DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82635-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747906
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: S. Ambareesh وآخرون
الموضوع الرئيسي: شبكات الاستشعار اللاسلكية الموفرة للطاقة
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث إطار توجيه جديد لشبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs) يعالج التحديات الحرجة مثل قيود الطاقة، وعدم كفاءة التوجيه، والثغرات الأمنية، والحاجة إلى الحفاظ على جودة الخدمة (QoS). يستخدم الإطار المقترح نظام منطق ضبابي من النوع الثاني المحسن (IT2FLS) الذي تم تحسينه بواسطة خوارزمية البحث عن الزواحف (RSA)، مما يعزز تشكيل المجموعات من خلال تجميع الأوزان وتقنيات اختيار المجموعات المتطابقة. تؤدي هذه الطريقة المبتكرة إلى تحسين ملحوظ بنسبة 98% في عمر الشبكة، وزيادة بنسبة 80% في نسبة تسليم الحزم (PDR)، وتقليل بنسبة 45% في متوسط استهلاك الطاقة مقارنة بالبروتوكولات الحالية. يقوم نموذج IT2FLS بضبط قرارات التوجيه ديناميكيًا بناءً على معلمات رئيسية، مما يضمن اختيار رأس المجموعة الأمثل ومسارات الاتصال متعددة القفزات الموثوقة بينما يتصدى بفعالية لتأثيرات العقد المساومة.
تشير النتائج إلى أن إطار IT2FLS المحسن بواسطة RSA لا يعزز فقط كفاءة نقل البيانات ولكن أيضًا يعزز استقرار الشبكة، محققًا تقليلًا بنسبة 25% في زمن الانتقال من النهاية إلى النهاية. تظهر تقييمات الأداء مقارنة بالبروتوكولات التوجيهية المعتمدة تفوق هذا النموذج في تحسين الأداء العام للشبكة. تسهم هذه الأبحاث بشكل كبير في مجال WSNs من خلال تقديم حل شامل يدمج الحفاظ على الطاقة، والأمان، وQoS، مما يطيل عمر WSNs ويدعم التطبيقات الحرجة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية دمج تقنيات التعلم الآلي المتقدمة لتعزيز أداء بروتوكولات التوجيه ومرونتها ضد تعقيدات الشبكة والتهديدات الأمنية.
طرق
تناقش هذه القسم النتائج التجريبية والمنهجيات المستخدمة لتقييم أداء نظام المنطق الضبابي من النوع الثاني المحسن (IT2FLS) في شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs). يظهر نموذج IT2FLS قابلية توسع قوية عبر أحجام الشبكة المتنوعة، مما يدير تخصيص الموارد، واختيار رأس المجموعة، والتوجيه الآمن دون زيادات كبيرة في الحمل الحسابي أو استهلاك الطاقة. تم إجراء محاكاة في حقل شبكة مربع بأبعاد 400 م × 400 م، مع توزيع عشوائي لعقد الاستشعار وتفاوت عدد العقد من 100 إلى 400. تشير مقاييس الأداء، بما في ذلك عمر الشبكة، وحجم المعالجة، ومعدل تسليم الحزم، إلى أن نموذج IT2FLS يتفوق على الطرق المعتمدة مثل التجميع الحساس للطاقة المحسن (EEPC) وبروتوكول LEACH المحسن، خاصة في السيناريوهات ذات الكثافة العالية.
لضمان التشغيل الفعال، يستخدم النموذج آلية ضبط ديناميكية تعتمد على مؤشر قوة الإشارة المستلمة (RSSI) للتحكم في الإرسال. كما يسلط البحث الضوء على تحسين خوارزمية البحث عن الزواحف (RSA) لتقليل التكاليف الحسابية، مما يسمح بتعقيد تكيفي بناءً على أداء عقد الاستشعار. تم اختيار المعلمات للمحاكاة، بما في ذلك معدلات استهلاك الطاقة وطول الحزم، بعناية لتعكس الظروف الواقعية في تطبيقات WSN. تقترح اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف طرق بديلة لتعزيز قابلية تطبيق النموذج في البيئات المحدودة الموارد، مع التأكيد على أهمية التحسين المستمر في تصميم الشبكات الكبيرة من المستشعرات، خاصة للبنية التحتية للمدن الذكية.
نتائج
تلخص قسم النتائج خوارزميات وأساليب مختلفة تهدف إلى تعزيز الأداء في شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs). تشمل المساهمات الرئيسية تقنية تجميع البيانات الذكية التي قدمها فيرما وآخرون، والتي حققت تقليلًا بنسبة 50% في التكرار من خلال تقليل تكاليف نقل البيانات. استخدم روي وآخرون الشبكات العصبية للتوجيه التكيفي، مما حسّن بشكل كبير كفاءة التوجيه في البيئات الديناميكية. ركز برساد وآخرون على التوجيه المدرك للطاقة، مقترحين نهج إدارة طاقة موزع يطيل عمر تشغيل WSNs.
تم إحراز تقدم إضافي من قبل ناير وآخرون من خلال تقنيات التجميع الهجينة التي حسنت كفاءة الطاقة في الشبكات غير المتجانسة. استخدم شارما وآخرون المنطق الضبابي لتحسين التوجيه لتطبيقات جودة الخدمة (QoS)، مما أدى إلى تحسين زمن الانتقال والموثوقية. طور السعدي وآخرون بروتوكول توجيه متعدد القفزات الآمن الذي عزز سلامة البيانات، بينما طبق داس وآخرون خوارزميات تطورية لتحسين موثوقية المسار. أخيرًا، قدم غوبتا وآخرون بروتوكول توجيه مدرك للسياق يعزز التكيف من خلال ضبط التوجيه ديناميكيًا بناءً على المعلومات السياقية. تسهم هذه النتائج مجتمعة في تحسين التوجيه وإدارة البيانات في WSNs، مما يعالج التحديات الحرجة في هذا المجال.
نقاش
تستعرض قسم النقاش في ورقة البحث أساليب مختلفة تهدف إلى تقليل استهلاك الطاقة في شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs) من خلال بروتوكولات التجميع والتوجيه المبتكرة. اقترح غوليريا وآخرون طريقة تجميع فعالة من حيث الطاقة معدلة (EEPC) تستخدم كل من العقد المتنقلة والثابتة لتعزيز عمر الشبكة من خلال تحسين معلمات مثل تأخير من النهاية إلى النهاية ونسبة تسليم الحزم. ومع ذلك، تفتقر هذه الطريقة إلى قدرات تنفيذ تطبيقات الأجهزة. في المقابل، قدم ميتال وآخرون بروتوكول FEFPA-TSEECP، الذي يستخدم المنطق الضبابي لتحسين طول عمر الشبكة من خلال تحسين اختيار رأس المجموعة واستخدام طريقة القفز المزدوج لتحقيق توازن الحمل. تشمل المساهمات الملحوظة الأخرى بروتوكول LEACH المحسن (ELEACHP) الذي قدمه أبو سالم وآخرون، والذي يركز على إدارة الطاقة لتمديد عمر الشبكة، وبروتوكول E-ZEAL الذي قدمه علام وآخرون، والذي يعزز تسليم البيانات وكفاءة الطاقة.
تسلط الأدبيات الضوء أيضًا على قيود البروتوكولات الحالية، وخاصة اعتمادها على الأطر النظرية وآليات الاتصال الثابتة، مما يعيق قابلية التوسع في البيئات الديناميكية. يهدف الإطار المقترح في الورقة إلى معالجة هذه التحديات من خلال تنفيذ نموذج تجميع توافق وزني على مستوى المجموعة واختيار مجموعة، جنبًا إلى جنب مع اختيار مسار قائم على QoS مؤمن تم تحسينه بواسطة خوارزمية البحث عن الزواحف (RSA). يبرز هذا النهج أهمية عوامل الثقة الديناميكية في تقييم موثوقية العقد، مما يعزز الأمان وكفاءة نقل البيانات داخل WSNs. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى حلول متكاملة وقابلة للتوسع يمكنها إدارة استهلاك الطاقة بفعالية مع ضمان اتصالات موثوقة وآمنة في WSNs.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82635-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747906
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): S. Ambareesh et al.
Primary Topic: Energy Efficient Wireless Sensor Networks
Overview
The research paper presents a novel routing framework for wireless sensor networks (WSNs) that addresses critical challenges such as energy limitations, routing inefficiencies, security vulnerabilities, and the need to maintain Quality of Service (QoS). The proposed framework utilizes an Improved Type-2 Fuzzy Logic System (IT2FLS) optimized by the Reptile Search Algorithm (RSA), which enhances cluster formation through weighted ensemble clustering and matched ensemble selection techniques. This innovative approach results in a remarkable 98% improvement in network lifetime, an 80% increase in packet delivery ratio (PDR), and a 45% reduction in average power consumption compared to existing protocols. The IT2FLS model dynamically adjusts routing decisions based on key parameters, ensuring optimal cluster head selection and reliable multi-hop communication paths while effectively counteracting the effects of compromised nodes.
The findings indicate that the RSA-optimized IT2FLS framework not only enhances data transmission efficiency but also bolsters network stability, achieving a 25% reduction in end-to-end latency. Performance evaluations against established routing protocols demonstrate the superiority of this model in improving overall network performance. This research significantly contributes to the field of WSNs by providing a comprehensive solution that integrates energy conservation, security, and QoS, thereby extending the lifespan of WSNs and supporting critical applications. Future research directions include the integration of advanced machine learning techniques to further enhance routing protocol performance and resilience against network complexities and security threats.
Methods
The section discusses the experimental results and methodologies employed to evaluate the performance of the Improved Type-2 Fuzzy Logic System (IT2FLS) in wireless sensor networks (WSNs). The IT2FLS model demonstrates robust scalability across varying network sizes, effectively managing resource allocation, cluster head selection, and secure routing without significant increases in computational overhead or energy consumption. Simulations were conducted in a square network field of dimensions 400 m x 400 m, with sensor nodes randomly distributed and the number of nodes varied from 100 to 400. The performance metrics, including network lifetime, processing volume, and packet delivery rate, indicate that the IT2FLS model outperforms established methods such as Enhanced Energy Sensitive Clustering (EEPC) and the Enhanced LEACH protocol, particularly in high-density scenarios.
To ensure efficient operation, the model utilizes a dynamic adjustment mechanism based on the Received Signal Strength Indicator (RSSI) for transmission control. The study also highlights the optimization of the Reptilian Search Algorithm (RSA) to reduce computational costs, allowing for adaptive complexity based on sensor node performance. The parameters for the simulations, including energy consumption rates and packet length, were carefully selected to reflect realistic conditions in WSN applications. Future research directions are proposed to explore alternative approaches for enhancing the model’s applicability in resource-limited settings, emphasizing the importance of continuous improvement in the design of large-scale sensor networks, particularly for smart city infrastructure.
Results
The results section summarizes various algorithms and approaches aimed at enhancing performance in wireless sensor networks (WSNs). Key contributions include Verma et al.’s smart data aggregation technique, which achieved a 50% reduction in redundancy by minimizing data transmission costs. Roy et al. employed neural networks for adaptive routing, significantly improving routing efficiency in dynamic environments. Prasad et al. focused on energy-aware routing, proposing a distributed energy management approach that extended the operational lifetime of WSNs.
Further advancements were made by Nair et al. through hybrid clustering techniques that enhanced energy efficiency in heterogeneous networks. Sharma et al. utilized fuzzy logic to optimize routing for quality of service (QoS) applications, resulting in improved latency and reliability. Alsaadi et al. developed a secure multi-hop routing protocol that enhanced data integrity, while Das et al. applied evolutionary algorithms to improve route reliability. Lastly, Gupta et al. introduced a context-aware routing protocol that enhanced adaptability by dynamically adjusting routing based on contextual information. These findings collectively contribute to the optimization of routing and data management in WSNs, addressing critical challenges in the field.
Discussion
The discussion section of the research paper reviews various approaches aimed at minimizing energy consumption in wireless sensor networks (WSNs) through innovative clustering and routing protocols. Guleria et al. proposed a modified energy-efficient clustering method (EEPC) that utilizes both mobile and stationary nodes to enhance network lifetime by optimizing parameters such as end-to-end delay and packet delivery ratio. However, this method lacks hardware application execution capabilities. In contrast, Mittal et al. introduced the FEFPA-TSEECP protocol, which employs fuzzy logic to improve network longevity by optimizing cluster head selection and utilizing a dual-hop method for load balancing. Other notable contributions include the enhanced LEACH protocol (ELEACHP) by Abu Salem et al., which focuses on energy management to prolong network lifespan, and Allam et al.’s E-ZEAL protocol, which enhances data delivery and energy efficiency.
The literature also highlights the limitations of existing protocols, particularly their reliance on theoretical frameworks and fixed communication mechanisms, which hinder scalability in dynamic environments. The proposed framework in the paper aims to address these challenges by implementing a cluster-level weighting consensus clustering and ensemble selection model, alongside a secure QoS-based route selection optimized by the Reptile Search Algorithm (RSA). This approach emphasizes the importance of dynamic trust factors in evaluating node reliability, thereby enhancing the security and efficiency of data transmission within WSNs. Overall, the findings underscore the need for integrated, scalable solutions that can effectively manage energy consumption while ensuring reliable and secure communication in WSNs.