شبکه های حسگر بی سیم:
از انواع شبکه های اقتضایی می توان به شبکه های حسگر بی سیم اشاره کرد که شامل تعدادی حسگر است که در یک ناحیه ی جغرافیایی توزیع شده اند. هر حسگر دستگاه الکتریکی با قابلیت ارتباط بی سیم، پردازش سیگنال، منبع توان، حافظه محدود، فرستنده و گیرنده رادیویی و امکان اندازه گیری پارامترهایی مثل حرارت، سرعت، نور، ارتعاش، فشار، رطوبت و سیستم مکان یابی جهانی می باشد. گره های حسگر، حس و ارزیابی اطلاعات را از محیط زیست بر اساس فرایندهای تصمیم گیری محلی بدست می آورند. هرگره به طور مستقل کار می کند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیت هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه و منبع تغذیه می باشد. این شبکه‌ها شامل مجموعه‌ای از گره‌های توزیع شده‌اند که بدون پشتیبانی مدیریت مرکزی یک شبکه ی موقت را می‌سازند. طبیعی‌ترین مزیت استفاده از این شبکه‌ها عدم نیاز به ساختار فیزیکی و امکان ایجاد تغییر در ساختار آنهاست ]۱[.
تعداد گره های حسگر در یک شبکه حسی می توانند چندین برابر ترمینال های شبکه اقتضایی باشد. چگالی پیاده سازی شبکه های حسگری بسیار زیاد است. گره های حسگر در معرض حملات زیادی قرار دارند گره­ های حسگر عمدتا از الگوی مخابرات همه پخشی استفاده می کنند در صورتی که اکثر شبکه‏ های اقتضایی بر مبنای مخابرات نقطه به نقطه هستند.

انواع شبکه های حسگر بی سیم بر اساس استقرار:
شبکه های حسگر بی سیم بر مبنای استقرار گره ها به دو نوع استاتیکی و دینامیکی تقسیم می شوند. در حالت استاتیکی، گره ها در محیط مستقر می شوند و سپس بدون اینکه حرکتی داشته باشند، سنجش موارد مورد نیاز را از محیط انجام می دهند اما در حالت دینامیکی گره ها در حال حرکت به مقوله ی سنجش محیط می پردازند]۲[ و ]۳[.

کاربردهای شبکه حسگر بی سیم:
کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم می شوند. سیستم های ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیده بانی، میدان مین هوشمند و سیستم های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی می توان به سیستم های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند، اشاره کرد. محیط های هوشمند برای افراد سالخورده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربرد های آن است. کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل می شود مانند سیستم های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش سوزی (درجنگل)، تشخیص آلودگی های زیست محیطی از قبیل آلودگی های شیمیایی، میکروبی، هسته ای، سیستم های ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده های طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل، تحقیق در مورد زندگی گونه های خاص از گیاهان و جانوران و امثال آن. در برخی از کاربردها نیز شبکه حسگر به عنوان گروهی از روبوت های کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می دهند استفاده می شود ]۱[ ، ]۲[ و ]۳[ .

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگری، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره‌های حسگری است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گره‌ای که مسئول پردازش و نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را ارسال می‌کند. با این که هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می‌کند. ‌در واقع قدرت شبکه‌های حسگر بی سیم در توانایی به‌کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند. شبکه‌های حسگر با انگیزه استفاده در کاربردهای نظامی مانند نظارت بر میدان جنگ، توسعه پیدا کردند. اما امروزه شبکه‌های حسگر بی سیم در صنعت و بسیاری از مقاصد غیر نظامی استفاده می‌شوند، از جمله نظارت و کنترل فرآیندهای صنعتی، نظارت بر سلامت دستگاه ها، نظارت بر محیط و یا خانه، کاربردهای مراقبت از سلامتی، خانه‌های هوشمند و کنترل ترافیک ]۲[ و ]۳[.

مزایای شبکه های حسگر بی سیم:
سرعت توسعه آن زیاد است. به سادگی و با صرف هزینه پایین قابل پیاده سازی می باشند. مانند سایر شبکه های بی سیم، به زیر ساخت نیاز ندارد و پیکر بندی خودکار دارند. هر یک از ایستگاه ها به عنوان یک مسیریاب نیز ایفای نقش می کنند. انعطاف پذیر بودن شبکه ی حسگر بی سیم “به عنوان مثال، دسترسی به اینترنت از نقاط مختلف موجود در محدوده تحت پوشش شبکه امکان پذیر است.". دو ایستگاه موجود در شبکه می توانند به طور مستقل از دیگر ایستگاه ها، با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و به انتقال اطلاعات بپردازند]۲[.

معایب شبکه های حسگر بی سیم:
مباحث مربوط به مصرف انرژی و توان یکی از عوامل محدود کننده در استفاده از این شبکه است. نحوه ی استقرار حسگرها برای سنجش محیط نیز دارای مشکلات خاص خودش می باشد که باید برای حل آن چاره اندیشی کرد. حافظه ی محدود گره ها نیز یکی دیگر از عوامل مشکل زای شبکه حسگر بی سیم می باشد]۲[.

ساختمان گره های شبکه:
ساختمان داخلی هر گره از واحد حسگر، کارانداز، واحد پردازش داده ها، واحد فرستنده گیرنده بی سیم و منبع تغذیه تشکیل شده است. بخش های اضافی شامل واحد متحرک ساز، سیستم مکان یاب و تولید توان نیز ممکن است بسته به کاربرد در گره ها وجود داشته باشد.
واحد حسگر: این واحد شامل یک سری حسگر و مبدل آنالوگ به دیجیتال است که اطلاعات آنالوگ را از حسگر گرفته و به صورت دیجیتال به پردازنده تحویل می دهد.
واحد کارانداز: شامل کارانداز و مبدل دیجیتال به آنالوگ می باشد. فرامین دیجیتال را از پردازنده گرفته و به کارانداز تحویل می دهد.
واحد پردازش داده: شامل یک پردازنده ی کوچک و یک حافظه با ظرفیت محدود است. داده ها را از حسگرها گرفته و بسته به کاربرد، پردازش محدودی روی آن ها انجام می دهد و از طریق فرستنده ارسال می کند. واحد پردازش مدیریت هماهنگی و مشارکت با سایر گره ها در شبکه را انجام می دهد.
واحد فرستنده گیرنده: واحد فرستنده گیرنده ارتباط گره با شبکه را برقرار می کند.
واحد تامین انرژی : توان مصرفی تمام بخش ها را تامین می کند. اغلب یک باتری با انرژی محدود است. محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه های حسگر، همه چیز را تحت تاثیر قرار می دهد. در کنار این بخش ها ممکن است واحدهایی برای تولید انرژی مثل سلول های خورشیدی وجود داشته باشد. در گره های متحرک، واحدی برای متحرک سازی وجود دارد.
اهداف کلی طراحی شبکه:
اولین و مهمترین هدف طراحی شبکه ی حسگر بی سیم افزایش دوره ی حیات شبکه است. دومین هدف شامل اهداف سطح بالا می باشد که همان مقیاس پذیری و استحکام و سادگی طراحی شبکه می باشند. هدف سوم مربوط به اهداف کیفیت سرویس می باشد که شامل اتصال شبکه و پوشش حسی و نسبت تحویل داده، کیفیت نظارت، زیرکی و مصرف انرژی بهینه می باشد.
در شکل ۱-۲ اهداف طراحی شبکه حسگر بی سیم نشان داده شده است.
شکل ۱-۲: اهداف طراحی شبکه حسگر بی سیم ]۲[
۱-۹) 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 پیکربندی آنها می باشد. در بعضی موارد، باتری موجود در گره 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 روش های متفاوتی مورد نیاز می باشد. به همین دلیل گره 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 شود کاملا 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 گره ی مورد نظر در مورد پدیده مشاهده شده می باشد.
سادگی: به دلیل کوچک بودن گره ها و محدود بودن انرژی، نرم افزار مورد استفاده در سطح شبکه و گره 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 گره های حسگر به صورت متراکم در کنار هم قرار گرفته باشند، گره 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 شود پایین می آید.
یکی از مهمترین محدودیت های موجود در گره های شبکه های حسگر، کمبود منابع انرژی است. گره 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. گره 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.
۱-۱۰) نتیجه گیری فصل اول:
در این فصل به صورت اجمالی با شبکه ی حسگر بی سیم آشنا شدیم. به نظر می‌رسد که شبکه‌های WSN کلاس جدیدی از شبکه‌های مخابراتی را به ما معرفی کرده‌اند. این شبکه‌ها به ما این قدرت را می‌دهند که بفهمیم در یک محیط فیزیکی که حتی حضور انسانی ممکن نیست، چه می‌گذرد. این توانمندی مهم و منحصر به فرد با ترکیب قابلیت‌های حسگرهای الکترونیکی و فناوری‌های پیشرفته شبکه‌های مخابراتی حاصل شده است. البته پیشرفت‌های بیشتر در این حوزه منوط به انجام تحقیقات بیشتر مخصوصا در حوزه استانداردسازی و مباحث اقتصادی است. هرچند امروزه تولید انبوه و ارزان‌ قیمت تراشه‌های الکترونیکی ممکن شده است؛ اما در حال حاضر برای تولید و ایجاد شبکه‌ای کم هزینه برای کاربرد‌های صنعتی و کشاورزی و نیز توسعه بازار تجاری آن به تلاش‌های بیشتری نیاز است.
همان طور که در اهداف کلی طراحی شبکه اشاره کردیم یکی از اهداف مهم، پوشش حسی شبکه می باشد که این مهم به طور مستقیم و غیر مستقیم با اهداف ذکر شده ی دیگر در ارتباط است. در فصول بعدی به مسئله ی پوشش و ارتباطش با دیگر مسائل مربوط به طراحی شبکه می پردازیم.
فصل دوم: مسئله ی پوشش^[۴] در شبکه های حسگر بی سیم
در این فصل به مفهوم پوشش و انواع تقسیم بندی آن پرداخته می شود و شعاع های حسی و مخابراتی گره ها معرفی می گردد و به تفاوت مفاهیم پوشش و اتصال در شبکه های حسگر بی سیم و به مسئله ی حفره ی پوششی و شبکه ی نامتصل و متصل اشاره می شود.
۲-۱) پوشش چیست؟
یکی از مسائلی که در مورد شبکه‌های حسگر مطرح می‌باشد، چگونگی پوشش دادن محیط توسط حسگرها است. مسئله ی پوشش حول یک سوال اساسی تشکیل می شود: چگونگی مشاهده ی فیزیکی فضا توسط حسگرها. محیط وقتی توسط حسگرها پوشش داده می شود که در محدوده ی شعاع حسی گره ها قرار بگیرد. تقسیم بندی های متفاوتی در مورد پوشش شبکه‌های حسگر بیان شده است و هرکدام از یک دید خاص روش ها را تقسیم کرده اند ]۳[.
۲-۲) تقسیم بندی اول انواع پوشش: