پروتکل مسیریابی مطمي ن و کارآمد از لحاظ انرژي براي شبکههاي حسگر بیسیم

Transcript

1 مجله ي علمی پژوهشی رایانش نرم و فناوري اطلاعات جلد 3 شماره 1 سال 1393 پروتکل مسیریابی مطمي ن و کارآمد از لحاظ انرژي براي شبکههاي حسگر بیسیم و سید حمید حاج سید جوادي علی غفاري 1 امیر مسعود رحمانی دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران گروه مهندسی کامپیوتر تهران ایران Alimian943@yahoo.com دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران گروه مهندسی کامپیوتر تهران ایران Rahmani@srbiau.ac.ir دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران گروه مهندسی کامپیوتر تهران ایران h.s.avadi@aut.ac.ir چکیده - بسیاري از کاربردهاي شبکههاي حسگر بیسیم نیازمند ارسال مطمي ن دادهها و کاهش انرژي مصرفی گرهها میباشند. از طرفی با توجه به محدودیتهاي ذاتی شبکههاي حسگر بیسیم اراي ه پروتکل مسیریابی مناسب از چالشهاي اساسی براي این شبکهها میباشد. در این مقاله یک روش مسیریابی با قابلیت افزایش قابلیت اطمینان و طول عمر شبکه اراي ه شده است. براي افزایش قابلیت اطمینان از تصمیمگیري محلی بر اساس اطلاعات گرههاي میانی و ارسال چند مسیري و بدون نیاز به کشف و نگهداري مسیر به صورت انتها به انتها استفاده شده است. در روش پیشنهادي براي انتخاب گره بعدي از یک تابع هزینه مناسب استفاده میشود که این تابع پارامترهایی نظیر کیفیت پیوند ارتباطی انرژي موجود و اندازه بافر آزاد گره را در نظر میگیرد. نتایج شبیهسازي نشان میدهند که روش پیشنهادي باعث افزایش نرخ بستههاي دریافتی در مقصد شده و طول عمر شبکه را بهبود میدهد. کلید واژهها- شبکههاي حسگر بیسیم مسیریابی قابلیت اطمینان انرژي مصرفی. 1. مقدمه در سالهاي اخیر با توجه به پیشرفتهاي اساسی در زمینه طراحی مدارات مجتمع مخابرات بیسیم و طراحی حسگرها نوع خاصی از شبکههاي بیسیم تحت عنوان شبکههاي حسگر بیسیم مورد توجه محققین و صنایع مختلف قرار گرفته است[ 1 ]. این شبکهها باید بصورت خودکار خودمختار و بدون دخالت افراد بتوانند به مدت طولانی وظایف محوله خود را انجام دهند. شبکههاي حسگر بیسیم با توجه به نوع کاربردشان اطلاعات مربوط به رخدادهاي گوناگون را از محیط عملیاتی خود جمعآوري کرده و ضمن پردازش اولیه آنها را به ایستگاه پایه یا چاهک گزارش مینمایند. هرکدام از این رخدادها و کاربردها داراي اهمیتهاي متفاوتی میباشند. این شبکهها از محدودیتهاي ذاتی در زمینه توان پردازشی بافر و انرژي برخوردار بوده و کاربردهاي گوناگونی مانند ردیابی هدف متحرك نظارت بر وضعیت بیماران و میدان نبرد اتوماتیک دارند[ 1 ]. بسیاري از این کاربردها داراي دادههاي مختلف براي گزارش به مقصد و با نیازهاي کیفیت سرویس متفاوت به ازاي هر بسته ارسالی هستند. بنابراین با توجه به محدودیتهاي ذاتی مذکور مشکلات ارتباطات بیسیم ویژگیهاي محیط عملیاتی این شبکهها و وجود رخدادهاي متناوب و نامتناوب اراي ه الگوریتمهاي مسیریابی مناسب براي ارسال دادههاي گوناگون با قابلیت تا مین و تضمین نیازهاي متفاوت کیفیت سرویس از جمله قابلیت اطمینان تا خیر زمانی و انرژي جزء چالشهاي اساسی میباشد[ -4 ]. برخی از کاربردهاي شبکههاي حسگر بیسیم نیاز به ارسال مطمي ن بسته از مبدأ به مقصد دارند. بنابراین مسیر باید به گونهاي انتخاب شود که بتواند قابلیت اطمینان مورد نیاز بسته ارسالی را تا مین نماید. از طرف دیگر انرژي یکی از پارامترهاي بسیار مهم شبکههاي حسگر بیسیم محسوب میشود. در اکثر کاربردها و پروتکلهاي مسیریابی با توجه به محدودیت انرژي گرههاي حسگر کاهش انرژي مصرفی و در نتیجه افزایش طول عمر [5-4] این شبکهها از اهمیت بسزایی برخوردار است. در این شبکهها مصرف انرژي شامل روشن نگهداشتن رادیو ارتباطاتی انرژي لازم براي ارسال و دریافت انواع بستههاي داده و انرژي

2 پروتکل مسیریابی مطمي ن و کارآمد از لحاظ انرژي براي شبکههاي حسگر بیسیم... غفاري و همکاران لازم براي روشن نگهداشتن حسگرها میباشد. معمولا مصرف انرژي براي ارسال و دریافت دادهها نسبت به بقیه موارد بیشتر میباشد. شبکههاي حسگر بیسیم براي نظارت بر محیط تحت عملیات خود دادههاي گوناگونی از لحاظ درجه اهمیت ارسال میدارند. برخی از این بستههاي ارسالی از اهمیت زیادي برخوردار میباشند. به این نوع بستهها بستههاي بسیار مهم و یا حیاتی گفته میشود. تا مین پارامترهاي قابلیت اطمینان و تا خیر زمانی ارسال براي بستههاي مذکور به دلیل اهمیت آنها لازم و ضروري میباشد. به عنوان مثال شکل 1 نحوه ارسال گزارش مربوط به نظارت بر جنگل را نشان میدهد. ذاتی منابع نیازهاي متفاوت کیفیت سرویس و نامطمي ن بودن کانالهاي ارتباطی بیسیم با چالشهاي اساسی مواجه میباشد.. کارهاي مرتبط پروتکلهاي مسیریابی براي شبکههاي حسگر بیسیم به دو دسته مبتنی بر ساختار و مبتنی بر ویژگی توپولوژیکی تقسیمبندي میشوند. این تقسیمبندي در شکل نمایش داده شده است. مسیریابی مبتنی بر ساختار در شبکههاي فوق به سه زیردسته مسطح سلسلهمراتبی و مبتنی بر موقعیت گرههاي حسگر تقسیمبندي میشود. زیرمجموعههاي مسیریابی مبتنی بر توپولوژي شبکه مسیریابی مبتنی بر مذاکره مثل پروتکلSPIN مسیریابی مبتنی بر ارسال چندمسیري مثل [7] ReInForm مسیریابی مبتنی بر پرسوجو و مسیریابی مبتنی بر همگرایی میباشد. شکل 1 : ارسال بلادرنگ و مطمي ن پدیده آتشسوزي در جنگل در این شکل بسته داده رخدادهاي معمولی مثل ارسال درجه حرارت محیط از اهمیت چندانی از لحاظ تا خیر ارسال نداشته و از مسیر معمولی به چاهک ارسال میگردد. براي ارسال گزارش مربوط به وقوع آتشسوزي از مسیري استفاده میشود که تا خیر آن نسبت به مسیرهاي دیگر کمتر باشد. زیرا این بستهها از اهمیت زیادي برخوردار بوده و باید در کمترین زمان ممکن به مقصد ارسال شود. در غیر این صورت از اهمیت چندانی برخوردار نخواهد شد. بنابراین بسیاري از کاربردهاي شبکههاي حسگر بیسیم مثل کاربردهاي چند رسانهاي شبکههاي حسگر ویدي ویی و شبکههاي حسگر بیسیم بدن نیازمند اراي ه پروتکل مسیریابی مبتنی بر بهبود پارامترهاي کیفیت سرویس هستند تا بتوانند دادههاي مهم را به موقع و با قابلیت اطمینان بالا و تبادل حداقل پیامهاي کنترلی به مقصد ارسال نمایند. اراي ه پروتکل مسیریابی مناسب براي شبکههاي حسگر بیسیم بنا به دلایلی مانند حجم بالاي ترافیک و تنوع داده ویژگی نامناسب محیط عملیاتی محدودیت شکل : دستهبندي انواع پروتکلهاي مسیریابی براي شبکههاي حسگر بیسیم[ 15 ] روشهاي مبتنی بر رزرو منابع با توجه به سربار زیاد در هنگام کشف و بازیابی مسیر در شبکههایی با مقیاس بزرگ و با محدودیتهاي منابع از کاراي ی لازم برخوردار نیستند. بسیاري از الگوریتمهاي مسیریابی اراي ه شده مرتبط با پارامترهاي کیفیت خدمات از تکنیک مسیریابی مبتنی بر جدول استفاده مینمایند که در آن هر گره حسگر اطلاعات مربوط به گرههاي همسایه مثل انرژي موجود تا خیر و کیفیت پیوند را در جدول مسیریابی خود ذخیره و گره مناسب بعدي را پارامترهاي آن گره انتخاب مینماید. بر اساس پروتکلهاي مسیریابی زیادي براي شبکههاي حسگر بیسیم اراي ه شدهاند[ 5-11 ]. در سالهاي اخیر مسیریابی مبتنی بر 64

3 مجلهعلمی پژوهشی رایانش نرم و فناوري اطلاعات...جلد 3 شماره 1 سال 1393 پارامترهاي کیفیت خدمات براي شبکههاي حسگر آگاه از موقعیت جغرافیایی مورد توجه قرار گرفتهاند [ ]. زیرا پروتکلهاي مسیریابی جغرافیایی براي شبکههاي بزرگ مقیاسپذیر بوده و با توپولوژي متغیر و پویاي شبکههاي حسگر سازگار هستند. در این پروتکلها تصمیمگیري براي مسیریابی بر اساس پارامترها و اطلاعات گرههاي همسایه و بصورت محلی صورت میپذیرد. با توجه به توزیع تصادفی گرههاي حسگر در محیطهاي متفاوت از لحاظ شرایط محیطی استفاده از مسیریابی جغرافیایی باعث استفاده مناسب از این شبکهها خواهد شد. مسیریابی جغرافیایی به دلیل مقیاسپذیري و کارایی موثر آن یک مسیریابی محلی و جذاب براي شبکههاي حسگر بیسیم میباشد. مسیریابی جغرافیایی داراي مزایایی از قبیل مقیاسپذیري مسیریابی بر اساس اطلاعات محلی و سازگاري با پویایی توپولوژي شبکه میباشد. بنابراین با توجه به محدودیتهاي شبکههاي حسگر بیسیم و مزایاي ارسال جغرافیایی براي ارسال دادهها در روش اراي ه شده از مسیریابی جغرافیایی استفاده خواهد شد. در ادامه برخی از پروتکلهاي مسیریابی شبکههاي حسگر بیسیم که پارامترهاي قابلیت اطمینان و انرژي را براي مسیریابی بستهها در نظر گرفتهاند مورد بررسی قرار خواهند گرفت. پروتکل [7] ReInForm جهت تضمین ارسال بسته با قابلیت اطمینان مورد نیاز آن بصورت ابتدا به انتها اراي ه شده است. این پروتکل با توجه به اهمیت بسته ارسالی و قابلیت اطمینان مورد نظر آن کپیهاي متعدد از بسته ارسالی را به چند گره همسایه ارسال مینماید. تعداد مسیرهاي لازم براي تضمین قابلیت اطمینان مرتبط با بسته ارسالی بر مبناي خطاي کانال ارسالی و اطلاعات توپولوژیکی شبکه (تعداد گام از مبدأ تا مقصد) محاسبه میگردد. این پروتکل پارامتر انرژي را در نظر نگرفته است. پروتکل [11] EQSR براي انتخاب مسیر مناسب و براي ارسال دادهها به چاهک پارامترهاي انرژي موجود گرههاي حسگر نسبت توان سیگنال به توان نویز پیوند ارتباطی و بافر خالی گره بعدي را در نظر میگیرد. این پروتکل از ارسال چندمسیري براي افزایش بستههاي تحویلی به مقصد استفاده مینماید. براي تعیین مسیرهاي چندگانه بین مبدأ و مقصد چاهک با ارسال بسته درخواست مسیر (RR) به سمت گره مبدأ مسیرهاي مورد نیاز را تعیین مینماید. پروتکل [13] EARQ بستههاي اطلاعاتی را با قابلیت اطمینان بالا و بصورت بلادرنگ به چاهک ارسال مینماید. این پروتکل جهت انتخاب مسیر مناسب هزینه انرژي گرههاي همسایه را نیز در نظر میگیرد. براي ارسال بستههاي بلادرنگ گرهاي را انتخاب میکند که تا خیر کمتري داشته باشد. این پروتکل تمایزي براي بستههاي ارسالی از لحاظ قابلیت اطمینان و تا خیر قاي ل نمیشود و در ارسال بستههاي متفاوت هیچ اولویتی براي آنها در نظر نمیگیرد. پروتکل [18] RAP از روش ارسال جغرافیایی حریصانه استفاده مینماید. این پروتکل در ارسال بستههاي بلادرنگ سرعت مورد نیاز بسته را نیز در نظر میگیرد. یعنی گرههایی را به عنوان گره بعدي انتخاب میکند که قادر به تا مین سرعت ارسال مورد نیاز بسته باشند. محدودیت قابل توجه پروتکل RAP این است که ارسال جغرافیایی حریصانه شرایط محلی شبکه مانند توازن بار سطح ازدحام و کیفیت کانال ارتباطی را در نظر نمیگیرد. بنابراین پروتکل مسیریابی RAP تا خیر غیر قابل پیش بینی شدهاي براي هر گام در محیط پویاي شبکه حسگر بیسیم دارد که کارایی شبکه و تضمین ارسال موفق و به موقع بسته را تحت تا ثیر قرار میدهد.همچنین از معایب دیگر الگوریتم RAP این است که در تعیین مسیر انرژي موجود گرهها را در نظر نمیگیرد. پروتکل [19] SAR یکی از اولین پروتکلهاي اراي ه شده در زمینه تضمین کیفیت سرویس براي شبکههاي حسگر بیسیم میباشد. این پروتکل با ایجاد ساختار درختی از مبدأ به چاهک از ارسال چند مسیري به چاهک استفاده مینماید و جهت انتخاب مسیر بهینه پارامترهاي تا خیر ارسال موازنهسازي بار در مبدأ و انرژي موجود گرههاي همسایه را در نظر میگیرد. پارامترهاي مرتبط تا خیر بسته ارسالی موازنهسازي بار در مبدأ و انرژي موجود در گرههاي همسایه میباشند. در این پروتکل گرههاي میانی بسته دریافتی را بر اساس اولویت آن ارسال مینمایند. از مزایاي این پروتکل ارسال چندمسیري با در نظر گرفتن پارامترهاي تا خیر و انرژي بوده که باعث افزایش تحملپذیري خطا و بازیابی سریع از پیوندهاي شکسته شده میگردد. از معایب پروتکل SAR این است که پارامتر قابلیت اطمینان را در انتخاب مسیر مناسب در نظر نگرفته و از طرفی ایجاد و نگهداري ساختار درختی براي شبکه سربار محسوب میشود. پروتکل [] MCMP قابلیت اطمینان و تا خیر پیوند ارتباطی بین گرههاي مجاور را بعنوان پارامترهاي مسیریابی جهت ارسال بستهها در نظر گرفته و براي افزایش قابلیت اطمینان دادهها را 65

4 پروتکل مسیریابی مطمي ن و کارآمد از لحاظ انرژي براي شبکههاي حسگر بیسیم... غفاري و همکاران بصورت چند مسیري و با حل مسي له برنامهریزي خطی ارسال مینماید. این پروتکل جهت تعیین مسیر مناسب براي ارسال پارامترهاي گرههاي همسایه و سرعت انتشار ارسال را در نظر نمیگیرد. در این پروتکل بستهها به گرههایی که تراکم و ازدحام دارند نیز ارسال میشود. به همین دلیل تعداد بستههاي حساس به زمان تحویلی در مقصد به خاطر ازدحام موجود در گرهها کاهش مییابد. پروتکل [1] DARA قابلیت اطمینان تا خیر و انرژي موجود گرهها را بعنوان پارامترهاي سهگانه جهت تضمین ارسال موفق و بلادرنگ بسته ارسالی در نظر میگیرد. این پروتکل بستههاي ارسالی را به بستههاي بلادرنگ و غیر بلادرنگ تقسیمبندي کرده و براي ارسال بستههاي فوق از پارامتر وزن یکسان استفاده میکند. پروتکل DARA[1] براي شبکههایی با معماري چند چاهک چند مسیري و آگاه از موقعیت مکانی گرههاي شبکه طراحی شده است. براي کاهش ازدحام و افزایش کارایی شبکه از چاهکهاي متعدد در شبکه استفاده مینماید. در حقیقت به جاي ارسال چندمسیري از ارسال تکمسیري به سمت چند چاهک استفاده مینماید. براي ارسال بستههاي بلادرنگ گرههایی را انتخاب میکند که از انرژي باقیمانده بیشتري برخوردار باشند. براي محاسبه تا خیر ارسال از تي وري صف استفاده شده است که احتیاج به ذخیره پارامترهاي بیشتري دارد. پروتکل [] MMSpeed تکمیل یافته پروتکل [1] Speed بوده و یک پروتکل چند مسیري و چند سرعته میباشد. این پروتکل براي ارسال بسته پارامترهاي قابلیت اطمینان و تا خیر زمانی را مد نظر قرار میدهد. معایب پروتکل MMspeed این است که پارامتر بسیار مهم انرژي را براي انتخاب مسیر بهینه در نظر نگرفته است. 3. روش پیشنهادي یک شبکه حسگر بیسیم به صورت یک گراف دوطرفه متصل و به صورت (V,E) G = نشان داده میشود که در آن, 1 V={v vn} vمجموعه,, گرههاي حسگر شبکه بوده که به صورت تصادفی در محیط یکنواخت دو بعدي به مساحت A توزیع شدهاند. n} E= {e 1, e,, e مجموعه پیوندهاي ارتباطی مابین گرههاي مذکور میباشد. براي دو گره (i ) v i, v V اگر پیوند ) e i=(v 1,v عضو E باشد به ) (v i, v گرههاي مجاور هم و یا همسایه گفته میشود. هر گره حسگر داراي v i یک شماره مشخصه منحصربفرد (مثل آدرس (MAC دارد. در پروتکل پیشنهادي تمامی گرههاي حسگر ثابت (یا با تحرك خیلی کم) همگن و داراي برد رادیویی فرض میشود که تمامی گرهها با استفاده از میباشند. همچنین [19] یا GPS الگوریتمهاي دیگر مکانیابی [17 3] از مکان جغرافیایی خود ( x اطلاع دارند. چاهک ساکن بوده و محدودیت انرژي, y ) ندارد. فاصله جغرافیایی گرههاي همسایه: با توجه به اطلاع گرههاي حسگر از موقعیت مکانی خود گرههاي همسایه و چاهک فاصله اقلیدسی بین دو گره همسایه i و را میتوان از رابطه (1) محاسبه نمود: dist ( i, ) ( xi x ) ( yi y ) (1) ( x به ترتیب مختصات, y ) و ( x i, yi در رابطه (1) ),i dist( فاصله اقلیدسی بین دو جغرافیایی گرههاي i و و ( گره همسایه مذکور میباشد. مجموعه همسایههاي گره i: گرههایی هستند که فاصله گره i تا آنها از برد رادیویی گره کوچکتر باشد. این مجموعه با NS(i) نشان داده میشود. بعبارت دیگر گرههایی که در برد رادیویی گره i قرار دارند جزء مجموعه همسایههاي آن گره محسوب میشوند. مجموعه گرههاي همسایه گره i رانشان میدهد: () رابطه NS( i) { dist( i, ) Rc, i } () در رابطه () اقلیدسی بین دو گره همسایه که در داخل دایره به شعاع برد رادیویی گره dist( i, ) و i فاصله i و میباشد. در شکل 3 گرههایی گرههاي همسایه گره i محسوب میگردند. ناحیه ارسال به جلو گره : i و یا روي آن قرار دارند مجموعه ناحیهاي است که جزو مجموعه همسایههاي گره بوده و i گرههاي موجود در آن ناحیه نسبت به گره i به ایستگاه پایه نزدیکتر هستند. این مجموعه با (i) NS pos نشان داده میشود. این ناحیه در شکل 3 همان ناحیه هاشورخورده میباشد. ناحیه ارسال به جلو گره i (3) با رابطه (3) قابل بیان میباشد: NS pos ( i) { NS ( i) : dist(,sin k) dist( i,sin k)} مطابق شکل 3 براي تعین ناحیه ارسال به جلوه گره i کمانی به مرکز چاهک و شعاع (x dist(i,sin و نیز دایرهاي به مرکز i و 66

5 مجلهعلمی پژوهشی رایانش نرم و فناوري اطلاعات...جلد 3 شماره 1 سال 1393 رسم مینماییم. ناحیه بین تلاقی آنها ناحیه ارسال به شعاع جلو گره i نامیده میشود. انرژي باقیمانده کیفیت پیوند ارتباطی بافر آزاد موقعیت مکانی گره شماره مشخصه گره شکل 4 : قالب پیغام HELLO در روش پیشنهادي شکل 3: ناحیه ارسال به جلو براي انتخاب گره مناسب بعنوان گره بعدي در روش پیشنهادي در روش پیشنهادي بستههاي دریافتی از لایه کاربرد گره مبدأ و بستههاي ارسالی از طرف گرههاي قبلی به گره همسایه بعدي جهت ارسال به مقصد تحویل داده میشوند. در روش اراي ه شده از روش ارسال جغرافیایی و گام به گام جهت ارسال بسته استفاده میشود. براي ارسال کارآمد از نظر انرژي مصرفی انرژي باقیمانده گره بعدي انرژي لازم براي ارسال بسته و فاصله مناسب براي ارسال بسته مورد توجه قرار میگیرد. براي ارسال مطمي ن به ازاي هر بسته ارسالی از ارسال چند مسیري و پیوندهایی با کیفیت ارتباطی بالا استفاده میشود. گرههاي حسگر براي تعیین گره همسایه مناسب براي ارسال بسته داده خود به صورت محلی نیازمند مشخصات گرههاي همسایه که در برد رادیویی آن قرار دارند میباشند. اولین مرحله روش پیشنهادي ایجاد جدول گرههاي همسایه میباشد. گره مبدأ براي ایجاد جدول همسایگان خود و بدست آوردن اطلاعات ضروري گرههاي همسایه تک گامی که نسبت به آن پیشرفت فاصله مثبت ایجاد مینمایند از بسته HELLOاستفاده مینماید. گرههاي همسایهاي که در ناحیه ارسال رو به جلو گره مبدأ قرار دارند به بسته HELLO دریافتی پاسخ میدهند. در این ( E th براي انرژي گرهها در پروتکل یک پیششرط حد آستانه ) نظر گرفته شده است. به این صورت که اگر گرهاي انرژي کمتري از این حد آستانه داشته باشد براي رعایت موازنه بار اجازه اضافه شدن به جدول گرههاي همسایه را نخواهد داشت. قالب بسته در شکل 4 شماره مشخصه گره همان شماره شناسایی گره و موقعیت مکانی گره همان مکان جغرافیایی گره میباشد و نحوه تعیین آن در بخشهاي بعدي توضیح داده خواهدشد. بافر آزاد وضعیت ترافیک صف گرههاي همسایه گره مبدأ را نشان میدهد. کیفیت پیوند ارتباطی بیانگر کیفیت ارسال و دریافت داده بین گره مبدأ و همسایه آن میباشد. انرژي باقیمانده همان میزان انرژي باقیمانده در باتري گره را نشان میدهد چنانچه این انرژي باقیمانده از حد انرژي آستانه E th (4) پایینتر باشد اجازه اضافه شدن به جدول گرههاي همسایه آن گره داده نمیشود و این شرط باعث مصرف متوازن انرژي گرهها میگردد. سرعت تا مینی از طرف گره همسایه بعدي براي ارسال گره همان سرعت ارسال میباشد. پروتکل پیشنهادي از یک تابع هزینه براي تعیین گره مناسب بعدي استفاده مینماید. در این پروتکل با توجه به جمعآوري اطلاعات گرههاي همسایه تکگامی توسط بسته کنترلی HELLO براي تعیین گره مناسب از تابع هزینه به ازاي هر گره همسایه استفاده شده است. گره همسایهاي که مقدار تابع هزینه آن ماکزیمم باشد براي ارسال بسته در نظر گرفته میشود. بنابراین براي ارسال مناسب از لحاظ انرژي و قابلیت اطمینان از تابع هزینه مناسب مطابق رابطه (4) استفاده میشود: E ( ) B ( ) res free Cost( i, ) MaxN ( i) { ( ) ( ) (Prr( )} E B ini ini 1,, 1 3,1. مدل انرژي مصرفی یکی از پارامترهاي بسیار مهم در شبکههاي حسگر بیسیم انرژي میباشد. زیرا انرژي گرههاي حسگر از طریق باتري تا مین گردیده و طول عمر باتري نیز محدود میباشد. بنابراین در اراي ه پروتکلهاي مسیریابی انرژي مصرفی و در نتیجه طول عمر شبکه باید مورد توجه اساسی قرار گیرند. انرژي مورد نیاز براي HELLO در شکل 4 نشان داده شده است. 67

6 پروتکل مسیریابی مطمي ن و کارآمد از لحاظ انرژي براي شبکههاي حسگر بیسیم... غفاري و همکاران ارسال یک بسته k بیتی به گرهاي با فاصله d محاسبه میشود [5]: ( k) E ( k, d) k( E ) از آن از رابطه (5) E TX ( k, d) E TX TXamp E d amp k ( E fsd ), d d = (5) 4 k ( E mp d ), d d در رابطه (5) حد آستانه فاصله بوده و مقدار آن برابر d E میباشد. d mp fs انرژي لازم براي کدینگ دیجیتال مدولاسیون و فیلترینگ میباشد. انرژي مصرفی براي دریافت یک بسته k بیتی توسط گره گیرنده از رابطه (6) محاسبه میگردد: E RX E ( k) ke RX (6) بنابراین مجموع انرژي مورد نیاز براي ارسال و دریافت یک بسته E total ( k) E E و TX ( k, d) E RX k بیتی از رابطه (7) محاسبه میگردد: k(e ( k) k(e d ), fs 4 d ), mp d d d d (7) mp fs در روابط (5) و (6) و (7) مقادیر میباشند. براي ارسال کارآمد از ثابت لحاظ انرژي مصرفی هدف انتخاب گرههاي میانی و همسایهاي میباشد که در مقایسه با گرههاي دیگر از انرژي موجود بیشتري برخوردار بوده و نسبت به مقصد پیشرفت فاصله جغرافیایی مثبت ایجاد نمایند..3, ارسال مطمي ن براي ارسال مطمي ن دادهها روش پیشنهادي از ارسال چند مسیري و پیوندهاي ارتباطی با قابلیت اطمینان بالا استفاده مینماید. براي افزایش قابلیت اطمینان و ازدیاد نرخ بستههاي دریافتی موفقیتآمیز در گره چاهک فقط گره مبدأ کپیهاي متعدد از بسته ارسالی را به سمت چاهک ارسال مینماید و گرههاي میانی بسته دریافتی را فقط به سمت چاهک ارسال مینماید. در این صورت احتمال دریافت موفق بسته در گره چاهک از رابطه (8) قابل محاسبه میباشد: h P s p k 1 (8) در رابطه (8) Ps احتمال دریافت موفق بسته ارسالی در گره چاهک بوده که از طریق ارسال گام به گام (با تعداد h گام) p احتمال ارسال موفق بسته ارسالی به آن ارسال شده است. k در گام ام از مسیر k میباشد. براي محاسبه کیفیت پیوند ارتباطی بین و گره همسایه از رابطه (9) استفاده میشود: (9) تعداد گام لازم براي ارسال بسته از گره مبدأ i تا گره چاهک از رابطه (1) قابل تخمین میباشد. dist ( i,sin k) h (1) در رابطه (1) dist ( i, sin k ) میباشد. برابر برد رادیویی گره و فاصله اقلیدسی گره i تا گره چاهک در ارسال چند مسیري براي تا مین قابلیت اطمینان مورد نظر R req بسته ) چاهک دریافت گردد: req (11) ) باید حداقل یک کپی از بسته ارسالی توسط گره N 1 [1 Ps ( k )] R k 1 در رابطه (11) N برابر تعداد مسیرهاي لازم براي تا مین قابلیت اطمینان مورد نظر بسته یعنی R req.3,3 ارزیابی کارایی میباشد. براي ارزیابی کارایی روش پیشنهادي از شبیهساز متلب استفاده شده است. شبکههاي حسگر بیسیم از ارسال چندگامی استفاده کرده وگرههاي حسگر آن ثابت و متقارن میباشد. گرههاي حسگر بصورت تصادفی و یکنواخت در محیط توزیع شده و از موقعیت مکانی و انرژي باقیمانده خود آگاه هستند. مقادیر پارامترهاي جدول (1) میباشد: نوع پارامتر لازم براي ارزیابی روش پیشنهادي مطابق جدول( 1 ): مقادیر پارامترهاي مورد استفاده در شبیهسازي تعداد گرههاي حسگر مساحت ناحیه شبیهسازي مقدار 1 گره 1 متر 1 متر (, ) موقعیت چاهک برد رادیویی گرهها انرژي اولیه گرهها 15 متر 1 ژول E n/bit5 6 بسته p/bit/m1 اندازه بافر s PRR ( t 1) PRR ( t ) (1 ) r s 68

7 مجلهعلمی پژوهشی رایانش نرم و فناوري اطلاعات...جلد 3 شماره 1 سال 1393 اندازه بسته 56 بایت نرخ ارسال داده kbps نوع ترافیک زمان اجرا CBR 3 ثانیه پارامترهاي قابل ارزیابی براي مقایسه کارایی روش پیشنهادي با پروتکل [7] ReInForM.3,4 عبارتند از: نرخ تحویل موفق بسته نسبت تعداد بستههاي دریافتی در مقصد نسبت به تعداد کل بستههاي ارسالی نرخ تحویل بسته گفته میشود. و 5 شکل شکل 6 قابلیت اطمینان یا نرخ بستههاي تحویلی به مقصد را در دو پروتکل پیشنهادي و و مقادیر مختلف ضرایب نشان میدهند. ReInForm بر اساس نرخ خطاي کانال با توجه به نتایج شبیه- سازي در هر دو روش با افزایش نرخ خطاي کانال قابلیت اطمینان بستههاي ارسالی کاهش مییابد. زیرا با افزایش نرخ خطاي کانال تعداد بستههاي حذف شده بیشتر خواهد شد. با توجه به نمودار شکل 5 قابلیت اطمینان روش پیشنهادي نسبت به روش دیگر بیشتر میباشد. زیرا این روش علاوه بر در نظر گرفتن کیفیت پیوند ارتباطی مقدار بافر خالی گره همسایه بعدي را براي ارسال بسته در نظر میگیرد. در نتیجه حذف بستههاي ارسالی به دلیل پر بودن بافر گره بعدي از بین خواهد رفت. شکل 6 نمودار قابلیت اطمینان را براساس مقادیر ضرایب مختلف نشان میدهد. در این شکل با انتخاب مقادیر مناسب براي ضرایب تابع هزینه (/.=λ و ٤/.=β و ٤/.= α) مقدار قابلیت اطمینان براي نرخ خطاي کانال 15/. و 35 /. حداکثر میباشد. 3,5. انرژي باقیمانده شکلهاي 7 و 8 مقدار انرژي باقیمانده گرههاي حسگر را بر اساس نرخهاي خطاي کانال و مقادیر متفاوت ضرایب تابع هزینه نشان میدهند. با توجه به نتایج شبیهسازي و نمودار شکل 7 مقدار انرژي موجود گرههاي حسگر با افزایش نرخ خطاي کانال کاهش مییابد. زیرا با افزایش نرخ خطاي کانال تعداد بستههاي ارسالی براي تامین قابلیت اطمینان مورد نظر بسته ارسالی بیشتر شده و در نتیجه انرژي مصرفی گره بیشتر خواهد شد. از طرفی با توجه به این که روش پیشنهادي مقدار انرژي موجود گرههاي همسایه را در انتخاب گره همسایه بعدي در نظر میگیرد نوعی توازن بار بر روي گرهها ایجاد کرده و در نتیجه مقدار انرژي موجود گرهها در روش پیشنهادي بیشتر خواهد شد. شکل 5: نمودار قابلیت اطمینان یا نرخ بستههاي تحویلی در مقصد بر اساس نرخ خطاي کانال شکل 7: نمودار درصد انرژي باقیمانده در گره بر اساس نرخ خطاي کانال 69 شکل 6: نمودار قابلیت اطمینان یا نرخ بستههاي تحویلی در مقصد بر اساس ضرایب مختلف

8 پروتکل مسیریابی مطمي ن و کارآمد از لحاظ انرژي براي شبکههاي حسگر بیسیم... غفاري و همکاران [٤] P. Kok, K. Loh, H. W. Jing, and Y. Pan, Performance Evaluation of Efficient and Reliable Routing Protocols for Fixed-Power Sensor Networks, IEEE Trans. on wireless communication, vol. ٨, no. ٥, pp. ٢٣٢٨-٢٣٣٥, ٢٠٠٩. [٥] Y.-chung Fan, A. L. P. Chen, S. Member, and I. C. Society, Efficient and Robust Schemes for Sensor Data Aggregation Based on Linear Counting, IEEE Trans, on parallel and distributed systems, vol. ٢١, no. ١١, pp. ١٦٧٥-١٦٩١, ٢٠١٠. [٦] H. Zhou, Y. Wu, Y. Hu, and G. Xie, A novel stable stion and reliable transmission protocol for clustered heterogeneous wireless sensor networks, Computer Communications, vol. ٣٣, no. ١٥, pp. ١٨٤٣-١٨٤٩, ٢٠١٠. [٧] B. Deb, S. Bhatnagar, and B. Nath, ReInForM: Reliable information forwarding using multiple paths in sensor networks, in ٢٨th Annual IEEE International Conference on Local Computer Networks, ٢٠٠٣. LCN ٠٣. Proceedings, ٢٠٠٣, pp. ٤٠٦-٤١٥. [٨] M. Tao, D. Lu, and J. Yang, An Adaptive Energy-aware Multipath Routing Protocol with Load Balance for Wireless Sensor Networks, Wireless Personal Communications, Nov. ٢٠١٠. [٩] A. Kumar and S. Varma, Geographic Node-Disoint Path Routing for Wireless Sensor Networks, IEEE Sensors ournal, vol. ١٠, no. ٦, pp. ١١٣٨-١١٣٩, ٢٠١٠. [١٠] J. Kulik and W. Heinzelman, Negotiation-Based Protocols for Disseminating Information in, Wireless Networks, pp. ١٦٩-١٨٥, ٢٠٠٢. [١١] S. Li, R. K. Neelisetti, C. Liu, and A. Lim, Efficient multipath protocol for wireless sensor networks, international ournal of wireless and mobile networks, vol. ٢, pp. ١١٠-١٣٠, ٢٠١٠. [١٢] J. a. Stankovic and T. Abdelzaher, SPEED: a stateless protocol for real-time communication in sensor networks, ٢٣rd International Conference on Distributed Computing Systems, ٢٠٠٣. Proceedings., pp. ٤٦-٥٥. [١٣] J. Heo, J. Hong, and Y. Cho, EARQ: Energy Aware Routing for Real-Time and Reliable Communication in Wireless Sensor Networks, Performance Computing, vol. ٥, no. ١, pp. ٣-١١, ٢٠٠٩. [١٤] S. Lee, B. Bhattacharee, S. Baneree, and B. Han, A general framework for efficient geographic routing in wireless networks, Computer Networks, vol. ٥٤, no. ٥, pp. ٨٤٤-٨٦١, ٢٠١٠. [١٥] J. Cecílio, J. Costa, and P. Furtado, Survey on Data Routing in Wireless Sensor Networks, Explosion, pp. ٣-٤٦, ٢٠١٠. [١٦] S. Subramanian and S. Shakkottai, Geographic Routing With Limited Information in Sensor Networks, IEEE Trans, on Information theory, vol. ٥٦, no. ٩, pp. ٤٥٠٦-٤٥١٩, ٢٠١٠. [١٧] H. U. I. Qu and S. B. Wicker, A Combined Localization and Geographic Routing Algorithm for Rapidly-Deployed Wireless Sensor Networks, International ournal of distributed sensor networks, vol. ٤, pp. ٤٣-٦٢, ٢٠٠٨. [١٨] C. Lu, B. M. Blum, and J. A. Stankovic, RAP: A Real-Time Communication Architecture for Large-Scale Wireless Sensor Networks, In the proceeding of eight IEEE real-time anr embede technology and applications symposium (RTAS'٠٢), ٢٠٠٢. [١٩] K. Sohrabi, J. Gao, V. Ailawadhi, and G. J. Pottie, Protocols for Self-organization of a Wireless Sensor Network, Ieee Personal Communications, no. October, pp. ١٦-٢٧, ٢٠٠٠. [٢٠] X. Huang and Y. Fang, Multiconstrained QoS multipath routing in wireless sensor networks, Wireless Networks, vol. ١٤, no. ٤, pp. ٤٦٥-٤٧٨, Jan. ٢٠٠٧. [٢١] A. Razzaque and M. M. Alam, Multi-Constrained QoS Geographic Routing for Heterogeneous Traffic in wireless Sensor Networks, IEICE TRANS. COMMUN., vol. E٩١-B, no. ٨, pp. ٢٥٨٩-٢٦٠١, ٢٠٠٨. و و شکل 8 : نمودار درصد انرژي باقیمانده در گره بر اساس ضرایب مختلف شکل 8 مقدار انرژي موجود گرههاي حسگر را بر اساس مقادیر مختلف ضرایب تابع هزینه نشان میدهد. با توجه به نتایج شبیه- سازي با انتخاب مقادیر مناسب براي ضرایب تابع هزینه (3/.=λ α) مقدار انرژي موجود گرهها براي نرخ =./٤ β=./٣ خطاي کانال 15/. و 35 /. حداکثر میباشد. نتیجهگیري در این مقاله یک پروتکل مسیریابی براي تامین قابلیت اطمینان مورد نظر بسته ارسالی و افزایش طول عمر شبکههاي حسگر بیسیم اراي ه شده است. روش پیشنهادي از ارسال چند مسیري با در نظر گرفتن کیفیت پیوند ارتباطی گرههاي حسگر براي افزایش قابلیت اطمینان استفاده مینماید. روش پیشنهادي به دلیل استفاده از اطلاعات محلی گرههاي حسگر مقیاسپذیر بوده.4 خود و را با پویایی توپولوژي شبکه وفق میدهد. نتایج شبیهسازي نشان میدهند که روش پیشنهادي ضمن تامین قابلیت اطمینان مورد نظر بسته ارسالی و افزایش نرخ دریافت بسته در مقصد از لحاظ انرژي مصرفی نیز کارآمد بوده و طول عمر شبکه را افزایش میدهد. مراجع [١] Ian F.akyildiz, Survey on Sensor Networks, IEEE Communication magazine, vol. ٤٠, pp. ١٠٢-١١٤, ٢٠٠٢. [٢] M. A. Razzaque, C. S. Hong, and S. Lee, Data-Centric Multiobective QoS-Aware Routing Protocol for Body Sensor Networks, Sensors, vol. ١١, no. ١, pp. ٩١٧-٩٣٧, Jan. ٢٠١١. [٣] J. P. D. Comput, J. Ben-othman, and B. Yahya, Energy efficient and QoS based routing protocol for wireless sensor networks, J. Parallel Distrib. Comput., vol. ٧٠, no. ٨, pp. ٨٤٩-٨٥٧, ٢٠١٠. 7

9 مجلهعلمی پژوهشی رایانش نرم و فناوري اطلاعات...جلد 3 شماره 1 سال 1393 [٢٢] E. Felemban, S. Member, C.-gun Lee, and E. Ekici, MMSPEED: Multipath Multi-SPEED Protocol for QoS Guarantee of Reliability and Timeliness in Wireless Sensor Networks, IEEE Trans. Mobile Computing, vol. ٥, no. ٦, pp. ٧٣٨-٧٥٤, ٢٠٠٦. [٢٣] Z. Zhong, Achieving Range-free Localization Beyond Connectivity, Analysis, pp. ٢٨١-٢٩٤, ٢٠٠٩. [٢٤] A. Ghaffari, A. Rahmani, and A. Khademzadeh, Energy-efficient and QoS-aware geographic routing protocol for wireless sensor networks, Electronics, vol. ٨, no. ٨, pp. ٥٨٢-٥٨٨, ٢٠١١. [٢٥] W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks, Analysis, vol. ٠, pp. ١-١٠, ٢٠٠٠. 71