دانلود مقاله شبکه حسگر

معرفی شبکه حسگر:
شبکه حسگر/کارانداز (حس/کار) شبکه ای است متشکل از تعداد زیادی گره کوچک.

در هر گره تعدادی حسگر و/یا کارانداز وجود دارد.

شبکه حس/کار بشدت با محیط فیزیکی تعامل دارد.

از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق کار انداز ها واکنش نشان می دهد.

ارتباط بین گره ها بصورت بی سیم است.

هرگره بطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است ودارای محدودیت هایی در قدرت پردازش, ظرفیت حافظه, منبع تغذیه, ...

میباشد.

این محدودیت ها مشکلاتی را بوجود می آورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است.

این شبکه از پشته پروتکلی شبکه های سنتی پیروی می کند ولی بخاطر محدودیت ها و تفاوتهای وابسته به کاربرد, پروتکل ها باید باز نویسی شوند.

این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگیها, محدودیت ها, کاربردها, ایده ها و چالش ها, به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می پردازد.
پیشرفتهای اخیر در فناوری ساخت مدارات مجتمع در اندازه های کوچک از یک سو و توسعه فناوری ارتباطات بی سیم از سوی دیگر زمینه ساز طراحی شبکه های حس/کار بی سیم شده است.تفاوت اساسی این شبکه ها ارتباط آن با محیط و پدیده های فیزیکی است شبکه های سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاه های اطلاعاتی را فراهم میکند در حالی که شبکه ی حس/کار مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده, بر اساس مشاهدات خود تصمیم گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می دهند.

نام شبکه حس/کار بی سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می شود.

برخلاف شبکه های سنتی که همه منظوره اند شبکه های حس/کار نوعا تک منظوره هستند.

در صورتی که گره ها توانایی حرکت داشته باشند شبکه می تواند گروهی از رباتهای کوچک در نظر گرفته شود که با هم بصورت تیمی کار می کنند و جهت مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن طراحی شده است.

از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه ایستگاههای پایه را حذف نماییم و هر گوشی را یک گره فرض گنیم ارتباط بین گره ها باید بطور مستقیم یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود.

این خود نوعی شبکه حس/کار بی سیم می باشد.

اگرچه به نقلی تاریخچه شبکه های حس/کار به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا برمیگردد.

ولی این ایده می توانسته در ذهن طراحان رباتهای متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه های بی سیم موبایل نیز شکل گرفته باشد.

به هر حال از آنجا که این فن نقطه تلاقی دیدگاه های مختلف است تحقق آن می تواند بستر پیاده سازی بسیاری از کاربردهای آینده باشد.

کاربرد فراوان این نوع شبکه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در کامپیوتر و الکترونیک از جمله امنیت شبکه, ارتباط بلادرنگ‌, پردازش صوت و تصویر, داده کاوی, رباتیک ,طراحی خودکار سیستم های جاسازی شده دیجیتال و...

میدان وسیعی برای پروهش محققان با علاقمندی های مختلف فراهم نموده است.

ساختار کلی شبکه حس/کار بی سیم

قبل از ارائه ساختار کلی ابتدا تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می کنیم.

حسگر : وسیله ای که وجود شیئ رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما, فشار, رطوبت, نور, شتاب سنج, مغناطیس سنج و...

کارانداز : با تحریک الکتریکی یک عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجام می دهد
گره حسگر: به گره ای گفته می شود که فقط شامل یک یا چند حسگر باشد.

گره کارانداز: به گره ای گفته می شود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.
گره حسگر/کارانداز: به گره ای گفته می شود که مجهز به حسگر و کار انداز باشد.
شبکه حسگر : شبکه ای که فقط شامل گره های حسگر باشد.

این شبکه نوع خاصی از شبکه حس/کاراست.

در کاربردهایی که هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده می باشد کاربرد دارد.

مثل مطالعه روی گردبادها.

میدان حسگر/کارانداز : ناحیه کاری که گره های شبکه حس/کار در آن توزیع میشوند.
چاهک : گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد.

و ارتباط بین گره های حس/کار و گره مدیر وظیفه را برقرار می کند.
گره مدیر وظیفه: گرهی که یک شخصی بعنوان کاربریا مدیر شبکه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند.

فرامین کنترلی و پرس و جو ها از این گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر میگردد
شبکه حس/کار: شبکه ای متشکل از گره های حسگر و کار انداز یا حسگر/کارانداز است که حالت کلی شبکه های مورد بحث می باشد.

به عبارت دیگر شبکه حس/کارشبکه ای است با تعداد زیادی گره که هر گره می تواند در حالت کلی دارای تعدادی حسگر و تعدادی کارانداز باشد.

در حالت خاص یک گره ممکن است فقط حسگر یا فقط کارانداز باشد.

گره ها در ناحیه ای که میدان حس/کار نامیده می شود با چگالی زیاد پراکنده می شوند.

یک چاهک پایش کل شبکه را بر عهده دارد.

اطلاعات بوسیله چاهک جمع آوری می شود و فرامین از طریق چاهک منتشر می شود.

شکل(2) را ببینید.

مدیریت وظایف میتواند متمرکز یا توزیع شده باشد.

بسته به اینکه تصمیم گیری برای انجام واکنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودکار و نیمه خودکار وجود دارد.

که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.



ساختار خودکار : حسگر هایی که یک رخداد یا پدیده را تشخیص می دهند داده های دریافتی را به گره های کارانداز جهت پردازش و انجام واکنش مناسب ارسال می کنند.

گره های کارانداز مجاور با هماهنگی با یکدیگر تصمیم گیری کرده و عمل می نمایند.

در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری ها بصورت محلی انجام میشود.شکل(3) را ببینید.
ساختار نیمه خودکار: در این ساختار داده ها توسط گره ها به سمت چاهک هدایت شده و فرمان از طریق چاهک به گره های کار انداز صادر شود.

شکل(3) را مشاهده کنید
ساختار نیمه خودکار: در این ساختار داده ها توسط گره ها به سمت چاهک هدایت شده و فرمان از طریق چاهک به گره های کار انداز صادر شود.

شکل(3) را مشاهده کنید شکل(3) ساختار خودکار شکل(4) ساختار نیمه خودکار از طرف دیگر در کاربردهای خاصی ممکن است از ساختار بخش بندی شده یا سلولی استفاده شود که در هر بخش یک سردسته وجود دارد که داده های گره های دسته خود را به چاهک ارسال می کند.

در واقع هر سردسته مانند یک مدخل عمل میکند.

3- ساختمان گره شکل(5) ساختمان داخلی گره حس/کار را نشان می دهد.

هر گره شامل واحد حسگر/ کارانداز, واحد پردازش داده ها, فرستنده/گیرنده بی سیم و منبع تغذیه می باشد بخشهای اضافی واحد متحرک ساز, سیستم مکان یاب و تولید توان نیز ممکن است بسته به کاربرد در گره ها وجود داشته باشد.واحد پردازش داده شامل یک پردازنده کوچک و یک حافظه با ظرفیت محدود است داده ها را از حسگرها گرفته بسته به کاربرد پردازش محدودی روی آنها انجام داده 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 ارتباط گره با شبکه را برقرار می کند.

واحد حسگر شامل یک سری حسگر و مبدل آنالوگ به دیجیتال است که اطلاعات آنالوگ را از حسگرگرفته و بصورت دیجیتال به پردازنده تحویل می دهد.

واحد کارانداز شامل کارانداز و مبدل دیجیتال به آنالوگ است که فرامین دیجیتال را از پردازنده گرفته و به کارانداز تحویل می دهد.

واحد تامین انرژی, توان مصرفی تمام بخشها را تامین می کند که اغلب یک باطری با انرژی محدود است.

محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه های حس/کار همه چیز را تحت تاثیر قرار می دهد.

در کنار این بخش ممکن است واحدی برای تولید انرژی مثل سلول های خورشیدی وجود داشته باشد در گره های متحرک واحدی برای متحرک سازی وجود دارد.

مکان یاب موقعیت فیزیکی گره را تشخیص می دهد.

تکنیکهای مسیردهی و وظایف حسگری به اطلاعات مکان با دقت بالا نیاز دارند.

یکی از مهمترین مزایای شبکه های حس/کار توانایی مدیریت ارتباط بین گره های در حال حرکت می باشد.

شکل(5) ساختمان داخلی گره حسگر/کارانداز 4- ویژگی ها وجود برخی ویژگی ها در شبکه حسگر/ کارانداز, آن را از سایر شبکه های سنتی و بی سیم متمایز می کند.

از آن جمله عبارتند از: تنگناهای سخت افزاری شامل محدودیتهای اندازه فیزیکی, منبع انرژی, قدرت پردازش, ظرفیت حافظه تعداد بسیار زیاد گره ها چگالی بالا در توزیع گره ها در ناحیه عملیاتی وجود استعداد خرابی در گره ها تغییرات توپولوژی بصورت پویا و احیانا متناوب استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه داده محور بودن شبکه به این معنی که گره ها کد شناسایی ندارند کاربردها: کاربردها به سه دسته نظامی تجاری پزشکی تقسیم می شوند.

سیستم های ارتباطی, فرماندهی, شناسایی, دیده بانی ومیدان مین هوشمند, سیستم های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می باشد.

در کاربردهای مراقبت پزشکی سیستم های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند.

محیطهای هوشمند برای افراد سالخوده 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 شیمیای, میکروبی, هسته ای, سیستم های ردگیری, نظارت وکنترل 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 ..

در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار بعنوان گروهی از رباتهای کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می دهند استفاده میشود.

پشته پروتکلی: مطابق شکل زیر پشته پروتکلی از یکطرف دارای پنج لایه افقی شامل لایه های فیزیکی, پیوند داده, شبکه, انتقال, و کاربرد و از طرفی دارای سه لایه عمودی مدیریت توان, مدیریت جابجایی, و مدیریت وظیفه است.

لایه فیزیکی وظیفه اش عملیات مدولاسیون و ارسال و دریافت در سطح پایین می باشد.

لایه کنترل دسترسی رسانه باید قادر باشد با حداقل تصادم بروش پخش همگانی با هر گره همسایه ارتباط برقرار کند.

لایه شبکه وظیفه مسیردهی داده هایی که از لایه انتقال می آید را بر عهده دارد.

لایه انتقال وظیفه مدیریت جریان انتقال بسته ها را در صورت نیاز کاربرد, بر عهده دارد.

بسته به کاری که شبکه برای آن طراحی شده انواع مختلف نرم افزارهای کاربردی می تواند روی لایه کاربرد استفاده شود و خدمات مختلفی را ارائه نماید.

یک زبان پردازه نویسی بنام زبان وظیفه و پرسشگری حسگر پیشنهاد شده که پرس وجوها و فرمانهای آن مبتنی بر با ویژگی داده محوری شبکه حس/کاراست.

بعنوان مثال "چه تعداد لانه پرنده خالی در محدوده شمال شرقی جنگل وجود دارد"یا "اگر تا یک ساعت بعد تعدادلانه های خالی بیشتر از یک حد معینی شد اعلام شود" برای اطلاعات بیشتر به مراجعه کنید.

لایه عمودی مدیریت توان با دخالت در کلیه لایه های افقی چگونگی مصرف توان برای گره را تعیین می کند.

در واقع برای کاهش مصرف انرژی به الگوریتم ها و پروتکل های توان آگاه نیازمندیم.

مثلا اینکه یک گره پس از دریافت یک پیغام از یکی از همسایه هایش دریافت کننده اش را خاموش کند باعث جلوگیری از دریافت دوباره پیغام و در نتیجه کاهش مصرف انرژی می گردد.

ایده دیگری که می تواند همزمان استفاده شود این است گره ای که به سطح پایین انرژی رسیده به همسایه هایش اعلام همگانی می کند که انرژی اش در حال اتمام است و نمی تواند در مسیردهی پیغامها شرکت داشته باشد.

گره های همسایه پس از آن پیغام ها را از طریق گره های دیگر مسیردهی خواهند کرد.

لایه عمودی مدیریت حرکت, به بکار گیری روشهای مکان آگاه بر می گردد جابجایی گره را تشخیص داده و ثبت می کند بنابراین یک مسیر برگشت تا کاربر همیشه مدیریت می شود و رد گره متحرک دنبال می شود.

مدیریت وظیفه وظایف گره ها را زمانبندی کرده و متعادل می سازد.

مثلا اگر وظیفه حس به یک ناحیه معین محول شد همه گره های حسگر آن ناحیه لازم نیست عملیات حس را بطور همزمان انجام دهند بلکه این وظیفه می تواند بسته به کاربرد به برخی گره ها مثلا به گره هایی قابلیت اطمینان بیشتر یا ترافیک کمتر یا انرژی بیشتر دارند محول شود.

برای تضمین این نکته باید از الگوریتم های کارآگاه استفاده نمود.

با وجود موارد فوق گره ها در شبکه حس/کار می توانند با روشهای توان کارا باهم کار کرده و داده ها را در یک شبکه متحرک حس/کار مسیر دهی کنند و منابع را بین گره ها به اشتراک گذارند.

موضوعات مطرح عوامل متعددی در طراحی شبکه های حس/کار موثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که بررسی تمام آنها در این نوشتار نمیگنجد از این رو تنها به ذکر برخی از آنها بطور خلاصه اکتفا می کنیم.

1- 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 یاید به کوچکی یک قوطی کبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یک سانتیمتر مکعب است و از نظر وزن آنقدر 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.

اینها همه محدودیتهایی است که کار طراحی و ساخت گره های حس/کار را با چالش مواجه میکند.

ارائه طرح های سخت افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بی سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد.

پیشرفت فن آوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین, نقش بسزایی در کاهش تنگناهای سخت افزاری خواهد داشت.

2- توپولوژی: توپولوژی ذاتی شبکه حس/کار توپولوژی گراف است.

بدلیل اینکه ارتباط گره ها بی سیم و بصورت پخش همگانی است و هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد.

آلگوریتم های کارا در جمع آوری 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 شودیک 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 حس/کار است که امنیت آن را به چالش می کشد.

ارائه روشهای مدیریت توپولوژی پویا بطوری که موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است که جای کار زیادی دارد.

3- 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.

برای گره k با نرخ خرابی k قابلیت اطمینان با فرمول(1) مدل می شود.

که در واقع احتمال عدم خرابی است در زمان t بشرط اینکه گره در بازه زمانی (0,t) خرابی نداشته باشد.

به این ترتیب هرچه زمان می گذرد احتمال خرابی گره بیشتر می شود.

(1) 4- مقیاس پذیری : شبکه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراکندگی گره ها, مقیاس پذیر باشد.

بعبارت دیگر شبکه حس/کار 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.

چگالی طبق فرمول (2) محاسبه می شود.

که بیانگر تعداد متوسط گره هایی است که در برد یک گره نوعی (مثلادایره ای با قطر10 متر) قرار می گیرد.

A: مساحت ناحیه کاری N:تعداد گره در ناحیه کاری و R: برد ارسال رادیویی است.

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 روشها نیز مربوط می شود برخی روشها ممکن است مقیاس پذیر نباشد یعنی در یک چگالی یا تعداد محدود از گره کار کند.

در مقابل برخی روشها مقیاس پذیر هستند 2 (2) 5- قیمت تمام شده : چون تعداد گره ها زیاد است کاهش قیمت هر تک گره اهمیت زیادی دارد.

تعداد گره ها گاهی تا میلیونها میرسد.

در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم تاثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.

6- شرایط محیطی : طیف وسیعی از کاربرد ها ی شبکه های حس/کار مربوط به محیط هایی می شود که انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد.

مانند محیط های آلوده از نظر شیمیای, میکروبی, هسته ای ویا مطالعات در کف اقیانوس ها و فضا ویا محیط های نظامی بعلت حضور دشمن ویا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آنها 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.

7- رسانه ارتباطی: در شبکه های حس/کار ارتباط گره ها بصورت بی سیم 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 آسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل می کند.

8- توان مصرفی گره ها: گره های شبکه حس/کار باید توان مصرفی کم داشته باشند.

گاهی منبع تغذیه یک باتری 2/1 ولت با انرژی 5/.

آمپر 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 آن 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.

9- افزایش طول عمر شبکه: یک مشکل این است که عمر شبکه های حس/کار نوعاً کوتاه است.

چون طول عمر گره ها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است.

علاوه بر آن گاهی موقعیت ویژه یک گره در شبکه مشکل را تشدید می کند مثلاً در گره ای که در فاصل یک قدمی چاهک قرار دارد از یکطرف بخاطر بار کاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست می دهد و از طرفی از کار افتادن آن 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.(به بخش 2 مراجعه شود) بعلت اینکه در ساختار خودکار بیشتر تصمیم گیری ها بطوری محلی انجام می شود ترافیک انتقال از طریق گره بحرانی کم شده, طول عمر آن 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 (به 4 مراجعه کنید) در اینگونه موارد داشتن یک مدیریت توان در داخل گره ها و ارائه راه حل های توان آگاه 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 میدهد.

ارائه الگو های ساختاری مناسب و ارائه روشهای مدیریتی و آلگوریتم ها توان آگاه با هدف افزایش طول عمر شبکه حس/کار از مباحث مهم تحقیقاتی است.

10- ارتباط بلادرنگ و هماهنگی : در برخی کاربردها مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش آتش 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 روزآمد 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 مهم دیگر تحویل گزارش رخدادها به چاهک, یا کارانداز ناحیه, به ترتیب وقوع آنهاست در غیر این صورت ممکن است شبکه واکنش درستی انجام ندهد.

نکته دیگر هماهنگی کلی شبکه در ارتباط با گزارشهایی 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 آن 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.

بهرحال موضوع بلادرنگ و هماهنگی در شبکه های حس/کاربخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن از مباحث تحقیقاتی است.

11- امنیت و مداخلات : موضوع امنیت در برخی کاربردها بخصوص در کاربرد های نظامی یک موضوع بحرانی است و بخاطر برخی ویژگی ها شبکه های حس/کار در مقابل مداخلات آسیب پذیر ترند.

یک مورد بی سیم بودن ارتباط شبکه است که کار دشمن را برای فعالیت های ضد امنیتی و مداخلات آسانتر می کند.

مورد دیگر استفاده از یک فرکانس واحد ارتباطی برای کل شبکه است که شبکه را در مقابل استراق سمع آسیب 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 آورد 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 سیلی مؤثرتر باشد.

یکی از نقاط ضعف شبکه حس/کارکمبود 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.

ادامه این روند باعث به هدر رفتن انرژی گره ها شده و عمر آنها را کوتاه می کند.

با توجه به محدودیت ها باید دنبال راه حل های ساده و کارا مبتنی بر طبیعت شبکه حس/کار 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 چالشهای زیادی در مقابل امنیت شبکه حس/کاروجود دارد.

و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.

12- 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 بی سیم 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 میتوان 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 میکنند 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.

اینها از جمله مواردی هستند که بحث در مورد آنها آسان ولی تحقق آن بسیار پیچیده است.

بهرحال این موضوعات ازجمله موارد تحقیقاتی می باشند نمونه ی پیاده سازی شده شبکه حس/کار ذره ی میکا یک نمونه از پیاده سازی سخت افزاری گره های حسگر ذره میکا دانشگاه برکلی امریکا است.این نمونه, یک واحد حس/کار کوچک (چندین اینچ مکعب) با یک واحد پردازنده مرکزی,منبع تغذیه,رادیو و چندین عنصر حسگر اختیاری می باشد.

پردازشگر آن یک پردازنده 8- بیتی از خانواده ی اتمل می باشد همراه با 128 کیلو بایت حافظه ی برنامه, 4کیلوبایت RAM برای داده 512کیلوبایت حافظه ی فلش .این پردازنده فقط یک کمینه از مجموعه دستورالعمل های ریسکRISK) )را بدون عمل ضرب, شیفت با طول متغیر و چرخش پشتیبانی می کند.رادیوی آن یک رادیوی مصرف پایین916 مگاهرتز با پهنای باند40 کیلو در ثانیه روی یک کانال تسهیم شده منفرد با محدوده ی نزدیک به 12 متر می باشد.

رادیو در حالت دریافت 4.8 میلی آمپر, در حالت ارسال تا 12میلی آمپر ودر حالت خواب 5 میکرو آمپر مصرف می کند.

شکل(6) ذره میکا ذره میکا در اندازه های مختلف وجود دارد,کوچکترین آن اغلب به عنوان غبار هوشمند شناخته می شود.طرح پژوهشی غبار هوشمند که به وسیله ی پروفسور پیتستروکان رهبری و هدایت می شود موفق به دستیابی حدی برای اندازه ومصرف توان در گره های حسگر خود مختار شده است.کاهش اندازه برای ساختن گره های ارزان و البته تسهیل گسترش آن بسیار مهم است.گروه تحقیقاتی امیدوارند که ضمن حفظ موثر توانایی های حسگری وارتباطی می توانند موارد لازم حسگری , مخابره اطلاعات و محاسبات سخت افزاری همراه با منبع تغذیه را در اندازه ای در حدود چند میلیمتر مکعب فراهم کنند.

این گره میلیمتر مکعبی غبار هوشمند نام دارد که حقیقتاَ قلمرو چیزهای ممکن شدنی است.چنان که نمونه های آتی آن می تواند به قدری کوچک باشد که معلق در هوا باقی مانده و به وسیله جریان هوا شناور شود و برای ساعت ها یا روزها موارد حس شده را ارسال کند.

غبار هوشمند می تواند اطلاعات را با استفاده از یک تکنولوژی بازتابنده ی نوری جدید, به صورت غیر فعال ارسال کند این یک راه معقول وارزان برای پراب یک سنسور یا تایید دریافت اطلاعات را فراهم می کند ارسال نوری فعال نیز ممکن است اما اتلاف انرژی بیشتری دارد.

شکل(7) ساختار داخلی غبار هوشمند بررسی نرم ا فزارهای شبیه سازی شبکه امروزه تکنولوژی شبیه سازی به طرز موفقیت آمیزی در جهت مدل سازی ، طراحی و مدیریت انواع سیستم های هوشمند به کار گرفته شده و در این راستا ابزارها و تکنیک های متعددی خلق شده که به طور مثال می توان به تکنیک شبیه سازی رویدادگردان اشاره کرد که اساس عملکرد بسیاری ازشبیه سازهای نوین می باشد.

کاربرد شبیه سازی در مورد شبکه های ارتباطی نیز سابقه ای 15 ساله دارد که هنوز هم در حال رشد می باشد ، دلایل استفاده از شبیه سازی در این حوزه را می توان در دو مورد خلاصه کرد : 1-پیدایش و گسترش شبکه هایی باتکنولوژی پیچیده 2-خلق ابزار ها و نرم افزارهای خاص شبیه سازی شبکه ها نرم افزارهای شبیه ساز شبکه توانایی شبیه سازی شبکه های ارتباطی را بدون نیاز به کد نویسی و معمولآ از طریق واسط های گرافیکی فراهم می کنند.

وجود عناصر شبیه سازی شده ای متناظر با عناصر واقعی ( روترها و سوئیچ ها ، ...

) در این گونه موارد علاوه بر بالا بردن دقت ، باعث افزایش سهولت و سرعت در فرآیند شبیه سازی می شود و به این ترتیب برای کاربران ناآشنا با فن برنامه نویسی بسیار مناسب می باشد.

خصوصیات لازم برای شبیه سازهای شبکه خصوصیاتی که شبیه سازهای شبکه باید داشته باشند عبارتند از : 1-انعطاف در مدل سازی : کاربر باید قادر باشد انواع جدیدی از منابع معمول شبکه همچون گره ها ، لینک ها و پروتکل ها را به مجموعه موجود در شبیه ساز بیفزاید.

2-سهولت در مدل سازی : وجود واسط گرافیکی و امکان مدلسازی به صورت ساخت یافته ، به شکلی که مدل های پیچیده بر اساس مدلهای ساده طرح شوند و همچنین قابلیت استفاده مجدد از ماژول ها از خصوصیاتی می باشد که باعث تسریع در فرآیند شبیه سازی می گردند.

3-اجرای سریع مدل ها : زمان پردازش در شبیه سازی های بزرگ برای شبکه هایی با تعداد زیاد گره بسیار مهم می باشد که لازمه آن مدیریت صحیح حافظه می باشد.

4-قابلیت مصور سازی : نمایش گرافیکی عناصر شبکه در حال تبادل پیغام ها با یکدیگر به رفع خطاهای شبیه سازی و درک نحوه کارکرد آن بسیار کمک می کند.

در برخی نرم افزارهای شبیه ساز اجرای مصور سازی همزمان با اجرای شبیه ساز و در برخی دیگر پس از انجام آن و به صورت Play Back انجام می گیرد.

5- قابلیت اجرای مجدد و تکراری شبیه سازی : هدف از انجام شبیه سازی به طور عمده تحقیق تآثیر یک یا چند پارامتر (برای مثال متوسط طول بسته ها و یا ظرفیت بافرها) بر کارایی شبکه می باشد و به همین خاطر تکرار پذیری یک شرط لازم برای این نرم افزارها می باشد.

در مجموع باید توجه داشت که خلق یک شبیه ساز شبکه دقیق و معتبر مستلزم بکارگیری تکنولوژی شبیه سازی در کنار دانش شبکه و پروتکل های آن می باشد.البته در کنار خصوصیات فوق وجود برخی قابلیت ها بر ارزش هر ابزار شبیه ساز خواهد افزود که از آن میان می توان به چند مورد اشاره ذیل اشاره کرد : 1- وجود ماژول های درونی از پیش آماده شده متناظر با عناصر و پروتکل های شبکه .

2-وجود یک مولد عدد تصادفی و در شکل های پیشرفته تر قابلیت خلق کمیت های با توزیع های تصادفی گوناگون چرا که اغلب رخدادها در یک فرآیند شبیه سازی اعم از تولید و ارسال بسته ها و یا ایجاد خرابی در آنها ، از نوع فرآیندهای تصادفی می باشند.

3-حمایت از کاربران به بهنگام سازی های به موقع (بخصوص در مورد پروتکلهای جدید) بهمراه مستندات کامل و گویا.

4- ارائه گزارشهایی از پارامتر های کارایی شبکه (نرخ خروجی، بهره وری ، تآخیر انتقال،...) در قالب ارقام و منحنی ها به همراه امکان انجام عملیات آماری روی نتایج از دیگر ویژگی های مثبت یک شبیه ساز می باشد.