Provide a method to reduce energy consumption in wireless ...

ــد ــلنامه م ــ تیریدوفص ــو را یمهندس ــرم انشی ــماره /ن ــنجم، ش ــال پ ــا2س ــتان زیی، پ 1398و زمس(DOI): 10.22091/jemsc.2020.5649.1137 273 - 295 فحاتص

Provide a method to reduce energy consumption in wireless sensor networks using DBSCAN clustering

algorithm1

Reza Molae Fard 2

Abstract In this research, we evaluate energy efficient clustering methods in wireless sensor networks. The

results of this study indicate that clustering by DBSCAN has a higher efficiency score than other clustering methods. The DBSCAN scored 99%, but the K-Means algorithm scored 76%. Also, the energy remaining in the network after the simulation is completed in routing with the new protocol is about 11% more than routing with EEHC and about 9% more than routing with LCA protocol .If we consider the lifespan of the network when the first node in the network is turned off, in the new protocol, the first node shuts down 6 seconds later than the EEHC protocol and 12 seconds later than the LCA protocol. This means that on average, about 10% of network life has been increased with the new protocol. The I-LEACH protocol improves energy efficiency and longevity by working more in the same structures than the conventional LEACH protocol.

Key words: Wireless sensor network, clustering, energy reduction, I-LEACH algorithm.

1 Copyright ©the authors 2 Master of Computer-Software, Dezful Branch, Islamic Azad University, Dezful, Iran. [email protected]

ــد ــلنامه م ــ تیریدوفص ــو را یمهندس ــرم انشی ــماره /ن ــنجم، ش ــال پ ــا2س ــتان زیی، پ 1398و زمس(DOI): 10.22091/jemsc.2020.5649.1137 273 - 295 فحاتص

هاي منظور کاهش مصرف انرژي در شبکه ارائه روشی بهبندي تم خوشهسیم با استفاده از الگوری حسگر بی

∗DBSCAN 1فرد ییرضا موال

چکیدهپردازیم. نتـایج سیم می هاي حسگر بی بندي انرژي کارآمد در شبکه هاي خوشه در این تحقیق، به ارزیابی روش

، امتیـاز کـارایی بـاالتري نسـبت بـه سـایر DBSCANبندي توسط حاصل از این پژوهش حاکی از آن است که خوشه-Kرا به دست آورد اما الگوریتم ٪99امتیاز کارایی DBSCANکه طوري آورد. به دست میبه بندي هاي خوشه روش

Means سازي در مسـیریابی را به دست آورد. همچنین انرژي باقیمانده در شبکه پس از اتمام شبیه ٪76، امتیاز کاراییاسـت. اگـر LCAابی بـا پروتکـل بیشتر از مسـیری ٪9و حدود EEHCبیشتر از مسیریابی ٪11با پروتکل جدید حدود

ثانیـه 6طول عمر شبکه را در زمان خاموش شدن اولین گره در شبکه در نظـر بگیـریم در پروتکـل جدیـد اولـین گـره طـور میـانگین شود. این بدین معناست کـه بـه خاموش می LCAثانیه دیرتر از پروتکل 12و EEHCدیرتر از پروتکل

رانـدمان انـرژي و طـول عمـر را I-LEACHیافته است. پروتکل کل جدید افزایشطول عمر شبکه با پروت ٪10حدود

.بخشد بهبود می LEACHباکار بیشتر در همان ساختارها در مقایسه با پروتکل معمولی

ي د سیم، کاهش انرژي بندي، شبکه حسگر بی خوشه، I-LEACHپروتکل :کلمات کلی

05/05/1399؛ تاریخ پذیرش: 26/03/1399تاریخ دریافت: ∗ [email protected] .رانیدزفول، ا ،ینرم افزار، واحد دزفول، دانشگاه آزاد اسالم -وتریارشد کامپ یکارشناس 1

نرم انشیو را یمهندس تیریدوفصلنامه مد /// 276

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

مقدمهسیم مجتمع و همچنین توسعه ارتباطات بی هاي روزافزون در ساخت مدارات پیشرفت

را سـیم شبکه حسگر بـی باعث توسعه ریزحسگرهایی گردیده است که شاکله اصلی یک صـورت هایی است کـه بـه متشکل از گره حسگر شبکهدیگر یک عبارت کنند. به ایجاد می

د. دهنـ شده و با همکاري یکدیگر یک وظیفه مشترك را انجام مـی متراکم در محیط پخشهاي مختلف نظامی، بهداشت و درمان، نظارت بر سیم در حوزه هاي حسگر بی امروزه شبکه

ــنعتی و ــدهاي ص ــر فراین ــارت ب ــتگاه، نظ ــژه …زیس ــاي وی ــب کاربرده ــد. ترکی اي دارنهـاي انـرژي ها، ضـرورت طراحـی ها در این قبیل از شبکه نحوه استقرار گرهها و محدودیت

طـور مثـال، در الیـه کنـد. بـه را براي این حوزه دوچنـدان مـی هاي شبکه آگاه در تمام الیهبـه پـارامتر محـدودیت انـرژي مصـرفی شبکه بایستی زمان طراحی الگوریتم هاي مسیریابی

را بـه شده افزایش طول عمـر شـبکه و کـاهش مصـرف انـرژي توجه شود تا الگوریتم ارائهسـازي، هاي حسگر نظیر منابع ذخیره هاي فراوان در شبکه دنبال داشته باشد؛ بنابراین، چالش

تـر منـابع انـرژي، در دهـه اخیـر هاي محاسباتی، پهناي باند ارتباطـات و از همـه مهـم قابلیتمنظـور هـاي مناسـب بـه یکی از فن .اي را در این حوزه پدید آورده است تحقیقات گسترده

هسـت. در راتبـی سیم استفاده از مسـیریابی سلسـله م هاي حسگر بی افزایش طول عمر شبکهگیرند و براي هر خوشـه قرار می هاي مجزا به نام خوشه ها در گروه این نوع مسیریابی، گره

هایشان را به سمت سرخوشه ارسـال هاي عضو داده شود. گره انتخاب می نیز یک سرخوشه تک گامی صورت ها را به ها، آن کنند، سرخوشه ها با دریافت و انجام تجمیع بروي داده می

کننـد. شـود ارسـال مـی یا چند گامی به سـمت ایسـتگاه پایـه کـه بـه آن چاهـک گفتـه مـی عنوان یک عامل مؤثر در کاهش انـرژي مصـرفی و تواند به هاي حسگر می بندي گره خوشه

پـذیري به دنبال آن افزایش طول عمـر شـبکه حسـگر و همچنـین افـزایش قابلیـت گسـترش دي، گره سرخوشـه بـار اضـافی زیـادي را بـه علـت بن هاي خوشه مطرح گردد. در الگوریتم

شـود؛ متحمـل مـی …ها، نظیر تجمیع داده، ارسال داده به سمت چاهـک و برخی از فعالیتها در معرض مرگ زودرس بـه علـت انـرژي هاي سرخوشه نسبت به سایر گره بنابراین گره

صــلی در هــاي ا رو انتخــاب سرخوشــه مناســب یکــی از چــالش بــاال هســتند. ازایــنمصــرفی

از استفاده با میس یب حسگر يها شبکه در يانرژ مصرف کاهش منظور به یروش ارائه

/// 277

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

آیـد و درواقـع ایـن پـارامتر یکـی از عوامـل مهـم در مـی به شمار بندي شبکه حسگر خوشههـاي اخیـر در سـال .افزایش داده دریـافتی در چاهـک و کـاهش طـول عمـر شـبکه هسـت

انـد. شـده سـگر مطـرح حمنظور افزایش طول عمر شبکه بندي متعددي به هاي خوشه پروتکلبنـدي اسـت کـه از روش سـاخت خوشـه هاي خوشـه یتمیکی از الگور LEACHپروتکل

انتخاب سرخوشه بر اساس یـک LEACHلگوریتم گیرد. در ا شده بهره می صورت توزیع بهها نیز بر اساس کمترین فاصله به انتخاب سرخوشـه شود. سایر گره مدل احتماالتی انجام می

ها در محـیط را رخوشهسانرژي تضمین توزیع یکنواخت LEACH کنند. پروتکل اقدام میدهد، همچنین در بعضی از مراحل به علـت اسـتفاده از مـدل احتمـاالتی بـراي انتخـاب نمی

اي به عنوان سرخوشه انتخاب شود که شایستگی سرخوشه شدن سرخوشه، ممکن است گرههـا بندي گره جهت خوشه DBSCANبندي در این تحقیق از الگوریتم خوشهرا دارا نیست.

صـورت هـاي موردنیـاز نقـاطی بـه شده است. در ایـن الگـوریتم ابتـدا تعـداد خوشـه فادهاستها با توجه به کمترین فاصله تا مرکـز خوشـه، یکـی از سپس گره شوند، تصادفی انتخاب می

هاي جدید را ایجـاد شوند و خوشه ها را انتخاب کرده و به آن خوشه ملحق می مراکز خوشههـا تـا مرکـز خوشـه فعلـی، روال و با میانگین گرفتن از فاصله گـره با تکرار همین .کنند می

پـس بـا اسـتفاده از الگـوریتم بهبودیافتـه ها به دست خواهد آمـد. مراکز جدید براي خوشهLEACH یعنیI-LEACH، شـوند کـه انـرژي کمتـري مصـرف هایی انتخاب می سرخوشه

شبکه کمک زیادي خواهند کرد.کنند و به بهبود استفاده بهینه مصرف انرژي در می

پیشینه پژوهش، از یک روش مبتنی بر منطـق فـازي بـراي 2015یاداو و کومار در مقاله خود در سال

سیم استفاده کردنـد. خوشـه بنـدي در روش هاي حسگر بی کاهش مصرف انرژي در شبکهدوره صورت می گیـرد. در هـر Leachپیشنهادي این دو محقق مانند خوشه بندي به روش

، آنگـاه گـره Poptکنند که اگـر از ها یک عدد تصادفی بین صفرتا یک تولید می تمام گرهشانس خود را با استفاده از قوانین فازي محاسبه کرده و یک پیام کاندیـد همـراه بـا شـانس


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

کند. این پیام بـدین معنـی اسـت کـه گـره حسـگر کاندیـد سرخوشـه شـدن خود تولید می ).2015است (ساریوتون و یاداو، متناسب با مقدار شانس

براي افزایش طول عمر شبکه از 2020التانزي و همکاران خود در مقاله خود در سال IEEEE 802.15.4سیم با اسـتاندارد هاي حسگر بی وري انرژي شبکه قابلیت اطمینان و بهره

هـا در مقالـه نهـا پیشـنهاد کردنـد. آ عنوان تابعی از طول بسـته شده را به تحت تداخل کنترلهاي گسترده بر روي طیف وسیعی از خود به این نتیجه رسیدند که نتایج حاصل از آزمایش

هاي دسترسی ناهنگام و توان پـایین بـه رسـانه، بـه مصـالحه بـین مصـرف انـرژي و پروتکلآورد ایـی از ایـن پروتکـل هـا مـی مقاومت در برابـر تـداخل اشـاره دارد و دیـدگاه مقایسـه

).2020زي و کاپالچی و فرچی، (التزانبـه بررسـی الگـوریتم ژنتیـک بـراي 2018وانگ و همکاران در مقالـه خـود درسـال

سیم پرداختند. هاي حسگر بی صرفه ازلحاظ انرژي در شبکه به بندي و مسیریابی مقرون خوشهبـر بندي و مسیریابی ازلحاظ انرژي مبتنـی این محققان در مقاله خود از یک رویکرد خوشه

آمـده در دور شـبکه دسـت حـل بهینـه بـه استفاده کردند. راه GECRالگوریتم ژنتیک به نام ترتیـب کـارایی جسـتجو را ایـن قبلی را به جمعیت اولیه براي دور کنونی اضـافه کردنـد. بـه

منظـور بندي و مسیریابی در یک کرومزوم تک به عالوه بر آن، طرح خوشه بهبود بخشیدند.ف انرژي را ترکیب کردند و تـابع تناسـب را مسـتقیماً بـر اسـاس مصـرف محاسبه کل مصر

وري و طول عمر شبکه شدند. نتایج انرژي کلی ارائه دادند، بدین ترتیب باعث افزایش بهره، بهترین تعادل بار را با کمتـرین GECRحاصل از تحقیق این محققان حاکی از این بود که

ریوي مختلـف حاصـل نمـود (وانـگ و ژانـگ و واریانس در بارها و سرخوشـه تحـت سـنا ).2018یانگ،

جهت کاهش مصـرف انـرژي 2017راجپوت، شارما و خطیري در مقاله خود درسال را ارزیـابی کردنـد. الگـوریتم LEACHهاي مبتی بـر هاي حسگر، انواع الگوریتم در شبکه

م یـک روش شده است. ایـن الگـوریت بندي کارا طراحی براي خوشه LEACHخوشه بندي دهد. این الگوریتم دو فاز ها به چاهک ارائه می باهدف مصرف انرژي کارا براي ارسال بسته

رسـد شود و در فاز دوم که سیسـتم بـه پایـداري مـی دارد. در فاز اول سرخوشه مشخص می


/// 279

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

هاي حس شده در محیط بـا روشـی کـارا ازلحـاظ مصـرف انـرژي بـه چاهـک ارسـال داده ).2017ارما و خطیري، شوند (راجپوت و ش می

سـازي منظـور بهینـه ، بـه ارائـه روشـی بـه 2018جی و همکاران در مقاله خود در سال ــد. TEENپروتکــل مســیریابی در شــبکه ــه پرداختن ــه ب ــن مقال ــان در ای ــن محقق منظــور ای

پایدارسازي بیشتر مسیریابی و طیف، شبکه پیشرفته حسگر بهینه ازنظر انـرژي و حسـاس بـه هسـت. TEENسـازي شـده پروتکـل را ارائه کردنـد کـه نسـخه بهینـه )A_TEEN( آستانه

ــزایش A_TEENپروتکــل ــرژي را اف ــدمان ان روش انتخــاب سرخوشــه را در مقایســه باران A_TEENدهد. پروتکـل سیم شناختی را گسترش می دهد و طول عمر شبکه حسگر بی می

رها در مقایسه با پروتکل معمـولی راندمان انرژي و طول عمر را با کار بیشتر در همان ساختاTEEN 2018بخشد (جی و وانگ و ما، بهبود می.(

بنـدي بـراي منظـور خوشـه بـه ارائـه روشـی بـه 2017مان و سینگ در مقالـه خـود در سـل ایـن سیم با کـارایی انـرژي مبتنـی بـر روش فـرا ابتکـاري پیشـرفته پرداختنـد. هاي حسگر بی شبکه

استیودنت -برداري جمعیتی پیشرفته از طریق توزیع تی ک تکنیک نمونهمحققان در مقاله خود از یوري ارائه دادند که فقط به محاسبه و ذخیره یک پارامتر کنترلـی نیـاز دارد و بـه همـین دلیـل بهـره

وري بنـدي بـا بهـره همچنین یـک پروتکـل خوشـه دهد. روش فراتکاملی پیشنهادي را افزایش میهاي فراتکاملی ذکرشده براي معرفی کردند که از قابلیت IABCاملی انرژي بر اساس روش فراتک

کند. نتایح حاصـل از ایـن استفاده می WSNوري انرژي در پیدا کردن سرخوشه بهینه و بهبود بهرههـا، تـوان بنـدي پیشـنهادي ازنظـر تحویـل بسـته تحقیق حاکی از آن بوده است که پروتکل خوشه

شـود عنوان معیار کارایی در نظر گرفته می عمر شبکه و تأخیر که بهعملیاتی، مصرف انرژي، طول ).2017(مان و سینگ، کند بهتر عمل می

بـه ارائـه یـک رویکـرد افزایشـی 2018الشرکاوي و همکاران در مقاله خود در سـال سیم پرداختند. این محققان، این کـار را هاي حسگر بی براي کاهش مصرف انرژي در شبکه

هاي حسگر انجام دادنـد کـه ایـن کـار ها در میان تمام گره تعادل انرژي در خوشهبا تقویت یافتـه بـر اسـاس روش موجب کاهش انرژي در طول ارتباطات شبکه شد. این روش توسـعه

سـازي پیاده TDMAسازي شده بندي بهینه انتخاب سرخوشه است. عالوه بر این، یک زمان


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

دهنده پیشرفت طول عمر شبکه، تعداد سرخوشه، شانشده است. درنهایت، رویکرد توسعه ن نسبت به سایر پروتکل هاي مرتبط اسـت BSیافته به هاي انتقال مصرف انرژي و تعداد بسته

).2018(الشرکاوي و الشریف و واحد،

شبکه حسگرباشد که در هرگـره ایی متشکل از تعداد زیادي گره کوچک می شبکه حسگر، شبکه

انداز وجود دارد. شبکه هاي حسگر به شدت بـا محـیط فیزیکـی تعامـل تعدادي حسگر کاردارد. از طریق حسـگرها اطالعـات محـیط را گرفتـه و از طریـق کارانـدازها واکـنش نشـان

طـور مسـتقل و بـدون دخالـت سیم است. هرگره بـه صورت بی ها به دهد. ارتباط بین گره می چک است.کند که از لحاظ فیزیکی بسیار کو انسان کار می

سیم هاي حسگر بی کاربرد شبکه نظامی (براي مثال ردگیري اشیاء) − بهداشت (براي مثال کنترل عالئم حیاتی) −

هاي طبیعی) محیط (براي مثال آنالیز زیستگاه −

یابی خط تولید) صنعتی (براي مثال عیب −

سرگرمی (براي مثال بازي مجازي) −

اشین).زندگی دیجیتالی (براي مثال ردگیري مکان پارك م −

بندي روش مبتنی بر خوشههـاي منظور مسـیریابی و کـاهش انـرژي مصـرفی در شـبکه ها به یکی از بهترین روش

هاي داخل شبکه باشد. در این روش ابتدا همه گره بندي می سیم، استفاده از خوشه حسگر بیشـوند کـه در هـر دسـته کـه اغلـب آن را هایی تفکیک مـی بر اساس روش خاصی به دسته

هـاي هـا، گـره شود و بقیه گـره عنوان سرگروه دسته انتخاب می نامند، یک گره به وشه میخشوند. روش انتخاب سرگروه در هر روش، معیارهاي متفاوتی مـدنظر قـرار عادي نامیده می


/// 281

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

هاي مبتنی بر خوشه، هدف اصلی آن است که توزیع مصرف انـرژي دهد. در اکثر روش میبنـدي کـردن هایی که بر اساس دسـته ردد. در حقیقت در روشها یکنواخت گ بین همه گره

هـایی کـه کنند و بنا به نقـش هاي مختلفی ایفا می هاي حسگر نقش کنند، گره ها کار می گرههـا جـزء گیرند. ممکن است مصرف انرژي متفاوتی نیز داشته باشند. ایـن دسـته از روش می

که هسـتند و هـم اکنـون نیـز بـا الهـام گـرفتن از آنهـا هاي مسیریابی در شب بهترین الگوریتمچرخـه عملیـاتی شـود. هـاي جدیـدي بـراي افـزایش طـول عمـر شـبکه پیشـنهاد مـی روش نشان داده شده است. )1بندي در شکل ( خوشه

: چرخه عملیاتی خوشه بندي1شکل

بندي هاي خوشه بندي پروتکل طبقههـاي خوشـه بندي کردن الگـوریتم سپس دستههاي مختلفی جهت متمایز کردن و راه

صورت زیر هستند: بندي رایج به وجود دارند. دو دسته 𝑚𝑚𝑆𝑆𝑁𝑁 بنديبنـدي در هـاي خوشـه هـاي همگـن و الگـوریتم بندي در شبکه هاي خوشه الگوریتم −

هاي ناهمگن. شبکه شده. بندي توزیع هاي خوشه بندي متمرکزشده و الگوریتم هاي خوشه الگوریتم −

همگن Ad-Hocهاي شبکهافزار و قابلیت پردازشی ها، مشخصات و سخت هاي حسگر همگن، همه گره در شبکه


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

ترین مورد در کاربردهاي امروزي هستند، هـر گـره ها که رایج یکسانی دارند. در این شبکهصـورت توانـد بـه هـا، نقـش سرخوشـه، مـی تواند سرخوشه باشـد. بعـالوه در ایـن شـبکه می

ها تعـویض تر انرژي، میان گره ر جهت ایجاد توازن بار بهتر و مصرف یکپارچهایی و د دوره ).2018شود (رستمی و بادکوبه و مهنا،

ناهمگن Ad-Hocهاي شبکهافـزاري متفـاوت هسـتند و هـر ها از لحاظ پیکربندي سـخت ها، گره در این نوع شبکه

Ad-Hocهــاي شــبکه هــاي متفــاوتی دارد. در ایــن نــوع گــره مشخصــات، منــابع و سیاســت ).2013هاي مشابهی ارائه دهند (ردي و پرکاش، توانند سرویس ها نمی ناهمگن هم گره

بندي متمرکز الگوریتم خوشههاي مسـیریابی داینامیـک تعلیـق دارنـد. در هاي مسیریابی متمرکز به پروتکل پروتکل

ه پـردازش مرکـزي کند یک دستگا یک شبکه که از پروتکل مسیریابی متمرکز استفاده میاجراشده روي یک نود مرکزي اطالعات موجود در هر لینک موجود در این شبکه را جمع

آوري شـده بـراي محاسـبه کند. سپس این دسـتگاه پـردازش، از اطالعـات جمـع آوري میکنـد. ایـن نـوع از پروتکـل مسـیریابی بـراي ایـن جداول مسیریابی سایر نودها اسـتفاده مـی

کنـد. بـه عبـارت ایگاه داده متمرکز موجود در نود مرکزي اسـتفاده مـی محاسبات از یک پشـود کـه از آن در مـواقعی کـه دیگر، جدول مسیریابی در یک نود مرکزي نگهـداري مـی

شود (شن و شهیدپور و سایر نودها نیاز به تصمیم گیري در مورد مسیریابی دارند استفاده می ).2017هان و ژو و ژنگ،

شده بندي توزیع الگوریتم خوشههاي مسیریابی داینامیک تعلق شده نیز به خانواده پروتکل هاي مسیریابی توزیع پروتکل

شده هر دستگاه موجود در شـبکه مسـئول اتخـاذ دارند. تحت یک پروتکل مسیریابی توزیعهـاي جداسـازي شـده و شده به نام هاي مسیریابی است. دو نوع پروتکل توزیع گیري تصمیم

ي نشده وجود دارد؛ بنابراین با توجـه بـه ایـن زیرمجموعـه، دو کـالس از پروتکـل جداسازشود که شامل پروتکل بردار فاصله و پروتکل وجود دارد که امروزه بیشتر از آن استفاده می


/// 283

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

وضعیت لینک است. پروتکل بردار فاصله اطالعات اشتراکی نودها از قبیل مقصـد و هزینـه کنـد. پروتکـل وضـعیت لینـک، اطالعـات ورت نیاز فراهم مـی را در فواصل منظم یا در ص

کند تا این امکان براي هر نود فراهم شود تا یـک وضعیت لینک را در طول شبکه منتشر می ).2015نقشه راه ترسیم کند (زنجیره و الریجانی،

هاي کاهش مصرف انرژي روشا شـارژ مجـدد هاي کوچک دارنـد کـه تعـویض یـ به دلیل آنکه اکثر حسگرها باتري

وري انـرژي سیم بهـره هاي حسگر بی ها غیرممکن است، یکی از خصوصیات مهم شبکه آن-Energyهـاي ارتبـاطی اختصاصـی کـه در حالـت است. در چنـین شـرایطی توسـعه روش

Sparing تـر شـدن عمـر آوري داده را به کار گیرد و در نتیجه باعـث طـوالنی حسگر جمعسـازي انـرژي، یی برخوردار است. بـا تکنولـوژي فعلـی ذخیـره ا شبکه شود، از اهمیت ویژه

حداکثر کردن طول عمر یک شبکه حسگر توسط عملکردهاي حسگر زمانبندي شـده، راه باشد. سیم می هاي حسگر بی مؤثري جهت تولید انرژي کارآمد در شبکه

LEACHالگوریتم سـیم اسـت کـه هـاي حسـگر بـی لیچ یک پروتکل مسیریابی مبتنی بر خوشه در شبکه

توسط هاینزلمن و همکارانش معرفی شد. هدف از این پروتکل کم 2000اولین بار در سال در لـیچ، .باشد سیم می منظور بهبود طول عمر شبکه حسگر بی کردن انرژي مصرفی نودها به

هـاي هـا داده شان ارسال کرده و سپس سرخوشه نودها اطالعات خود را به سرخوشه مربوطهآوري و فشــرده کــرده و در قالــب یــک بســته بــه ســمت ایســتگاه اصــلی را جمــعدریــافتی

فرستند. هر نود از یک الگوریتم تصادفی براي تعیین اینکه آیـا در چرخـه جـاري نقـش میکند که هر نود توان رادیـویی الزم کند. لیچ فرض می سرخوشه را بگیرد یا خیر استفاده می

ترین سرخوشه را دارد بنابراین نودهایی که سرخوشـه کبراي ارسال به پایگاه اصلی یا نزدیتوانند دوباره نقش سرخوشه را بگیرند؛ بنابراین در هـر چرخـه هـر چرخه نمی p شوند تا می

امکان دارد سرخوشه شود. در پایان هر چرخه، نودهـایی کـه سرخوشـه 𝑃𝑃/1نود با احتمال پیونـدد. به خوشه مربوط به آن مـی ترین سرخوشه به خود را انتخاب کرده و نیستند نزدیک


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

بنـدي جهـت مشـخص اش یـک جـدول زمـان سپس هر سرخوشه براي هر نود عضو خوشه کند. کردن زمان ارسال داده، ایجاد می

LEACH ،شده به ایستگاه ي فشرده هاي هر خوشه و ارسال داده از روش ترکیب دادهیابـد و ها در شبکه کـاهش مـی سال و دریافتکند. بدین ترتیب هم تعداد ار پایه استفاده می

شوند، هاي اضافی که به علت نزدیکی سنسورهاي یک خوشه به یکدیگر ایجاد می هم دادهثابـت نیسـت و LEACH هـا در گردند. نوع ترکیـب داده حذف میsink پیش از ارسال به

تـوازن در مصـرف سیم دارد. هدف ایـن پروتکـل ایجـاد بستگی به کاربرد شبکه سنسور بیها را تعادل انرژي بین گره MTEو DT هاي کالسیک مانند ها است. گزینه انرژي در گره

کننـد، انـرژي ارسـال مـی sink هـا مسـتقیماً داده را بـه چون گـره DT کنند. در تضمین نمی داده ازMTE میرنــد. در شــود و درنتیجــه زودتــر مــی هــاي دورتــر، زودتــر تخلیــه مــی گــره

شود. در جایی که معیـار هزینـه مصـرف تـوان اسـت، چـون ترین مسیر هدایت می هزینه کمدهند، درنتیجه هاي دورتر را نیز انجام می هاي گره عمل انتقال دادهsink هاي نزدیک به گره

زمان زیادي از عمر شبکه قابل نظـارت میرند. پس بخش زیادي از محیط در مدت زودتر میاسـت کـه مصـرف انـرژي را بـا LEACH حـل اسـتفاده از پروتکـل ود. یـک راه نخواهد بـ

کنـد، بـدین ترتیـب کـه سنسـورها بـه هـا توزیـع مـی بنـدي و انتخـاب پویـاي خوشـه خوشهشوند که هر ناحیه داراي یـک سرخوشـه اسـت و پـس از اتفـاق یـک هایی تقسیم می ناحیه

کنند و سرخوشه ایـن سرخوشه ارسال می رویداد سنسورهاي هر ناحیه، اطالعات خود را به .)2رساند (شکل میsink اطالعات را مستقیم به

SINK: ارسال اطالعات از سرخوشه به 2شکل


/// 285

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

:باشد به شرح زیر می LEACH هاي پروتکل مسیریابی مزیت .روند طور تصادفی از بین می ها با نرخ ثابت و به گره −− LEACH کند. ه پروتکل قبلی بیشتر میرا نسبت ب طول عمر شبکه − LEACH شده و نیازي به اطالعات سیستم ندارد طور کامل پخش به. − LEACH هــاي پــذیري زیــادي نســبت بــه پروتکــل مقیــاسSPIN ،SAR ،GIF ،

SPEED دارد. هـاي پروتکـل به خاطر مدیریت بهتـر از بعضـی LEACH تاخیر پروتکل مسیریابی −

.کمتر هست PEGASISو Directed Diffusionپروتکل مسیریابیمانند مسیریابی

بندي هاي خوشه ارزیابی سایر روشLCA۱ : این الگوریتم روي یک توپولوژي شبکه کارآمد براي پشـتیبانی از حرکـت

توســط بنــدي ایــن روش امیــدوار اســت تــا هــا تمرکــز دارد. بــر اســاس طــرح خوشــه گــرههـایی کـه عضـو هاي انتخاب شده یک ستون فقـرات ایجـاد شـود کـه سـایر گـره سرخوشه

در ایـن روش بـه حتی در حـال حرکـت اسـتفاده کننـد. ها هستند از آن براي اتصال، خوشهخـود هماهنـگ IDگیرد و نیز هر گره به یک برش در فریم که با تعلق می IDهرگره یک

).2011ن و تیواري، است نسبت داده شود (کومار جیاHEED در :HEED شـود و مسـتقیماً بـا هر گـره دقیقـا بـه یـک خوشـه نگاشـت مـی

دهـد و پارامترهـاي طـول عمـر شـبکه را افـزایش مـی HEED سرخوشـه در ارتبـاط اسـت. HEED هاي کـاربردي، آسانی تنظیم شوند تا بر مبناي چگالی شبکه و نیازمندي توانند به می

براي HEEDکنند. همچنین اگر شرایط الزم براي ارتباط برقرار باشد مصرف منابع را بهینه ).2019هاي چند پرشی مناسب است (گوپتا و شارما شبکه

EEHC2شده احتماالتی است کـه هـدفش افـزایش طـول عمـر : یک الگوریتم توزیعشــده توســط حســگرهایی کــه عضــو آوري هــا اطالعــات جمــع سرخوشــه .باشــد شــبکه مــی

).2017کنند (سینگ و ورما، تند را پس از تجمیع به ایستگاه پایه ارسال میشان هس خوشه

1 Linked Cluster Algorithm 2 Energy Efficient Hierarchical Clustering


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

نظرهــاي تــوان ازنقطــه انـد را مــی شــده بنــدي کـه تــاکنون ارائــه هــاي خوشــه الگـوریتم ) 1هـا در جـدول ( یک مقایسه کلی براي این الگوریتم بندي و مقایسه کرد. گوناگونی دسته

شده است: ارائه

بندي مختلف هاي خوشه وریتم: مقایسه الگ1جدول روش

بندي خوشه

توازن

خوشه

توپولوژي

خوشه

قابلیت

تحرك

انتخاب

سرخوشه

تعداد

خوشه ها

پپیچیدگی

زمانی

الگوریتم خوشه

بندي

LEACH ثابت متغییر تصادفی محدود تک پرشی بله توزیع شده

HEED ثابت متغییر تصادفی محدود تک پرشی بله توزیع شده

TEEN متغییر متغییر تصادفی محدود چند پرشی خیر توزیع شده

EEHC متغییر متغییر تصادفی ندارد تک پرشی خیر توزیع شده

بله توزیع شدهتک/چند

پرشی LCA متغییر متغییر تصادفی دارد

مراتبی آورده شده است: هاي سلسله ، مقایسه بین چند نمونه از پروتکل2در جدول

)2011سیم (ژو وگوا، هاي حسگر بی وتکل شبکه: مقایسه چند پر2جدول

TTDD APTEEN TEEN Layered PEGASIS PEGASIS LEACH Feature

Hierarchical Hierarchical Hierarchical Hierarchical Hierarchical Hierarchical Classification Yes Yes Yes Yes Yes Yes Proactive

Good Good Good Very Good Very Good Very Good Energy Conservation

Good Good Good Very Good Very Good Good Network Life Time Yes Yes Yes Yes Yes no Data-Based No Yes Yes Yes Yes yes Data Aggregation Yes no no No no no Location-Based Yes no no No no no QoS Supported No no no No no no no No no no No no no no

Good Better Better Better Better Better Robustness Common Good Good Good Good Good Scalability

No no no No no no Security

هاي پژوهش یافتهــه ــه روش جدیــدي ب ــه ارائ ــرژي در در روش پیشــنهادي ب منظــور کــاهش مصــرف ان

باشـد کـه ابتـدا صورت می شود. روش پیشنهادي بدین پرداخته میسیم هاي حسگر بی شبکه


/// 287

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

گیـري میزان مصرف انرژي استفاده شـده در هرگـره حسـگر و طـول عمـر شـبکه را انـدازه ها را بـا اسـتفاده از الگـوریتم کنیم، پس از مشخص شدن میزان انرژي هر گره، ابتدا گره می

کنیم. سپس بـا اسـتفاده از الگـوریتم هاي مجزا تقسیم می ، به خوشهDBSCANبندي خوشهLEACH کنـیم. بـراي کـاهش مصـرف ها یک سرخوشه انتخاب می براي هر یک ازخوشه

ــا اســتفاده از الگــوریتم ــررژي ب ــه الگــوریتم I-LEACHان LEACHکــه نســخه بهبودیافت-Iکنند شناسـایی و بـار دیگـر توسـط هایی که انرژي زیادي مصرف می باشد، سرخوشه می

LEACH هـاي بهبودیافتـه بـا مصـرف انـرژي کمتـر تبـدیل شـوند و بـه خوشـه انتخاب مـی شوند. می

آوریـم (هینـزلمن و ابتدا الگوي مصرف انرژي را از طریق رابطـه زیـر بـه دسـت مـی ).2022چندرکاسان و بالکریشان،

𝑬𝑬𝒓𝒓 )1رابطه = (𝑬𝑬𝒆𝒆𝒔𝒔𝒆𝒆𝒄𝒄 ∗ 𝒊𝒊) + �𝑬𝑬𝒓𝒓𝒎𝒎𝒑𝒑 ∗ 𝒊𝒊 ∗ 𝒅𝒅𝟐𝟐�,𝑬𝑬𝒓𝒓 = (𝑬𝑬𝒆𝒆𝒔𝒔𝒆𝒆𝒄𝒄 ∗ 𝒊𝒊)

، انـرژي 𝐸𝐸𝑒𝑒𝑡𝑡𝑒𝑒𝑒𝑒، انرژي مصرفی براي گره ارسال کننده اطالعـات اسـت. 𝐸𝐸𝑟𝑟که در آن، 𝐸𝐸𝑡𝑡𝑚𝑚𝑎𝑎باشد که به مسافت بستگی ندارد. الزم براي ارسال و دریافت یک بیت اطالعات می

، طـول پیـام 𝑖𝑖انرژي الزم جهت تقویت سـیگنال ارسـالی در طـول مسـافت مـوردنظر اسـت. باشد. ، مسافت تا گره دریافت کننده اطالعات می𝑑𝑑باشد. می

طول عمر شبکهزمانی است که انرژي اولین گره حسگر به پایان طول عمر شبکه در واقع برابر با مدت

زمانی که اولین گره دچار نقص شده و از سنجش اطالعـات دیگر مدت عبارت رسد یا به مینمایند تـا مقـدار ا با تقسیم بر حداکثر مقدار آن نرمال میزمان ر ماند. عموماً این مدت باز می

] داشـته باشـد. از ایـن رو طـول عمـر شـبکه بـا اسـتفاده از رابطـه زیـر تعریـف 0،1در بازه [ گردد: می

𝐟𝐟𝟐𝟐 = 𝐋𝐋𝐢𝐢𝐟𝐟𝐋𝐋(𝛛𝛛) =𝐌𝐌𝐢𝐢𝐧𝐧{𝐓𝐓𝐟𝐟𝐟𝐟𝐢𝐢𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐋𝐋,𝐢𝐢}𝐢𝐢=𝟏𝟏,…,,𝐤𝐤

𝐓𝐓𝐦𝐦𝐟𝐟𝛛𝛛) 2رابطه

هاي تعداد دوره 𝑀𝑀𝑖𝑖𝑛𝑛{𝑇𝑇𝑓𝑓𝑡𝑡𝑖𝑖𝑡𝑡𝑜𝑜𝑟𝑟𝑒𝑒,𝑖𝑖}𝑖𝑖=1,…,,𝑘𝑘 هاي حسگر، ا گرهتعد kکه در رابطه فوق،


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

حـداکثر تعـداد ممکـن بـراي 𝑇𝑇𝑚𝑚𝑡𝑡𝑥𝑥سنجشی قبل از پایان رسیدن انرژي یک گره حسگر و هاي سنجشی است. دوره

DBSCANبندي الگوریتم خوشهبنـدي کنـیم. ها را خوشه دادهگیري میزان انرژي و طول عمر شبکه، باید پس از اندازه

باشـد. ایـن الگـوریتم یکـی از مـی DBSCANبندي روش مورد استفاده از الگوریتم خوشههاي زیـادي نسـبت بـه سـایر باشد که داراي برتري بندي می هاي خوشه ترین الگوریتم کامل

).2018باشد (اینکو و بوردوگنا بندي می هاي خوشه الگوریتم

لگوریتمنحوه عملکرد االزم است ابتدا برخی از تعـاریف مورداسـتفاده DBSCANمنظور درك الگوریتم به

در این الگوریتم معرفی شوند:

دارد. ایـن دو پـارامتر 𝐸𝐸𝑑𝑑𝑠𝑠 و 𝑀𝑀𝑖𝑖𝑛𝑛𝑑𝑑𝑡𝑡𝑠𝑠پـارامتر 2نیاز به تعیـین 𝐷𝐷𝑑𝑑𝑆𝑆𝐻𝐻𝐴𝐴𝑁𝑁الگوریتم گیرند. براي تعیین حداقل چگالی یک خوشه مورد استفاده قرار می

یـک 𝐸𝐸𝑑𝑑𝑠𝑠 هـاي موجـود در شـعاع یک نقطه: همسـایه 𝐸𝐸𝑑𝑑𝑠𝑠هاي شعاع همسایه :1عریف تاي از نقـاط هسـتند کـه فاصـله شوند مجموعـه نشان داده می 𝑁𝑁𝐸𝐸𝑃𝑃𝑠𝑠(𝑑𝑑)که به 𝑑𝑑 نقطه مثل

باشد یعنی: 𝐸𝐸𝑑𝑑𝑠𝑠کمتر از شعاع p آنها از

𝑵𝑵𝑬𝑬𝑷𝑷𝒔𝒔(𝒑𝒑) = {𝒒𝒒 ∈𝑫𝑫

𝑫𝑫𝒊𝒊𝒔𝒔𝒕𝒕(𝒑𝒑,𝒒𝒒) ≤ 𝑬𝑬𝑷𝑷𝒔𝒔} 3رابطه(

شـیء در همسـایگی 𝑀𝑀𝑖𝑖𝑛𝑛𝑑𝑑𝑡𝑡𝑠𝑠ایـی کـه حـداقل تعـداد شیء مرکزي: بـه شـیء :2تعریف شود. خود را داشته باشد شیء مرکزي گفته می 𝐸𝐸𝑑𝑑𝑠𝑠 شعاع

𝑞𝑞پذیر چگـالی مسـتقیم از نقطـه دسترسی 𝑑𝑑پذیر چگالی مستقیم، نقطه دسترسی :3تعریف یـک شـیء 𝑞𝑞باشـد و ثانیـا شـیء 𝑞𝑞شـیء 𝐸𝐸𝑑𝑑𝑠𝑠 هاي شـعاع جزء همسایه 𝑑𝑑 است اگر اوال مرکزي باشد.

اسـت اگـر یـک qپذیر چگالی از نقطـه دسترسی pپذیر چگالی: نقطه دسترسی :4تعریف ,𝑑𝑑1,𝑑𝑑2,𝑑𝑑3زنجیره از نقاط … ,𝑑𝑑𝑛𝑛 پذیر چگالی مستقیم از دسترسیpi .باشد


/// 289

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

𝑜𝑜قطـه مثـل اسـت اگـر یـک ن 𝑞𝑞متصل چگالی از نقطـه 𝑑𝑑متصل چگالی: نقطه :5تعریف

باشند. 𝑜𝑜پذیر چگالی از دسترسی 𝑞𝑞 و 𝑑𝑑ایی که هردوي وجود داشته باشد به گونهیــک 𝐻𝐻یـک پایگـاه داده از نقــاط باشـد. خوشـه 𝐷𝐷خوشـه: فـرض کنیــد کـه : 6تعریـف

هاي زیر را ارضاء کند: اي که شرط است به گونه 𝐷𝐷زیرمجموعه غیر تهی از

باشد(شـرط 𝐻𝐻از اعضـاي خوشـه 𝑑𝑑، ینی 𝐻𝐻 اگر 𝑞𝑞 و 𝑑𝑑به ازاي همه جفت نقاط .1 حداکثر بودن).

باشد ( اتصال). 𝑞𝑞باید متصل چگالی از 𝑞𝑞 و 𝑑𝑑به ازاي همه جفت نقاط .2,𝐻𝐻1,𝐻𝐻2نویز: فرض کنید که : 7تعریف … ,𝐻𝐻𝑘𝑘 هـاي یافـت شـده از پایگـاه داده خوشهD

وجـود دارنـد ولـی متعلـق بـه هـیچ یـک از Dاي از نقاط کـه در پایگـاه باشند. به مجموعه گویند. نباشند می 𝐻𝐻𝑖𝑖𝑒𝑒/𝑡𝑡𝑜𝑜 𝑘𝑘هاي یافت شده یافت خوشه𝑵𝑵𝒓𝒓𝒊𝒊𝒔𝒔𝒆𝒆 )4رابطه = {𝒑𝒑 ∈ 𝑫𝑫|∀𝒊𝒊:𝒑𝒑 ∈ 𝑪𝑪𝒊𝒊}

شود که شیء مرکزي نباشد اي گفته می اي به شیء اي: شیء حاشیه شیء حاشیه: 8تعریف الی باشد.پذیر، چگ منتها از یک شیء مرکزي دیگر دسترسی

LEACHانتخاب سرخوشه در پروتکل ، Nوسیله گره که بهT(N)در این پروتکل، آستانه انتخاب سرگروه خوشه منتجه یعنی

که آیا آن گره در دوره جاري، یک سـرگروه خوشـه خواهـد بـود یـا نـه بـا براي تعیین این شود: استفاده از معادله زیر تعریف می

𝑻𝑻(𝒏𝒏) )5رابطه =𝒑𝒑

𝟏𝟏 − 𝒑𝒑(𝒓𝒓 𝒎𝒎𝒓𝒓𝒅𝒅�𝟏𝟏𝒑𝒑�)�𝑬𝑬𝒏𝒏,𝒄𝒄𝒄𝒄𝒓𝒓𝒓𝒓𝒆𝒆𝒏𝒏𝒕𝒕

𝑬𝑬𝒏𝒏.𝒎𝒎𝒓𝒓𝒙𝒙+ (

𝒓𝒓𝒏𝒏,𝒔𝒔𝒅𝒅𝒊𝒊𝒗𝒗𝟏𝟏𝒑𝒑

)(𝟏𝟏 −𝑬𝑬𝒏𝒏,𝒄𝒄𝒄𝒄𝒓𝒓𝒓𝒓𝒆𝒆𝒏𝒏𝒕𝒕

𝑬𝑬𝒏𝒏,𝒎𝒎𝒓𝒓𝒙𝒙�

𝐸𝐸𝑖𝑖,𝑒𝑒𝑜𝑜𝑟𝑟𝑟𝑟𝑒𝑒𝑖𝑖𝑜𝑜که در این معادله انـرژي اولیـه حسـگر گـره 𝐸𝐸𝑖𝑖,𝑚𝑚𝑡𝑡𝑥𝑥، انـرژي جـاري و ها، سرگروه خوشه متوالی است که یک گره در آن دوره هاي ، تعداد دوره𝑟𝑟𝑖𝑖,𝑠𝑠است. متغیر

، به مقداري که قبـل از T(N)برسد، آستانه p/1، به مقدار 𝑟𝑟𝑖𝑖,𝑠𝑠که مقدار نبوده است. هنگامیشـود برابـر بـا صـفر قـرار داده وارد شدن انرژي باقیمانده در معادله آستانه داشت، تنظیم می

شود. می


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

شود. مراتبی یک سرخوشه براي هر خوشه انتخاب می سلهدر هر پروتکل مسیریابی سلها دریافت کرده و عملیات پردازشی مختلفـی روي این سرخوشه اطالعات را از سایر گروه

توانند تعـداد ها می دهند (از حمله تجمیع، ترکیب و فیلترینگ). این پردازش ها انجام می آنتوجهی کاهش دهند. در نهایت پیام حاصـل لهاي ارسالی به سمت گیرنده را به نحو قاب پیام

)، 2010بــه ســمت ایســتگاه مرکــزي ارســال خواهــد شــد (لطــف و حســین زاده و الگولیــو، ). جهت توازن بار انرژي شبکه، تفکر بر این مبنا است کـه گـره 2009(گوتمن و لی و پان،

شـی صورت تصادفی و اتفاقی و با روش چرخشـی تولیـد شـود. عملکـرد چرخ سرخوشه به اسـت. Steadyو مرحلـه Set-upشود و هـردور شـامل مرحلـه نامیده می Roundپروتکل،

شـود. بـازه عـدد تولیدشـده صورت تصادفی تولیـد مـی ، سر خوشه بهSet-upحین عملیات شـده اگر عـدد انتخـاب شود. تصادفی بین صفر تا یک است که در هرگره حسگر تولید می

شـود. فرمـول عنـوان سرخوشـه انتخـاب مـی گاه گره بهباشد، آن T(N)تر از آستانه کوچکT(N) شود صورت رابطه زیر محاسبه می به.

𝐓𝐓(𝐌𝐌) = �𝐩𝐩

𝟏𝟏−𝐩𝐩�𝐟𝐟 𝐦𝐦𝐟𝐟𝐦𝐦 �𝟏𝟏𝐩𝐩��

𝟎𝟎 𝐧𝐧 ∈ 𝐆𝐆 6رابطه(

Pها در شبکه ها و جمع تعداد گره : درصد خوشه r شماره جاري :Round

G1ور : مجموعه گره خوشه جزء سرخوشه د/p

I-LEACH انتخاب مجدد سر خوشه توسطبنـدي اولیـه انـرژي زیـادي را هـایی کـه پـس از خوشـه در این بخش تعداد سرخوشه

کـه نسـخه بهبودیافتــه I_LEACHصـورت مجـدد توسـط الگـوریتم کننـد بـه مصـرف مـی کنـیم. هـاي جدیـد اسـتفاده مـی باشـد را جهـت انتخـاب سرخوشـه مـی LEACHالگوریتم

):2017شود (الباز و السید، به صورت رابطه زیر محاسبه می I_LEACHم الگوریت𝒅𝒅𝒊𝒊𝒋𝒋 =∝ (𝒔𝒔𝒊𝒊𝒋𝒋)𝟐𝟐 + 𝜷𝜷(𝑬𝑬𝒊𝒊 + 𝑬𝑬𝒎𝒎,𝒘𝒘𝒉𝒉𝒆𝒆𝒓𝒓𝒆𝒆 = ∆𝑬𝑬𝒓𝒓𝒗𝒗𝒈𝒈,𝜷𝜷 = ∆𝑺𝑺𝒓𝒓𝒗𝒗𝒈𝒈 7رابطه(

I_LEACH سازي بهینـه از یک معادله LEACH توانـد نسـبت بـه باشـد کـه مـی مـی


/// 291

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

ها را افزایش دهد. یا بیشتر را بهبود بخشد. همچنین توان گرهتحویل بسته و تأخیر متوسط و هـاي همسـایه در محـدوده خوشـه ها را از گره در ابتداي هر دور، انرژي باقیمانده سایر گره

کند. این سیستم باعث افزایش طـول عمـر شـبکه و ارتباطـات کامـل از خود را دریافت میگـاهی اوقـات بـا LEACHرخوشـه توسـط آورد. انتخاب گـره س طریق شبکه را فراهم می

هـاي مختلفـی هـاي مختلـف داراي انـرژي CHکـه شود، ازجمله ایـن هایی روبرو می نقصتواننـد هـاي کوچـک مـی هـاي بـزرگ و خوشـه باشند، این در حـالی اسـت کـه خوشـه می LEACHزمان در شبکه باشند که ایـن مشـکالت از طریـق نسـخه بهبودیافتـه صورت هم به

).2018باشند (الباز و السید، قابل برطرف شدن می I_LEACHیعنی

سازي ارزیابی و شبیهو K-Meansو مقایسه آن بـا دو الگـوریتم DBSCANبندي با نتایج حاصل از خوشه

C-Means کنید که حاصل، کارایی قابل محسوس را در شکل زیر مشاهده میDBSCAN باشد. بندي می هاي خوشه نسبت به سایر روش

C-MEANS و K-MEANSو دو الگوریتم DBSCANها توسط بندي گره : مقایسه میزان کارایی خوشه3کل ش

020406080

100120

Category 1 Category 2 Category 3 Category 4

C-MEANS K-MEANS DBSCAN


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

LCA و EEHC: مقایسه طول عمر شبکه با روش پیشنهادي و مقایسه با دو پرتکل 4شکل

LCA و EEHC: مقایسه انرژي مصرفی شبکه با روش پیشنهادي و مقایسه با دو پرتکل 5شکل

هاي ) و مقایسه با سایر پروتکلI-LEACHایسه طول عمر شبکه در روش پیشنهادي (: مق6شکل

LEACH

0

2

4

6

8


EEHC LCA I-LACH

00/5

11/5

22/5

33/5


EEHC LCA I-LEACH

05

101520253035

1 10 20 30 40 50 60 70

LEACH V-LEACH I-LEACH LEACH-VH


/// 293

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

نتیجه گیريایـی هاي کلیدي براي آینده است. بـه گونـه هاي حسگر یکی از فناوري فناوري شبکه

دانست. یک شبکه حسگر، 21ها براي قرن ترین فناوري توان آن را یکی از پراهمیت که میزاي حس کننده، محاسبه کننده و مخابراتی است کـه بـه یـک مـدیر اجـازه ساختاري از اج

ــی ــاهدات را م ــیم مش ــاهده و تنظ ــس مش ــین عک ــد و همچن ــر ده ــان دادن در براب ــل نش العمسـازد. منظـور از مـدیر، تر می افتند را ساده رویدادهایی که در یک ناحیه مشخص اتفاق می

ري و یا صـنعتی باشـد. ناحیـه مـوردنظر نیـز تواند یک هویت اجتماعی، دولتی، تجا نوعاً میتواند جهان فیزیکی، یک سیسـتم بیولـوژیکی و یـا یـک چـارچوب خـاص تکنولـوژي می

عنـوان یـک تکنولـوژي مهـم هـاي حسـگر شـبکه شـده، امـروزه بـه اطالعات باشد. سیسـتم ها، کنترل، نظـارت آوري داده شوند. کاربردهاي نوعی از حسگرها شامل جمع محسوب می

قیمت و هوشمند، همـراه بـا چنـدین هاي مختلف است. تجهیزات ارزان گیري انجام اندازهو اي را تشـکیل سـیم بـا یکـدیگر شـبکه هـاي بـی حسگر بر روي یک برد که از طریق لینـک

هـا و حتـی هاي بسیاري را در مـدیریت و کنتـرل شـهرها، خانـه اند و امکانات و فرصت دادههـاي حسـگر در مسـائل دهند. عالوه بر این شـبکه مان قرار میهاي پیرامون در اختیار محیط

هـا امکانـات نظامی و دفاعی مانند بررسی امکانات دشـمن و نظـارت بـر اعمـال و رفتـار آن سیم گاهی اوقات هاي حسگر بی دهند، ولی استفاده از شبکه فراوانی را در اختیار ما قرار می

هـا تـأثیر توانـد در کـارایی ایـن نـوع شـبکه یاز مشکالتی مانند انرژي مصرفی زیادي که ممنظور کاهش مصـرف برد. در این تحقیق به ارائه روش جدیدي به بسزایی بگذارد، رنج می

کـه I_LEACHبنـدي و الگـوریتم سیم با اسـتفاده از خوشـه هاي حسگر بی انرژي در شبکهتا حد مطلوبی بـه بهبـود تواند شده که می باشد، پرداخته می LEACHاي از نسخه بهبودیافته

ــرژي در شــبکه ــابی روش مصــرف ان ــه ارزی ــق ب ــن تحقی ــردازد. در ای هــاي هــاي حســگر بپصـورت کـه شود. بدین سیم پرداخته می هاي حسگر بی بندي انرژي کارآمد در شبکه خوشه

شـوند سـپس بـا بندي می ، خوشهDBSCAN بندي ها با استفاده از الگوریتم خوشه ابتدا گرههـایی انتخـاب ، سرخوشهI_LEACH، به نام LEACHنسخه بهبودیافته الگوریتم استفاده از


مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

شوند که انرژي کمتري را بـراي انتقـال اطالعـات مصـرف کننـد. نتـایج حاصـل از ایـن می، امتیاز کارایی باالتري نسبت DBSCANبندي توسط پژوهش حاکی از آن است که خوشه

را به دست آورد تا جـایی کـه C-Meansو K-Meansمانند بندي هاي خوشه به سایر روشDBSCAN را بـه دسـت آورد ایـن در حـالی اسـت کـه الگـوریتم ٪99امتیاز کـاراییK-

Means را به دست آورد و همچنین انرژي باقیمانـده در شـبکه پـس از ٪76، امتیاز کاراییو EEHC بیشـتر از مسـیریابی ٪11سازي در مسیریابی با پروتکـل جدیـد حـدود اتمام شبیه

اسـت و اگـر طـول عمـر شـبکه را در زمـان LCAبیشتر از مسیریابی با پروتکـل ٪9حدود ثانیه دیرتر 6خاموش شدن اولین گره در شبکه در نظر بگیریم در پروتکل جدید اولین گره

طـور میـانگین شـود و بـه خاموش می LCAثانیه دیرتر از پروتکل 12و EEHCاز پروتکل یافته است. پروتکل طول عمر شبکه با پروتکل جدید افزایش ٪10دود توان گفت که ح می

I-LEACH راندمان انرژي و طول عمر را بـا کـار بیشـتر در همـان سـاختارها در مقایسـه بـا بخشد. بهبود می LEACHپروتکل معمولی


/// 295

مدمه

صلنادوف

یری ت

دسمهن

ی را

وی

شان

رم

ن

ره شما

م، نج

ل پسا

2 زیی، پا

ان مست

و ز13

98

منابع1. Sarvottam, K. & Yadav, R. K. (2015). Obesity-related inflammation & cardiovascular disease: Efficacy

of a yoga-based lifestyle intervention. The Indian journal of medical research, 139(6), 822. 2. Lattanzi, E., Capellacci, P., & Freschi, V. (2020). Experimental evaluation of the impact of packet

length on wireless sensor networks subject to interference. Computer Networks, 167, 106986. 3. Wang, T., Zhang, G., Yang, X., & Vajdi, A. (2018). Genetic algorithm for energy-efficient clustering

and routing in wireless sensor networks. Journal of Systems and Software, 146, 196-214. 4. Rajput, M., Sharma, S. K., & Khatri, P. (2017, August). Performance analysis of leach based

approaches for large area coverage in wireless sensor network. In 2017 International Conference on Information, Communication, Instrumentation and Control (ICICIC) (pp. 1-5). IEEE.

5. Ge, Y., Wang, S., & Ma, J. (2018). Optimization on TEEN routing protocol in cognitive wireless sensor network. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2018(1), 27.

6. Mann, P. S., & Singh, S. (2017). Energy efficient clustering protocol based on improved metaheuristic in wireless sensor networks. Journal of Network and Computer Applications, 83, 40-52.

7. Elshrkawey, M., Elsherif, S. M., & Wahed, M. E. (2018). An enhancement approach for reducing the energy consumption in wireless sensor networks. Journal of King Saud University-Computer and Information Sciences, 30(2), 259-267.

8. Xu, D., & Gao, J. (2011). Comparison study to hierarchical routing protocols in wireless sensor networks. Procedia Environmental Sciences, 10, 595-600.

9. Heinzelman, W. B., Chandrakasan, A. P., & Balakrishnan, H. (2002). An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks. IEEE Transactions on wireless communications, 1(4), 660-670.

10. Ienco, D., & Bordogna, G. (2018). Fuzzy extensions of the DBScan clustering algorithm. Soft Computing, 22(5), 1719-1730.

11. Lotf, J. J., Hosseinzadeh, M., & Alguliev, R. M. (2010, April). Hierarchical routing in wireless sensor networks: a survey. In 2010 2nd international conference on computer engineering and technology (Vol. 3, pp. V3-650). IEEE.

12. Gautam, N., Lee, W. I., & Pyun, J. Y. (2009, October). Track-sector clustering for energy efficient routing in wireless sensor networks. In 2009 Ninth IEEE international conference on computer and information technology (Vol. 2, pp. 116-121). IEEE.

13. Al-Baz, A., & El-Sayed, A. (2015, October). Energy-aware enhancement of leach protocol in wireless sensor network. In 5th International Conference on Computer Theory and Applications (ICCTA 2015) (Vol. 10).

14. AL-BAZ, A., & EL-SAYED, A. (2017). Cluster head selection enhancement of LEACH protocol in wireless sensor network. Menoufia Journal of Electronic Engineering Research, 26(1), 153-170.

15. Al‐Baz, A., & El‐Sayed, A. (2018). A new algorithm for cluster head selection in LEACH protocol for wireless sensor networks. International journal of communication systems, 31(1), e3407.

16. Kumar, V., Jain, S., & Tiwari, S. (2011). Energy efficient clustering algorithms in wireless sensor networks: A survey. International Journal of Computer Science Issues (IJCSI), 8(5), 259.

17. Gupta, P., & Sharma, A. K. (2019). Clustering-based Optimized HEED protocols for WSNs using bacterial foraging optimization and fuzzy logic system. Soft Computing, 23(2), 507-526.

18. Singh, R., & Verma, A. K. (2017). Energy efficient cross layer based adaptive threshold routing protocol for WSN. AEU-International Journal of Electronics and Communications, 72, 166-173.

19. Rostami, A. S., Badkoobe, M., Mohanna, F., Hosseinabadi, A. A. R., & Sangaiah, A. K. (2018). Survey on clustering in heterogeneous and homogeneous wireless sensor networks. The Journal of Supercomputing, 74(1), 277-323.

20Reddy, M. J., Prakash, P. S., & Reddy, P. C. (2013). Homogeneous and heterogeneous energy schemes for hierarchical cluster based routing protocols in WSN: a survey. In Proceedings of the third international conference on trends in information, telecommunication and computing (pp. 591-595). Springer, New York, NY.

21. Shen, X., Shahidehpour, M., Han, Y., Zhu, S., & Zheng, J. (2016). Expansion planning of active distribution networks with centralized and distributed energy storage systems. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 8(1), 126-134.

22. Zanjireh, M. M., & Larijani, H. (2015, May). A survey on centralised and distributed clustering routing algorithms for WSNs. In 2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring) (pp. 1-6). IEEE.

یجیتالشناسه د 10.22091/jemsc.2020.5649.1137 :(DOI) استناد به این مقاله:بـا اسـتفاده از میسـ یحسـگر بـ يهـا در شـبکه يمنظور کاهش مصرف انـرژ به یارائه روش«). 1398. (فرد، رضا موالیی

.273-295)، 2( 5، مدیریت مهندسی و رایانش نرم». DBSCAN يبند خوشه تمیالگور

Provide a method to reduce energy consumption in wireless ...

Documents

Transcript of Provide a method to reduce energy consumption in wireless ...