منصور ابراهیمی بدون دیدگاه

گذری بر WSN – قسمت چهارم

در سه شماره ی قبل پس از تعریف مبانی و مفاهیم پایه ی شبکه های حسگر بی سیم، به کاربرد و ساختار ارتباطی شبکه های حسگر بی سیم پرداختیم و فاکتورهای متعددی که در طراحی شبکه حسگر بی سیم تاثیر گذار هستند را بررسی نمودیم و همچنین به اختصار در باب مسیریابی در شبکه های حسگر بی سیم نوشتیم. در ادامه در ارتباط با تکنیک های مسیریابی صحبت خواهیم کرد و چالش ها و مخاطرات هر الگوریتم را به صورت مفصل تشریح خواهیم نمود.

با وجود کاربرد بسیار WSNها، این شبکه ها چندین محدودیت دارند، برای مثال، محدودیت منبع انرژی، محدودیت توان محاسبه، محدودیت پهنای باند و … یکی از اهداف اصلی طراحی WSNها مخابره داده است. در حالی که سعی می شود طول عمر شبکه را طولانی کرده  و جلوی تنزل درجه ارتباط، با بکار گرفتن تکنیکهای مدیریت انرژی گرفته شود.

طراحی پروتکلهای مسیریابی در WSN ها تحت تاثیر بسیاری از عوامل چالش انگیز قرار دارد. این فاکتورها بایستی قبل از اینکه ارتباطات کار آمد در شبکه قابل دسترسی باشد رفع شوند. موارد زیر بعضی از چالشها و مباحث طراحی  مسیر یابی که پروسه مسیریابی را در WSNها تحت تاثیر قرار می دهند می باشند:

  • آرایش نودها
  • مصرف انرژی
  • تحمل پذیری در برابر خطا
  • داینامیک بودن شبکه
  • کیفیت سرویس
  • گسترش پذیری

طراحی پروتکل های مسیریابی برای WSN باید با در نظر گرفتن محدودیت های منابع و انرژی در گره های شبکه و احتمال کم شدن بسته ها و امکان تأخیر آنها انجام شود.

برای برطرف کردن این نیازمندیها، چندین استراتژی مسیریابی برای شبکه های بی سیم حس گر پیشنهاد شده است. یک رده از پروتکل های مسیریابی دارای ساختاری مسطح هستند که در آن همه گره ها همسان در نظر گرفته می شوند. یک شبکه با ساختار مسطح دارای مزایای زیادی می باشد، همانند سربار کم، پتانسیل بالقوه برای ردیابی مسیرهای چندگانه میان گره های ارتباطاتی در هنگام وقوع خطا برای بالا بردن قابلیت تحمل پذیری در برابر خطا.

دومین رده از پروتکل های مسیریابی ساختاری را بر مبنای دستیابی به کارایی بالا، پایایی و قابلیت گسترش ایجاد می کنند. در این رده گره های شبکه به صورت خوشه هایی سازماندهی می شوند که در آنها یک گره با انرژی باقیمانده بالاتر به عنوان سر خوشه در نظر گرفته می شود. سر خوشه مسئول هماهنگی فعالیت های داخل خوشه و ارسال اطلاعات میان خوشه ها می باشد. خوشه سازی به صورت بالقوه انرژی مصرفی را کاهش می دهد و طول عمر شبکه را افزایش میدهد.

سومین رده از پروتکل های مسیریابی از روش داده گرا برای پخش داده استفاده می کند. این روش از نامگذاری مبتنی بر صفت استفاده می کند که به موجب آن گره های شبکه به جای جست و جو در میان گره های سنسور مجاز و انفرادی در میان صفات جست و جو می کنند.

این نوع انتشار انتساب وظایف به سنسورها و تشریح پرس و جو ها بر مبنای صفات می باشد. استراتژی های متفاوت می توانند در ارتباطات استفاده شوند از قبیل پخش همگانی، پخش گروهی بر مبنای صفات، پخش جهانی و هر نوع پخش دیگر.

رده چهارم پروتکل های مسیریابی از مختصات برای آدرس دهی سنسوها استفاده می کنند. مسیریابی مبتنی بر مختصات در برنامه های کاربردی، جایی که موقعیت گره داخل ناحیه جغرافیایی شبکه مرتبط با پرس و جوی انتشاری بوسیله گره مبداء می باشد مفید است. این قبیل پرس و جوها در نواحی خاصی از شبکه در مجاورت نقطه خاصی در محیط شبکه معمولاً کاربرد دارد.

برخی از این تکنیک ها عبارتند از:

  • سیل آسا
  • شایعه پراکنی و هدایت تک منظوره ی مبتنی بر عامل
  • سنسور مبتنی بر مذاکره (Spin)
  • خوشه سازی سلسله مراتبی – کم مصرف از نظر انرژی (Leach)
  • جمع آوری موثر توان در سیستم های اطلاعات حسگر (Pegasis)
  • انتشار مستقیم
  • مبتنی بر بازدهی انرژی
  • تک منظوره ی چند مسیر
  • روتینگ چند منظوره
  • مسیریابی جغرافیایی

 

منصور ابراهیمی بدون دیدگاه

گذری بر WSN – قسمت سوم

با درود فراوان خدمت خوانندگان محترم مجله قبیله گیک ها

در دو شماره ی قبل پس از تعریف مبانی و مفاهیم پایه ی شبکه های حسگر بی سیم، به کاربرد و ساختار ارتباطی شبکه های حسگر بی سیم پرداختیم و تاکید داشتیم که طراحی یک شبکه تحت تاثیر فاکتورهای متعددی از قبیل تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری، محدودیت‌های سخت‌افزاری، محیط انتقال و مصرف توان می باشد و تمامی این موارد را بررسی نمودیم. در ادامه در ارتباط با الگوریتم های مسیریابی در شبکه های بی سیم حسگر صحبت خواهیم کرد و تکنیک های مسیریابی و چالش ها و مخاطرات هر الگوریتم را به صورت مفصل تشریح خواهیم کرد.

مقدمه ای در باب مسیریابی در WSN

مسیریابی در شبکه سنسور بیسیم بخاطر خصوصیات اصلی آن که آن را از دیگر شبکه های بیسیم مثل شبکه های ad hoc موبایل یا شبکه های سلولار متمایز می سازد بسیار چالش انگیز است. اول اینکه بخاطر تعداد بسیار زیاد نودهای سنسور ، امکان ساخت یک طرح آدرس دهی سراسری برای گسترش تعداد زیاد نودهای سنسور (برای مثال سربار حاصل از نگهداری شناسه بالاست) امکانپذیر نیست.

در شبکه های سنسور بیسیم گاهی اوقات دریافت داده نسبت به داشتن شناسه نودی که داده را می فرستد مهم تر است. دوم ، برعکس شبکه های ارتباطی ، تقریبا همه کاربردهای شبکه سنسور نیاز به جاری شدن داده حس شده از چندین نود به یک ایستگاه اصلی خاص را دارد. سوم ، اینکه نودهای سنسور در  انرژی ، پردازش و ظرفیت ذخیره سازی به شدت محدود هستند. برای همین به مدیریت منبع دقیقی نیاز است. چهارم ، در بسیاری از سناریوهای کاربردی ، نودها در شبکه سنسور بیسیم بعد از گسترش بجز چند نود متحرک ثابت هستند. پنجم ، آگاهی از موقعیت نودهای سنسور از آنجاییکه جمع آوری داده به صورت نرمال وابسته به مکان است بسیار مهم می باشد. در حال حاضر استفاده از GPS  سخت افزاری برای این منظور امکانپذیر نیست. متدهای مبتنی بر روش مثلث بندی در نقشه برداری ، برای مثال ، به نودهای سنسور اجاز می دهد تا موقعیت خودشان را با استفاده از تعدادی نقاط کم معلوم تقریب بزنند. با توجه به تحقیقات انجام شده معلوم شده که الگوریتمهای مبتنی بر مثلث بندی و Multilateration می توانند تحت شرایطی که فقط نودهای خیلی کمی موقعیت خودشان را از طریق مثلا سیستم موقعیت یاب جهانی می دانند به خوبی کار کنند. هنوز راه حل مستقل از سیستم موقعیت یاب جهانی برای مساله مکان در شبکه سنسور بیسیم مطلوب است. در آخر ، جمع آوری داده با تعداد زیادی نود در شبکه سنسور بیسیم بر اساس پدیده های معمول هستند. بنابراین احتمال زیادی وجود دارد که این داده یک مقدار افزونگی داشته باشد. بخاطر این قبیل افزونگی استفاده از پروتکلهای مسیریابی برای بهبود بهره وری انرژی و پهنای باند نیاز است.معمولاشبکه های سنسور بیسیم داده محور هستند.

بخاطر این قبیل تفاوتها ، الگوریتمهای جدید زیادی برای مشکل مسیریابی در شبکه سنسور بیسیم پیشنهاد شده اند. این مکانیسمهای مسیریابی بیشتر به خصوصیات اصلی شبکه های سنسور بیسیم با توجه به نیازمندیهای کاربردی و معماری توجه دارند. کار کشف و نگهداری مسیرها در شبکه های سنسور بیسیم به خاطر محدودیتهای انرژی وتغییرات ناگهانی در وضعیت نودها ( مثلا ، خرابی) که باعث تغییرات پی در پی و غیر قابل پیش بینی در توپولوژی شبکه می شود امری غیر عادی است.

برای مصرف انرژی کمینه ، تکنیکهای مسیریابی که در مقالات پیشنهادشده ، برای شبکه های سنسور بیسیم  بعضی تاکتیکهای مسیریابی معروف بعلاوه تاکتیکهای ویژه برای شبکه سنسور بیسیم برای مثال : تراکم داده، کلاسترینگ ، تخصیص قانون مختلف به نود ، پردازش درون شبکه و داده محور  بکار گرفته اند.

تقریبا تمام پروتکلهای مسیریابی می توانند بر طبق ساختار شبکه مثل تخت ، سلسله مراتبی یا مبتنی بر مکان دسته بندی شوند. بعلاوه این پروتکلها می توانند براساس عملکرد  به صورت Multipath  ، پرس و جو ، رقابت ، کیفیت سرویس و Coherent نیز دسته بندی شوند. روی هم رفته تکنیکهای مسیر یابی بر اساس ساختار شبکه زیرین به چند دسته تقسیم می شوند:

  1. Flat
  2. hierarchical
  3. Location-base

عمل پیدا کردن مسیر و نگهداری آن در شبکه های سنسوری، با توجه به محدودیت انرژی و تغییرات ناگهانی در موقعیت نودها، کار سهل و آسانی نیست.

در الگوریتم­های مسیریابی تخت، سنسورها از عملکرد یکسانی در جمع­آوری و ارسال داده برخوردار هستند. با توجه به  تعداد سنسور ها در ساختار شبکه­های تخت، تخصیص آدرس یکتا به سنسورها امکان­پذیر نمی­باشد. درنتیجه ایستگاه اصلی برای ارتباط با سنسورهای مورد نظر از مکانیزم Data Centric  استفاده می­کند. دراین مکانیزم، ایستگاه اصلی  یک درخواست را به نـاحیـه مشخصی بر اساس ویژگی­هایی جهت مشخص کردن خصوصیات داده ارسال می­کـند و منتظر داده از گره­های مستقر در ناحیه مورد نظر می­شود.

در الگوریتم­های مسیریابی سلسله­مراتبی به فرض در کلاسترینگ ، گره­ها به کلاسترهای متعددی بر حسب کاربرد شبکه، گروه­بندی می­شوند و در هر کلاستر یک گره که معمولا از انرژی بیشتری نسبت به سایر گره­ها برخوردار می­باشد، بعنوان سردسته انتخاب می­گردد.در این الگوریتم ها، نودها به خاطر وجود Clusterhead ها می توانند اقداماتی برای ذخیره سازی انرژی، تراکم وکاهش داده انجام دهن. بر خلاف الگوریتم­های مسیریابی تخت در پروتکل­های مسیریابی سلسله­مراتبی، سنسورها از عملکرد یکسانی در جمع­آوری و ارسال داده برخوردار نیستند. در پـروتکلهای مسیـریابی مبتنی بـر موقعیت، سنسورها  از اطلاعات جغرافیایی جهت ارسال داده­ها به مناطق مورد نظر استفاده می کنند.

در شماره های بعدی، تکنیکهای مسیر یابی در WSN که در سالهای اخیر گسترش پیدا کرده را مرور کرده و یک دسته بندی را برای این پروتکلها بررسی می کنیم . سپس هر یک از این پروتکلها را تحت این دسته بندی بحث می کنیم.

منصور ابراهیمی بدون دیدگاه

گذری بر WSN – قسمت دوم

01

با درود فراوان خدمت خوانندگان محترم مجله قبیله گیک ها

در شماره قبل پس از تعریف شبکه های حسگر بی سیم، به کاربرد و ساختار ارتباطی شبکه های حسگر بی سیم پرداختیم و تاکید داشتیم که طراحی یک شبکه تحت تاثیر فاکتورهای متعددی از قبیل تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری، محدودیت‌های سخت‌افزاری، محیط انتقال و مصرف توان می باشد که در ادامه به شرح آن ها می پردازیم.

تحمل خرابی

ممکن است در گذر زمان، گره‌های حسگری از کار بیفتند و یا آسیب فیزیکی ببینند یا عمر آنها تمام شود. با این همه، از کار افتادن هر کدام از گره ها نباید روی کارکرد عمومی شبکه  تأثیری داشته باشد. در واقع WSN باید در صورت از کار افتادن تعدادی از گره‌های حسگری، خود را با ساختار جدید و تعداد حسگرهای کمتر سازگار کرده و کار خود را ادامه دهد. از همین رو، از توانایی برقرار نگه داشتن عملیات شبکه حسگر علی‌رغم از کار افتادن برخی از گره‌ها ‌می توان به تحمل خرابی تعبیر کرد.

قابلیت گسترش

بر حسب نیاز ممکن است تعداد گره‌های حسگر WSN در حدود صدها و یا هزاران گره باشد. قطع به یقین تعداد گره‌ها ی WSN بر اساس کاربرد شبکه و میزان دقتی که مد نظر ما است، بستگی دارد. به طوری‌ که در بعضی موارد این تعداد ممکن است به میلیون‌ها عدد نیز برسد. بنابراین یک شبکه حسگر بی سیم باید طوری طراحی گردد که بتواند تراکم بالای گره‌های حسگری را نیز امکان پذیر سارد. تراکم و تعداد گره های حسگر می‌تواند از چند گره تا چند صد گره در یک محدوده باشد که حتی ممکن است این محدوده در حدود ۱۰ متر قطر داشته باشد.

قابلیت اطمینان

یکی از مهمترین چالش هایی که در شبکه های حسگر بی سیم با آن مواجه هستیم این است که هر گره ممکن است خراب شود یا به علت حوادث محیطی مثل تصادف یا انفجار به کلی نابود شود و یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از کار بیفتد. بدون شک عدم کار کردن یک گره نباید مانع از کار کردن درست کل شبکه گردد. منظور از تحمل پذیری یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گره ها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تاثیر قرار دهد. در نهایت، هدف نهایی ساختن شبکه ای قابل اطمینان توسط اجزایی غیر قابل اطمینان است. در نظر داشته باشید که هر چقدر زمان می گذرد احتمال خرابی گره ها بیشتر می شود.

توپولوژی

02

در WSN به دلیل اینکه ارتباط گره ها، بی سیم و به صورت Broadcast  است و هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد، توپولوژی ذاتی شبکه، توپولوژی گراف است. ترافیک شبکه حسگر بی سیم در جمع آوری اطلاعات و سایر کاربردهای دیگر شبکه،  به صورتی است که داده ها از چند گره به سمت یک گره حرکت می کنند، به همین دلیل، الگوریتم های  کارا  شبکه را درخت پوشا در نظر می گیرند. در نظر داشته باشید که مدیریت توپولوژی باید با دقت انجام شود . یکی از اساسی ترین مراحل مدیریت توپولوژی، راه اندازی اولیه شبکه است. گره هایی که قبلا هیچ ارتباط اولیه ای ندشته اند در هنگام جای گیری و شروع بکار اولیه باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. الگوریتم های مدیریت توپولوژی در راه اندازی اولیه باید امکان عضویت گره های جدید و حذف گره هایی که به دلایلی از کار می افتند را فراهم کنند. یکی از مهمترین خصوصیات شبکه های حسگر پویایی توپولوژی است که امنیت آن را نیز به چالش می کشد.

هزینه تولید

هزینه ی کل هر شبکه ای، مجموع هزینه های اجزای تشکیل دهنده آن است. از آنجایی که شبکه‌های حسگر از تعداد زیادی گره های حسگر تشکیل شده‌اند، هزینه یک گره در برآورد کردن هزینه کل شبکه بسیار مهم است. اگر هزینه یک شبکه حسگر گران‌تر از هزینه استفاده از شبکه‌های مشابه قدیمی باشد، در بسیاری موارد استفاده از آن مقرون به صرفه نیست. در نتیجه قیمت هر گره حسگر تا حد ممکن باید پایین نگه داشته شود.

محدودیت های سخت افزاری

هرگره شبکه حسگر باید استانداردهای لازم را داشته باشد. در واقع هر گره ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد باید به حد کافی کوچک، سبک و کم حجم نیز باشد. ممکن است در برخی کاربردها گره به کوچکی صفحه ی یک ساعت مچی باشد و حتی ممکن است گاهی حجم گره محدود به یک سانتیمتر مکعب باشد و از نظر وزن آنقدر باید سبک باشد که بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار کم، قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. اینها همه محدودیتهایی است که کار طراحی و ساخت گره های حسگر را با چالش مواجه میکند.

شرایط محیطی

بسیاری از کاربردهای شبکه های حسگر مربوط به محیط هایی می شود که انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط های آلوده از نظر شیمیایی، میکروبی، هسته ای ویا مطالعات در کف اقیانوس ها و فضا و یا محیط های نظامی به علت حضور دشمن و یا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آنها می شود. در هر مورد ، شرایط محیطی باید در طراحی گره ها در نظر گرفته شود مثلا در دریا و محیط های مرطوب گره حسگر در محفظه ای که رطوبت را منتقل نکند قرار می گیرد.

توان مصرفی گره ها

از آنجایی که پخش کردن مجدد گره ها در محیط کار آسانی نمی باشد و گاهی حتی دسترسی به محیط مورد نظر مقدور نمی باشد، گره های شبکه حسگر باید توان مصرفی کم داشته باشند. منبع تغذیه یک باتری باید توان لازم برای مدت طولانی نزدیک به یک سال را تامین کند. در بسیاری از کاربردها باتری قابل تعویض نیست. لذا عمر باطری عملا عمر گره را مشخص می کند. بعلت اینکه یک گره علاوه بر گرفتن اطلاعات یا اجرای یک فرمان  بعنوان مسیریاب نیز عمل می کند، بد عمل کردن گره  باعث حذف آن از توپولوژی شده و سازماندهی مجدد شبکه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت . در طراحی سخت افزار گره ها استفاده از طرح ها و قطعاتی که مصرف پایینی دارند و فراهم کردن امکان حالت خواب برای کل گره یا برای هر بخش بطور مجزا مهم است .

افزایش طول عمر شبکه

در نظر داشته باشید که عمر شبکه های حسگر ذاتا کوتاه است. چون طول عمر گره ها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. مضاف بر این، گاهی موقعیت ویژه یک گره در شبکه مشکل را تشدید می کند مثلاً گره ای که در فاصله ی یک قدمی چاهک قرار دارد، از یک طرف بخاطر بار کاری زیاد، خیلی زود انرژی خود را از دست می دهد و از طرفی از کار افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهک با کل شبکه و از کار افتادن شبکه می شود. بنابراین افزایش طول عمر شبکه حسگر یکی از مهمترین مباحثی است که جای کار زیادی دارد و باید تحقیقات گسترده ای در این زمینه انجام گیرد.

ارتباط بلادرنگ و هماهنگی

سرعت بالای پاسخگویی شبکه در برخی شرایط بسیار مهم است. به عنوان مثال در بعضی از کاربردهای شبکه های حسگر، مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش آتش سوزی یا سیستم پیش گیری از سرقت سرعت پاسخگویی شبکه اهمیت زیادی دارد. برای تحقق بلادرنگ بودن شبکه های حسگر، یک روش این است که برای بسته های ارسالی یک ضرب العجل تعیین شود و در لایه کنترل دسترسی رسانه بسته های با ضرب العجل کوتاهتر زودتر ارسال شوند.  زمان ضرب العجل به کاربرد شبکه بستگی دارد. مورد مهم دیگری که باید مد نظر باشد، تحویل گزارش رخدادها به چاه ، یا کارانداز ناحیه، به ترتیب وقوع آنها است. در غیر این صورت ممکن است شبکه واکنش درستی انجام ندهد. همچنین هماهنگی کلی شبکه در ارتباط با گزارشهایی که در مورد یک رخداد از حسگرهای مختلف به کاراندازهای ناحیه مربوطه داده می شود، یکی از موارد مهم دیگر می باشد. بعنوان مثال در یک کاربرد نظامی فرض کنید حسگرهایی جهت تشخیص حضور یگان های پیاده دشمن و کاراندازهایی جهت نابودی آن در نظر گرفته شده است . چند حسگر حضور دشمن را به کار اندازها اطلاع می دهند. شبکه باید در کل منطقه ، عملیات را به یکباره شروع کند در غیر این صورت با واکنش اولین کارانداز ، سربازان دشمن متفرق شده و عملیات با شکست مواجه می شود.

امنیت و مداخلات

03

یکی از بزرگترین چالش ها در دنیای آی تی، امنیت سیستم ها می باشد. به این ترتیب، امنیت در شبکه های حسگر نیز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است و بسته به کاربرد شبکه های حسگر حتی می تواند یک موضوع بحرانی نیز تلقی گردد.. موضوع امنیت در برخی کاربردها بخصوص در کاربرد های نظامی یک موضوع بحرانی است و بخاطر برخی ویژگی ها شبکه های حسگر در مقابل مداخلات آسیب پذیر ترند.

04

یک مورد بی سیم بودن ارتباط شبکه است که کار دشمن را برای فعالیت های ضد امنیتی و مداخلات آسانتر می کند. مورد دیگر استفاده از یک فرکانس واحد ارتباطی برای کل شبکه است که شبکه را در مقابل استراق سمع آسیب پذیر می کند. مورد بعدی ویژگی پویایی توپولوژی است که زمینه را برای پذیرش گره های دشمن فراهم می کند . اینکه پروتکل های مربوط به مسیردهی، کنترل ترافیک و لایه کنترل دسترسی شبکه سعی دارند با هزینه و سربار کمتری کار کنند مشکلات امنیتی بوجود می آورد . مثلا برای شبکه های حسگر در مقیاس بزرگ برای کاهش تأخیر بسته هایی که در مسیر طولانی در طول شبکه حرکت می کنند یک راه حل خوب این است که اولویت مسیردهی به بسته های عبوری داده شود. همین روش باعث می شود حمله های سیلی مؤثرتر باشد. یکی از نقاط ضعف شبکه حسگر کمبود منبع انرژی است و دشمن می تواند با قرار دادن یک گره مزاحم که مرتب پیغام های بیدار باش را بصورت Broadcast با انرژی زیاد تولید می کند، باعث شود بدون دلیل گره های همسایه از حالت خواب خارج شوند. ادامه این روند باعث به هدر رفتن انرژی گره ها شده و عمر آنها را کوتاه می کند. با توجه به محدودیت ها باید دنبال راه حل های ساده و مفید مبتنی بر طبیعت شبکه حسگر  بود. مثلا اینکه گره ها با چگالی بالا می توانند توزیع شوند و هر گره دارای اطلاعات کمی است یا اینکه داده ها در یک مدت کوتاه معتبرند. از این ویژگی ها می توان بعنوان یک نقطه قوت در رفع مشکلات امنیتی استفاده کرد.

05

عوامل پیش بینی نشده

یک شبکه حسگر تحت تاثیر عوامل زیادی است که قطعیت را از بین می برد و حتی گاهی موجب نابودی آن می گردد . عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل ، زلزله، مشکلات ناشی از ارتباط بی سیم و اختلالات رادیویی، امکان خرابی هر گره، پویایی ساختار و مسیردهی شبکه، اضافه شدن گره های جدید و حذف گره های قدیمی، جابجایی گره ها بطور کنترل شده یا در اثر عوامل طبیعی و… از جمله مواردی است که می توان به آن اشاره نمود. باتوجه به اینکه شبکه های حسگر تا حدود زیادی بصورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و بصورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل میکنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگی های خود بهینه سازی، خود سازماندهی و خود درمانی  را داشته باشند.

06

منصور ابراهیمی بدون دیدگاه

گذری بر WSN

گذری بر WSN – قسمت اول
این روزها استفاده از شبکه های بی سیم به شکل گسترده ای رو به افزایش است. شبکه های حسگر بیسیم ، شبکه های متراکمی از سنسورهای ارزان و کوچک هستند که داده های محیط را جمع و منتشر میکنند. شبکه های سنسور بیسیم مانیتورینگ و کنترل محیطهای فیزیکی را از محل دور و با دقت بالا، آسان میکنند.

شبکه حسگر بیسیم شبکه ای متشکل از تعداد زیادی کره کوچک است که در هر گره تعدادی حسگر وجود دارد. شبکه حسگر بشدت با محیط فیزیکی تعامل دارد و از طریق حسگرها اطلاعات محیط گرفته شده و پردازش می شود. ارتباط بین گره ها بصورت بی سیم است و هرگره بطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیت هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و … می باشد. این محدودیت ها مشکلاتی را بوجود می آورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبکه از پشته پروتکلی شبکه های سنتی پیروی می کند ولی بخاطر محدودیت ها و تفاوتهای وابسته به کاربرد، پروتکل ها باید باز نویسی شوند
پیشرفتهای اخیر در فناوری ساخت مدارات مجتمع در اندازه های کوچک از یک سو و توسعه فناوری ارتباطات بیسیم از سوی دیگر زمینه ساز طراحی شبکه های حسگر بیسیم شده است. تفاوت اساسی این شبکه ها ارتباط آن با محیط و پدیده های فیزیکی است. شبکه های سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاه های اطلاعاتی را فراهم میکند در حالی که شبکه ی حسگر مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است. شبکه های حسگر با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده، بر اساس مشاهدات خود تصمیم گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می دهند. نام شبکه حسگر بیسیم برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می شوند یک نام عمومی است. برخلاف شبکه های سنتی که همه منظوره اند شبکه های حسگر نوعا تک منظوره هستند. در صورتی که گره ها توانایی حرکت داشته باشند شبکه می تواند گروهی از رباتهای کوچک در نظر گرفته شود که با هم بصورت تیمی کار می کنند و جهت مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن طراحی شده است. از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه، ایستگاههای پایه را حذف نماییم و هر گوشی را یک گره فرض کنیم ارتباط بین گره ها باید بطور مستقیم یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبکه حسگر بیسیم می باشد.

2

به هر حال از آنجا که این فن نقطه تلاقی دیدگاه های مختلف است تحقق آن می تواند بستر پیاده سازی بسیاری از کاربردهای آینده باشد. کاربرد فراوان این نوع شبکه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در کامپیوتر و الکترونیک از جمله امنیت شبکه، ارتباط Real-time، پردازش صوت و تصویر، Data mining، رباتیک، طراحی خودکار Digital Embedded Systems و… میدان وسیعی برای پژوهش محققان با علاقمندی های مختلف فراهم نموده است.
همانطور که اشاره شد یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره‌های حسگر است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوری اطلاعات از محیط می‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌های حسگر، از ‌قبل ‌تعیین شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم می‌آورد که بتوانیم آنها را در مکان‌های خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم.
از طرف دیگر این بدان معنی است که پروتکل‌ها و الگوریتم‌های شبکه‌های حسگر باید دارای توانایی‌های خودساماندهی باشند. دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگر، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره‌های حسگر است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گره‌ای که مسئول پردازش و نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را ارسال می‌کند.
با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می‌کند. در واقع قدرت شبکه‌های بی‌سیم حسگر در توانایی به‌کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.
گستره کاربری شبکه‌های بیسیم حسگر بسیار وسیع بوده و از کاربردهای کشاورزی، پزشکی ‌و صنعتی تا کاربردهای نظامی را شامل می‌شود. به عنوان مثال یکی از متداول‌ترین کاربردهای این تکنولوژی، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. مثلاً نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه می‌تواند توسط صدها حسگر که به طور خودکار یک شبکه بیسیم را تشکیل می‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مرکز اطلاع داده شود.
در این سیستم‌ها بر خلاف سیستم‌های سیمی قدیمی، از یک سو هزینه‌های پیکربندی و آرایش شبکه کاسته می‌شود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاه‌های کوچکی که تقریباً به اندازه یک سکه هستند را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبکه به سادگی با اضافه کردن چند گره گسترش می‌یابد و نیازی به طراحی پیکربندی پیچیده نیست. در شکل زیر یک حسگر طراحی ‌‌شده برای شبکه‌های WSN که به اندازه یک سکه است را مشاهده می کنید.

کاربرد شبکه های حسگر بیسیم
امروزه زندگی بدون ارتباطات بی سیم قابل تصور نیست. پیشرفت تکنولوژی CMOS و ایجاد مدارات کوچک و کوچکتر باعث شده است تا استفاده از مدارات بیسیم در اغلب وسایل الکترونیکی ِ امروز ممکن شود. این پیشرفت همچنین باعث توسعه ریز حسگر ها شده است. این ریز حسگر ها توانایی انجام حس های بی شمار، در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حس کردن زلزله را دارا می باشند. علاوه بر این ریز حسگرها جمع آوری اطلاعات در مناطق دور افتاده و مکان هایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کرده است. اتومبیل ها می توانند از ریز حسگر های بیسیم برای کنترل وضعیت موتور، فشار تایرها، تراز روغن و… استفاده کنند. خطوط مونتاژ می توانند از این حسگرها برای کنترل فرایند مراحل تولید استفاده کنند. در موقعیت های استراتژیک ریز حسگرها می توانند توسط هواپیما بر روی خطوط دشمن ریخته شوند و سپس برای رد گیری هدف (مانند ماشین یا انسان) استفاده شوند. در هر صورت شبکه های حسگر در نقاط مختلفی کاربرد دارند. در ادامه به برخی از این کاربرد ها به صورت فهرست وار اشاره می شود .
• نظامی (برای مثال ردگیری اشیاء)
• بهداشت (برای مثال کنترل علائم حیاتی)
• محیط (برای مثال آنالیز زیستگاه های طبیعی)
• صنعتی (برای مثال عیب یابی خط تولید)
• سرگرمی (برای مثال بازی مجازی)
• زندگی دیجیتالی( برای مثال ردگیری مکان پارک ماشین)
تاریخچه شبکه های حسگر بیسیم
اگرچه طبق گفته ها تاریخچه شبکه های حسگر به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا برمیگردد ولی این ایده می توانست در ذهن طراحان رباتهای متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه های بیسیم موبایل نیز شکل گرفته باشد.
در شکل زیر طرح ها و ایده های اولیه شبکه های حسگر نشان داده شده است.

ساختار ارتباطی شبکه های حسگر
گره‌های حسگر همانند شکل زیر در یک منطقه پراکنده می‌شوند. همان‌طور که قبلاً هم اشاره کردیم گره‌های حسگر دارای توانایی خود ساماندهی هستند. هر کدام از این گره‌های پخش‌ شده دارای توانایی جمع‌کردن اطلاعات و ارسال آنها به پایانه‌ای موسوم به sink است. این اطلاعات از یک مسیر چند مرحله‌ای که زیرساخت مشخصی ندارد به سینک فرستاده می‌شوند و سینک می‌تواند توسط لینک ماهواره یا اینترنت با گره task manager ارتباط برقرار کند.

طراحی یک شبکه تحت تأثیر فاکتورهای متعددی است. این فاکتورها عبارتند از تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگر، محدودیت‌های سخت ‌افزاری، محیط انتقال و مصرف توان که در شماره های بعدی راجع به آنها خواهیم نوشت. علاوه بر این در شماره های آتی در ارتباط با الگوریتم های مسیریابی در WSN، چالش های پیش رو در مسیریابی داده ها و نیز در ارتباط با انرژی و مصرف بهینه از انرژی در WSN برای شما خوانندگان عزیز خواهیم نوشت.