شبکه حسگر بی‌سیم
هومن مرجانی، مهدی حولکیان
چکیده
شبکه حسگر بی‌سیم از تعدادی گره های حسگر تشکیل شده است که برای جمع‌آوری اطلاعات مفید از محیط مورد نظر به‌کار گرفته می‌شود. داده های حس‌شده باید جمع‌آوری شود و سپس به‌منظور پردازش و پاسخ به درخواست کاربر نهایی به گره اصلی شبکه فرستاده شوند. از آنجائی‌که این شبکه از گره هایی با انرژی محدود تشکیل شده است، باید روش هایی برای جمع‌آوری و اجماع داده با راندمان انرژی بالا به‌کار گرفته شود تا طول عمر شبکه بالا رود. به‌کار بردن تکنیک‌های اجماع داده در هر دور از برقراری ارتباط، باعث کاهش انرژی مصرفی کل سیستم و درنتیجه باعث افزایش طول عمر شبکه خواهد شد. برای این منظور تکنیک‌های زیادی با توجه معماری شبکه و الگوریتم‌های مسیریابی مورد استفاده در آن معماری در شبکه‌های تخت و سلسله مراتبی ارائه شده است.
کلمات کلیدی: شبکه حسگر بی‌سیم، گره حسگر، تکنیک اجماع داده، طول عمر شبکه، شبکه تخت، شبکه سلسله مراتبی.
مقدمه:
با توسعه و تکامل اتوماسیون سیستم‌های نظامی، حمل و نقل، صنعت، بهداشت و درمان و غیره، این سیستم‌ها به محیط پیرامون خود مانند یک محیط جدید با قابلیت تغییرپذیری و هوشمندی نگاه می‌کنند و مکانیزم کارکرد این سیستم‌های جدید ابتدا دریافت مداوم داده های محیط اطراف خود و سپس اتخاذ تصمیم در مورد عملکرد خود نسبت به محیط است. مهمترین مسائل در این سیستم‌ها به‌طور کلی به‌صورت زیر دسته‌بندی می شوند:
1- جمع‌آوری داده های مناسب و متناسب برای انجام عملکرد سیستم با توجه به درخواست کاربران از سیستم.
2- ارزیابی داده های خام به‌دست آمده از محیط و ایجاد اطلاعات صحیحی از این داده ها.
3- چگونگی فرموله کردن (معنی دارکردن) آنها برای نمایش به کاربران.
4- ارزیابی عملکرد انجام شده با توجه به داده های جمع آوری شده و بهبود آن در هر مرحله.
اما از آنجائی‌که تمامی موارد گفته شده، به چگونگی و نحوه جمع‌آوری داده ها بستگی دارد، می‌توان گفت جمع‌آوری دادههای مناسب و متناسب برای انجام عملکرد سیستم، اصلی ترین مسئله برای سیستم‌های جدید تلقی می‌شود که این اطلاعات و داده های مورد نیاز از محیط پیرامون توسط شبکه‌های حسگر بی‌سیم تهیه می‌شوند.
1- شبکه حسگر بی‌سیم
شبکه حس گر بی‌سیم‌معمولا از تعداد زیادی گرههای حس گر تشکیل شده است که قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر و همچنین با یک گره خارجی به‌نام سینک (چاهک) یا ایستگاه (گره) اصلی شبکه هستند. حسگرها می‌توانند به‌طور تصادفی در یک محیط غیرثابت و تغییرپذیر با شرایط سخت، مانند یک میدان جنگ یا در یک محیط ثابت و مشخص کارگذاشته شوند. حسگرها می‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و با همکاری هم، یک شبکه ارتباطی مانند یک شبکه تک یا چند مسیره یا یک ساختار سلسله مراتبی با چندین خوشه )کلاستر) و رهبر خوشه (کلاستر هد) تشکیل دهند. سنسورها به‌طور مرتب از محیط پیرامون خود داده حس می‌کنند، آنها را پردازش می‌کنند و به گره اصلی شبکه انتقال می‌دهند. تعداد تکرارهای ارسال داده و تعداد حس‌گرهای کارگذاشته شده در محیط معمولاً به کاربرد شبکه بستگی دارد.
روی کارآمدن تکنولوژی‌های جدید در ساخت پردازشگر و حافظه‌های کوچک و کم‌هزینه و تکنولوژی های جدید رادیویی، محققین را قادر ساخت تا به ساختن گره های حسگر کوچک کم هزینه با قابلیت برقراری ارتباط بی‌سیم بپردازند. اگر چه این نودها در مقایسه با حس‌گرهای بزرگ و پرهزینه از نظر انرژی و میزان پایداری بسیار ضعیف‌تر هستند، اما با به‌کاربردن صدها یا هزاران گره از آنها می‌توان شبکه حسگر با کیفیت ساخت.
2- کاربردها و چالش‌های شبکه حسگر بی‌سیم
شبکه‌های حسگر بی سیم برای کاربردهای مختلفی از جمله مسائل نظامی، مشاهده محیط، سیستم های حمل و نقل و غیره به‌کار می‌روند. برای هر کابر حس‌گرهای مخصوصی مانند حس‌گرهای حساس به درجه حرارت، گرما و غیره مناسب با عملکرد شبکه ساخته می‌شود.
مهمترین مسئله در گره های حسگر انرژی محدود و پایان پذیر باطری آنها است، این امر باعث ایجاد محدودیت در طور عمر و کیفیت عملکرد شبکه می‌شود. به همین دلیل پروتکل‌هایی که بر روی این شبکه‌ها اجرا می شوند باید قادر باشند تا منابع (توان باطری) گره ها را به‌طور سودمند مصرف کنند تا طول عمر شبکه افزایش پیدا کند.
بنابر آنچه که گفته شد، تحقیقات بسیاری بر روی مسئله محدودیت انرژی و مدیریت منابع در شبکه‌های حسگر بی‌سیم صورت گرفت و در این راستا پروتکل‌هایی ارائه شد که تمامی این پروتکل ها (الگوریتم‌ها) در صدد افزایش طول عمر گره ها، کاهش پهنای باند مورد نیاز با برقراری ارتباطات محلی در بین گرهها و در نهایت افزایش طول عمر شبکه بودند.
از آنجائی‌که داده های تولیدشده (حس‌شده) توسط گره های موجود در شبکه حسگر بی‌سیم که در مجموع داده ها و اطلاعات شبکه حسگر را تشکیل می‌دهند، برای پردازش کاربر نهایی بسیار زیاد هستند، به روش هایی برای جمع‌آوری داده ها و تبدیل آنها به یک‌سری اطلاعات دارای مفهوم و معنی نیاز است. یک راه ساده برای انجام این عمل »اجماع داده« نام دارد که هدف آن ایجاد یک فیلترینگ مناسب برای حذف داده های اضافه، تکراری و حذف نویزها بر روی داده ها است. برای انجام عمل اجماع داده پروتکل‌های مختلفی با توجه به معماری و مسیریابی‌های مختلف در شبکه حسگر بی‌سیم ارائه شده است که در ادامه به تعریف و توصیف دقیق آنها می‌پردازیم.
3- پروتکل‌های اجماع داده براساس معماری شبکه
1-3- پروتکل‌های اجماع داده در شبکه‌های تخت
push diffusion - 1-1-3
در این پروتکل تمام حسگرها نقش فعال و یکسانی را دارند و هنگامی که گره سینگ به آنها درخواستی را می‌فرستد، آغاز کننده انتشار داده هستند. تکنیک اسپین در این پروتکل به‌کار گرفته شده است. دو ویژگی مهم اسپین که در این پروتکل به‌کار گرفته شده است عبارتند از data negotiation و .resource adaptation برای اجرای این پروتکل، گره های حسگر به‌منظور توصیف آنچه که مشاهده کرده اند، نیازمند یک توصیف‌کننده هستند.
Two phase pull diffusion -2-1-3
یک پروتکل مجتمع‌سازی داده energy efficient است که آن را direct diffusion نیز می‌نامند. این پروتکل در واقع شمایی از مسیریابی data centric است که پایه و اساس آن مبتنی بر به‌دست آوردن داده در حسگرها است. ویژگی‌ها و صفات داده ها، پیام های مورد استفاده در شبکه است.
2-3- پروتکل‌های اجماع داده براساس خوشه‌بندی در شبکه های سلسله مراتبی
1-2-3- پروتکل 14 LEACH
پروتکل غیر یکپارچه‌ای است که گره های حسگر خودشان را به خوشه هایی به‌منظور فیلترکردن داده ها تقسیم می‌کنند و برای هر خوشه یک رهبر خوشه تعریف می‌شود. در هر خوشه داده ها از گره های حسگر آن خوشه به رهبر خوشه ارسال می‌شوند و سپس از رهبر خوشه به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم به گره اصلی شبکه ارسال می‌شود. پیامد این الگوریتم کاهش اطلاعات ارسالی به گره اصلی شبکه است و این امر ناشی از این است که در گره رهبر هر خوشه ابتدا فیلترینگی روی داده های دریافتی از گره های خوشه انجام می‌شود و سپس ارسال به گره اصلی شبکه انجام می‌پذیرد.
اگر بخواهیم پروتکل LEACH را به طور جزئی‌تر مورد بحث قرار دهیم، می‌توانیم آن را شامل دو فاز بدانیم :
Setup phase: شامل سازماندهی شبکه به خوشه‌ها و تعیین یک رهبر برای هرخوشه است.
Stead phase: مجتمع سازی داده در گره های رهبر هر خوشه و سپس ارسال به گره اصلی شبکه است.
2-2-3- پروتکل HEED
با توجه به محدودیت های پروتکل LEACH و عدم یکپارچگی آن، مکانیزم اجماع داده دیگری به نام HEED مطرح شد که هدف آن ایجاد خوشه‌هایی سودمند به منظور افزایش طول عمر شبکه است. اصلی‌ترین فرض به‌کارگرفته شده در این الگوریتم، توانایی در به کار بردن سطوح انرژی چندگانه در گره های حسگر است. انتخاب رهبر خوشه براساس ترکیبی از میزان انرژی باقی مانده هر گره و میزان مجاورت هر گره به گره های همسایه خود انجام می‌شود.
3-3- پروتکل اجماع داده براساس ساختار زنجیر در شبکه های سلسله مراتبی
1-3-3- پروتکل PEGASIS
در این پروتکل گره ها به صورت یک ساختار خطی زنجیروار به منظور اجماع داده سازماندهی می‌شوند. گره ها ساختار زنجیروار را با به‌کار بردن یک الگوریتم زیاده خواهانه ایجاد می‌کنند. این فرم زنجیروار فرض می‌کند که تمام گره ها از تمام وضعیت شبکه اطلاع دارند. در این ساختار، گره اصلی شبکه معمولاً در مرکز این زنجیر تعریف می‌شود.
4-3- پروتکل اجماع داده براساس ساختار درخت در شبکه های سلسله مراتبی
1-4-3- پروتکل PEDAP
در این پروتکل فرض بر آن است که گره ها به صورت غیر یکپارچه و تصادفی در محیط کارگذاشته شده اند. همچنین مکان استقرار آنها ثابت است و گره اصلی شبکه از مکان گره ها در آگاه است. حسگرها می‌توانند به‌طور مستقیم با یکدیگر ارتباط داشته باشند و داده های خود را به گره اصلی شبکه ارسال کنند. گره ها به‌طور مداوم داده هایی را از محیط دریافت می‌کنند و همیشه داده هایی را در هر دوره از ارتباط برای ارسال دارند. همچنین گره ها داده هایی که از همدیگر دریافت می‌کنند را با داده های خود مقایسه کرده و سپس به فیلترینگ یا مجتمع سازی آنها می‌پردازند.
4- نتیجه‌گیری
در این مقاله ما ابتدا به مساله محدودیت انرژی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم پرداختیم و سپس فاکتورهای را که راندمان انرژی بالایی را برای ما فراهم می‌آورند و در نهایت باعث افزایش طول عمر شبکه می‌شوند معرفی کردیم. در بین این فاکتورها تکنیک‌های اجماع داده نقش بسیار مهمی را در ایجاد راندمان انرژی بالا و سودمندی انرژی برای ما فراهم می‌کرد. در نتیجه با توجه به معماری شبکه و الگوریتم‌های مسیریابی مورد استفاده در شبکه‌های بی‌سیم حسگر بر اساس ساختار شبکه به دسته‌بندی پروتکل‌های اجماع داده در سه معماری شبکه‌های تخت و سلسله مراتبی پرداختیم.
در شبکه‌های تخت به معرفی دو پروتکل Pull diffusion و Direct diffusion پرداخته و مزایا و معایب آنها را بیان کردیم. در شبکه‌های سلسله مراتبی اجماع داده را به سه بخش اجماع داده بر اساس خوشه‌بندی اجماع داده بر اساس ساختار زنجیر و اجماع داده بر اساس ساختار درخت تقسیم‌بندی کردیم. در دسته اول به معرفی دو پروتکل LEACH و HEED و در دسته دوم به معرفی پروتکل PEGASIS پرداختیم.
در ادامه با توجه به عیوب موجود در پروتکل‌های اجماع داده فوق به معرفی پروتکل اجماع داده براساس ساختار درخت (PEDAP) در شبکه‌های سلسله مراتبی پرداختیم که با توجه به نتایج شبیه‌سازی‌های انجام شده و مقایسه آن با سایر پروتکل‌ها و مزایا آن نسبت به دیگر روشها، در حال حاضر به‌عنوان کارآمدترین پروتکل اجماع داده محسوب می‌شود.
پروتکل تمام جنبه‌های یک شبکه حسگر بی‌سیم هنگامی که گره اصلی در مرکز شبکه یا دور از گره های شبکه قرار گرفته باشد را در نظر می‌گیرد و در هر دو مورد از سایر پروتکل‌ها مزیت دارد و باعث ایجاد طول عمر بیشتری برای شبکه می‌شود.
چاپ 
ارسال به دوست
