توزیع متعادل مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر بیسیم با استفاده از خوشه‌بندی و …

نوع اول بسته یا پیغام ADV است، که گره‌ها برای شناساندن داده جدید به سایرین استفاده می‌کنند. یک گره در شبکه که می‌خواهد داده خود را ارسال دارد ابتدا بسته‌ی ADV را که حاوی فراداده است، را به سایرین می‌فرستد.
نوع دوّم بسته‌ی REQ است، که به معنی اعلام نیاز برای دریافت داده‌ای است که توسط بسته‌ی ADV اعلام‌شده بود. گره‌ها بعد از دریافت ADV اگر داده را نیاز داشته باشد بسته‌ی REQ را به گره ارسال‌کننده‌ی ADV فرستاده و داده‌ی خود را طلب می‌کنند.
نوع سوم بسته‌ی Data است، که منظور داده‌ی اصلی جمع‌آوری شده توسط حس‌گر گره همراه با سرفصل فراداده است. بسته‌ی Data معمولاً بزرگ‌تر از REQ و ADVاست. برطرف کردن عیب انتقال داده‌ی تکراری در شبکه توسط مفهوم مذاکره، مصرف بی‌رویه‌ی انرژی را کاهش می‌دهد.
شکل ۲-۲ مراحل کار پروتکل SPIN را نشان می‌دهد.
شکل ‏۲‑۲: نحوه عملکرد پروتکل SPIN ]17[
پروتکل SPIN با ارائه راه‌کار جدید فرصت مطالعات بیشتری را ایجاد کرد که سبب ایجاد پروتکل‌های متعددی شد، در ادامه به برخی از این پروتکل‌ها اشاره می‌نماییم]۱۷، ۱۸[.
SPIN-BC: این پروتکل برای کانال‌های پخش فراگیر طراحی شد.
SPIN-PP: این پروتکل برای ارتباطات نقطه‌به‌نقطه طراحی‌شده است.
SPIN-EC: این پروتکل مشابه پروتکل SPIN-PP می‌باشد با این تفاوت که به پارامتر انرژی اهمیت بیشتری می‌دهد.
SPIN-RL: این پروتکل نیز مشابه پروتکل SPIN-PP می‌باشد با این تفاوت که مخصوص کانال‌های ارتباطی دارای خطا طراحی ‌شده است.
با توجه به نتایج شبیه‌سازی، پروتکل SPIN نواقص روش‌های سیل‌آسا^[۳۲] را برطرف نمود، همچنین سبب افزایش نرخ انتقال اطلاعات نسبت به روش‌های سیل‌آسا شد. دست‌یابی به این نتایج با استفاده از محلی‌کردن تغییرات توپولوژی و حذف انتشار تکراری اطلاعات از طریق مفهوم مذاکره امکان‌پذیر شد]۱۸[. بااین‌حال ممکن است که در سر راه گره‌های میانی، پیغام ADV درست منتشر نشود که این عیب مانع استفاده از این پروتکل در برنامه‌های کاربردی از قبیل کنترل کردن کشف نفوذ به داخل شبکه و حفاظت از نواحی بحرانی خواهد شد.
پروتکل انتشار هدایت‌شده^[۳۳]:
در ]۱۸[، الگو بسیار اساسی جهت تجمع داده‌ها در شبکه‌های حسگر بی‌سیم با نام انتشار هدایت شده ارائه شد. این پروتکل یکی از پروتکل‌های اساسی و مهم از نوع مبتنی بر داده است که پروتکل‌های زیادی بر مبنای آن پایه‌ریزی شده‌اند.DD یک الگوی داده محور می‌باشد که کلیه داده‌های حس شده توسط گره‌های حس‌گر را با یک جفت زوج مرتب خصیصه نشان می‌دهد. ایده اصلی به کار گرفته‌شده در الگوی داده محوری، داده‌های فرستاده‌شده از منابع مختلف با یکدیگر در جهت حذف اضافات و کاهش تعداد انتقالات ترکیب می‌شوند که این امر موجب صرفه‌جویی انرژی و افزایش طول عمر شبکه خواهد شد. حسگر‌ها به طور محلی کار ترکیب داده‌ها را انجام می‌دهند و از حجم اطلاعات ارسالی می‌کاهند.
در DD ابتدا گره چاهک علاقه‌‌مندی خود را جهت دریافت داده با یک بسته ارسالی در جهت منابع نشان می‌دهد. هر گره‌ای که بسته علاقه‌‌مندی گره سینک را دریافت می‌کند آن را به گره‌های همسایه خود ارسال می‌کند و بدین ترتیب ما بین آنها گرادیان تشکیل می‌شود. گرادیان‌ها در واقع مسیر‌های برگشتی هستند که حسگر‌های همسایه به‌واسطه آن درخواست را دریافت کرده‌اند. با ایجاد گرادیان‌ها، بین فرستنده و گیرنده مسیرهای مختلفی ایجاد می‌شوند. از بین این مسیرها تنها یک مسیر به عنوان مسیر مناسب انتخاب می‌شود که این انتخاب بر مبنای نرخ دریافت اطلاعات از مسیرهای مختلف است. در شکل ۲-۳ مراحل مسیریابی نشان داده‌شده است]۱۲[.
شکل ‏۲‑۳: نحوه عملکرد پروتکل انتشار هدایت‌شده ]۱۲[
همه گره‌های حسگر به کار برده شده در شبکه‌‌ی مبتنی بر DD، برنامه-آگاه می‌باشند. الگوریتم DD با انتخاب مسیر مناسب از طریق ذخیره و پردازش اطلاعات موجب صرفه‌جویی انرژی در گره‌های حسگر می‌شود. ذخیره‌سازی اطلاعات می‌تواند سبب اثربخشی بهتر، توانمندی و مقیاس‌پذیری بهتر هماهنگی مابین گره‌های حس‌گر شود.
عملکرد تجمیع اطلاعات در پروتکل DD تحت تأثیر پارامترهایی نظیر تعداد منابع، محل قرارگیری منابع و چگونگی توپولوژی شبکه قرار دارد. برای نشان دادن تأثیر بهتر این پارامترها دو مدل به نام‌های شعاع رویداد(ER^[34]) و منابع تصادفی(RS^[35]) ارائه‌شده است. در مدل ER یک نقطه در شبکه به عنوان محل وقوع یک رویداد معرفی می‌شود و همه گره‌های قرارگرفته در شعاع S از آن نقطه به عنوان گره‌های منبع در نظر گرفته می‌شوند. تعداد منابع انتخاب‌شده در این مدل با n گره حسگر تقریباً برابر با  می‌باشد. اما در مدل RS، K تا از گره‌ها به صورت تصادفی به عنوان منبع انتخاب می‌شوند که برخلاف مدل ER منابع انتخاب‌شده لازم نیست در خوشه و نزدیک به یکدیگر قرار گیرند]۱۹[.
الگوریتم DD در مقایسه با پروتکل SPIN از دو نظر متفاوت می‌باشد.
از آنکه برخلاف پروتکل SPIN در پروتکل DD در ابتدا داده‌ها به‌وسیلهی گره سینک تقاضا می‌شد و سپس منابع اطلاعات خود را ارسال می‌نمودند.
برخلاف پروتکل SPIN که نیازی به نگهداری توپولوژی شبکه ندارد. ارتباطات در پروتکل DD به صورت همسایه-به-همسایه می‌باشد، که در آن هر گره توانایی ذخیره و تجمیع اطلاعات را دارد]۲۰[.
پروتکل شایعه ^[۳۶]:
مسیریابی Rumor نسخه تغییریافته‌ی DD است و به طور عمده جهت کاربرد‌هایی که در آن مسیریابی جغرافیایی عملی نیست در نظر گرفته‌شده است. به طور کلی DD با استفاده از پخش فراگیر شروع به تزریق پرس‌و‌جو به تمام شبکه در زمانی که هیچ معیار جغرافیایی برای منتشر شدن وجود ندارد می‌کند. در برخی موارد تنها مقدار کمی از اطلاعات توسط گره‌ها درخواست می‌شود، بنابراین استفاده از پخش فراگیر غیرضروری می‌باشد. روش جایگزین برای سیل رخدادها در صورتی که تعدادی از رخدادها کوچک و تعدادی از پرس‌وجوها بزرگ باشند ایده اساسی این است به جای اینکه به جهت مشاهده رویداد خاص توسط گره‌ای، سیل اطلاعات در کل شبکه جاری شود، حادثه اتفاق افتاده بازیابی شود. به منظور عدم وقوع سیل حوادث از طریق شبکه، الگوریتم Rumor بسته‌هایی با نام عامل به کار می‌گیرد]۴۰[.
هنگامی که یک گره رویدادی را تشخیص می‌دهد آن رویداد به جدولی به نام جدول رویدادها اضافه می‌شود و برای آن رویداد عامل تولید می‌شود عامل‌ها در شبکه به منظور انتشار اطلاعات در مورد رویداد‌های محلی به گره‌های دور دست حرکت می‌کنند. هنگامی که یک گره برای رویداد پرس‌وجو می‌سازد گره‌ها برای اطلاع از مسیر حرکت ممکن است به پرس‌وجو از طریق بازرسی در جدول رویدادها عکس‌العمل نشان دهند، لذا نیازی به سیل اطلاعاتی در کل شبکه نیست زیرا باعث کاهش هزینه‌های ارتباطی می‌شود. از سوی دیگر Rumor تنها یک مسیر بین منبع و مقصد حفظ می‌کند، بر خلاف DD که در آن داده‌ها بین چند مسیر با نرخ پایین مسیریابی می‌شوند. با توجه به تحقیقات انجام‌شده، Rumor به صرفه‌جویی قابل‌توجهی در انرژی در مقایسه با زمانی که سیل رویدادها جاری می‌شود، می‌رسد]۱۲، ۲۱[.
پروتکل انرژی آگاه^[۳۷]:
هدف از ارائه این پروتکل افزایش طول عمر گره‌های حسگر است. این پروتکل مشابه با پروتکل DD است با این تفاوت که برای دستیابی به نرخ ارسال بالاتر از چندین مسیر بهینه استفاده می‌کند. مسیرهای انتخابی با استفاده از یک تابع احتمال خاص انتخاب می‌شوند. تابع احتمال نام برده شده به میزان مصرف انرژی هر یک از مسیرها بستگی دارد. ایده به کار برده شده در این پروتکل آن است که با انتخاب چندین مسیر بهینه، انرژی یک مسیر به سرعت کاهش نمی‌یابد که این امر سبب ایجاد یک تعادل مصرف انرژی در کل شبکه می‌شود ]۲۲[. به‌عبارت‌دیگر می‌توان گفت بقای شبکه یکی از مهم‌ترین پارامترهای در نظر گرفته شده برای این پروتکل است. فرض به کار برده شده در این پروتکل آن است که هر گره حسگر به وسیله کلاسی از آدرس‌ها که شامل مکان و نوع گره‌ها می‌باشند، آدرس‌پذیر است. در زمان ارسال اطلاعات در ابتدا کلیه مسیرهای موجود مابین گره منبع و گره چاهک شناسایی می‌شود و جداول مسیریابی برای آنها ایجاد می‌شود. سپس مسیرهایی که دارای هزینه بیشتری می‌باشند حذف می‌گردد. سپس با استفاده از جداول مسیریابی و احتمال تخصیص داده‌شده به هر یک از مسیرها، اطلاعات به سمت گره چاهک ارسال می‌شوند. در مقایسه با پروتکل DD ، این پروتکل سبب کاهش ۲۱٫۵% مصرف انرژی و افزایش ۴۴% طول عمر شبکه می‌گردد. بااین‌وجود دستیابی به اطلاعات مربوط به مکان هر یک از گره‌ها نیازمند معادلات پیچیده‌‌ای است که سبب شده این پروتکل در مقایسه با پروتکل DD دارای فاز ابتدایی پیچیده‌تری باشد]۱۲، ۲۲[.
در شکل ۲-۴ تفاوت نوع تولید داده برای هدایت به سمت چاهک در نوع رویداد محور و به صورت مبدأ تولید ترافیک داده به صورت تصادفی نشان داده شده است. که در نوع اول میتوان از روشهای تراکم داده استفاده کرد و در نوع دوم مسیرهای مختلف برای رسیدن به چاهک در شبکه ایجاد میشود.
ایده مسیریابی‌های سلسله مراتبی^[۳۸] و مبتنی بر کلاس در ابتدا در شبکه‌های سیمی مطرح شد، که سبب بهبود برقراری ارتباط و پایداری شبکه شد. استفاده از این‌گونه مسیریابی‌ها در شبکه‌های حس‌گر سبب بهبود مصرف انرژی شده است.
شکل ‏۲‑۴: عملکرد تجمیع اطلاعات در پروتکل انتشار هدایت‌شده ]۱۲[
در این‌گونه ساختارها گره‌هایی که دارای انرژی بیشتری می‌باشند، به عنوان گره‌ی پردازش کننده اطلاعات و انتقال‌دهنده اطلاعات به گره چاهک انتخاب می‌شوند. مسیریابی سلسله مراتبی با استفاده از مفاهیمی مانند کلاس و تجمیع داده‌ها سبب بهبود مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه شده است. این نوع مسیریابی بر اساس دو فاز طراحی شده است، فاز اول جهت شناسایی سرخوشه‌ها^[۳۹] و فاز دوم جهت مسیریابی مورد استفاده قرار می‌گیرد ]۱۵[.
در مقایسه با پروتکل‌های دیگر مسیریابی این دسته از پروتکل‌ها دارای ویژگی‌های متمایزکننده‌ای می‌باشند که در زیر به برخی از آنها اشاره نموده‌ایم]۲۳، ۲۴[:
مصرف بهینه‌تر انرژی، با توجه به آنکه انرژی گره‌های موجود در شبکه محدود می‌باشد، مصرف بهینه‌تر انرژی یکی از مهم‌ترین مزایای این دسته پروتکل‌ها می‌باشد.
جمع‌آوری داده‌های ارسالی توسط سرگروه‌های هر کلاس و انجام اعمالی مانند تجمیع که سبب کاهش حجم داده‌های ارسالی خواهد شد.
مقیاس‌پذیری، با توجه به حالت پویای توپولوژی شبکه، این دسته از پروتکل‌های مسیریابی از مراحل توزیع‌شده‌ای استفاده می‌کنند که سبب گسترش ساده‌تر شبکه خواهد شد.
پایداری، این دسته از پروتکل‌ها قابلیت سازمان‌دهی مجدد شبکه در صورت از بین رفتن برخی از گره‌های موجود در شبکه فراهم می‌سازند.
به دلیل تراکم بالای گره‌های حسگر در واحد سطح و در نتیجه نزدیکی آنها با یکدیگر، ارتباط‌های چندگامی در این گونه شبکه‌ها مفیدتر و مقرون به صرفه‌تر از ارتباط‌های تک گامی است. اما با توجه به انرژی محدود هر یک از حسگرها و اینکه بیشتر انرژی آنها صرف ایجاد ارتباط با حسگرهای دیگر می‌شود، استفاده از ارتباط‌های چندگامی نیز باعث مصرف زیاد انرژی در حسگرها و در نتیجه کاهش عمر شبکه‌ی حسگر می‌گردد ]۲۵[. به‌کارگیری خوشه‌ها برای ارسال اطلاعات به یک ایستگاه پایه با ملزوم کردن تنها تعداد کمی گره برای ارسال از فواصل دور به ایستگاه اصلی مزایای فواصل ارسال کوتاه را برای اکثر گره‌ها افزایش می‌دهد ]۲۵، ۲۶[. به پیداکردن و ایجاد مسیر بین مبدأ و مقصد مسیریابی می‌گویند.
در دنیا روش‌های مختلفی برای پیداکردن مسیر بهینه مطرح شده است که هر کدام از آنها در شرایطی کارا هستند. مسیریابی در شبکه‌ها یکی از مهم‌ترین مسائل مطرح شده است.در شبکه‌های حسگر بی‌سیم با توجه به ساختار متفاوتی که با شبکه‌های معمول دارند این موضوع ویژگی‌های خاص خودش را پیدا می‌کند.
در طراحی‌های اولیه شبکه‌های حسگر بی‌سیم از مسیریابی‌هایی استفاده شد که در شبکه‌های سنتی بی‌سیم استفاده می‌شد. الگوریتم‌های مسیریابی انجام‌شده در شبکه‌های سنتی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم کارایی خوبی ندارند.
در شبکه‌های حسگر بی‌سیم به دلیل اینکه گره‌های تشکیل‌دهنده شبکه، حسگرهای کوچک بی‌سیم هستند. ویژگی‌های خاصی را به شبکه تحمیل می‌کنند.
طیف وسیعی از کاربردهای شبکه‌های حسگر مربوط به محیط‌هایی می‌شود که انسان نمی‌تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط‌های آلوده از نظر شیمیایی، میکروبی، هسته‌ای و یا مطالعات در اعماق اقیانوس‌ها و یا محیط‌های نظامی و یا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آنها می‌شود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گره‌ها در نظر گرفته شود [۱، ۳، ۱۵].
هر گره‌ی حسگر ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد، باید به حد کافی کوچک، سبک و کم‌حجم نیز باشد. درعین‌حال هر گره باید انرژی مصرفی بسیار کم و قیمت تمام‌شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. اینها همه محدودیت‌هایی است که کار طراحی و ساخت گره‌های حسگر را با چالش مواجه می‌کند [۳].