Download
1 / 16
192 likes | 536 Vues
عنوان مقاله: بهینه سازی مصرف انرژی در شبکه های حسگر بیسیم تنظیم: سیده منصوره روشن فر. معرفی شبکه های حسگر بیسیم.
E N D
عنوان مقاله: بهینه سازی مصرف انرژی در شبکه های حسگر بیسیمتنظیم: سیده منصوره روشن فر
معرفی شبکه های حسگربیسیم شبکه حسگر بیسیم (Wireless Sensor Network/ WSN) به یک شبکه بی سیم از حسگرهای خودراهبر گفته می شود که با فاصله پخش شده اند و برای اندازه گیری گروهی برخی از کمیت های فیزیکی یا شرایط محیطی مانند دما، صدا، لرزش، فشار، حرکت یا آلاینده ها، در مکانهای مختلف یک محدوده کاربرد دارد. کاربرد شبکه های حسگر با انگیزه استفاده در کاربردهای نظامی مانند نظارت بر میدان جنگ، توسعه پیدا کرد. اما امروزه شبکه های حسگر بی سیم در صنعت و بسیاری از مقاصد غیر نظامی استفاده میشوند، از جمله نظارت و کنترل فرآیندهای صنعتی، نظارت بر سلامت دستگاهها، نظارت بر محیط و یا خانه، کاربردهای مراقبت از سلامتی، خانه های هوشمند و کنترل ترافیک ساختار علاوه بر یک یا چند سنسور، هر گره از شبکه معمولا مجهز به یک فرستنده و گیرنده رادیویی (یا هر وسیله مخابراتی بی سیم دیگر)، یک میکروکنترلر کوچک، و یک منبع انرژی (معمولا یک باتری) است. اندازه یک گره سنسوری بسته به اندازه بسته بندی آن تغییر کرده و تا یک دانه شن قابل کوچک سازی است. که قطعات این شنریزه در ابعاد میکروسکوپی هنوز باید ساخته شود. به طور مشابه قیمت هر گره حسگر میتواند بین چند صد دلار تا چند سنت، بسته به اندازه و پیچیدگی مورد نیاز یک گره متفاوت باشد. محدودیت های قیمت و اندازه در گره های حسگر منجر به محدودیت در منابعی مانند انرژی، حافظه، سرعت پردازش و پهنای باند در آنها میشود.
منبع انرژی در حسگرهای بیسیم منبع انرژی هم معمولاً از باتری است. پایگاهها بنیادی از یا چند اجزاء برجسته از شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم (WSN) با محاسبه بیشتر انرژی ، منبع ارتباطاتی ، آنها مثل دروازه بین گره گیرنده و کاربر نهایی عمل میکنند طول عمر یک حسگر طول عمر یک حسگر وابسته به طول عمر باتری می باشد وبا تمام شدن شارژ حسگر ،حسگر قابل استفاده نیست یک روش برای رفع مشکل باتری از جمله مسائل مطرح در اينگونه شبکهها،نحوه چيدمان حسگرها در محيط ميباشد. در اين مقاله يک روش چيدمان جديد به نام ساختار مثلثي جهت چيدن حسگرها در محيط معرفي شده است. با توجه به شباهت روش چيدمان مش با با ساختارمثلثي در اين مقاله براي سنجش کارآيي ساختار جديد، اين دو ساختار با يکديگر مقايسه شده است. براي انجام اين مقايسه از دو معيارميزان مصرف انرژي براي انتقال اطلاعات و ميزان دريافت رويدادهاي محيطي که از معيارهاي مهم در سنجش کارآيي شبکه هاي حسگر بيسيم مي باشد، استفاده شده است. نتايج حاصل از اين مقايسه که بوسيله مدل رياضي صورت گرفته است نشان مي دهد که ساختار مثلثي داراي خصوصيات عملکردي بهتري نسبت به ساختار mesh ميباشد.
معرفي ساختارها ساختاري که در اين مقاله معرفي شده ساختار مثلثي ميباشدبا توجه به تشابه بسيار زياد ساختار مثلثي با ساختارmeshدر شبکههاي حسگر توجه به برخي نقاط ضعف ساختارmesh که به وسيله ساختار مثلثي پوشانيده مي شود، در اين مقاله پس از معرفي ساختار جديد به مقايسه آن با ساختارmesh پرداخته شده است. لذا ابتدا در اين بخش به معرفي اين دو ساختار مي پردازيم. Mesh ساختار براي ايجاد يک شبکه به جاي هر گره در ،mesh حسگر بي سيم با استفاده از ساختار يک حسگر قرار داده و فاصله هر دو گره مجاور (يا mesh شبکه را طوري تنظيم ميکنيم که در (mesh اندازه يالها در شبکه محدوده قدرت ارسال سيگنال بيسيم حسگرها باشد. البته بايد با يکديگر برابر mesh درنظر داشت که فاصله تمام يالها در شبکه ميباشد. البته نحوه ارسال اطلاعات در اين شبکه همانند شبکه سنتي ميباشد و هر حسگر فقط ميتواند به گره هاي mesh اطلاعات ارسال کند (حتي mesh همسايه خود در شبکه سنتي اگر گره هاي ديگري هم باشند که در محدوده ارسال اطلاعات يک گره باشند).
ساختار مثلثي نحوه قرار گرفتن حسگرها در اين ساختار به صورت مثلثي ميباشد.هر حسگر دراين ساختار ميتواند به هر يک از شش حسگر اطراف خود ارسال کند. اين ساختار نسبت به ساختارmesh پيام فضا را بهتر مي- پوشاند و اين مهمترين مزيت اين ساختار نسبت به ساختارmesh مي باشد. آناليز مصرف توان مدل مصرف انرژي حسگرهاي بيسيم در اين مقاله، مدل راديوييمرتبه اول است. در اين مدل مقدار انرژي مصرفي برايدريافت کردن kبیت اطلاعات برابرRXمي باشد مقدار انرژي مصرفي براي فرستادن يک پيام از يک حسگر به مي باشد: TX از آن قرار دارد برابر d حسگري که به فاصله
چگونگي جمعآوري دادهها يکي از مهمترين معيارها در شبکههاي حسگر بيسيم، ميزان انرژی حسگرها ميباشد يکي از مهمترين معيارها در شبکههاي حسگر بيسيم، ميزان حسگرها ميباشد. از آنجا که بيشتر انرژي E مصرف انرژي حسگرها صرف ارسال و دريافت پيام ميشود، در اين مقاله ميزان مصرف انرژي يک حسگر برابر انرژي مصرف شده براي ارسال و دريافت پيامها در نظر گرفته شده است. اطلاعات هر حسگر در ارسال ميشود. اين (sink) اين شبکه به يک ايستگاه اصلي ايستگاه اصلي که مشکل مصرف انرژي ندارد، وظيفه جمع آوري، دسته بندي و ارسال پيغام مناسب به هر يک از حسگرها يا به منطقهاي از حسگرها را دارد. همچنين هر حسگر ميتواند ا ز آن حسگر رخ مي دهد را Rs رويدادهايي که به فاصله حداکثر تشخيص داده و وقوع آنها را به مرکز گزارش کند. از آنجايي که منبع انرژي حسگرها محدود مي باشد، در واقعيت نياز به روشهايي است که از انرژي حسگرها بطور بهينه استفاده شود. سياستمؤثر در بهينهتر شدن مصرف انرژي غيرفعال کردنحسگرها آنها در برخي بازههاي زماني
مقايسه برای مقایسه عادلانه این دوشبکه پارامترها را مساوی در نظر می گیریم .فضایی که حسگرها در آن قرار می گیرند یک فضای دایره ای به شعاع 500 متر در نظر گرفته شده است.به این منظور در هر مرحله با توجه به تعداد حسگر ها nکه در هر دو ثابت است.آنها را طوری در دایره قرار می دهیم که بطور یکسان پخش شوند وهمچنین ساختار مثلثی یا مش رابسازند. از دیگر مفروضات لازم دیگر احتمال فعال بودن یک حسگر pr وفاصله ایست که یک حسگر قابلیت حس یک رویداد در ان فاصله را دارد.RS بامشخص کردن مقدار N وثابت بودن مساحت دایره می توان مقدار d(فاصله هر دو حسگر کنار هم) را مشخص کرد مقدارRS با توجه به مقدار dmتعیین می شود به بیان دیگر مقدارRSبرابرضریب dmدر یک ضریب ks خواهد بود. RS=dm --یکی ازحسگرهارا بطور تصادفی مرکز جمع اطلاعات قرار می دهیم. --یکی از حسگرها که وقوع این رخداد راحس کرده ودر وضعیت فعال نیز می باشد را انتخاب کرده وsمی نامییم. --فرض می شود که s پیام خود را از طریق کوتاهترین مسیر ممکن به مرکز جمع آوری داده می فرستد.
انرژی مصرفی d:فاصله هردوحسگرN:تعداد حسگرهاlM:طول کوتاهترین مسیر ممکن بین حسگرsومرکز جمع آوری داده(در ساختار مش)RS:فاصله ای که یک حسگرقابلیت حس یک رویداد را دارد.lt: :طول کوتاهترین مسیر ممکن بین حسگرsومرکز جمع آوری داده(در ساختار مثلثی)
تاثیر فاصله دو حسگر در مصرف انرژِی dm یک محیط با مساحت s یک محیط بامساحت s فاصله هردو dtحسگر am:تعدادمربعهای لازم برای پوشاندن فضای s at : تعداد مثلثهای لازم برای پوشاندن مساحت فضای s
انرژي مصرفي براي انتقال داده ميزان مصرف انرژي براي انتقال داده به ايستگاه مرکزي sinkتنها به نحوه چيدمان حسگرها بستگي دارد. در حقيقت ميانگين مصرف انرژي براي انتقال يک پيام به ايستگاه مرکزي به رويدادهايي که گزارش نشده اند وابستگي دارد، به اين دليل که ميانگين مورد نظر براي رويدادهاي، مشاهده شده محاسبه ميگردد. همچنين بايد توجه داشت که نحوه چيدمان حسگرها در يک ساختار مشخص تنها به تعداد بستگي دارد. به همين دليل n حسگرهاي موجود در محيط براي مقايسه ساختارهاي مورد نظر از نظر ميزان مصرف انرژي، کافيست ميزان مصرف انرژي را با توجه به تعداد حسگرها در دو ساختار مورد نظر مقايسه کنيم. به همين منظور انرژي مصرفي در و تعداد Ks= و 0.6 Pr= دو ساختار با مقادير ثابت 1 حسگرهاي متفاوت اندازه گيري شده است نتیجه افزایش تعداد حسگرها در محیط s انرژِ ی کمتری برای انتقال پیام بین دو گره نیاز است توان مصرفی در ساختار مثلثی کمتر است
رابطه ي انرژي مصرفي با تعداد حسگرها
قدرت جمع آوري داده ها اگر حسگرها در تمام لحظات در وضعيت فعال باشند 1Pr=تعداد رويدادهايي که ، توسط حسگرها در ساختار مثلثي گزارش ميشوند از تعدادرويدادهاي گزارش شده در ساختارmeshبيشتر خواهد بود. ز مرکز Rsميباشد. همچنين مجموع مساحت دايره هاي به شعاعS فرض کنيد که هدف پوشاندن فضايي به مساحت STاز مرکز حسگرها در ساختار مثلثی را دایره ها به شعاعRs ومجموع دایر ه های به شعاع SM را برابر واين که رويدادها با توزيع يکنواخت در فضايي به مساحت1Pr= در نظر ميگيريم. با توجه به اين موضوع که برابراتفاق می افتند ،براحتی دیده می شود که نسبت رویدادهای گزارش شده در ساختار مش (مثلثی) به کل رویدادهای برابرSM/S , وst/S خواهد بود
نتیجه گیری با توجه به گستردگي کاربردهاي شبکه هاي حسگر بيسيم مي- توان اين نوع شبکه ها را در هر شرايطي مورد ارزيابي قرار داد. از اين رو در اين مقاله با معرفي يک ساختار جديد منظم (ساختار مثلثي) در شبکه هاي حسگر بيسيم و مقايسه آن با ساختار اقدام به بررسي اين شبکه ها بصورت شبکه هايي ،mesh معروف منظم شده است. در اين مقاله دو ساختار مطرح شده از جنبه هاي مختلف مورد ارزيابي قرار گرفته اند و در تمام نتايج نشان داده شده که ساختار جديد مثلثي داراي کارايي بهتري نسبت به ميباشد. نتايج حاصل نشان ميدهد که با توجه به mesh ساختار نوع چيدمان ساختار جديد اين شبکه از قابليت حس رويدادهاي برخوردار است. درضمن مصرف mesh بيشتري نسبت به شبکه مي- mesh انرژي در ساختار مثلثي به مراتب بهينه تر از ساختار باشد. با توجه به قابليتهاي شبکه مثلثي که در اين مقاله مطرح شده اين انتظار مي رود که اين شبکه جايگزين مناسبي براي شبکه باشد.
