مجله علمی  رایانش نرم و فناوری اطلاعات

مجله علمی رایانش نرم و فناوری اطلاعات

مسیریابی و تعیین سطح مدولاسیون گره ها در شبکه های حسگر بی سیم مبتنی بر مقیاس بندی پویای مدولاسیون با استفاده از الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی فارسی

نویسندگان
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.
چکیده
یک چالش اساسی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم، افزایش طول عمر آنها با توجه به انرژی محدود گره‌ها است. برای حل این مشکل، راهکارهای مختلفی پیشنهاد شده که از آن جمله می‌توان به مکانیسم مقیاس بندی پویای مدولاسیون (DMS) اشاره نمود. با تنظیم سطح مدولاسیون گره‌ها، می‌توان بین پارامترهای انرژی مصرفی و زمان ارسال داده توازن برقرار کرده و میزان انرژی مصرفی را تا حد قابل توجهی کاهش داد. برای بیشینه نمودن کارایی شبکه‌های حسگر مبتنی بر DMS، هر دو مسئله مسیریابی و تعیین سطح مدولاسیون گره‌ها باید بررسی شوند. مقالات موجود یا مسئله مسیریابی را بررسی نکرده‌اند و یا روش‌هایی حریصانه و با کارایی پایین ارائه داده‌اند. با توجه به کاستی‌های روش‌های پیشین، در این مقاله روشی کارا مبتنی بر الگوریتم ژنتیک برای مسیریابی و تعیین سطح مدولاسیون گره‌ها ارائه شده که این مسائل را در دو مرحله مطالعه کرده است. براساس نتایج شبیه سازی، الگوریتم پیشنهادی به طور متوسط میانگین انرژی مصرفی گره‌ها، انحراف از معیار انرژی مصرفی گره‌ها، و طول عمر شبکه را، به ترتیب 72 %، 88 %، و 112 % نسبت به روش‌های پیشین بهبود داده است.
کلیدواژه‌ها

[1] R. E. Mohamed, A. I. Saleh, M. Abdelrazzak, and A. S. Samra, “Survey on Wireless Sensor Network Applications and Energy Efficient Routing Protocols,” Wireless Personal Communications, vol. 101, pp.1019-1055, 2018.
[2] R. M. Curry and J. C. Smith, “A Survey of Optimization Algorithms for Wireless Sensor Network Lifetime Maximization,” Computers & Industrial Engineering, vol. 101, pp. 145-166, 2016.
[3] J. Singh, R. Kaur, and D. Singh, “A Survey and Taxonomy on Energy Management Schemes in Wireless Sensor Networks,” Journal of Systems Architecture, vol. 111, pp. 101782, 2020.
[4] P. Visu, T. S. Praba, N. Sivakumar, R. Srinivasan, and T. Sethukarasi, “Bio-Inspired Dual Cluster Heads Optimized Routing Algorithm for Wireless Sensor Networks,” Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing, vol. 12, pp. 3753-3761, 2021.
[5] محمد علائی و فهیمه یزدان پناه، "یک روش خوشه بندی توزیع شده مبتنی بر منطق فازی برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و انتقال داده در شبکه‌های حسگر بی‌سیم"، مجله علمی-پژوهشی رایانش نرم و فناوری اطلاعات، دوره 9، شماره 3، صفحه 229-243، مهر 1399.
[6] N. M. Shagari, R. B. Salleh, I. Ahmedy, M. Yamani Idna Idris, G. Murtaza, U. Ali, and S. Modi, “A Two-Step Clustering to Minimize Redundant Transmission in Wireless Sensor Network Using Sleep-awake Mechanism,” Wireless Networks, vol. 28, pp. 2077-2104, 2022.
[7] Z. Jiao, L. Zhang, M. Xu, C. Cai, and J. Xiong, "Coverage Control Algorithm-Based Adaptive Particle Swarm Optimization and Node Sleeping in Wireless Multimedia Sensor Networks," IEEE Access, vol. 7, pp. 170096-170105, 2019.
[8] A. Gumusalan, R. Simon, and H. Aydin, "Adaptive Transmission Scheduling for Energy-Aware Real-Time Wireless Communication," In 13th International Conference on Embedded Wireless Systems and Networks (EWSN), pp. 1-12, 2016.
[9] A. Gumusalan, R. Simon, and H. Aydin, "Flexible Real-Time Transmission Scheduling for Wireless Networks with Non-Deterministic Workloads," Ad Hoc Networks, vol. 73, pp. 65-79, 2018.
[10] M. Bandari, R. Simon, and H. Aydin, “On Minimizing Expected Energy Usage of Embedded Wireless Systems with Probabilistic Workloads,” Sustainable Computing: Informatics and Systems, vol. 11, pp. 50-62, 2016.
[11] M. Bandari, R. Simon, and H. Aydin, "Power Management in Cluster-Based Energy-Harvesting Sensor Networks Through Dynamic Modulation Scaling," In 17th International Conference on High Performance Computing and Communications, 7th International Symposium on Cyberspace Safety and Security, and 12th International Conference on Embedded Software and Systems, pp. 925-933, 2015.
[12] M. Bandari, R. Simon, and H. Aydin, "DMS-Based Energy Optimizations for Clustered WSNs," ACM Transactions on Embedded Computing Systems, vol. 16, no. 3, pp. 1-28, 2017.
[13] G. S. A. Kumar, G. Manimaran, and Z. Wang, "End-to-End Energy Management in Networked Real-Time Embedded Systems," IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 19, no. 11, pp. 1498-1510, 2008.
[14] B. Fateh and M. Govindarasu, “Energy Minimization by Exploiting Data Redundancy in Real-Time Wireless Sensor Networks,” Ad Hoc Networks, vol. 11, no. 6, pp. 1715-1731, 2013.
[15] Y. Yu, V. K. Prasanna and B. Krishnamachari, “Energy Minimization for Real-Time Data Gathering in Wireless Sensor Networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 5, no. 11, pp. 3087-3096, 2006.
[16] B. Fateh and M. Govindarasu, “Joint Scheduling of Tasks and Messages for Energy Minimization in Interference-Aware Real-Time Sensor Networks,” IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 14, no. 1, pp. 86-98, 2015.
[17] A. Gumusalan, R. Simon, and H. Aydin, "Dynamic Modulation Scaling Enabled Multi-Hop Topology Control for Time Critical Wireless Sensor Networks," Wireless Networks, vol. 26, pp. 1203-1226, 2020.
[18] E. Cuevas, A. Rodríguez, A. Alejo-Reyes, and C. Del-Valle-Soto, “Metaheuristic Algorithms for Wireless Sensor Networks,” Studies in Computational Intelligence, Springer, vol. 948, pp. 193-235, 2021.
[19] Z. Al Aghbari, A. M. Khedr, W. Osamy, I. Arif, and D. P. Agrawal, “Routing in Wireless Sensor Networks Using Optimization Techniques: A Survey,” Wireless Personal Communications, vol. 111, pp. 2407-2434, 2020.
[20] M. Al-Shal, M. Anbar, T-C. Wan, and Z. Alqattan, “Energy Efficient Multi-Hop Path in Wireless Sensor Networks using an Enhanced Genetic Algorithm,” Information Sciences, vol. 500, pp. 259-273, 2019.
[21] M. Wang, S. Wang, and B. Zhang, “APTEEN Routing Protocol Optimization in Wireless Sensor Networks Based on Combination of Genetic Algorithms and Fruit Fly Optimization Algorithm,” Ad Hoc Networks, vol. 102, pp. 102138, 2020.
[22] M. J. Zardosht and N. Parhizgar, “Energy Optimization in Multi‑Hop Wireless Sensor Networks based on Proposed Harmony Search Routing Algorithm,” Wireless Personal Communications, vol. 118, pp. 2717-2731, 2021.
[23] M. Angurala, M. Bala, and S. Singh Bamber, “Energy Efficient CLB Approach to Find Optimum Modulation Scheme in Wireless Rechargeable Sensor Networks,” International Journal of Information Technology, vol. 13, pp. 269-276, 2021.
[24] M. Angurala, H. Singh, Anupriya, A. Grover, and M. Singh, “Testing Solar-MAODV Energy Efficient Model on Various Modulation Techniques in Wireless Sensor and Optical Networks,” Wireless Networks, vol. 28, pp. 413-425, 2022.
[25] J. Hu, G. Liang, Q. Yu, K. Yang, and X. Lu, “Simultaneous Wireless Information and Power Transfer with Fixed and Adaptive Modulation,” Digital Communications and Networks, 2022, https://doi.org/10.1016/j.dcan.2022.01.001.
[26] S. Randhawa and S. Jain, “Energy-Efficient Load Balancing Scheme for Two-Tier Communication in Wireless Sensor Networks,” The Journal of Supercomputing, vol. 74, pp. 386-416, 2018. 
[27] A. Gumusalan, R. Simon, and H. Aydin, “A Software-Defined Radio Analysis of the Impact of Dynamic Modulation Scaling Within Low-Power Wireless Systems,” In 21st International Conference on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems (MSWIM), pp. 315-324, 2018.
[28] H. Esmaeili, B. Minaei Bidgoli, and V. Hakami, “CMML: Combined Metaheuristic-Machine Learning for Adaptable Routing in Clustered Wireless Sensor Networks,” Applied Soft Computing, vol. 118, pp. 108477, 2022.
[29] سمانه پوست فروشان و مهدی آقا صرام، "به کارگیری الگوریتم بهینه سازی PSO به منظور بهبود طول عمر شبکه های حسگر بیسیم"، مجله رایانش نرم و فناوری اطلاعات، دوره 5، شماره 3، صفحه 55-64، پاییز 1395.
[30] S. J. Anandh and E. Baburaj, “Energy Efficient Routing Technique for Wireless Sensor Networks Using Ant-Colony Optimization,” Wireless Personal Communications, vol. 114, pp. 3419-3433, 2020.
[31] V. K. Arora, V. Sharma, and M. Sachdeva, “A Multiple Pheromone Ant Colony Optimization Scheme for Energy-Efficient Wireless Sensor Networks,” Soft Computing, vol. 24, pp. 543-553, 2020.
[32] L. Rajesh and H. S. Mohan, “Adaptive Group Teaching Based Clustering and Data Aggregation with Routing in Wireless Sensor Network,” Wireless Personal Communications, vol. 122, pp. 1839-1866, 2022.
[33] K. SureshKumar and P. Vimala, “Energy Efficient Routing Protocol Using Exponentially-Ant Lion Whale Optimization Algorithm in Wireless Sensor Networks,” Computer Networks, vol. 197, pp. 108250, 2021.
[34] S. Singh and R. M. Sharma, “HSCA: A Novel Harmony Search Based Efficient Clustering in Heterogeneous WSNs,” Telecommunication Systems, vol. 67, pp. 651-667, 2018.
[35] C. Schurgers, V. Raghunathan, and M. B. Srivastava, “Power Management for Energy-Aware Communication Systems,” ACM Transactions on Embedded Computing Systems, vol. 2, no. 3, 2003.
[36] D. E. Goldberg, “Genetic algorithms in sea, optimization, and machine learning,” Addison-Wesley Professional, first edition, 1989.
[37] H. S. Chiu and K. L. Yeung, “Maximizing Multicast Call Acceptance Rate in Multi-Channel Multi-Interface Wireless Mesh Networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 9, no. 8, pp. 2622 – 2631, 2010.