروتکل‌ها بر خلاف پروتکل‌های مسیریابی استاتیکی که در [3] مورد بررسی قرار گرفتند سربار شبکه نسبتا بالایی را تولید می‌کنند. 

7 نتیجه‌گیری و کارهای آتی
     در این مقاله، ما پروتکل مسیریابی درختی با درجه محدود را در رابطه با مصرف انرژی در حین مخابره بسته را به طور دقیق بررسی کردیم. تجزیه و تحلیل ما سطح گره‌ای را به دست آورد که طول عمر آن را به صورت تحلیلی به حداکثر می‌رساند. بنابراین، این استنتاج تحلیلی را با استفاده از نتایج تجربی به کار بردیم. نتایج حاصل از کار ما ثابت کرد که نتایج تحلیلی ما در مورد زمانی که DCT به طور تصادفی بر توزیع گره‌های حسگر همگن اعمال می‌شود نیز درست بوده است. درجه گره بهینه که منجر به به حداکثر رسانی طول عمر و به حداقل رسانی انرژی فروپاشی می‌شود، ثابت شده است که مقدار 3 است. بر این اساس، تعداد سطوح درخت از نظر درجه گره مشتق شده است. بنابراین، پروتکل مسیریابی CDA که مبتنی بر DCT با درجه گره بهینه است به نحوی طراحی شده است تا عملکرد بالای شبکه را در طول عمر شبکه فراهم کند در حالی که دوام طولانی مدت ثبات و به حداقل‌رسانی نسبت میانگین تخلیه انرژی را در مقایسه با همتایان خود دارد.
     کار آتی ما به پوشش الگوریتم‌های زمان‌بندی می‌پردازد که بیشتر برای DCT مناسب هستند و همچنین درجه گره بهینه برای زمان‌بندی و به حداقل رسانی مصرف انرژی است. علاوه بر این، مسئله پوشش شبکه به شکلی عمیق مورد بررسی قرار خواهد گرفت. پرتو تشکیل شده به علت توزیع پرتودیسی در CDA تجزیه و تحلیل خواهد شد که توانایی هدایت با استفاده از سیستم آرایه آنتن را نمایش می‌دهد. ما همچنین با استفاده از الگوریتم محلی‌سازی مناسب توزیع مدل خود را بر روی WSN های ناهمگن و محیط های پویا برای هر دو هدف نظارت و پیاده‌سازی داده‌ها اعمال می کنیم. علاوه بر این، آزمایش‌های اضافه‌تر در یک منطقه پیچیده و وسیع انجام خواهد شد. 

Abstract

     A Wireless Sensor Network (WSN) is a group of tiny power-constrained nodes that cover a vast region of interest (ROI), sense and communicate it to the Base Station (BS). The main challenge encountered in WSNs is how to cover the ROI perfectly and transmit the monitored data to the BS for the longest possible time. Although many energy-efficient routing protocols for periodic monitoring applications were recently introduced, the dynamic nature and complex environments of WSN applications make building such protocols a considerable challenge. In this paper, the node degree of the Degree Constrained Tree (DCT) in homogeneous proactive WSN is studied analytically for the network with one BS that is outside the ROI. Since the node degree affects the network lifetime of these types of networks, the optimum node degree for minimum energy consumption in DCT is derived. Subsequently, the paper proposes a Collaborative Distributed Antenna (CDA) routing protocol that is based on distributed antenna theory to provide fair load distribution in terms of transmission energy. CDA is based on DCT with optimal node degree and is designed for periodic data monitoring in WSN applications. The experimental results prove our analysis to emphasize that using optimal node degree in DCT doubles its network lifetime compared to using other node degrees. Moreover, adding CDA to DCT with optimal node degree is proved to double the network stability period and reduce the ratio between instability period and the network lifetime to its half. It also shows 25% increase in network lifetime and minimum rate of node loss compared to its peers, such that the lifetime of half the nodes is preserved until few rounds before the end of network lifetime.

1. Introduction

     A sensor network is a number of tiny sensor nodes of low costs that cover a certain Region of Interest (ROI) to measure data using different sensing capabilities and transmit them to the base station (BS). To minimize power consumption in data transmission, it is preferable to use multi-hop transmission to reach the BS instead of direct transmission, especially in large ROIs with only one BS. Consequently, the computational and communication tasks of sensor nodes may divide them into three main types according to their role in the ROI, which are sensor nodes, routers, and relay nodes. These three main types may vary physically as in the heterogeneous or hybrid networks; unlike homogeneous networks, as discussed by Abdul-Salaam et al. in [1]. The lack of energy fairness in multi-hop routing, especially when BS is far from the ROI that is monitored by homogeneous WSN, leads to losing the nodes that are responsible for ROI to BS transmission. Accordingly, the nodes in ROI become disconnected from the BS. Thus, the need for self-organized networks encourages researchers to introduce different dynamic routing protocols to avoid this issue. For example, Elsayed et al. introduced a distributed self-healing approach called DSHA that was designed for clustered network architecture in [2]. This recovery algorithm works at both network levels, sensor node levels, and cluster head levels. The authors utilized DSHA to overcome the challenge of energy loss and sudden failures of hardware components to extend WSN lifetime. However, these protocols produce relatively high network overhead, as studied in [3], unlike static routing protocols.

7. Conclusion and future work

     In this paper, we analyzed in details the Degree Constrained Tree (DCT) routing protocol in terms of energy consumption during packet transmission. Our analysis derived the node degree that maximizes network lifetime analytically. Thus, we generalized this analytical derivation using experimental results. The results of our work proved that our analytical results are correct when applied to randomly distributed DCT of homogeneous sensor nodes. The optimal node degree that leads to lifetime maximization and breakdown energy minimization was proved to be 3. Accordingly, the number of levels in the tree was derived in terms of node degree. Therefore, CDA routing protocol that is based on DCT with optimal node degree is designed to provide high network performance in terms of network lifetime while doubling the stability period and minimizing the average rate of energy depletion compared to its peers.

     Our future work will cover the scheduling algorithms that are most suitable for DCT and the optimal node degree for scheduling and energy consumption minimization. Additionally, network coverage problem will be studied in depth. The formed beam due to distributed beamforming in CDA will be analyzed showing the ability of directivity using antenna array system. We also aim to apply our model on the heterogeneous WSNs, and dynamic environments for both data monitoring and tracking purposes by adding a suitable distributed localization algorithm. Moreover, additional experiments will be conducted in a complex and wide range area.

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده
1. مقدمه
2. کارهای مرتبط
3. مخابره رادیویی و مدل شبکه
4. تجزیه و تحلیل درختی با درجه محدود
1 .4 فاز جمع‌آوری داده‌ها EG
2 .4 دوره ثبات و برآورد طول عمر شبکه
5 پروتکل آنتن توزیع‌شده مشارکتی
5.1 طراحی پروتکل پیشنهادی
2 .5 تجزیه و تحلیل پروتکل پیشنهادی
5.2.1 توزیع بار
6 نتایج تجربی
1. 6 پارامترهای سیستمی و معیارهای عملکردی
2 .6 درجه گره در مقابل تعداد سطوح
3 .6 طول عمر شبکه
1. 3. 6. درخت با درجه محدود
2. 3. 6 آنتن توزیع شده مشارکتی
4. 6 زوال انرژی و سربار
1. 4. 6 سرعت مصرف انرژی
2. 4. 6 سربار انرژی
5. 6 تأثیر ROI به جابجایی ایستگاه پایه در طول عمر شبکه
1. 5. 6 درختی با درجه محدود
2. 5. 6 پروتکل آنتن توزیع‌شده مشارکتی
7 نتیجه‌گیری و کارهای آتی
منابع

Abstract
1. Introduction
2. Related work
3. Radio transmission and network model
4. Analysis of the Degree Constrained Tree
4.1. Data gathering phase EG
4.2. Stability period and estimation of network lifetime
5. Collaborative Distributed Antenna protocol
5.1. The proposed protocol design
5.2. Analysis of the proposed protocol
5.2.1. Load distribution
6. Experimental results
6.1. System parameters and performance metrics
6.2. Node degree vs. number of levels
6.3. Network lifetime
6.3.1. Degree Constrained Tree
6.3.2. Collaborative Distributed Antenna
6.4. Energy decay and overhead
6.4.1. The rate of energy consumption
6.4.2. Energy overhead
6.5. The effect of ROI to base station displacement on network lifetime
6.5.1. Degree Constrained Tree
6.5.2. Collaborative Distributed Antenna protocol
7. Conclusion and future work
References