شکل ۱-۱:معماری یک گره حسگر[۷]
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.
۱-۳ ویژگیهای عمومی شبکه های حسگر
علاوه بر نکاتی که تاکنون درباره شبکه‌های حسگر به عنوان مقدمه آشنایی با این فناوری بیان کردیم، اینشبکه‌ها دارای یک سری ویژگیهای عمومی نیز هستند. مهمترین این ویژگی‌ها عبارت استاز:
بر خلاف شبکه‌های بیسیم سنتی، همه گره‌ها در شبکه‌های بیسیم حسگر نیازیبه برقراری ارتباط مستقیم با نزدیک‌ترین برج کنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند،بلکه حسگرها به خوشه‌هایی (سلول‌هایی) تقسیم میشوند که هر خوشه (سلول) یک سرگروهخوشه موسوم به Parent انتخاب میکند.این سرگروه‌ها وظیفه جمع آوری اطلاعاترا بر عهده دارند. جمع آوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره‌ها بهایستگاه پایه و در نتیجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام میشود. البته چگونگیانتخاب سرگروه خود بحثی تخصصی است که در تئوری شبکه‌های بیسیم حسگر مفصلاً موردبحث قرار میگیرد.
هر حسگر موجوددر شبکه دارای یک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. یکیاز اهداف شبکه‌های حسگر این است که هر محل در فضای مورد نظر بایستی حداقل در رنجحسگری یک گره قرار گیرد تا شبکه قابلیت پوشش همه منطقه موردنظر را داشتهباشد.
یک حسگر با شعاع حسگری r را میتوان با یک دیسک با شعاع r مدل کرد. ایندیسک نقاطی را که درون این شعاع قرار میگیرند، تحت پوشش قرار میدهد. بدیهی است کهبرای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه این دیسک‌ها باید کل نقاط منطقه رابپوشانند.
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
با این که توجه زیادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها میشود،احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هیچ حسگری قرار نگیرد. این نقاط تحت عنوان حفره‌هایپوششی نامیده میشوند. اگر تعدادی حسگر به علاوه یک منطقه هدف داشته باشیم، هر نقطهدر منطقه باید طوری توسط حداقل n حسگر پوشش داده شود که هیچ حفره پوششی ایجاد نشود. این موضوع لازم به ذکر است که مسأله حفره پوششیبسته به نوع کاربرد مطرح میگردد. در برخی کاربردها احتیاج است که درجه بالایی ازپوشش جهت داشتن دقت بیشتر داشته باشیم.
۱-۴ 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن 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 دستگاه های 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 بهره گرفتن 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 ۱-۲ نشان داده شده است.
شکل۱-۲ : کاربردهای پرس وجویی و وظیفه ای در شبکه های حسگر[۲]
۱-۵عوامل مهم در طراحی شبکه های حسگر[۹][۱۰]
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.
۱-۵-۱ 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.
۱-۵-۲ 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:[۹]
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 بهره گرفتن 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 ۱ -۳ : انرژی مصرفی حسگرها در ارسال و پردازش داده
۱-۵-۳ 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.
۱-۵-۴ 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.
۱-۵-۵ 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.
۱-۵-۶تحمل 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.
۱-۵-۷ 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.
۱-۶ صرفه جویی در مصرف انرژی در شبکه های حسگر
هر حسگر حدودا بین ۱۰۰ تا ۱۲۰ ساعت با یک باتری AAA در حالت فعال[۴] کار میکند[۴۰].
از آنجا که معمولا تعداد زیادی حسگربسیار ظریف در نواحی دور دست ، خود کار[۵] 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 ۳۵ سال تنها دوبرابر میشود[۴۱] اهمیت روش های 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) [۱۸][۲۱]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[۶] آن به سایر حسگرها و پوشش[۷] 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 روش های 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[۴۲]. بنابراین مصرف انرژی در حسگر تنها در صد کوچکی از مصرف آن در حالت فعال میباشد.
روش های 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 روش های 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 روش های گوناگون ارائه شده برای حداکثرسازی عمر شبکه میشوند را مطرح و طبقه بندی کنیم.
۱-۶-۱ پیش فرضهای طراحی
از آنجاکه روش های مورد بررسی سعی در صرفه جویی در مصرف انرژی دارند ، دو فرض در بین تمامی آنها مشترک است:
هر حسگر منبع انرژی محدودی دارد.
حسگرها قرار است برای مدت زیادی فعالیت کنند.
در این قسمت به مقایسه طراحی های مختلف که منعکس کننده ساختارهای مختلف شبکه[۸] ، روش های مختلف به کار اندازی[۹] و قابلیت های مختلف حسگر[۱۰]ها میباشد، میپردازیم.
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[۱۱] ، 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[۱۲] و یا بر پایه نگهبان[۱۳] گفته میشود که در آن سرگروه ها نقش مهمتری نسبت به سایر گره ها ایفا میکنند.بسیاری از روش های مورد بحث فرض خود را بر خوشه بندی بودن ساختار شبکه حسگر قرار میدهند[۴۲].
روش های 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[۲۱][۲۵]. 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.[۱۸]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.
مدلهای کشف: اکثر روش های 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.
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 روش های ارائه شده قابل کاربرد در هرگونه ناحیه محدب و غیر یکنواخت(ولی قطعی) قابل استفاده هستند.[۳۹]
دامنه ارسال[۱۴]: روش های گوناگونی در نظر میگیرند که حسگر قادر است با تغییر قدرت ارسال رادیویی خود به دامنه های ارسال متفاوتی دست پیدا کند [۲۵][۴۲].برخی از انواع گره ها مانندMICA2 درجات مختلفی از دامنه های ارسال را فراهم میکنند[۴۳].
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 .روش های گوناگونی برای همزمان سازی گره های حسگر ارائه شده است[۳۶][۳۷].
مدلهای خرابی[۱۵]: 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 روش های 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[۲۵].
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[۲۱].
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[۴۴].
۱۰-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[۴۲].
۱-۶-۲ اهداف طراحی[۱۶]
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[۱۷] مانند حفظ پوشش محیط ، نیز به همراه کمینه کردن مصرف انرژی در نظر گرفته میشوند.به علاوه طراحی ممکن است تعدادی هدف لایه بالا[۱۸] ماننداستحکام[۱۹]، مقیاس پذیری[۲۰] و یا سادگی[۲۱] 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.
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.[۲۱][۳۱] [۴۲] [۴۵] 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 (مثلا۹۰%) 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.
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 پوشش۱- لایه ای[۲۲] دارد .در صورتیکه هر نقطه حداقل توسط k حسگر پوشانده شود به آن پوشش –Kلایه ای[۲۳] گفته میشود(پوشش ۱-لایه ای نوع خاصی از پوشش –Kلایه ای است.) یک شبکه حسگر همچنین ممکن است که پوشش ۱- لایه ای یا –K لایه ای جزئی[۲۴] 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[۲۵] [۱۸].
اتصال شبکه:در صورتیکه داده های حسی[۲۵] نیاز داشته باشند تا با چند گام[۲۶] 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[۲۷] که مورد نیاز کاربرد است رافراهم کنند.مشابه پوشش حسگرها، اتصال آنها هم میتواند حدی در نظر گرفته شودبه این صورت که هنگامیکه تعدادگره ها به سمت بی نهایت حرکت کند شبکه حتما متصل خواهد بود.[۲۳]
نرخ انتقال داده:بالابودن نرخ انتقال داده معیار کیفیت سرویس دیگری برای برخی از کاربردها میباشد.این مقدار میتواند بصورت درصد داده های انتقال داده شده از یک منبع به یک مقصد تعریف شود.این معیار هنگامیکه درون شبکه تجمیع صورت میگیرد مناسب نیست.
کیفیت پایش[۲۸]:یک معیار ارائه شده برای کیفیت پایش در شبکه های حسگر طراحی شده ویژه ردگیری اهداف بصورت میانگین فاصله ای که یک هدف طی میکند پیش از اینکه توسط شبکه کشف شود ، تعریف میشود.به این صورت شبکه ای که بتواند در مدت زمان و فاصله کوتاهتری هدف را شناسایی کند دارای کیفیت پایش بهتری میباشد.کیفیت پایش تنها به پوشش گره ها بستگی ندارد بلکه به چینش جغرافیایی آنها نیز بستگی پیدا میکند.درصورتیکه شبکه در برخی از نقاط خوشه بندی شده باشد ممکن است که هدف فاصله زیادی را طی کند پیش از اینکه کشف شود.بنابراین ممکن است فاصله ای که هدف پیش از کشف شدن طی میکند بیشتر از شبکه حسگری با پوشش مشابه ولی خوشه بندی نشده و دارای توزیع یکنواخت تر باشد.
نهانکاری: برخی از کاربردها در شبکه های حسگر نیاز دارند که کار آنها قابل کشف نباشندویا احتمال کشف آنها بسیار پایین باشد.نهانکاری از طریق کاهش تعداد پیامهای کنترلی ممکن میباشد.پایین آوردن مدت زمان ارسال نیز به نهانکاری کمک میکند در صورتیکه گره ها تنها در دوره های خاص اجازه ارسال داشته باشند.[۴۵]
مصرف انرژی متعادل: برخی از روشها سعی میکنند که مصرف انرژی بین گره ها را متعادل کنند.یک استدلال رایج برای این کار این است که اگر انرژی برخی از گره ها زودتر از بقیه به اتمام برسد پوشش شبکه و یا اتصال آن ممکن است پیش از موعد از بین برود.یک استدلال مخالف به چگالی بالای گره تکیه میکند و میگوید که حتی اگر برخی از گره ها از بین بروند گره های جایگزین آنها موجود خواهد بود.
مقیاس پذیری:یک تعریف همه گیر برای مقیاس پذیری ارائه نشده است.ولی در اکثر شبکه های حسگر افزایش بصورت خطی ویا سریعتر هزینه محاسبات نسبت به افزایش تعداد همسایگان یک گره ناخوشایند است.از سوی دیگر اگر هر گره تنها وضعیت همسایگان فعال خود را نگهداری کند از آنجا که تعداد این گره ها کم است الگوریتم همچنان مقیاس پذیر در نظر گرفته میشود.
استحکا[۲۹]م:استحکام ،توانایی شبکه در تحمل خرابی های پیش بینی نشده است.به عنوان مثال حسگرهای یک شبکه ممکن است توسط تانک ها یا بمب ها پیش از اتمام باتری آنها خراب شوند.یک روش مستحکم نمیتواند انتظار داشته باشدکه همه گره های خواب شبکه بیدار شوند.زیرا ممکن است تعدادی از این گره ها در مدت زمان خواب خود از کار افتاده باشند.بدیهی است که پیش فرضهای طراحان تا حد زیادی تعیین کننده استحکام برنامه میباشد.
سادگی:حسگرهای فعلی دارای حافظه محدودی برای ذخیره کردن برنامه ها هستند.مثلاMICA2 تنها ۸کیلوبایت فضای حافظه برای ذخیره برنامه دارند.به علاوه حسگرها دارای قدرت محاسباتی پایین میباشندو اشکال زدایی آنها دشوار میباشد.
۱-۶-۲-۱ رابطه بین اهداف طراحی
ازآنجا که بررسی رابطه همه موارد فوق ممکن نمیباشدبرخی از روابط مهمتر بین این اهداف طراحی بررسی میشوند.
هنگامیکه دامنه ارسال گره ها حداقل دوبرابر دامنه پوشش حسگرها باشد،پوششK- لایه ای منجر به اتصال K تایی میشود.[۲۳]
بالاتر بودن درجه اتصال معمولا باعث بالارفتن استحکام شبکه دربرابر خرابی ها میشودزیرا تعداداتصالاتی که باید قطع شوند تا اتصال شبکه از بین برودافزایش می یابد.
نرخ انتقال داده معمولا با بالا رفتن درجه اتصال افزایش پیدا میکند ولی در صورتیکه این درجه بسیار بالا باشدبرخورد بین بسته های ارسالی ممکن است این رابطه را برعکس کند.
بالاتر بودن میزان نهانکاری میتواند منجر به مصرف انرژی کمتر شود درصورتیکه نهانکاری از طریق پایین آوردن پیام های کنترلی انجام شود.
۱-۶-۳ حالتهای صرفه جویی در مصرف انرژی حسگر[۳۰]
برای فهم بهتر روش های صرفه جویی در مصرف انرژی لازم است حالتهای مختلف ذخیره انرژی که توسط حسگر فراهم میشوند را بررسی کنیم.یکی از پیچیدگی ها در اینجا متفاوت بودن پشتیبانی حسگرهای مختلف از حالتهای صرفه جویی در مصرف انرژی میباشد و حتی اگر حسگرها دارای حالات صرفه جویی مشابهی باشند واژگان بکار رفته توسط مقالات مختلف برای آنها متفاوت میباشد.حالات رایج صرفه جویی در مصرف انرژی را در این قسمت بررسی خواهیم کرد:
◄ فعال:تمامی قسمتهای حسگر فعال میباشند.حسگر قادر است که داده های حسی را جمع آوری کرده ، پیام را دریافت کند و یا بفرستد ، داده ها و پیامها را پردازش کند و سایر انواع محاسبات را انجام دهد.این حالت معمولا فعال خوانده میشود و یک حالت صرفه جویی در مصرف انرژی نیست.
◄ واحد حسی [۳۱]فعال: حداقل یکی از واحدهای حسی و پردازنده فعال میباشند ولی واحد گیرنده و فرستنده خاموش میباشد.در این حالت حسگر قادر است داده های حسی را جمع آوری و پردازش کند ولی قادر به فرستادن یا دریافت پیام نمیباشد.
◄ واحد فرستنده فعال: دستگاه فرستنده و پردازشگر روشن هستند ولی واحد های حسی حسگر خاموش میباشند.دراین حالت حسگر قادر است پیام بفرستد،دریافت کند و پیامها را پردازش کند ولی قادر به حس کردن محیط نیست.
◄غیرفعال: پردازشگر حسگر خاموش میباشد ولی یک تایمر و یا یک مکانیسم راه اندازی دیگر برای فعالسازی حسگر را برعهده دارد.به این حالت ، حالت خواب گفته میشود.
باید توجه داشت که برخی از حسگرها حالات مختلف غیر فعال دارند که هرکدام مکانیزم به راه اندازی متفاوتی دارند .برای مثال حسگرهایAMPSµ دارای سه حالت خواب میباشد:دیده بانی[۳۲]،مشاهد[۳۳]ه و خواب عمیق[۳۴].[۴۶] در هر سه مورد پردازشگر خاموش میباشد بنابراین حسگر قادر به پردازش داده های حسی ویا پیام ها نمیباشد.درحالت دیده بانی ، هم واحد حسی و هم واحد فرستنده فعال هستندتا پیامهای فعالسازی را دریافت کنند. در حالت مشاهده ، تنها واحد حسی فعال میباشد.تفاوت آنها با واحد حسی فعال در این است که در این حالت پردازشگر نیز خاموش میباشد.در حالت خواب عمیق نه واحد حسی فعال است نه واحد فرستنده.بنابراین حسگر برای بیدار شدن به تایمر داخلی خود تکیه میکند.اکثر انواع حسگرها دارای حالتی شبیه AMPSµ میباشند که این حالت در اکثر روش های صرفه جویی در مصرف انرژی مورد استفاده قرار میگیرد.طراحانAMPSµ روشی را برای استفاده از هر سه حالت صرفه جویی ارائه داده اند.
بیشترین مقدار صرفه جویی انرژی در حالت خواب عمیق صورت میگیرد زیرا واحدهای حسگر ، پردازش وفرستنده همگی خاموش هستند.فعالیت واحد فرستنده معمولا مصرف انرژی بیشتری نسبت به واحد حسی دارد ولی مصرف انرژی دستگاه فرستنده همچنین بستگی به الگو و فرکانس ارتباط دارد.
تقریبا تمامی روشها از حالت غیر فعال استفاده میکنند.برخی از روشها از دوحالت واحد حسی و واحد فرستنده فعال نیز استفاده میکنند.گاهی اوقات تعیین اینکه حسگر در کدامیک از حالات فوق به سر میبرد دشوار است.
۱-۷ روش های زمانبندی توزیع شده در شبکه های سلسله مراتبی
در شبکه های سلسله مراتبی مانند شبکه های خوشه بندی شده[۳۵] ، حسگرها توسط مکانیزمی در خوشه هایی محلی دسته بندی میشوند.هر خوشه دارای یک سرخوشه[۳۶] (سرگروه) است.سرخوشه ها ممکن است حسگرهایی با توانایی بالاتر حسی ویا… نسبت به سایر گره ها باشند یا نباشند.سرخوشه ها وظیفه ارتباط گره های درون خوشه خود با ایستگاه پایه را به عهده دارند.ارتباط سرخوشه ها با ایستگاه پایه ممکن است چندگامه و از طریق سرخوشه های دیگر باشد.در این قسمت به روش های زمانبندی بر پایه خوشه بندی میپردازیم:
در[۵۱] روش [۳۷]LEACH(خوشه بندی سلسله مراتبی انطباقی کم مصرف) برای خوشه بندی گره ها در شبکه های حسگر ارائه شده است. در این روش به صورت تصادفی نقش سرخوشه بین گره های مختلف تقسیم میگردد تا مصرف انرژی به صورت یکنواخت بین گره های مختلف تقسیم شود.درLEACH فعالیتها به دوره هایی تقسیم میشوند.از آنجایی که سرخوشه وظایف بیشتری به عهده دارد در هر دوره سرخوشه عوض میشود تا از خالی شدن سریع باتری سرخوشه ها جلوگیری شود.سر خوشه ها بصورت خود بر گزیده تعیین میشوند.برای صرفه جویی در مصرف انرژی حسگرهای غیر سرخوشه همگی مگر در هنگام فرستادن داده خاموش میشوند.
در مقاله ژورنال LEACH دو مورد بهبود داده شده است:
الگوریتم بهتری برای انتخاب سرخوشه ها ارائه شده است.
تعداد بهینه خوشه ها در شبکه تعیین شده است.
به این روشE-LEACH[38] گفته میشود.
در[۵۲]و[۵۳] یک روش ساده برای انتخاب سرخوشه ها ارائه شده است.در این روش سرخوشه ها با احتمال P انتخاب میشوند. در این روش دونوع سرخوشه وجود دارد.سرخوشه های داوطلب و سرخوشه های اجباری. هرگره با احتمال P به صورت یک سرخوشه داوطلب درمی آید. این گره سپس این موضوع را با پیامی اعلان میکند که این اعلان تاKگام پیش میرود.هر گره غیر سر خوشه ای که این پیام را میشنود به صورت جزئی از این خوشه قرار می گیرد.هرگاه حسگری بعد از طی t دوره زمانی به عضویت هیچ
گروهی در نیامد به صورت اجباری به عنوان سرگروه تعیین می شود.در [۵۲]و [۵۳] مقدار بهینه احتمالP برای کمینه سازی مصرف انرژی در یک شبکه سلسله مراتبی h- لایه ای تعیین شده است.
در[۴۵] یک روش دیده بانی کم مصرف(ESS[39]) که کارایی دیده بانی را در برابر مصرف انرژی با تنظیم حساسیت سیستم،دادوستد می کند. در این روش گره ها به صورت پویا به دو دسته نگهبان[۴۰] و غیر نگهبان تقسیم می شوند.نگهبان ها مشابه سرخوشه ها به صورت محلی توسط حسگرها انتخاب می شوند.یک حسگر در صورتیکه ببیند که هیچ یک از همسایگانش به عنوان نگهبان تعیین نشده اند ،خود را به عنوان نگهبان انتخاب میکند و قصد خود را به همسایگانش اطلاع می دهد.یک تاخیر با مدت زمان تصادفی برای جلوگیری از برخورد اعلان ها هنگامی که تعدادی همسایه همزمان تصمیم می گیرند که نگهبان شوند استفاده می شود.گره های غیر نگهبان به صورت متناوب از حالت بیدار به حالت خاموش می روند و بالعکس.دو روش مختلف پیش فعال[۴۱] و واکنشی برای تعین دوره های خواب و بیدار ارائه شده اند.
در[۴۲] یک روش زمانبندی خواب گره ها به نام زمانبندی فاصله خطی(LDS[42]) برای شبکه های سلسله مراتبی خوشه بندی شده با چگالی بالا ارائه شده است.هدف،کاهش مصرف انرژی در عین حفظ پوشش کافی است. برای دستیابی به این هدف گره هایی که در فاصله بیشتری از سرخوشه قراردارند با احتمال بالاتری به خواب می روند.منطق این کار بر این نکته استوار است که گره ها قادرهستند در گامهایی دامنه ارسال خود را تغییر دهند و از آنجاکه برای ارسال به نقاط دورترانرژی بیشتری نیاز است،گره های دور از سرخوشه بیشتر به خواب می روندتا هزینه بالای ارسال آنها به سرخوشه جبران گردد.در این روش ساختار خوشه ها ایستا است و هنگامیکه سرخوشه ها انتخاب شوند دیگر تغییر نمیکنند.
در[۵۴] نویسندگان به گسترش روشLDS پرداخته اند و روش زمانبندی با مصرف انرژی متوازن(BS) را ارائه کرده اند. در این روش با توزیع متوازن وظایف فرستادن و حس کردن بین گره های غیرسرخوشه تلاش شده است که مصرف انرژی گره ها مستقل از فاصله آنها از سرخوشه باشد.نویسندگان یک تابع بااحتمال به خواب رفتن p(x) به دست آورده اندکه در آن مصرف انرژی گره مستقل از x یعنی فاصله آن از سرخوشه می باشد.
۱-۸روشهای زمانبندی توزیع شده در شبکه های غیر سلسله مراتبی
دراین بخش برخی از روش های زمانبندی راکه قابل استفاده در شبکه های غیر سلسله مراتبی میباشند بررسی میکنیم.
در [۱۸]روش زمانبندی تصادفی مستقل ([۴۳]RIS) برای افزایش طول عمر شبکه در عین دستیابی به پوشش
-kلایه ای ارائه شده است.درRIS زمان به دوره هایی تقسیم میشود .در ابتدای هردوره هر گره تصمیم میگیرد که در ادامه دوره به احتمال P فعال باشدو یا با احتمال ۱-P به خواب برود. طول عمر شبکه در این روش تقریبا به اندازه۱/p افزایش پیدا میکند.به علاوه برای پوشش –Kلایه ای حدی بااستفاده ازRIS برای سه نوع توزیع (توری،یکپارچه تصادفی و پواسون) شروط لازم محاسبه گردیده اند.
در[۳۰] یک روش توزیع شده برای زمانبندی در عین حفظ پوشش ارائه کرده اند.برای جلوگیری از کاهش پوشش شبکه یک گره تنها زمانی اجازه خاموش شدن پیدا میکند که تمامی ناحیه مربوط به آن توسط حسگرهای همسایه پوشانده شده باشند.به حسگرهای همسایه پشتیبانهای خاموشی[۴۴] گفته میشود و ناحیه ای که هر حسگر میپوشاند بخش تحت پوشش[۴۵] نامیده میشود.هر حسگر از اطلاعات جغرافیایی همسایگانش و دامنه حسی آنها برای تعیین بخشهای تحت پوشش استفاده میکند.اگر ۳۶۰درجه اطراف حسگر توسط همسایگان پوشانده شود گره واجد شرایط غیرفعال میشود. به این روش ، روش بخش تحت پوشش گفته میشود.
در[۴۷] مسئله زمانبندی حسگرها به صورت یک مسئله بیشینه سازی با شرطهایی بر روی عمر باتری و پوشش حسگرها حل میشود.
در این مقاله یک روش متمرکز و یک روش توزیع شده برای حداکثرسازی عمر شبکه در عین دستیابی به پوشش –kلایه ای ارائه شده است. در این روش دستیابی به یک درجه مشخص از پوشش ممکن است (در صورت کافی بودن چگالی) در حالیکه در روش بخش تحت پوشش که پیش ازاین مورد بحث قرارگرفت درجه پوشش فعلی شبکه حفظ میشود.در این روش هرحسگردر یکی از حالات زیر به سر میبرد:استراحت، بیدار ، آسیب پذیر[۴۶].در حالت آسیب پذیر اگر حسگر به این نتیجه بر
