ارائه یک روش جدید خوشه‌بندی در جهت مسیریابی سلسله‌مراتبی با مصرف انرژی کارآمد در شبکه‌های حسگر بی‌سیم

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

سارا نصیریان ¹ , فرهاد فغانی ²

1 - دانشجوی دکتری، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی
2 - استادیار - دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

تاریخ دریافت : 1395/02/04 تاریخ پذیرش : 1395/06/06 تاریخ انتشار : 1396/02/01

کلید واژه: شبکه حسگر بی‌سیم, مسیریابی سلسله مراتبی, درخت پوشای کمینه, سرخوشه,

چکیده مقاله :

پروتکل‌های مسیریابی سلسله‌مراتبی از نظر مصرف انرژی عملکرد بهتری در مقایسه با سایر پروتکل‌ها از خود به نمایش گذاشته‌اند. در این مقاله پروتکلی برپایه‌ی تقسیم مساحت شبکه به چندین قطاع و دو سطح و انتخاب سرخوشه‌های مناسب از سطح نزدیک به ایستگاه مرکزی با هدف کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه، پیشنهاد شده است. به منظور کاهش جریان معکوس داده از سمت ایستگاه مرکزی، از یک ساختار درختی در هر قطاع بهره گرفته شده است. علاوه بر این با گذشت زمان و مواجهه با گره‌های مرده پروتکل امکان جابجایی مرز مابین دو سطح را در اختیار قرار می‌دهد. نتایج شبیه‌سازی به درستی گویای بهبود عملکرد پروتکل پیشنهادی TSBC نسبت به پروتکل مشهور LEACH، بسیاری از نسخه‌های توسعه‌یافته‌ی آن از جمله LEACH Multi-Hop و تعداد کثیری از پروتکل‌های مرسوم مسیریابی از حیث کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه می‌باشد. یکی از خصوصیات طرح پیشنهادی که می‌تواند آن را به سهولت از سایر پروتکل‌های مسیریابی رجحان بخشد، پیشگیری از وقوع جریان معکوس داده از سمت ایستگاه مرکزی یا حداقل کاهش چشمگیر آن می‌باشد. فرمول خاصی که در پروتکل پیشنهادی جهت انتخاب سرخوشه مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌تواند از تخلیه‌ی متمرکز باتری در نقاط مختلف شبکه جلوگیری به عمل آورد. گفتنی است که این فرمول خاص را می‌توان جهت انتخاب سرخوشه در سایر پروتکل‌ها با هدف ایجاد تعادل در مصرف انرژی گره‌های مختلف به کار بست. شایان ذکر است که اتخاذ تدابیر خاص در پروتکل پیشنهادی تا حد زیادی از وقوع چندپارگی در شبکه جلوگیری به عمل آورده است.

چکیده انگلیسی:

Wireless Sensor Networks, have found plenty of applications, nowadays. Due to the presence of tiny and restricted batteries in these little sensors, deployment of a power-efficient routing protocol is a must. Between all the already-proposed routing protocols, the hierarchical ones are more efficient in energy conservation than flat routing protocols. In order to decrease energy consumption and increase the network lifetime, we proposed a new hierarchical routing protocol, by dividing the network area to sectors and two levels and choosing Cluster Heads from the lower level, which is more near to the Base Station. In order to minimize the reverse flow of the data from BS, we use a tree structure in each sector. In addition, the frontier between two levels can be moved during network lifetime and having dead nodes. The results of simulations show that our proposed TSBC protocol outperforms LEACH, Multi-Hop LEACH and many other conventional routing protocols in energy conservation and in network lifetime. One of the most important properties of our scheme that can distinguish it from any other scheme is reverse flow from BS cancellation or at least deduction. The special formula, which is used in our protocol for CH selection, in order to prevent battery depletion in a special spot, can also be adapted to any other hierarchical clustering protocols to achieve higher energy-efficiency. It is still noteworthy to mention that thanks to devising special measures we highly prevent fragmentation occurrence in routing process in the network.

منابع و مأخذ:

[1] I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, "Wireless sensor networks: A survey", ComputerNetworks, Vol. 38, No.4, pp.393-422, Dec. 2002.

[2] J.N. Al-Karaki,A.E. Kamal, "Routing techniques in wireless sensor networks: A survey", IEEE Wireless Communications, Vol.11, No.6, pp.6-28, Dec.2004.

[3] J.J. Lotf, M. Hosseinzadeh, R.M. Alguliev, "Hierarchical routing in wireless sensor network: Asurvey", Proceeding of the IEEE/ICCET, Vol. 3, pp. 650-654, Chengdu, China, 2010.

[4] H. Zhao, W. Jie, Z. Jie, L. Liefeng, T. Kaiyun, "A general self-organized tree-based energy-balance routing protocol for wireless sensor network", IEEE Trans. on Nuclear Sciences, Vol. 61, No.2, pp. 732-740, Apr.2014.

[5] G. Navin, L. Won-Il, P. Jae-Young, "Track-sectorclustering for energy efficient routing in wireless sensornetworks", Proceeding of the IEEE/CIT, Vol.2, pp.116-121, Xiamen, China, China, 2009.

[6] W. Heinzelman, A. Chandrakasan, H. Balakrishnan, "Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks", Proceeing of the IEEE/HICSS, Vol. 2, pp. 1-10, Maui, HI, USA, USA, Jan. 2000.

[7] W. Heinzelman, A. Chandrakasan, H. Balakrishnan, "An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks", IEEE Trans.  on Wireless Communications, Vol.1, No.4, pp. 660-670, Oct. 2002.

[8] V. Loscri, G. Morabito, S. Marano, "A two-level hierarchy for low-energy adaptive clustering hierarchy (TL-LEACH)", Proceeding of the IEEE/ETECF, Vol.3, pp. 1809-1813, Dallas, TX, USA, USA,2005.

[9] F. Xiangning, S. Yulin, "Improvement on LEACH protocol of wireless sensor network", Proceeding of the IEEE/ SENSORCOMM, pp. 260-264, Valencia, Spain, 2007.

[10] R.V. Biradar, S.R. Sawant, R.R. Mudholkar, V.C. Patil, "Multihop routing in self-organizing wireless sensor networks", IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol. 8, Issue 1, Jan. 2011.

[11] S. Lindsey,C. Raghavendra,”PEGASIS: Power-efficient gathering in sensor information systems”, Proceeding IEEE/AERO, Vol.3,pp.1125-1130, Big Sky, MT, USA, 2002.

[12] S.M. Jung, Y.J.Han, T.M. Chung, "The concentric clustering scheme for efficient energy consumption in the PEGASIS", Proceeding of the IEEE/CACT, Vol.1,pp.260-265, Okamoto, Kobe, Japan, Feb.2007.

[13] S. Varshney, C. Kumar, A. Swaroop, “A comparative study of hierarchical routing protocols in wireless sensor networks”, Proceeding of the IEEE/INDIACom, pp. 1018-1023, New Delhi, India, 2015.

[14] M. Aslam, N. Javaid, A. Rahim, U. Nazir, A. Bibi, Z.A. Khan, "Survey of extended LEACH-based clustering routing protocols for wireless sensor networks", Proceeding of the IEEE/HPCC, pp. 1232 - 1238, July 2012