ترکیب بهینه مسیریابی و اختصاص دامنه ارسال در شبکه‌های بی‌سیم اقتضائی

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسنده

باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان - واحد خمین - دانشگاه آزاد اسلامی

چکیده

یک شبکه بی‌سیم اقتضائی، مجموعه‌ای از گره‌های بی‌سیم با انرژی کم است که باید بدون زیرساخت و مدیریت متمرکز بتوانند با انعطاف‌پذیری بالایی با یکدیگر ارتباط داشته باشند. دامنه و قدرت ارسال گره‌ها نقش مهمی در توان مصرفی این شبکه‌ها ایفا می‌کند و الگوریتم‌های اختصاص دامنه تلاش می‌کنند که دامنه ارسال بهینه‌ای را برای گره‌ها مشخص کنند. البته، اختصاص دامنه بر روی توپولوژی شبکه بی‌سیم و مسئله مسیریابی تأثیر می‌گذارد. اگرچه در تحقیقات مختلف، مسیریابی و اختصاص دامنه به‌صورت جداگانه مدنظر قرار گرفته، اما ثابت شده است که بکار بستن هم‌زمان مسیریابی و اختصاص دامنه باعث بهبود کارآیی شبکه خواهد شد. در این مقاله، ترکیب مسئله اختصاص دامنه و مسیریابی در شبکه‌های بی‌سیم به‌صورت یک بهینه‌سازی غیرخطی مدل شده است که می‌تواند به درک کامل‌تر مسئله به محققان کمک کند و به‌عنوان معیاری برای طراحی الگوریتم‌هایی در آینده قرار گیرد، با این حال، حل مسئله بهینه‌سازی ارائه شده نیاز به یک مدیریت متمرکز دارد و برای شبکه‌های بی‌سیم بزرگ غیرعملی و غیرممکن است. بنابراین در این مقاله با استفاده از روش زیرگرادیان و تکنیک تفکیک، یک الگوریتم توزیع‌شده برای حل مسئله اختصاص دامنه و مسیریابی ارائه شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که الگوریتم پیشنهادی نسبت به حالت بهینه، مصرف توان و تأخیر بیشتری دارد، اما قابلیت اطمینان شبکه را بهبود می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimal Combination of Routing and Transmission Range Assignment in Wireless Ad Hoc Networks

نویسنده [English]

  • M. Khalily-Dermany
Young Researchers and Elite Club, Khomein Branch, Islamic Azad University, Khomein, Iran
چکیده [English]

A wireless ad hoc network consists of a collection of wireless nodes with bounded energy that is capable communicating with each other reliably without the use of a network infrastructure or any centralized administration. Transmission range and power of nodes play a dominant role in energy consumption and range assignment, algorithms try to specify an optimal transmission range for nodes. Transmission range effects on network topology and the optimal route between nodes. Although routing and range assignment have been considered by researchers separately, there is a few highlights research about employing routing and range assignment jointly while this combination leads in improving network performance. In this paper, the combination of range assignment and routing problem is modeled as an optimization problem. Although, the mathematical formulation can help us to estimate the problem characteristic and figure out the firmness of it, solving this optimization problem is impossible and impractical in the large-scale wireless network. By utilizing sub-gradient and decomposition methods, a distributed algorithm is proposed where applied range assignment and routing problem jointly. Simulation results show that the distributed algorithm has more power consumption and delay with respect to optimal model but it provides more reliability for networks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wireleless ad hoc networks
  • range assignment
  • sub-gradient
  • optimization
[1]      مریم کاکاوند میرزایی و جلیل سیفعلی هرسینی، «طراحی یک مکانیسم تدافعی برای بهبود امنیت در لایه فیزیکی با رویکرد نظریه بازی‌ها: کاربرد در شبکه‌های اقتضایی خودرویی،» مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره 47، شماره 1، صفحات 211-220، 1396.
[2]      A. Bhattacharya and K. Sinha, "An efficient protocol for load-balanced multipath routing in mobile ad hoc networks," Ad Hoc Networks, vol. 63, pp. 101-114, 2017.
[3]      محمود پرنده و سیدهادی اقدسی علمداری، «ارائه پروتکل ارسال داده انرژی-کارا مبتنی بر موقعیت برای شبکه‌های حسگر بصری،» مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره 47، شماره 1، صفحات 29-38، 1396.
[4]      R. Tynan, G. M. P. O'Hare, and A. Ruzzelli, "Autonomic wireless sensor network topology control," in IEEE International Networking, Sensing and Control, pp. 7-13, 2007.
[5]      Z. Ming, and X. Bugong, "Layer-based self-organizing topology control for sensor networks," in 27th Chinese Control Conference CCC, pp. 516 – 520, 2008.
[6]      A. Youssef, A. Agrawala, and M. Younis, "Accurate anchor-free node localization in wireless sensor networks," in 24th IEEE International Performance, Computing, and Communications Conference, IPCCC,  pp. 465-470, 2005.
[7]      M. Khalily-Dermany, and M. J. Nadjafi-Arani, "Itinerary planning for mobile sinks in network-coding-based wireless sensor networks." Computer Communications, vol. 111, pp. 1-13, 2017.
[8]      K. Sohraby, D. Minoli, and T. F. Znati, Wireless Sensor Networks: Technology, Protocols, and Applications, Wiley-Interscience, 2007.
[9]      P. Santi, Topology Control in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, Wiley, 2005.
[10]      M. Khalily-Dermany, M. Shamsi, and M. Nadjafi-Arani, "A convex optimization model for topology control in network-coding-based-wireless-sensor networks," Ad Hoc Networks, vol. 59, pp. 1-11, 2017.
[11]      L. Li, J. Y. Halpern, P. Bahl, Y. M. Wang, and R. Wattenhofer, "A cone-based distributed topology-control algorithm for wireless multi-hop networks," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 13, no. 1, pp. 147-159, 2005.
[12]      M. A. Labrador, and P. M. Wightman, Topology Control in Wireless Sensor Networks: with a Companion Simulation Tool for Teaching and Research, Springer, 2009.
[13]      E. Alotaibi, and B. Mukherjee, "A survey on routing algorithms for wireless Ad-Hoc and mesh networks," Computer Networks, vol. 56, no. 2, pp. 940-965, 2012.
[14]      A. Cerpa, and D. Estrin, "ASCENT: Adaptive self-configuring sensor networks topologies," IEEE transactions on mobile computing, vol. 3, no. 3, pp. 272-285, 2004.
[15]      M. Khalily-Dermany, "A convex programming for range assignment to optimize lifetime in network-coding-based-wireless-sensor networks," International Journal of Wireless Information Networks, pp. 1-6, 2017.
[16]      R. K. Ahuja, T. L. Magnanti, and J. B. Orlin, Network Flows: Theory, Algorithms, And Applications, Prentice-Hall, Inc., 1993.
[17]      R. Ahlswede, C. Ning, S. Y. R. Li, and R. W. Yeung, "Network information flow," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 46, no. 4, pp. 1204-1216, 2000.
[18]      M. Khalily-Dermany, M. Sabaei, and M. Shamsi, "Topology control in network–coding–based–multicast wireless sensor networks," International Journal of Sensor Networks, vol. 17, no. 2, pp. 93-104, 2015.
[19]      M. Khalily-Dermany, and S. Sharifian, "Effect of various topology control mechanisms on maximum information flow in wireless sensor networks," Smart CR, vol. 5, no. 1, pp. 10-18, 2015.
[20]      F. Hamzeloei and M. Khalily-Dermany, "A TOPSIS based cluster head selection for wireless sensor network," Procedia Computer Science, vol. 98, pp. 8-15, 2016/01/01 2016.
[21]      یاسر عظیمی، وحید هاشمی‌فرد و جمشید باقرزاده «تشخیص توزیع شده و مشارکتی حمله کرمچاله در شبکه‌های حسگر بی‌سیم،» مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره 46، شماره 4، صفحات 195-206، 1395.
[22]      S. Boyd and L. Vandenberghe, Convex Optimization, Cambridge University Press, 2004.
[23]      A. Ramamoorthy, "Minimum cost distributed source coding over a network," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 57, no. 1, pp. 461-475, 2011.
[24]      D. Lianghui, W. Ping, W. Hao, P. Zhiwen, and Y. Xiaohu, "Lifetime maximization with inter-session network coding in energy constrained wireless networks," in IEEE 73rd Vehicular Technology Conference (VTC Spring), pp. 1-5, 2011.
[25]      P. Yuyang, F. Al-Hazemi, R. Boutaba, F. Tong, I. Hwang, and C. Youn, "Enhancing energy efficiency via cooperative MIMO in wireless sensor networks: State of the art and future research directions," IEEE Communications Magazine 55, no. 11, pp. 47-53, 2017.
[26]      T. Cui, L. Chen, and T. Ho, "On distributed scheduling in wireless networks exploiting broadcast and network coding," IEEE Transactions on Communications, vol. 58, no. 4, pp. 1223-1234, 2010.
[27]      D. P. Bertsekas, A. Nedić, and A. E. Ozdaglar, Convex Analysis and Optimization, Athena Scientific, 2003.
[28]      D. P. Bertsekas, Constrained optimization and Lagrange multiplier methods, Athena Scientific, 1996.
V. Shah-Mansouri, and V. W. S. Wong, "Maximum-lifetime coding subgraph for multicast traffic in wireless sensor networks," in IEEE Global Telecommunications Conference, GLOBECOM, pp. 1-6, 2008.