تحقیق پیرامون زمان بندی به خواب رفتن گره ها درشبکه های حسگر بیسیم

چکیده:

يك شبكه حسگر متشكل از تعداد زيادي گره‌هاي حسگر است كه در يكمحيط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوري اطلاعات از محيط مي‌پردازند.از آنجایی که گره ها از باتری تغذیه میکنند ،مساله مهمی که در شبکه های حسگرمورد توجه قرار میگیرد،بحث مصرف انرژی است.یکی از روشهایی که در این شبکه ها برای کاهش مصرف انرژی بسیار رایج است خواباندن گره ها در مواقعیست که بار کاری آنها پایینتر باشد.خواباندن هر قسمت از گره حسگر تاثیر متفاوتی برروی مصرف انرژی خواهد داشت.

بیشترین مصرف انرژی در قسمت فرستنده است که باپروتکلهای MAC کنترل میشود.S-MAC یکی از MAC های معروف طراحی شده ویژه شبکه های حسگر میباشد.دراین MAC گره ها از طریق چرخه های خواب و فعالیت به صرفه جویی در مصرف انرژی میپردازند.

روشهای بسیاری برای مسیریابی در شبکه های چندگامه حسگر ارائه شده استکه تلاش بر کمینه سازی مصرف انرژی دارند.یکی از روشهای پرکاربرد و داده-محور در این شبکه ها روش انتشار هدایت شده است.

در این پایان نامه پروتکلی مطرح خواهدشد که برگرفته از پروتکلMAC میباشد که ویژه مسیریابی انتشار هدایت شده در شبکه های حسگر است . این پروتکل ویژگیهای صرفه جویی در انرژی که در S-MAC وجود دارد را پیاده سازی کرده وقادر است خود را با بار شبکه در شرایط مختلف وفق دهد.

در لایه کاربرد میتوان بااستفاده از تنظیماتی که در فعالیت این لایه انجام میگیرد مصرف انرژی را کاهش داد.درصورتیکه گره این امکان را داشته باشدکه فعالیت واحد حسگر را کنترل کند ،میتوان با زمانبندی فعالیت این واحد و به خواب بردن آن در شرایطی که کاربرد اجازه آن را میدهد از مصرف انرژی کاست.از آنجا که تعداد گره های به کار رفته در شبکه معمولا از تعداد گره های لازم برای فراهم آوردن پوشش بر روی شبکه بالاتر میباشد ، بنابراین میتوان برخی از این گره ا را به خواب برد و کار نظارت را به صورت دوره ای انجام داد.در اینجایک روش پویا و احتمالاتی برای فراهم کردن پوشش K–لایه ای مورد نیاز برنامه کاربردی بر روی یک نفوذ گر در شبکه ارائه می شود.این روش قادر است به صرفه جویی بسیار بالایی دست پیدا کرده و درعین حال پوشش مورد نیاز را فراهم آورد.

 

 

 

فهرست مطالب

فصل اول: شبکه های حسگر

مقدمه............................................................................................................................................... 1

1-1معرفی شبکه های حسگر.......................................................................................................... 2

1-2معماری شبکه های حسگر........................................................................................................ 4

1-3ویژگیهای عمومی شبکه های حسگر......................................................................................... 6

1-4کاربردهای شبکه های حسگر................................................................................................. 10

1-5عوامل مهم در طراحی شبکه های حسگر................................................................................ 11

1-5-1 مسیریابی............................................................................................................... 11

1-5-2 انرژی محدود............................................................................................................. 11

1-5-3 مقیاس پذیری............................................................................................................. 12

1-5-4 زمان تاخیر.............................................................................................................. 13

1-5-5 هزینه پایین............................................................................................................. 13

1-5-6 تحمل پذیری خطا.............................................................................................. 13

1-5-7 امنیت.................................................................................................................. 13

1-6 صرفه جویی در مصرف انرژی در گره های حسگر.................................................................................. 14

1-6-1 پیش فرضهای طراحی............................................................................................. 15

1-6-2 اهداف طراحی....................................................................................................... 18

1-7روشهای زمانبندی توزیع شده در شبکه های سلسله مراتبی....................................................... 22

1-8روشهای زمانبندی توزیع شده در شبکه های غیرسلسله مراتبی................................................ 28

فصل دوم:مسیر یابی در شبکه های حسگر

2مقدمه........................................................................................................................................................... 31

2-1تقسیم بندی پروتکل ها............................................................................................................. 32

2-2 پارامترهای موردنظر در پروتکل مسیریابی.................................................................................. 33

2-2-1 دینامیک شبکه................................................................................................................. 33

2-2-2 جای گذاری حسگرها در شبکه...................................................................................... 34

2-2-3 محدودیت انرژی............................................................................................................ 34

2-2-4 مدل انتقال اطلاعات........................................................................................................ 34

2-2-5 ترکیب داده ها................................................................................................................. 35

2-3 پروتکل های مسیریابی...................................................................................................................... 35

2-3-1 روش سیل آسا...................................................................................................................... 35

2-3-2 روش شایعه پراکنی................................................................................................................. 37

2-3-3 روش SPIN.................................................................................................................................... 39

2-3-4 روش انتشار هدایت شده.................................................................................................. 42

2-3-5 مقایسه روش انتشار هدایت شده وروشSPIN............................................................................... 48

2-3-6 روش مسیریابی جغرافیایی...................................................................................................... 49

2-3-7 روشانتشار بیرون دهنده..................................................................................................... 50

2-3-8 روش انتشار جذب یک مرحله ای ............................................................................................... 52

فصل سوم: MAC

مقدمه.............................................................................................................................. 53

3 -1 تفاوت پروتکلهایMAC طراحی شده برای شبکه های حسگر................................................................... 55

3-2 محدودیتها درطراحی پروتکلهای MAC شبکه های حسگر........................................................................ 56

3-3 منابع اصلی هرز رفتن انرژی در شبکه های حسگر..................................................................................... 60

3-4 مروری برMAC های موجود..................................................................................................................... 61

3-5 S-MAC................................................................................................................................................... 62

3-5-1 گوش دادن و به خواب رفتن دوره ای.............................................................................................. 63

3-5-2 پیشگیری از برخورد........................................................................................................................ 66

فصل 4 :الگوریتم پیشنهادی

مقدمه..................................................................................................................................................................... 73

4-1 طراحی بین لایه ای........................................................................................................................................ 73

4-2 الگوریتم پیشنهادی........................................................................................................................................... 75

4-4 نتایج شبیه سازی............................................................................................................................................. 79

فصل پنجم: لایه کاربرد ومساله پوشش

مقدمه............................................................................................................................................................................ 83

5-1 تحقیقات پیشین............................................................................................................................................... 86

5-2 پوشش K- لایه ای پویا................................................................................................................................... 89

5-3 الگوریتم پیشنهادی........................................................................................................................................... 90

5-4 پشتیبانی لایهMAC........................................................................................................................................... 96

5-5 دلایل فراهم نکردن حداکثر پوشش ممکن........................................................................................................... 97

5-6 روش ديگر تخمين احتمال مورد نياز براي پوشش K- لايه اي پويا...................................................................... 97

5-7 روشهايي براي حل مشكل پوشش k- لايه اي جا به جا..................................................................................... 104

5-8 نتایج شبیه سازی................................................................................................................................................. 100

فصل ششم:نتیجه گیری.................................................................................................................................................... 104

کارهای آتی..................................................................................................................................................................... 107

مراجع ........................................................................................................................................................................... 108

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول: شبکه های حسگر

مقدمه

پیشرفت های اخیر در علم الکترونیک و مخابرات بی سیم باعث شده تا دانشمندان بتوانند به ایده ای که سالها آن را در سر میپروراندند، جامه عمل بپوشانند.

شبکه های حسگر ،فناوری است که به ما امکان نظارت دقیق و نامحسوس بر یک فضای گسترده فیزیکی را میدهد.

يك شبكه حسگر متشكل از تعداد زيادي گره‌هاي حسگري است كه در يك محيط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوري اطلاعات از محيط مي‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌هاي حسگري، از ‌قبل‌تعيين‌شده و مشخص نيست. چنين خصوصيتي اين امكان را فراهم مي‌آورد که بتوانيم آنها را در مکان‌هاي خطرناک و يا غيرقابل دسترس رهاکنيم

از طرف ديگر اين بدان معني است که پروتکل‌ها و الگوريتم ‌هاي شبکه‌هاي حسگري بايد داراي توانايي‌هاي خودساماندهي باشند. ديگر خصوصيت‌هاي منحصر به فردشبکه‌هاي حسگر، توانايي همكاري و هماهنگي بين گره‌هاي حسگر است. هر گره حسگر روي برد خود داراي يک پردازشگر است و به جاي فرستادن تمامي اطلاعات خام به مركز يا به گره‌اي که مسئول پردازش و نتيجه‌گيري اطلاعات است، ابتدا خود يك سري پردازش‌هاي اوليه و ساده را روي اطلاعاتي كه به دست آورده است، انجام مي‌دهد و سپس داده‌هاي نيمه پردازش شده را ارسال مي‌کند.

با اينكه هر حسگر به تنهايي توانايي ناچيزي دارد، تركيب صدها حسگر كوچك امكانات جديدي را عرضه مي‌كند. ‌در واقع قدرت شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر در توانايي به‌كارگيري تعداد زيادي گره كوچك است كه خودقادرند سازماندهي شوند و در موارد متعددي چون مسيريابي هم‌زمان، نظارت برشرايط محيطي، نظارت بر سلامت ساختارها يا تجهيزات يك سيستم به كار گرفتهشوند. هریک از گره ها مجهز به تعدادی حسگر (مانند حسگرهای صوتی ، دما ، مادون قرمز ، لرزش ، تشعشع ویا هرگونه حسگر دیگر)، یک پردازنده کوچک ، یک گیرنده / فرستنده رادیویی و یک منبع تغذیه است. گره های این شبکه میتوانند بر روی زمین ، در هوا، زیر آب ، روی بدن انسان و یا برروی وسایل نقلیه تعبیه شوند .گره های حسگر باکمک یکدیگر سعی میکنند تا اطلاعات محیطی را جمع آوری کرده و آنها را به یک مرکز که به آن اصطلاحا Sink گفته میشود ، انتقال دهند.

1-1 معرفی شبکه های حسگر بیسیم

امروزه بحث سیستم های کنترل و نظارت ازراه دور یکی از مباحث پر چالش در زمینه علوم الکترونیک و کامپیوتر می باشد. لذا تحقیقات در هر زمانی به دنبال راه حلی می باشد تا شرایط خاص و انتظارات مدنظرراپاسخ دهد .درشرايطوكيفيتكارييكسانهرچهنسبتهزينهبهكارائيپائينترباشد،همانقدرمحبوبيتآنشيوهبالاترخواهدرفت.

پیشرفتهای اخیر در زمینه سیستمهای حسگرهای هوشمند ، مخابرات بی سیم و همچنین الکترونیک دیجیتال ، امکان ساخت گره های حسگر کوچک ، کم مصرف و کم هزینه رافراهم می سازند که توانایی برقراری ارتباط به صورت بی سیم را نیز دارا می باشند. باتوجهبهعملكردمتفاوتشبكههايحسگر،هرگرهميتواندباتوجهبهوظايفتعريفشدهازاجزايمتنوعيتشكيلشدهباشدوليدرحالتكليهرگرهازيكسرياجزايكليتشكيلشدهاستكهعبارتنداز: واحدپردازشمركزي،فرستنده و گيرندهراديويي،منبعتغذيهكهميتواندازطريقباطريياسلولهايخورشيديياتركيبهردو،انرژيموردنيازسيستمرا فراهمكند،يكياتعداديحسگركهدادههايموردنظرراجمعآوريميكنند،انواعحافظههايجانبيدرصورتنياز، موقعيتياب GPSوسايراجزاييكهبستهبهكاربردهايمتفاوتميتوانددرهرگرهگنجاندهشود.

به طور کلی یک شبکه حسگر بی سیم شامل تعداد زیادی از این گره ها می باشند که برای اندازه گیری یک پارامتر ، داده های آنها به صورت دسته جمعی مورد توجه قرار می گیرد، یعنی همه اطلاعات جمع آوری شده یک پارامتر در یک گره از شبکه که معمولا ایستگاه پایه[1] نامیده می شود، پردازش شده و مقدار واقعی آن پارامتر به طور نسبتا دقیقی تخمین زده می شود. در این شبکه ها معمولا از کار افتادن یک گره شبکه تقریبا تاثیری در مقدار تخمین زده شده ندارد.

در شبکه های حسگر بی سیم، گره های حسگر با تعداد زیاد در داخل مکان مورد نظر و یا بسیار نزدیک به آن برای اندازه گیری پارامتر مورد نظر قرار دارند . مکان این گره ها از قبل طراحی نشده است . این مساله به سادگی در کار جایگذاری حسگرها در شبکه کمک می کند اما در عوض ، پروتکل هایی که برای این شبکه ها به کار گرفته می شود باید خود تنظیم یا خود سازمانده باشد. با توجه به اینکه این حسگرها در داخل خود پردازنده دارند ، برای کم شدن حجم انتقال اطلاعات ، این حسگرها فقط داده مورد نیاز را پس از پردازش داده های اولیه می فرستد .

شبکه های حسگر بی سیم از جهات بسیاری شبیه به شبکه های adhoc متحرک ( MANET ) می باشند ، اما پروتکل هایی که برای شبکه های adhoc مورد استفاده قرار می گیرند برای شبکه های حسگر بی سیم مناسب نمی باشند. در شبکه های adhoc مساله اصلی برای طراحی پروتکل ها ، کیفیت سرویس[2] دهی ( Qos ) می باشد ، در صورتی که در شبکه های حسگر بی سیم محدودیت اصلی برای طراحی پروتکل ها ، انرژی محدود حسگرها می باشد. در واقع پروتکل هایی که مصرف توان در حسگرها را به حداقل برسانند ، برای شبکه های حسگر بی سیم بیشتر مورد توجه هستند.

پروتکل ها ، تکنیک ها و مفاهیم زیادی از شبکه بی سیم سنتی مثل شبکه سلولی ، شبکه ادهاک و بلوتوث وجود دارد که قابل اجرا بوده و هم اکنون در شبکه حسگر بی سیم به کار می رود ولی تفاوتها باعث می شود که نیاز به پروتکل ها و تکنیک های جدیدی باشد .

به طور کلی تفاوتهای اصلی شبکه های حسگر بی سیم با شبکه های adhoc به قرار زیر است :

1. تعداد گره های شبکه در شبکه های حسگر بی سیم بسیار بیشتر از شبکه های adhoc است .
2. حسگرها در شبکه های حسگر بی سیم به صورت فشرده جایگذاری شده اند .
3. حسگرها در شبکه های حسگر بی سیم بیشتر در معرض خرابی هستند .
4. همبندی شبکه های حسگر بی سیم دائما در حال تغییر است .
5. در اکثر شبکه های حسگر بی سیم برقراری ارتباط به صورت پخش است در صورتی که برای شبکه های adhoc ارتباط به صورت نقطه به نقطه است .
6. حسگرها در اندازه ، توان ، قدرت محاسبه و حافظه محدودیت دارند .

تفاوتاصليشبكههايحسگرباسايرشبكههادرماهيتداده- محور[3]وهمچنينمنابعانرژيوپردازشيبسيارمحدوددرآنهاستكهموجبشدهتاروشهايمطرحشدهجهتانتقالدادههادرسايرشبكههاوحتيشبكههاييكهتاحدزياديساختاريمشابهشبكه هايحسگردارند ( مانند شبکه های موردی ) ، دراينشبكه هاقابلاستفاده نباشند .

تكنيكهاوشيوههايمورداستفادهدرچنينشبكههایيوابستگيشديديبهماهيتكاربردشبكهداردوساختارهمبندیشبكه،شرايطجويومحيطي،محدوديتهاو ... عواملموثريدرپارامترهايكاراييوهزينهشبكهميباشند.

هدفاصليتمامياينتلاشهاوارائهراهكارها ،داشتنسيستميباشيوههايكنترليساده،آسانوباهزينهپائينميباشدكهدرنهايتباپاسخگوييبهنيازمنديهايمابتوانددرمقابلمحدوديتها)پهنايباند،انرژي،دخالتهايمحيطي،فيدينگ و ... ) ايستادگيكندوشرايطكليراطبقخواستههاوتمايلاتما (انتقالحجمزياداطلاعاتپرمحتوا،بقاءپذيريوطولعمربالا،هزينهپائين و ... ) فراهم سازد.

1-2 معماری گره حسگر

گره های حسگر در حالت کلی از شش جزء تشکیل شده اند: پردازنده، حافظه، منبع تغذیه، حسگر ویا محرک، مبدل آنالوگ / دیجیتال و سیستم ارتباطی .از منظر سیستمی این مولفه ها در قالب چهار واحد عملیاتی با یکدیگر همکاری میکنند که عبارتند از:

1- واحد منبع تغذیه که متشکل از یک باتری است که ولتاژ لازم جهت به کار انداختن سایر مولفه ها را فراهم میکند و معمولا قابل شارژ مجدد نیست.

2- واحد حسگر که شامل حسگر ومحرک و همچنین یک مبدل آنالوگ دیجیتال است که ارتباط گره حسگر را با دنیای فیزیکی میسر میسازد.

3- واحد پردازش و محاسبات که یک ریز کنترل کننده یا یک ریز پردازنده همراه با یک حافظه است که گره حسگر را هوشمند میسازد.

4- واحد ارتباطی که شامل یک گیرنده / فرستنده رادیویی با برد کم است که ارسال و دریافت داده را میسر میکند. علاوه بر موارد فوق یک ریز سیستم عامل بلادرنگ واحدهای حسگر، پردازشگر و ارتباطی را کنترل و هدایت میکند.شکل 1-1 معماری یک گره حسگر را از دیدگاه سیستمی نشان می دهد.

 

 

 

شکل 1-1:معماری یک گره حسگر[7]

 

براساس ویژگی های مولفه های تشکیل دهنده گره های حسگر ، شبکه های حسگر را میتوان به دو رده تقسیم کرد:

شبکه های حسگر همگن و شبکه های حسگر ناهمگن

در یک شبکه حسگر همگن ، قابلیت و توانمندیهای گره های حسگر از نظر نوع پارامتر حس شونده، قدرت ارتباطی و محدودیت منابع مانند هم است در حالیکه در یک شبکه ناهمگن گره ها دارای قابلیتها و کارکردهای متفاوت هستند.

مثلا برخی از گره ها ممکن است منبع تغذیه بزرگتر و یا پردازنده قویتری نسبت به سایر گره ها داشته باشند.استقرار یک شبکه همگن به مراتب ساده تر از یک شبکه ناهمگن است.

1-3 ویژگیهای عمومی شبکه های حسگر

علاوه بر نكاتي كه تاكنون درباره شبكه‌هاي حسگر به عنوان مقدمه آشنايي با اين فناوري بيان كرديم، اينشبكه‌ها داراي يك سري ويژگي‌هاي عمومي نيز هستند. مهم‌ترين اين ويژگي‌ها عبارت استاز:

- بر خلاف شبكه‌هاي بي‌سيم سنتي، همه گره‌ها در شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر نيازيبه برقراري ارتباط مستقيم با نزديك‌ترين برج كنترل قدرت يا ايستگاه پايه ندارند،بلكه حسگرها به خوشه‌هايی (سلول‌هايی) تقسيم می‌شوند که هر خوشه (سلول) يک سرگروهخوشه موسوم به Parent انتخاب مي‌کند.اين سرگروه‌ها وظيفه جمع‌آوری اطلاعاترا بر عهده دارند. جمع‌آوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره‌ها بهايستگاه پايه و در نتيجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام می‌شود. ‌البته چگونگيانتخاب سرگروه خود بحثي تخصصي است كه در تئوري شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر مفصلاً موردبحث قرار مي‌گيرد.

- هر حسگر موجوددر شبكه دارای يک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. يکیاز اهداف شبکه‌های حسگر اين است که هر محل در فضای مورد نظر بايستی حداقل در رنجحسگری يک گره قرار گيرد تا شبكه قابليت پوشش همه منطقه موردنظر را داشتهباشد.

يک حسگر با شعاع حسگری r را می‌توان با يک ديسک با شعاع r مدل کرد. اينديسک نقاطی را که درون اين شعاع قرار مي‌گيرند، تحت پوشش قرار می‌دهد. بديهي است کهبرای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه اين ديسک‌ها بايد کل نقاط منطقه رابپوشانند.

با اين که توجه زيادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها می‌شود،احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هيچ حسگری قرار نگيرد. اين نقاط تحت عنوان حفره‌هایپوششی ناميده می‌شوند. اگر تعدادی حسگر به علاوه يک منطقه هدف داشته باشيم، هر نقطهدر منطقه بايد طوري توسط حداقل n حسگر پوشش داده شود که هيچ حفره پوششی ايجاد نشود. اين موضوع لازم به ذکر است که مسأله حفره پوششیبسته به نوع کاربرد مطرح می‌گردد. در برخی کاربردها احتياج است که درجه بالايی ازپوشش جهت داشتن دقت بيشتر داشته باشيم.

 

1-4 کاربردهای شبکه های حسگر

همانطور که در بحث مقدمه مطرح شد،امروزه کاربردهای بسیاری برای شبکه های حسگر مطرح شده است و روز به روز هم برتعداد آنها اضافه میشود.

برخی از کاربردهایی که تاکنون روی این شبکه ها مورد ارزیابی قرار گرفته اند عبارتند از:

- میدانهای جنگی

درمیدان های جنگی ، میتوان جهت شناسایی و بررسی آماری تجهیزات و نیروی دشمن و همینطور کلاسبندی و پیگردی نحوه آرایش و مسیر حرکت نیروهای دشمن یا نیروهای خودی ، از شبکه های حسگر استفاده کرد و درنهایت وضعیت نیروهای خودی را در قالب نیروهای دشمن بررسی نمود.

- شناسایی محیط های آلوده

در محیط های مختلف امکان وجود آلودگیهای مختلف وجود دارد.لذا با استفاده از چنین شبکه هایی میتوان وجود آلودگیهای مشخصی را در سطح محیط تحت نظر بررسی کرد وحتی میزان غلظت آلودگی در قسمتهای مختلف را مشاهده نمود ودرنهایت با استفاده از اطلاعات آماری بدست آمده در خروجی سیستم میتوان نمودار سه بعدی وضعیت آلودگی در سطح محیط مورد نظر را بدست آورد.

نوع آلودگی نیز میتواند یکتا نباشد و با توجه به امکانات ، هر گره در شبکه حسگر میتواند شناسایی چندین نمونه آلودگی را پشتیبانی کند.

- مانیتورکردن محیط زیست

مجموعه ای از تحقیقات در زمینه محیط زیست نیازمند انجام مطالعات مکرر و متمرکز وصرف زمان زیادی جهت جمع آوری اطلاعات میباشد که معمولا از حوصله وتوانایی چشمان انسان خارج است و در چنین مواردی از دستگاههای مانیتورینگ ،تحلیلگر و ذخیره کننده نتایج استفاده میشود.

از طرفی دیگر ،به دلیل وجود برخی شرایط محیط زیست، اکثر کارهای تحقیقاتی بایستی در سکوت وآرامش صورت گیرد تا وجود انسان و تجهیزات در محیط ، اثر منفی بر عملکرد غریزه های ذاتی موجودات نداشته باشد.ازاین رو معمولا تمام سیستمهای مانیتورینگ قابلیت کنترل از راه دور را دارنددر عین حال این سیستمها طوری انتخاب میگردند که وجود آنها در محیط محسوس نباشد.

با در نظر گرفتن تمام موارد فوق ، ملاحظه میشود که تمام شبکه های حسگر ،علاوه بر بحث هزینه پایین مصرفی،در زمینه مانیتور کردن محیط زیست،ازتوانایی بالایی برخوردار میباشند.

در مواردی همچون بررسی وضعیت آب و هوای جوی محیط و بررسی وضعیت ظاهری آن،به خصوص محیط سرسبز وجنگلی،بررسی رشدونمو گیاهان وموجودات و موقعیت یابی وپیگردی موجودات زنده در محیط زیست میتوان از قدرت بالای شبکه های حسگر استفاده کرد.

- بررسی وتحلیل وضعیت بناهای ساختمانی:

بسیاری از سازمان ها وموسسات تحقیقاتی در زمینه عمران ومسکن برای انجام مطالعات و تحقیقات خود از وضعیت بناهای مدنظر،در طول زمان یا در هنگام بروز حوادث طبیعی بخصوص زلزله،نیازمند استفاده از تجهیزات مانیتورینگ میباشد تا اطلاعاتی مانند میزان فشاروتحمل مصالح ، وجود ترک ،میزان آسیب وارده ،وضعیت فرسودگی ،امنیت و حفاظت ساختمان وسایر جزئیات مرتبط با هدف تحقیقات در مورد بناهایی مثل ساختمانهای قدیمی ، پلها، سدها و موزه ها و... را جمع آوری کنند و با توجه به توانایی های شبکه های حسگر ، میتوان ازاین شبکه ها برای دست یافتن به اهداف مطرح شده در بالا استفاده کرد.

- درجاده ها و بزرگراههای هوشمند:

یکی از مشکلات جامعه و راهنمایی ورانندگی ،کنترل وضعیت ترافیک در سطح شهر میباشد.بابرپایی شبکه هایی از گره های حسگر در سطح شهر و قرار دادن گره ها در بزرگراهها و خیابانهای شهر ،میتوان بزرگراهها وخیابانها را هوشمند ساخت و از وضعیت تراکم عبور ومرور وسایل نقلیه ویا بروز حوادثی مانند برخورد چندین وسیله نقلیه، در نقاط زیر نظر گره های سنسور ،اطلاع یافت و در نهایت درکل سطح شهروضیت ترافیک وتصادفات را شناسایی وپیگیری نمود.

- کاربردهای پزشکی

مراقبت از سلامت انسان:

این کاربردها شامل تشخیص و نظارت بر بیماریهای جسمی انسان از طریق نصب حسگرها در بدن ویا کنترل بیماریهای روانی از طریق ثبت رفتارهای محیطی انسان توسط حسگرهاست.

جراحی:

از حسگرهای بسیار ریز هوشمند که مجهز به روبات باشند میتوان در انجام جراحی های خاص و ظریف استفاده کرد.

- سایر کاربردها

از دیگر کاربردهای این شبکه ها ، کاربردهای آن ها در صنعت می باشد ، برای مثال در فرآیندهای اتوماسیون صنعتی در قسمت هایی که حضور انسان مشکل و یا غیر ممکن است ، می توان با راه اندازی این شبکه ها بر مواردی چون کنترل کیفیت محصولات و از آن مهم تر کنترل امنیت و ایمنی این نوع محیط ها نظارت کرد.

همچنین با استفاده از شبکه های حسگر بی سیم می توان منازل هوشمند طراحی کرد و مثلا از اینترنت وسایل خانه را کنترل کرد و شاید بتوان گفت که شبکه های حسگر بی سیم یک جز جدانشدنی از زندگی انسانها در آینده نزدیک خواهد بود.

براساس ویژگیهای عملیاتی کاربردهای فوق ، درحالت کلی میتوان کاربردهای شبکه های حسگر را در دو رده اصلی طبقه بندی کرد:کاربردهای پرس و جویی و کاربردهای وظیفه ای.

در کاربردهای پرس وجویی هدف آن است که اطلاعات جمع آوری شده در شبکه مورد پرس وجو قرار گیرد. به عنوان مثال حس کردن محیط به منظور استخراج اطلاعات از محیط فیزیکی(مثلا اطلاعاتی نظیر دما،رطوبت، نور، فشارو...) یکی از پرکاربردترین موارد در این زمینه ست.

این کاربردها ممکن است دارای پرس وجو های ساده برای استخراج داده های خام از گره ها و یا دارای پرس وجوهای پیچیده ای باشند که مستلزم جمع آوری و ترکیب داده ها از گره های مختلف است.

کاربردهای وظیفه ای شامل برنامه ریزی گره ها برای اجرای وظیفه ای معین به هنگام وقوع رویدادی خاص است.

این رویدادها به عنوان مثال میتوانند شامل تغییرات محیطی ، دریافت پیام از گره های مجاور و یا تغییرات نرم افزاری/سخت افزاری درون گره ها باشد. کاربردهای وظیفه ای میتوانند بصورت گسترده تری هم باشد که در آن گره ها با همکاری هم کار خاصی را انجام میدهند.مثلا دنبال کردن یک شی متحرک در یک منطقه.

نوع کاربرد فوق بصورت شماتیک در شکل 1-2 نشان داده شده است.

شکل1-2 : کاربردهای پرس وجویی و وظیفه ای در شبکه های حسگر[2]

 

 

 

 

1-5عوامل مهم در طراحی شبکه های حسگر[9][10]

شبکه های حسگر به دلیل ویژگی های خاصی که دارند با چالشهای زیادی روبرو هستند وعوامل مهمی در طراحی آنها دخیل اند. این چالشها بیشتر به محدودیتهای انرژی ،پردازش داده ها و مکانیزمهای ارتباطی و مسیریابی مرتبط هستند. در این قسمت به برخی ازاین عوامل مهم اشاره میکنیم.

1-5-1 مسیریابی

قراردادها و الگوریتم های مسیریابی همواره یکی از مسائل مهم در طراحی شبکه بوده است.این قراردادها و الگوریتم ها در شبکه های حسگر باید به گونه ای باشد که میزان مصرف انرژی شبکه به حداقل برسد.

با توجه به اینکه مکان حسگرها از قبل در شبکه مشخص نمی باشد، وجود یک پروتکل مناسب مسیریابی برای انتقال اطلاعات بسیار مورد نیاز است. این پروتکل باید توانایی این را داشته باشد که به صورت تطبیقی بتواند عملیات مسیریابی را انجام دهد

در حالت کلی انتظار میرود که قراردادهای مسیریابی سه عملکرد را درشبکه پیاده سازی کنند.تعیین و تشخیص تغییرات توپولوژی (مثلا خرابی و از کارافتادگی بعضی از گره ها) ، برقراری اتصالات در شبکه و محاسبه ویافتن مسیرهای مناسب.

درحال حاضر تلاشهای زیادی برای طراحی قراردادهای مسیریابی جدید و خاص برای شبکه های حسگر در حال انجام است، زیرا قراردادهایی که برای شبکه های دیگر طراحی شده اند قابلیت انطباق کامل با شبکه های حسگر را ندارند.

1-5-2 انرژی محدود

مهمترین مساله چالش در شبکه های حسگر، انرژی محدود است.

گره های حسگر معمولا انرژی مورد نیاز خود را توسط یک یا چند عدد باتری تامین میکنند. در بسیاری از کاربردها، امکان دسترسی به این گره ها جهت تعویض باتری وجود ندارد و یا اینکار مقرون به صرفه نیست. مثلا مواقعی که تعداد زیادی از این گره ها در یک منطقه وسیع جغرافیایی مثل جنگل و دریا و یا در یک منطقه خطرناک مثل منطقه جنگی توزیع شده اند.

بسیاری از تلاشهای تحقیقاتی با هدف صرفه جویی در مصرف انرژی از جنبه های مختلف ، در حال انجام است.

در شبکه های حسگر، انرژی معمولا به سه منظور اصلی مصرف میشود:[9]

- انتقال داده

- پردازش سیگنال

- عملیات سخت افزاری

با توجه به اینکه پرمصرف ترین بخش مربوط به انتقال اطلاعات است ، در طراحی پروتکل ها سعی می شود که تا آنجایی که امکان دارد ابتدا با استفاده از پردازش اطلاعات حجم اطلاعات مورد نظر برای انتقال کاهش داده شود.

همان طور که در شکل زیردیده می شود ، ارتباطات نیاز به انرژی مصرفی بیشتری نسبت به پردازش دارند که این موضوع، اهمیت پروتکل های ارتباطی (مسیریابی) را به خوبی روشن می کند.

 

 

شکل 1 -3 : انرژی مصرفی حسگرها در ارسال و پردازش داده

1-5-3 مقیاس پذیری

گاهی تعداد گره های موجود در یک شبکه حسگر به چند ده هزار میرسد.به همین خاطر مقیاس پذیری دراین شبکه ها از اهمیت زیادی برخوردار است . مقیاس پذیری در یک شبکه حسگر به عوامل مختلفی از جمله الگوریتم مسیریابی ، تعداد Sink ها، سخت افزار مورد استفاده و الگوی ترافیکی شبکه بستگی دارد.

1-5-4 زمان تاخیر

در بسیاری از موارد زمان رسیدن اطلاعات از یک گره به گرهSink از اهمیت زیادی برخوردار است.در برخی از کاربردها مانند کاربردهای بلادرنگ باید بازه زمانی مشخص برای رسیدن بسته تضمین شود.

1-5-5 هزینه پایین

هزینه پایین تولید گره های حسگر استفاده از این شبکه ها را در بسیاری از کاربردها میسر میسازد.اصولا فلسفه وجودی شبکه های حسگر استفاده از تعداد زیادی گره حسگر ارزان قیمت به جای استفاده از تعدادکمی حسگر گرانقیمت است. استفاده از تعداد زیادی حسگر ارزان قیمت با قابلیت های محدود مزایای بیشتری نسبت به استفاده از تعداد کمی حسگر گران قیمت با قابلیت های زیاد دارد.

از جمله این مزایا میتوان به دقت سنجش ، پوشش بهتر و مقاومت در مقابل خرابی اشاره کرد.

1-5-6تحمل پذیری خطا

گره های موجود در یک شبکه حسگر، ممکن است به دلایل مختلف از شبکه خارج شوند.از دلایل عمده میتوان به اتمام منبع تغذیه و خرابی فیزیکی گره حسگر اشاره کرد.شبکه های حسگر باید بتوانند دربرابر انواع خرابی مقاوم بوده بعد از تخریب برخی از گره ها در شبکه همچنان به کار خود ادامه دهند.

1-5-7 امنیت

حفظ امنیت داده ها در شبکه های حسگر از پیچیدگی خاصی برخوردار است.در بسیاری از موارد مثل در یک منطقه جنگی ، تامین امنیت فیزیکی گره های حسگر نا ممکن است. علاوه براین گره های حسگر عموما بصورت بیسیم با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند و این در حالیست که شبکه های بیسیم مشکلات بسیاری در زمینه امنیت دارند. همه اینها در شرایطی است که منابع لازم ، همچون قدرت پردازشی و حافظه ، برای رمز نگاری و رمز گشایی در گره های حسگر بسیار محدود است.

به همین دلیل سه فاکتور امنیتی محرمانگی ، جامعیت و نفوذ ناپذیری در این نوع شبکه ها در خطر است. کارهای انجام شده در زمینه امنیت هنوز در مراحل اولیه خود است و هنوز راه طولانی برای رسیدن به نقطه ای قابل قبول در پیش است.

1-6 صرفه جویی در مصرف انرژی در شبکه های حسگر

هر حسگر حدودا بین 100 تا 120 ساعت با یک باتری AAA در حالت فعال[4] کار میکند[40].

از آنجا که معمولا تعداد زیادی حسگربسیار ظریف در نواحی دور دست ، خود کار[5] و یا خصومت آمیز مورد استفاده قرار میگیرند امکان شارژ مجدد و یا تعویض باتری آنها وجود تدارد.

این امر به همراه این نکته که گنجایش باتری ها هر 35 سال تنها دوبرابر میشود[41] اهمیت روشهای صرفه جویی در مصرف انرژی را بهتر نشان میدهد. از آنجا که معمولا از شبکه های حسگر انتظار میرود که چندین ماه تا یکسال عمر کنند(بدون شارژ مجدد) [18][21]صرفه جویی در انرژی از مهمترین نکات در طراحی وپیاده سازی پروتکل ها در شبکه های حسگر میباشد.

از سوی دیگر توانایی حسگر در جمع آوری داده بستگی به کیفیت اتصال[6] آن به سایر حسگرها و پوشش[7] آن بر ناحیه دارد. روش های صرفه جویی انرژی معمولا بر کیفیت اتصال و پوشش حسگر ها تاثیر منفی میگذارند. از سوی دیگر باید برنامه ها در شبکه های حسگر در برابر وقوع خطا مقاومت داشته باشند که این امر نیز از این روشها تاثیر منفی میپذیرد.

از روشهای رایج در جهت صرفه جویی در انرژی و حداکثر سازی طول عمر شبکه ، غیر فعال کردن تعدادی از گره ها و فعال نگه داشتن تعدادی دیگر برای اجرای وظایف جمع آوری داده و ارتباطات میباشد.

هنگامیکه یک حسگر غیر فعال میشود تمامی قسمتهای آن غیر از یک تایمر با مصرف پایین انرژی برای فعال سازی مجدد آن از کار می افتند[42]. بنابراین مصرف انرژی در حسگر تنها در صد کوچکی از مصرف آن در حالت فعال میباشد.

روشهای گوناگونی برای زمانبندی فعالیت گره ها ارائه شده اند که در لایه های مختلف شبکه فعالیت گره ها را زمانبندی میکنند.برای مقایسه این روشها لازم است پیش فرضها و شرایط در نظر گرفته شده در هر روش را مد نظر قرار دهیم.

هریک از روشهای ارائه شده برای صرفه جویی در انرژی پیش فرضها و هدفهای گوناگونی دارند.

برای برخی از کاربردها سرعت انتقال داده مهم است و برای برخی دیگر انتقال بدون خطا ، برخی برای شبکه های با توزیع تصادفی طراحی شده اند و برخی برای شبکه های با توزیع دستی،....

با توجه به این نکات، لازم است که پیش فرضها و اهدافی که باعث تفاوت در روشهای گوناگون ارائه شده برای حداکثرسازی عمر شبکه میشوند را مطرح و طبقه بندی کنیم.

1-6-1 پیش فرضهای طراحی

از آنجاکه روشهای مورد بررسی سعی در صرفه جویی در مصرف انرژی دارند ، دو فرض در بین تمامی آنها مشترک است:

1. هر حسگر منبع انرژی محدودی دارد.
2. حسگرها قرار است برای مدت زیادی فعالیت کنند.

در این قسمت به مقایسه طراحی های مختلف که منعکس کننده ساختارهای مختلف شبکه[8] ، روشهای مختلف به کار اندازی[9] و قابلیت های مختلف حسگر[10]ها میباشد، میپردازیم.

1- ساختار شبکه:شبکه میتواند مسطح یا غیر سلسله مراتبی باشد به این معنی که همه حسگرها نقش یکسان و کارایی یکسان در شبکه دارند. در مقابل ممکن است که شبکه سلسله مراتبی باشد . به عنوان مثال در شبکه های حسگر با هدف تجسس و یا ردگیری[11] ، برخی گره ها مسئولیت ترکیب داده ها را به عهده میگیرند. این گره ها داده ها و گزارشهای سایر گره ها ی موجود در همسایگی شان را جمع آوری کرده و تشخیص میدهند که آیا شیئ ای کشف شده است یا نه و نتیجه حاصل را به مرکز اطلاع میدهند.به این نوع ساختار معمولا ساختار خوشه ای[12] و یا بر پایه نگهبان[13] گفته میشود که در آن سرگروه ها نقش مهمتری نسبت به سایر گره ها ایفا میکنند.بسیاری از روشهای مورد بحث فرض خود را بر خوشه بندی بودن ساختار شبکه حسگر قرار میدهند[42].

2- روشهای مختلف به کار اندازی:کارایی شبکه حسگر و پوشش حسگر میتواند تحت تاثیر طرز اولیه چیدمان آنها قرار بگیرد.به عنوان مثال گره ها ممکن است که توسط یک هواپیمای در حال پرواز برروی منطقه تحت نظر ریخته شوند ویا ممکن است به صورت دستی در محل خود قرار داده شوند که در سناریوی اول توزیع گره ها تصادفی میباشد. بسیاری از روشها فرض میکنند که حسگرها توزیع یکنواخت تصادفی را در منطقه تحت نظر دنبال میکنند[21][25]. برخی از روشها بصورت مستقیم این فرض را بیان نمیکنند ولی در صورتیکه این فرض برقرار باشد ، برخی از روشها توزیع را پواسون دوبعدی در نظر میگیرند.برخی دیگر توزیع را توری در نظر میگیرند.[18]اکثر روشها در نظر میگیرند که تعداد گره هایی که در یک ناحیه به کار گرفته شده اند از تعداد مورد نیاز برای انجام کار بیشتر است و بنابراین میتوان تعدادی از آنهارا خاموش کرد.(حتی در برخی در نظر گرفته میشود که مرتبه بزرگی تعداد گره های بکار رفته یک مرتبه بیشتر ازتعداد مورد نیاز است.)این چگالی ، بالا در نظر گرفته میشود.

3- مدلهای کشف: اکثر روشهای مورد بحث در نظر میگیرند که در صورتیکه شئی در محدوده پوشش حسگر باشد حتما این شی کشف خواهد شد. به بیانی دیگر کشف شی قطعی میباشد.در مواردی برای کشف شئ احتمالاتی در نظر گرفته شده است که در آن احتمال کشف تابعی از فاصله حسگر از شئ میباشد.

4- محدوده حسگر: محدوده حسگر معمولا یک ناحیه دایره ای و یا یک کره سه بعدی به مرکزیت حسگر میباشد.به علاوه معمولا محدوده حسگرها مساوی در نظر گرفته میشود.برخی از روشهای ارائه شده قابل کاربرد در هرگونه ناحیه محدب و غیر یکنواخت(ولی قطعی) قابل استفاده هستند.[39]

5- دامنه ارسال[14]: روشهای گوناگونی در نظر میگیرند که حسگر قادر است با تغییر قدرت ارسال رادیویی خود به دامنه های ارسال متفاوتی دست پیدا کند [25][42].برخی از انواع گره ها مانندMICA2 درجات مختلفی از دامنه های ارسال را فراهم میکنند[43].

6- همزمان سازی: بسیاری از روشها فرض میکنند که گره ها همزمان شده اند تا با یکدیگر بیدار شده و دور جدیدی از زمانبندی را شروع کنند .روشهای گوناگونی برای همزمان سازی گره های حسگر ارائه شده است[36][37].

1- مدلهای خرابی[15]: چگونگی خرابی گره ها فرض مهمی هم درباره گره ها و هم درباره محیطی که گره ها در آن بکار رفته اند ،میباشد. تمامی روشها در نظر میگیرند که هنگامیکه انرژی یک گره به اتمام میرسدآن گره خراب شده است. برخی روشهای دیگر در نظر میگیرند که ممکن است گره ها پیش از آنکه انرژیشان به اتمام برسد خراب شوند .به عنوان مثال ممکن است حسگرها توسط تانکها در یک منطقه نظامی نابود شوند[25].

2- پویایی حسگرها: در اکثر روشها در نظر گرفته میشود که حسگرها جابجایی ندارند ویا اینکه بطور مستقیم فرضی بیان نمیشود.در واقع اکثر مقالات به این بحث میپردازند که حسگرها در محیط واقعی جابجایی ندارند و یا جابجایی بسیار کمی دارند[21].

3- اطلاعات مکانی: برخی از روشها در نظر میگیرند که حسگرها قادر هستند مکان جغرافیایی خودرا تعیین کنند.معمولا اطلاعات جغرافیایی برای تعیین اینکه چه مقدار از ناحیه تحت پوشش حسگر با همسایگانش همپوشانی دارد به کار میرود .اگر مکان به کار گیری حسگر ازقبل مشخص بوده و حسگر جابجایی نداشته باشد میتوان این اطلاعات را پیش از به کار اندازی درون حسگر برنامه ریزی کرد.درغیر اینصورت لازم است که گره ها به دستگاه موقعیت یاب جهانی مجهز باشند و یا یک الگوریتم مسیریابی را اجرا کنند[44].

10-اطلاعات فاصله: برخی از مقالات فرض میکنند که در یک ساختار خوشه ای گره ها قادر هستند که فاصله خود را از سرشاخه خود تعیین کنند .اطلاعات فاصله را میتوان از اطلاعات مکان گره ها استخراج نمود(ولی عکس این عمل ممکن نمیباشد.)به علاوه ممکن است بتوان فاصله را از قدرت سیگنال تخمین زد[42].

1-6-2 اهداف طراحی[16]

کاربردهای مختلف دارای نیاز مندیهای متفاوتی هستند، بنابراین شبکه های حسگر ممکن است در اهداف طراحی متفاوت باشند ویا اینکه اولویت اهداف آنها با یکدیگر فرق کند. بیشینه کردن طول عمر شبکه مسلما یکی از مهمترین اهداف طراحی در همه شبکه های حسگر است که قرار است برای مدت طولانی کار کنند. از سوی دیگر شبکه های حسگر برای انجام وظیفه ای مشخص مانند حس کردن محیط و انتقال داده به کار میروند بنابراین یک یا چند هدف کیفیت سرویس[17] مانند حفظ پوشش محیط ، نیز به همراه کمینه کردن مصرف انرژی در نظر گرفته میشوند.به علاوه طراحی ممکن است تعدادی هدف لایه بالا[18] ماننداستحکام[19]، مقیاس پذیری[20] و یا سادگی[21] داشته باشد. دستیابی به یک هدف ممکن است برروی یک هدف دیگر تاثیر بگذارد .بنابراین لازم است که رابطه بین این اهداف مورد مطالعه قرار بگیرد.

1. بیشینه کردن عمر شبکه: عمر شبکه بصورتهای مختلفی تعریف شده است و هر روش کارا در مصرف انرژی نوع خاصی از عمر شبکه رابیشینه میکند.[21][31] [42] [45] در ساده ترین حالت ،شبکه زنده در نظر گرفته میشود در صورتیکه یکی از حسگرها زنده باشند. عمر شبکه ممکن است بدین صورت تعریف شود که تازمانیکه درصد گره های فعال در یک شبکه از یک آستانه پایینتر است (مثلا90%) شبکه زنده است. نوع دیگری از تعریف عمر شبکه به این صورت است که یک معیار کیفیت سرویس در نظر گرفته شود. به عنوان مثال تا زمانیکه پوشش ناحیه (یا اتصال،در صد انتقال داده و...) از یک حد بالاتر است شبکه فعال تعریف میشود.
2. پوشش حسگرها: از آنجا که حس کردن محیط وظیفه اصلی شبکه حسگر است فراهم آوردن پوشش برروی ناحیه مورد نظر یک معیار کیفیت مهم است.اگر تمامی نقاط در ناحیه مورد نظر تحت پوشش شبکه باشند گفته میشودکه شبکه پوشش1- لایه ای[22] دارد .در صورتیکه هر نقطه حداقل توسط k حسگر پوشانده شود به آن پوشش –Kلایه ای[23] گفته میشود(پوشش 1-لایه ای نوع خاصی از پوشش –Kلایه ای است.) یک شبکه حسگر همچنین ممکن است که پوشش 1- لایه ای یا –K لایه ای جزئی[24] داشته باشد.گاهی ارائه تضمین قطعی با پیش فرضهای داده شده ممکن نمیباشد بنابراین برخی روشها ، پوشش حدی هنگامیکه تعدادگره ها به سمت بی نهایت میرود ارائه میکنند[25] [18].
3. اتصال شبکه:در صورتیکه داده های حسی[25] نیاز داشته باشند تا با چند گام[26] به ایستگاه پایه برسند حفظ اتصال بین گره ها اهمیت بسیاری پیدا میکند .برخی از روشها حتی سعی میکنند که شبکه را طوری پیکربندی کنند که درجه ای از اتصال[27] که مورد نیاز کاربرد است رافراهم کنند.مش