1-1- شبکه های حسگر بیسیم
شبكه های حسگر بی سیم[1] جهت جمع آوری اطلاعات در مناطقی كه كاربر نمی تواند حضورداشته باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. در یک شبكه حسگر، حسگرها به صورت جداگانه مقادیر محلی را نمونه برداری (اندازه گیری) می كنند و این اطلاعات را درصورت لزوم برای حسگرهای دیگر و در نهایت برای مشاهده گر اصلی ارسال می نمایند. عملكرد شبكه این است كه گزارش پدیده هایی راكه اتفاق می افتد به مشاهده گری بدهد كه لازم نیست از ساختار شبكه و حسگرها به صورت جداگانه و ارتباط آنها چیزی بداند. این شبکه ها مستقل و خودگردان بوده وبدون دخالت انسان کار می کنند. معمولا تمامی گرهها همسان میباشند و عملاً با همکاری با یكدیگر، هدف كلی شبكه را برآورده می‌سازند. هدف اصلی در شبکه های حسگر بیسیم نظارت و کنترل شرایط و تغییرات جوی، فیزیکی و یا شیمیائی در محیطی با محدوده معین، میباشد[1, 2]. شبکه حسگر بیسیم نوع خاصی از شبکه های موردی[2] است. مبحث شبکه های حسگر بی سیم یکی از موضوعات جدید در زمینه مهندسی شبکه و فناوری اطلاعات می باشد.
پیشرفتهای اخیر در طراحی و ساخت تراشه های تجاری این امكان را به وجود آورده است كه عمل پردازش سیگنال و حس كنندگی در یک تراشه یعنی حسگر شبكه بی سیم انجام گردد، كه شامل سیستم های میكروالكترومكانیكی [3](MEMS) مانند حسگرها، محرک ها[4] و قطعات رادیویی RF می باشد.
حسگرهای بی سیم كوچكی تولید شده است كه قابلیت جمع آوری داده از فاصله چند صد متر و ارسال داده بین حسگرهای بی سیم به مركز اصلی را دارا می باشد و با این تكنولوژی اطلاعات دما – نوسانات، صدا، نور، رطوبت، و مغناطیس قابل جمع آوری می باشد كه این حسگرهای بی سیم با هزینه كم و اندازه ای کوچک قابل نصب در شبكه های حسگر بی سیم می باشد. اما كوچك شدن حسگرهای بی سیم دارای معایبی نیز می باشد. تكنولوژی نیمه هادی باعث بوجود آمدن پردازنده های سریع با حافظه بالا شده است اما تغذیه این مدارات هنوز هم یک مشكل اساسی است كه محدود به استفاده از باطری گردیده است. بخش منبع تغذیه یک بخش مهم و محدود است که در صورتیکه از باطری در این شبکه ها استفاده شود، تعویض باطری ها در حالتی که تعداد نودهای شبکه زیاد باشد کاری سخت و دشوار خواهد بود و نودها به منظور ذخیره و صرفه جویی در مصرف انرژی مجبور به استفاده از ارتباطات برد کوتاه خواهند شد. تفاوت یک حسگر بی سیم كارا و یک حسگر بی سیم كه دارای كارایی كم از نظر انرژی است در عملكرد آنها در ساعت ها نسبت به هفته ها می باشد. افزایش اندازه شبكه WSN باعث پیچیدگی مسیریابی وارسال اطلاعات به مركز اصلی می باشد. اما همچنان مسیریابی و پردازش نیاز به انرژی دارند. بنابراین یكی از نكات كلیدی در توسعه و ارائه الگوریتمهای مسیریابی جدید، كاهش و صرفه جویی در انرژی مصرفی است. بخش های مختلف شبکه های حسگر بی سیم باید شبیه سازی و مدلسازی گردند تا کارآیی آنها مورد بررسی واقع شود. برای اینکار شبکه های حسگر بی سیم به گرافهایی نگاشت می شوند که در این گرافها هر گره مطابق با یک نود در شبکه بوده و هر لبه بیانگر یک پیوند یا کانال ارتباطی بین دو نود در شبکه خواهد بود.اگر ارتباط بین نودها در شبکه دو جهته باشد گراف نگاشت شده بدون جهت خواهد بود و اگر ارتباط بین نود ها در شبکه نا متقارن باشد در آن صورت گراف نگاشت یافته جهتدار خواهد بود. البته مدل ارتباطی بین نودها در شبکه می تواند یک به یک یا یک به همه باشد. فراهم آوردن یک مدل عملی برای حسگرها کار پیچیده و دشواری می باشد که این به خاطر تنوع در انواع حسگرها هم از نظر ساختاری و هم از نظر اصول و اساس کار آنها می باشد. شبكه های حسگر دارای ویژگیهایی منحصر به فرد هستند كه این امر باعث شده است تا پروتكل های خاصی برای آنها در نظر گرفته شود.
در شبكه های بی سیم حسگر معمولا فقط یک یا دو ایستگاه پایه وجود دارد و تعداد زیادی نودهای حسگر در محیط پخش گردیده اند. به علت محدودیت برد این حسگرها و انرژی باطری خیلی از نودها قادر به ارتباط مستقیم با ایستگاه پایه نمی باشند. اما با تكیه بر نودهای نظیر خود و نودهای حسگر دیگر، به ارتباط با ایستگاه پایه می پردازد كه در شبكه های [5]MANET نیز این عمل توسط نودهای معمولی انجام می شود.
معماری ارتباطات شبکه های حسگر بیسیم در شکل 1-1 دیده می شود[1]. در شبکه های حسگر بیسیم، تعداد زیادی گره با امکانات مخابره، پردازش، حس کردن محیط و … در محیطی با چهارچوب معین پراکنده شده اند. رویداد اتفاق افتاده و یا سوالات پرسیده شده از سوی گره مرکزی[6] و ماموریت محوله به هر گره موجب می شود، ارتباطاتی بین گرهها برقرار شود. اطلاعات رد و بدل شده می‌تواند گزارشی از وضیعت محدوده ای كه زیر نظر گرههای حسگر میباشد به گره مرکزی و یا درخواستی از سمت گره مرکزی به سمت گرههای حسگر باشد. گره مرکزی به عنوان درگاه ارتباطی شبکه حسگر با سایر سیستمها و شبکه های مخابراتی، در واقع گیرنده نهایی گزارش از گرههای حسگر میباشد و بعد از انجام یکسری پردازشها، اطلاعات پردازش شده را به کاربر ارسال می کند (با بهره گرفتن از یک رسانه ارتباطاتی مانند اینترنت، ماهواره و …). از سوی دیگر، درخواستهای کاربر نیز توسط این گره به شبکه انتقال مییابد.
یک گره حسگر می‌تواند یكی از دو نقش تولید كننده داده‌ها و یا رله كننده داده‌های تولید شده توسط سایر گرهها را بر عهده بگیرد. عموماً در شبكه‌های حسگر، اغلب گرهها هر دو نقش را به صورت توأم ایفا می‌كنند. برپایی و طراحی ساختار و معماری ارتباطات بین گرههای شبکه نیازمند رعایت فاکتورهای مختلف و زیادی از جمله تحملپذیری خطا، مقیاس پذیری، هزینه تولید، محیط عملیات، توپولوژی شبکه حسگر، محدودیتهای سخت افزاری، ابزار و رسانه ارتباط، انرژی مصرفی و … میباشد. جهت آشنایی بیشتر با شبکه های حسگر بی سیم به پیوست اول مراجعه گردد.
1-1-1- مسائل مطرح در شبکه های حسگر بیسیم
عوامل متعددی در طراحی شبکه های حسگر موثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که بررسی تمام آنها در این نوشتار نمیگنجد از این رو تنها به ذکر برخی از آنها بطور خلاصه اکتفا میکنیم.
1-مسیریابی: ماهیت اصلی شبکه های حسگر به این صورت است که کارهایی که انجام می دهند باید به صورت محلی باشد چرا که هر گره تنها می تواند با همسایه های خود ارتباط برقرار کند و اطلاعات کلی و سراسری از شبکه چندان در دسترس نیست (جمعآوری این اطلاعات هزینه و زمان زیادی را مصرف می کند). اطلاعات بدست آمده توسط گره ها، باید با بهره گرفتن از تکنیکهای مسیریابی، به نحوی به گره مرکزی ارسال گردد.
2- تنگناهای سخت افزاری: هرگره ضمن اینكه باید كل اجزاء لازم را داشته باشد باید بحد كافی كوچك، سبك و كم حجم نیز باشد. در عین حال هر گره باید انرژی مصرفی بسیار كم و قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. اینها همه محدودیتهایی است كه كار طراحی و ساخت گرههای حسگر را با چالش مواجه میكند. ارائه طرحهای سختافزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بیسیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فنآوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در كاهش تنگناهای سختافزاری داشته است.
3- تحملپذیری خطا و قابلیت اطمینان[1]: هر گره ممكن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار بكلی نابود شود یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از كار بیفتد. منظور از تحملپذیری یا قابلیت اطمینان این است كه خرابی گرهها نباید عملكرد كلی شبكه را تحت تاثیر قرار دهد. در واقع میخواهیم با بهره گرفتن از اجزای غیر قابل اطمینان یک شبكه قابل اطمینان بسازیم.
4- توپولوژی: توپولوژی شبکه یکی از مفاهیم اولیه در شبکه های حسگر است که دیگر موارد نظیر مسیریابی و … بر روی آن تعریف می شود. ساختارهای زیادی در توپولوژی مطرح است که بر اساس اولویتهای مختلف و در شرایط متفاوت یکی بر دیگری برتری دارد. از جمله مواردی که در انتخاب یک ساختار تاثیر میگذارد میتوان به مصرف انرژی کمتر، تنک بودن ساختار، کم بودن درجه گره، تحملپذیری خطا و تداخل اشاره کرد.
5- مقیاسپذیری[2]: شبكه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراكندگی گرهها مقیاسپذیر باشد. بعبارت دیگر شبكه حسگر از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیونها گره كار كند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گرهها را نیز پشتیبانی كند. در بسیاری كاربردها توزیع گرهها تصادفی صورت میگیرد و امكان توزیع با چگالی مشخص و یكنواخت وجود ندارد یا گرهها در اثر عوامل محیطی جابجا میشوند. بنابراین چگالی باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر كند. موضوع مقیاسپذیری به روشها نیز مربوط می شود برخی روشها ممكن است مقیاسپذیر نباشند یعنی در یک چگالی با تعداد محدود از گره كار كند. در مقابل برخی روشها مقیاسپذیر هستند.
6- شرایط محیطی: طیف وسیعی از كاربردهای شبكه های حسگر مربوط به محیطهایی می شود كه انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیطهای آلوده از نظر شیمیایی، میكروبی، هستهای و یا مطالعات در كف اقیانوسها و فضا و یا محیطهای نظامی به علت حضور دشمن و یا در جنگل و زیستگاه جانوران كه حضور انسان باعث فرار آنها می شود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گرهها در نظر گرفته شود مثلا در دریا و محیطهای مرطوب گره حسگر در محفظهای كه رطوبت را منتقل نكند قرار میگیرد.
7- رسانه ارتباطی: در شبكه های حسگر ارتباط گرهها بصورت بیسیم و از طریق رسانه رادیویی، مادون قرمز، یا رسانه‌های نوری صورت میگیرد. در رسانه رادیویی که بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد از باندهای مختلف صنعتی، علمی و پزشکی که در اکثر کشورها آزاد است استفاده می شود. تعیین فرکانس در این رسانه با توجه به برخی محدودیتهای سختافزاری، کارائی آنتن و مصرف انرژی است. به خاطر لزوم دید مستقیم بین فرستنده و گیرنده، رسانه مادون قرمز چندان مورد استفاده شبکه های حسگر نیست هرچند ساختن آنها ارزان و آسان است. اخیرا، رسانه نوری به عنوان رسانه ارتباطی مورد توجه قرار گرفته است. از جمله این توجهات میتوان به استفاده از آن در ذره غیار هوشمند اشاره کرد[3]. انتخاب رسانه ارتباطی از بین این سه رسانه (رادیویی، مادون قرمز و نوری) با توجه به محدودیتها و ویژگیهای کاربرد مورد نظر از مسائل مطرح در طراحی شبکه های حسگر است.
8- افزایش طول عمر شبكه: طولعمر گرهها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه كوتاه است. علاوه بر آن در برخی مواقع، موقعیت ویژة یک گره در شبكه مشكل را تشدید میكند. مثلاً گرهای كه در فاصله یک قدمی گره مرکزی قرار دارد از یک طرف بخاطر بار كاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست میدهد و از طرفی از كار افتادن آن باعث قطع ارتباط گره مرکزی با كل شبكه و در نتیجه موجب از كار افتادن شبكه می شود. مشكل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گرههای نواحی كم تراكم در توزیع غیر یكنواخت گرهها نیز صدق میكند در اینگونه موارد داشتن یک مدیریت انرژی در داخل گرهها و ارائه راه حلهای انرژیآگاه بطوری كه از گرههای بحرانی كمترین استفاده را بكند مناسب خواهد بود. با توجه به مطالب بیان شده تمام الگوریتمها و تکنیکهای مورد استفاده در شبکه های حسگر به انرژی بعنوان یک محدودیت جدی نگاه می کنند و سعی می کنند با آگاهی از سطح انرژی مصرفی عمل کنند تا کمترین انرژی مصرف گردد و در نتیجه افزایش طولعمر شبکه حسگر را به دنبال داشته باشد.
[1] Reliability
[2] scalability
[1] Wireless Sensor Network
[2] Ad Hoc Networks
[3] Micro Electromechanical Systems
[4] Actuator
[5] Mobile ad hoc Network
[6] Sink
ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است
متن کامل را می توانید دانلود نمائید
چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)
ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه
با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند
موجود است
فرم در حال بارگذاری ...