توفر هذه الدراسة طريقة لاستخدام وحدة المعالج الكمي لحساب المسارات لديناميكيات حركة المرور المختلفة التي تعمل على التفوق على الطرق الكلاسيكية في الأدب لزيادة عمر الشبكة إلى أقصى حد.
Method Article
توفر هذه الدراسة طريقة لاستخدام وحدة المعالج الكمي لحساب المسارات لديناميكيات حركة المرور المختلفة التي تعمل على التفوق على الطرق الكلاسيكية في الأدب لزيادة عمر الشبكة إلى أقصى حد.
أثبتت طريقة الحفاظ على طاقة شبكة المستشعر ، وهي عبارة عن مزيج استخدام للكمبيوتر الكلاسيكي والمعالج الكمومي ، أنها تعمل بشكل أفضل من الخوارزمية الإرشادية باستخدام الكمبيوتر الكلاسيكي. في هذه المخطوطة ، يتم تقديم السياق الفني لأهمية الطريقة وتبريره. ثم يتم عرض الخطوات التجريبية في تسلسل تشغيلي مع الرسوم التوضيحية إذا لزم الأمر. تم التحقق من صحة الطريقة من خلال النتائج الإيجابية عبر مجموعة عينة تم إنشاؤها عشوائيا من طبولوجيا الشبكة. قدمت النتائج التجريبية الناجحة لهذه الطريقة نهجا أفضل لمشاكل تعظيم عمر شبكة المستشعر وأظهرت أن المعالج الكمومي الحالي كان قادرا على حل المشكلات الهندسية العملية الكبيرة بمزايا تتجاوز الأساليب الحالية في الأدبيات. بمعنى آخر ، يمكن استغلال الميزة الكمومية بأفضل الجهود. لقد تجاوز مرحلة إثبات المفهوم إلى إثبات الجدوى.
كان الحفاظ على الطاقة في شبكات الاستشعار قضية حرجة للغاية في التصميم1. عادة ما تعالج الطرق الكلاسيكية المشكلة باستخدام نهج مخصص2،3،4،5،6. ومع ذلك ، فإن هذه الأساليب تحاكي عقد المستشعر كأصول ذكية مدارة بشكل فردي يمكن أن تتعاون أيضا لخدمة مصالح الفرد والمجتمع. نظرا للبيئة المتقلبة حيث تعمل المستشعرات ، في بعض الأعمال ، يتم إدخال خوارزميات عشوائية من أجل التقاط أوجه عدم اليقين البيئية ، بينما في حالات أخرى ، يتم استعارة الذكاء الحيوي لابتكار خوارزميات إرشادية يمكن أن تحقق نتائج مقبولة من الفطرةالسليمة 7. لمزيد من التوضيح ، بالنسبة لتلك الخوارزميات العشوائية ، من ناحية ، قد لا تكون أوجه عدم اليقين البيئية عشوائية مثل التسلسل العشوائي الناتج عن وحدة المعالجة المركزية الكلاسيكية ، من ناحية أخرى ، حتى لو كانت أوجه عدم اليقين البيئية عشوائية تماما ، لا يمكن التقاطها بواسطة محاكي العملية العشوائية الناتجة عن وحدة المعالجة المركزية الكلاسيكية ؛ بالنسبة لخوارزميات الذكاء الحيوي هذه ، أولا وقبل كل شيء ، لم يتم اشتقاق أي تحليل رياضي صارم لعمل دليل مفاهيمي ، وثانيا ، لا يمكن تكوين التقارب إلى الحقيقة أو حدود التسامح مع الخطأ إلا في ضوء حقيقة أرضية مستنيرة - على الرغم من أن كمية كبيرة من الأعمال في الأدب قد أثبتت إلى حد ما أن هذه الخوارزميات الإرشادية تعمل ، لسبب واحد ، يتم تحليل هذه الخوارزميات (وليس محاكاة) مقابل سيناريوهات حالة استخدام محددة جيدا ، فهي تتوقف عند معايير معينة لا تزال تستحق التفكير في مزيد من البحث ، لسبب آخر ، كما قيل من قبل ، لم يتم التحقق من صحة غالبية الخوارزميات مقابل محاكاة البرامج التي يمكن نشرها بسهولة أكبر في المعالجات الدقيقة التي تجعل المستشعر في كونه8.
نحن لا نعتبر التعلم الآلي (ML) هنا لأنه يحتاج إلى استخدام تحليلات البيانات التي تتطلب حجما كبيرا نسبيا من الطاقة الحسابية غير المحمولة في أجهزة الاستشعار9.
لمعالجة المخاوف المذكورة أعلاه ، نقدم خوارزمية كمومية هجينة. الخوارزمية مختلطة من حيث أن آلية اختيار رأس الكتلة يتم تنفيذها باستخدام خوارزمية عشوائية كلاسيكية أثناء حسابات التوجيه التي يتم إجراؤها باستخدام معالج كمي بمجرد إعداد طوبولوجيا الشبكة. الطريقة مبررة على النحو التالي: (1) كما تمت مناقشته في الفقرة الأولى فيما يتعلق بعدم اليقين البيئي ، لا نريد أن نسعى أكثر لتطبيق مولد تسلسل كمي لالتقاط الديناميكية البيئية لأنه قد يكون من الممكن تتبعه تاريخيا. تم تبرير الديناميكية البيئية التي يمكن تتبعها تاريخيا من خلال العديد من أعمال أبحاث التعلم الآلي في علوم الشبكات. بالنسبة للمرحلة الحالية ، نبقى مع النهج الكلاسيكي. (2) الطريقة الدقيقة التي تعتمد على التحليل الرياضي المجرد تضمن الوصول إلى الحقيقة الأساسية. تم دعم الفيزياء التجريبية الكمومية حتى الآن بشكل متطور من خلال الرياضيات الفيزيائية. علاوة على ذلك ، توجد تطبيقات خوارزمية مثل خوارزمية Shor10 لإثبات هذه النظرية المستديرة.
يتم توفير قدر كاف من مسح الأدبيات أدناه للمقارنة. بروتوكول HEESR المقترح11 له مزايا يمكن إثباتها في النتائج ، لكن المؤلفين حددوا معلمات تكوين المحاكاة جيدا ، على سبيل المثال ، وظيفة التوزيع العشوائي الدقيقة لموضع العقدة ، والتبرير المناسب لنسبة رأس الكتلة p (0.2٪) ، ومعلمة القياس لتوزيع مستوى الطاقة (1-2 جول) بين العقد a_i. ومنعت المؤلف من المضي قدما في تكرار التجارب وإجراء المقارنة. تستخدم آلية توجيه الطاقة12 طريقة تركيب المنحنى لتقريب الوظائف المستمرة المتقاربة من مجموعات البيانات المنفصلة التي تم الحصول عليها من مساحة عينة غير محددة للمحددات التي تؤثر على عملية اتخاذ القرار لتوجيه الشبكة الأمثل. تتطلب طريقة تركيب المنحنى13 معلومات مسبقة عن طوبولوجيا الشبكة. قد لا يكون للظروف الحقيقية معلومات مسبقة متاحة بسهولة. حتى في حالة وجود معلومات مسبقة ، قد لا تكون طوبولوجيا الشبكة منتظمة بما يكفي لتتمكن من تعيينها على منحنيات مناسبة قادرة على تسهيل الحساب المشتق. باتباع نفس المنطق ، لم يبرر بروتوكول DORAF14 كيف ولماذا استعارة وظيفة بولتزمان والوظيفة اللوجستية لتقريب محددات الشبكة. قدم Ismail et al.15 مرجعا سليما للمساعي البحثية المستقبلية في تصميم بروتوكول التوجيه الموفر للطاقة في الشبكة تحت الماء.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. إعداد بيئة المحيط Dwave

الشكل 1: تنشيط البيئة الافتراضية للمحيطات. توفر حزمة Ocean ، مثل D-wave API المدمجة ، تجربة مستخدم غائمة عبر كمبيوتر المستخدم الخاص بفرضية آلة D-wave. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: تركيب Ocean SDK. توفر حزمة Ocean مجموعات الأدوات اللازمة للمطورين ، بما في ذلك تثبيت Cplex سهل الاستخدام. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. تثبيت واجهة واجهة برمجة تطبيقات Cplex Python
3. معلمات تكوين التجربة
| د0 | 87.7085 م |
| E | 50 * 1 × 10-09 جول |
| epson_fs | 1 * 10-12 * 10 جول |
| epson_mp | 0.0013 * 1 * 10-12 جول |
| حجم الحزمة | 4000 بت |
الجدول 1: معلمة نموذج الطاقة وإعدادات حجم الحزمة.
الشكل التكميلي 1: البرنامج النصي 1. البرنامج النصي لإعداد معلمات التجربة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
4. نصوص بايثون
الشكل التكميلي 2: السيناريو 2. برنامج نصي لتكوين موقعي موضع البعدين لكل عقدة حسب القطاع. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 3: السيناريو 3. برنامج نصي لتكوين قيم موضع كل عقدة داخل قطاع 1. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل 3: تم إنشاء مواضع العقدة وتخزينها مقسمة إلى 6 ملفات يتوافق كل منها مع قطاع واحد. يتم حفظ مواقع الموضع ثنائية الأبعاد في 6 ملفات posdata + 'idx'. كل يقدم قطاعا. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: مواضع العقدة المخزنة في القطاع 0. المواقف في بعدين ويتم إنشاؤها باستخدام مولد عشوائي موحد. العمود الأول هو المواقع الأفقية ، والعمود الثاني هو المواقع الرأسية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
5. إعداد مستويات الطاقة الأولية
الشكل التكميلي 4: السيناريو 4. برنامج نصي لتعيين نصف طاقة العقدة البالغة 1 جول والآخر 0.5 جول. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل 5: Energy_buffer التعيين الأولي. يتم تخصيص نصف العقد بطاقة 1 جول ، بينما يتم تعيين النصفين الآخرين ب 0.5 جول. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
6. إعداد البرنامج النصي Advanced_Leach الخوارزمية (الشكل 6 والشكل 7)

الشكل 6: صفيف رأس الكتلة. أرقام تسلسل العقد التي تم تحديدها لتكون رؤوس الكتلة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: صفيف مؤشر رأس الكتلة. نظرا لوجود ستة قطاعات ، لكل منها 33 عقدة مستشعر ، في صفيف فهرس رأس الكتلة ، يشير الرقم إلى رقم تسلسل رأس الكتلة الذي تنتمي إليه عقدة المستشعر المقابلة. يتوافق مؤشر موضع الصفيف مع رقم تسلسل كل عقدة مستشعر. بالنسبة لعقدة المستشعر التي تم تحديدها كرأس نظام المجموعة، فإن الرقم المعين لفتحتها في الصفيف هو رقم التسلسل نفسه. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل التكميلي 5: البرنامج النصي 5. برنامج نصي لتحديد رأس نظام المجموعة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 6: النص6. برنامج نصي لتعيين العقد المصدر للمجموعات. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 7: السيناريو 7. برنامج نصي لتحديث مخزن الطاقة المؤقت لجميع عقد المصدر عن طريق تقليل كمية الطاقة المستهلكة من خلال الإرسال. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 8: السيناريو 8. برنامج نصي لحساب مقدار التقريب الذي تموت فيه العقدة الأولى ، ويموت نصف العقد. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
7. إعداد البرنامج النصي لخوارزمية الكم الهجين

الشكل 8: صفيف toClusterHeadDistance للعقدة غير cluster_head مع الفهرس 24. العمود الأول هو المسافة والعمود الثاني هو رقم فهرس رأس الكتلة الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 9: CHID_buff صفيف. أرقام تسلسل عقد المستشعر التي تم تحديدها كرؤوس كتلة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 10 CHIdx_buff صفيف. تم تعيين رقم تسلسل عقد مستشعر رأس الكتلة لكل عقدة مستشعر مقابلة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 11: CH_BUFF صفيف. مجموعة الكتلة لكل عقد مستشعر رأس الكتلة المقابلة ل CHID_buff الصفيف. تتكون كل مجموعة مجموعة من 0 أو أكثر من 0 عقد مستشعر. يعرض كل صفيف مجموعة مجموعة أرقام تسلسل عقد المستشعر الموجودة فيه. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 12: حساب مسار التوجيه لكل قطاع. لكل قطاع، يتم حساب مسارات التوجيه لجميع العقد المصدر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
يتم عرض النتائج من عينة تشغيل واحدة في الجدول 2 والجدول 3 والجدول 4. ومجموعات البيانات التفصيلية للدفعات الثلاث من البيانات متاحة في مجلد البيانات التكميلية 1 .
| مجموعة البيانات 1 | ||
| 198 عقدة في منطقة دائرية نصف قطرها 50 مترا | خوارزمية الكم الهجين | خوارزمية Advanced_Leach |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
يمكن استخدام المعالج الكمومي التجاري المتطور الحالي في المشكلات الحسابية لأي طوبولوجيا شبكة1. تطبيق المعالج الكمومي غير مقيد بعدد الكيوبتات المادية التي تمكن أي من المعالجات الكمومية من تنفيذها.
في تصميم إطالة عمر شبكة المستشعر ، تظهر النتائج تقدما في الطريقة لتحقيق عمر أطول للشبكة باستخدام معالج كمومي. تشير النتائج إلى أن الميزة الكمية جاهزة للاستغلال تجاريا في كل من القطاعين العام والخاص.
بالنسبة للآثار الإدارية ، فإن Quantum Advantage قاد...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
يتم دعم العمل من قبل مجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية في المملكة المتحدة (EPSRC) رقم المنحة EP / W032643 / 1.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| كمبيوتر محمول | ديل N | / A | |
| Dell Ubuntu 18.04.6 LTS | Canonical Ltd | 18.04.6 LTS | |
| Python3.8 | Python Software Foundation | 3.8.0 | |
| Dwave QPU | Dwave | https://docs.ocean.dwavesys.com/en/stable/overview/install.html |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission