شبکه های حسگر بی سیم WSN
معرفی شبکه های حسگر بی سیم
شبکه های حسگر بی سیم شامل تعداد زیادی نود حسگر می باشند که در یک محیط پراکنده شده اند. این نوع از شبکه، وسیله مناسبی برای جمع آوری و ارسال اطلاعات محیطی و یا اطلاع رسانی وقوع یک رخداد ، به یک نود مرکزی می باشد. این شبکه ها دارای ویژگی ها و خصوصیات و محدودیتهای مربوط به خود می باشند که موجب متمایز شدن شبکه های حسگر از سایر شبکه ها شده است.
یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی نودهای حسگر است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده اند و به جمعآوری اطلاعات از محیط می پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن نودهای حسگر، از قبل تعیین شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم می آورد که بتوانیم آنها را در مکانهای خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم.
از طرف دیگر این بدان معنی است که پروتکلها و الگوریتمهای شبکههای حسگر باید دارای توانایی خود ساماندهی باشند. دیگر خصوصیتهای منحصر به فرد شبکههای حسگر، توانایی همکاری و هماهنگی بین نودهای حسگر است. هر نود حسگر روی بورد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به نودی که مسئول پردازش و نتیجهگیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازشهای اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می دهد و سپس دادههای نیمه پردازش شده را ارسال می کند.
کاربردهای شبکه حسگر
یک شبکه حسگر بیسیم، کاربردهای مهمی دارد. ازجمله می توان به مانیتورینگ راه دور محیط، و ردگیری هدف اشاره نمود. دسترس پذیری حسگرهای بی سیم بخصوص در سال های اخیر که حسگرها کوچکتر، ارزانتر، و هوشمندتر، این قابلیت ها را امکانپذیر می سازد. این حسگرها مجهز به واسطه های بی سیمی هستند که ارتباط حسگرها با هم و تشکیل شبکه را امکانپذیر می سازد. طراحی یک شبکه حسگر بی سیم، درحد قابل توجهی به کاربرد، وابسته است و فاکتورهایی مثل محیط، اهداف طراحی آن محیط، هزینه، سخت افزار، و محدودیت های سیستمی، باید لحاظ شوند.
کاربردهای WSN را می توان به دو مجموعه تقسیم نمود:
- نظارت/مانیتورینگ (Monitoring)
- پیگیری/ردگیری (Tracing)
کاربردهای نظارت شامل نظارت محیط بسته/ فضای آزاد، نظارت بر خوبی و سلامتی، نظارت بر نیرو، نظارت بر مکان دارایی، اتوماتیک سازی پردازش و تولید، و نظارت ساختاری و لرزشی است. کاربرد های پیگیری شامل پیگیری اشیاء، حیوانات، انسان ها، و خودروها می باشد.
WSNها دارای پتانسیل زیادی برای کاربردهایی مانند موارد زیر دارند:
- تعقیب و نظارت بر اشیای نظامی
- امداد بلایای طبیعی
- نظارت سلامتی بیودارویی
- لرزه نگاری و اکتشاف محیط های حادثه خیز
یک WSN در تعقیب و نظارت بر اشیای نظامی، می توان برای تشخیص و شناسایی متجاوزین استفاده نمود. از مثال های خاص می توان همبستگی-فضایی و حرکت های هماهنگ نیروها و تانک را نام برد. در بلایای طبیعی، گره های حسگری می توانند محیط را حس و بلایا را قبل از وقوعشان تشخیص دهند. در کاربردهای بیومدیکال، جراحی های کاشت حسگرها می تواند در تحت نظر گرفتن سلامتی بیمار کمک کند. برای حس لرزش، با پخش کردن حسگرها در نواحی آتشفشانی می توان وضعیت زمین لرزه ها و فوران ها را تشخیص داد.
طراحی شبکه های حسگر بیسیم
برخلاف شبکه های رایج، یک WSN طراحی ها و محدودیت های منابع خود را دارد. محدودیت منابع شامل مقدار محدود انرژی، دامنه کوتاه ارتباطی، پهنای باند کم، و پردازش و ذخیره سازی محدود در گره ها است. محدودیت های طراحی، وابسته به کاربرد و محیطی است که نظارت خواهد شد. محیط، نقش کلیدی در تعیین اندازه شبکه، نحوه توزیع گره ها، و توپولوژی شبکه دارد. اندازه شبکه، نسبت به محیط تحت نظر گرفته شده متغیر است. برای محیط های بسته، تعداد گره های کمی برای تشکیل شبکه در فضاهای محدود لازم است در حالی که ممکن است فضاهای آزاد، به تعداد گره های بیشتری برای پوشش ناحیه بزرگتر نیاز داشته باشند. هنگامی که محیط برای انسان غیرقابل دسترس باشد یا شبکه شامل صدها تا هزاران گره باشد، یک پخش اقتضایی نسبت به پخش طرح ریزی شده، ارجحیت دارد. موانع موجود در محیط نیز می توانند ارتباط میان گره ها را محدود نمایند که در واقع روی همبندی شبکه (یا توپولوژی) تاثیر می گذارند.
مسائل کلیدی شبکه حسگر
این که گره های حسگر، قابلیت خود-سازماندهی داشته باشند، از دید نیازمندی های کاربرد و مدیریت شبکه، مهم است. در این حالت، گره های حسگر این قابلیت را دارند که خودشان را داخل یک شبکه سازماندهی کرده و متعاقبا بصورت کارآمدی، قادر به کنترل و مدیریت خود باشند. چون گره های حسگری از لحاظ انرژی، ظرفیت پردازشی، و ذخیره سازی محدود هستند، پروتکل های ارتباطی و سرویس های مدیریتی جدید برای برآوردن این نیازمندی ها، لازم خواهد بود.
پروتکل ارتباطی شامل 5 لایه استاندارد برای لایه های پروتکل است که عبارتند از:
- لایه کاربرد
- لایه انتقال
- لایه شبکه
- لایه انتقال داده
- لایه فیزیکی
پروتکل ها در لایه های مختلف در برابر دینامیک شبکه و کارایی انرژی پاسخگو هستند. خدماتی همچون مکانیابی، پوشش، ذخیره سازی، همگام سازی، امنیت، و تجمیع و فشرده سازی داده ها به عنوان سرویس های شبکه حسگر بررسی شده اند.
پیاده سازی پروتکل های لایه های مختلف از پشته پروتکل شبکه حسگر بی سیم ، می تواند بطور موثری روی مصرف انرژی، تاخیر انتها به انتها، و کارایی سیستم تاثیر گذارد. بهینه سازی ارتباط و حداقل کردن مصرف انرژی مهم است. پروتکل های شبکه ای رایج به خاطر اینکه طراحی آنها متناسب با نیازمندی های شبکه های WSN نیست، بنابراین به خوبی با آن کار نمی کنند. از این رو، پروتکل های کارا از لحاظ انرژی برای تمام این لایه های پشته پروتکل پیشنهاد شده است. این پروتکل ها از بهینه سازی های بین-لایه ای با پشتیبانی از تعامل بین لایه های پروتکل بهره جسته اند. خصوصا، اطلاعات مربوط به وضعیت پروتکل یک لایه برای تامین نیازمندی های خاص WSN، میان لایه های دیگر به اشتراک گذاشته شده است.
چون گره های حسگری روی انرژی باتری محدود عمل می کند، مصرف انرژی نگرانی بسیار مهمی در یک WSN می باشد و تحقیقات قابل توجهی روی بدست آوردن و کمینه کردن مصرف انرژی تمرکز دارد. زمانی که انرژی یک گره حسگر تمام شد، می میرد و از شبکه جدا می شود که می تواند تاثیر قابل توجهی روی عملکردبرنام کاربردی بگذارد. طول عمر شبکه حسگر بستگی به تعداد گره های فعال و همبندی شبکه دارد، بنابراین برای بیشینه کردن طول عمر شبکه، انرژی باید به صورت کارا مصرف شود. بدست آوردن انرژی توسط گره مستلزم کسب انرژی از یک منبع انرژی است.
منابع بالقوه انرژی عبارتند از:
- سلول های خورشیدی
- ارتعاش
- سلول های تقویتی
- پارازیت های صوتی
- منبع تغذیه سیار
در رابطه با کسب انرژی از محیط، تکنیک کامل فعلی سلول های خورشیدی هستند که از نور انرژی تولید می کنند. همچنین کارهایی برای استفاده از منبع انرژی سیار مانند ربات نیز برای تجدید انرژی گره ها انجام یافته است. در این سناریو، ربات ها باید مسئول شارژ خودشان و تحویل انرژی به گره ها می باشند.
صرفه جویی مصرف انرژی در یک WSN طول عمر شبکه را بیشینه کرده و از طریق ارتباطات بی سیم مطمئن و کارآمد، جایگیری هوشمندانه حسگر برای رسیدن به پوششی مناسب، مدیریت کارآمد و مطمئن حافظه ذخیره سازی، و تجمیع و فشرده سازی کامل داده ها، قابل دستیابی است. روش های فوق، سعی در ارضای هر دوی محدودیت های انرژی و ارائه کیفیت سرویس (QOS) برای کاربرد را دارند. برای ارتباطات مطمئن، سرویس هایی مانند کنترل ازدحام، نظارت فعال بافر (AQM)، تصدیق (acknowledgment)، و بازیابی بسته های گم شده برای گارانتی تحویل مطمئن بسته، ضروری می باشند. قدرت ارتباط وابسته به محل قرار گیری گره های حسگر می باشد. جایگیری پراکنده و خلوت حسگر باعث انتقال فاصله-طولانی و مصرف انرژی بیشتر خواهد شد در حالی که جاگیری متراکم حسگر باعث انتقال فاصله-کوتاه و مصرف کمتر انرژی خواهد شد. پوشش با جایگیری حسگرها ارتباط دارد. مجموع تعداد حسگرها در شبکه و جاگیری آنها، درجه پوشش شبکه را مشخص خواهند نمود. بسته به کاربرد، ممکن است برای بالا بردن دقت داده های حس شده، به درجه بالایی از پوشش نیاز داشته باشیم. در این تحقیق، پروتکل ها و الگوریتم های جدید توسعه یافته در این زمینه را بازبینی خواهیم نمود.
انواع شبکه حسگر
شبکه های حسگر بی سیم از لحاظ ساختارمندی به دو گروه قابل طبقه بندی است:
- ساختارمند
- بدون ساختار
یک WSN بدون ساختار نوعی است که شامل مجموعه انبوهی از گره های حسگر است. ممکن است گره های حسگر به صورت یک شبکه اقتضایی در یک حوزه پخش شوند. یک بار که گره ها پخش شدند، شبکه به حال خود رها می شود تا وضایف و عملیات نظارت و گزارش را انجام دهد. در یک WSN بدون ساختار، نگهداری شبکه مانند مدیریت اتصالات و کشف عیب ها سخت است چون تعداد گره ها زیاد است.
در یک WSN ساختارمند، بخش یا تمام گره های حسگری با نقشه قبلی پخش می شوند. مزیت یک شبکه ساختارمند این است که می توان گره های کمتری پخش نمود و در نتیجه نیاز به نگهداری کمتر و هزینه مدیریتی کمتری خواهد داشت. به این خاطر گره های کمتری می توان پخش نمود که گره ها برای پوشش دادن ناحیه در نقاط خاصی قرار می گیرند ولی در پخش به صورت اقتضایی ممکن است نواحی پوشش داده نشده وجود داشته باشد.
WSN های فعلی در روی زمین، زیر زمین و در زیر آب پخش می شوند. یک شبکه حسگر برحسب محیط، با چالش ها و محدودیت هایی روبرو است. پنچ نوع WSN وجود دارد که عبارتند از:
- WSN زمینی
- WSN زیرزمینی
- WSN زیرآبی
- WSN چند رسانه ای
- WSN متحرک
WSN های زمینی
معمولا شامل صدها تا هزاران گره حسگر بی سیم ارزان است که به یکی از انواع، اقتضایی یا از قبل مشخص شده در منطقه مورد نظر پخش شده است. در پخش به صورت اقتضایی، گره های حسگر می توانند توسط هواپیما پخش شده و به صورت تصادفی در منطقه هدف جای گیرند. در پخش به صورت از قبل طرح ریزی شده، مدلهای جایگذاری شبکه ای، جایگذاری بهینه، و جایگذاری دوبعدی و سه بعدی وجود دارند. در یک WSN زمینی، ارتباط امن در یک محیط متراکم حائز اهمیت است. گره های حسگری زمینی باید بطور موثر قادر به ارسال داده ها به ایستگاه پایه باشند. با آنکه انرژی باطری محدود است و ممکن است قابل شارژ مجدد نباشد، اما ممکن است گره های حسگر مجهز به منبع نیروی ثانوی مانند سلول های خورشیدی باشند. در هر مورد، حفظ انرژی برای گره های حسگری مهم است. برای یک WSN زمینی، می توان با مسیریابی بهینه چند-گامی، فاصله انتقال کوتاه، تجمیع داده داخل-شبکه، حذف افزونگی داده ها، کمینه کردن تاخیرات، و بهره گیری از عملیات هایی با duty-cycle کم، انرژی را حفظ نمود.
WSN های زیرزمینی
شامل تعدادی گره حسگری مدفون زیر خاک، غار و یا معدن است که برای نظارت بر شرایط زیرزمینی استفاده می شود. گره های چاهک دیگری در بالای زمین برای انتقال اطلاعات از گره ها به ایستگاه پایه قرار می گیرند. یک WSN زیرزمینی به دلیل تجهیزات، پخش و نگهداری، نسبت به WSN زمینی بسیار گرانتر است. گره های حسگری زیرزمینی بدین دلیل گران هستند که باید اجزای مناسبی برای اطمینان از ارتباط مطمئن از طریق خاک، صخره ها، آب و دیگر مواد معدنی، در آنها استفاده شود. محیط زیرزمینی ارتباطات بی سیم را به خاطر تلفات و سطوح بالای تضعیف سیگنال، با چالش جدی مواجه می کند. برخلاف WSN های زمینی، پخش یک WSN زیرزمینی نیازمند طرح و نقشه دقیق، انرژی و وقت است. انرژی مقوله ای مهم در WSN های زیرزمینی می باشد. گره های حسگر زیرزمینی همانند WSN زمینی حاوی نیروی باطری محدود بوده و بعد از پخش آنها در زمین، شارژ یا تعویض باطریشان بسیار سخت خواهد بود. همانند قبل، حفظ انرژی برای افزایش طول عمر شبکه، موضوع کلیدی است که با پیاده سازی پروتکل های ارتباطی کارآمد، قابل دستیابی خواهد بود.
WSN های زیرآبی
شامل تعدادی گره های حسگر و خودروهای پخش شده زیر آب می باشند. برخلاف WSN های زمینی، گره های حسگر زیرآبی بسیار گران بوده و تعداد کمتری از این گره های حسگر زیر آب پخش می شوند. خودروهای خودمختار زیرآبی برای اکتشاف یا جمع آوری داه ها از گره های حسگر استفاده می شوند. در مقایسه با پخش انبوه گره های حسگر در یک WSN زمینی، پخش خلوتی از گره های حسگر در زیر آب اتفاق می افتد. معمولا ارتباطات بی سیم زیر آبی از طریق انتقال امواج صوتی برقرار می گردد. یک چالش در ارتباط صوتی زیر آب پهنای باند محدود، تاخیر انتشار زیاد، و مسئله محو شدن سیگنال است. چالش دیگر خرابی گره های حسگر بدلیل شرایط محیطی است. گره های حسگر زیر آبی باید توانایی خود-پیکره بندی و سازگاری با محیط خشن اقیانوس را داشته باشند. گره های حسگر زیرآبی مجهز به باطری محدودی است که قابل تعویض یا شارژ نیست. حل مسئله حفظ انرژی در WSN های زیرآبی مستلزم توسعه ارتباطات و تکنیک های شبکه ای موثر زیرآبی است.
WSN های چند رسانه ای
برای ارائه امکان نظارت و پیگیری وقایع در شکل چند-رسانه ای مانند ویدئو، صدا و تصویر است.WSN های چند رسانه ای شامل تعدادی گره حسگر ارزان مجهز به دوربین و میکروفن است. این گره های حسگر برای بازیابی، پردازش، همبستگی، و فشرده سازی داده ها، از طریق یک اتصال بی سیم به هم مرتبط هستند. گره های حسگر چند-رسانه ای برای ضمانت پوشش، بر اساس طرح از پیش تعیین شده در محیط پخش می شوند. چالش های پیش روی WSN چند-رسانه ای عبارتند از پهنای باند مورد نیاز بالا، مصرف انرژی زیاد، تامین کیفیت سرویس (QOS)، تکنیک های پردازش و فشرده سازی داده، و طراحی میان-لایه ای. محتوای چند-رسانه ای مانند جریان ویدیو برای تحویل محتوا نیازمند پهنای باند بالایی است. ارائه QOS بدلیل تاخیر های متغیر و ظرفیت کانال متغیر، یک مبحث چالش برانگیز در WSN های چند-رسانه ای است. رسیدن به یک سطح مشخص از QOS برای تحویل مطمئن محتوا ضروری است. پردازش، فیلترینگ، و فشرده سازی داخل شبکه ای بطور موثری کارایی شبکه را با فیلتر کردن و استخراج اطلاعات تکراری و زائد و ادغام محتویات، بهبود می بخشد. بطور مشابه، تعامل بین لایه ای میان لایه های مختلف می تواند پروسه تحویل و پردازش را بهبود بخشد.
WSN های متحرک
شامل مجموعه ای از گره های حسگر است که توانایی حرکت و تعامل با محیط فیزیکی را دارند. گره های سیار مانند گره های ثابت، قادر به حس، محاسبه و ارتباط هستند. تفاوت کلیدی گره های سیار، توانایی آنها برای تغییر موقعیت و موضع گیری مناسب در شبکه است. یک WSN می تواند با یک پخش اولیه شروع شود، سپس گره ها می توانند برای جمع آوری اطلاعات پخش شوند. اطلاعات جمع آوری شده توسط یک گره سیار می تواند هنگامی که دو گره سیار در بازه ارتباطی همدیگر قرار دارند، مبادله شود. تفاوت اساسی دیگر پخش داده می باشد. در یک WSN ایستا، داده می توانند با یک مسیریابی ثابت و یا سیل آسا پخش شود، در حالی که در WSN های سیار از مسیریابی پویا استفاده می شود. چالش ها در WSN سیار عبارتند از پخش، مکانیابی، خود-سازماندهی، مسیریابی و کنترل، پوشش، انرژِی، نگهداری، و پردازش داده. کاربردهای WSN سیار عبارتند از نظارت بر محیط، پیگیری اهداف، جستجو و نجات، و نظارت real-time مواد پرخطر، اما کاربرد ها به این موارد محدود نمی شود. برای نظارت محیطی بر مناطق پرخطر (حادثه خیز)، که ممکن است پخش دستی در آن امکانپذیر نباشد. گره های حسگر سیار می توانند بعد از پخش شدن، برای ارائه پوشش مورد نیاز به نواحی رخداد ها حرکت کنند. گره های حسگر سیار در نظارت و پیگیری نظامی، می توانند بر حسب هدف با هم همکاری و تصمیم گیری نمایند. گره های حسگر سیار در مقایسه با گره های حسگر ثابت، می توانند به درجه بالاتری از پوشش و همبندی دست یابند. هنگام وجود موانع در میدان، گره های حسگر سیار می توانند plan ahead و بطور مناسب به نواحی مناسب حرکت کنند تا اهداف بهتر در تیررسشان قرار گیرد.
سیستم داخلی حسگر
برای اینکه یک حسگر بتواند در یک شبکه حسگر بی سیم کار کند، لازم است چندین مسئله مربوط به سیستم داخلی، به کمک پلتفورم سیستم و پشتیبانی از سیستم عامل (OS) حل شود. علاوه بر آن، استانداردهای پشتیبانی شده، ذخیره سازی و testbed های فیزیکی در زیرقسمت هایی که در ادامه آمده، مورد مطالعه قرار گرفته است.
پلتفورم WSN های حاضر برای پشتیبانی محدوده وسیعی از حسگرها ساخته شده اند. محصولاتی که حسگر و گره های حسگر عرضه می کنند، شامل اجزای مختلف رادیویی، پردازنده ها، و ذخیره سازی است.مجتمع نمودن چندین حسگر در یک پلتفرم WSN بخاطر متفاوت بودن سخت افزار حسگر و مشکل ساز بودن پردازش داده های خام با استفاده از منابع محدود گره های حسگر، یک چالش است. نرم افزار سیستمی، مانند سیستم عامل باید طوری طراحی شود که از این زیرساخت های حسگر، پشتیبانی کند. تحقیقات در این زمینه شامل طراحی زیرساخت هایی است که از مدیریت خودکار، بهینه سازی طول عمر شبکه، و برنامه ریزی توزیع شده پشتیبانی نماید.
استانداردهای شبکه حسگر بی سیم با توجه به این مسئله توسعه یافته اند که نیاز اصلی در آنها، طراحی است که به کاهش مصرف منجر شود. یک استاندارد، عملکردها و پروتکلهای لازم برای رویارویی گرههای حسگر با شبکههای مختلف را تعریف میکند. برخی از این استانداردها عبارتند از:
- IEEE 802.15.4
- ZigBee
- WirelessHART
- ISA 100.11
- IETF 6LoWPAN
- IEEE 802.15.3
- Wibree
شعاع حسگری گره
هر گره حسگر بیسیم در شبکه WSN یک شعاع حسگری (Sensing Radius) دارد. اگر شعاع حسگری یک گره حسگر را Rs بنامیم، یک دایره با شعاع Rs را می توان دور یک گره حسگر تصور کرد. ناحیه داخل این دایره فرضی همان ناحیه حسگری گره بوده و گره حسگر فقط قادر به حس رویدادهای داخل ناحیه حسگری خود می باشد. یکی دیگر از مشخصه های یک گره حسگر، برد تشخیص (Detecting Radius) گره است که اینجا با Rd نشان داده شده است.
سرویس های شبکه
سرویس های تأمین (privisioning)، سرویس های مدیریتی و سرویس های کنترلی، برای هماهنگی و مدیریت گره های حسگر توسعه یافته است. آنها عملکرد کلی شبکه را، برحسب نیرو، توزیع وظیفه، و استفاده منابع، بهبود می دهند. تأمین ، منابعی مانند نیرو و پهنای باند را به منظور بیشینه کردن کارآیی، به طور مناسب تخصیص می دهد. مکانیابی و پوشش جزئی از تدارک هستند. در یک WSN، پوشش باید تحت پوشش قرار گرفتن ناحیه تحت نظارت را با یک درجه اطمینان بالایی تضمین نماید. اهمیت پوشش بدلیل تاثیر آن روی تعداد حسگرهای پخش شده، جایگیری این حسگرها، همبندی و انرژی میباشد. مکانیابی پروسه ای است که یک گره حسگر سعی در تعیین موقعیت خود بعد از پخش شدن دارد. سرویس های مدیریت و کنترل بدلیل ارائه پشتیبانی از سرویس های میان افزار مانند امنیت، همگام سازی، فشرده سازی و تجمیع داده، بهینه سازی میان-لایه ای و …، نقش کلیدی در WSN ها بازی می کنند. در این قسمت، ما تأمین، کنترل، و مدیریت سرویس را بر اساس اهدافشان مورد بررسی قرار می دهیم. خلاصه مختصری از هر یک نیز در قسمت های زیر آمده است.
مکانیابی
در WSN ها، گره های حسگری که در محیط به صورت اقتضایی پخش شده اند، از مکان خود دانش قبلی ندارند. مسئله تعیین موقعیت گره مربوط به مکانیابی است. روش های موجود برای مکانیابی عبارتند از سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS)، گره های beacon (یا لنگر)، و مکانیابی مبتنی بر تقریب. یک راه حل ساده برای این مسئله، تجهیز گره های حسگری به یک گیرنده GPS است. به هر حال ممکن است سیستمهایی که برپایه GPS هستند، هنگامی که حسگرها در یک محیط با موانعی مانند شاخ و برگ های انبوه پخش شده باشند، کار نکنند. روش beacon (لنگر)، از گره های beacon (لنگر) که موقعیت خود را می دانند، برای کمک به دیگر حسگرها برای تعیین موقعیت خود، بهره می گیرد. این روش نیز کمبود های خود را دارد. بطوری که در شبکه های بزرگ بخوبی توسعه نمی یابد و ممکن است مشکلاتی بخاطر شرایط محیطی بوجود آید. در مکانیابی بر پایه تقریب گره ها با بهره گیری از گره های همسایه مکان خود را مشخص می کنند، سپس به عنوان beacon برای گره های دیگر عمل می کنند. برخی تکنیک های دیگر نیز برای مکان یابی وجود دارد که با روش های فوق الذکر تفاوت دارند.
همگام سازی
همگام سازی زمانی در شبکه حسگر بی سیم برای مسیریابی و حفظ نیرو مهم است. دقیق نبودن زمان می تواند به طور قابل ملاحظه ای طول عمر شبکه را کاهش دهد. همزمانی سراسری به گره ها امکان هماهنگی و انتقال داده به طریق زمانبندی شده خواهد داد. هنگامی که میزان تداخلات و باز-ارسال ها کم باشد، مصرف انرژی کاهش خواهد یافت. علاوه بر آن، زمانی که گره ها duty-cycled باشند، انرژی حفظ خواهد شد. هدف پروتکل های موجود همزمانی ، تقریب دقیق عدم قطعیت زمان و همگام سازی ساعت محلی هر گرهدر شبکه می باشد. گره های حسگر برای حفظ انرژی duty-cycled هستند. در سیکل-وظیفه، گره حسگر می تواند به صورت دوره ای رادیوی خود را برای حفظ انرژی خاموش و برای مشارکت در ارتباطات شبکه، روشن کند.
پوشش
مسئله تعیین پوشش حسگر برای یک ناحیه انتخاب شده (designated)، هنگام ارزیابی اثربخشی (effectivness)شبکه حسگر بیسیم، اهمیت دارد. کیفیت نظارت در یک WSN بستگی به کاربرد دارد. کاربردهایی مانند پیگیری اهداف، نیازمند درجه بالایی از پوشش به منظور پیگیری دقیق اهداف هستند، در حالی که کاربردهایی مانند نظارت محیطی یا سکونتی می توانند درجه کمتری از پوشش را تحمل نمایند. درجه بالای پوشش، نیازمند نظارت همزمان چندین حسگر بر یک محل برای تولید نتایج مطمئن تر است. تحقیقات حاظر در زمینه پوشش روی حفظ انرژی متمرکز هستند.برخی از این تحقیقات تکنیک هایی را برای انتخاب مجموعه کمینه ای از گره های فعال برای بیدار ماندن و حفظ پوشش شبکه پیشنهاد داده اند. پیشنهاد بقیه تحقیقات، استراتژی های توزیع حسگر برای شناسایی توزیع شده در شبکه های مقیاس بالا میباشد.
فشرده سازی و تجمیع
فشرده سازی و تجمیع موجب کاهش هزینه ارتباطات و افزایش اطمینان انتقال داده ها می شود. فشرده سازی و تجمیع داده ها برای کاربردهایWSNای موثر هستند که مقدار داده زیادی برای ارسال درشبکه دارند. بسته به اهمیت داده ها، ممکن است یک روش، بهتر از روش های دیگر باشد. تکنیک های فشرده سازی داده مستلزم فشرده سازی اندازه داده ها قبل از ارسالشان می باشد. خارج نمودن از حالت فشرده در ایستگاه پایه انجام می گیرد. در فشرده سازی داده، از دست نرفتن اطلاعات و قابل بازیابی بودن تک به تک داده های خوانده شده(individual data readings are retained) مهم است. در تجمیع داده ها، داده ها از چندین حسگر جمع آوری شده و برای ارسال به ایستگاه مرکزی با هم ترکیب می شوند. در این حالت، داده های تجمیع شده بسیار پراهمیت تر از تک تکداده های خوانده شده خواهند بود. این روش اغلب در روش های مبتنی بر خوشه بندی استفاده می شود. هر یک از این تکنیک ها، یکی از مسائل انرژی، robustness، توسعه پذیری، دقت، و کارآیی را مدنظر قرار داده اند.
امنیت
یک WSN در مقابله تهدیدات و ریسک ها آسیب پذیر است. کارهایی که دشمن می تواند انجام دهد عبارتند از: تسخیر یک گره حسگر، دستکاری جامعیت داده، استراق سمع پیغام ها، تزریق پیغام های جعلی، و اتلاف منابع شبکه.
در اِعمال امنیت به یک شبکه WSN،محدودیت هایی مانند محدود بودن فضای ذخیره سازی، ارتباطات، محاسبات، و قابلیت های پردازشی، وجود دارد. طراحی پروتکل های امن، نیازمند رعایت این محدودیت ها و دستیابی به کارایی قابل قبول بر اساس معیارهای امنیتی برای مرتفع نمودن نیازهای یک برنامه است.
پروتکل های ارتباطی
توسعه پشته پروتکل مطمئن و کارآمد از لحاظ انرژی برای پشتیبانی از کاربردهای مختلف WSN مهم است. بسته به کاربرد، ممکن است یک شبکه حسگر شامل صدها تا هزاران گره باشد. هر گره حسگر از پشته پروتکل برای ارتباط با دیگر گره ها و چاهک استفاده می کند. از این رو پشته پروتکل باید از لحاظ مصرف انرژی ارتباطی، کارآمد باشد و قادر به عملکرد کارآمد روی چندین گره حسگر باشد. در زیربخش های بعدی، مروری خواهیم داشت بر پروتکل های انرژی-کارآمد ارائه شده برای لایه انتقال، لایه شبکه، و لایه پیوند داده و تعاملات میان-لایه ای آنها.
لایه انتقال
لایه انتقال، تضمین کننده قابلیت اعتماد و کیفیت داده ها در منبع و چاهک می باشد. پروتکل های لایه انتقال در WSN ها باید از چند کاربردی (multiple application)، قابلیت اعتماد متغیر، بازیابی فقدان بسته، و مکانیزم کنترل ازدحام، پشتیبانی کنند. توسعه یک پروتکل لایه انتقال باید کلی و مستقل از کاربرد باشد. همچنین باید برای کاربردهای مختلف،”قابلیت اعتمادپکت” متفاوتی ارائه نماید. هر کاربردی در WSN می تواند سطح مختلفی از فقدان بسته را تحمل نماید. ممکن است فقدان بسته بخاطر ارتباطات رادیویی بد، ازدحام، تصادم بسته، پربودن حافظه، و خرابی گره باشد. هر گم شدن بسته ای می تواند انرژی را تلف کرده و کیفیت سرویس (QoS) را در تحویل داده کاهش دهد. تشخیص فقدان بسته و بازیابی صحیح بسته های گم شده می تواند بازدهی و مصرف انرژی را بهبود بخشد.
برای بازیابی بسته دو راه کار وجود دارد: hop-by-hop و انتها-به-انتها. باز- ارسال Hop-by-hop نیازمند این است که یک گره میانی اطلاعات بسته را در حافظه خود کش نماید. این روش از لحاظ انرژی کارآمدتر است زیرا فاصله باز-ارسال کوتاه تر است. در باز-ارسال انتها-به-انتها، منبع، تمام اطلاعات بسته را کش کرده و زمانی که یک بسته گم می شود، باز-ارسال را انجام می دهد. باز-ارسال انتها-به-انتها امکان داشتن قابلیت اطمینان متغیر را خواهد داشت در حالی که باز-ارسال hop-by-hop به خاطر فراهم آوردنقابلیت اطمینان بالاتر، عملکرد بهتری دارد.
مکانیزم کنترل ازدحام ، با نظارت و کشف ازدحام، باعث حفظ انرژی می شود. قبل از اینکه ازدحام رخ دهد، به منبع اطلاع داده می شود که نرخ ارسال را کاهش دهد. کنترل ازدحام، به کاهش دفعات باز-ارسال و جلوگیری از لبریز شدن بافر حسگر کمک خواهد کرد. در بازیابی بسته گم شده نیز دو روش برای کنترل ازدحام وجود دارد: hop-by-hop و انتها-به-انتها. در مکانیزم hop-by-hop هر گره ای در طول مسیر باید بر سرریزهای بافر نظارت کند. مکانیزم hop-by-hop ازدحام را با سرعت بیشتری نسبت به مکانیزم انتها-به-انتها یاد می گیرد. هنگامی که ازدحام توسط یک گره حسگر تشخیص داده شد، تمام گره ها در طول مسیر رفتار خود را تغییر خواهند داد. مکانیزم انتها-به-انتها برای تشخیص ازدحام به گره های انتهایی تکیه می کند. هنگامی که مهلت زمانی (timeout) به سر آید یا پاسخ های تکراری دریافت شود، نشانه ازدحام خواهد بود.برای بازیابی بسته گم شده و کنترل ازدحام، سبک سنگینی میان روش های hop-by-hop و انتها-به-انتها وجود دارد. بسته به نوع، درجه اطمینان، و میزان حساسیت زمانی کاربرد، ممکن است یکی از روش ها بر دیگری برتری داشته باشد. پروتکل های لایه انتقال موجود در WSN ها سعی در پاسخ به مسائل طراحی فوق دارند.
لایه شبکه
لایه شبکه مسئول مسیریابی داده ها در طول شبکه از منبع به مقصد است. پروتکل های مسیریابی در WSN ها از چند جهت متفاوت از پروتکل های مسیریابی رایج هستند. اولا، گره های حسگر دارای آدرس های پروتکل اینترنت (IP) نیستند، بنابراین پروتکل های مبتنی بر-IP در WSN قابل استفاده نیستند. طراحی پروتکل های شبکه در یک WSN باید مقیاس پذیر(قابل توسعه – scalable) باشد. همچنین باید براحتی ارتباطات میان گره های زیادی را مدیریت کرده و داده های حسگر را به ایستگاه پایه منتقل نماید. محدودیت های منابع شبکه، مانند: انرژی، پهنای باند ارتباطی، حافظه، و قابلیت های محاسباتی محدود،بایددر پروتکل لحاظ شده باشد. با لحاظ شدن این محدودیت ها، طول عمر یک شبکه حسگر می تواند افزایش یابد. نهایتاً، پروتکل باید به مسائل کارآیی، تحمل خطا، عدالت، و امنیت پاسخگو باشد.
لایه انتقال داده
لایه پیوند داده به انتقال داده میان دو گره که یک اتصال مشترک مابین آنهاست، اشاره دارد. از آنجا که شبکه زیرین بی سیم است، برای انتقال موثر داده، نیاز به مدیریت و کنترل دسترسی به رسانه می باشد. طراحی پروتکل MAC باید شامل خصوصیاتی باشد که عبارتند از کارآیی انرژی، توسعه پذیری برای تراکم گره، همگام سازی فریم، عدالت، بهره وری پهنای باند، کنترل جریان، و کنترل خطا برای ارتباطات داده.
سرویس تشخیص و تصحیح خطا، علاوه بر لایه انتقال، در لایه پیوند داده نیز ارائه می شود. یکی از پر استفاده ترین تکنیک های تشخیص خطا،کنترل چرخشی افزونگی (CRC) [97] است. CRC در WSN به صورتی که در ادامه می آید، عمل می کند. ابتدا فرستنده و گیرندهبایدقبل از انتقال، روی اندازه ی ثابتی از بلوک های داده، توافق نمایند. فرستنده بسته مربوط به لایه شبکه را به بلوک های داده، که در سمت گیرنده بازسازی خواهند شد، تقسیم می کند. می توان از یک CRC هشت بیتی برای تشخیص خطا استفاده نمود. بلوک های حاوی داده و بیت های CRC داخل یک فریم قرار می گیرند. هر فریم به دریافت کننده ارسال می شود. به محض دریافت فریم، گیرنده مشخص می کند که فریم دریافت شده دارای خطاست یا خیر. اگر فریم دارای خطا باشد، گیرنده پروسه بازیابی را برای استخراج این بلوک های خطادار، بعد از دریافت تعداد مشخصی فریم، شروع می کند.
تکنیک های بازیابی در WSN عبارتند از: تکرار خودکار درخواست (ARQ)، ارسال تصحیح خطا (FEC)، Hybrid ARQ (HARQ)، ترکیب ساده بسته (SPaC)، و تنوع چند-رادیویی (MRD).ARQ از اعلام وصول و مهلت زمانی برای بازخورد صریح بعنوان پاسخ به فرستنده استفاده می کند. بازخوردها می توانند به صورت اعلام وصول مثبت (ACK) یا اعلام وصول منفی (NACK) باشد. هنگامی که فرستنده NACK دریافت می کند یا مهلت زمانی تمام می شود، فریم داده را دوباره ارسال خواهد نمود. محدودیتی که برای ARQ وجود دارد، این است که محدود به تشخیص خطاهای فریم است. در صورتی که تنها یک بیت خطا هم داشته باشیم، کل فریم دوباره ارسال خواهد شد. در طرف دیگر FEC، تعداد بازارسال ها را کاهش خواهد داد. فرستنده مقداری اطلاعات افزونه به هر پیغام اضافه می کند، بر این اساس، گیرنده می تواند خطاها را تشخیص و تصحیح نماید. مزیت FEC کاهش باز-ارسال ها و حذف زمان انتظار برای ارسال اعلام وصول است. Hybrid ARQ نوعی از روش ARQ است که در آن هر دو روش ARQ و FEC ترکیب شده اند. دو نوع شما برای Hybrid ARQ عبارتند از: نوع-۱ و نوع-۲٫ نوع-۱ شامل بیت های تشخیص و تصحیح خطا در هر بسته ارسالی با استفاده از کد تصحیح است. نوع-۲ بیت های تشخیص خطا یا اطلاعات FEC را همراه داده انتقال می دهد. اگر خطایی در بسته اول تشخیص داده شد، منتظر بسته دوم خواهیم بود که شامل بخش های FEC و تشخیص خطا برای تصحیح خطا هستند. اگر خطا همچنان وجود دارد، بسته ها برای تصحیح خطا ترکیب خواهند شد. SPaC و MRD عمل تصحیح خطا را بوسیله ترکیب بسته های خراب و با استفاده از HARQ انجام می دهند.SPaC بسته های خراب را در گیرنده بافر کرده و منتظر بازارسال می شود. فرستنده، علاوه بر باز-ارسال بسته اصلی، بیت های توازن را نیز ارسال می نماید. گیرنده به محض دریافت بسته باز-ارسال شده، عمل ترکیب بسته را برای استخراج خطاها انجام می دهد. MRD از دو تکنیک برای استخراج خطاها استفاده می کند. تکنیک اول ترکیب فریم با چندین فریم خطادار دیگر برای پرهیز از باز-ارسال فریم. تکنیک دوم طرح درخواست-برای-اعلام وصول برای بازیابی بسته است.
مسئله ای که در طراحی پروتکل MACبرای یک WSN وجود دارد، محدودیت هایی مانند انرژی، توپولوژی، و تغییرات شبکه می باشد. ، هدف اولیه پروتکل MAC، کمینه کردن انرژی برای افزایش طول عمر شبکهمی باشد. یک پروتکل MACباید حدالامکان از اتلاف انرژی بواسطه تصادم بسته ها، سربار، باز-ارسال بیش از اندازه، سربارهای کنترلی، و حالت بی کار (idle) جلوگیری نماید. همچنین باید با تغییرات توپولوژی وتغییرات شبکه، به طور کارآمدی سازگار باشد. برای دستیابی به بهره وری بالای کانال، اجتناب از تصادم، و کارآیی انرژی،طیف وسیعی از پروتکل های MAC پیشنهاد شده است.
لایه فیزیکی
لایه فیزیکی، واسطی برای انتقال جریان بیت ها روی رسانه ارتباطی فیزیکی ارائه می دهد. این لایه مسئول تعامل با لایه MAC، انجام انتقال و دریافت، و مدولاسیون است. تعامل میان لایه فیزیکی و لایه MAC مسئله مهمی می باشد. در محیط بی سیم، نرخ خطا در لایه فیزیکی بالا و متغیر با زمان است. لایه MAC با لایه فیزیکی برای تشخیص و تصحیح خطا تعامل می کند. دیگر تعاملات شامل اشتراک اطلاعات کانال و انتقالات با لایه MAC، به منظور رسیدن به کارآیی و بهره وری بالای منابع است.
برای یک WSN، کمینه کردن مصرف انرژی و بیشینه کردن طول عمر شبکه از لایه فیزیکی شروع می شود. انرژی در لایه فیزیکی برای عملیات مدارات رادیویی و انتقال جریان بیت استفاده می شود.انرژی استفاده شده برای مدارات رادیویی ثابت است در حالی که ممکن است انرژی صرف شده برای انتقال داده برحسب channel loss، تداخل، و فاصله انتقال متغیر باشد. یک سبک-سنگینی میان انرژی انتقال و خطا وجود دارد. برای کمینه کردن اتلاف نیرو و عملکرد کارآمدتر شبکه، لازم است نیروی انتقال درست انتخاب شود. برای انتقال داده روی یک کانال بی سیم، نیاز به طرح های مدولاسیون داریم. برای رسیدن به بالاترین احتمال ممکن یک انتقال موفق تحت شرایط مختلف، طرح های مدولاسیون مختلفی توسعه داده شده است. طرح های مدولاسیون کارا از لحاظ انرژی باید هر دو انرژی مدار و انتقال را کمینه کنند. مطالعات اخیر تحقیقاتی عبارتند از نیازمندی های لایه فیزیکی، طراحی رادیو کم مصرف، طرح های انتقال آگاه از انرژی، و طرح های مدولاسیون.
لایه فیزیکی باید با درنظر گرفتن نیازمندی های WSN طراحی شود. منبع نیازمندی های لایه فیزیکی را با تمرکز روی ارتباطات دیجیتالی و تکنولوژی های موجود سخت افزاری بحث کرده است. اندازه ارتباطات دیجیتالی با رادیو به خاطر کوچک بودن گره های حسگر، می بایست کوچک باشد. همچنین به خاطر این امر که ممکن است صدها یا هزاران گره حسگر پخش شود، رادیو باید ارزان باشد. استفاده مجدد از رادیو برای حس و ارتباطات می تواند هزینه و انرژی را به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش دهد. با لحاظ انرژی، رادیو باید کم مصرف باشد. فرضیات مهم باید زمانی که محل استفاده از سخت افزار تعیین شد، در نظر گرفته شود. اگر گره های حسگر به صورت انبوه پخش خواهند شد، احتمالا تداخل سیگنال امری غیرقابل اجتناب خواهد بود. هر گره حسگر می تواند نیروی انتقال را برای کاهش تداخلات کاهش دهد. به هر حال، نیاز به همگامی میان گره های حسگر وجود دارد. باید میان لینک و لایه های فیزیکی و همچنین میان گره های حسگر همگامی وجود داشته باشد. با همگام شدن می توان تداخلات ارتباطی را کمینه کرد. نهایتا اینکه رادیوهایی با قابلیت چند پخشی برای انتقال همزمان داده به چندین گره حسگر مفید خواهند بود. در این حالت تنها گره های حسگر مورد نظر باید اطلاعات را دریافت کنند.
سه کلاس از تکنولوژی های لایه فیزیکی بر پایه پهنای باند در WSN ها عبارتند از: narrow-band، spread-spectrum، و ultra-wideband. narrow-band از پهنای باند رادیویی که با نرخ سمبول کار می کند، استفاده می کند. narrow-band روی کارایی پهنای باند تمرکز دارد. کارایی پهنای باند معیار نرخ داده روی پهنای باند است. در spread-spectrum، سیگنال باریک روی یک سیگنال پهن پخش می شود. در این حالت از تابع پخش برای مشخص کردن مستقل بودن پهنای باند از پیغام استفاده می شود. spread-spectrum قادر به کاهش انرژی مصرفی با حفظ ارتباطات موثر می باشد. همچنین در برابر تداخلات و اختلالات کانال های چند-مسیره پایدار است. ultra-wideband در مقابل spread-spectrum، از پهنای باند بیشتری، در محدوده گیگاهرتز، استفاده می کند.ultra-wideband سگنال های خود را روی پهنای باند بزرگی منتشر می کند بطوری که تداخل با دیگر رادیوها ناچیز خواهد بود. ultra-wideband همانند spread-spectrum می تواند با انرژی کمی ارتباط برقرار کند. مرجع [۶۶] نشان می دهد که تکنولوژی های spread-spectrum نیازمندی های WSN را بهتر از تکنولوژی narrow-band برآورده می کنند. narrow-band کارایی پهنای باند را بهینه می کند در حالی که spread-spectrum و ultra-wideband یک سبک سنگینی میان پهنای باند و حفظ انرژی برقرار می کنند. سیستم های narrow-band نسبت به سیستم هایspread-spectrum در مقابل تداخلات، پایداری کمتری دارند. بسته به نوع spread-spectrum، همگامی می تواند مفید باشد و این بخاطر خصوصیات auto-correlation مربوط به دنباله شبه-تصادفی می باشد. سیستم های narrow-band برای انجام چند-پخشی طراحی نشده اند. در حالی که سیستم های spread-spectrum می توانند با استفاده از کدهای شبه-تصادفی مناسب، به این امر دست یابند. ultra-wideband دارای خصوصیات جذاب زیادی است، اما در مقایسه با spread-spectrum چالش ها و مسائل فراوانی دارد. برای فهم بهتر ultra-wideband نیاز به مطالعات بیشتری است.
کاهش مصرف انرژی در لایه فیزیکی نیازمند عملیات کم مصرف است. مصرف انرژی در لایه فیزیکی به خاطر انرژی مورد نیاز مدارات و ارتباطات است. ارسال کننده و دریافت کننده برای فعال نمودن مداراتشان نیاز به انرژی دارند. برای شروع یک فرستنده، میزان قابل توجهی زمان و انرژی لازم است. در برخی موارد انرژی راه اندازی بیش از انرژی مورد نیاز برای ارسال واقعی است. برای فرستنده ای که میان حالات خواب و بیداری سوئیچ می کند، معماری راه اندازی فرستنده سریعی برای کمینه کردن انرژی و زمان مورد نیاز است.
طرح مدولاسیون مورد استفاده یک رادیو می تواند روی انرژی مصرفی گره تاثیر بگذارد. بنابراین طرح های مدولاسیون کارا-از لحاظ انرژی برای کاهش انرژی مصرفی مورد نیاز است.
خوشه بندی در شبکه حسگر بی سیم
در بین پروتکل های خوشه بندی ارائه شده برای شبکه حسگر بیسیم، پروتکل خوشه بندی LEACH اهمیت ویژه ای بین محققین این حوزه پیدا کرده است. از دلایل اهمیت پیدا کردن این پروتکل خوشه بندی، می توان به ویژگی های خاصی تشکیل خوشه در این پروتکل اشاره نمود که عبارتند از:
-
تصادفی
-
تطبیقی
-
خودپیکربندی
خوشه بندی تصادفی
به این معنی که در هر دور (Round)، تعداد مشخصی از گره ها به صورت تصادفی خود را به عنوان سرخوشه انتخاب می کنند. نقش سرپرستی خوشه، از قبل برای گره های خاصی در نظر گرفته نمی شود.
خوشه بندی تطبیقی
گره هایی که در دور فعلی نقش سرخوشه را به عهده داشته اند، در دور بعدی دیگر نمی توانند برای بر عهده گرفتن این نقش، کاندید شوند. بنابراین انتخاب کاندیدهای سرپرستی خوشه در هر دور، با توجه به دور قبلی مشخص می شود. بدین ترتیب، انتظار می رود که پس از سپری شدن چند دور مشخص، تمامی گره ها حداقل یک مرتبه، به عنوان سرخوشه، انتخاب شده باشند. البته بعداً خواهیم دید که لزوماً این اتفاق نمی افتد.
خوشه بندی خودپیکربندی
گره های شبکه در این پروتکل خوشه بندی بدون کمک هر عامل خارجی و یا گرهی خاصی از شبکه، تشکیل خوشه می دهند. این موضوع به مقیاس پذیری پروتکل خوشه بندی لیچ (Leach) کمک می کند. همانطور که در ادامه خواهیم دید، تغییرات زیادی برای بهبود کارآیی پروتکل خوشه بندی leach توسط محققین انجام شده است. ولی متأسفانه در اکثر آنها این ویژگی از بین رفته است و یک گره خاصی وظیفه ی انتخاب سرخوشه ها را بر عهده می گیرد. این مسئله تأثیر منفی روی مقیاس پذیری شبکه می گذارد.
در پروتکل خوشه بندی LEACH یک سری قوانین کلی وجود دارد که برای آشنایی بیشتر با این پروتکل، به مرور این قوانین می پردازیم:
۱- در هر دور، تعداد مشخصی از گره ها به صورت تصادفی خود را به عنوان سرخوشه انتخاب می کنند. نقش سرخوشه بودن، از قبل برای گره های خاصی در نظر گرفته نمی شود.
۲- گره هایی که در دور فعلی نقش سرخوشه را به عهده داشته اند، در دور بعدی دیگر نمی توانند برای بر عهده گرفتن این نقش، کاندید شوند. بنابراین انتخاب کاندیدهای سرخوشه در هر دور، با توجه به دور قبلی مشخص می شود. بدین ترتیب، انتظار می رود که پس از سپری شدن چند دور مشخص، تمامی گره ها حداقل یک مرتبه، به عنوان سرخوشه ، انتخاب شده باشند. البته بعداً خواهیم دید که لزوماً این اتفاق نمی افتد.
۳- گره های شبکه در این پروتکل بدون کمک هر عامل خارجی و یا گره ی خاصی از شبکه، تشکیل خوشه می دهند. این موضوع به مقیاس پذیری این پروتکل کمک می کند. همانطور که در ادامه خواهیم دید، تغییرات زیادی برای بهبود کارایی این پروتکل توسط محققین انجام شده است. ولی متأسفانه در اکثر آنها این ویژگی از بین رفته است و یک گره خاصی وظیفه ی انتخاب سرخوشه را بر عهده می گیرد. این مسئله تأثیر منفی روی مقیاس پذیری شبکه می گذارد.۴- انتقال اطلاعات از گره های یک خوشه به سرخوشه و از سرخوشه ها به ایستگاه پایه با کنترل محلی انجام می شود و نیازی به کمک یک عامل خارجی و یا گرهی خاصی در شبکه برای انتقال اطلاعات نیست.
۵- پروتکل MAC استفاده شده در LEACH با فراهم آوردن ویژگی Sleep برای مصرف انرژی، به مقدار مناسبی در مصرف انرژی گره ها صرفه جویی می کند.
۶- پکت هایی که در پروتکل LEACH بین گره های حسگر رد و بدل می شود، دارای یک فیلد برای تعیین نوع پکت هستند که برای تصمیم گیری در مورد نحوه برخورد با پکت های مختلف از این فیلد استفاده می شود.
۷- در پروتکلLEACH زمان به قسمت هایی با طول مساوی به نام دور (Round) تقسیم میشود. هر دور نیز از لحاظ اجرایی، به دو فاز تقسیم می شود:
-
- فاز۱- راه اندازی (Set-up)
- فاز۲- حالت پایدار (Steady-State)
فاز راه اندازی نیز خود به دو مرحله تقسیم می شود.
- مرحله انتخاب سرخوشه
- مرحله تشکیل خوشه
۸- در مرحله انتخاب سرخوشه، گره ها به صورت تصادفی و بر اساس یک تابع احتمال، سرخوشه می شوند.
۹- در مرحله تشکیل خوشه نیز گره ها درخواست عضویت خود را به سرخوشه ها ارسال می کنند تا سرخوشه ها بر اساس یک سری معیارها، اعضای خود را انتخاب کنند.
منابع
- Yick, J., B. Mukherjee, and D. Ghosal, Wireless sensor network survey. Computer Networks, 2008. 52(12): p. 2292-2330.
- مقاله رسمی پروتکل LEACH
ترجمه و تألیف: علوم نوین امیرکبیر
مثال و پروژه های آموزشی
شبیه سازی پروتکل leach در NS2
ابزارهای شبیه سازی شبکه حسگر
محیط شبیه سازی شبکه حسگر در NS2
دانلود مقاله های شبکه حسگر بی سیم
- افزایش قابلیت اطمینان در تجمیع داده شبکه حسگر بی سیم
- بهبود الگوریتم مکان یابی تخمین نقطه درون مثلث (اپیت) در شبکه های حسگر بی سیم
- رهیافتی برای تشخیص حملۀ سیبِل در شبکه های حسگر بیسیم
- جایگذاری مجدد سرخوشه ها در شبکه های حسگر بی سیم با استفاده از الگوریتم ژنتیک
- بهبود مسیریابی شبکه های حسگر بیسیم با کمک الگوریتم بهینه سازی مورچه ها
پیشنهادات آموزشی
آموزش شبکه های حسگر بی سیم در اینجا به پایان رسید. اکنون برای شبیه سازی شبکه های حسگر، نیاز به یادگیری شبیه سازی پروتکل های شبکه با NS2 دارید. پیشنهاد ما دوره آموزشی زیر است:
درباره مجید شبیری
کارشناس ارشد فناوری اطلاعات از دانشگاه صنعتی امیرکبیر. مدیر و مؤسس "علوم نوین امیرکبیر"، متخصص برنامه نویسی، شبکه، لینوکس و امنیت. از سال 84 همزمان با شروع تحصیلات دانشگاهی، وارد حوزه تخصصی مهندسی نرم افزار شدم و اکنون مشغول تحقیق، توسعه و آموزش در حوزه بلاک چین هستم و معتقدم بلاکچین به زودی فضای کسب و کارها را منقلب خواهد کرد.
نوشته های بیشتر از مجید شبیری
دیدگاهتان را بنویسید