چکیده – شبکههاي حسگر بیسیم که براي نظارت و کنترل یک محیط خاص مورد استفاده قرار میگیرند، از تعداد زیادي گره حسگر ارزان قیمت تشکیل شدهاند که به صورت متراکم در یک محیط پراکنده میشوند. یکی از عمدهترین چالشها در این نوع شبکهها، محدودیت مصرف انرژي است که مستقیما طول عمر شبکه حسگر را تحت تأثیر قرار میدهد. خوشه بندي به عنوان یکی از روشهاي شناخته شدهاي است که بطور گستردهاي براي مواجه شدن با این چالش مورد استفاده قرار میگیرد. در این مقاله، یک روش خوشهبندي جدید انرژي آگاه با ترکیب الگوریتم ژنتیک و منطق فازي براي خوشه بندي مناسب گرههاي شبکه ارائه میشود. در این روش ابتدا گرههاي سرخوشه با استفاده از یک روش جدید مبتنی بر منطق فازي تعیین میشوند و سپس گرههاي دیگر براساس الگوریتم ژنتیک به گرههاي سرخوشه اختصاص داده میشوند. براساس نتایج شبیهسازيها، روش پیشنهادي در مقایسه با الگوریتمهاي مشابه دیگر میتواند طول عمر شبکه را ۱۰ تا ۳۷ درصد افزایش دهد و مصرف انرژي در شبکه را به صورت متعادل در بین همه گرههاي شبکه توزیع کند.

کلید واژه- شبکههاي حسگر بیسیم، منطق فازي، الگوریتم ژنتیک، مصرف انرژي، طول عمر شبکه.

-۱ مقدمه

پیشرفتهاي اخیر در زمینه الکترونیک و مخـابرات بیسـیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را بـا تـوان مصـرفی پـایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربردهـاي گونـاگون داده اسـت.

این حسگرهاي کوچک که توانایی انجـام اعمـالی چـون دریافـت اطلاعات مختلف محیطـی (بـر اسـاس نـوع حسـگر)، پـردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایدهاي براي ایجـاد و گسترش شبکههاي موسوم به شبکههاي حسگر بیسیم شـدهاند.

یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادي گرههاي حسگري است که در یک محیط به طور گسترده پخـش شـده و بـه جمـعآوري اطلاعات از محیط میپردازند. لزوماً مکان قـرار گـرفتن گرههـاي حسگري، از قبل تعیین شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم مـیآورد کـه بتـوانیم آنهـا را در مکانهـاي خطرناك و یا غیرقابل دسترس رها کنـیم ۱]، .[۲ بـا اینکـه هـر حسگر به تنهایی توانـایی نـاچیزي دارد، ترکیـب صـدها حسـگر

کوچــک امکانــات جدیــدي را عرضــه میکنــد. گســتره کــاربري شبکههاي حسـگر بیسـیم بسـیار وسـیع بـوده و از کاربردهـاي کشـاورزي، پزشـکی و صـنعتی تـا کاربردهـاي نظـامی را شـامل میشود.

مصرف بهینه انرژي در شبکههاي حسگر بیسـیم بـه عنـوان یک چالش مهم محسوب میشود. از آنجا که حسـگرهاي موجـود در شــبکههاي حســگر بیســیم داراي تــوان مصــرفی محــدودي هستند، لذا پس از گذشت زمان، تـوان مصـرفی آنهـا بـه اتمـام رسیده و غیرفعال میشوند. با توجه به اینکه از شبکههاي حسـگر بیسیم در محیطهاي غیرقابل دسترس استفاده میشود، بنـابراین تعویض باتري حسگرها یـا خـود حسـگرها بسـیار پرهزینـه و در مواردي غیرممکن است. لذا باید روشهایی وجود داشته باشد که مصرف انـرژي در شـبکههاي حسـگر بیسـیم را مـدیریت کنـد و مصرف انرژي را بهینهسازي کند .[۵-۳]

خوشهبندي یک روش کارآمد براي کاهش مصرف انرژي در شبکههاي حسگر بیسیم است. در واقع بـا اسـتفاده از روشهـاي

۱

خوشهبندي در شـبکههاي حسـگر بیسـیم، حسـگرها موجـود در شبکه به خوشههایی تقسـیم میشـوند و بـراي هـر خوشـه یـک سرخوشه در نظر گرفته میشود. حسگرها به جاي اینکه دادههاي حس شده را خودشان مستقیما به ایستگاه اصـلی ارسـال کننـد، ابتدا دادهها به سرخوشه و سپس سرخوشه دادههـاي دریـافتی را به ایستگاه اصلی ارسال میکند. این باعـث میشـود کـه مصـرف انرژي حسگرها بسیار کاهش یابد. اما مسئله مهم ایـن اسـت کـه باید سرخوشهها و اعضاي آنها بـه گونـه اي انتخـاب شـوند کـه مصرف انرژي در شبکه حسگر بیسـیم حـداقل شـود .[۶] لـذا در این مقاله یک روش جدیدي مبتنی بر خوشهبندي بـراي کـاهش مصرف انرژي در شبکه حسگر بیسـیم بـا اسـتفاده از یـک روش فازي-ژنتیکی معرفی میشود.

-۲ مروري بر کارهاي گذشته

تــاکنون الگوریتمهــاي زیــادي در زمینــه خوشــه بنــدي در شــبکههاي حســگر بــی ســیم ارائــه شــده اســت. یکــی از ایــن الگوریتمهاي معروف، الگوریتم LEACH است. این پروتکل از دو فاز راه اندازي و حالت دائمی تشکیل شده است. به هر بار اجراي این دو فاز یک دوره گفته میشود. فاز اول فاز راه اندازي نام دارد که در واقع فاز تشکیل خوشهها است و فاز دوم مربوط به عملکرد عادي شبکه است که فاز حالت دائمی (پایـدار) نـام دارد. در فـاز اول بنـابر یـک تـابع احتمـال تطبیقـی، سرخوشـهها انتخـاب میشونداز آنجا کـه انـرژي مصـرفی در سرخوشـهها نسـبت بـه گرههاي عضو بیشتر است، پس از مدتی انرژي سرخوشـهها تمـام میشود. لذا الگوریتم LEACH از خوشه بندي پویا اسـتفاده مـی کند.[۳] بـدین معنـی کـه پـس از هـر دوره عملیـات ارسـال و دریافت، به عبارت دیگر پـس از هـر بـار اجـراي فـاز راه انـدازي، سرخوشهها عوض شده و گره دیگري بطـور تصـادفی بـه عنـوان سرخوشه انتخاب می شود. پس از آنکه در فاز راه اندازي در هـر دوره، سرخوشهها انتخاب شدند، هر سرخوشـه انتخـاب خـود را بعنوان سرخوشه به سایر گرهها اعـلام مـیکنـد و هـر گـره نیـز سرخوشه مناسب براي خود را انتخاب میکند و ایـن امـر را بـه سرخوشه مربوطه اعلام میکند و بدین صـورت خوشـهها شـکل میگیرند.

پروتکل HEED نیز یکی دیگر از پروتکل هاي معروف در زمینه خوشه بندي گره هاي شبکه حسگر بی سیم است، این الگوریتم با LEACH در نحوه انتخاب سرخوشهها متفاوت است. انتخاب

سرخوشهها در HEED بصورت تکراري انجام میشود. یک سرخوشه منتخب تنها به همسایگانش اعلام وضعیت میکند در حالی که در LEACH کل گرههاي شبکه از سرخوشه شدن یک گره مطلع میشوند .[۶]

استفاده از الگوریتمهاي متمرکز در کاربردهاي شبکههاي حسگر بیسیم کمک میکند تا بتوان الگوریتمهاي هوشمند یا غیر هوشمند بهینه را در شبکه استفاده کرد و پارامترهاي آنها را بطور تطبیقی در حین اجرا، تغییر داد. در این بخش فرض بر اینست که کلیه عملیات تشکیل و مدیریت خوشهها در ایستگاه اصلی انجام میگیرد. ایستگاه اصلی به عنوان یک مرکز پردازنده قدرتمند و با انرژي نامحدود، قادر است پس از دریافت اطلاعات انرژي و همچنین موقعیت گرههاي شبکه، آنها را در خوشههاي متوازن از نظر مصرف انرژي کل، دستهبندي کند. هدف اینست که ساختار بوجود آمده از گرهها و تعدادي سرخوشه، طوري در سطح شبکه توزیع شده باشند که مصرف انرژي کل شبکه مینیمم شود ۴]، ۱۰،۷،.[۵