مقدمه ای بر شبکه های سنسوری   بدون سیم

1-1- مقدمه

شبکه های سنسوری یکی از پرکاربرد­ترین مباحث روز در بحث جمع آوری اطلاعات از محیط پیرامون زندگی انسان میباشد. نه تنها بررسی محیط اطراف بلکه کنترل آن نیز از کاربردهای شبکه های سنسوری است. در حالتی که سنسورها بدون سیم باشند، در کنار افزوده شدن پیچیدگی، کاربردها و مزایای زیادی نیز حاصل میگردد
این شبکه از صد ها یا هزاران سسنسور تشکیل شده اند و به هر سنسور نام گره اتلاق می شود. در یک سیستم سیمی، نصب حسگرهای زیاد معمولا به خاطر افزایش هزینه سیم کشی میسر نمی­باشد. جاهائی که تا پیش از این غیرقابل دسترس بودند مانند داخل موتور های کارخانجات و نیز مکان های خطرناک و متحرک به وسیله WSN ها قابل دسترسی است [14].
از نظر ساختاری، شبکه های بدون سیم را می­توان به دو دسته کلی تقسیم کرد. یک دسته با ساختار سلولی[1] هستند که همه گره ها مستقیما با ایستگاه مرکزی[2] در ارتباط هستند و ارسال و دریافت اطلاعات از یک گره به گره دیگر، با واسطه این ایستگاه مرکزی صورت گرفته و کنترل میشود. دسته دوم شبکه های با ساختار اقتضایی

 (موردی، ادهاک) هستند. در این شبکه ها همه گره ها از نظر توانایی ها و وظایفی که دارند، یکسان هستند. به این ترتیب شبکه های اقتضایی بدون سیم، از تعدادی گره تشکیل میشود که قادرند بدون نیاز به ایستگاه مرکزی یا هرگونه تجهیزات زیرساخت[3] پیش ساخته، بصورت خودکار یک شبکه تشکیل دهند [6] .

در چنین شبکه هایی در غیاب ایستگاه مرکزی، خود گره ها کلیه وظایف مسیریابی و کنترل شبکه را عمدتا با استفاده از الگوریتم های کنترلی توزیع شده، بر عهده دارند .
در شبکه حسگر بدون سیم، هر حسگر علاوه بر وظیفه دیجیتال کردن اطلاعات دریافتی، وظیفه دارد تا حدی پردازش­های سبک را بر روی داده­های جمع­آوری شده، انجام دهد و نیز قابلیت برقراری ارتباط با سایر گره­ها را نیز داشته باشد؛بدین صورت که هر گره به عنوان یک منبع ،خود به عنوان یک فرستنده­ی داده عمل می­کند و در صورت لزوم داده های ارسالی از سایر گره ها را به مقصد ارسال می­کند. این روش بر خلاف شبکه های با ساختار سلولی می باشد که تمام گره ها فقط با ایستگاه مرکزی در ارتباط هستند و ارتباط هر گره با گره دیگر توسط آن انجام می­شود. نیاز نیست که موقعیت این حسگر ها از قبل تعیین شده باشد بلکه محل این حسگر ها می تواند به صورت تصادفی انتخاب شود[11] .
گره ها در WSN مانند یک شبکه Ad-Hoc توزیع شده و در بیشتر زمان خود، غیر فعال هستند اما ناگهان زمانی که رخدادی را تشخیص می­دهند فعال می­شوند. وقتی که حسگرها، پدیده مورد نظر را رصد کردند، رخداد مورد نظر به یک ایستگاه مرکزی گزارش داده می­شود.
کاربردهای مختلف و حالت تصادفی شبکه­های سنسوری بدون سیم چالش­های بسیاری برای تحقیق در این زمینه بوجود آورده است، مثلا : کنترل دسترسی رسانه [4]، پروتکلی­های مسیریابی، کنترل توان و مقیاس پذیری (قابلیت تغییر اندازه شبکه و چگالی سنسورها) [11] .
مشخص نبودن توپولوژی و تغییرات کانال در طول زمان، مشکلات متعددی را در زمینه تحقیقات، طراحی و پیاده­سازی این شبکه­ها به­ وجود آورده است. چنین تغییراتی، الگوریتم های مسیریابی[5] ، تخمین کارائی شبکه[6]، پوشش شبکه[7]، گسترش پذیری و مقیاس پذیری[8] و … را با پیچیدگی­های خاصی روبرو کرده است که بررسی آنها زمینه تحقیقات متداول امروزی است [10و24و25و26] . نیاز به کاهش پیچیدگی شبکه های سنسوری بدون سیم محققان را بر آن داشته که از منابع محدود کننده، مانند محدودیت کانال ارتباطی در حوزه های زمان و فرکانس و کد، محدودیت انرژی و طول عمر و … ، به نحو هرچه مناسب­تر استفاده کرده و به سمت هرچه بهینه تر شدن اشتراک منابع پیش روند.
کاربرد های مختلف برای انواع سنسور ها، در تعیین اولویت های تقسیم منابع، نقش تعیین کننده ای را ایفا میکند؛ به عنوان مثال هنگامیکه فقط از سنسورهای کنترل دما یا رطوبت استفاده شود، میزان اطلاعات اندک خواهد بود و بنابراین بالاتر رفتن طول عمر شبکه در اولویت اول و کاهش حجم اطلاعات تداخلی در اولویت دوم قرار می گیرد. در کاربرد های دیگری مثل کاربردهای نظامی برای کنترل جامع از محیط، نیاز است تا همکاری بسیار بیشتری بین سنسور ها برقرار گردد و در نتیجه پارامتر هایی چون رله اطلاعات و مسیریابی از اولویت بیشتری برخوردار خواهند بود. در کاربرد های پزشکی نیاز است تا دقت جمع آوری اطلاعات بالا باشد و از طرفی در کاربردی مانند تصویر برداری تشدید مغناطیسی[9] رسیدن به این دقت بالا نیازمند جمع آوری حجم زیادی از اطلاعات است و مباحث فشرده سازی و تجمیع اطلاعات مطرح خواهد شد؛ و در نهایت برای کاربرد هایی همچون تصویر برداری که حجم اطلاعات بالاست اما نسبت به کاربرد های پزشکی، بزرگی ناحیه تحت پوشش شبکه بسیار بیشتر است، علاوه بر دقت بالا نیاز است تا مکانیابی، کنترل نحوه جمع آوری اطلاعات، چگونگی همکاری بین سنسور ها چه برای جمع آوری و چه برای ارسال اطلاعات مورد توجه قرار گیرد؛ خصوصا اینکه تعداد مورد نیاز سنسور ها در واحد سطح یا چگالی سنسور ها نقش تعین کننده ای در این بین ایفا می­کند. اگر تعداد سنسور ها خیلی بالا باشد با اینکه

یک مطلب دیگر :

پایان نامه حماسه در شعر/:سبک خراسانی

 دقت افزایش می یابد اما علاوه بر افزایش هزینه های شبکه، عواملی همچون تداخل و چگونگی مسیریابی, از بازدهی آن می­کاهند. از طرفی کم بودن بیش از حد تعداد سنسور ها، امکان نظارت دقیق بر شبکه و جمع آوری کامل اطلاعات را دچار بحران خواهد نمود.

برای بالا بردن دقت و نزدیک تر شدن به واقعیت، باید حجم داده ها افزایش یابد . بدین منظور باید تعداد گره های شبکه افزایش یابد. با افزایش تعداد گره های یک شبکه حسگر در واحد سطح، علاوه بر افزایش نسبت سیگنال به نویز و تداخل و یا کاهش نرخ خطای بیت[10] (BER ) به علت افزایش توان، توان سیگنال­های تداخلی رسیده به هر گره نیز بیشتر می شود. رسیدن به نقطه بهینه که در آن نسبت سیگنال به نویز و تداخل بیشینه ویا BER کمینه شود، یکی از اهداف ما در این پروژه است که همراه با معیار ظرفیت مطرح می گردد.
از طرفی باید شرایط کانال همچون تلفات سایه [11]و محو شدگی در بررسی پارامتر های شبکه نیز لحاظ گردد .
یک مسئله مطرح در مورد شبکه های حسگر تصویر برداری بدون سیم[12]، بررسی قابلیت مقیاس پذیری این شبکه هاست [14] . رسیدن به اینکه در واقع چه تعداد سنسور می تواند در عین حداقل بودن، برای بدست آوردن اطلاعات کامل از محیط، دارای تعداد مناسب و کافی باشد، مبحث اصلی ما در این پایان نامه است که آنرا با عنوان مقیاس پذیری، بیان می­کنیم. مقیاس پذیری اینگونه بیان می­شود که با درنظر گرفتن یک معیار خاص به عنوان معیاری برای کنترل عملکرد[13]، کم شدن یا اضافه کردن چگالی سنسور ها در واحد سطح (اگر ناحیه توزیع سنسور ها را دو بعدی در نظر بگیریم) چه تاثیری در بهبود یا بدتر شدن این معیار عملکرد، خواهد داشت. می­توان بهینه­ترین حالت را برای چگالی مناسب سنسور ها در سناریو های مختلف توزیع شبکه و برای معیارهای مختص هر کاربرد، محاسبه نمود و درکنار کاهش هزینه های اضافه، به بهترین بازدهی سیستم نیز نزدیک شد.
در نگاه ما، از زاویه دید لایۀ فیزیکی به شبکه، معیار های ظرفیت ارگادیک و ظرفیت قطع، و بالتبع نسبت سیگنال به نویز و تداخل، مورد توجه خواهند بود؛ در این میان تخمین ظرفیت شبکه مسئله ایست که به نوعی با سایر مسائل ذکر شده در ارتباط است. تعیین ظرفیت شبکه علاوه بر آنکه برای تضمین کیفیت سرویس[14] برای کاربران آن مورد نیاز است، در مسیریابی مناسب و کارامد شبکه نیز موثر است. در شرایطی که بالاتر از حد ظرفیت شبکه به آن بار تحمیل شود، به دلیل وجود تراکم در بعضی گره ها، تعدادی از بسته های اطلاعات حذف[15] می­شوند. با حذف این بسته ها نه تنها بخشی از دیتای شبکه از بین می­رود، بلکه مقداری از اطلاعات مربوط به مسیریابی هم از بین می­رود [27] .
ارتباط حداکثر میزان ظرفیت یا نرخ انتقالی که می تواند به هر گره اختصاص یابد با تعداد گره های شبکه مسئله مقیاس پذیری شبکه را مطرح می­کند؛ از یک طرف با افزایش تعداد گره ها، قابلیت اطمینان و پوشش شبکه افزایش می یابد اما از طرف دیگر هرچه سطح زیر پوشش شبکه بیشتر باشد، برای به مقصد رسیدن اطلاعات ارسالی لازم است که سایر گره ها در مسیریابی و رله اطلاعات همکاری کنند. بنابر این ظرفیت یا نرخ انتقال ای که به هر گره اختصاص می یابد، تنها به ترافیک آن گره وابسته نیست و به باری که از جانب سایر گره ها به آن تحمیل می­شود نیز بستگی دارد. این مسئله می تواند شدیدا روی ظرفیت سیستم تاثیر منفی بگذارد [27و 28 ] .
بدست آوردن ظرفیت برای سناریو های مختلف بطور تحلیلی، کار دشواری است و نیاز به بهره بردن از تقریب های آماری برای رسیدن به نتایج منطبق بر شبیه سازی هاست. هدف ما اینست که با در نظر گرفتن سناریوی نسبتا پیچیده اما کاربردی و دارای مزایای فراوان و با در نظر داشتن فرض های ساده کننده وتا حد امکان عملی، مقدار و توزیع ظرفیت را بطور تحلیلی و همراه با شبیه سازی بدست آورده و با بررسی مقیاس پذیری در این شبکه ها، اثرات تعداد سنسور ها را بر این معیار های عملکرد بسنجیم و در صورت امکان مقادیر بهینه ای را برای تعداد مناسب سنسور ها بیابیم.
[1] Cellular
[2] Base station
[3] Infrastructure
[4] MAC (medium access control)
[5] Routing
[6] Performance estimation