علوم رایانشی

علوم رایانشی

یک رویکرد خواب و بیدار مبتنی بر نظریۀ بازی‌ها جهت بهبود مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
ویدا یوسفی گل تپه 1
نستوه طاهری جوان 2
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکدۀ فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌‌المللی امام‌‌خمینی، قزوین، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکدۀ فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌‌المللی امام‌‌خمینی، قزوین، ایران
10.22034/csj.2024.192415
چکیده
در این پژوهش، یک رویکرد نوین برای بهبود عملکرد شبکه‌های حسگر بی‌سیم معرفی شده است. این رویکرد از تئوری بازی‌ها برای تدوین یک پروتکل دسترسی به کانالِ آگاه از مصرف انرژی استفاده می‌کند. در این رویکرد، ‌گره های حسگر با توجه به زمان بیکاری و تصمیمات همسایگان، تصمیم می‌گیرند که مصرف انرژی خود را با ورود به حالت خواب کاهش دهند یا در شبکه فعالیت داشته باشند و در جلورانی بسته‌ها مشارکت کنند. هر گره، با توجه به میزان انرژی باقی‌مانده، اندازه پنجره رقابت خود را برای کاهش تصادم بسته‌ها تنظیم می‌کند. این تنظیمات منجر به افزایش تعداد بسته‌های تحویل داده شده به مقصد می‌شود. به منظور جلوگیری از رفتارهای خودخواهانه ‌گره ها، یک سازوکار مجازات نیز در رویکرد در نظر گرفته شده است. این سازوکار مجازات، ‌گره ها را ترغیب به انتخاب راهبرد‌های همکارانه و مشارکت در فعالیت‌‌های شبکه می‌کند. نتایج شبیه‌‌سازیِ راهکار پیشنهادی در مقایسه با الگوریتم‌‌های LEACH و LGCA نشان می‌دهد که این رویکرد به طور میانگین حدود 5/10 درصد مصرف انرژی را کاهش بخشیده و موجب بهبود طول عمر شبکه شده و در مقابل به طور متوسط موجب افزایش 5/6 درصدیِ تاخیر انتها‌‌-به-انتها می‌‌گردد.
کلیدواژه‌ها
شبکه‌های حسگر بی‌سیم
نظریه بازی‌ها
مصرف انرژی
طول عمر شبکه
زمان‌بندی خواب و بیدار
پروتکل دسترسی به کانال
موضوعات
  1. Srivastava, P. L. Mishra, “A Survey on WSN Issues with its Heuristics and Meta-Heuristics Solutions,” Wireless Personal Communications, vol. 121, pp. 745–814, 2021.
  2. میثم یدالله زاده طبری "ارائه یک الگوریتم مسیریابی انرژی‌آگاه جهت متوازن‌سازی جریان ترافیک داده در شبکه‌های حسگر بی‌سیم باتکیه برانتخاب بهینۀ گره سرخوشه،" مجلۀ علوم رایانشی، محاسبات نرم، دورۀ 6، شمارۀ 1، صفحات 91- 102، اردیبهشت 1400.
  3. Alawad and F. A. Kraemer, "Value of Information in Wireless Sensor Network Applications and the IoT: A Review," IEEE Sensors Journal, vol. 22, no. 10, pp. 9228-9245, 15 May15, 2022.
  4. سیده مولود امینی و سام جبه داری، "ارائه یک مسیر حرکت مناسب برای چاهک‌های متحرک درجهت کاهش مصرف انرژی،" مجلۀ علوم رایانشی، محاسبات نرم، دورۀ 2، شمارۀ 1، صفحات 46- 54، خرداد 1396.
  5. Kanoun et al., “Energy-Aware System Design for Autonomous Wireless Sensor Nodes: A Comprehensive Review,” Sensors, vol. 21, no. 2, p. 548, Jan. 2021.
  6. A. Evangelakos, D. Kandris, D. Rountos, G. Tselikis, and E. Anastasiadis, “Energy Sustainability in Wireless Sensor Networks: An Analytical Survey,” Journal of Low Power Electronics and Applications, vol. 12, no. 4, p. 65, Dec. 2022.
  7. J. Williams, M. F. Torquato, I. M. Cameron, A. A. Fahmy and J. Sienz, "Survey of Energy Harvesting Technologies for Wireless Sensor Networks," IEEE Access, vol. 9, pp. 77493-77510, 2021.
  8. Singh, R. Kaur, and D. Singh, “Energy harvesting in wireless sensor networks: A taxonomic survey,” International Journal of Energy Research, vol. 45, no. 1, pp.118-140, 2021.
  9. Mateen, A. Ahad, S. Zia, I. Shayea and S. Ali, "Energy-efficient routing to prevent void holes in heterogeneous 5G wireless sensor network using game theory," International Conference on Smart Computing and Application (ICSCA), Hail, Saudi Arabia, 2023, pp. 1-6.
  10. S. Shahryari, L. Farzinvash, M. R. Feizi-Derakhshi, and A. Taherkordi, “High-throughput and energy-efficient data gathering in heterogeneous multi-channel wireless sensor networks using genetic algorithm,” Ad Hoc Networks, vol. 139, pp. 103041, 2023.
  11. Nassra and J. V. Capella, “Data Compression Techniques in IoT-enabled Wireless Body Sensor Networks: A Systematic Literature Review and Research Trends for QoS Improvement,” Internet of Things, p.100806, 2023.
  12. S. Uthayakumar, B. Dappuri, M. Vanitha, R. Suganthi, V. Savithiri, and S. Kamatchi, “Design criteria for enhanced energy constraint MAC protocol for WSN,” Measurement: Sensors, vol. 25, p.100642, 2023.
  13. M. L. Abdulzahra, A. K. M. Al-Qurabat, and S. A. Abdulzahra, “Optimizing energy consumption in WSN-based IoT using unequal clustering and sleep scheduling methods” Internet of Things, vol. 22, pp.100765, 2023.
  14. Reyes, F. García, M. E. Lárraga, J. Gómez and L. Orozco-Barbosa, "Game of Sensors: An Energy-Efficient Method to Enhance Network Lifetime in Wireless Sensor Networks Using the Game of Life Cellular Automaton," IEEE Access, vol. 10, pp. 129687-129701, 2022.
  15. Seif El-Nasr, B. Aghabeigi, D. Milam, M. Erfani, B. Lameman, H. Maygoli, and S. Mah, “Understanding and evaluating cooperative games, SIGCHI conference on human factors,” computing systems, pp. 253-262, 2010.
  16. Gupta, N. Singh Aulakh, and I. Kaur Aulakh, “A game theory‐based clustering and multi‐hop routing scheme in wireless sensor networks for energy minimization,” International Journal of Communication Systems, vol. 35, no. 10, pp. e5176, 2022.
  17. Lin, Q. Wang, "A game theory based energy efficient clustering routing protocol for WSNs", Wireless Networks, vol. 23, no. 4, pp. 1101-1111, 2017.
  18. AlSkaif, M. G. Zapata and B. Bellalta, "Game theory for energy efficiency in Wireless Sensor Networks: Latest trends," Journal of Network and Computer Applications, vol. 54, 2015.
  19. Churkin, J. Bialek, D. Pozo, E. Sauma and N. Korgin, "Review of Cooperative Game Theory applications in power system expansion planning," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 145, 2021.
  20. Wang, Y. Xia and S. Zhao, "Clustering Routing Algorithm for Wireless Sensor Network Based on Mixed Strategy Game Theory," Sensors and Materials, vol. 34, no. 2, pp. 885-896, 2022.
  21. Lin and Q. Wang, "An Energy-Efficient Clustering Algorithm Combined Game Theory and Dual-Cluster-Head Mechanism for WSNs," IEEE Access, vol. 7, pp. 49894-49905, 2019.
  22. Churkin, J. Bialek, D. Pozo, E. Sauma, N. Korgin, "Review of Cooperative Game Theory applications in power system expansion planning", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 145, pp. 111056, 2021.
  23. Kim, H. Lee and S. Lee, "A cross-layer optimization for energy-efficient MAC protocol with delay and rate constraints," 2011 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), Prague, Czech Republic, 2011, pp. 2336-2339.
  24. Li, G. Huang, Q. Yang and M. Xie, "Adaptive Contention Window MAC Protocol in a Global View for Emerging Trends Networks," IEEE Access, vol. 9, pp. 18402-18423, 2021.
  25. Pati, J. L. Sarkar and C. R. Panigrahi, “ECS: An Energy-Efficient Approach to Select Cluster-Head in Wireless Sensor Networks,” Arabian Journal for Science and Engineering, vol. 42, no. 2, pp.669-676, 2016.
  26. Ajmi, A. Helali, P Lorenz and R Mghaieth, "SPEECH-MAC: Special purpose energy-efficient contention-based hybrid MAC protocol for WSN and Zigbee network", International Journal of Communication Systems, vol. 34, no. 1, 2021.
  27. Huamei, F. Linlin, Y. Zhengyi, Y. Weiwei and W. Jia, "An energy-efficient MAC protocol based on receiver initiation and multi-priority backoff for wireless sensor networks", IET Communications, vol. 15, no. 20, pp. 2503-2512, 2021.
  28. N. Sakib, M. Drieberg and A. A. Aziz, "Energy-Efficient Synchronous MAC Protocol based on QoS and Multi-priority for Wireless Sensor Networks," 11th IEEE Symposium on Computer Applications & Industrial Electronics (ISCAIE), Penang, Malaysia, 2021, pp. 347-352.
  29. N. Sakib, M. Drieberg, S. Sarang, A. A. Aziz, N. T. T. Hang, and G. M. Stojanović, “Energy-Aware QoS MAC Protocol Based on Prioritized-Data and Multi-Hop Routing for Wireless Sensor Networks,” Sensors, vol. 22, no. 7, p. 2598, Mar. 2022.
  30. Eman Alzahrani, Fatma Bouabdallah, Hind Almisbahi, "State of the Art in Quorum-Based Sleep/Wakeup Scheduling MAC Protocols for Ad Hoc and Wireless Sensor Networks", Wireless Communications and Mobile Computing, vol. 22, Article ID 6625385, 33 pages, 2022.
  31. K. Garg, "Wireless Local Area Networks," in Wireless Communications & Networking, pp. 713-776, October. 2007.
  32. Sinde, F. Begum, K. Njau, Sh. Kaijage, "‌ Lifetime improved WSN using enhanced-LEACH and angle sector-based energy-aware TDMA scheduling," Cogent Engineering, vol. 7, no. 1, January. 2020.
  33. Liu, M. Liu, " Energy-efficient clustering algorithm based on game theory for wireless sensor networks," International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 13, no. 11, Nov. 2017.