Cluster-head Election using Fuzzy Logic for Wireless Sensor Networks

ABSTRACT

Wireless Sensor Networks (WSNs) present a new generation of real-time embedded systems with limited computation, energy and memory resources that are being used in a wide variety of applications where traditional networking infrastructure is practically infeasible. Appropriate cluster-head node election can drastically reduce the energy consumption and enhance the lifetime of the network. In this paper, a fuzzy logic approach to cluster-head election is proposed based on three descriptors – energy, concentration and centrality. Simulation shows that depending upon network configuration, a substantial increase in network lifetime can be accomplished as compared to probabilistically selecting the nodes as cluster-heads using only local information.

INTRODUCTION

With the recent advances in Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) technology, low power digital circuitry and RF designs, WSNs are considered to be one of the potential emerging computing technologies, edging closer towards widespread feasibility . Several useful and varied applications of WSNs include applications requiring information gathering in harsh, inhospitable environments, weather and climate monitoring, detection of chemical or biological agent threats, and healthcare monitoring. These applications demand the usage of various equipment including cameras, acoustic tools and sensors measuring different physical parameters . WSNs consist of many inexpensive, portable wireless nodes, with limited power, memory and computational capabilities. The energy supply of the sensor nodes is one of the main constraints in the design of this type of network . Since it is infeasible o replace batteries once WSNs are deployed, an important design issue in WSNs is to lessen the energy consumption with the use of energy conserving hardware, operating systems and communication protocols. The energy consumption can be reduced by allowing only some nodes to communicate with the base station. These nodes called cluster-heads collect the data sent by each node in that cluster compressing it and then transmitting the aggregated data to the base station . Appropriate cluster-head selection can significantly reduce energy consumption and enhance the lifetime of the WSN.

چکیده

شبکه های حسگر بی سیم (WSNs) نسل جدیدی از سیستم های جاسازی شده در زمان واقعی را با محاسبات محدود، منابع انرژی و حافظه ارائه می دهند که در طیف وسیعی از برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار می گیرند که زیرساخت شبکه سنتی عملا غیر قابل اجرا است. انتخاب های گرید کلاستر مناسب می تواند به شدت باعث کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه شود. در این مقاله، رویکرد منطقی فازی به انتخاب خوشه ای بر اساس سه توصیف کننده – انرژی، غلظت و مرکزیت ارائه شده است. شبیه سازی نشان می دهد که بسته به پیکربندی شبکه، افزایش قابل توجهی در طول عمر شبکه می تواند در مقایسه با انتخاب احتمالی گره ها به عنوان سرفصل های خوشه ای با استفاده از اطلاعات محلی تنها انجام شود.

مقدمه

با پیشرفت های اخیر در تکنولوژی Micro ElectroMechanical Systems (MEMS)، مدارهای دیجیتالی کم توان و طرح های RF، WSN ها به عنوان یکی از فن آوری های محاسباتی بالقوه بالقوه محسوب می شوند که به سمت امکان پذیری گسترده نزدیک می شوند. چندین برنامه کاربردی مفید و متنوع WSN ها عبارتند از برنامه های کاربردی که نیاز به جمع آوری اطلاعات در محیط های خشن و غیرمعمول، نظارت بر آب و هوا و هوا، شناسایی تهدیدات شیمیایی یا عوامل زیست محیطی و نظارت بر مراقبت های بهداشتی دارند. این برنامه ها نیاز به استفاده از تجهیزات مختلف از قبیل دوربین ها، ابزار صوتی و سنسورهای اندازه گیری پارامترهای مختلف فیزیکی دارند. WSN ها شامل بسیاری از گره های ارزان قیمت، قابل حمل، با توان محدود، حافظه و قابلیت های محاسباتی می باشند. تامین انرژی گره های حسگر یکی از محدودیت های اصلی در طراحی این نوع شبکه است. از آنجایی که امکان پذیر است، پس از استفاده از WSN، باطری های جایگزین، یک مسئله مهم طراحی در WSN ها، کاهش مصرف انرژی با استفاده از سخت افزار محافظت از انرژی، سیستم عامل ها و پروتکل های ارتباطی است. مصرف انرژی را می توان با اجازه دادن به برخی از گره ها برای برقراری ارتباط با ایستگاه پایه کاهش داد. این گره ها به نام خوشه سر جمع داده ها ارسال شده توسط هر گره در آن خوشه فشرده سازی آن و سپس انتقال داده های جمع شده به ایستگاه پایه. انتخاب کلاستر مناسب می تواند به طور قابل توجهی کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر WSN.

Year: 2008

Publisher : IEEE

By : Indranil Gupta,Denis Riordan, Srinivas Sampalli