Kablosuz Algılayıcı Ağlarda Düğüm Sayılarının Mobil Baz İstasyonu İyileştirmesi Üzerine Etkisi Kadir Tohma 1, Yakup Kutlu 2 1 İskenderun Teknik Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Hatay, Türkiye; kadir.tohma@iste.edu.tr 2 İskenderun Teknik Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Hatay, Türkiye; yakup.kutlu@iste.edu.tr Özet Kablosuz Algılayıcı Ağlarda (KAA) ağ ömrünün arttırılabilmesi için çeşitli algoritmalar tasarlanmıştır. HEED ve K-means bu algoritmalardan bazılarıdır. Bu çalışmada HEED ve K- means algoritmaları üzerinde dinamik baz istasyonu kullanılmış ve sabit baz istasyonu konumlandırmasına göre farklı sayılarındaki etkileri incelenmiştir. OMNeT++ ağ benzetim simülasyon programı ile elde edilen sonuçlarda sayısının artışının iyileştirme oranlarını arttırdığı gözlemlenmiştir. Düğüm sayısının belli bir değeri aşmasından sonra sabit baz istasyonu konumlandırması ile dinamik baz istasyonu konumlandırması arasındaki ağ ömrü iyileştirme oranının etkilenmediği gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Kablosuz algılayıcı ağlar, HEED, K-means, Dinamik baz istasyonu 1. GİRİŞ Kablosuz algılayıcı ağlar (KAA) hizmet, veri ve fiziksel katman olarak adlandırılan üç katmandan oluşan ve çok sayıda algılayıcı den meydana gelen bir yapıdır. Algılayıcıların yenilenmeleri ve tekrar enerji depolamaları çok güç olduğundan enerji tasarrufu sağlayacak algoritmalar geliştirilmiştir [1]. Enerjinin daha verimli kullanımı için araştırmacılar sensörlerin enerji potansiyellerini arttırma [2], verinin işlenmesi [3],[4], gönderilecek verinin en az maliyetli duruma getirilmesi [5], verinin iletilmesi sırasındaki yönlendirme teknikleri [6] ile verinin yönlendirme maliyetinin en aza düşürülerek hedefe ulaştırılması [7] ve enerji efektif kümeleme algoritmalarının tasarlanması [8] konuları üzerine odaklanmıştır [9]. Bazı çalışmalarda baz istasyonunun doğru şekilde konumlandırılmasının da enerji verimliliğin sağlanması açısından oldukça önemli olduğu gözlemlenmiştir [10]. KAA da baz istasyonunun hareketi çeşitli parametreler ve algoritmalar ile sağlanmaktadır. Düğümlerin kalan enerji miktarları, konum bilgileri gibi parametrelerin kullanıldığı çalışmalarda [10] lerin ağ alanına dağılımı ve sayıları ağ ömrüne direkt olarak etki etmektedir. Bu çalışmada KAA da mobil baz istasyonu kullanılan ağda sayılarının ağ ömrü üzerine etkileri incelenmiştir. Çalışmada HEED [11] protokolünün ve HEED protokolünün parametlerini kullanan K-means kümeleme algoritmasının simülasyonları yapılmıştır. Simülasyonları yapılan bu algoritmalar üzerinde sabit ve dinamik baz istasyonu kullanılmıştır. Düğüm sayısı değişiminin dinamik baz istasyonu kullanılması ile elde edilen enerji verimliliğine etkileri incelenmiştir. 1
Kadir Tohma ve Yakup Kutlu; Kablosuz Algılayıcı Ağlarda Düğüm Sayılarının Mobil Baz İstasyonu İyileştirmesi Üzerine Etkisi Bölüm 2 de Önceki Çalışmalar, Bölüm 3 te Materyal ve Yöntem, Bölüm 4 te Simülasyon Sonuçları, Bölüm 5 te ise Sonuç yer almaktadır. 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR KAA da ağ ömrünün arttırılabilmesi ve bu sayede daha fazla veri iletimi sağlanabilmesi için çok sayıda çalışma yapılmıştır. HEED [11] protokolü literatürde çokça kullanılan protokoller arasındadır. Bu çalışmada ayrıca HEED protokolünün parametrelerinin kullanıldığı K-means [12] kümeleme algoritması da KAA da kullanılmıştır. KAA da baz istasyonu hareketi ile enerji verimli algoritmalar geliştirilmiştir. Bu algoritmalar ile lerin konum bilgilerinin kullanıldığı çok sayıda çalışmanın [13, 14, 15] yanısıra lerin kalan enerjisi parametresinin de kullanıldığı çalışma [10] da literatürde mevcuttur. Ayrıca ağ alanı büyüklüğünün ağ ömrüne etkilerini araştıran alternatif yayınlar da mevcuttur [16]. Bu çalışmada dinamik baz istasyonu konumlandırmasında lerin konum bilgileri ve kalan enerji seviyelerinin de baz hareketine etki ettiği bir çalışma kullanılmış [10] ve sayısı değişiminin çalışmaya etkileri incelenmiştir. 3. MATERYAL VE YÖNTEM Bu çalışmada KAA da enerji verimli yönlendirme algoritmalarından olan HEED protokolü ve bu protokolün parametre değerlerinin kullanıldığı K-means kümeleme algoritması kullanılmıştır. 3.1 HEED HEED algoritması KAA da dağıtık olarak kümelemenin olduğu ve küme başlarının olasılıksal bir şekilde seçildiği bir algoritmadır. Bu algoritmada lerin kalan enerjileri ve konum bilgileri etkili parametreler olarak kullanılmıştır. Şekil 1 de bu protokolün genel yapısı gösterilmiştir. Şekil 1: HEED protokolünün genel yapısı 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey 2
Küme liderlerinin olasılıksal bir şekilde seçildiği HEED de küme liderlerinin seçimde kullanılan Kb p değerinin hesaplanması Denklem (1) de gösterilmiştir. Kb p =K p E d E max (1) Denklemdeki Kb p ; küme lideri seçimi olasılığını, K p ; olasılık değişkenini, E d ün kalan enerjisini, E max ise toplam maliyeti göstermektedir. Şekil 2 de ise HEED protokolünün genel akış şeması gösterilmiştir. 3.2 K-means Şekil 2: HEED protokolü genel akış şeması. K-means [12] algoritması en uygun sonuç elde edilene kadar kümelerin sürekli olarak yenilendiği bölümlemeli bir algoritmadır. Amaç özellik çıkarımı yapılmış bir grup verininbirden fazla küme özelliğine göre hangi kümeye ait olduğunun bulunmasıdır. Şekil 3 te K-means algoritmasının genel akış şeması 3 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey
Kadir Tohma ve Yakup Kutlu; Kablosuz Algılayıcı Ağlarda Düğüm Sayılarının Mobil Baz İstasyonu İyileştirmesi Üzerine Etkisi gösterilmiştir. Algoritma temel olarak 4 aşamadan oluşmaktadır. Sırasıyla, kümeler belirlenir (ilk küme merkezleri rastgele seçilir), merkez haricindeki örnekler mesafelerine göre sınıflandırılır, bu sınıflandırmaya göre yeni merkezler belirlenir(veya eski merkezler yeni merkezlere kaydırılır), kararlı hale gelinene kadar 2. ve 3. Adımlar tekrarlanır. 4. Simülasyon Sonuçları Şekil 3: K-means algoritmasının genel akış şeması Bu çalışmada ücretsiz olarak dağıtılan OMNeT++ ağ benzetim simülasyon yazılımı [17] kullanılmıştır. HEED ve K-means algoritmaları üzerinde sabit ve dinamik baz istasyonu kullanılmış, HEED ve K-means algoritmaları üzerinde farklı sayılarında simülasyonlar yapılmıştır. HEED protokolünün simülasyon parametrelerinin kullanıldığı bu çalışmada 100 ile 1000 değerleri arasında değişen sayıları kullanılmıştır. Diğer parametreler ise yapılan tüm simülasyonlarda aynı olarak kullanılmıştır. Simülasyon parametreleri Tablo 1 de gösterilmiştir. Tabloda sabit baz istasyonunun konumu belirtilirken dinamik baz istasyonunun konumu, parametre değerlerine göre değişeceğinden belirtilmemiştir. Baz istasyonu konumunu etkileyen parametreler, lerin kalan enerji değerleri ve konum bilgileridir. 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey 4
Tablo 1. Parametreler ( * Değişen parametreler) Parametreler Değerler Ağ alanı 100 m * 100 m *Düğüm sayısı 100,200,300,500,750,1000 Küme başı olasılığı (C prob ) 0.05 Devrede sinyali almak veya iletmek için harcanan enerji (E elec ) Kısa mesafelerdeki iletim için yükselteçlerin harcadığı enerji (E fs ) Uzun mesafelerdeki iletim için yükselteçlerin harcadığı enerji (E mp ) Veri Birleştirme Enerjisi (E DA )(E fusion ) Veri paketi boyutu Yayım paket boyutu Paket başlığı boyutu Küme yarıçapı Başlangıç enerjisi (E 0 ) Eşik mesafesi (d 0 ) Sabit baz istasyonu konumu 50 nj/bit 10 pj/bit/m 2 0.0013 pj/bit/m 4 5 nj/bit/signal 100 byte 25 byte 25 byte 25 m 0.25 J 75 m x:50 m, y:175 m Yapılan simülasyonlarda farklı sayılarında sabit ve dinamik baz istasyonu konumlandırmalarındaki ağ yaşam süreleri (döngü sayıları) Tablo 2 de gösterilmiştir. Ağ yaşam süresi, lerin tamamının öldüğü andaki döngü sayısını ifade etmektedir. Farklı sayılarında elde edilen sonuçlara göre sayısı arttıkça sabit ve dinamik baz istasyonlu ağlarda ağın yaşam süreleri de artmaktadır. Fakat sayısı arttıkça belli bir süre sonra yaşam süresinde ciddi bir değişimin olmadığı görülmektedir. Tablo 2. Farklı sayılarında sabit ve dinamik baz istasyonu konumlandırmasında ağ yaşam süresi (döngü sayıları) 100 200 300 500 750 1000 HEED sabit baz 1581 1602 1603 1604 1611 1619 HEED dinamik 3465 3791 3817 3842 3861 3895 baz K-means sabit baz 1627 1808 1807 1809 1816 1821 K-means dinamik baz 3260 3987 3987 4058 4087 4106 5 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey
Kadir Tohma ve Yakup Kutlu; Kablosuz Algılayıcı Ağlarda Düğüm Sayılarının Mobil Baz İstasyonu İyileştirmesi Üzerine Etkisi Tablo 2 den elde edilen bir diğer sonuç ise ağın yaşam sürelerindeki iyileştirme oranlarıdır.sabit ve dinamik baz istasyonu konumlandırmalarına sahip, farklı sayılarındaki HEED ve K-means algoritmaları için sonuçlar ayrı ayrı incelenerek elde edilen iyileştirme oranları grafiksel olarak Şekil 4 te gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlarda sayısı arttıkça iyileştirme oranlarının da arttığı görülmüştür. Bu iyileştirme oranları 200 lü ağlara kadar yüksek miktardadır. Ancak 200 den sonra 1000 e kadar yapılan testlerde artış oranının devam ettiği fakat bu artış oranının çok az miktarda olduğu gözlemlenmiştir. %'lik fark 145 135 125 115 105 95 100 200 300 500 750 1000 Düğüm Sayısı HEED K-means Şekil 4: Farklı sayılarında sabit baz istasyonu konumlandırmasına kıyasla dinamik baz istasyonu konumlandırmasının ağ ömrünü iyileştirme oranları Ağ alanının değişimi ile ağ ömrünün nasıl etkilendiği geçmiş çalışmalarda gösterilmiştir [16]. Bu çalışmada ise aynı ağ alanı üzerinde farklı sayılarında simülasyonlar yapılmıştır. 5. SONUÇ KAA da yönlendirme ve kümeleme algoritmaları ile birlikte baz istasyonu konumlandırması da ağ yaşam süresini önemli ölçüde etkilemektedir. Baz istasyonu hareketinin temel alındığı çalışmalarda, sayısı etkisinin bazın hareketinden kaynaklanan etkiyi ne ölçüde değiştirdiği incelenmemiştir. Bu çalışmada KAA da ağ ömrünün arttırılabilmesi için HEED ve K-means algoritmaları üzerinde kullanılan dinamik baz istasyonunun farklı sayılarındaki etkileri incelenmiştir. OMNeT++ ağ benzetim simülasyon programı kullanılarak elde edilen sonuçlarda sayısı artışının iyileştirme oranlarını arttırdığı gözlemlenmiştir. Düğüm sayısının belli bir değeri aşmasından sonra sabit baz istasyonu konumlandırması ile dinamik baz istasyonu konumlandırması arasındaki ağ ömrü iyileştirme oranının etkilenmediği gözlemlenmiştir. REFERANSLAR [1] http://en.wikipedia.org/wiki/wireless_sensor_network, Accessed: August 2016. [2] Feng J., Koushanfar F. and Potkonjak M., (2005) Handbook of Sensor Networks Compact Wireless and Wired Sensing Systems, Sensor Network Architecture, CRC Press. [3] Hernández C. F. G., (2007). Wireless Sensor Networks and Applications: a Survey, IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, 7 (3): 264-270. [4] Heinzelman W., Chandrakasan A. and Balakrishnan H., (2000). Energy-Effcient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks, 33rd Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS '00). 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey 6
[5] Arampatzis T., Lygeros J. and Manesis, S., (2005) A Survey of Applications of Wireless Sensors and Wireless Sensor Networks, IEEE International Symposium on, Mediterrean Conference on Control and Automation, s. 719-724, Limasol, Cyprus. [6] Akkaya K. and Younis M. (2005) A Survey of Routing Protocols, Elsevier Ad Hoc Network, 3(3): 325-349. [7] Al-Karaki J. N. and Kamal A. E. (2004) Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: a Survey, EEE Wireless Communication, 11(6): 6-28. [8] Tohma K., Aydın M. N., & Turgut, İ. A., (2015) Improving the LEACH protocol on wireless sensor network. 23nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU) (pp. 240-243). IEEE. [9] Boyacı A., Ata F., & Balık H. H., (2013) Telsiz Duyarga Ağlarda Kullanılan Yönlendirme Tekniklerinin Enerji Verimliliği Açısından Karşılaştırması, Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 2(1). [10] Tohma K., Abasıkeleş-Turgut, İ. and Kutlu, Y., (Baskıda) A Novel Dynamic Base Station Positioning Method For Wireless Sensor Networks. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi (Baskıda). [11] Younis O. and Fahmy S., (2004) "HEED: a hybrid, energy-efficient, distributed clustering approach for ad hoc sensor networks.", Mobile Computing, IEEE Transactions on, 3(4), 366-379, 2004. [12] Hartigan J. A. and Wong M. A. (1979), "Algorithm AS 136: A k-means clustering algorithm." Journal of the Royal Statistical Society. Series C (Applied Statistics), 28(1), 100-108, 1979. [13] Yun Y. S. and Xia Y. (2010), "Maximizing the lifetime of wireless sensor networks with mobile sink in delay-tolerant applications." Mobile Computing, IEEE Transactions on 9(9), 1308-1318. [14] Pavithra M. K and Ghuli P. (2015) "A Novel Approach for Reducing Energy Consumption Using K-Medoids in Clustering Based WSN." International Journal of Science and Research (IJSR), 4(6). [15] Liang W., Luo J. and Xu X. (2010) "Prolonging network lifetime via a controlled mobile sink in wireless sensor networks." Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2010). [16] Tohma K., Turgut, İ. A., Korkmaz C., Kutlu, Y. (2016) Performance Evaluation of Mobile Base Station under different Network Sizes on cluster-based wireless sensor networks. Natural and Engineering Sciences. 1(3), 1-9. [17] Varga A. "The OMNeT++ discrete event simulation system. Proceedings of the European simulation multiconference (ESM 2001). 9, 185, 2001. 7 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey