4-تجميع داده ها در شبكه هاي حسگر با استفاده از آتوماتاهاي يادگير108
4-1-مقدمه108
4-2-كارهاي انجام گرفته109
4-3-تجميع داده ها در شبكه هاي حسگر با استفاده از آتوماتاهاي يادگير112
4-3-1-بيان مسئله و مفروضات آن113
4-3-2-تشريح روش پيشنهادي115
4-4-شبيه سازي119
4-4-1-آزمايش اول122
4-4-2-آزمايش دوم122
4-4-3-آزمايش سوم123
4-5-جمع بندي125
5-نتيجه گيري126
6-پيوست اول: شبكه هاي حسگر بي سيم127
6-1-تاريخچه شبكه هاي حسگر127
6-2-ساختار هر گره حسگر128
6-2-1-اجزاء دروني يک گره حسگر128
6-2-2-محدوديتهاي سختافزاري يک گره حسگر130
6-3-پشته پروتکلي131
6-4-مزاياي شبکه هاي حسگر بيسيم132
6-5-کاربردهاي شبکه هاي حسگر بيسيم134
7-پيوست دوم:آتوماتاي يادگيرسلولي138
7-1-تاريخچه آتوماتاي يادگير138
7-2-معيار‌هاي رفتار اتوماتاي يادگير139
7-3-آتوماتاي يادگير با عملهاي متغير141
7-4-آتوماتاي يادگير تعقيبي142
7-5-آتوماتاي يادگير سلولي (CLA)150
7-6-آتوماتاي يادگير سلولي باز(OCLA)151
7-7-آتوماتاي يادگير سلولي ناهمگام (ACLA)152
8-پيوست سوم: شرح نرم افزار J-SIM و پياده سازي الگوريتمهاي پيشنهادي با آن155
8-1-مقدمه155
8-2-شبيه ساز J-Sim158
8-2-1-شبيه سازي شبکه هاي حسگر بي سيم با استفاده از J-sim158
8-2-2-نصب و اجرا162
8-3-پياده سازي الگوريتم خوشه بندي پيشنهادي163
8-4-پياده سازي الگوريتم پوشش پيشنهادي185
8-5-پياده سازي الگوريتم تجميع پيشنهادي190
9-واژه نامه195
مراجع199
فهرست شکلها
شکل ‏1-2: يك مدل ساده از QoS19
شکل ‏1-3: نحوة عملكرد پروتكل RSVP22
شکل ‏1-4 : اتوماتاي يادگير تصادفي33
شکل ‏1-5: (الف) همسايگي مور – (ب) همسايگي ون نيومن براي اتوماتاي سلولي42
شکل ‏1-6: قانون 5447
شکل ‏1-7: آتوماتاي يادگير سلولي نامنظم48
شکل ‏2-11: محاسبه MaxIteration مناسب جهت بدست اوردن پوشش كامل در شبكه74
شکل ‏2-12 : مقايسه تعداد نودهاي فعال در روشهاي پوشش با درجه پوشش يك75
شکل ‏2-13 : مقايسه تعداد نودهاي فعال در روشهاي پوشش با درجات پوشش 2 و 375
شکل ‏2-14 : مقايسه نسبت ميانگين انرژي نودهاي فعال نسبت به ميانگين انرژي نودهاي غيرفعال با درجه پوشش يك76
شکل ‏2-15 : مقايسه نسبت ميانگين انرژي نودهاي فعال نسبت به ميانگين انرژي نودهاي غيرفعال با درجه پوشش دو76
شکل ‏2-16 : مقايسه نسبت ميانگين انرژي نودهاي فعال نسبت به ميانگين انرژي نودهاي غيرفعال با درجه پوشش سه77
شکل ‏2-17 : مقايسه طول عمر شبكه(زمان از بين رفتن اولين نود) در حالتهاي مختلف78
شکل ‏2-18 : مقايسه ميزان انرژي مصرفي در الگوريتم پوشش نسبت به كل انرژي مصرفي79
شکل ‏3-1: ارتباطات تک گامي و چندگامي بدون خوشه بندي81
شکل ‏3-2: ارتباطات تک گامي و چندگامي با استفاده از خوشه بندي82
شکل ‏3-3: شبه كد الگوريتم HEED93
شکل ‏3-4 : مقايسه تعداد خوشه هاي ايجاد شده در روشهاي مختلف خوشه بندي104
شکل ‏3-5: مقايسه درصد خوشه هاي خالي ايجاد شده در روشهاي مختلف خوشه بندي105
شکل ‏3-6: مقايسه نرخ ميانگين انرژي سرخوشه ها نسبت به ميانگين انرژي نودهاي معمولي105
شکل ‏3-7: مقايسه ضريب تغييرات اندازه خوشه ها در روشهاي مختلف خوشه بندي106
شکل ‏3-8: مقايسه طول عمر شبکه در روشهاي مختلف خوشه بندي107
شکل ‏4-1: محيط حسگري با نواحي A تا F و حسگرهاي واقع در آنها115
شکل ‏4-2: حسگرهاي H ,F ,G ,E ,C ,A و J در يك ناحيه واقعند و تشكيل يك ائتلاف مي دهند118
شکل ‏4-3: محيط حسگري به 9 ناحيه مختلف با داده هاي متفاوت تقسيم بندي شده است120
شکل ‏4-4: محيط حسگري در زمان 250 دقيقه120
شکل ‏4-5: محيط حسگري در زمان 500 دقيقه121
شکل ‏4-6: محيط حسگري در زمان 750 دقيقه121
شکل ‏4-7: مقايسه تعداد كل بسته هاي دريافتي توسط نود سينك در روشهاي مختلف122
شکل ‏4-8: مقايسه كل انرژي مصرفي توسط نودها در روشهاي مختلف123
شکل ‏4-9: مقايسه طول عمر شبکه در روشهاي مختلف تجميع124
شکل ‏4-10: مقايسه ميزان انرژي مصرفي در الگوريتم تجميع نسبت به كل انرژي مصرفي124
شکل ‏6-1 : اجزاء دروني يک گره حسگر129
شکل ‏6-2 : پشته پروتکلي شبکه هاي حسگر131
شکل ‏6-3 : نمونه کاربردهاي شبکه هاي حسگر بيسيم135
شکل ‏8-1 : محيط شبکه حسگربي سيم159
شکل ‏8-2 : مدل يک نود حسگربي سيم159
شکل ‏8-3 : تنظيم jdk در نرم افزار J-Sim162
شکل ‏8-4 : اجراي نرم افزار J-Sim163

چکيده
کيفيت سرويس در شبکه هاي حسگر بي سيم نسبت به شبکه هاي سنتي بسيار متفاوت است. بعضي از پارامترهايي که در ارزيابي کيفيت سرويس در اين شبکه ها مورد استفاده قرار مي گيرند عبارتند از: پوشش شبکه, تعداد بهينه نودهاي فعال در شبکه, طول عمر شبکه و ميزان مصرف انرژي. در اين پايان نامه سه مسئله اساسي شبكه ها ي حسگر بي سيم مطرح گرديده و با هدف بهبود پارامترهاي کيفيت سرويس، براي اين مسائل، راه حلهايي کارا با استفاده از روش هوشمند آتوماتاهاي يادگيرسلولي ارائه شده است. ابتدا مسئله پوشش محيط در شبكه هاي حسگر را با استفاده از غير فعال نمودن نودهاي غير ضروري و فعال نگه داشتن بهينه نودها حل مي گردد، تا در مصرف انرژي صرفه جويي به عمل آمده و عمر شبکه افزايش يابد. سپس به مسئله خوشه بندي در شبکه حسگر پرداخته شده و با استفاده از آتوماتاهاي يادگيرسلولي, شبکه هاي حسگر به گونه اي خوشه بندي مي شوند که انرژي به صورت يکنواخت در شبکه بمصرف رسيده وعمر شبکه افزايش يابد. پس از آن با استفاده از آتوماتاهاي يادگير يک روش تجميع داده هاي محيط حسگري پيشنهاد مي گردد که در مصرف انرژي شبکه صرفه جويي به عمل آورده و عمر شبکه را افزايش مي دهد. همه روشهاي ارائه شده با استفاده از نرم افزار J-Sim شبيه سازي گرديده اند. نتايج شبيه سازي ها نشان دهنده عملکرد بهتر روشهاي پيشنهادي نسبت به روشهاي مشابه مي باشد.
کلمات کليدي: شبکه هاي حسگر بي سيم، آتوماهاتاي يادگير، کيفيت سرويس، پوشش، خوشه بندي، تجميع داده ها
1-
مقدمه
1-1- شبكه هاي حسگر بي سيم
شبكه هاي حسگر بي سيم1 جهت جمع آوري اطلاعات در مناطقي كه كاربر نمي تواند حضورداشته باشد، مورد استفاده قرار مي گيرند. در يك شبكه حسگر، حسگرها به صورت جداگانه مقادير محلي را نمونه برداري (اندازه گيري) مي كنند و اين اطلاعات را درصورت لزوم براي حسگرهاي ديگر و در نهايت براي مشاهده گر اصلي ارسال مي نمايند. عملكرد شبكه اين است كه گزارش پديده هايي راكه اتفاق مي افتد به مشاهده گري بدهد كه لازم نيست از ساختار شبكه و حسگرها به صورت جداگانه و ارتباط آنها چيزي بداند. اين شبکه ها مستقل و خودگردان بوده وبدون دخالت انسان کار مي کنند. معمولا تمامي گرهها همسان ميباشند و عملاً با همکاري با يكديگر، هدف كلي شبكه را برآورده مي‌سازند. هدف اصلي در شبکههاي حسگر بيسيم نظارت و کنترل شرايط و تغييرات جوي، فيزيکي و يا شيميائي در محيطي با محدوده معين، ميباشد[1, 2]. شبکه حسگر بيسيم نوع خاصي از شبکههاي موردي2 است. مبحث شبکه هاي حسگر بي سيم يکي از موضوعات جديد در زمينه مهندسي شبکه و فناوري اطلاعات مي باشد.
پيشرفتهاي اخير در طراحي و ساخت تراشه هاي تجاري اين امكان را به وجود آورده است كه عمل پردازش سيگنال و حس كنندگي در يك تراشه يعني حسگر شبكه بي سيم انجام گردد، كه شامل سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي 3(MEMS) مانند حسگرها، محرک ها4 و قطعات راديويي RF مي باشد.
حسگرهاي بي سيم كوچكي توليد شده است كه قابليت جمع ‌آوري داده از فاصله چند صد متر و ارسال داده بين حسگرهاي بي سيم به مركز اصلي را دارا مي باشد و با اين تكنولوژي اطلاعات دما – نوسانات، صدا، نور، رطوبت، و مغناطيس قابل جمع آوري مي باشد كه اين حسگرهاي بي سيم با هزينه كم و اندازه اي کوچک قابل نصب در شبكه هاي حسگر بي سيم مي باشد. اما كوچك شدن حسگرهاي بي سيم داراي معايبي نيز مي باشد. تكنولوژي نيمه هادي باعث بوجود آمدن پردازنده هاي سريع با حافظه بالا شده است اما تغذيه اين مدارات هنوز هم يك مشكل اساسي است كه محدود به استفاده از باطري گرديده است. بخش منبع تغذيه يک بخش مهم و محدود است که در صورتيکه از باطري در اين شبکه ها استفاده شود، تعويض باطري ها در حالتي که تعداد نودهاي شبکه زياد باشد کاري سخت و دشوار خواهد بود و نودها به منظور ذخيره و صرفه جويي در مصرف انرژي مجبور به استفاده از ارتباطات برد کوتاه خواهند شد. تفاوت يك حسگر بي سيم كارا و يك حسگر بي سيم كه داراي كارايي كم از نظر انرژي است در عملكرد آنها در ساعت ها نسبت به هفته ها مي باشد. افزايش اندازه شبكه WSN باعث پيچيدگي مسيريابي وارسال اطلاعات به مركز اصلي مي باشد. اما همچنان مسيريابي و پردازش نياز به انرژي دارند. بنابراين يكي از نكات كليدي در توسعه و ارائه الگوريتمهاي مسيريابي جديد، كاهش و صرفه جويي در انرژي مصرفي است. بخش هاي مختلف شبکه هاي حسگر بي سيم بايد شبيه سازي و مدلسازي گردند تا کارآيي آنها مورد بررسي واقع شود. براي اينکار شبکه هاي حسگر بي سيم به گرافهايي نگاشت مي شوند که در اين گرافها هر گره مطابق با يک نود در شبکه بوده و هر لبه بيانگر يک پيوند يا کانال ارتباطي بين دو نود در شبکه خواهد بود.اگر ارتباط بين نودها در شبکه دو جهته باشد گراف نگاشت شده بدون جهت خواهد بود و اگر ارتباط بين نود ها در شبکه نا متقارن باشد در آن صورت گراف نگاشت يافته جهتدار خواهد بود. البته مدل ارتباطي بين نودها در شبکه مي تواند يک به يک يا يک به همه باشد. فراهم آوردن يک مدل عملي براي حسگرها کار پيچيده و دشواري مي باشد که اين به خاطر تنوع در انواع حسگرها هم از نظر ساختاري و هم از نظر اصول و اساس کار آنها مي باشد. شبكه هاي حسگر داراي ويژگيهايي منحصر به فرد هستند كه اين امر باعث شده است تا پروتكل هاي خاصي براي آنها در نظر گرفته شود.
در شبكه هاي بي سيم حسگر معمولا فقط يك يا دو ايستگاه پايه‌ وجود دارد و تعداد زيادي نودهاي حسگر در محيط پخش گرديده اند. به علت محدوديت برد اين حسگرها و انرژي باطري خيلي از نودها قادر به ارتباط مستقيم با ايستگاه پايه‌ نمي باشند. اما با تكيه بر نودهاي نظير خود و نودهاي حسگر ديگر، به ارتباط با ايستگاه پايه‌ مي پردازد كه در شبكه هاي 5MANET نيز اين عمل توسط نودهاي معمولي انجام مي شود.
معماري ارتباطات شبکههاي حسگر بيسيم در شکل 1-1 ديده ميشود[1]. در شبکههاي حسگر بيسيم، تعداد زيادي گره با امکانات مخابره، پردازش، حس کردن محيط و … در محيطي با چهارچوب معين پراکنده شدهاند. رويداد اتفاق افتاده و يا سوالات پرسيده شده از سوي گره مرکزي6 و ماموريت محوله به هر گره موجب ميشود، ارتباطاتي بين گرهها برقرار شود. اطلاعات رد و بدل شده مي‌تواند گزارشي از وضيعت محدوده اي كه زير نظر گرههاي حسگر ميباشد به گره مرکزي و يا درخواستي از سمت گره مرکزي به سمت گرههاي حسگر باشد. گره مرکزي به عنوان درگاه ارتباطي شبکه حسگر با ساير سيستمها و شبکههاي مخابراتي، در واقع گيرنده نهايي گزارش از گرههاي حسگر ميباشد و بعد از انجام يکسري پردازشها، اطلاعات پردازش شده را به کاربر ارسال ميکند (با استفاده از يک رسانه ارتباطاتي مانند اينترنت، ماهواره و …). از سوي ديگر، درخواستهاي کاربر نيز توسط اين گره به شبکه انتقال مييابد.

شکل ‏1-1 : معماري ارتباطات شبکههاي حسگر بيسيم
يك گره حسگر مي‌تواند يكي از دو نقش توليد كننده داده‌ها و يا رله كننده داده‌هاي توليد شده توسط ساير گره‌ها را بر عهده بگيرد. عموماً در شبكه‌هاي حسگر، اغلب گره‌ها هر دو نقش را به صورت توأم ايفا مي‌كنند. برپايي و طراحي ساختار و معماري ارتباطات بين گرههاي شبکه نيازمند رعايت فاکتورهاي مختلف و زيادي از جمله تحملپذيري خطا، مقياس پذيري، هزينه توليد، محيط عمليات، توپولوژي شبکه حسگر، محدوديتهاي سخت افزاري، ابزار و رسانه ارتباط، انرژي مصرفي و … ميباشد. جهت آشنايي بيشتر با شبکه هاي حسگر بي سيم به پيوست اول مراجعه گردد.
1-1-1- مسائل مطرح در شبکه هاي حسگر بي سيم
عوامل متعددي در طراحي شبکههاي حسگر موثر است و موضوعات بسياري در اين زمينه مطرح است که بررسي تمام آنها در اين نوشتار نميگنجد از اين رو تنها به ذکر برخي از آنها بطور خلاصه اکتفا ميکنيم.
1-مسيريابي: ماهيت اصلي شبکههاي حسگر به اين صورت است که کارهايي که انجام ميدهند بايد به صورت محلي باشد چرا که هر گره تنها ميتواند با همسايههاي خود ارتباط برقرار کند و اطلاعات کلي و سراسري از شبکه چندان در دسترس نيست (جمعآوري اين اطلاعات هزينه و زمان زيادي را مصرف ميکند). اطلاعات بدست آمده توسط گرهها، بايد با استفاده از تکنيکهاي مسيريابي، به نحوي به گره مرکزي ارسال گردد.
2- تنگناهاي سختافزاري: هرگره ضمن اينكه بايد كل اجزاء لازم را داشته باشد بايد بحد كافي كوچك، سبك و كم حجم نيز باشد. در عين حال هر گره بايد انرژي مصرفي بسيار كم و قيمت تمام شده پايين داشته و با شرايط محيطي سازگار باشد. اينها همه محدوديتهايي است كه كار طراحي و ساخت گره‌هاي حسگر را با چالش مواجه ميكند. ارائه طرحهاي سختافزاري سبک و کم حجم در مورد هر يک از اجزاي گره بخصوص قسمت ارتباط بيسيم و حسگرها از جمله موضوعات تحقيقاتي است که جاي کار بسيار دارد. پيشرفت فنآوري ساخت مدارات مجتمع با فشردگي بالا و مصرف پايين، نقش بسزايي در كاهش تنگناهاي سختافزاري داشته است.
3- تحملپذيري خطا و قابليت اطمينان7: هر گره ممكن است خراب شود يا در اثر رويدادهاي محيطي مثل تصادف يا انفجار بكلي نابود شود يا در اثر تمام شدن منبع انرژي از كار بيفتد. منظور از تحمل‌پذيري يا قابليت اطمينان اين است كه خرابي گرهها نبايد عملكرد كلي شبكه را تحت تاثير قرار دهد. در واقع ميخواهيم با استفاده از اجزاي غير قابل اطمينان يك شبكه قابل اطمينان بسازيم.
4- توپولوژي: توپولوژي شبکه يکي از مفاهيم اوليه در شبکههاي حسگر است که ديگر موارد نظير مسيريابي و … بر روي آن تعريف ميشود. ساختارهاي زيادي در توپولوژي مطرح است که بر اساس اولويتهاي مختلف و در شرايط متفاوت يکي بر ديگري برتري دارد. از جمله مواردي که در انتخاب يک ساختار تاثير ميگذارد ميتوان به مصرف انرژي کمتر، تنک بودن ساختار، کم بودن درجه گره، تحملپذيري خطا و تداخل اشاره کرد.
5- مقياسپذيري8: شبكه بايد هم از نظر تعداد گره و هم از نظر ميزان پراكندگي گرهها مقياسپذير باشد. بعبارت ديگر شبكه حسگر از طرفي بايد بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتي ميليونها گره كار كند و از طرف ديگر، چگالي توزيع متفاوت گرهها را نيز پشتيباني كند. در بسياري كاربردها توزيع گرهها تصادفي صورت ميگيرد و امكان توزيع با چگالي مشخص و يكنواخت وجود ندارد يا گرهها در اثر عوامل محيطي جابجا ميشوند. بنابراين چگالي بايد بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغيير كند. موضوع مقياسپذيري به روشها نيز مربوط ميشود برخي روشها ممكن است مقياسپذير نباشند يعني در يك چگالي با تعداد محدود از گره كار كند. در مقابل برخي روشها مقياسپذير هستند.
6- شرايط محيطي: طيف وسيعي از كاربردهاي شبكههاي حسگر مربوط به محيطهايي ميشود كه انسان نميتواند در آن حضور داشته باشد. مانند محيطهاي آلوده از نظر شيميايي، ميكروبي، هستهاي و يا مطالعات در كف اقيانوسها و فضا و يا محيطهاي نظامي به علت حضور دشمن و يا در جنگل و زيستگاه جانوران كه حضور انسان باعث فرار آنها ميشود. در هر مورد، شرايط محيطي بايد در طراحي گرهها در نظر گرفته شود مثلا در دريا و محيطهاي مرطوب گره حسگر در محفظهاي كه رطوبت را منتقل نكند قرار مي‌گيرد.

7- رسانه ارتباطي: در شبكههاي حسگر ارتباط گرهها بصورت بيسيم و از طريق رسانه راديويي، مادون قرمز، يا رسانه‌هاي نوري صورت ميگيرد. در رسانه راديويي که بيشتر مورد استفاده قرار ميگيرد از باندهاي مختلف صنعتي، علمي و پزشکي که در اکثر کشورها آزاد است استفاده ميشود. تعيين فرکانس در اين رسانه با توجه به برخي محدوديتهاي سختافزاري، کارائي آنتن و مصرف انرژي است. به خاطر لزوم ديد مستقيم بين فرستنده و گيرنده، رسانه مادون قرمز چندان مورد استفاده شبکههاي حسگر نيست هرچند ساختن آنها ارزان و آسان است. اخيرا، رسانه نوري به عنوان رسانه ارتباطي مورد توجه قرار گرفته است. از جمله اين توجهات ميتوان به استفاده از آن در ذره غيار هوشمند اشاره کرد[3]. انتخاب رسانه ارتباطي از بين اين سه رسانه (راديويي، مادون قرمز و نوري) با توجه به محدوديتها و ويژگيهاي کاربرد مورد نظر از مسائل مطرح در طراحي شبکههاي حسگر است.
8- افزايش طولعمر شبكه: طولعمر گرهها بعلت محدوديت انرژي منبع تغذيه كوتاه است. علاوه بر آن در برخي مواقع، موقعيت ويژة يك گره در شبكه مشكل را تشديد ميكند. مثلاً گرهاي كه در فاصله يك قدمي گره مرکزي قرار دارد از يك طرف بخاطر بار كاري زياد خيلي زود انرژي خود را از دست ميدهد و از طرفي از كار افتادن آن باعث قطع ارتباط گره مرکزي با كل شبكه و در نتيجه موجب از كار افتادن شبكه ميشود. مشكل تخليه زود هنگام انرژي در مورد گرههاي نواحي كم تراكم در توزيع غير يكنواخت گرهها نيز صدق ميكند در اينگونه موارد داشتن يك مديريت انرژي در داخل گرهها و ارائه راهحلهاي انرژيآگاه بطوري كه از گرههاي بحراني كمترين استفاده را بكند مناسب خواهد بود. با توجه به مطالب بيان شده تمام الگوريتمها و تکنيکهاي مورد استفاده در شبکههاي حسگر به انرژي بعنوان يک محدوديت جدي نگاه ميکنند و سعي ميکنند با آگاهي از سطح انرژي مصرفي عمل کنند تا کمترين انرژي مصرف گردد و در نتيجه افزايش طولعمر شبکه حسگر را به دنبال داشته باشد.
1-1-2- پوشش محيط در شبكه هاي حسگر بي سيم
يكي از مسائل مهمي كه در بحث شبكه هاي حسگر بي سيم مطرح است مسئله پوشش حسگري شبكه است. اين مسئله ازاين سوال اساسي ناشي مي گردد “حسگر ها چگونه استقرار يابند كه تمام محيط فيزيكي مورد نظر را پوشش دهند ؟” هدف مسئله پوشش اين است كه هر مكان در محيط فيزيكي مورد نظر در دامنه حسگري حداقل يك حسگر قرار بگيرد. از آنجاييكه شبكه حسگر شامل نودهاي بسيار زيادي است براي پخش نودها درمحيط نمي توان مكان نودها را از قبل مشخص كرد. ونودها را به صورت دستي در محيط قرار داد بلكه نودها به صورت تصادفي در محيط پخش مي گردند. بنابراين براي اينكه كل محيط به صورت كامل پوشش داده شود، تعداد حسگر هايي كه در محيط پخش مي گردند بيش از تعداد حسگرهايي است كه اگر به صورت قطعي پخش مي شدند كل محيط را پوشش مي دادند. يعني براي اينكه محيط به صورت كامل پوشش داده شود حسگرها به صورت متراكم توزيع مي گردند. مسئله ديگري كه اينجا بايد مد نظر قرار گيرد مصرف انرژي در حسگرها است. از آنجاييكه انرژي حسگرها، از طريق باطري تامين مي گردد وبه دليل تعداد زياد حسگرها ودر دسترس نبودن محيط، امكان تعويض يا شارژ مجدد باطري حسگرها وجود ندارد با تخليه باطري يك حسگر در حقيقت عمر حسگر به اتمام مي رسد وپس از، از بين رفتن تعدادي از حسگرها ونقض مسئله پوشش واتصال شبكه، عمر شبكه حسگر به اتمام مي رسد.
با در نظر گرفتن دو موضوع مطرح شده توزيع متراكم حسگرها جهت تضمين پوشش شبكه ومصرف انرژي مي توان راهكاري ارائه داد كه در عين تضمين پوشش شبكه مصرف انرژي شبكه را كاهش داده وعمر شبكه را افزايش دهد.
بدين صورت كه تعدادي از نودهاي شبكه كه با غير فعال شدن آنها به پوشش محيط توسط شبكه لطمه وارد نمي شود را غير فعال مي نماييم ودر مواقع لزوم آنها را فعال مي كنيم بدين ترتيب مصرف انرژي كلي شبكه كاهش يافته وعمر شبكه افزايش مي يابد.
1-1-3- خوشه بندي در شبکه هاي حسگر بي سيم
زمان حيات نودهاي حسگر در شبکه حسگر بي سيم، زمان حيات شبکه را مشخص مي کند که در کاربردهاي حسگري از اهميت ويژه اي برخوردار است. زمان حيات نودها مستقيما به مصرف انرژي در آنها مربوط مي گردد. ما در شبکه هاي حسگر مايليم که تعداد زيادي از حسگرها را براي دستيابي به يک هدف راه اندازي کنيم. همه اطلاعات جمع آوري شده بوسيله حسگرها بايد به يک مرکز جمع آوري کننده اطلاعات منتقل شوند. فواصل طولاني تر انرژي بيشتري درارسال اطلاعات مصرف مي کنند.
در ارسال مستقيم، هر حسگر مستقيماً اطلاعات را به مرکز مي فرستد. شبکه هاي ارسال مستقيم براي طراحي بسيار ساده و سر راست مي باشند. اما به دليل فاصله زياد حسگرها از مرکز، انرژي زيادي مصرف مي کنند. در مقابل طراحي هايي که فواصل ارتباطي را کوتاهتر مي کنند، مي توانند دوره حيات شبکه را طولاني تر کنند. بدليل تراكم بالاي گرههاي حسگر در واحد سطح و در نتيجه نزديکي آنها با يکديگر، ارتباطهاي چندگامي9 در اين گونه شبكهها مفيدتر و مقرون به صرفهتر از ارتباطهاي تكگامي10 هستند. اما با توجه به انرژي محدود هر يک از حسگرها و اينکه بيشترِ انرژي آنها صرف ايجاد ارتباط با حسگرهاي ديگر ميشود، استفاده از ارتباطهاي چندگامي نيز باعث مصرف زياد انرژي در حسگرها و در نتيجه کاهش عمر شبکة حسگر ميگردد.
به کار گيري خوشه ها براي ارسال اطلاعات به يک ايستگاه پايه با ملزوم کردن تنها تعداد کمي گره براي ارسال از فواصل دور به ايستگاه اصلي مزاياي فواصل ارسال کوتاه را براي اکثر گره ها افزايش مي دهد. خوشه بندي کردن به اين صورت است که شبکه را به يک تعداد خوشه هاي مستقل قسمت بندي مي کنيم كه هر کدام يک سر خوشه دارند که همه اطلاعات را از گره هاي داخل خوشه اش جمع آوري مي کند. اين سر خوشه ها سپس اطلاعات را فشرده مي کنند و(در ارتباطات تک گامي) مستقيماً و يا (در ارتباطات چند گامي) به صورت گام به گام با تعداد گامهاي کمتر و صرفا با استفاده از نودهاي سرخوشه به مرکز اصلي ارسال مي کنند. خوشه بندي کردن مي تواند به ميزان زيادي هزينه هاي ارتباطي اکثر گره ها را کاهش دهد. زيرا آنها تنها لازم است اطلاعات را به نزديک ترين سر خوشه برسانند، به جاي اينکه آنها را مستقيماً به مرکز اصلي که ممکن است خيلي دور باشد بفرستند.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

1-1-4- تجميع داده ها در شبكه هاي حسگر
انرژي در شبكه حسگر يك فاكتور حياتي است. کاهش مصرف انرژي و افزايش طول عمر سيستم در شبکه هاي حسگر يکي از معيارهاي کيفيت سرويس در اين سيستمها است. معمولا يك نود مركزي كه سينك ناميده مي شود, مقصد تمام بسته هاي اطلاعاتي در شبكه مي باشد. در بعضي از كاربردها تمام نودها توانايي ارتباط مستقيم با نود سينك را دارند. اما براي ارسال اطلاعات به فواصل طولاني انرژي زيادي صرف مي گردد. بنابراين, در بيشتر موارد نودها از طريق همسايگانشان, با نود سينك ارتباط برقرار مي نمايند. در اين حالت هر نود بايد بداند كه كداميك از همسايگانش بهتر مي تواند بسته ها را به نود سينك ارسال نمايد.
تاكنون الگوريتمهاي مسيريابي زيادي براي شبكه هاي حسگر ارائه گرديده است. در تعدادي از اين الگوريتمها هر نود ممكن است بيش از يك مسير تا نود سينك داشته باشد كه بر اساس يك سري معيارها, يكي از مسيرها انتخاب مي گردد. و معيارهاي مختلف مثل فاصله تا نود سينك, بار ترافيكي و انرژي مصرفي در طول مسير جهت انتخاب مسير مناسب استفاده مي گردند. از آنجاييكه انرژي يك منبع حياتي است, ميزان مصرف انرژي در طول مسير مي تواند معياري مناسب براي اين هدف باشد. صرفه جويي در مصرف انرژي به دو شيوه مي تواند مد نظر قرار گيرد. يك روش, محاسبه مصرف انرژي براي هر مسير به صورت جداگانه و سپس انتخاب مسير با مينيمم انرژي مي باشد. مشكل اين روش, نياز به انرژي محاسباتي براي هر مسير مي باشد. روش ديگر استفاده از تكنيك تجميع داده ها است. در تكنيك تجميع داده ها, بسته هاي اطلاعاتي بهم مرتبط, در نودهاي مياني با هم تركيب شده و يك بسته را تشكيل مي دهند. و اين بسته به نود سينك ارسال مي گردد. در استفاده از اين شيوه, مسيري انتخاب مي گردد كه بسته هاي مرتبط بيشتري داشته باشد. در اين روش تعداد بسته هايي كه در شبكه ارسال مي يابند كاهش خواهند يافت و بنابراين انرژي كمتري مصرف خواهد شد.
1-2- کيفيت سرويس در شبکه هاي حسگر بي سيم
هر چند که در زمينه جنبه هاي مهم شبکه هاي حسگر مثل طراحي پروتکل و معماري، بهينه سازي مصرف انرژي و مکانيابي تحقيقات زيادي صورت گرفته است، در مورد کيفيت سرويس در اين شبکه ها هنوز به اندازه کافي کار نشده است[4]. اين موضوع مهمي است زيرا کيفيت سرويس در شبکه هاي حسگر بي سيم نسبت به شبکه هاي سنتي بسيار متفاوت است، تا آنجا که به طور کامل نمي توان کيفيت سرويس در اين شبکه ها را تشريح نمود. کيفيت سرويس يک اصطلاح با معاني و ديدگاههاي مختلف مي باشد[5]. انجمن هاي فني مختلف ممکن است تفاسير و نظرات متفاوتي در مورد کيفيت سرويس داشته باشند. در انجمن هاي کاربردي، کيفيت سرويس عموما به کيفيت مشاهده شده توسط کاربر ارجاع مي گردد در حالي که در انجمن هاي شبکه اي کيفيت سرويس به عنوان کيفيتي که شبکه به کاربران و برنامه هاي کاربردي مي دهد مورد ارزيابي قرار مي گيرد. به عنوان مثال [6]RFC 2386 کيفيت سرويس را به عنوان يک مجموعه از نيازمنديهاي سرويس که بايد در زمان انتقال يک بسته از مبدأ به مقصدش به آنها رسيد در نظر مي گيرد. در اين سناريو، کيفيت سرويس به ضمانت اينترنت جهت برآوردن مجموعه اي از خواص سرويسي مناسب براي کاربران يا برنامه هاي کاربردي انتها به انتها بر حسب تأخير، لرزش، پهناي باند و فقدان بسته ها اتلاق مي گردد. اين دو نگاه به کيفيت سرويس مي توانند به وسيله يک مدل ساده که درشکل ‏1-2, به تصوير کشيده شده است، نشان داده شوند[5]. در اين مدل کاربران يا برنامه هاي کاربردي نگران چگونگي مديريت منابع شان توسط شبکه جهت دستيابي به کيفيت سرويس نيستند. آنها صرفاً به سرويسهايي که به برنامه هاي کاربردي ارائه مي شود توجه دارند. از ديد شبکه، هدف شبکه تأمين کيفيت سرويس با ماکزيمم به کارگيري منابع شبکه است. جهت رسيدن به اين هدف، شبکه بايد نيازمنديهاي برنامه هاي کاربردي را تحليل نموده و مکانيزمهاي مختلف کيفيت سرويس در شبکه را به کار گيرد.

شکل ‏1-2: يك مدل ساده از QoS
نيازمنديهاي کيفيت سرويس در شبکه هاي داده اي سنتي اساساً از افزايش محبوبيت برنامه هاي کاربردي چند رسانه اي که احتياج به پهناي باند بالا دارند، نتيجه مي گردد. برنامه هاي کاربردي چندرسانه اي مختلف بر حسب پارامترهاي کيفيت سرويس انتها به انتها نيازمنديهاي کيفيت سرويس مختلفي دارند. بعضي ازشبکه ها به سرويسهايي بهتر از سرويسهاي بهترين تلاش11 نياز دارند. مثل سرويسهاي تضمين شده(کيفيت سرويس سخت12) و بعضي از شبکه ها احتياج به کيفيت سرويس نرم13 دارند. محققان, مکانيزمها و الگوريتمهاي زيادي در لايه هاي مختلف پروتکلها با استفاده از مقدار حداکثر پهناي باند جهت رسيدن به کيفيت سرويس ارائه دادند. به خاطر ويژگيهاي خاص شبکه ها، انواع مختلف شبکه ها ممکن است جهت برآوردن پارامترهاي مختلف کيفيت سرويس به صورت همزمان با محدوديتهايي مواجهه گردند. به عنوان مثال، محدوديت پهناي باند و توپولوژي پوياي شبکه هاي موردي موبايل ممکن است کيفيت سرويس در اين شبکه ها را با مشکلاتي روبرو سازد. به هر حال نيازمنديهاي کيفيت سرويس در برنامه هاي کاربردي شبکه هاي حسگر بي سيم ممکن است بسيار متفاوت از شبکه هاي سنتي باشد و پارامترهاي کيفيت سرويس در شبکه هاي سنتي به هيچ عنوان جهت تشريح کيفيت سرويس در شبکه هاي حسگر کافي نيستند.
1-2-1- کيفيت سرويس در شبکه هاي داده اي سنتي
دستيابي به کيفيت سرويس در شبکه هاي سيمي عموماً با استفاده از تأمين منابع فراوان و مهندسي ترافيک به دست مي آيد] 7 ،8 [. در روش تأمين منابع فراوان، ما منابع زيادي را به شبکه اضافه مي کنيم به طوري که بتواند سرويسهاي مناسبي را به برنامه هاي کاربردي چندرسانه اي ارائه دهد. اين روش به سادگي قابل اعمال است. اما تمام کاربران را در يک کلاس سرويس يکسان قرار مي دهد. بنابراين ممکن است در زمان اوج ترافيک، سرويس مناسب ارائه داده نشود. در روش مبتني بر مهندسي ترافيک، کاربران يا برنامه هاي کاربردي را درکلاسهاي سرويسي مختلف گروه بندي کرده و به هر کلاس يک اولويت نسبت مي دهيم. در روش مهندسي ترافيک، دو شيوه جهت رسيدن به کيفيت سرويس استفاده شده اند: مبتني بر رزرو و بدون رزرو. در روش مبتني بر رزرو، منابع شبکه برطبق درخواست کيفيت سرويس برنامه کاربردي و سياست مديريتي و پهناي باند تخصيص مي يابند. اين روش درITM و مدل Interserv اينترنت استفاده شده است. در روش بدون رزرو، هيچ رزروي لازم نيست و کيفيت سرويس از طريق استراتژي هايي مثل کنترل پذيرش، کلاسهاي ترافيک، مديريت سياست و مکانيزمهاي صف بندي بدست مي آيد. در استراتژي کنترل پذيرش اگر يک نود بتواند به شبکه دسترسي يابد، تضمين مي گردد که نود اجازه دسترسي پيدا کند. در تکنيک مديريت سياست، نظارت مي گردد که هيچ نودي از نوع سرويسهايي که که قبلاً به او تخصيص داده شده است عدول ننمايد. کلاسهاي ترافيکي، بسته هاي داده اي را در اولويتهاي مختلف قرار مي دهند و در نودهاي مياني براساس اين اولويتها رفتار متفاوتي بر روي بسته ها انجام مي گيرد. مکانيزمهاي صف بندي در هنگام ازدحام بسته هاي با اولويت پايين را حذف مي کنند.
شبکه هاي بي سيم مبتني بر زيرساخت، مثل شبکه هاي محلي بي سيم(WLAN) و شبکه هاي بي سيم پخشي، گسترش يافته شبکه هاي سيمي هستند. به گونه اي که ارتباطات را براي کاربران سيار نيز ممکن مي سازند. همه ميزبانهاي سيار در يک سلول ارتباطي مي توانند با يک گام به ايستگاه پايه دسترسي داشته باشند. در اين شبکه ها نيازمنديهاي کيفيت سرويس مربوط به کمبود پهناي باند و پيچيدگي سياربودن کاربر در آخرين گام بي سيم مي باشد. بنابراين مي توان معماري کيفيت سرويس بکاررفته در شبکه هاي سيمي را با پروتکل MAC بي سيم مجتمع نمود. پروتکلهاي MAC بي سيم ممکن است ترافيک داده اي کلاسهاي مختلف را با در نظرگرفتن اولويتهاي دسترسي تأمين نمايند. به گونه اي که کيفيت سرويس کلي شبکه پشتيباني گردد.
شبکه هاي بي سيم موردي، مي توانند سيستم هاي خودکار يا توسعه يک سيستم بي سيم موردي به اينترنت باشند. به عنوان يک سيستم خودکار، آنها پروتکلهاي مسيريابي مختص به خود را دارند. و به عنوان توسعه بي سيم موردي به اينترنت لازم است که يک دستيابي متصل به اينترنت داشته باشند. متأسفانه به دليل محدوديت پهناي باند و توپولوژي پوياي شبکه، مکانيزمهاي کيفيت سرويس در شبکه هاي سيمي نمي تواند مستقيماٌ در يک شبکه موردي استفاده شود[9]. در اين زمينه لازم است که ما عملکرد کيفيت سرويس را به طور پيچيده، با منابع موجود محدود، در محيطهاي پويا پياده سازي نماييم. پشتيباني از کيفيت سرويس در شبکه هاي موردي شامل مدل کيفيت سرويس، رزرو منابع کيفيت سرويس و کنترل دستيابي به کيفيت سرويس مي باشد. يک مدل کيفيت سرويس، معماري و نحوه برخورد عملکردي اجزاء کيفيت سرويس را مشخص مي نمايد. براي مثال در شبکه اي که لازم است فقط سرويسهاي مختلف تأمين گردد، سيگنالدهي براي هر حالت جريان لازم نيست. سيگنال دهي کيفيت سرويس عملکردي است که به وسيله مدل کيفيت سرويس مشخص مي شود. و به عنوان يک مرکز کنترل در سيستم پشتيباني از کيفيت سرويس عمل مي کند. و رفتار مسيريابي کيفيت سرويس، MAC کيفيت سرويس و بقيه مؤلفه ها را هماهنگ مي نمايند. فرايند مسيريابي کيفيت سرويس، مسيري با منابع کافي را جستجو مي نمايد. اما منابع را رزرو نمي کند.
بدون لحاظ نمودن کيفيت سرويس در مسيريابي، سيگنال دهي کيفيت سرويس هنوز مي تواند انجام شود. اما فرآيند رزرو منابع صورت نمي گيرد . همه مؤلفه هاي کيفيت سرويس لايه بالا به هم وابسته اند وبا پروتکل MAC کيفيت سرويس لايه پاييني همکاري دارند. جزييات اين تکنيکها در[7, 9, 10] موجود است. طبق بحث بالا ما مي توانيم پشتيباني از کيفيت سرويس در شبکه هاي داده اي سنتي را به اين صورت خلاصه نماييم: آنها نيازمنديهاي کيفيت سرويس مشترکي دارند که از کاربردهاي چند رسانه اي محتاج به پهناي باند نشات گرفته مي شوند و جهت ارزيابي مکانيزم هاي کيفيت سرويس پارامترهاي کيفيت سرويس انتها به انتها در اين شبکه استخراج گرديدند.
1-2-1-1- سرويس‌هاي يكپارچه و RSVP


پاسخی بگذارید