Cluster Head Selection using a Two-Level Fuzzy Logic in Wireless Sensor Networks

ABSTRACT

Due to resource limitations in wireless sensor networks, prolonging the network lifetime has been of a great interest. An efficient routing technique is known as hierarchical routing based on clustering, in which finding the optimum cluster heads and number of them has been a challenge. In this paper, a two-level fuzzy logic is utilized to evaluate the qualification of sensors to become a cluster head. In the first level (Local Level), the qualified nodes are selected based on their energy and number of neighbors of them. Then, in the second level (Global Level), nodes’ overall cooperation is considered in the whole network with three fuzzy parameters. These parameters are centrality, proximity to base station and distance between cluster heads. Simulation results in five metrics show that the proposed approach consumes less energy and prolongs the network life time about 54 % compared with other algorithms.

INTRODUCTION

A wireless sensor network (WSN) consists of a large number of sensor nodes and a base station (BS). These sensors collect data and send them to the BS via radio transmitter. They have limited power and computational capacity. WSNs can be used in many applications such as military, biomedical, and environmental applications. It is not easy to find the route and reserve it, because the limited amount of energy and sudden change in the position of the nodes creates unpredictable changes . The energy is the major challenge for designing the routing protocol in WSNs. One of the most important routing algorithms is hierarchical or cluster-based routing. In a hierarchical architecture, higher energy nodes can be used to process and send the information while low energy nodes can be used to perform the sensing in the proximity of the target . LEACH , PEGASIS , TEEN and APTEEN are some of hierarchical routing protocols. Utilizing intelligent techniques improves the efficiency of wireless sensor network. In applications that require real time decision making, fuzzy logic is a powerful tool that can make decision even if there is insufficient data; while sufficient data (which is rare in real applications) is needed for making a decision in classic control. Recently, in some papers like and , fuzzy logic is used for routing and improving network lifetime. We also used fuzzy logic as a mean to select cluster heads.

چکیده

با توجه به محدودیت منابع در شبکه های حسگر بی سیم، طول عمر شبکه طولانی شده است از یک علاقه بسیار. یک تکنیک مسیریابی کارآمد به عنوان مسیریابی سلسله مراتبی براساس خوشه بندی شناخته می شود، که در آن یافتن سرهای خوشه بهینه و تعداد آنها یک چالش است. در این مقاله، یک منطق فازی دو سطحه برای ارزیابی صلاحیت سنسورها برای تبدیل شدن به یک سرخوشه استفاده می شود. در سطح اول (سطح محلی)، گره های واجد شرایط بر اساس انرژی و تعداد همسایگان آنها انتخاب می شوند. سپس، در سطح دوم (سطح جهانی)، همکاری کلی گره ها در کل شبکه با سه پارامتر فازی در نظر گرفته می شود. این پارامترها مرکزیت، نزدیکی به ایستگاه پایه و فاصله بین سر خوشه هستند. شبیه سازی نتایج حاصل از پنج معیار نشان می دهد که رویکرد پیشنهادی انرژی کمتر مصرف می کند و طول عمر شبکه را حدود 54 درصد نسبت به سایر الگوریتم ها افزایش می دهد.

مقدمه

شبکه حسگر بی سیم (WSN) شامل تعداد زیادی گره حسگر و یک ایستگاه پایه (BS) می باشد. این سنسورها اطلاعات را جمع آوری می کنند و از طریق فرستنده رادیویی به BS می فرستند. آنها قدرت و توانایی محاسباتی محدودی دارند. WSN ها می توانند در بسیاری از برنامه های کاربردی مانند برنامه های نظامی، پزشکی و محیط زیست مورد استفاده قرار گیرند. مسیر یافتن و رزرو آن آسان نیست، زیرا مقدار محدودی از انرژی و تغییر ناگهانی در موقعیت گره ها تغییرات غیر قابل پیش بینی را ایجاد می کند. انرژی چالش اصلی برای طراحی پروتکل مسیریابی در WSN است. یکی از مهمترین الگوریتم های مسیریابی مسیریابی سلسله مراتبی یا مبتنی بر خوشه است. در یک معماری سلسله مراتبی، گره های انرژی بالاتر می توانند برای پردازش و ارسال اطلاعات، در حالی که گره های کم انرژی می توانند برای انجام سنجش در نزدیکی هدف استفاده شوند. LEACH، PEGASIS، TEEN و APTEEN بعضی از پروتکل های مسیریابی سلسله مراتبی هستند. استفاده از تکنیک های هوشمند، کارایی شبکه حسگر بی سیم را بهبود می بخشد. در برنامه هایی که نیاز به تصمیم گیری در زمان واقعی دارند، منطق فازی یک ابزار قدرتمند است که می تواند تصمیم گیری کند حتی اگر داده های کافی وجود داشته باشد. در حالی که داده های کافی (که در برنامه های واقعی نادر هستند) برای تصمیم گیری در کنترل کلاسی مورد نیاز است. به تازگی، در برخی مقالات مانند و، منطق فازی برای مسیریابی و بهبود طول عمر شبکه استفاده می شود. ما همچنین از منطق فازی برای انتخاب سر خوشه استفاده کردیم.

Year: 2010

Publisher : IEEE

By : Nasrin Abazari Torghabeh , Mohammad Reza Akbarzadeh , Mohammad Hossein Yaghmaee