این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده
کاربرد روز افزون شبکه‌های حسگر بی‌سیم در زندگی انسان گویای اهمیت زیاد این تکنولوژی است. محدودیت انرژی در عناصر تشکیل دهندهی شبکه‌های حسگر بی‌سیم که گره‌حسگرها می‌باشند همواره به عنوان مهمترین چالش پیش روی این تکنولوژی مطرح بوده است و به همین دلیل بخش اعظم تحقیقات انجام شده در حیطه‌ی شبکه‌های حسگر بی‌سیم به موضوع انرژی اختصاص یافته است. با توجه به اینکه نحوه‌ی انتخاب مسیرها برای ارسال اطلاعات در شبکه‌های حسگر بی‌سیم تأثیر قابل توجهی بر میزان مصرف انرژی شبکه دارد، در این پژوهش سعی بر ارایه‌ی راهکاری در زمینه‌ی مسیریابی با هدف افزایش طول عمر شبکه شده است. در این روش با در نظر گرفتن تاریخچه‌ی مصرف انرژی گره‌های حسگر، تعداد همسایگان حسگر ارسال کننده‌ی داده، و فاصله مبدأ تا مقصد ارسال داده(تک گام)، راهکاری ارایه شده است که می‌تواند تأثیر بسیاری بر افزایش عمر شکه داشته باشد. شبیه‌سازی و مقایسه با روشهای معروف و موفق مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم گویای شایستگی روش پیشنهادی میباشد.
کلمات کلیدی: شبکه‌های حسگر بی‌سیم، مسیریابی، الگوریتم PSO، عمر شبکه، محدودیت انرژی
فهرست مطالب
1 مقدمه 2
1-1 ضرورت مسئله و چالش‌های پروتکل مسیریابی 3
1-1-1 ظرفیت محدود انرژی 4
1-1-2 مختصات مکان گره‌ها 4
1-1-3 محدودیت منابع سخت‌افزاری 4
1-1-4 تعداد زیاد گره و قرار گرفتن تصادفی در محیط 4
1-1-5 ویژگی‌های شبکه و عدم اطمینان محیط فیزیکی 4
1-1-6 افزونگی داده 5
1-1-7 تنوع کاربرد شبکه‌های حسگر بی‌سیم 5
1-2 ویژگی‌های شبکه‌های حسگر بی‌سیم 5
1-3 ساختار گره حسگر 7
1-4 قالب پیام 8
چکیده فصل اول 9
2 کارهای مرتبط 12
2-1 مقدمه 12
2-2 انواع پروتکلهای مسیریابی 12
2-2-1 پروتکلهای مبتنی بر مکان 13
2-2-2 پروتکلهای داده‌محور 14
2-2-3 پروتکلهای سلسله مراتبی 15
2-2-4 پروتکلهای مبتنی بر حرکت 17
2-2-5 پروتکلهای مبتنی بر چند مسیر 18
2-2-6 پروتکلهای مربوط به شبکه‌های ناهمگن 18
2-2-7 پروتکلهای مبتنی بر کیفیت سرویس 19
2-3 مسیریابی متمرکز و توزیع شده 19
2-3-1 الگوریتمهای مرکزی 19
2-3-2 الگوریتم های توزیع شده 20
2-4 محیط سه بعدی 20
چکیده‌ی فصل دوم 21
3 الگوریتم پیشنهادی 23
3-1 انواع روشهای مسیریابی 23
3-2 مفروضات در نظر گرفته شده درشبیه‌سازی 24
3-3 الگوریتم PSO 26
3-4 مراحل الگوریتم پیشنهادی 28
چکیده‌ی فصل سوم 35
4 شبیه‌سازی و اجرای اگوریتم پیشنهادی 37
4-1نرم‌افزارهای شبیه‌سازی شبکه‌های حسگر بی‌سیم 37
4-2 شبه کد الگوریتم PSO 39
4-3 طراحی شبیه ساز شبکه‌های حسگر بی‌سیم 41
4-4 بسته‌ی داده‌ای 43
4-5 شبه‌کد الگوریتم پیشنهادی 44
خلاصه‌ی فصل چهارم 46
5 نتایج شبیه‌سازی 48
5-1 مقایسه‌ی عمر شبکه 49
5-2 مقایسه‌ی نرخ دریافت اطلاعات 53
چکیده‌ی فصل 5 55
6 نتیجه‌گیری و پیشنهادات 57
6-1خلاصه‌ی بحث 57
6-2 خلاصه‌ی نتایج 57
6-3 پیشنهادات وکارهای آتی 58
مراجع 60
فهرست اشکال
شکل 1-1. الگوی انتقال چند به یک در شبکه‌های حسگر بی‌سیم 7
شکل1-2. ساختارگره‌ی حسگر 8
شکل 2-1. خوشه و سرخوشه در روشهای سلسله مراتبی 15
شکل2-2. خوشه‌ها وسر خوشه‌ها در روشECHERP 16
شکل 3-1.نحوه‌ی حرکت ذرات در الگوریتمPSO 27
شکل3-2. مراحل الگوریتم PSO 28
.شکل 3-3. ساختار لایه‌بندی حسگرهای در دسترس ایستگاه اصلی 31
شکل4-1. فلوچارت الگوریتم PSO 40
شکل4-2. شبه کد الگوریتم پیشنهادی 41
شکل4-3. منوی اصلی شبیه‌ساز طراحی شده 42
شکل4-4. منوی اصلی شبیه‌ساز در لحظه‌ی از بین رفتن اولین حسگر 43
شکل4-5. شبه کد الگوریتم پیشنهادی 45
شکل5-1. مقایسه الگوریتم پیشنهادی با الگوریتمهای AODV و LEACH 50
شکل5-2. مقایسه‌ی الگوریتم پیشنهادی، HEED,APTEEN,PEGASIS 51
شکل5-3. مقایسه‌ی الگوریتم پیشنهادی و EDOCR 52
شکل5-4. مقایسه‌ی الگوریتم پیشنهادی و SEEM 53
شکل5-5. مقایسه‌ی الگوریتم پیشنهادی بر اساس نحوه‌ی استفاده از وزنهای رابطه (5) 55
شکل6-1. شبکه‌ی حسگر بی‌سیم 59
فهرست جداول
جدول 1-1. تعدادی ازگره‌حسگرهای رایج وکاربردآنها 3
جدول2-1. انواع پروتکلهای مسیریابی درشبکه‌های حسگر بی‌سیم 13
جدول2-2. مقایسه‌ی الگوریتمهای مسیریابی سلسله مراتبی 17
جدول4-1. مقایسه‌ی شبیه‌سازهای شبکه‌های حسگربی‌سیم 38
جدول5-1. ضرایب ثابت رابطه‌ی (5) درشرایط مختلف شبکه 48
جدول5-2. مقایسه‌ی نرخ دریافت داده توسط ایستگاه اصلی درالگوریتم‌های مسیریابی 54
فصل اول
مقدمه
1 مقدمه
شبکه¬های حسگر بی¬سیم از تعدادی گره¬حسگر تشکیل شده است و به طور معمول اندازه¬ی این گره‌ها کوچک است و ارزان قیمت هستند. تمامی این گره‌ها قابلیت دریافت اطلاعات از محیط اطراف خود را دارند، همچنین می¬توانند داده‌های دریافت شده از محیط را به سمت گره‌حسگری که در همسایگی آنها قرار دارد بفرستند و یا از آنها دریافت کنند. در این نوع شبکه¬ها شعاع انتقال داده‌ها محدود است، همچنین گره‌ها از نظر پردازشی و ذخیره¬ی اطلاعات نیز محدودیت دارند. با توجه به محدود بودن انرژی گره‌ها، بیشتر روشهای مسیریابی در این نوع شبکه¬ها با هدف افزایش طول عمر شبکه مطرح شده¬اند. در این پژوهش یک الگوریتم مسیریابی جدید معرفی می¬شود که مهمترین هدف آن افزایش عمر شبکه است.
در بیشتر کاربردهای شبکه¬های حسگر بی¬سیم، نحوه¬ی قرار گرفتن گره‌ها در محیط فیزیکی به صورت تصادفی است ونقشه‌ی خاص و از پیش تعیین شده‌ای ندارد. گره‌ها پس از قرار گرفتن در محیط به طور خودکار ساختار شبکه¬ را تشکیل می¬دهند و برای مدت محدودی به دریافت اطلاعات از محیط اطراف و انتقال آن به ایستگاه اصلی می¬پردازند. انرژی لازم برای دریافت اطلاعات از محیط و فرستادن اطلاعات به دیگر حسگرها توسط باتری‌های تعبیه شده در حسگرها تأمین می‌شود. بنابراین انرژی این گره‌ها محدود است و در اکثر کاربردها پس از اتمام انرژی باتری، شارژ مجدد ویا تعویض آن بسیار دشوار و به‌طور معمول غیرممکن است.
کاربردهای مختلف شبکه‌های حسگر منجر به تولید گرهحسگرهای زیادی شده است که از نظر معماری، اندازه، مصرف انرژی و شعاع پوشش گره بسیار متفاوت هستند. جدول 1-1 تعدادی از این گره‌حسگرها و کاربردی را که دارند نشان می‌دهد]1[.
جدول 1-1. تعدادی از گرهحسگرهای رایج و کاربرد آنها
شکل گره ویژگی نام
یکی از جدیدترین تکنولوژی‌های گره‌‌حسگر است. می‌تواند فیلم و عکس را رمز کرده و ارسال کند.از پروتکلهای HSPA و WCDMA برای انتقال داده استفاده می‌کند.
3Gwaspmote
مصرف انرژی کمی دارد. می‌تواند از انرژی خورشیدی استفاده کند. زمان راه اندازی شبکه‌ی این نوع گره بسیار کوتاه است. قابل برنامه‌ریزی OTAP را دارا می باشد.
Waspmote Plug&Sense
قابلیت اندازه‌گیری همزمان دما، نور و رطوبت را دارد. شعاع پوشش این گره نسبت به گره‌های دیگر کم است. ساختمان ساده‌ای دارد. زمان راه‌اندازی آن کوتاه است.
SquidBee
1-1 ضرورت مسئله و چالش‌های پروتکل مسیریابی
محدودیت انرژی همواره مهمترین چالش پیش‌روی شبکه‌های حسگر بی‌سیم بوده است. با توجه به اینکه بخش زیادی از انرژی شبکه صرف ارسال اطلاعات به دست آمده از محیط به سمت ایستگاه اصلی می‌شود، استفاده از یک روش مسیریابی مناسب می‌تواند تا حد زیادی طول عمر شبکه را افزایش دهد. ارایه‌ی یک پروتکل مسیریابی برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم با چالش‌هایی روبه‌روست که از محدودیت‌های این شبکه‌ها ناشی می‌شود. همچنین این شبکه‌ها در بسیاری از منابع شبکه نیز محدودیت دارند. برای مثال: پهنای باند ارتباطی ، واحد پردازشگر، واحد ذخیره‌سازی و انرژی ]2،3[. مهمترین چالش‌های پیش روی طراحی پروتکلهای مسیریابی عبارتند از]4،5،6[:
1-1-1 ظرفیت محدود انرژی
با توجه به اینکه گره‌های حسگر انرژی لازم را از باتری‌ها می‌گیرند، بنابراین ظرفیت محدودی دارند. هنگامی که انرژی گره از یک مقدار آستانه کمتر شود، آن گره قادر به ادامه فعالیت خود نخواهد بود و این امر تاثیر منفی زیادی روی شبکه می‌گذارد. از اینرو محدودیت انرژی بزرگ¬ترین چالش برای ارایه یک پروتکل مسیر یابی است .
1-1-2 مختصات مکان گره‌ها
چالش دیگری که در امر ارایه یک پروتکل مسیریابی است مدیریت مکان گره است. تعداد زیادی از پروتکلهای مسیریابی فرض می‌کنند که هرحسگر مجهز به سیستم مکان‌یابی جهانی است و یا از الگوریتمهای مکان‌یابی برای یافتن مکان گره استفاده می‌کنند]5[.
1-1-3 محدودیت منابع سخت‌افزاری
گره‌های حسگر علاوه بر انرژی، از لحاظ ذخیره‌سازی و پردازش نیز محدود هستند. گره‌ی حسگر نمی‌توانند محاسبات پیچیده و طولانی را انجام دهد و این امر چالشی برای پیشرفت نرم افزاری در شبکه‌های حسگر بی‌سیم است. بنابراین برای ارایه یک الگوریتم مسیریابی علاوه بر انرژی باید محدودیت سخت افزاری را نیز در نظر داشت.
1-1-4 تعداد زیاد گره و قرار گرفتن تصادفی در محیط
شبکه‌های حسگر بی‌سیم به طور کامل وابسته به کاربرد شبکه هستند. در بیشتر کاربردها تعداد زیادی گره به طور تصادفی در محیط فیزیکی قرار داده می¬شوند که این امر تاثیر قابل توجهی بر روی کارایی الگوریتمهای مسیریابی دارد.
1-1-5 ویژگی‌های شبکه ( عدم اطمینان محیط فیزیکی)
در شبکه‌های حسگر بی‌سیم، گره حسگرها در محیطی پویا و غیر قابل اطمینان قرار می‌گیرند. توپولوژی شبکه مدام در حال تغییر است و این تغییرات از عواملی چون به پایان رسیدن انرژی گره، آسیب فیزیکی گره و یا قطع ارتباط بین گره‌ها ناشی می‌شود. یک پروتکل مسیریابی مناسب باید با تغییرات توپولوژی به طور مناسبی همسو باشد.
1-1-6 افزونگی داده
چون در شبکه‌های حسگر بی‌سیم افزونگی داده‌ی بالایی وجود دارد و ممکن است اطلاعات یکسانی از گره‌های مختلف به‌دست آید، بنابراین در برخی از گره‌ها می‌توان از تکنیک‌های اجماع داده¬ استفاده کرد. اجماع داده‌ها می¬تواند تا حد زیادی تعداد بسته¬های اطلاعاتی که در شبکه به سمت ایستگاه اصلی منتقل می‌شوند را کاهش دهد و از اینرو تاثیر مثبتی بر طول عمر شبکه دارد.
1-1-7 تنوع کاربرد شبکه¬های حسگر بی¬سیم
با توجه به اینکه این شبکه¬ها کاربردهای مختلفی دارند، بنابراین نمی¬توان ادعا کرد که یک پروتکل مسیریابی برای تمام کاربردها بهینه است. برخی از کاربردها مانند پردازش‌های صنعتی و یا صنایع نظامی نیاز به پاسخ سریع و تاخیر کم دارند. کاربردهای دیگر مانند اندازه‌گیری دما و نور حساسیت کمتری دارند و در آنها طول عمر شبکه اولویت بیشتری دارد. با توجه به اینکه در بیشتر کاربردها، پیاده‌‌سازی یک شبکه‌ی حسگر بی‌سیم واقعی به منظور آزمایش کردن کارایی یک پروتکل مسیریابی مقرون به صرفه نیست، به همین دلیل از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی استفاده می‌شود. در این شبیه‌سازها می‌توان شبکه والگوریتم‌های مسیریابی را مطابق با کاربرد آن در محیط واقعی شبیه‌سازی کرد. در فصل پنجم تعدادی از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی شبکه‌های حسگر بی‌سیم بررسی شده است.
1-2 ویژگی‌های شبکه‌های حسگر بی‌سیم
محدودیت انرژی باعث می¬شود که بیشتر پروتکل¬های مسیریابی ارایه شده در سایر شبکه‌های بی‌سیم برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم مناسب نباشد. برای مثال انتقال سیل‌آسا که در شبکه-های کامپیوتری استفاده می‌شود برای شبکه¬های حسگر بی¬سیم هزینه¬ی زیادی داشته و طول عمر شبکه را به طور قابل توجهی کاهش می¬دهد]7[. البته برای پیاده سازی انتقال سیل‌آسا در شبکه¬های حسگر بی¬سیم از یک روش جایگزین استفاده می¬شود که به روش شایعه‌پراکنی معروف است]8[. در این روش وقتی گره‌ای می‌خواهد داده¬ای را به سمت گره‌ی دیگر بفرستد به صورت تصادفی تعداد کمی از همسایگان خود را انتخاب می¬کند، اما در روش سیل‌آسا تمام همسایگان انتخاب می¬شوند. شبکه¬های حسگر بی¬سیم ویژگی‌هایی دارند که آنها را از دیگر شبکه‌ها مانند MANET و سیستم‌های تلفن همراه متمایز می¬کند. تعدادی از این ویژگی‌ها که در انجام این تحقیق مد نظر قرار گرفته‌است عبارتند از: