شبکه حسگر بی‌سیم(2)

قسمت اول

ساختارهای شبکه حسگر بی سیم

ساختار کلی :

قبل از ارائه ساختار کلی ابتدا تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می کنیم.

حسگر :

وسیله ای که وجود شیئ  رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب سنج، مغناطیس سنج و…

کارانداز :

با تحریک الکتریکی یک عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجام می دهد

گره حسگر:

به گره ای  گفته می شود که فقط شامل یک یا چند حسگر باشد.

گره کارانداز:

به گره ای  گفته می شود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.

گره حسگر/کارانداز:

به گره ای  گفته می شود که مجهز به حسگر و کار انداز باشد.

شبکه حسگر :

شبکه ای که فقط شامل گره های حسگر باشد. این شبکه نوع خاصی از شبکه حسگراست. در کاربردهایی که هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده می باشد کاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.

میدان حسگر:

ناحیه کاری که گره های شبکه حسگر در آن توزیع میشوند.

چاهک:

گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حسگر و گره مدیر وظیفه را برقرار می کند.

گره مدیر وظیفه :

گرهی که یک شخصی بعنوان کاربریا مدیر شبکه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند. فرامین کنترلی و پرس و جو ها  از این گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر میگردد .

حالت کلی شبکه حسگر

شبکه ای متشکل از گره های حسگر است که حالت کلی شبکه های مورد بحث می باشد. به عبارت دیگر شبکه حسگرشبکه ای است با تعداد زیادی گره که هر گره می تواند در حالت کلی دارای تعدادی حسگر و تعدادی کارانداز باشد. در حالت خاص یک گره ممکن است فقط حسگر یا فقط کارانداز باشد. گره ها در ناحیه ای که میدان حسگر نامیده می شود با چگالی زیاد پراکنده می شوند. یک چاهک پایش کل شبکه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسیله چاهک جمع آوری می شود و فرامین از طریق چاهک منتشر می شود. مدیریت وظایف میتواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به اینکه تصمیم گیری برای انجام واکنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودکار و نیمه خودکار وجود دارد. که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.

پیشرفت های اخیر در کوچک سازی، طراحی مدارهای کم مصرف و تجهیزات ارتباطی بی سیم ساده وکم مصرف و نیز توسعه شرکت های تولید کننده منابع انرژی کوچک به همراه کاهش هزینه های تولید کارخانه ای،موجب ایجاد دیدگاه فناوری جدیدی با نام شبکه های حسگر بی سیم شد

خصوصیات مهم شبکه های حسگر بی سیم

وابسته به کاربرد: به دلیل ادغام فناوری های حسگر، پردازش و ارتباطات، محدوده وسیعی از کاربردها امکان پیاده سازی در شبکه های حسگر بی سیم را دارند. اما باید توجه داشت که نمی توان برای تمام کاربردها یک سناریو را اجرا نمود، بلکه هر کاربرد پیکربندی و پروتکل مخصوص به خود را نیاز دارد. به عنوان مثال شبکه های حسگر با تراکم پایین از حسگرها و نیز با تراکم بالایی از حسگرها کار می کنند.در حالیکه پروتکل های این دو حالت بسیار با یکدیگر متفاوت می باشند.

تعامل با محیط: به دلیل تعامل شبکه های حسگر با محیط اطرافشان، خصوصیات ترافیکی آنها با دیگر شبکه های موجود متفاوت می باشد. به طور معمول شبکه های حسگر دارای ترافیکی با نرخ پایین هستند، اما در مواقعی که پدیده مورد نظر روی می دهد دارای ترافیک انفجاری می گردند.

مقیاس پذیری: به صورت تئوری، شبکه های حسگر دارای تعداد بسیار بیشتری نهاد می باشند که نیاز به راه حل هایی متفاوت و مقیاس پذیرتر دارند.

انرژی:  دراین شبکه ها منابع انرژی محدود بوده و مصرف انرژی مهمترین معیار برای پیکره بندی آنها می باشد. در بعضی موارد، باتری موجود در نود های حسگر قابل شارژ دوباره نیست و به همین دلیل نیاز به طول عمر بیشتر حسگر می باشد.

خود پیکربندی: شبکه های حسگر نیاز به خود پیکربندی برای دارا بودن شبکه ای پیوسته دارند، اما به دلیل تفاوت در ترافیک و انرژی مصرفی روشهای متفاوتی مورد نیاز می باشد. به همین دلیل نود های حسگر نیاز به درک محل جغرافیایی خود دارند.

قابلیت اطمینان و کیفیت سرویس: شبکه های حسگر بی سیم، مفاهیم متفاوتی از قابلیت اطمینان و کیفیت سرویس را ارائه می دهند. در حال حاضر سرویس هایی که توسط شبکه های حسگر ارائه می شودکاملاٌ مشخص نیستند. در بعضی موارد ارسال عادی بسته کافی بوده و در بعضی موارد نیاز به اطمینان بسیار بالا در ارسال داریم. نرخ ارسال بسته معیار کاملی نمی باشد. مساله مهم ،مقدار و کیفیت اطلاعات ارسالی به نود مورد نظر در مورد پدیده مشاهده شده می باشد.

داده محور: در اکثر کاربردهای شبکه های حسگر، با استفاده افزونه از نود های حسگر می توان از منابع انرژی ضعیف تر و ارزانتر استفاده نمود. مورد مهمتر این است که این نود ها چه اطلاعاتی را مشاهده می کنند. این تغییر در اولویت ها ما را نیازمند تغییر در شبکه از نود محور به داده محور می نماید.

سادگی: به دلیل کوچک بودن نود ها و محدود بودن انرژی، نرم افزار مورد استفاده در سطح شبکه و نود ها باید بسیار ساده تر از نرم افزارهای امروزی باشند. این سادگی نیاز به تغییر در لایه های استاندارد شبکه دارد.هنگامی که تعداد زیادی از نود های حسگر به صورت متراکم در کنار هم قرار گرفته باشند، نود های همسایه بسیار به یکدیگر نزدیک خواهند بود؛ در نتیجه ارتباط چند پرشه در شبکه های حسگر در مقایسه با ارتباطات مرسوم تک پرشه بسیار انرژی کمتری مصرف می نماید. بنابراین میزان انرژی ای که برای ارتباطات استفاده می شودپایین می آید.

یکی از مهمترین محدودیت های موجود در نود های شبکه های حسگر، کمبود منابع انرژی است. نود های حسگر معمولاٌ حاوی منابع انرژی محدود و غیر قابل تقویتی هستند. بنابراین بر خلاف شبکه های قدیمی که دسترسی به کیفیت سرویس، هدف اصلی می باشد، در پروتکل های شبکه های حسگر تکیه بر مصرف بهینه منابع است. نود ها باید مکانیزم های تعادلی که به کاربر نهایی امکان افزایش طول عمر شبکه را از طریق پهنای باند کمتر یا افزایش تاخیر ارسال می دهد را در خود ایجاد نمایند.

ویژگی‌های عمومی یك شبكه حسگر

علاوه بر نكاتی كه تا كنون درباره شبكه‌های حسگر به عنوان آشنایی با این فناوری بیان كردیم، این شبكه‌ها دارای یك سری ویژگی‌های عمومی نیز هستند. مهم‌ترین این ویژگی‌ها عبارت است از:

**بر خلاف شبكه‌های بی‌سیم سنتی، همه گره‌ها در شبكه‌های بی‌سیم حسگر نیازی به برقراری ارتباط مستقیم با نزدیك‌ترین برج كنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند، بلكه حسگرها به خوشه‌هایی (سلول‌هایی) تقسیم می‌شوند که هر خوشه (سلول) یک سرگروه خوشه موسوم به Parent انتخاب می‌کند.

این سرگروه‌ها وظیفه جمع‌آوری اطلاعات را بر عهده دارند. جمع‌آوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره‌ها به ایستگاه پایه و در نتیجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام می‌شود. ‌البته چگونگی انتخاب سرگروه خود بحثی تخصصی است كه در تئوری شبكه‌های بی‌سیم حسگر مفصلاً مورد بحث قرار می‌گیرد.

**پروتكل‌های شبكه‌ای همتا به همتا یك‌سری ارتباطات مش مانند را جهت انتقال اطلاعات بین هزاران دستگاه كوچك با استفاده از روش چندجهشی ایجاد می‌كنند. معماری انطباق‌پذیر مش، قابلیت تطبیق با گره‌های جدید جهت پوشش دادن یك ناحیه جغرافیایی بزرگ‌تر را دارا است. علاوه بر این، سیستم می‌تواند به طور خودكار از دست دادن یك گره یا حتی چند گره را جبران كند.

**هر حسگر موجود در شبكه دارای یک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. یکی از اهداف شبکه‌های حسگری این است که هر محل در فضای مورد نظر بایستی حداقل در رنج حسگری یک گره قرار گیرد تا شبكه قابلیت پوشش همه منطقه موردنظر را داشته باشد.

یک حسگر با شعاع حسگری r را می‌توان با یک دیسک با شعاع r مدل کرد. این دیسک نقاطی را که درون این شعاع قرار می‌گیرند، تحت پوشش قرار می‌دهد. بدیهی است که برای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه این دیسک‌ها باید کل نقاط منطقه را بپوشانند.

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 حفره‌های پوششی نامیده می‌شوند. اگر تعدادی حسگر به علاوه یک منطقه هدف داشته باشیم، هر نقطه در 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 پوششی بسته به نوع کاربرد مطرح می‌گردد. در برخی کاربردها احتیاج است که درجه بالایی از پوشش جهت داشتن دقت بیشتر داشته باشیم.

** حفره پوششی

**استفاده از حسگری اضافی (با ناحیه پوششی پررنگ) جهت حذف حفره پوششی

     ادامه دارد...