Abstract

The main challenges in designing and planning the operations of Wireless Sensor Networks (WSNs) are to optimize energy consumption and prolong network lifetime. Cluster-based routing techniques, such as the well-known low-energy adaptive clustering hierarchy (LEACH), are used to achieve scalable solutions and extend the network lifetime until the last node dies (LND). Also, evolutionary algorithms (EAs), have been successfully used in recent years as meta-heuristics to address energy-aware routing challenges by designing intelligent models that collaborate together to optimize an appropriate energy-aware objective function. On the other hand, some protocols, such as stable election protocol (SEP), are concerned with another objective: extending the stability time until the first node dies (FND). Often, there is a tradeoff between extending the time until FND and the time until LND. To our knowledge, no attempt has been made to obtain a better compromise between the stability time and network lifetime. This paper reformulates the design of the most important characteristic of the EA (i.e., the objective function), so as to obtain a routing protocol that can provide more robust results than the existing heuristic and meta-heuristic protocols in terms of network stability period, lifetime, and energy consumption. An evolutionary-based routing protocol is proposed, which can guarantee better tradeoff between the lifespan and the stability period of the network with efficient energy utilization. To support this claim, extensive simulations on 90 homogeneous and heterogeneous WSN models are evaluated and compared against the LEACH, SEP, and one of the existing evolutionary-based routing protocols, hierarchical clustering-algorithm-based genetic algorithm HCR

چکیده

چالش‌های اصلی در طراحی و برنامه‌ریزی عملیات شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSNها) بهینه‌سازی مصرف انرژی و طول عمر طولانی شبکه می‌باشد. تکنیک‌های مسیریابی مبتنی بر خوشه، مانند سلسله‌مراتب کم انرژی ‌خوشه‌بندی تطبیقی شناخته شده (LEACH)، برای رسیدن به راه‌حل‌های مقیاس‌پذیر و گسترش طول عمر شبکه تا آخرین گره بمیرد (LND) استفاده می‌شوند. همچنین، الگوریتم‌های تکاملی (EAها)، با موفقیت در سال‌های اخیر به عنوان متااکتشافی، برای رسیدگی به چالش‌های مسیریابی آگاه از انرژی با طراحی مدل‌های هوشمند استفاده شده‌اند که با هم برای بهینه‌سازی تابع هدف آگاه از انرژی مناسب همکاری می‌کنند. از سوی دیگر، برخی پروتکل‌ها، مانند پروتکل انتخاب ایستا (SEP)، با هدف دیگری نگران هستند: گسترش زمان ثبات تا این که گره اول بمیرد (FND). اغلب، مصالحه‌ای بین افزایش زمان تا FND و زمان تا LND وجود دارد. از آنجایی که می‌دانیم هیچ تلاشی برای به دست آوردن یک مصالحه بهتر بین زمان ثبات و طول عمر شبکه نشده است. در این مقاله طراحی مهم‌ترین ویژگی‌های EA فرمول‌بندی مجدد می‌شود (به عنوان مثال، تابع هدف)، بنابراین یک پروتکل مسیریابی که می‌تواند نتایج مقاوم‌تری از پروتکل‌های اکتشافی و متا اکتشافی موجود از نظر دوره ثبات شبکه، طول عمر، و مصرف انرژی ارائه نماید را به دست آورد. پروتکل مسیریابی مبتنی بر تکامل ارائه شده می‌تواند مصالحه بهتری بین طول عمر و دوره ثبات شبکه با بهره‌وری از انرژی کارآمد تضمین نماید. برای حمایت از این ادعا، شبیه‌سازی‌های گسترده‌ای در 90 مدل WSN همگن و ناهمگن ارزیابی و نسبت به LEACH، SEP، و یکی از پروتکل‌های مسیریابی مبتنی بر تکامل موجود، الگوریتم خوشه‌بندی سلسله مراتبی مبتنی بر الگوریتم ژنتیک (HCR)مقایسه می‌شود.

-1مقدمه

شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) توجهی در سراسر جهان در سال‌های اخیر به دست آورده است، به خصوص با گسترش فناوری سیستم‌های میکرو الکترو مکانیک (MEMS)، که تسهیل توسعه حسگرهای هوشمند می‌باشند. WSNها در برنامه‌های کاربردی متعدد، از جمله نظارت محیط، نظارت بر زیستگاه، پیش‌بینی و تشخیص بلایای طبیعی، نظارت پزشکی، و نظارت بر سلامت ساختاری استفاده می‌شوند [1-4].