در سالیان اخیر روش¬های مختلفی برای ¬ایجاد خوشه و انتخاب سر خوشه¬ی مناسب و بهینه‌سازی انتقال داده‌ها از این طریق ارائه شده است. موارد مختلفی در حوزه‌ی وجود دارند که می‌توانند بر کیفیت انتقال داده‌ها در شبکه تأثیرگذار باشند. یکی از این موارد انتخاب بهینه‌ی گره سرخوشه برای مدیریت هر یک از خوشه‌ها است؛ چنین گرهی علاوه بر توانایی مدیریت جریان داده‌های زیر گره‌های مجموعه‌ی خود باید دسترسی مناسبی به تمام خوشه‌ی خود و نیز به گره چاهک داشته باشد. علاوه بر این توزیع سرخوشه‌ها باید به گونه‌ای باشد که خوشه‌هایی با حجم متناسب و تعداد کافی در شبکه را تأمین نمایند. از این گذشته، عملیات خوشه‌بندی و انتخاب سرخوشه‌ها باید در دوره‌های زمانی مناسب و با هدف جلوگیری از تحمیل حجم کاری سنگین به تعداد محدودی از گره‌ها تکرار شود. با معرفی انواع مختلف الگوریتم‌های فرا ابتکاری، روش‌های نوینی برای حل مسئله‌های بهینه‌سازی به وجود آمده‌اند که آزمایش‌های تجربی حکایت از کارایی بسیار مناسب آنها در مسائلی از حوزه‌های مختلف علوم و مهندسی دارند. در این پایان¬نامه روشی برای انتخاب سرخوشـه مناسب بر اساس الگوریتـم فرا ابتکاری کوچ پرندگان که به‌صورت توزیع‌شده در شبکه حسگر بی¬سیم متحرک اجرا می‌شود، ارائه‌شده و نتایج حاصل از شبیه¬سازی این الگوریتم در حالت¬های مختلف حرکتی آورده شده است. می توانید این پروژه مهندسی فناوری اطلاعات را به صورت فایل word دانلود نمایید.
مقدمه
شبکههای حسگر بی‌سیم از مجموعه‌ای حسگر بی‌سیم تشکیل شده است که به جهت جمع‌آوری اطلاعات در محیطی به فراخور کاربرد آنها پخش شده‌اند. به طور کلی شبکههای حسگر بی‌سیم جهت جمع‌آوری اطلاعات در مناطقی که کاربر نمی‌تواند حضور داشته باشد مورد استفاده قرار می‌گیرند [1]. در یک شبکه حسگر، حسگرها به صورت جداگانه مقادیر محلی را نمونه‌برداری می‌کنند و این اطلاعات را در صورت لزوم برای حسگرهای دیگر و در نهایت برای مشاهده‌گر اصلی ارسال می‌نمایند. شبکههای حسگر بی‌سیم معمولاً در محیط‌های سخت که دسترسی انسان به آن مکان‌ها سخت و پرهزینه است استفاده می‌شوند. از شبکههای حسگر بی‌سیم در هواشناسی، کشاورزی، زلزله‌نگاری، صنایع نظامی و جنگ‌ها، ایجاد محدوده‌ی امنیتی و ... استفاده می‌شود [1].
روند استفاده از شبکههای حسگر در سال‌های پایانی دهه 80 و سال‌های آغازین 90 توسط وزارت دفاع آمریکا، DARPA و چند کشور دیگر ادامه داشت. در اواسط دهه 90 با تعریف برخی استانداردها از جمله 1999IEEE فناوری‌های تجاری هم پا به عرصه وجود گذاشتند و گروه‌های مختلف تحقیقاتی فعال در زمینه ارتباطات بی‌سیم وارد بازار وسیع بالقوه غیرنظامی شدند. شبکههای حسگر مجموعه‌ای از تعداد بسیار زیادی گره حسگر با ابعاد کوچک و قابلیت‌های مخابراتی و محاسباتی محدود است که به منظور جمع‌آوری و انتقال اطلاعات از یک محیط به سمت یک کاربر و یا ایستگاه پایه به کار برده می‌شود.
یکی از روش‌های حل مسئله مسیریابی در شبکههای حسگر بی‌سیم روش‌های خوشه‌بندی است. این روش به خاطر مزیت‌هایی مانند کم شدن حجم ارتباط¬ها و پیغام‌های غیرضروری با چاهک و افزایش پهنای باند مفید و مدیریت راحت‌تر حسگرها و افزایش عمر شبکه بسیار پرکاربرد است.
در شبکههای حسگر بی‌سیم، پروتکل‌های مبتنی بر خوشه‌بندی از طریق تقسیم مجموعه‌ی گره‌ها به خوشه‌های مجزا و انتخاب سرخوشه‌های محلی برای ترکیب و ارسال اطلاعات جمع‌آوری شده هر خوشه به ایستگاه مبنا و سعی در مصرف متوازن انرژی توسط گره‌های شبکه، بهترین کارایی را از نظر افزایش طول عمر و حفظ پوشش شبکه‌ای در مقایسه با سایر روش‌های مسیریابی به‌دست می‌آورد [1].
امروزه یکی از روش‌های حل مسائل مختلف الگوریتم‌های هوشمند ریاضی مانند شبکه عصبی و کلونی مورچگان است. یافتن سرخوشه‌های مناسب و بهینه، از بین گره‌های حسگر یک مسئله پیچیده با بار محاسباتی سنگین است. در این پایان‌نامه ما مسئله خوشه‌بندی را در شبکههای حسگر بی‌سیم، به‌وسیله¬ی الگوریتم کوچ پرندگان (ازدحام ذرات) و بهینه‌سازی مرزی حل شده است. تابع بهینگی مسئله استخراج‌شده برحسب پارامترهای مکانی ، انرژی ، درجه گره و تعداد مسیر تا سرخوشه‌ی حسگرها می‌باشد [5].
بیان مسئله
انتخاب سرخوشه مناسب برای خوشه¬ها در الگوریتم¬های توزیع¬شده از مسائل مهم است. به خاطر اینکه گره¬های شبکه دارای دید محلی از وضعیت فعلی خود در شبکه هستند؛ نداشتن دید جامع باعث می¬شود تا انتخاب سرخوشه مناسب برای خوشه مشکل شود. استفاده از الگوریتم¬های هوشمند ابتکاری و فراابتکاری برای انتخاب سرخوشه مناسب یکی از راه¬های این مسئله است.
هدف این پایان¬نامه ارائه یک الگوریتم خوشه¬بندی توزیع¬شده بر اساس یک الگوریتم فرا ابتکاری به منظور انتخاب سرخوشه مناسب و بهینه در شبکه¬های حسگر بی¬سیم برای گره¬های حسگر است. نتایج از اعمال مدل¬های حرکتی مختلف بر روی گره¬های حسگر شبکه به دست آمده است. که به تحلیل و بررسی آنها نیز در آخر پرداخته شده است.
در این پایان‌نامه در ابتدا در فصل 2 به مروری بر تعاریف و خوشه‌بندی در شبکههای حسگر بی‌سیم و الگوریتم کوچ پرندگان می‌پردازیم و همچنین خلاصه‌ای از برخی از کارهای انجام‌شده در زمینه خوشه‌بندی شبکههای حسگر بی‌سیم را معرفی خواهیم کرد. در فصل 3، به شرح کار پژوهشی خواهیم پرداخت که شامل تعریف اولیه و شرح الگوریتم پیشنهادی خواهد بود. پس از آن در فصل 4، به شبیه‌سازی‌هایی جهت نشان دادن اثرات الگوریتم مطرح‌شده در فصل 3 بر روی پارامترهای مسیر و شبکه و انرژی می‌پردازیم. در انتها در فصل 5، نتایج به‌دست آمده مورد بررسی قرار داده خواهد شد و پیشنهاد‌هایی ارائه خواهد شد.
شبکههای حسگر بی‌سیم
شبکههای حسگر بی‌سیم از تعداد زیادی حسگر تشکیل شده که وظیفه آنها جمع‌آوری اطلاعات، پردازش و انتقال آن به مقصد مورد نظر می‌باشد. در شبکههای حسگر ارتباط گره‌ها به صورت بی‌سیم و از طریق رسانه رادیویی، مادون‌قرمز و یا رسانه نوری صورت می‌گیرد. در رسانه رادیویی که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد از باندهای مختلف صنعتی، علمی و پزشکی که در اکثر کشورها آزاد است استفاده می‌شود. تعیین فرکانس در این رسانه با توجه به برخی محدودیت‌های سخت‌افزاری، کارایی آنتن و مصرف انرژی است. اخیراً نیز رسانه نوری به‌عنوان رسانه ارتباطی مورد توجه قرار گرفته است که ازجمله‌ی این توجهات می‌توان به استفاده از آن در ذره غبار هوشمند اشاره کرد. انتخاب رسانه ارتباطی از بین این سه رسانه با توجه به محدودیت‌ها و ویژگی‌های کاربرد مورد نظر از مسائل مطرح در طراحی شبکههای حسگر است.
فهرست مطالب
1- فصل اول: مقدمه 7
1-1- بیان مسئله 9
2- فصل دوم:خوشه‌بندی در شبکههای حسگر بی‌سیم 11
2-1- شبکههای حسگر بی‌سیم 11
2-2- کاربردهای شبکههای حسگر بی‌سیم 12
2-3- مسیریابی در شبکههای حسگر بی‌سیم 13
2-3-1- چالش‌های مسیریابی در شبکههای حسگر بی‌سیم 15
2-3-2- انواع مسیریابی در شبکههای حسگر بی‌سیم 17
2-4- خوشه‌بندی در شبکههای حسگر بی‌سیم 29
2-5- پارامترهای مهم در خوشه‌بندی 31
2-6- پروتکل‌های ارائه‌شده موجود 33
2-6-2- پروتکل‌های مسیریابی مبتنی بر مکان 45
2-6-3- خوشه‌بندی به وسیله الگوریتم‌های هوشمند 48
2-7- الگوریتم کوچ پرندگان PSO 50
3- فصل سوم : الگوریتم پیشنهادی 54
3-1- شرح تابع شایستگی به کار رفته در الگوریتم کوچ پرندگان 55
3-1-1- مکان 55
3-1-2- انرژی 56
3-1-3- درجه پیوستگی در شبکه 57
3-1-4- تعداد دفعاتی که سرخوشه انتخاب شده است 58
3-2- مراحل الگوریتم 58
3-2-1- فاز اول 59
3-2-2- فاز دوم 60
3-2-3- فاز سوم 61
3-2-4- فاز چهارم 62
3-3- مدل‌های حرکت 63
3-3-1- مدل حرکتی پیاده‌روی تصادفی 64
3-3-2- مدل حرکتی ایستگاه تصادفی 66
3-3-3- مدل حرکتی امتداد تصادفی 67
3-3-4- مدل حرکتی جامع منطقه شبیه‌سازی 68
3-3-5- مدل حرکتی گام‌به‌گام 69
3-3-6- مدل حرکتی حرکت هموار 70
4- فصل چهارم : نتایج شبیه‌سازی 74
4-1- معرفی محیط شبیه‌سازی 74
4-2- نتایج شبیه‌سازی 76
4-2-1- متوسط انرژی باقیمانده 77
4-2-2- واریانس انرژی باقیمانده 77
4-2-3- سربار پیغام کنترلی 78
4-2-4- گره‌های حسگر فعال در شبکه 79
4-2-5- درصد گم‌شدن(نرسیدن) پیغام‌ها 80
5- فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهادهای آینده 82
5-1- نتایج 82
5-2- پیشنهادها 85
6- مراجع 86