CC BY
26INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
SIMSIZ SENSORLAR TARMOG'I KLASTER BOSH TUGUNINI TANLASH VA QISQA MARSHRUTLASHTIRISHNI TADQIQ ETISH Xaytbayev A.F. https://doi.org/10.5281/zenodo.7858218
Annotasiya. Simsiz sensorlar tarmoqlariga IoTni qo'llab-quvvatlaydigan bugungi sanoat va iste 'molchi ilovalaridajudakatta e 'tibor berilmoqda, ularda maqsadli ma'lumotlarni to'plash uchun bir jinsli yoki turli jinsli sensorlar qo'llaniladi. SSTlar avtonom ishlaydigan sensorli tugunlar yordamida ishlashga mo'ljallangan, chunk ularning ilovalarini tanlash geografik jihatdan muhim. Tarmoqning yashash vaqti katta bo'lishi uchun bunday tugunlar energiya samaradorligini saqlashi kerak. Klaster boshini tanlash SST arxitekturasida hal qiluvchi rolni o'ynaydi u asosan tarmoqning energiya iste 'molini minimallashtirishga qaratilgan. U sensorlar tugunlarini shunday guruhlarga ajratadiki, past energiya iste 'moli bilan bir qatorda xizmat muddati uzaytirilgan murakkab tarmoq klasteri shakllantiriladi.
LEACH sifatida ma'lum bo'lgan klasterlashtirish usuli va uning variantlari ularning o'xshashlariga qaraganda samaraliroq bo'lib chiqdi. Maqolada bir nechta o'tishlarga ega muhitda sensorlar tugunlaridan (ST) klaster bosh tuguni (BT) ga eng qisqa yo'l marshruti bilan to'liq bog'langan tarmoqni yaratish uchun elektrostatik razryad algoritmidan foydalanadigan yangi to'liq bog'langan energetiksamarador klasterlashtirish mexanizmi (FCEEC) taklif etiladi.
Kalit so'zlar: Simsiz sensor tarmoq, bosh tugun, LEACH, sensor tuguni, klaster.
Kirish
Simsiz sensorlar tarmoqlari (SST) atrof-muhit monitoringi, seysmik nazorat qilish, qishloq xo'jaligini boshqarish, xavfsizlikni nazorat qilish va shunga o'xshash boshqa ko'plab sohalar kabi bir nechta ilovalarga juda katta hissa qo'shmoqda. So'nggi vaqtlarda SST tadqiqotlarii o'ziga xos xususiyatlari tufayli tadqiqotchilar orasida tez rivojlandi. SST simsiz ulangan bir nechta to'liq bog'langan sensorli tugunlarni o'z ichiga oladi.
Har bir sensorli tugun ma'lumotlarni to'plashda ishtirok etadi va bazaviy stansiyaga (BS) marshrutlashtirishga yordam beradi. Simsiz aloqa ko'p sonli sensorli tugunlar orasida sensorli tugunlarni boshqarish tizimi yordamida tarmoqni monitoring qilish va barcha aniq vazifalar uchun ma'lumotlarni to'plashni ta'minlash uchun amalga oshiriladi va keyin ma'lumotlarni uzatish barcha bog'langan tugunlarning energiyasini ulash orqali amalga oshiriladi. Odatda ST ma'lum bir SSTning to'liq bog'lanishi va ishonchliligini ta'minlash uchun energiyaning bo'sag'aviy qiymatlaridan foydalanish bilan minimal energiya mezonini o'rnatish asosida tanlanadi. 1-rasmda simsiz sensorlar tarmog'ining tuzilmasi keltirilgan.
SST an'anaviy ad-hoc tarmoqlarga o'xshaydi, ular tarmoqning o'lchamga bog'liq ravishda yuzlab tugunlarni o'z ichiga oladi,tugunlar parametrlarini aniqlash uchun bosh tugun (BT) lar bilan o'zaro bog'lanadi va ma'lumotlarni to'plash va BSga uzatishda ishtirok etadi, keyin BS radiochastotviy nuqtalarga keng tarqatishni amalga oshiradi. Tarmoqni boshqarishdagi asosiy muammolar tarmoq hududini shakllantirish, shuningdek, masshtablilik, ishonchlilik va resurslarni boshqarish kabi ba'zi sifat muammolariga bog'liq. Bu cheklovlar bir darajali tarmoqlardan olingan va BSS topologiyasini muvaffaqiyatli boshqarishga kiritilgan. Yaqinda o'tkazilgan tad qiqotlar natijalaridan ko'rinib turibdiki, tarmoq bo'yicha klasterlashtirish keng tarqalgan topologiya strategiyasi bo'lib, u STlarni harakatlanishi uchun tugunlarni va mo'ljallangan vazifalarni keyingi
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
boshqarish uchun tugunlarni guruhlash orqali ishlaydi. Bu klasterlashtirish usullari asosan uzoq yashash muddatili va ishonchli tarmoqlarni yaratish uchun samarali energiya iste'moliga qaratilgan.
1-rasm. Simsiz sensorlar tarmog'ining tuzilmasi
Ma'lumotlarni agregatsiyalash va klasterlashtirish jarayonlari asosan uzatiladigan ma'lumotlarning ma'lum hajmini yo'qotish va demak, tarmoqning masshtablanuvchanligi va xizmat qilish muddatini oshirish hisobiga tarmoqning umumiy energiya iste'molini kamaytirishga qaratilgan.
SST klasteri arxitekturasi
SST arxitekturasiga har doim, masalan rad etishlarga barqarorlik, energetik samaradorlik va masshtablanuvchanlik kabi bir nechta cheklovlarga ta'sir qiladi va bu ulardan ayrimlari hisoblanadi. Klaster bosh tugunini tanlashning maqsadi sensorli tugunlarning joylashishini optimallashtirish orqali alohida tugunlardan minimal uzatish energiyasini aniqlashan iborat. Sensorli tugunlarning har qanday modelidagi asosiy qadam SSTning yashash muddatini uzaytirish hisoblanadi. Ko'p hollarda tugun zaryadsizlanganda uni qayta zaryadlash yoki batareyalar bilan almashtirish mumkin bo'lmaydi. An'anaviy SST samaradorligida tugunlarni joylashtirish energiya iste'moli va murakkabligi tufayli kam samara beradi. BT uchun qaror qabul qilishda bir nechta yondashuvlar qo'llaniladi. Yechimlardan biri murakkablikni baholash va optimal yechimni topish yo'li bilan amalga oshiriladi, bu holda bu BT ni tanlash va tarmoqni moslashuvchan masshtablashtirish hisoblanadi.
Klaster arxitekturasi sensorli tugunlarni klasterlarga tizimli guruhlaydi, ularda barcha tugunlar bitta yuqori energiyali BT orqali boshqariladi. Har bir tarmoq klasteridagi har bir sensor mos BT bo'yicha xabarlarni uzatishda ishtirok etadi, BT esa o'z navbatida to'plangan ma'lumotlarni BS ga uzatadi, bu odatda simli tarmoqqa ulangan ulanish nuqtasi (UN) hisoblanadi.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Klasterli tarmoq arxitekturasi sensorli tarmoqlarga o'ziga xos ma'lumotlarni to'plash va uzatish potensialidan foydalanishga yordam beradi. Taklif etilgan FCEEC usuli
Tugunlarning to'liq bog'langanligini tadqiq qilish va BSga paketlarni muvaffaqiyatli yetkazib berish kanallari ega bo'lish uchun LEACH protokoliga yangi elektrostatik razryad algoritmi (ESDA) qo'shilgan to'liq bog'langan energetik samarador klasterlashtirish (FCEEC) sifatida o'zgartirildi. Barcha testlash holatlarida ESDA global optimallikka 60% dan ortiq aniqlik bilan yaqinlashishga ega bo'ldi, shu bilan bir vaqt boshqa usullar esa atigi 20% yaqinlashuvga ega. Bu shuni ko'rsatadiki, ESDA atigit 500 ta iteratsiyalarda boshqa usullarga qaraganda 33 baravar tezroq ishlaydi.
BTdan BSga ma'lumotlarni uzatish
2-rasm. FCEEC sxemasi 2000 ta iteratsiyalardan so'ng yaqinlashish aniq global optimal yechimning 85% dan ortig'iga yetadi. ESDA aytib o'tilgan boshqa usullarga nisbatan past vaqt murakkabligiga ega.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Ravshanki delta-hisoblash talab qilinadi, chunki gibrid algoritmdan foydalaniladi. Hisoblash ma'lumotlarni uzatish boshlanishidan oldin amalga oshirilganligi sababli, ko'p vaqt yo'qotilmaydi. Hisoblash ham BT ham eng qisqa yo'llarni tez bajarilishi sababli taklif qi lingan FCEEC usuli barcha kerakli tugunlarning aktiv bo'lishini ta'minlaydi, shunda hatto eng uzoq tugundan to'liq ma'lumotlar BS orqali yetkaziladi. Quyidagi ESD algoritmining ketma -ketligi keltiriladi.
1-qadam: Birinchidan, "Obj_Size" sifatida belgilangan tasodifiy ob'ekt o'lchami, ya'ni loyihalash maydonidagi elektr jihozlarining umumiy soni ishga tushiriladi.
1) Bugunlarning joylashuvi yaroqlilik qiymatini aniqlaydi. Agar muvofiqlik qiymati katta bo'lsa, qurilma elektrostatik razryaddan himoyalangan hisoblanadi.
2) Bundan tashqari, har bir qurilma maksimal hujumlar sonini hisobga olish uchun hisoblagichga ega. Bu ishga tushirish bosqichi deyiladi.
2-qadam: Ikkinchidan, aniqlangan optimallashtirish muammosiga yechim topish uchun ishga tushirish jarayoni "Max_Iter" marta takrorlanadi.
1) Har bir iteratsiyada uchta ob'eklart (manba, yuklama va qurbon) tasodifiy aniqlanadi va eng yaxshisi birinchi bo'lib saqlanadi.
2) Tasodifiy "n1" soni generatsiyalanadi. Agar ni>0,5 bo'lsa, faqat ikkita ob'ekt ishtirok etadi; aks holda uchta ob'ektlar ishtirok etadi.
3) Ikkita ob'ektlar bo'lganda, agar eng past yaroqlilikdagi ob'ekt eng yaxshi yaroqlilikdagi ob'ektga (2-ob'ekt 1-ob'ektga) harakat qilsa, u quyidagicha ifodalanadi:
Ps.update = Pi + 2a1p1 - Vi (1)
Bu yerda p2_update - 2-ob'ektning yangilangan holatsi, pi va p2 - har ikkala ob'ektlarning oldingi holatlari, ai - mos ravishda 0,7 va 0,2 o'rtacha va standart qiymatlarga ega bo'lgan ixtiyoriy son.
4) Bunday holda, 2-ob'ekt 1-ob'ektga yaqinlashganda, ESD 2-ob'ektga (jabrlanuvchiga) ta'sir qiladi. Bu to'g'ridan-to'g'ri elektrostatik razryad deyiladi.
5) ni<0,5 bo'ladigan hollarda ESD paydo bo'lishida uchta elementlar ishtirok etadi. Faraz qilaylik, uchinchi ob'ekt qolgan ikkita elementlar tomon harakatlanyapti
Psupdate = P3 + 2aiPi -P3 + 2a3p3 (2)
bu yerda a2 va a3 - o'rtacha SD = 0,7 va SD = 0,2 qiymtga ega bo'lgan normal taqsimot tasodifiy sonlari.
6) 3-ob'ekt 1 va 2-ob'ektlarga yaqinlashsa, u elektrostatik razryad qurboni hisoblanadi.
7) Bu bilvosita elektrostatik zaryadsizlanish deb ataladi. Har safar qurbonga hujum qilinganda uning hisoblagichi bir martaga ortadi.
3-qadam: endi qidiruv maydoni chegarasi ichidagi bog'langan elementlarni olib tashlash uchun tekshiriladi.
4-qadam: endi ob'ektlarning har biri tekshiriladi.
Agar ob'ekt uch martadan ortiq elektrostatik razryaddan jabr ko'rsa, ob'ekt butunlay shikastlanadi va qidiruv maydoni yangi tasodifiy ob'ekt bilan yangilanadi.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
1) aks holda, agar ESD ob'ektda <3 bo'lsa, boshqa tasodifiy "m" soni generatsiyalanadi.
2) agar n2 0,2 dan kichik qiymatga ega bo'lsa, ob'ektning bir qismi yo'qotiladi va almashtiriladi.
3) aks holda, ob'ekt elektrostatik razryaddan himoyalangan.
5-qadam: Yangi tugunlarni oldingilari bilan birlashtirgandan so'ng, keyingi iteratsiyalar takrorlanadi.
Mazmunan, ESD elektr zaryadsizlanish hodisasi bo'lib, u odatda zanjirlarda kuchlanishning keskin sakrashi yoki sig'imli aloqa samarasi tufayli yuzaga keladi. 4 -rasmda keltirilganidek, ESD modeli manba, yuklama va jabrlanuvchi kabi uchta asosiy elementlar yordamida tasvirlanadi. Garchi keraksiz bo'lsa-da, energiyani tezkor ulanishining afzalligi muammolarni qidirishga eng qisqa yo'lni samarali modellashtirish uchun ishlatiladi.
Aloqa ikki o'tkazgichlar orasidagi sig'im samarasi tufayli vujudga keladi, bu bir tugunni boshqa yaqin qo'shni tugunga ulanishiga ekvivalent ekan, paketlar tarmoq orqali tezda uzatiladi. Har bir raunddan keyin barcha tugunlarning umumiy energiyasining o'zgarishi 3-rasmda keltirilgan.
Enerqivani saqlash
Raundlar soni
LEACH ESD
-M- LEACH-C FCEEC
-A- BO-LEACH
3-rasm. LEACH sxemasi 500 ta bajarish sikllaridan so'ng, taklif etilgan FCEEC umumiy energiya tejashni LEACH usuliga qaraganda 81,25%ga, C-LEACH usuliga qaraganda 68,75%ga, BO-LEACH usuliga qaraganda 46,8 %ga va ESD usuliga qaraganda 30%ga oshirishi kuzatiladi. Sikllar 1000 ga yetganida energiyani saqlash LEACH usuliga qaraganda 96%ga, C- LEACH usuliga qaraganda 92%ga, BO-LEACH usuliga qaraganda 69,6%ga va ESD usuliga qaraganda 48%ga qo'shimcha ko'tariladi.
REFERENCES
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
1. M. Mozaffari, W. Saad, M. Bennis, and M. Debbagh, "Mobile unmanned aerial vehicles (UAVs) for energy-efficient internet of things communica-tions," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 11, 2017, pp. 7574-7589,
2. Vladislav Gubenko, Alisher Shakhobiddinov, Arthur Khatamov, Yelena Borisova. Investigation of spurious electromagnetic radiation in residential premises. International Conference on Information Science and Communications Technologies: applications, trends and opportunities. ICISCT 2021.
3. Zhang, T.; Mao, S. Energy-Efficient Federated Learning with Intelligent Reflecting Surface. IEEE Trans. Green Commun. Netw. 2021, 6, 845-858.
4. A. Al-Hourani, S. Kandeepan, and S. Lardner "Optimal lap altitude for maximum coverage,", Wireless Communications Letters, IEEE, vol. 3, no. 6, pp. 569-572, 2014.
5. D. Moltchanov, "Distance distributions in random networks," Ad Hoc Networks, vol. 10, no. 6, pp. 1146-1166, 2012. (Cited on page 40.)
6. Campion M., Ranganathan P., Faruque S. UAV swarm communication and control architectures: A review // Journal Unmanned Vehicle System. 2018. Vol. 7. P. 93-106.
