طراحی یک شبکه‌ی ارتباطی با قابلیت اطمینان از پیش‌تعریف‌شده با استفاده از یک الگوریتم تکرارشونده در شبکه‌های حسگر بی‌سیم زیرآب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری مهندسی فناوری اطلاعات اطلاعات دانشکده‌ی مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 دانشجوی دکترای مهندسی فناوری اطلاعات دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

امرزه مزایای تجاری و اقتصادی بیشماری از اعماق دریاها و اقیانوس‌ها قابل حصول است. بدیهی است که در راستای بالفعل کردن هر چه بیشتر این مزایا باید بتوان به شکل برخط بر این پهنه‌های آبی نظارت نمود و با تصمیم‌گیری‌های مناسب بر آن‌ها تأثیر گذاشت. یکی از فناوری‌هایی که می‌تواند در این راستا مورد استفاده قرار گیرد، شبکه‌‌ی حسگر بی‌سیم زیرآبی است. با توجه به گستردگی محیط‌های تحت پوشش و نیازمندی‌هایی مثل قابلیت اطمینان بالا و تأخیر کم، طراحی بهینه این شبکه با پیچیدگی بسیاری مواجه است.
هدف این پژوهش ارائه‌ی روشی برای طراحی بهینه یک شبکه‌ی بی‌سیم زیرآبی جهت تحقق قابلیت اطمینان قابل قبول است. ایده‌ی این مقاله برای کاهش پیچیدگی، تقسیم مسئله به دوقسمت و حل تکرارشونده آن است. در قسمت اول با استفاده از یک مسئله مبتنی بر برنامه‌ریزی خطی، یک شبکه از روترها برای پوشش کل حسگرها ساخته خواهد شد و در قسمت دوم و به شکل تکرارشونده، روترهای افزونه به شبکه ارتباطی اضافه می‌شوند تا شبکه به قابلیت اطمینان مورد نظر برسد. مسئله دوم ضمن متعادل کردن درجه‌ روترها در گراف شبکه، سعی دارد بیشترین یال را به آن اضافه کند تا از این طریق قابلیت اطمینان شبکه بیشینه شود. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که روش پیشنهادی می‌تواند در زمانی قابل قبول، قابلیت اطمینان شبکه را به شکل قابل توجهی بهبود دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Designing a Communication Network for Underwater Wireless Sensor Networks with Acceptable Reliability Using an Iterative Algorithm

نویسندگان [English]

  • masoud shokrnezhad 1
  • majid yosefi 2
1 PhD in Information Technology Engineering, Faculty of Computer Engineering and Information Technology, Amirkabir University of Technology
2 PhD student in Information Technology Engineering, Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

Nowadays, numerous economic benefits can be obtained from oceans and seas. It is obvious that to realize these benefits, the areas should be monitored in a real-time manner. One of the technologies that can be used in this regard is the Underwater Wireless Sensor Network (UWSN). Due to the extent of the areas targeted to cover by UWSNs and the performance goals such as high reliability and low latency, designing a communication network to collect underwater sensors data is optimally complex. This study aims to provide a way to design an overlay network of relays to achieve acceptable reliability in acceptable time. To reduce the complexity, the idea of the current work is to divide the problem into two sub-problems and solve them iteratively. In the first dub-problem, using a formulation based on linear programming, a network of routers will be built to cover all the sensors. In the second sub-problem, more routers are iteratively added to the communication network to ensure the required reliability threshold. In this sub-problem, while balancing the degree of routers in the network graph, it is aimed to maximize the number of network links. Simulations results show that the proposed method can significantly improve network reliability in acceptable time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Underwater wireless sensor networks
  • network design
  • Sensor Placement
  • Reliability
  • Optimization
  • Linear Programming
[1] Lin Lin and M. Gen, “A Self-controlled Genetic Algorithm for Reliable Communication Network Design,” in 2006 IEEE International Conference on Evolutionary Computation, Jul. 2006, pp. 640–647, doi: 10.1109/CEC.2006.1688371.
[2] T. H. Bhuiyan, H. R. Medal, and S. Harun, “A stochastic programming model with endogenous and exogenous uncertainty for reliable network design under random disruption,” European Journal of Operational Research, vol. 285, no. 2, pp. 670–694, Sep. 2020, doi: 10.1016/j.ejor.2020.02.016.
[3] S. Kharbash and W. Wang, “All-Terminal Network Reliability Optimization in Fading Environment via Cross Entropy Method,” in 2010 IEEE International Conference on Communications, May 2010, pp. 1–5, doi: 10.1109/ICC.2010.5501918.
[4] S. Duan, S. Lee, S. Chinthavali, and M. Shankar, “Reliable communication models in interdependent critical infrastructure networks,” in 2016 Resilience Week (RWS), Aug. 2016, pp. 152–157, doi: 10.1109/RWEEK.2016.7573324.
[5] V. Kounev, M. Lévesque, D. Tipper, and T. Gomes, “Reliable Communication Networks for Smart Grid Transmission Systems,” J Netw Syst Manage, vol. 24, no. 3, pp. 629–652, Jul. 2016, doi: 10.1007/s10922-016-9375-y.
[6] J. Nematian, “Reliable hub-and-spoke network design problems under uncertainty through multi-objective programming,” Iranian Journal of Fuzzy Systems, vol. 17, no. 4, pp. 179–198, Aug. 2020, doi: 10.22111/ijfs.2020.5414.
[7] V. K. Akram, O. Dagdeviren, and B. Tavli, “Distributed k-Connectivity Restoration for Fault Tolerant Wireless Sensor and Actuator Networks: Algorithm Design and Experimental Evaluations,” IEEE Transactions on Reliability, pp. 1–14, 2020, doi: 10.1109/TR.2020.2970268.
[8] Aditi, R. Pai, and S. Mini, “Optimization of Transmission Range for a Fault Tolerant Wireless Sensor Network,” in Distributed Computing and Internet Technology, Cham, 2019, pp. 235–242, doi: 10.1007/978-3-030-05366-6_19.
[9] E. Szlachcic, “Fault Tolerant Topological Design for Computer Networks,” in 2006 International Conference on Dependability of Computer Systems, May 2006, pp. 150–159, doi: 10.1109/DEPCOS-RELCOMEX.2006.25.
[10] D. Zili, Y. Nenghai, and L. Zheng, “Designing Fault Tolerant Networks Topologies Based on Greedy Algorithm,” in 2008 Third International Conference on Dependability of Computer Systems DepCoS-RELCOMEX, Jun. 2008, pp. 227–234, doi: 10.1109/DepCoS-RELCOMEX.2008.35.
[11] F. Li, Y. Wang, and X.-Y. Li, “Gateway Placement for Throughput Optimization in Wireless Mesh Networks,” in 2007 IEEE International Conference on Communications, Jun. 2007, pp. 4955–4960, doi: 10.1109/ICC.2007.818.
[12] S. Roy, H. Pucha, Z. Zhang, Y. C. Hu, and L. Qiu, “Overlay Node Placement: Analysis, Algorithms and Impact on Applications,” in 27th International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS ’07), Jun. 2007, pp. 53–53, doi: 10.1109/ICDCS.2007.127.
[13] G. Egeland and P. Engelstad, “The availability and reliability of wireless multi-hop networks with stochastic link failures,” Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol. 27, no. 7, pp. 1132–1146, Sep. 2009, doi: 10.1109/JSAC.2009.090910.
[14] Rong-Hong Jan, “Design of reliable networks,” in [Conference Record] SUPERCOMM/ICC ’92 Discovering a New World of Communications, Jun. 1992, pp. 191–196 vol.1, doi: 10.1109/ICC.1992.268264.