شنبه 26 آبان 1397 | Saturday 17 th of November 2018 صفحه اصلی گروه الکترونیکی کامپیوتر
2-1 پارامترهای موثر در شبکه حسگر بیسیم]اسماعیلی 87[ و [Akyildiz 02]

طراحی یک شبکه تحت تأثیر فاکتورهای متعددی است. این فاکتورها عبارتند از: تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری، محدودیت‌های سخت‌افزاری، محیط انتقال، مصرف توان و … که در زیر به شرح ان¬ها می‌پردازیم.
تحمل خرابی :
برخی از گره‌های حسگری ممکن است از کار بیفتند یا به دلیل پایان توانشان، عمر ان¬ها تمام شود، یا اسیب فیزیکی ببینند و از محیط تأثیر بگیرند. از کار افتادن گره‌های حسگری نباید تأثیری روی کارکرد عمومی شبکه داشته باشد. بنابراین تحمل خرابی را "توانایی برقرار نگه داشتن عملیات شبکه حسگر علی‌رغم از کار افتادن برخی از گره‌ها" تعریف می‌کنیم. ‌در واقع یک شبکه حسگر خوب با از کار افتادن تعدادی از گره‌های حسگری، به سرعت خود را با شرایط جدید (تعداد حسگرهای کمتر) وفق داده و کار خود را انجام می‌دهد.
هزینه تولید :
 از انجایی که شبکه‌های حسگری از تعداد زیادی گره‌های حسگری تشکیل شده‌اند، هزینه یک گره در براورد کردن هزینه کل شبکه بسیار مهم است. اگر هزینه یک شبکه حسگری گران‌تر از هزینه استفاده از شبکه‌های مشابه قدیمی باشد، در بسیاری موارد استفاده از ان مقرون به صرفه نیست. در نتیجه قیمت هر گره حسگری تا حد ممکن باید پایین نگه داشته¬شود.
تنگناهای سخت¬افزاری :
 هرگره ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد باید بحد کافی کوچک، سبک و کم حجم نیز باشد بعنوان مثال در برخی کاربردها گره باید به کوچکی یک قوطی کبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یک سانتیمتر مکعب است و از نظر وزن انقدر باید سبک باشد که بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار کم، قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. این¬ها همه محدودیت¬هایی است که کار طراحی و ساخت گره های حسگر را با چالش مواجه میکند. ارائه طرح¬های سخت¬افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بیسیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فن¬اوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در کاهش تنگناهای سخت¬افزاری خواهد داشت.
توپولوژی شبکه حسگر  :
 توپولوژی ذاتی شبکه حسگر توپولوژی گراف است. بدلیل اینکه ارتباط گره ها  بیسیم و بصورت پخش همگانی است و هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد ان قرار دارد ارتباط دارد. الگوریتم¬های  کارا در جمع¬اوری داده  و کاربردهای ردگیری اشیاء، شبکه را درخت پوشا در نظر می گیرند.  چون ترافیک اصولا بفرمی است که داده¬ها از چند گره به سمت یک گره حرکت می-کند. مدیریت توپولوژی باید با دقت انجام شود. یک مرحله اساسی مدیریت توپولوژی راه¬اندازی اولیه شبکه است. گره¬هایی که قبلا هیچ ارتباط اولیه¬ای ندشته¬اند در هنگام جایگیری و شروع بکار اولیه باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. الگوریتم¬های مدیریت توپولوژی در راه¬اندازی اولیه باید امکان عضویت گره¬های جدید و حذف گره¬هایی که بدلایلی از کار می¬افتند را فراهم کنند. پویایی توپولوژی از خصوصیات شبکه¬های حسگر است که امنیت ان را به چالش می¬کشد. ارائه روش¬های مدیریت توپولوژی پویا بطوری که موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است که جای کار زیادی دارد.
قابلیت اطمینان :
 هر گره ممکن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار بکلی نابود شود یا در اثر تمام شده منبع انرژی از کار بیفتد. منظور از تحمل¬پذیری یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گره¬ها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تاثیر قرار دهد. در واقع می¬خواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یک شبکه قابل اطمینان بسازیم. Rk(t) یک گره¬ی حسگر با توزیع پواسون مدل¬سازی شده¬است:


 


مقیاس¬پذیری :
 شبکه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراکندگی گره¬ها، مقیاس پذیر باشد. بعبارت دیگر شبکه حسگر از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیون¬ها گره کار کند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گره¬ها را نیز پشتیبانی کند. در بسیاری کاربردها توزیع گره¬ها اتفاقی صورت می¬گیرد و امکان توزیع با چگالی مشخص و یکنواخت وجود ندارد یا گره¬ها در اثر عوامل محیطی جابجا می¬شوند. بنابراین چگالی باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر کند. موضوع مقیاس¬پذیری به روش¬ها نیز مربوط می¬شود برخی روش¬ها ممکن است مقیاس¬پذیر نباشد یعنی در یک چگالی یا تعداد محدود از گره کار کند. در مقابل برخی روش¬ها مقیاس پذیر هستند.
قیمت تمام شده:
 چون تعداد گره ها زیاد است کاهش قیمت هر تک گره اهمیت زیادی دارد. تعداد گره¬ها گاهی تا میلیون¬ها می¬رسد. در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم تاثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.
شرایط محیطی :
 طیف وسیعی از کاربردهای شبکه¬های حسگر مربوط به محیط¬هایی می¬شود که انسان نمی¬تواند در ان حضور داشته¬باشد. مانند محیط¬های الوده از نظر شیمیای، میکروبی، هسته¬ای و یا مطالعات در کف اقیانوس¬ها و فضا و یا محیط¬های نظامی بعلت حضور دشمن و یا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار ان¬ها می¬شود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گره¬ها در نظر گرفته¬ شود مثلا در دریا و محیط¬های مرطوب گره حسگر در محفظه¬ای که رطوبت را منتقل نکند قرار می¬گیرد.
رسانه ارتباطی :
 در شبکه¬های حسگر ارتباط گره¬ها بصورت بیسیم و از طریق رسانه رادیویی، مادون قرمز، یا رسانه¬های نوری دیگر صورت می¬گیرد. اکثرا از ارتباط رادیویی استفاده می¬شود. البته ارتباط مادون قرمز ارزانتر و ساختنش اسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل می¬کند.
توان مصرفی گره ها :
 گره¬های شبکه حسگر باید توان مصرفی کم داشته¬باشند. گاهی منبع تغذیه یک باتری 2/1 ولت با انرژی 5/. امپر ساعت است که باید توان لازم برای مدت طولانی مثلا 9 ماه را تامین کند. در بسیاری از کاربردها باتری قابل تعویض نیست. لذا عمر باطری عملا عمر گره را مشخص می¬کند. بعلت اینکه یک گره علاوه بر گرفتن اطلاعات(توسط حسگر) یا اجرای یک فرمان(توسط کارانداز) بعنوان رهیاب  نیز عمل می¬کند بد عمل کردن گره  باعث حذف ان از توپولوژی شده و سازماندهی مجدد شبکه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت. در طراحی سخت¬افزار گره¬ها استفاده از طرح¬ها و قطعاتی که مصرف پایینی دارند و فراهم کردن امکان حالت خواب برای کل گره یا برای هر بخش بطور مجزا مهم است.
افزایش طول عمر شبکه حسگر بیسیم :
 یک مشکل این است که عمر شبکه¬های حسگر نوعاً کوتاه است. چون طول عمر گره¬ها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر ان گاهی موقعیت ویژة یک گره در شبکه مشکل را تشدید می¬کند مثلاً در گره¬ای که در فاصله¬ی یک قدمی چاهک  قرار دارد از یک طرف بخاطر بار کاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست می¬دهد و از طرفی از کار افتادن ان باعث قطع ارتباط چاهک با کل شبکه می¬شود و از کار افتادن شبکه می¬شود. برخی راه حل¬ها به ساختار برمی-گردد  مثلا در مورد مشکل فوق استفاده از ساختار خودکار راهکار مؤثری است. بعلت اینکه در ساختار خودکار بیشتر تصمیم گیری¬ها بطور محلی انجام می¬شود ترافیک انتقال از طریق گره بحرانی کم شده، طول عمر ان و در نتیجه طول عمر شبکه افزایش می¬یابد. مشکل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گره¬های نواحی کم تراکم در توزیع غیر یکنواخت گره¬ها نیز صدق می¬کند. در اینگونه موارد داشتن یک مدیریت توان در داخل گره¬ها و ارائه راه حل¬های توان¬اگاه  بطوری که از گره¬های بحرانی کمترین استفاده را بکند مناسب خواهد بود. این نوعی به اشتراک گذاری منابع محسوب می-شود لذا در صورت داشتن مدیریت وظیفه و مدیریت توان مناسب توزیع با چگالی زیاد گره¬ها در میدان حسگر/ کارانداز طول عمر شبکه را افزایش می¬دهد. ارائه الگوهای ساختاری مناسب و ارائه روش¬های مدیریتی و الگوریتم¬های توان¬اگاه با هدف افزایش طول عمر شبکه حسگر از مباحث مهم تحقیقاتی است.
ارتباط بلادرنگ  و هماهنگی :
در برخی کاربردها مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش اتش سوزی یا سیستم پیش¬گیری از سرقت سرعت پاسخگویی شبکه اهمیت زیادی دارد. در نمایش بلادرنگ فشار بر روی مانیتور بسته¬های ارسالی باید بطور لحظه¬ای روزامد باشند. برای تحقق بلادرنگ، یک روش این است که برای بسته¬های ارسالی یک ضرب¬العجل تعیین شود و در لایه کنترل دسترسی رسانه بسته¬های با ضرب¬العجل کوتاهتر زودتر ارسال شوند. مدت ضرب¬العجل به کاربرد بستگی دارد. مسئله¬ی مهم دیگر تحویل گزارش رخدادها به چاهک، یا کارانداز ناحیه، به ترتیب وقوع ان¬هاست در غیر این صورت ممکن است شبکه واکنش درستی انجام ندهد. نکته دیگر هماهنگی کلی شبکه در ارتباط با گزارش¬هایی است که در مورد یک رخداد از حسگرهای مختلف به کاراندازهای ناحیه مربوطه داده-می¬شود. بعنوان مثال در یک کاربرد نظامی فرض کنید حسگرهایی جهت تشخیص حضور یگان¬های پیاده دشمن و کاراندازهایی جهت نابودی ان در نظر گرفته شده چند حسگر حضور دشمن را به کار اندازها اطلاع می¬دهند شبکه باید در کل منطقه، عملیات را به یکباره شروع کند. در غیر این-صورت با واکنش اولین کارانداز، سربازان دشمن متفرق شده و عملیات با شکست مواجه می¬شود. به¬هرحال موضوع بلادرنگ و هماهنگی در شبکه¬های حسگر بخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن از مباحث تحقیقاتی است.
امنیت و مداخلات :
 موضوع امنیت در برخی کاربردها بخصوص در کاربرد های نظامی یک موضوع بحرانی است و بخاطر برخی ویژگی¬ها شبکه¬های حسگر در مقابل مداخلات اسیب¬پذیرترند. یک مورد بیسیم بودن ارتباط شبکه است که کار دشمن را برای فعالیت¬های ضد امنیتی و مداخلات اسانتر می¬کند. مورد دیگر استفاده از یک فرکانس واحد ارتباطی برای کل شبکه است که شبکه را در مقابل استراق سمع اسیب¬پذیر می¬کند. مورد بعدی ویژگی پویایی توپولوژی است که زمینه را برای پذیرش گره¬های دشمن فراهم می¬کند. اینکه پروتکل¬های مربوط به مسیردهی، کنترل ترافیک و لایه کنترل دسترسی شبکه سعی دارند با هزینه و سربار کمتری کار کنند مشکلات امنیتی بوجود می¬اورد مثلا برای شبکه¬های حسگر در مقیاس بزرگ برای کاهش تأخیر بسته¬هایی که در مسیر طولانی در طول شبکه حرکت می¬کنند یک راه حل خوب این است که اولویت مسیردهی به بسته¬های عبوری داده¬شود. همین روش باعث می¬شود حمله¬های سیل¬اسا  مؤثرتر باشد. یکی از نقاط ضعف شبکه حسگرکمبود منبع انرژی است و دشمن می¬تواند با قرار دادن یک گره مزاحم که مرتب پیغام¬های بیدار باش بصورت پخش همگانی با انرژی زیاد تولید می¬کند باعث شود بدون دلیل گره¬های همسایه از حالت خواب خارج شوند. ادامة این روند باعث به هدر رفتن انرژی گره¬ها شده و عمر انها را کوتاه می¬کند. با توجه به محدودیت¬ها باید دنبال راه حل¬های ساده و کارا مبتنی بر طبیعت شبکه حسگر بود. مثلا اینکه گره¬ها با چگالی بالا می¬توانند توزیع شوند و هر گره دارای اطلاعات کمی است یا اینکه داده¬ها در یک مدت کوتاه معتبرند. از این ویژگی¬ها  می¬توان بعنوان یک نقطه قوت در رفع مشکلات امنیتی استفاده کرد. اساسا‏ً چالش¬های زیادی در مقابل امنیت شبکه حسگروجود دارد و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.
عوامل پیش بینی نشده :
 یک شبکه حسگر کارانداز تابع تعداد زیادی از عدم قطعیت¬هاست. عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل زلزله، مشکلات ناشی از ارتباط بیسیم و اختلالات رادیویی، امکان خرابی هر گره، کالیبره نبودن حسگرها، پویایی ساختار و مسیردهی شبکه، اضافه شدن گره¬های جدید و حذف گره-های قدیمی، جابجایی گره¬ها بطور کنترل شده یا در اثر عوامل طبیعی و غیره. سؤالی که مطرح است این است که در این شرایط چگونه می¬توان چشم¬اندازی فراهم کرد که از دیدگاه لایه کاربرد شبکه یک موجودیت قابل اطمینان در مقیاس بزرگ دارای کارایی عملیاتی مشخص و قابل اعتماد باشد. باتوجه به اینکه شبکه¬های حسگر کارانداز تا حدود زیادی بصورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و بصورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل می¬کنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگی¬های خود بهینه سازی، خود سازماندهی و خود درمانی را داشته باشند. این¬ها از جمله مواردی هستند که بحث در موردشان اسان ولی تحقق ان بسیار پیچیده است. بهرحال این موضوعات ازجمله موارد تحقیقاتی می¬باشند

Compatability by:
آخرین به روز رسانی سایت: سه شنبه, 22 اسفند 1391 - 00:26