توزیع متعادل مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر بیسیم با استفاده از خوشه‌بندی و …

کاربرد نظامی:
از کاربرد این فناوری در حوزه نظامی می‌توان به مواردی از قبیل جمع‌آوری اطلاعات از وضعیت میدان نبرد، کنترل ابزارآلات نظامی، تشخیص و ره‌گیری اهداف، شناسایی حملات شیمیایی و هسته‌ای اشاره نمود.
شناسایی محیط‌های آلوده:
در محیط‌های مختلف امکان وجود آلودگی‌های مختلفی است. لذا با استفاده از چنین شبکه‌هایی می‌توان وجود آلودگی‌های مشخصی را در سطح محیط تحت نظر، چک کرد و حتی میزان غلظت آلودگی در قسمت‌های مختلف را بررسی نمود.
محیط ‌زیست:
بررسی محیط‌زیست، یکی از زمینه‌هایی است که شبکه‌های حسگر می‌توانند در آن کاربرد فراوانی داشته باشند. از مثال‌هایی که در این زمینه می‌توان نام برد، مطالعه پاسخ گیاهان در شرایط مختلف دمایی و بیماری مربوط به آنها، ردگیری و اندازه‌گیری جمعیت پرندگان و غیره می‌باشد.
کاربرد صنعتی:
استفاده از شبکه‌های حسگر بی‌سیم در صنعت، به طور قابل توجه‌ای در حال افزایش است. این فناوری با توجه به قابلیت‌های فراوانی که دارد، امکان به‌کارگیری در نقاط مختلف یک مجتمع صنعتی و انجام وظایف متنوع را دارا می‌باشد. از جمله این موارد می‌توان به جمع‌آوری اطلاعات، حفاظت و کنترل ایمنی محیط، مدیریت انبارداری و زنجیره تأمین، نظارت بر خط تولید، نظارت بر کنترل کیفیت، بهبود سامانه‌های پشتیبانی و کنترل فرآیندهای صنعتی اشاره نمود. استفاده از این فناوری در صنعت علاوه بر اینکه باعث افزایش کیفیت و میزان تولید می‌گردد، کاهش هزینه‌های نصب، نگهداری و تولید را نیز می‌تواند به دنبال داشته باشد.
جاده‌ها و بزرگراه‌های هوشمند:
امروزه یکی از مشکلات بزرگ شهری، کنترل وضعیت ترافیک در سطح شهر می‌باشد. با برپایی شبکه‌ای از گره‌های حسگر در سطح شهر و قرار دادن گره‌ها در بزرگراه‌ها و خیابان‌های شهر می‌توان بزرگراه‌ها و خیابان‌ها را هوشمند ساخت و از وضعیت تراکم عبور و مرور وسایل نقلیه و یا بروز حوادث در نقاط تحت نظر گره‌های حسگر، اطلاع یافت و در نهایت در کل سطح شهر وضعیت ترافیک و تصادفات را شناسایی و پیگیری نمود.
کاربرد پزشکی:
این فناوری در پزشکی نیز کاربردهای متعددی از جمله مراقبت از بیماران و نظارت بر سلامتی آنها از طریق اندازه‌گیری و یا کنترل پارامترهای مختلف بدن، تشخیص بیماری‌ها، کمک به پزشکان در جراحی‌ها و کارهای حساس را دارد.

مسیریابی در شبکههای حسگر بیسیم

حسگرها به دو صورت با سینک ارتباط برقرار می‌کنند: مستقیم و غیرمستقیم. در مستقیم هر حسگر با سینک بدون درگیر کردن دیگر حسگرها تبادل اطلاعات و ارتباط دارد. این موضوع باعث می‌شود که محدوده شبکه کوچک شود و فقط به اندازه توان حسگر برای ارتباط با محیط اطراف باشد. در ارتباط غیرمستقیم برای ارتباط بین دو حسگر درون شبکه، بقیه حسگرهای میانی بین دو گره مبدأ و مقصد به عنوان مسیر ارتباط به کار گرفته میشوند. شکل ۲-۱ نشان‌دهنده این نوع ارتباط است. همه اطلاعات جمع‌آوری شده به‌وسیله حسگرها باید به یک مرکز جمع‌آوری کننده اطلاعات منتقل شوند. فواصل طولانی‌تر، انرژی بیشتری در ارسال اطلاعات مصرف می‌کنند. در ارسال مستقیم هر حسگر مستقیماً اطلاعات را به مرکز می‌فرستد. شبکه‌های ارسال مستقیم برای طراحی بسیار ساده و سرراست می‌باشند، اما به دلیل فاصله زیاد حسگرها از مرکز انرژی زیادی مصرف می‌کنند.
 
شکل ‏۲‑۱: مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم
به‌ منظور مقابله با کمبودها و نقص‌های ناشی از این روش، تبادل داده بین حسگرها و گره چاهک، معمولاً روش‌های انتقال بسته چند-پرشی[۱۷] و بر روی شعاع ارتباطی کوچک انجام می‌شود ]۸[. چنین روش انتقال داده‌ای، منجر به صرفه‌جوئی مشخص در مصرف انرژی و کاهش چشمگیری در تداخل مخابراتی بین گره‌های حسگر که در رقابت برای دسترسی به کانال هستند، می‌شود. در مقابل طراحی‌هایی که فواصل ارتباطی را کوتاه‌تر می‌کنند، می‌توانند دوره حیات شبکه را طولانی‌تر کنند. در این نوع ارتباط مسائلی مثل مسیریابی، خوشه‌بندی و مشخصاً بهینه‌سازی مطرح نمی‌باشد. در ارتباط به صورت غیرمستقیم هر حسگر به عنوان مبدأ تولیدکننده پیغام برای مقصد عمل می‌کند که مقصد می‌تواند هر کدام از دیگر حسگرها یا سینک اطلاعات باشد. در بین مبدأ و مقصد هر کدام از حسگرها به عنوان برقرارکننده مسیر می‌توانند مطرح شوند. چنین روش انتقال داده‌ای، منجر به صرفه‌جوئی مشخص در مصرف انرژی و کاهش چشمگیری در تداخل مخابراتی بین گره‌های حسگر که در رقابت برای دسترسی به کانال هستند، می‌شود.

دانلود متن کامل پایان نامه در سایت jemo.ir موجود است

چالش‌های مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم

برخلاف برنامه‌های بی‌شمار ارائه‌شده برای شبکه‌های حس‌گر، این‌گونه شبکه‌ها دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشند، که به عنوان نمونه میتوان به مواردی همانند محدودیت انرژی، محدودیت قدرت محاسباتی و محدودیت پهنای باند اشاره نمود. یکی از مهم‌ترین اهداف طراحی شبکه‌های حس‌گر افزایش طول عمر گره‌های حسگر با استفاده از کاهش مصرف انرژی در جهت انتقال اطلاعات می‌باشد ]۹[. پروتکل‌های مسیریابی در شبکه‌های حس‌گر تحت تاثیر عوامل مختلفی مورد چالش قرار گرفته است. در ادامه به بررسی برخی از این موضوع‌های چالش‌برانگیز خواهیم پرداخت.
استقرار گره‌ها در شبکه‌های حسگر بی‌سیم به مواردی همانند نوع برنامه کاربردی مورد استفاده و عملکرد پروتکل مسیریابی بستگی دارد. استقرار گره‌ها به دو صورت کاملاً تصادفی و قطعی امکان‌پذیر است. در حالت قطعی، گره‌های حسگر به صورت دستی در مکان مورد نظر قرار داده خواهند شد و داده‌ها به کمک مسیرهای از پیش تعیین‌شده انتقال خواهند یافت. بااین‌وجود در حالت تصادفی، گره‌های حسگر به صورت کاملاً تصادفی در فضای شبکه قرار خواهند گرفت. اگرچه توزیع تصادفی گره‌های حسگر امکان ایجاد مسیرهای مطلوب، جهت انتقال داده را کاهش خواهد داد اما با استفاده از پروتکل‌‌های خوشه‌بندی مناسب می‌توان باعث کاهش مصرف انرژی گره‌های حس‌گر شد]۱۰[.
گره‌های حسگر، می‌توانند منابع انرژی محدودشان را در هنگام انجام محاسبات و یا انتقال اطلاعات در یک محیط بی‌سیم مصرف کنند. لذا به کارگیری روش‌های مختلف برای صرفه‌جوئی در انرژی در هنگام انجام محاسبات و ارتباطات بسیار ضروری است. از طرفی طول عمر گره‌های حسگر، وابستگی بسیار زیادی به طول عمر باتری دارد. در یک شبکه حسگر چندگامه، هر گره نقش دوگانه‌ای را به عنوان فرستنده و جهت دهنده داده ایفا می‌کند. بد عمل کردن اغلب گره‌های حسگر به علت کمبود توان می‌تواند منجر به تغییرات توپولوژیکی در شبکه شود که ممکن است نیاز به مسیریابی مجدد بسته‌ها را به وجود بیاورد. در حقیقت یکی از چالش‌های مهم در طراحی الگوریتم‌های مسیریابی در این‌گونه شبکه‌ها آن است که با مصرف انرژی گره‌ها و کاهش یافتن آنها، دقت شبکه پایین نیاید ]۱۰[.
حس کردن داده و گزارش دهی داده حس شده، در شبکه‌های حسگر بی‌سیم به کاربرد مورد استفاده و زمان بحرانی قابل‌قبول برای گزارش‌دهی داده مورد نظر وابسته است. مدل‌های مختلف گزارش‌دهی داده می‌توانند به دسته‌های وابسته به زمان، پیوسته، وابسته به اتفاق، وابسته به پرس‌وجو و ترکیبی دسته‌بندی شوند]۱۱[. مدل تحویل داده وابسته به زمان، برای کاربردهایی مناسب است که نیاز به کنترل و نظارت بر داده به صورت متناوب دارند. برای این منظور گره‌های حسگر به صورت متناوب بر روی حسگرها و فرستنده‌های خود سوئیچ خواهند کرد و محیط اطراف را حس کرده و داده مورد نظر را در فواصل زمانی متناوب ثابت انتقال می‌دهند. در مدل‌های وابسته به پرسش و اتفاق، گره‌ها به تغییرات ناگهانی شدیدی که در مقدار یک صفت خاص که به علت رخداد یک اتفاق خاص و یا یک پرسش ایجادشده به وسیله ایستگاه پایه به وجود آمده است، بلافاصله عکس‌العمل نشان می‌دهند. این مدل‌ها برای کاربردهایی که زمان برای آنها یک عامل بحرانی است، بسیار مناسب هستند. همچنین ممکن است ترکیبی از مدل‌های قبلی را برای مدل‌سازی گزارش‌دهی داده استفاده کنند. پروتکل‌های مسیریابی به وسیله مدل‌های گزارش‌دهی داده و مصرف انرژی و پایداری مسیر عمیقاً تحت تاثیر قرار می‌گیرند]۱۰٫[
در اغلب مطالعات انجام‌شده، فرض بر این است که همه گره‌های حسگر همگون باشند. به عبارت دیگر، گره‌های همگون بایستی ظرفیت یکسانی از لحاظ انجام عملیات محاسباتی، مخابراتی و نیز از لحاظ توان داشته باشند. اما، بسته به کاربرد، گره‌های حسگر می‌توانند نقش‌ها و یا قابلیت‌های متفاوتی داشته باشند. وجود یک مجموعه ناهمگون از حسگرها، ممکن است منجر به تعداد زیادی وجوه فنی مرتبط با مسیریابی داده شود [۱، ۱۰].
برخی از گره‌ها حسگر ممکن است به علت فقدان توان، صدمات فیزیکی و یا تداخل محیطی دچار خرابی و نقص شوند. یکی از نکاتی که باید در طراحی الگوریتم‌های مسیریابی باید توجه کرد آن است که خرابی گره‌های حسگر، نباید عملکرد کلی شبکه حسگر را تحت تاثیر قرار دهد]۱۰[. اگر تعداد زیادی از گره‌ها دچار خرابی و نقص شوند، پروتکل‌های مسیریابی بایستی آرایش جدیدی از اتصالات و مسیرها را برای جمع‌آوری داده از ایستگاه‌های پایه برای تطبیق یافتن با این مشکلات بسازند که این امر ممکن است نیازمند آن باشد تا به صورت فعالانه، توان‌های انتقال و نرخ‌های سیگنال بر روی اتصالات موجود تنظیم شوند، تا بتوان مصرف انرژی را کاهش داده و یا بسته‌ها را مجدداً از طریق نواحی از شبکه که انرژی بیشتری در آنجا وجود دارد، مسیردهی کرد. بنابراین سطوح مختلفی از افزونگی ممکن است در یک شبکه حسگر که خطا را تحمل می‌کند، نیاز باشد]۱۲[.
تعداد گره‌های حسگری که در یک منطقه آرایش یافته‌اند ممکن است بسیار زیاد باشند. انواع طرح‌های مسیریابی بایستی قادر به کار کردن با هر تعداد گره حسگر باشند. به‌علاوه، پروتکل‌های مسیریابی شبکه‌های حسگر بایستی به اندازه کافی قابلیت تغییر مقیاس را داشته باشند تا بتوانند به وقایعی که در آن محیط‌ها رخ می‌دهند، پاسخ دهند. البته تا زمانی که یک واقعه اتفاق بیفتد، اغلب حسگر‌ها می‌توانند در حالت خواب باقی بمانند ]۱۲٫[
اغلب ساختارهای شبکه فرض می‌کنند که گره‌های حسگر ایستا می‌باشند. اما به‌هرحال گاهی در برخی کاربردها، حرکت گره‌های حسگر و یا ایستگاه‌های پایه، ممکن است لازم باشند. مسیردهی بسته‌ها به گره‌هایی که در حال حرکت می‌باشند بسیار چالش‌برانگیزتر است. همچنین پدیده و یا حادثه‌ای که حس شده برحسب کاربرد می‌تواند هم پویا و هم‌ایستا باشد. وقایع پویا در اغلب کاربردها نیاز به گزارش‌دهی متناوب دارند و در نتیجه، ترافیک مشخصی را برای مسیردهی شدن به طرف ایستگاه پایه برقرار می‌کنند. در شبکه‌های پویا علاوه بر پهنای باند و مصرف انرژی، پایداری مسیرها از مسائلی است که حتماً باید مورد توجه قرار گیرد ]۱۳[.
تراکم بالای گره‌ها در شبکه‌های حسگر بی‌سیم، از ایزوله شدن گره‌ها از یکدیگر به صورت کامل، جلوگیری می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود که گره‌های حسگر، شدیداً به هم متصل باشند و یا به عبارت بهتر شدیداً با هم در ارتباط باشند. اما به‌هرحال این امر، توپولوژی شبکه را از متغیر بودن حفظ نمی‌کند و نیز اندازه شبکه را از جمع‌شدگی و کوچک شدن به علت اشتباهات گره‌های حسگر، حفظ نخواهد کرد]۱۲[.
در این‌گونه شبکه‌ها، هر گره حسگر داخل شبکه یک دید خاص از محیط به دست می‌آورد. این دیدی که هر گره حسگر از محیط اطرافش به دست می‌آورد هم از لحاظ دقت و هم از لحاظ محدوده تحت پوشش، محدود است. به عبارت بهتر، هر گره حسگر می‌تواند یک منطقه فیزیکی محدودی از محیط اطرافش را پوشش دهد. بنابراین پوشش کل منطقه مورد نظر، به وسیله گره‌های حسگر، یک مسئله بسیار مهم در طراحی شبکه‌های حسگر بی‌سیم است]۱۰[.

این مطلب را هم بخوانید :  فایل - بررسی ساختاری و کارکرد خوشه برنج در وضعیت موجود و مطلوب- قسمت 51

انواع مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم

پروتکل‌های مسیریابی ارائه‌شده برای شبکه‌های حسگر با در نظر گرفتن مواردی همانند محدودیت محاسباتی و انرژی گره‌ها، گم‌شدن بسته‌ها در اثر خطاهای به وجود آمده در شبکه و میزان تأخیر ارسال بسته‌ها صورت می‌گیرد. به طور کلی پروتکل‌های ارائه‌شده را با توجه به ساختار شبکه می توان به سه دسته هم‌سطح، سلسله مراتبی و مبتنی بر موقعیت تقسیم‌بندی نمود]۱۲[. در پروتکل‌های مسیریابی ساختار مسطح، همه گره‌های موجود در شبکه نقش یکسانی را ایفا می‌کنند. از مزایای این‌گونه شبکه‌ها می توان به مواردی همانند سربار کم و افزایش قابلیت تحمل‌پذیری در برابر خطا اشاره کرد]۱۴[. دسته دوم، از معروف‌ترین و بهترین روش‌هایی است که به منظور مسیریابی داده‌ها در شبکه‌های حسگر بی‌سیم پیشنهاد شد. در این روش‌ها، ابتدا همه گره‌های داخل شبکه بر اساس روشی خاص خوشه‌بندی می‌شوند. در هر خوشه یک گره به عنوان سرگروه انتخاب می‌شود که برای انتخاب آن در هر روش، معیارهای متفاوتی در نظر گرفته می‌شود. در اکثر روش‌های مبتنی بر خوشه هدف آن است که توزیع مصرف انرژی بین همه گره‌ها یکنواخت گردد]۱۵[. در دسته سوم، پروتکل‌های مسیریابی مبتنی بر موقعیت، در این نوع گره‌های موجود در شبکه دارای اطلاعاتی از مکان خود می‌باشند. که با استفاده از این اطلاعات راهکارهای مؤثری در مسیریابی ارائه‌شده است که سبب کاهش چشمگیر مصرف انرژی شد]۱۲[.
از سوی دیگر پروتکل‌های مسیریابی را می‌توان به ۵ دسته مبتنی بر چندمسیره[۱۸]، مبتنی بر پرس‌وجو[۱۹]، مبتنی بر مذاکره[۲۰]، مبتنی بر کیفیت سرویس‌دهی[۲۱] و مبتنی بر همسانی[۲۲] تقسیم‌بندی نمود. همچنین در تقسیم‌بندی دیگر پروتکل‌های مسیریابی را از نظر اینکه مبدأ به چه نحوی مسیر به مقصد را پیدا می‌کند، می‌توان به سه دسته تحت نام‌های پروتکل‌های واکنشی[۲۳]، غیر واکنشی[۲۴] و ترکیبی[۲۵] تقسیم‌بندی نمود]۱۲[. در پروتکل‌های واکنشی مسیر تنها زمانی کشف می‌شود که مبدأ اقدام به برقراری ارتباط با گره دیگری بکند. در مقابل در پروتکل‌های کنش گرا، همه مسیرهای ممکن پیش از آنکه نیاز باشند کشف خواهند شد. در روش ترکیبی، جهت بهره‌مندی از مزایای دو ساختار قبلی از هر دو روش استفاده می‌شود. همچنین در دهه‌های اخیر الگوریتم‌هایی تحت عنوان الگوریتم‌های فراابتکاری و الگوریتم‌هایی بر اساس نظریه بازیها در زمینه مسیریابی ارائه‌شده‌اند که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می‌کنیم ]۱۰، ۱۶٫[
ساختار شبکه و چگونگی گسترش گره‌های حسگر در فضای شبکه از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار در طراحی پروتکل‌های مسیریابی شبکه‌های حسگر می‌باشند. در ادامه به توضیح دسته‌بندی ارائه‌شده در این زمینه و برخی از پروتکل‌های ارائه‌شده خواهیم پرداخت.
در این نوع مسیریابی، تمام گره‌های حسگر از لحاظ وظایف و کارکرد یکسان می‌باشند و هیچ‌کدام دارای وظیفه متفاوتی نسبت به سایرین نمی‌باشند. معمولاً در این نوع الگوریتم‌ها، از یکی از دو روش زیر جهت مسیریابی استفاده می‌گردد]۱۲[:
درخواست از طرف حسگرها؛ در این حالت حسگرها، اطلاعات خود را در شبکه پخش می‌کنند و منتظر درخواست از طرف دریافت‌کننده می‌مانند.
درخواست از طرف دریافت‌کننده اطلاعات؛ در این حالت دریافت‌کننده اطلاعات، درخواست خود را در شبکه پخش می‌کند و منتظر جواب می‌ماند.
در ادامه برخی از پروتکل‌های ارائه‌شده در این زمینه را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
پروتکل [۲۶] SPIN :
SPIN از خانواده پروتکل‌های دادهگرای مبتنی بر مذاکره در شبکه‌های حسگر بی‌سیم می‌باشد. هدف اصلی، انتشار کارای مشاهدات جمع‌آوری شده توسط حس‌گرها به سایر گره‌های حس‌گر دیگر در شبکه می‌باشد. اصل مهم در این خانواده از پروتکل‌ها، مذاکره بر سر داده و وفق پذیری با منابع شبکه است]۱۴،۱۷[. مذاکره بر سر داده یعنی اینکه گره‌ها محتوای داده را بررسی کرده و یک تم جدید به نام فراداده[۲۷]، درباره‌ی داده‌ها تشکیل می‌دهند که توصیفی از داده‌ای است که قرار است ارسال شود. گره‌ها می‌توانند داده‌های خود را از طریق دسترسی به فراداده انتخاب بکنند و آن را آگهی کنند و بدین ترتیب داده‌ها فقط به گره‌هایی که نیازمند آن داده‌ها هستند ارسال می‌شود که این امر موجب حذف ترافیک انفجاری و کاهش بسته‌های تکراری می‌شود ]۱۸[.
از طرف دیگر استفاده از فراداده، احتمال همپوشانی را نیز از بین می‌برد، البته با شرایط که گره‌ها می‌توانند درخواست‌هایشان را محدود به داده‌هایی بکنند که دقیقاً لازم دارند. انطباق-‌منابع[۲۸] یعنی اینکه گره‌های شبکه فعالیت‌هایشان را مطابق با انرژی موجود در منابع تنظیم کننده هر گره می‌تواند منبع مرتبط به خود را بررسی کرده و سطح انرژی آن را قبل از ارسال و پردازش داده چک کند. هنگامی که سطح انرژی پایین است ممکن است که گره فوق فعالیت‌های خاصی را انجام ندهد، از قبیل ارسال بسته‌های داده و فراداده سه قسمتی اعلان[۲۹]، تقاضا[۳۰] و داده[۳۱]را ارسال کند ]۱۷[.
این ویژگی طول عمر گره‌ها و در نتیجه شبکه را بالا می‌برد. انجام عمل مذاکره توسط سه نوع پیغام انجام می‌گیرد ]۱۸[: