معماری سرويس گرا برای شبکه های بیسيم حسگر (قسمت اول)

1-مقدمه

در آينده، افزايش در کوچک شدن مولفه هاي الکترونيکي و پيشرفت در فن آوري ارتباطي، توسعه سيستم هاي سيار و شبکه اي مختار را امکان پذير مي سازند. در 15سال آينده، اگر مشکلات تحقيقات بيان شده در اين کار حل شوند، شبکه هاي بي سيم حسگر پتانسيل تجاري عظيمي را خواهند داشت.

شبکه هاي حسگر تعداد زيادي از گره هاي حسگر کوچک را شامل مي شوند، که اين گره ها به صورت بي سيم با يکديگر ارتباط برقرار ميکنند.اين گره هاي حسگر ميتوانند در نواحي که به سختي قابل دسترسي هستند،پخش شوند .

يک گره حسگر داراي توانايي هايي براي محاسبه، ارتباط و حس کردن مي باشد. هدف قرار دادن همه ويژگيهاي اشاره شده در يک راه حل واحد مي باشد. همچنين کنترل کردن يک محرک امکان پذير مي باشد . شکل يک ساختار يک گره حسگر را نشان ميدهد.

عوامل زير بر توسعه گره هاي حسگر تاثير گذار مي باشند:

· افزايش پيچيدگي دستگاه روي ريز تراشه

· کارآيي بالا در فن آوري هاي ارتباطي حسگر

· ترکيب پردازش سيگنال ديجيتال و داده هاي حسي بدست آمده

· پيشرفت در توسعه سيستم هاي ريز الکترومکانيکي

· دسترس پذير بودن ابزارهاي توسعه با کارآيي بالا

در گره هاي حسگر، استفاده از مولفه ها و رويه هايي که از انرژي به صورت موثري استفاده مي کنند، براي طول عمر گره هاي شبکه حياتي مي باشند.

کارآيي پردازنده، محدوده تبادل، حساسيت راديويي، مصرف انرژي، وزن و اندازه بر استفاده از گره هاي حسگر تاثيرگذار مي باشند. تعدادي از موارد کاربرد شبکه هاي حسگر در نظارت پزشکي بر روي پارامترهاي حياتي مختلف، نظارت محيطي و کنترل ماشينها و دستگاههاي صنعتي مي باشند.

2- نيازمندي هاي شبکه هاي حسگر

علاوه بر وظايف يک گره که در هر کاربرد متفاوت مي باشد، کل شبکه نياز به پيروي از نيازمندي هاي پوياي سيستم دارد. اين توسعه بر روي تغييرات از يک نتيجه براي يک گره حسگر تا نتيجه کلي براي شبکه تمرکز مي کند. در نتيجه نيازمندي هاي زير براي فرآيند طراحي و پياده سازي شبکه هاي حسگر تاثيرگذارند:

شبکه هاي حسگر بايد داراي خاصيت خودسازماندهي باشند.

گره هاي حسي بايد وظايف نگهداري شبکه را انجام دهند.

پردازش وظايف بايد منجر به نتايج دقيق تر و کاربردهاي جديد شوند.

شبکه هاي حسگر نياز به مکانيزمهاي امنيتي دارند که براساس شرايط محيطي وفق پذير مي باشند.

همه الگوريتمها و پروتکلها بايد در مصرف انرژي بهينه هازي شده باشند.

1-3- خودسازماندهي

تعداد زيادي از گره ها در شبکه هاي حسگر نياز به راه حل هاي پيچيده اي براي سازماندهي خودکار شبکه دارند. فرآيند راه اندازي دستي توسط مدير تقريبا غيرممکن مي باشد.در نتيجه نرم افزار اين گره بايد با استفاده از تعامل با گره هاي همسايه يک زير ساخت شبکه را به طور خودکار راه اندازي کند.

براي شبکه ها ي خودسازمان دهنده ، آگاهي از محيط داراي اهميت مي باشد.در حين مرحله سازماندهي آگاهي از زير ساختار(آگاهي از پهناي باند و قابليت اطمينان شبکه) و دامنه(ارتباط بين اجزاي شبکه) داراي اهميت فراوان مي باشد.

آگاهي از داده هايي که در سيستم موجود مي باشند براي کارکردن مناسب يک گره حسي لازم مي باشد. اين زمينه مي تواند به دليل سيار بودن گره ها به صورت دائم تغيير نمايد در نتيجه بايد مکانيزمهايي را براي به روز رساني مورد بحث قرار دهد.

2-3- عملکرد شبکه

توسعه نرم افزار براي شبکه هاي حسگر بي سيم نياز به تکنولوژي ها و نگرشهاي خلاقانه اي در برنامه نويسي دارد.اصول قراردادي ارتباطات به دليل همبندي پويا و نياز براي پردازش وظايف در شبکه هاي حسگرعمدتاً غير قابل استفاده مي باشند.

شبکه هاي سيمي قديمي معمولا برمبناي اصل سرويس دهنده مشتري مي باشند.

با اين وجود ارتباط در شبکه هاي حسگر بايد برمبناي رخدادها ميباشد: عبور از يک مقدار آستانه در يک گره خاص رخدادي را به سمت چاهک هاي داده روانه ميکند.

برخلاف روش ارتباطي متدوال توسط درخواست-پاسخ در اين روش ميتوان از اسراف انرژي جلوگيري نمود.

روش آدرس دهي گره ها در شبکه هاي بيسيم با شبکه هاي سيمي متفاوت است.نظر به اينکه توزيع تصادفي و تحرک گره ها مانع از انتساب آدرس گره ها به مکان خاصي مي شود،براي شبکه هاي حسگر آدرس دهي صريح گره ها از طريق ID يا IP نامطلوب است.از آنجائيکه به برقراري ارتباط با گره بخصوصي نياز نداريم آنرا از طريق آدرسش توصيف مي کنيم،ما از يک مکانيزم آدرس دهي که "نامگذاري بر اساس ويژگي" ناميده مي شود استفاده مي کنيم. يک درخواست پردازش رضايت به موقعيت و محتواي گره ها نياز دارد."درجه دما در نقطه X,Y))چقدر است؟"مثالي براي يک درخواست شبکه است.

در شبکه هاي حسگر بزرگ بسته هاي اطلاعاتي بايد بواسطه ي گره هاي مياني از منبع داده ها به سوي چاهک داده ها مسير دهي شوند(بسته هاي اطلاعاتي به منظور رسيدن از منابع داده ها به چاهک هاي داده ها مجبورند از سرتاسرگره هاي مياني عبور کنند.) ،علاوه بر وظيفه ي اندازه گيري (سنجش) تمام گره ها مجبورند براي حفظ يکپارچگي شبکه يکسري کارهاي اضافي انجام دهند.اين کارهاي اضافي مي توانند تأثير قابل توجهي در طول عمر و عملکرد يک گره حسگر داشته باشند.براي پياده سازي نرم افزار شبکه حسگر،تکنيکهاي ويژه اي بايد استفاده شوند تا ميان پردازش،عملکرد(کارايي)شبکه و طول عمر گره ها توازن پيدا شود(ايجاد کنند).

يک روش بالقوه مي تواند يک استراتژي اجتناب ارتباطي resp باشد،به عنوان مثال،مسير دهي وابسته به مفهوم يک نقصان ارتباطي است.براي شبکه هاي ايستا يک الگوريتم مسيريابي فعالانه قابل اجراست،. مسيرها بخوبي(بطور پيشگيرانه) بدون درخواست براي مسيري خاص(معين) کشف شده اند. از آنجائيکه در شبکه ي داراي گره هاي متحرک(سيار)،مسيرها دائما دستخوش تغييرات هستند به الگوريتم هاي متفاوت نياز دارد.از اينرو پروتکل هاي فعال سازي مجدد براي توپولوژي هاي شبکه پويا بکار مي رود.مسيرها فقط در صورت نياز کشف مي شوند(پيدا مي شوند).يک الگوريتم مسيريابي بهينه براي شبکه هاي حسگر،بايد استراتژي خود را با توجه به تحرک(سيار بودن)گره ها منطبق کند.

3-3- الگوريتم هاي همکاري

يکي از مزاياي شبکه هاي بيسيم در مقايسه با میکروسنسورهاي شبکه بندي شده،امکان استفاده از الگوريتم هاي همکاري است.کاهش ترافيک شبکه توسط پردازش و تجمع داده ها يک پتانسيل کاربرد اين الگوريتم هاست.براي يک برنامه کاربردي حسگر مهم نيست که تجمع داده ها درون خود گره انجام شده است يا توسط گره هاي مجاور.ارتباطات هدايت شده به چاهک هاي داده ها بايد به حداقل برسند،هرچند چاهک هاي داده ها معمولا در محل دوري واقع شده اند.تعيين موقعيت مثلثي يک مثال از الگوريتم همکاري است.اين الگوريتم حداقل به اندازه گيري سه گره متفاوت نياز دارد.سپس موقعيت هاي محاسبه شده مي تواند براي آدرس دهي يا مسيريابي استفاده شوند.

4-3- مکانيزم هاي امنيتي

انتخاب مکانيزم امنيتي مناسب براي شبکه هاي حسگر بيسيم به کاربرد و شرايط محيطي آن بستگي دارد.علاوه بر اين،منابع گره هاي حسگر(کارايي پردازشگر،ظرفيت حافظه و انرژي)بايد به صرفه باشند.(بايد به حساب آورده شوند).علاوه بر نيازمندي هاي استاندارد امنيتي،مانندقابليت در دسترس بودن،محرمانه بودن،يکپارچگي،احراز هويت(سنديت) و غير قابل انکار بودن، نيازمنديهاي خاص امنيتي مانند تازگي پيام،رديابي(کشف)ورود بدون اجازه (نفوذ)،تحمل نفوذ،يا محدود کردن براي شبکه هاي حسگر وجود دارد.

براي برآوردن خواسته هاي ايمني فوق الذکر،مکانيزم هاي امنيتي سازگار با شبکه هاي بيسيم توسط چندين تيم تحقيقاتي توسعه داده شده و تست شده اند. وظيفه ي ميان افزار انتخاب و مديريت مکانيزم هاي امنيتي وابسته به ساستهاي امنيتي تعريف شده توسط اپراتور شبکه حسگر است.

5-3- رويکرد کم قدرت

گره هاي حسگر معمولا باتري محور هستند(با باتري کار مي کنند)،اگر چه باتري هاي آنها چه کوچک و چه بزرگ باشند بايد تعويض يا شارژ مجدد شوند.علاوه براين،شبکه هاي میکروسنسور غالبا در دوردست يا محيط خطرناک قرار گرفته اند.از اينرو افزايش طول عمر گره هاي حسگر چالش اصلي طراحي و پياده سازي است.

سخت افزار ميکروکنترلر بکار رفته براي گره هاي حسگرتکنيک هاي صرفه جويي در مصرف انرژي را فراهم مي کند.يکي از اين تکنيک ها مديريت توان پويا(DPM) است. DPMخاموش کردن مؤلفه هايي از سخت افزار که به آنها نياز نداريم با استفاده از مقياس گذاري ساعت است.

يک سيستم عامل براي گره هاي حسگر بايد رويکرد کم توان و زمانبندي وظايف را پياده سازي کند.براي مثال يک الگوريتم زمانبندي مي تواند از مزيت اثرات باتري غيرخطي در کاهش مصرف انرژي استفاده کند. گذشته از اين،انتخاب پروتکل هاي ارتباطي مناسب کاهش مصرف انرژي را افزايش مي دهد.امکان ذخيره سازي در لايه هاي فيزيکي،پيوند و لايه شبکه بيشترين احتمال را دارد.

معماری سرويس گرا برای شبکه های بیسيم حسگر (قسمت اول)

مطالب مشابه :

معماری سرويس گرا برای شبکه های بیسيم حسگر (قسمت اول)

چالش های مسیریابی در شبکه حسگر بی سیم 2

مقاله شبکه های حسگر بیسیم

کاربردهای نظامی شبکه های حسگر بی سیم

مقاله شبکه های حسگر بیسیم

TinyOS: یک معماری سرویس گرا برای شبکه بیسیم حسگر

دانلود مقاله روشهای انتشار اطلاعات در شبکه های حسگر بیسیم

شبکه های حسگر بیسیم

دانلود پایان نامه شبکه های حسگر بی سیم

پایان نامه - شبکه های موردیMANET وشبکه های حسگر بیسیم ( برای دیدن خلاصه مقاله به ادامه مطلب بروید )