مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون




 

خلاصه

شبکه های سنسوری بیسیم از گره های کوچک که دارای قابلیت سنسوری ، محاسبه ای و ارتباطات بیسیم تشکیل شده است. تعدادی از مسیریابی، مدیریت انرژی و پروتکل های انتشار داده به طور ویژه برای WSN ها طراحی شده است به طوریکه آگاه کننده ی انرژی یک مبحث ضروری در طراحی است. پروتکل های مسیریابی در WSN ها بسته به کاربرد ها و معماری شبکه متفاوت است. در این مقاله ما خلاصه ای از جدیدترین تکنولوژی از تکنیک های مسیریابی در WSNها ارائه خواهیم کرد. در ابتدا ما طرح کلی از چالش های طراحی برای پروتکل های مسیریابی در WSNها را بوسیله ی خلاصه ای از تکنیک های مسیریابی ارائه خواهیم کرد.
پروتکل های مسیریابی بر اساس ساختار شبکه در زیر به سه دسته تقسیم شده :

1. مسیریابی مسطح یا یکدست(flat-based)
2. مسیریابی سلسله مراتبی (hierarchical-based)
3. مسیریابی مکانی(location-based)

در مسیریابی مسطح، به همه ی گره ها نقش یکسان اختصاص داده شده. در مسیریابی سلسله مراتبی، گره ها نقش متفاوتی در شبکه ارائه می کنند. در مسیریابی مکانی، موقعیت مکانی گره های سنسوری برای مسیر داده در شبکه مورد بهره برداری قرار می گیرند. اگر پارامترهای سیستم خاص به منظور انطباق با شرایط فعلی شبکه و سطوح انرژی بتوانند کنترل شوند، یک پروتکل مسیریابی تطابق در نظر گرفته می شود.
بعلاوه، این پروتکل های مسیریابی بسته به عملکردشان می توانند به چند دسته ی زیر طبقه بندی شوند:

1. مبتنی برچند مسیره (multipath-based)
2. مبتنی بر پرسجو(query-based)
3. مبتنی بر کیفیت سرویس(QoS-based)
4. مبتنی بر مذاکره(negotiation-based)
5. مبتنی بر انسجام(coherent-based)

علاوه بر مطلب بالا، پروتکل های مسیریابی بسته به اینکه چگونه مبدا، یک مسیر به مقصد را پیدا می کند، می تواند به سه دسته ی زیر تقسیم شوند:

1. فعال(proactive)
2. انفعالی(reactive)
3. مرکب(hybrid)

در پروتکل فعال، مسیرها قبل ازاینکه واقعا مورد نیاز واقع شوند، محاسبه می شوند. در حالیکه پروتکل های انفعالی، مسیرها براساس تقاضا محاسبه می شوند. پروتکل های مرکب، از ترکیب دو روش بالا استفاده می کند. وقتی گره های سنسوری استاتیک باشند، بهتراست که بجای پروتکل های انفعالی، جدول محور(table-driven) پروتکل مسیریابی داشته باشیم. مقدار قابل توجهی از انرژی در کشف مسیر و راه اندازی پروتکل انفعالی استفاده می شود.
دسته ی دیگر از پروتکل های مسیر یابی، تعاونی (cooperative) نام دارد. در مسیریابی تعاونی، گره ها داده را به گره مرکزی می فرستند، جایی که می تواند داده جمع آوری شود و ممکن است در معرض پردازش بیشتری قرار گیرند، از این رو از نظر مصرف انرژی هزینه ی مسیر کاهش یابد. بسیاری از پروتکل های دیگر در زمان و موقعیت اطلاعات تکیه می کنند. ما در این مقاله برخی از جنبه های این نوع پروتکل را مورد بررسی قرار داده ایم. به منظور ساده کردن این بررسی، ما از یک طبقه بندی بر طبق ساختار شبکه و عملیات پروتکل استفاده می کنیم(معیار مسیریابی). این طبقه بندی در تصویر زیر نشان داده شده است که در این تصویر اعداد، شماره ی مراجع را نشان می دهند.
در این مطالعه در بسیاری از الگوهای مسیریابی بین انرژی و صرفه جویی سربار ارتباطات سبک سنگین می کنیم. ما همچنین مزایا و مسئله ی کارایی هر تکنولوژی مسیریابی را پررنگ می کنیم.

مقدمه

در پیشرفت های صنعتی اخیر، ساخت سنسورهای کوچک و با مصرف انرژی پایین از لحاظ تکنیکی و اقتصادی امکان پذیر شده است. این سنسورها وضعیت پیرامون محیط اطراف خودشان را اندازه می گیرند و سپس این اندازه گیری ها را به صورت سیگنالهایی انتقال می دهد(که می تواند برای معلوم کردن تعدادی از مشخصه های درباره ی پدیده های قرارگرفته در محیط اطراف این سنسورها پردازش شود). تعداد زیادی از این سنسورها می توانند در بسیاری از کاربرد ها که نیاز به عملیات بدون مراقبت دارند، شبکه شوند، از اینرو شبکه ی WSN ارائه می شود. در حقیقت، کاربرد WSNها بیشمار است. برای مثال، تاثیر زیادی روی کاربردهای نظامی و غیرنظامی مانند تصویربرداری از محدوده ی هدف ، امنیت و جستجوی تاکتیکی، محاسبات توزیع شده، شناسایی وضعیت محدوده مانند دما، تغییر مکان، صدا، روشنایی، یا حضور یک شی خاص، کنترل لیست موجودی و مدیریت حوادث.
بکاربردن یک سنسور شبکه در این کاربردها می تواند به صورت ناگهانی(به عنوان مثال، فرود از یک هواپیما در کاربرد مدیریت حوادث) یا دستی(به عنوان مثال سنسور آلارم آتشسوزی در کارخانه ها یا سنسورهای قرار گرفته در شبکه های زیرزمینی برای کشاورزی دقیق) باشد. ایجاد یک شبکه بوسیله ی این سنسورها با شناسایی بازمانده ها ، تعیین نواحی پرخطر در عملیات نجات کمک می کند و رویهم رفته گروه نجات را از وضعیت ناحیه حادثه مطلع می سازد.
برخی کاربرد ها و مزایای استفاده از شبکه های سنسوری و نقش این شبکه ها در زندگی روزمره
ميدان هاي جنگي : در ميدان هاي جنگي ، مي توان جهت شناسايي و بررسي آماري تجهيزات و نيروي دشمن و همينطور كلاس بندي و پيگردي نحوه آرايش و مسير حركت نيروهاي دشمن يا نيروهاي خودي ، از شبكه هاي سنسوری استفاده كرد و در نهايت وضعيت نيروهاي خودي را در قبال نيروهاي دشمن بررسي نمود.
شناسايي محيطهاي آلوده : در محيطهاي مختلف امكان وجود آلودگيهاي مختلف وجود دارد . لذا با استفاده از چنين شبكه هايي، مي توان وجود آلودگي هاي مشخصي را در سطح محيط تحت نظر ، بررسي كرد و حتي ميزان غلظت آلودگي در قسمتهاي مختلف را مشاهده نمود و در نهايت با استفاده از اطلاعات آماري بدست آمده ، در خروجي سيستم مي توان نمودار سه بعدي وضعيت آلودگي در سطح محيط زير نظر را بدست آورد . نوع آلودگي نيز مي تواند يكتا نباشد و با توجه به امكانات ، هر گره در شبكه سنسوری مي تواند شناسايي چندين نمونه آلودگي را پشتيباني كند.
مانيتور كردن محيط زيست : مجموعه اي از تحقيقات در زمينه محيط زيست نيازمند انجام مطالعات مكرر و متمركز و صرف زمان زيادي جهت جمع آوري اطلاعات مي باشد كه معمولا از حوصله و توانايي چشمان انسان خارج است و در چنين موارد ي از دستگاه هاي مانيتورينگ ، تحليلگر و ذخيره كننده نتايج استفاده مي شود. معمولا تمام سيستم هاي مانيتورينگ ، قابليت كنترل از راه دور را دارند .
بررسي و تحليل وضعيت بناهاي ساختماني : بسياري از سازمانها و موسسات تحقيقاتي در زمينه عمران و مسكن براي انجام مطالعات و تحقيقات خود از وضعيت بناهاي مدنظر ، در طول زمان يا در هنگام بروز حوادث طبيعي بخصوص زلزله ، نيازمند استفاده از تجهيزات مانيتورينگ مي باشند تا اطلاعاتي مانند ميزان فشار و تحمل مصالح، وجود ترك ، ميزان آسيب وارده ، وضعيت فرسودگي ، امنيت و حفاظت ساختمان و يا ساير جزئيات مرتبط با هدف تحقيقات در مورد بناهايي مثل ساختمان هاي قديمي ، پل ها، سدها، موز ه ها و ... را جمع آوري كنند و با توجه به توانايهاي شبكه هاي سنسوری، مي توان از اين شبكه ها براي دست يافتن به اهداف مطرح شده در بالا استفاده كرد.
در جاده ها و بزرگراه هاي هوشمند : يكي از مشكلات جامعه و راهنمايي و رانندگي ، كنترل وضعيت ترافيك در سطح شهر مي باشد. با برپايي شبكه اي از گره هاي سنسوری در سطح شهر و قرار دادن گره ها در بزرگرا هها و خيابان هاي شهر، مي توان بزرگراه ها و خيابانها را هوشمند ساخت و از وضعيت تراكم عبور و مرور وسايل نقليه و يا بروز حوادثي مانند برخورد چندين وسيله نقليه ، در نقاط زير نظر گره هاي سنسور، اطلاع يافت و در نهايت در كل سطح شهر وضعيت ترافيك و تصادفات را شناسايي و پيگيري نمود.
كاربردهاي مختلف در زمينه پزشكي : در زمينه برر سي و مطالعات پزشكي در مورد گياهان و يا انسان ها ، جهت آگاهي از وضعيت جسماني آنها، مي توان از گره هاي سنسوری استفاده نمود و در موارد مختلف ، از جمله قراردادن گره ها در لايه هاي زير پوست براي انجام مطالعات مكرر در طي مدت زمان نسبتاً طولاني، دستگاه هاي پزشكي و بخصوص در زمينه فيزيك پزشكي، مي توان از شبكه هاي سنسوری استفاده نمود.
عواملي چون اقتصادي بودن سيستم، توانايهاي مورد انتظار، تعداد انبوه گره ها و نهايتا عملي شدن ايده ها در محيط واقعي،
موجب گشته هر گرهي يكسري محدوديتهاي سخت افزاري داشته باشد.

محدوديتهاي سخت افزاري

1- هزينه پائين : سيستم نهايي باید از نظر اقتصادي مقرون به صرفه باشد. به دلیل داشتن گره های خیلی زیاد برآورد هزينه هر گره زیاد می شود، بنابراين هر چه از هزينه هر گره كاسته شود، در سطح كلي شبكه ، صرفه جويي زيادي صورت خواهد گرفت و سعي مي شود هزينه هر گره کمتر شود.

2- حجم كوچك : گره ها به نسبت محدوده اي كه زير نظر دارند ، بخشي را به حجم خود اختصاص مي دهند. لذا هر چه اين نسبت كمتر باشد به همان نسبت كارايي بالاتر م ي رود و نيازمند داشتن حجم بسيار كوچك مي باشند.
3- توان مصرفي پائين : منبع تغذيه در گره ها محدود مي باشد و در عمل ، امكان تعويض يا شارژ مجدد آن مقدور نيست؛ لذا بايستي از انرژي موجود به بهترين نحو ممكن استفاده گردد.
4- نرخ بيت پائين : به خاطر وجود ساير محدوديتها، عملا ميزان نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در گره ها، نسبتا پايين مي باشد.
5- خودمختار بودن : هر گره اي بايستي از ساير گره ها مستقل باشد و بتواند وظايف خود را طبق تشخيص و شرايط خود، به انجام برساند.
6- قابليت تطبيق پذيري : در طول انجام نظارت بر محيط، ممكن است شرايط در هر زماني دچار تغيير و تحول شود. مثلا برخي از گره ها خراب گردند لذا هر گره باید بتواند وضعيت خود را با شرايط بوجود آمده جديد تطبق دهد.

معماري شبكه هاي سنسوری:

هر شبكه سنسوری از تعداد زيادي گره ارزانقيمت با اندازه كوچك، تشكيل شده است و هر گره نيز از مجموعه اي از اجزاي
سخت افزاري تشكيل شده است . سيستم عامل نسبتا ساده اي به نام Tiny OS كه بر مبناي كنترل رويدادها طراحي شده است و منابع هر گره را به نحو مناسبي كنترل مي كند.

معماري ارتباطي در شبكه هاي سنسوری:

شبكه هاي سنسوری در حالت كلي ماهيت داده-محور دارند و بنابراين، ساختار ارتباطي بين گره هاي سنسوری بايد طوري طراحي شوند كه با ماهيت اين شبكه ها، هماهنگي داشته باشند. چون اكثر كاربردهاي شبكه هاي سنسوری در مواردي است كه عملا امكان اتصال گره ها به يكديگر عملي يا مقرون به صرفه نيست، در اينگونه شبكه ها عموما از ارتباط بيسيم استفاده مي شود و ساختار كلي اين شبكه ها به ا ين صورت است كه تعداد زيادي گره همسان، در محيط پراكنده مي شوند و پس از جمع آوري اطلاعات مورد نظر، آن را به يك گيرنده مركز ي(sink) ارسال می کنند. گیرنده ی مرکزی گرهي با ميزان انرژ ي بالا و تجهيزات مورد نياز مي باشد و در واقع واسط بين شبكه سنسوری و محيط اطراف مي باشد. در شبكه هاي با وسعت جغرافيايي زياد، مي توان از چندين گيرنده مركز ي استفاده كرد تا مسير ارسال داده ها به گيرنده ها، بيش از حد طولاني نگردد.
روشهاي متنوعي جهت پراكندن اطلاعات در شبكه هاي سنسوری، پيشنهاد شده است كه تعدادي از آنها در بخش بعد، آورده شده اند. در شكل قبلی و بعدی معماري ارتباطي در شبكه هاي سنسوری، نشان داده شده است.

اجزاي سخت افزاري

WSN ها از صدها یا هزاران گره های سنسوری تشکیل شده است و این سنسورها قادرند تا با گره ای دیگر در بین گره ها یا با ایستگاه اصلی خارجی که BS نام دارد، ارتباط برقرار کنند. تعداد بیشتری از سنسورها اجازه دارند تا با دقت بیشتری سراسر نواحی جغرافیایی بزرگتر را سنس کنند. در تصویر زیر یک دیاگرام شماتیک از اجزای ساختمانی گره های سنسوری را نشان می دهد.
به طور اساسی، هر گره ی سنسوری عمل سنسوری، پردازش، انتقال، متحرک کردن، سیستم تعیین موقعیت و واحد انرژی را در بردارد. آن نصویر ساختار ارتباطات WSN را نشان می دهد. گره های سنسوری به طور معمول در یک حوزه ی سنسوری پراکنده شده است، که ناحیه ای است که در آن گره های سنسوری توسعه داده شده است. یک BS(ایستگاه اصلی) ممکن است گره ی ثابت یا متحرک باشد. سالهای اخیر، تحقیقات فشرده که پتانسیل های همکاری در بین سنسورها در جمع آوری داده و پردازش را آدرس دهی می کند.
با توجه به عملكرد متفاوت شبكه هاي سنسوری، هر گره مي تواند با توجه به وظايف تعريف شده از اجزاي متنوعي تشكيل
شده باشد ولي در حالت كلي هر گره از يكسري اجزاي كلي تشكيل شده است كه عبارتند از واحد پردازش مركزي، فرستنده -
گيرنده راديويي، منبع تغذيه كه مي تواند از طريق باطري يا سلولهاي خورشيدي يا تركيب هر دو، انرژي مورد نياز سيستم را
فراهم كند ، يك يا تعدادي سنسوری كه داده هاي مورد نظر را جمع آوري مي كنند، انواع حافظه هاي جانبي در صورت نياز،
در صورت نياز و ساير اجزايي كه بسته به كاربرد هاي متفاوت مي تواند در هر گره گنجانده شود .

1- واحد پردازنده مركزي(CPU)

براي استفاده در گره هاي شبكه هاي سنسوری ، ميزان توان مصرفي پردازنده و CPU يكي از فاكتورهاي مهم در انتخاب
پشتيباني آن از حالت هاي متنوع كاري (از لحاظ توان مصرفي) مي باشد.

2- فرستنده - گيرنده راديويي:

فرستنده - گيرنده راديويي يكي از اجزاي با اهميت در گره هاي شبكه هاي سنسوری مي باشد و بسته به كاربردهاي مختلف ،
مي تواند تنو ع زيادي داشته باشد . مهم ترين مشخصه در انتخاب فرستنده -گيرنده ها، برد مورد نياز براي ارتباط بين گره هاي
شبكه است . در شبكه هايي با گره هاي نزديك به هم ، مي توان از فرستنده هاي كم مصرف استفاده كرد ولي توان مصرفي در
فرستنده-گيرنده ها با بردهاي بيشتر ، به شدت ا فزايش پيدا مي كند و بايد در آنها از مكانيزم هاي كنترل توان دقيق تري
استفاده كرد.

3- حافظه جانبي:

اگر مقدار حافظه موجود در CPU براي نگهداري اطلاعات مورد نظر كافي نباشد كه معمولا هم چنين است، می توان از حافظه های دائمی استفاده كرد .

4- انواع سنسورها:

سنسور ها عمل اصلي در شبكه هاي سنسوری يعني عمل جمع آوري اطلاعات را بر عهده دارند. انواع گوناگوني از سنسور ها
طراحي شده اند كه بسياري از آنها مبدل آنالوگ به ديجيتال داخلي دارند.

5- سنسور GPS:

يكي از سنسور هاي عمده اي كه كاربرد فراواني در شبكه هاي سنسوری استفاده مي شود، سنسور GPS است كه در مواردي از
قبيل موقعيت يابي و مسيريابي در گره ها، جمع آوري اطلاعات مكاني خصوصا در گره هاي سيار، دريافت زمان و انجام عمل
سنكرون سازي بين گره ها و كاهش حجم تبادل اطلاعاتي كه بين گره ها جهت عملياتي مانند دست تكاني و سنكرون سازي گره ها رد و بدل مي شود. البته با توجه به توان مصرفي و قيمت نسبتا بالاي سنسور هاي موقعيت ياب صريح مانند GPS،
تحقيقاتي براي استفاده از روشهاي مكانيابي نسبي در گره هاي شبكه هاي سنسوری، در حال انجام است.

6- منبع تغذيه:

معمولا گره هاي شبكه سنسور هنگامي كه در محيط قرار مي گيرند, از دسترس ما خارج مي شوند به نحوي كه با تمام شدن منبع انرژ ي آنها، عملا گره ها بلااستفاده مي گردند. لذا منبع تغذيه در ساخت گره هاي شبكه هاي سنسوری از اهميت خاصي برخوردار است . در حالت كلي، از دو نوع منبع تغذيه قابل شارژ و غير قابل شارژ مي توان استفاده كرد .

7- باطري ها و سلولهاي خورشيدي:

در طراحي شبكه هاي سنسوری مي توان از انواع باطري ها استفاده كرد .
هنگام استفاده از سلولهاي خورشيدي نيز بايد اين نكته را مد نظر قرار داد كه اگر تعدادي سلول خورشيدي را پشت سرهم به صورت سري ببنديم، ممكن است تعدادي از آ نها كه نور كمتري دريافت مي كنند، داراي ولتاژ دو سر منفي گردند و توان توليد شده توسط سلولهاي ديگر را مصرف كنند پس بايد آرايش مناسبي براي استفاده از چندين سلول خورشيدي در نظرگرفته شود تا به حداكثر بازده ممكن رسيد.

8- اجزاي نرم افزاري:

با پيچيده تر شدن عمليات هر گره به تدريج پيچيدگي سيستم افزايش پيدا مي كند و نياز به يك سيستم عامل ساده كه دسترسي به منابع سخت افزاري در هر گره شبكه سنسوری را سهولت بخشد، بيشتر احساس مي شود . يكي از سيستم عامل هايي كه تا كنون طراحي شده و در انواع مختلفي از شبكه هاي سنسوری پياده سازي شده است، سيستم عامل Tiny OS است كه در مورد آن توضيح داده خواهد شد.
در ادامه ی این بخش مروری دقیق از الگوهای مسیریابی اصلی در WSN را ارائه خواهیم داد. ما با پروتکل های مبتنی بر ساختار شبکه شروع می کنیم.

/ج