همزمان سازی: بسیاری از روشها فرض میکنند که گره ها همزمان شده اند تا با یکدیگر بیدار شده و دور جدیدی از زمانبندی را شروع کنند .روش های گوناگونی برای همزمان سازی گره های حسگر ارائه شده است[۳۶][۳۷].

(( 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. ))

مدلهای خرابی^[۱۵]: چگونگی خرابی گره ها فرض مهمی هم درباره گره ها و هم درباره محیطی که گره ها در آن بکار رفته اند ،میباشد. تمامی روشها در نظر میگیرند که هنگامیکه انرژی یک گره به اتمام میرسدآن گره خراب شده است. برخی روش های دیگر در نظر میگیرند که ممکن است گره ها پیش از آنکه انرژیشان به اتمام برسد خراب شوند .به عنوان مثال ممکن است حسگرها توسط تانکها در یک منطقه نظامی نابود شوند[۲۵].
پویایی حسگرها: در اکثر روشها در نظر گرفته میشود که حسگرها جابجایی ندارند ویا اینکه بطور مستقیم فرضی بیان نمیشود.در واقع اکثر مقالات به این بحث میپردازند که حسگرها در محیط واقعی جابجایی ندارند و یا جابجایی بسیار کمی دارند[۲۱].
اطلاعات مکانی: برخی از روشها در نظر میگیرند که حسگرها قادر هستند مکان جغرافیایی خودرا تعیین کنند.معمولا اطلاعات جغرافیایی برای تعیین اینکه چه مقدار از ناحیه تحت پوشش حسگر با همسایگانش همپوشانی دارد به کار میرود .اگر مکان به کار گیری حسگر ازقبل مشخص بوده و حسگر جابجایی نداشته باشد میتوان این اطلاعات را پیش از به کار اندازی درون حسگر برنامه ریزی کرد.درغیر اینصورت لازم است که گره ها به دستگاه موقعیت یاب جهانی مجهز باشند و یا یک الگوریتم مسیریابی را اجرا کنند[۴۴].
۱۰-اطلاعات فاصله: برخی از مقالات فرض میکنند که در یک ساختار خوشه ای گره ها قادر هستند که فاصله خود را از سرشاخه خود تعیین کنند .اطلاعات فاصله را میتوان از اطلاعات مکان گره ها استخراج نمود(ولی عکس این عمل ممکن نمیباشد.)به علاوه ممکن است بتوان فاصله را از قدرت سیگنال تخمین زد[۴۲].
۱-۶-۲ اهداف طراحی^[۱۶]
کاربردهای مختلف دارای نیاز مندیهای متفاوتی هستند، بنابراین شبکه های حسگر ممکن است در اهداف طراحی متفاوت باشند ویا اینکه اولویت اهداف آنها با یکدیگر فرق کند. بیشینه کردن طول عمر شبکه مسلما یکی از مهمترین اهداف طراحی در همه شبکه های حسگر است که قرار است برای مدت طولانی کار کنند. از سوی دیگر شبکه های حسگر برای انجام وظیفه ای مشخص مانند حس کردن محیط و انتقال داده به کار میروند بنابراین یک یا چند هدف کیفیت سرویس^[۱۷] مانند حفظ پوشش محیط ، نیز به همراه کمینه کردن مصرف انرژی در نظر گرفته میشوند.به علاوه طراحی ممکن است تعدادی هدف لایه بالا^[۱۸] ماننداستحکام^[۱۹]، مقیاس پذیری^[۲۰] و یا سادگی^[۲۱] داشته باشد. دستیابی به یک هدف ممکن است برروی یک هدف دیگر تاثیر بگذارد .بنابراین لازم است که رابطه بین این اهداف مورد مطالعه قرار بگیرد.
بیشینه کردن عمر شبکه: عمر شبکه بصورتهای مختلفی تعریف شده است و هر روش کارا در مصرف انرژی نوع خاصی از عمر شبکه رابیشینه میکند.[۲۱][۳۱] [۴۲] [۴۵] در ساده ترین حالت ،شبکه زنده در نظر گرفته میشود در صورتیکه یکی از حسگرها زنده باشند. عمر شبکه ممکن است بدین صورت تعریف شود که تازمانیکه درصد گره های فعال در یک شبکه از یک آستانه پایینتر است (مثلا۹۰%) شبکه زنده است. نوع دیگری از تعریف عمر شبکه به این صورت است که یک معیار کیفیت سرویس در نظر گرفته شود. به عنوان مثال تا زمانیکه پوشش ناحیه (یا اتصال،در صد انتقال داده و…) از یک حد بالاتر است شبکه فعال تعریف میشود.
پوشش حسگرها: از آنجا که حس کردن محیط وظیفه اصلی شبکه حسگر است فراهم آوردن پوشش برروی ناحیه مورد نظر یک معیار کیفیت مهم است.اگر تمامی نقاط در ناحیه مورد نظر تحت پوشش شبکه باشند گفته میشودکه شبکه پوشش۱- لایه ای^[۲۲] دارد .در صورتیکه هر نقطه حداقل توسط k حسگر پوشانده شود به آن پوشش –Kلایه ای^[۲۳] گفته میشود(پوشش ۱-لایه ای نوع خاصی از پوشش –Kلایه ای است.) یک شبکه حسگر همچنین ممکن است که پوشش ۱- لایه ای یا –K لایه ای جزئی^[۲۴] داشته باشد.گاهی ارائه تضمین قطعی با پیش فرضهای داده شده ممکن نمیباشد بنابراین برخی روشها ، پوشش حدی هنگامیکه تعدادگره ها به سمت بی نهایت میرود ارائه میکنند[۲۵] [۱۸].
اتصال شبکه:در صورتیکه داده های حسی^[۲۵] نیاز داشته باشند تا با چند گام^[۲۶] به ایستگاه پایه برسند حفظ اتصال بین گره ها اهمیت بسیاری پیدا میکند .برخی از روشها حتی سعی میکنند که شبکه را طوری پیکربندی کنند که درجه ای از اتصال^[۲۷] که مورد نیاز کاربرد است رافراهم کنند.مشابه پوشش حسگرها، اتصال آنها هم میتواند حدی در نظر گرفته شودبه این صورت که هنگامیکه تعدادگره ها به سمت بی نهایت حرکت کند شبکه حتما متصل خواهد بود.[۲۳]
نرخ انتقال داده:بالابودن نرخ انتقال داده معیار کیفیت سرویس دیگری برای برخی از کاربردها میباشد.این مقدار میتواند بصورت درصد داده های انتقال داده شده از یک منبع به یک مقصد تعریف شود.این معیار هنگامیکه درون شبکه تجمیع صورت میگیرد مناسب نیست.
کیفیت پایش^[۲۸]:یک معیار ارائه شده برای کیفیت پایش در شبکه های حسگر طراحی شده ویژه ردگیری اهداف بصورت میانگین فاصله ای که یک هدف طی میکند پیش از اینکه توسط شبکه کشف شود ، تعریف میشود.به این صورت شبکه ای که بتواند در مدت زمان و فاصله کوتاهتری هدف را شناسایی کند دارای کیفیت پایش بهتری میباشد.کیفیت پایش تنها به پوشش گره ها بستگی ندارد بلکه به چینش جغرافیایی آنها نیز بستگی پیدا میکند.درصورتیکه شبکه در برخی از نقاط خوشه بندی شده باشد ممکن است که هدف فاصله زیادی را طی کند پیش از اینکه کشف شود.بنابراین ممکن است فاصله ای که هدف پیش از کشف شدن طی میکند بیشتر از شبکه حسگری با پوشش مشابه ولی خوشه بندی نشده و دارای توزیع یکنواخت تر باشد.
نهانکاری: برخی از کاربردها در شبکه های حسگر نیاز دارند که کار آنها قابل کشف نباشندویا احتمال کشف آنها بسیار پایین باشد.نهانکاری از طریق کاهش تعداد پیامهای کنترلی ممکن میباشد.پایین آوردن مدت زمان ارسال نیز به نهانکاری کمک میکند در صورتیکه گره ها تنها در دوره های خاص اجازه ارسال داشته باشند.[۴۵]
مصرف انرژی متعادل: برخی از روشها سعی میکنند که مصرف انرژی بین گره ها را متعادل کنند.یک استدلال رایج برای این کار این است که اگر انرژی برخی از گره ها زودتر از بقیه به اتمام برسد پوشش شبکه و یا اتصال آن ممکن است پیش از موعد از بین برود.یک استدلال مخالف به چگالی بالای گره تکیه میکند و میگوید که حتی اگر برخی از گره ها از بین بروند گره های جایگزین آنها موجود خواهد بود.
مقیاس پذیری:یک تعریف همه گیر برای مقیاس پذیری ارائه نشده است.ولی در اکثر شبکه های حسگر افزایش بصورت خطی ویا سریعتر هزینه محاسبات نسبت به افزایش تعداد همسایگان یک گره ناخوشایند است.از سوی دیگر اگر هر گره تنها وضعیت همسایگان فعال خود را نگهداری کند از آنجا که تعداد این گره ها کم است الگوریتم همچنان مقیاس پذیر در نظر گرفته میشود.
استحکا^[۲۹]م:استحکام ،توانایی شبکه در تحمل خرابی های پیش بینی نشده است.به عنوان مثال حسگرهای یک شبکه ممکن است توسط تانک ها یا بمب ها پیش از اتمام باتری آنها خراب شوند.یک روش مستحکم نمیتواند انتظار داشته باشدکه همه گره های خواب شبکه بیدار شوند.زیرا ممکن است تعدادی از این گره ها در مدت زمان خواب خود از کار افتاده باشند.بدیهی است که پیش فرضهای طراحان تا حد زیادی تعیین کننده استحکام برنامه میباشد.
سادگی:حسگرهای فعلی دارای حافظه محدودی برای ذخیره کردن برنامه ها هستند.مثلاMICA2 تنها ۸کیلوبایت فضای حافظه برای ذخیره برنامه دارند.به علاوه حسگرها دارای قدرت محاسباتی پایین میباشندو اشکال زدایی آنها دشوار میباشد.
۱-۶-۲-۱ رابطه بین اهداف طراحی
ازآنجا که بررسی رابطه همه موارد فوق ممکن نمیباشدبرخی از روابط مهمتر بین این اهداف طراحی بررسی میشوند.
هنگامیکه دامنه ارسال گره ها حداقل دوبرابر دامنه پوشش حسگرها باشد،پوششK- لایه ای منجر به اتصال K تایی میشود.[۲۳]
بالاتر بودن درجه اتصال معمولا باعث بالارفتن استحکام شبکه دربرابر خرابی ها میشودزیرا تعداداتصالاتی که باید قطع شوند تا اتصال شبکه از بین برودافزایش می یابد.
نرخ انتقال داده معمولا با بالا رفتن درجه اتصال افزایش پیدا میکند ولی در صورتیکه این درجه بسیار بالا باشدبرخورد بین بسته های ارسالی ممکن است این رابطه را برعکس کند.
بالاتر بودن میزان نهانکاری میتواند منجر به مصرف انرژی کمتر شود درصورتیکه نهانکاری از طریق پایین آوردن پیام های کنترلی انجام شود.
۱-۶-۳ حالتهای صرفه جویی در مصرف انرژی حسگر^[۳۰]
برای فهم بهتر روش های صرفه جویی در مصرف انرژی لازم است حالتهای مختلف ذخیره انرژی که توسط حسگر فراهم میشوند را بررسی کنیم.یکی از پیچیدگی ها در اینجا متفاوت بودن پشتیبانی حسگرهای مختلف از حالتهای صرفه جویی در مصرف انرژی میباشد و حتی اگر حسگرها دارای حالات صرفه جویی مشابهی باشند واژگان بکار رفته توسط مقالات مختلف برای آنها متفاوت میباشد.حالات رایج صرفه جویی در مصرف انرژی را در این قسمت بررسی خواهیم کرد:
◄ فعال:تمامی قسمتهای حسگر فعال میباشند.حسگر قادر است که داده های حسی را جمع آوری کرده ، پیام را دریافت کند و یا بفرستد ، داده ها و پیامها را پردازش کند و سایر انواع محاسبات را انجام دهد.این حالت معمولا فعال خوانده میشود و یک حالت صرفه جویی در مصرف انرژی نیست.
◄ واحد حسی ^[۳۱]فعال: حداقل یکی از واحدهای حسی و پردازنده فعال میباشند ولی واحد گیرنده و فرستنده خاموش میباشد.در این حالت حسگر قادر است داده های حسی را جمع آوری و پردازش کند ولی قادر به فرستادن یا دریافت پیام نمیباشد.
◄ واحد فرستنده فعال: دستگاه فرستنده و پردازشگر روشن هستند ولی واحد های حسی حسگر خاموش میباشند.دراین حالت حسگر قادر است پیام بفرستد،دریافت کند و پیامها را پردازش کند ولی قادر به حس کردن محیط نیست.
◄غیرفعال: پردازشگر حسگر خاموش میباشد ولی یک تایمر و یا یک مکانیسم راه اندازی دیگر برای فعالسازی حسگر را برعهده دارد.به این حالت ، حالت خواب گفته میشود.
باید توجه داشت که برخی از حسگرها حالات مختلف غیر فعال دارند که هرکدام مکانیزم به راه اندازی متفاوتی دارند .برای مثال حسگرهایAMPSµ دارای سه حالت خواب میباشد:دیده بانی^[۳۲]،مشاهد^[۳۳]ه و خواب عمیق^[۳۴].[۴۶] در هر سه مورد پردازشگر خاموش میباشد بنابراین حسگر قادر به پردازش داده های حسی ویا پیام ها نمیباشد.درحالت دیده بانی ، هم واحد حسی و هم واحد فرستنده فعال هستندتا پیامهای فعالسازی را دریافت کنند. در حالت مشاهده ، تنها واحد حسی فعال میباشد.تفاوت آنها با واحد حسی فعال در این است که در این حالت پردازشگر نیز خاموش میباشد.در حالت خواب عمیق نه واحد حسی فعال است نه واحد فرستنده.بنابراین حسگر برای بیدار شدن به تایمر داخلی خود تکیه میکند.اکثر انواع حسگرها دارای حالتی شبیه AMPSµ میباشند که این حالت در اکثر روش های صرفه جویی در مصرف انرژی مورد استفاده قرار میگیرد.طراحانAMPSµ روشی را برای استفاده از هر سه حالت صرفه جویی ارائه داده اند.
بیشترین مقدار صرفه جویی انرژی در حالت خواب عمیق صورت میگیرد زیرا واحدهای حسگر ، پردازش وفرستنده همگی خاموش هستند.فعالیت واحد فرستنده معمولا مصرف انرژی بیشتری نسبت به واحد حسی دارد ولی مصرف انرژی دستگاه فرستنده همچنین بستگی به الگو و فرکانس ارتباط دارد.
تقریبا تمامی روشها از حالت غیر فعال استفاده میکنند.برخی از روشها از دوحالت واحد حسی و واحد فرستنده فعال نیز استفاده میکنند.گاهی اوقات تعیین اینکه حسگر در کدامیک از حالات فوق به سر میبرد دشوار است.
۱-۷ روش های زمانبندی توزیع شده در شبکه های سلسله مراتبی
در شبکه های سلسله مراتبی مانند شبکه های خوشه بندی شده^[۳۵] ، حسگرها توسط مکانیزمی در خوشه هایی محلی دسته بندی میشوند.هر خوشه دارای یک سرخوشه^[۳۶] (سرگروه) است.سرخوشه ها ممکن است حسگرهایی با توانایی بالاتر حسی ویا… نسبت به سایر گره ها باشند یا نباشند.سرخوشه ها وظیفه ارتباط گره های درون خوشه خود با ایستگاه پایه را به عهده دارند.ارتباط سرخوشه ها با ایستگاه پایه ممکن است چندگامه و از طریق سرخوشه های دیگر باشد.در این قسمت به روش های زمانبندی بر پایه خوشه بندی میپردازیم:
در[۵۱] روش ^[۳۷]LEACH(خوشه بندی سلسله مراتبی انطباقی کم مصرف) برای خوشه بندی گره ها در شبکه های حسگر ارائه شده است. در این روش به صورت تصادفی نقش سرخوشه بین گره های مختلف تقسیم میگردد تا مصرف انرژی به صورت یکنواخت بین گره های مختلف تقسیم شود.درLEACH فعالیتها به دوره هایی تقسیم میشوند.از آنجایی که سرخوشه وظایف بیشتری به عهده دارد در هر دوره سرخوشه عوض میشود تا از خالی شدن سریع باتری سرخوشه ها جلوگیری شود.سر خوشه ها بصورت خود بر گزیده تعیین میشوند.برای صرفه جویی در مصرف انرژی حسگرهای غیر سرخوشه همگی مگر در هنگام فرستادن داده خاموش میشوند.
در مقاله ژورنال LEACH دو مورد بهبود داده شده است:
الگوریتم بهتری برای انتخاب سرخوشه ها ارائه شده است.
تعداد بهینه خوشه ها در شبکه تعیین شده است.
به این روشE-LEACH^[38] گفته میشود.
در[۵۲]و[۵۳] یک روش ساده برای انتخاب سرخوشه ها ارائه شده است.در این روش سرخوشه ها با احتمال P انتخاب میشوند. در این روش دونوع سرخوشه وجود دارد.سرخوشه های داوطلب و سرخوشه های اجباری. هرگره با احتمال P به صورت یک سرخوشه داوطلب درمی آید. این گره سپس این موضوع را با پیامی اعلان میکند که این اعلان تاKگام پیش میرود.هر گره غیر سر خوشه ای که این پیام را میشنود به صورت جزئی از این خوشه قرار می گیرد.هرگاه حسگری بعد از طی t دوره زمانی به عضویت هیچ
گروهی در نیامد به صورت اجباری به عنوان سرگروه تعیین می شود.در [۵۲]و [۵۳] مقدار بهینه احتمالP برای کمینه سازی مصرف انرژی در یک شبکه سلسله مراتبی h- لایه ای تعیین شده است.
در[۴۵] یک روش دیده بانی کم مصرف(ESS^[39]) که کارایی دیده بانی را در برابر مصرف انرژی با تنظیم حساسیت سیستم،دادوستد می کند. در این روش گره ها به صورت پویا به دو دسته نگهبان^[۴۰] و غیر نگهبان تقسیم می شوند.نگهبان ها مشابه سرخوشه ها به صورت محلی توسط حسگرها انتخاب می شوند.یک حسگر در صورتیکه ببیند که هیچ یک از همسایگانش به عنوان نگهبان تعیین نشده اند ،خود را به عنوان نگهبان انتخاب میکند و قصد خود را به همسایگانش اطلاع می دهد.یک تاخیر با مدت زمان تصادفی برای جلوگیری از برخورد اعلان ها هنگامی که تعدادی همسایه همزمان تصمیم می گیرند که نگهبان شوند استفاده می شود.گره های غیر نگهبان به صورت متناوب از حالت بیدار به حالت خاموش می روند و بالعکس.دو روش مختلف پیش فعال^[۴۱] و واکنشی برای تعین دوره های خواب و بیدار ارائه شده اند.
در[۴۲] یک روش زمانبندی خواب گره ها به نام زمانبندی فاصله خطی(LDS^[42]) برای شبکه های سلسله مراتبی خوشه بندی شده با چگالی بالا ارائه شده است.هدف،کاهش مصرف انرژی در عین حفظ پوشش کافی است. برای دستیابی به این هدف گره هایی که در فاصله بیشتری از سرخوشه قراردارند با احتمال بالاتری به خواب می روند.منطق این کار بر این نکته استوار است که گره ها قادرهستند در گامهایی دامنه ارسال خود را تغییر دهند و از آنجاکه برای ارسال به نقاط دورترانرژی بیشتری نیاز است،گره های دور از سرخوشه بیشتر به خواب می روندتا هزینه بالای ارسال آنها به سرخوشه جبران گردد.در این روش ساختار خوشه ها ایستا است و هنگامیکه سرخوشه ها انتخاب شوند دیگر تغییر نمیکنند.
در[۵۴] نویسندگان به گسترش روشLDS پرداخته اند و روش زمانبندی با مصرف انرژی متوازن(BS) را ارائه کرده اند. در این روش با توزیع متوازن وظایف فرستادن و حس کردن بین گره های غیرسرخوشه تلاش شده است که مصرف انرژی گره ها مستقل از فاصله آنها از سرخوشه باشد.نویسندگان یک تابع بااحتمال به خواب رفتن p(x) به دست آورده اندکه در آن مصرف انرژی گره مستقل از x یعنی فاصله آن از سرخوشه می باشد.
۱-۸روشهای زمانبندی توزیع شده در شبکه های غیر سلسله مراتبی
دراین بخش برخی از روش های زمانبندی راکه قابل استفاده در شبکه های غیر سلسله مراتبی میباشند بررسی میکنیم.
در [۱۸]روش زمانبندی تصادفی مستقل (^[۴۳]RIS) برای افزایش طول عمر شبکه در عین دستیابی به پوشش