با توجه به اینکه مکان حسگرها از قبل در شبکه مشخص نمی باشد، وجود یک پروتکل مناسب مسیریابی برای انتقال اطلاعات بسیار مورد نیاز است. این پروتکل باید توانایی این را داشته باشد که به صورت تطبیقی بتواند عملیات مسیریابی را انجام دهد

(( 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. ))

در حالت کلی انتظار میرود که قراردادهای مسیریابی سه عملکرد را درشبکه پیاده سازی کنند.تعیین و تشخیص تغییرات توپولوژی (مثلا خرابی و از کارافتادگی بعضی از گره ها) ، برقراری اتصالات در شبکه و محاسبه ویافتن مسیرهای مناسب.
درحال حاضر تلاشهای زیادی برای طراحی قراردادهای مسیریابی جدید و خاص برای شبکه های حسگر در حال انجام است، زیرا قراردادهایی که برای شبکه های دیگر طراحی شده اند قابلیت انطباق کامل با شبکه های حسگر را ندارند.
۱-۵-۲ انرژی محدود
مهمترین مساله چالش در شبکه های حسگر، انرژی محدود است.
گره های حسگر معمولا انرژی مورد نیاز خود را توسط یک یا چند عدد باتری تامین میکنند. در بسیاری از کاربردها، امکان دسترسی به این گره ها جهت تعویض باتری وجود ندارد و یا اینکار مقرون به صرفه نیست. مثلا مواقعی که تعداد زیادی از این گره ها در یک منطقه وسیع جغرافیایی مثل جنگل و دریا و یا در یک منطقه خطرناک مثل منطقه جنگی توزیع شده اند.
بسیاری از تلاشهای تحقیقاتی با هدف صرفه جویی در مصرف انرژی از جنبه های مختلف ، در حال انجام است.
در شبکه های حسگر، انرژی معمولا به سه منظور اصلی مصرف میشود:[۹]
انتقال داده
پردازش سیگنال
عملیات سخت افزاری
با توجه به اینکه پرمصرف ترین بخش مربوط به انتقال اطلاعات است ، در طراحی پروتکل ها سعی می شود که تا آنجایی که امکان دارد ابتدا با بهره گرفتن از پردازش اطلاعات حجم اطلاعات مورد نظر برای انتقال کاهش داده شود.
همان طور که در شکل زیردیده می شود ، ارتباطات نیاز به انرژی مصرفی بیشتری نسبت به پردازش دارند که این موضوع، اهمیت پروتکل های ارتباطی (مسیریابی) را به خوبی روشن می کند.
شکل ۱ -۳ : انرژی مصرفی حسگرها در ارسال و پردازش داده
۱-۵-۳ مقیاس پذیری
گاهی تعداد گره های موجود در یک شبکه حسگر به چند ده هزار میرسد.به همین خاطر مقیاس پذیری دراین شبکه ها از اهمیت زیادی برخوردار است . مقیاس پذیری در یک شبکه حسگر به عوامل مختلفی از جمله الگوریتم مسیریابی ، تعداد Sink ها، سخت افزار مورد استفاده و الگوی ترافیکی شبکه بستگی دارد.
۱-۵-۴ زمان تاخیر
در بسیاری از موارد زمان رسیدن اطلاعات از یک گره به گرهSink از اهمیت زیادی برخوردار است.در برخی از کاربردها مانند کاربردهای بلادرنگ باید بازه زمانی مشخص برای رسیدن بسته تضمین شود.
۱-۵-۵ هزینه پایین
هزینه پایین تولید گره های حسگر استفاده از این شبکه ها را در بسیاری از کاربردها میسر میسازد.اصولا فلسفه وجودی شبکه های حسگر استفاده از تعداد زیادی گره حسگر ارزان قیمت به جای استفاده از تعدادکمی حسگر گرانقیمت است. استفاده از تعداد زیادی حسگر ارزان قیمت با قابلیت های محدود مزایای بیشتری نسبت به استفاده از تعداد کمی حسگر گران قیمت با قابلیت های زیاد دارد.
از جمله این مزایا میتوان به دقت سنجش ، پوشش بهتر و مقاومت در مقابل خرابی اشاره کرد.
۱-۵-۶تحمل پذیری خطا
گره های موجود در یک شبکه حسگر، ممکن است به دلایل مختلف از شبکه خارج شوند.از دلایل عمده میتوان به اتمام منبع تغذیه و خرابی فیزیکی گره حسگر اشاره کرد.شبکه های حسگر باید بتوانند دربرابر انواع خرابی مقاوم بوده بعد از تخریب برخی از گره ها در شبکه همچنان به کار خود ادامه دهند.
۱-۵-۷ امنیت
حفظ امنیت داده ها در شبکه های حسگر از پیچیدگی خاصی برخوردار است.در بسیاری از موارد مثل در یک منطقه جنگی ، تامین امنیت فیزیکی گره های حسگر نا ممکن است. علاوه براین گره های حسگر عموما بصورت بیسیم با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند و این در حالیست که شبکه های بیسیم مشکلات بسیاری در زمینه امنیت دارند. همه اینها در شرایطی است که منابع لازم ، همچون قدرت پردازشی و حافظه ، برای رمز نگاری و رمز گشایی در گره های حسگر بسیار محدود است.
به همین دلیل سه فاکتور امنیتی محرمانگی ، جامعیت و نفوذ ناپذیری در این نوع شبکه ها در خطر است. کارهای انجام شده در زمینه امنیت هنوز در مراحل اولیه خود است و هنوز راه طولانی برای رسیدن به نقطه ای قابل قبول در پیش است.
۱-۶ صرفه جویی در مصرف انرژی در شبکه های حسگر
هر حسگر حدودا بین ۱۰۰ تا ۱۲۰ ساعت با یک باتری AAA در حالت فعال^[۴] کار میکند[۴۰].
از آنجا که معمولا تعداد زیادی حسگربسیار ظریف در نواحی دور دست ، خود کار^[۵] و یا خصومت آمیز مورد استفاده قرار میگیرند امکان شارژ مجدد و یا تعویض باتری آنها وجود تدارد.
این امر به همراه این نکته که گنجایش باتری ها هر ۳۵ سال تنها دوبرابر میشود[۴۱] اهمیت روش های صرفه جویی در مصرف انرژی را بهتر نشان میدهد. از آنجا که معمولا از شبکه های حسگر انتظار میرود که چندین ماه تا یکسال عمر کنند(بدون شارژ مجدد) [۱۸][۲۱]صرفه جویی در انرژی از مهمترین نکات در طراحی وپیاده سازی پروتکل ها در شبکه های حسگر میباشد.
از سوی دیگر توانایی حسگر در جمع آوری داده بستگی به کیفیت اتصال^[۶] آن به سایر حسگرها و پوشش^[۷] آن بر ناحیه دارد. روش های صرفه جویی انرژی معمولا بر کیفیت اتصال و پوشش حسگر ها تاثیر منفی میگذارند. از سوی دیگر باید برنامه ها در شبکه های حسگر در برابر وقوع خطا مقاومت داشته باشند که این امر نیز از این روشها تاثیر منفی میپذیرد.
از روش های رایج در جهت صرفه جویی در انرژی و حداکثر سازی طول عمر شبکه ، غیر فعال کردن تعدادی از گره ها و فعال نگه داشتن تعدادی دیگر برای اجرای وظایف جمع آوری داده و ارتباطات میباشد.
هنگامیکه یک حسگر غیر فعال میشود تمامی قسمتهای آن غیر از یک تایمر با مصرف پایین انرژی برای فعال سازی مجدد آن از کار می افتند[۴۲]. بنابراین مصرف انرژی در حسگر تنها در صد کوچکی از مصرف آن در حالت فعال میباشد.
روش های گوناگونی برای زمانبندی فعالیت گره ها ارائه شده اند که در لایه های مختلف شبکه فعالیت گره ها را زمانبندی میکنند.برای مقایسه این روشها لازم است پیش فرضها و شرایط در نظر گرفته شده در هر روش را مد نظر قرار دهیم.
هریک از روش های ارائه شده برای صرفه جویی در انرژی پیش فرضها و هدفهای گوناگونی دارند.
برای برخی از کاربردها سرعت انتقال داده مهم است و برای برخی دیگر انتقال بدون خطا ، برخی برای شبکه های با توزیع تصادفی طراحی شده اند و برخی برای شبکه های با توزیع دستی،….
با توجه به این نکات، لازم است که پیش فرضها و اهدافی که باعث تفاوت در روش های گوناگون ارائه شده برای حداکثرسازی عمر شبکه میشوند را مطرح و طبقه بندی کنیم.
۱-۶-۱ پیش فرضهای طراحی
از آنجاکه روش های مورد بررسی سعی در صرفه جویی در مصرف انرژی دارند ، دو فرض در بین تمامی آنها مشترک است:
هر حسگر منبع انرژی محدودی دارد.
حسگرها قرار است برای مدت زیادی فعالیت کنند.
در این قسمت به مقایسه طراحی های مختلف که منعکس کننده ساختارهای مختلف شبکه^[۸] ، روش های مختلف به کار اندازی^[۹] و قابلیت های مختلف حسگر^[۱۰]ها میباشد، میپردازیم.
ساختار شبکه:شبکه میتواند مسطح یا غیر سلسله مراتبی باشد به این معنی که همه حسگرها نقش یکسان و کارایی یکسان در شبکه دارند. در مقابل ممکن است که شبکه سلسله مراتبی باشد . به عنوان مثال در شبکه های حسگر با هدف تجسس و یا ردگیری^[۱۱] ، برخی گره ها مسئولیت ترکیب داده ها را به عهده میگیرند. این گره ها داده ها و گزارشهای سایر گره ها ی موجود در همسایگی شان را جمع آوری کرده و تشخیص میدهند که آیا شیئ ای کشف شده است یا نه و نتیجه حاصل را به مرکز اطلاع میدهند.به این نوع ساختار معمولا ساختار خوشه ای^[۱۲] و یا بر پایه نگهبان^[۱۳] گفته میشود که در آن سرگروه ها نقش مهمتری نسبت به سایر گره ها ایفا میکنند.بسیاری از روش های مورد بحث فرض خود را بر خوشه بندی بودن ساختار شبکه حسگر قرار میدهند[۴۲].
روش های مختلف به کار اندازی:کارایی شبکه حسگر و پوشش حسگر میتواند تحت تاثیر طرز اولیه چیدمان آنها قرار بگیرد.به عنوان مثال گره ها ممکن است که توسط یک هواپیمای در حال پرواز برروی منطقه تحت نظر ریخته شوند ویا ممکن است به صورت دستی در محل خود قرار داده شوند که در سناریوی اول توزیع گره ها تصادفی میباشد. بسیاری از روشها فرض میکنند که حسگرها توزیع یکنواخت تصادفی را در منطقه تحت نظر دنبال میکنند[۲۱][۲۵]. برخی از روشها بصورت مستقیم این فرض را بیان نمیکنند ولی در صورتیکه این فرض برقرار باشد ، برخی از روشها توزیع را پواسون دوبعدی در نظر میگیرند.برخی دیگر توزیع را توری در نظر میگیرند.[۱۸]اکثر روشها در نظر میگیرند که تعداد گره هایی که در یک ناحیه به کار گرفته شده اند از تعداد مورد نیاز برای انجام کار بیشتر است و بنابراین میتوان تعدادی از آنهارا خاموش کرد.(حتی در برخی در نظر گرفته میشود که مرتبه بزرگی تعداد گره های بکار رفته یک مرتبه بیشتر ازتعداد مورد نیاز است.)این چگالی ، بالا در نظر گرفته میشود.
مدلهای کشف: اکثر روش های مورد بحث در نظر میگیرند که در صورتیکه شئی در محدوده پوشش حسگر باشد حتما این شی کشف خواهد شد. به بیانی دیگر کشف شی قطعی میباشد.در مواردی برای کشف شئ احتمالاتی در نظر گرفته شده است که در آن احتمال کشف تابعی از فاصله حسگر از شئ میباشد.
محدوده حسگر: محدوده حسگر معمولا یک ناحیه دایره ای و یا یک کره سه بعدی به مرکزیت حسگر میباشد.به علاوه معمولا محدوده حسگرها مساوی در نظر گرفته میشود.برخی از روش های ارائه شده قابل کاربرد در هرگونه ناحیه محدب و غیر یکنواخت(ولی قطعی) قابل استفاده هستند.[۳۹]
دامنه ارسال^[۱۴]: روش های گوناگونی در نظر میگیرند که حسگر قادر است با تغییر قدرت ارسال رادیویی خود به دامنه های ارسال متفاوتی دست پیدا کند [۲۵][۴۲].برخی از انواع گره ها مانندMICA2 درجات مختلفی از دامنه های ارسال را فراهم میکنند[۴۳].