1. دانشكده مهندسي كامپيوتر و فنّاوري اطلاعات
شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم
Wireless Sensor Networks
Medium = Air
محمدرضا اسلامی نژاد
استاديار
دانشكده مهندسي كامپيوتر و فنّاوري اطلاعات
دانشگاه جهرم

2. مقدمه – فهرست مطالب زيرساخت بي‌سيم؟ شبكه‌هاي موردي (سيار)
شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم
مقايسه
شبکه‌های بی‌سیم به دو دسته شبکه‌های با زیرساخت و شبکه‌های موردی (Ad Hoc) طبقه‌بندی می‌شوند. شبکه‌های حسگر دسته خاصی از شبکه‌های موردی می‌باشند که برای کاربردهای نظارت و کنترل محیط بکار گرفته می‌شوند. (مانند Environment monitoring, World wild surveillance, Seismic monitoring)
در این فصل ابتدا شبکه‌های بی‌سیم با زیرساخت شرح داده می‌شود سپس شبکه‌های موردی سیار و شبکه‌های حسگر بی‌سیم، کاربرد شبکه‌های حسگر و مسایل و چالش‌های طراحی و پیاده‌سازی بیان خواهد شد. در انتها مقایسه‌ای بین شبکه‌های حسگر بی‌سیم و شبکه‌های موردی سیار و شبکه‌های field bus صورت خواهد گرفت.

3. شبكه‌هاي بي‌سيم مبتني بر زيرساخت
شبكه بي‌سيم متداول: مبتني بر زيرساخت
مانند GSM و UMTS
ايستگاه‌هاي پاية متصل به يك شبكه‌ي backbone سيمي
دستگاه‌هاي سيار به شكل بي‌سيم با ايستگاه پايه ارتباط برقرار مي‌كنند
ترافيك بين دستگاه‌هاي سيار مختلف توسط ايستگاه‌هاي پايه و backbone سيمي رله مي‌شوند
تحرك پذيري (mobility) با تعويض (switching) يك ايستگاه پايه با ایستگاه پایه دیگر پشتيباني مي‌شود
زيرساخت backbone براي وظايف مديريتي لازم است
شبکه‌های بی‌سیم متداول مانند شبکه‌های GSM و UMTS شبکه‌های با زیرساخت هستند (Infrastructure-based networks). در این شبکه‌ها همانطور که در شکل مشاهده می‌شود، ایستگاه‌های پایه‌ای (Base Station) وجود دارند که به ستون فقرات (Backbone) شبکه متصل هستند. وسایل سیار به صورت بی‌سیم با ایستگاه پایه ارتباط برقرار می‌کنند. ترافیک بین وسایل سیار مختلف توسط ایستگاه‌های پایه و ستون فقرات رله می‌شوند. تحرک پذیری گره‌ها با تعویض یک ایستگاه پایه با ایستگاه پایه دیگر پشتیبانی می‌شود. زیرساخت ستون فقرات برای انجام عملیات مدیریتی همچون پیکربندی، سازمان‌دهی شبکه و ... لازم است.
اختصار "سیستم جهانی ارتباطات راه دور موبایل یا Universal Mobile Telecommunications System" میباشد. UMTS یکی از فن آوریهای تلفن موبایل در حال پدیدار شدن است که بعنوان نسل سوم G) )3 شناخته شده میباشد. سیستمهای نسل سوم طراحی شده اند که شامل وظایف تلفن سنتی نظیر برقراری تماسها، پست صوتی، و پیج کردن، و اما وظایف فن آوری جدید نظیر دسترسی اینترنتی، تصاویر ویدیویی، و SMS یا
پیام دهی متنی باشند. در حقیقت UMTS نسل جدید سیستم مخابراتی GSM است که امکانات لازم برای نسل سوم تلفن های همراه G) )3 را فراهم می آورد .
GSM : مخفف عبارت Global System for Mobile communications می باشد . GSM استاندارد بین المللی سیگنال های رادیویی دیجیتال است که توسط انستیتو استانداردهای ارتباط از راه دور اروپا ، بنیانگذاری شده است . GSM اکنون به عنوان شبکه مخابراتی نسل دوم G) )2 تلفن های همراه در اکثر نقاط جهان از جمله ایران مورد استفاده قرار می گیرد .
IP backbone
Further networks
Gateways
Server
Router

4. شبكه‌هاي بي‌سيم مبتني بر زيرساخت – محدوديت‌ها؟
اگر
هيچ زيرساختي در دسترس نباشد؟ - مانند مناطق سانحه ديده
برپايي بسيار گران/مشكل است؟ - مانند محوطه‌هاي ساختماني بزرگ و دور و یا مانور نظامی
زماني براي برپايي وجود ندارد؟ - مانند عمليات‌هاي نظامی در خاک دشمن
چه باید کرد؟
در بسياري از شبكه‌ها، محدوديت استفاده از زيرساخت وجود دارد، مانند مناطقي كه آتش‌سوزي، زلزله يا سيل رخ داده است. چرا كه ايجاد زيرساخت هم هزينه‌بر و هم زمان‌گير است. در شرايطي هم اصلاً امكام‌پذير نيست.

5. كاربردهاي ممكن براي شبكه‌هاي مستقل از زيرساخت
خودكارسازي كارخانه
عملیات امداد و نجات
ارتباط ماشين به ماشين
در این اسلاید مثال‌هایی از کاربردهای بدون زیرساخت را می‌بینیم، به عنوان مثال عملیات امداد و نجات در زمان وقوع حوادث، شبکه خودروها در بزرگراه‌ها، خودکارسازی عملیات در کارخانه‌ها تولیدی و یا شبکه‌های نظامی در زمان انجام عملیات نظامی و ... از جمله کاربردهایی هستند که ایجاد زیر ساخت از نظر زمانی امکان پذیر نمی‌باشد و یا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
شبكه‌سازي نظامي: تانك‌ها، سربازها، ...
يافتن محوطه‌هاي پاركينگ خالي در يك شهر، بدون پرسش از يك سرور
جستجو و امداد در يك سقوط بهمن
شبكه‌سازي محدودة شخصي (ساعت، عينك، PDA، ابزار پزشكي، ...)
...

6. مقدمه – فهرست مطالب زيرساخت بي‌سيم؟ شبكه‌هاي موردي (سيار)
شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم
مقايسه

7. راه‌حل: شبكه‌هاي (سيار) موردي (ادهاک)
تلاش براي ساخت يك شبكه بدون زيرساخت، با استفاده از قابليت‌هاي شبكه‌اي عناصر مشاركت كننده
اين يك شبكة موردي است – يك شبكه ساخته شده ”براي يك هدف مشخص“
ساده‌ترين مثال: لپ‌تاپ‌ها در يك اتاق كنفرانس – يك شبكة موردي تك گامه
درشبکه‌های موردی (ad hoc)، اگر دو گره در ناحیه انتشار امواج یکدیگر قرار داشته باشند، می‌توانند بطور مستقیم به تبادل داده‌ها بپردازند و نیازی به ایستگاه پایه یا Access Point ندارند. به این شبکه‌، شبکه موردی (تک گامه) گفته می‌شود.

8. مشكلات/چالش‌هاي شبكه‌هاي موردي
بدون يك زيرساخت متمركز، مسائل بسيار سخت‌تر مي‌شوند
مشكلات ناشي از موارد زير هستند:
نبود عنصر مركزي براي سازمان در دسترس
دامنة (range) محدود ارتباط بي‌سيم
تحرك عناصر مشاركت كننده
عناصري كه با باتري كار مي‌كنند
هرچند ایجاد زیرساخت در کاربردهای زیادی امکان پذیر نمی‌باشد، اما نداشتن زیرساخت نیز مشکلاتی در بر دارد. سازمان‌دهی، دامنه محدود ارتباط‌های بی‌سیم، تحرک عناصر شبکه، و مسائلی از این فبیل، از جمله مشکلات نداشتن زیرساخت متمرکز می‌باشد.

9. نبود عنصر مركزي! خود سازماندهي
بدون يك عنصر مركزي (مانند ايستگاه پايه)، عناصر مشاركت كننده بايد خودشان را در يك شبكه سازماندهي كنند (خود سازماندهي)
مشکلات عدم داشتن زیرساخت:
كنترل دسترسي به رسانه : هيچ ايستگاه پايه نمي‌تواند منابع انتقال را تخصيص دهد و بايد به روشي توزيع شده تصميم‌گيري شود
يافتن يك مسير از يك عنصر به عنصر مشاركت كنندة ديگر
نبود ایستگاه مرکزی سازمان‌دهی گره‌ها را بسیار پیچیده خواهد کرد.
از جمله مشکلات دیگر نداشتن زیرساخت مسائل مرتبط با کنترل دسترسی به رسانه، مسیریابی و .. بر مبنای یک روش توزیعی می‌باشد.

10. دامنة محدود! چند گامي
در بسياري از سناريوها، ارتباط با نظيرهاي خارج از دامنة ارتباط مستقيم، لازم است.
محدوديت ارتباط مستقيم به دليل فاصله، موانع و ...
راه‌حل: شبكة چند گامه
Multi-hop Ad-hoc Network
Mobile Multi-hop Ad-hoc Network
Mobile Ad-hoc NETwork (MANET)
مهمترين مساله، مسيريابي بين گره‌ها از مبدا به مقصد است.
مسالة ديگر اين است كه گره‌ها با باتري كار مي‌كنند و كمك به ارسال پيغام‌هاي ديگران به سمت مقصد، نيازمند انگيزه و فايده براي آن گره است. اگر همه به اين فكر كنند كه چرا من كمك بكنم، شبكه از كار مي‌افتد. در نتيجه كمك گره به ديگر گره های شبكه، با كمك ديگرگره های شبكه‌ها به اين گره پاسخ داده مي‌شود. دو ايدة كلي مطرح مي‌شود:
هر كس به ازاي خدمتي كه ارائه مي‌كند، پول دريافت مي‌كند و براي گرفتن خدمت، بايد پول پرداخت كند. اين ايده (جابجا كردن پول) بسيار پيچيده و غير قابل پياده‌سازي است.
هر كس به ازاي خدمتي كه ارائه مي كند، اعتبارش افزايش پيدا مي‌كند. به هنگام ارائة خدمت، گره‌اي كه اعتبار بيشتري دارد، خدمت را دريافت مي‌كند. با تحت نظر گرفتن رفتار گره‌ها، به گره‌ها اعتبار داده مي‌شود. گره‌هاي خودخواه، خدمت دريافت نمي‌كنند. اين روش قابل پياده‌سازي است.
گره‌هاي همساية يك گره مي‌توانند ميزان همكاري آن گره را ارزيابي كنند. از مسائل مهم، بحث جابجايي و ثبت سوابق يك گرة جابجا شده است. همچنين با افزايش اندازة شبكه، پيچيدگي اين روش‌ها به شكل نمايي افزايش مي‌يابد. يك راه ?

11. تحرك‌پذيري! پروتكل‌هاي وفقي و مناسب
در بسياري (و نه تمامي!) كاربردهاي شبكة موردي، عناصر به اطراف خود حركت مي‌كنند
در شبكة سلولي: به سادگي با يك ايستگاه پاية‌ ديگر hand over انجام مي‌شود
در شبكه‌هاي موردي سيار (MANET):
تحرك ارتباط همسايگي را تغيير مي‌دهد
تعييرات بايستي به تناسب جبران شود
مثال: مسيرها در شبكه بايد تغيير يابند
از منظر مقياس‌پذيري پيچيده
پشتيباني از تعداد زيادي از اين گره‌ها مشكل است
تحرک پذیری یکی از ویژگی‌های شبکه‌های بی‌سیم سیار می‌باشد. در بسیاری از کاربردهای شبکه‌های موردی وسایل بی‌سیم می‌توانند حرکت کنند و جابجا شوند. این تحرک باعث قطع بعضی از پیوندهای شبکه و بوجود آمدن پیوندهای جدید می‌شود. در شبکه‌های سلولی (شبکه‌های با زیرساخت)، ارتباط‌های گره‌های متحرک به سادگی با تعویض ایستگاه پایه گره متحرک پشتیبانی می‌شود. به این عملیات اصطلاحا hand over گفته می‌شود، اما در شبکه‌های موردی پروتکل‌های شبکه همچون مسیریابی باید خود را با تغییرات توپولوژی به دلیل تحرک تطبیق دهند. نکته قابل توجه این است که تطبیق با تغییرات توپولوژی شبکه مستلزم آگاه بودن از تغییرات است که این امر باعث پیچیدگی پروتکل‌ها و به تبع آن محدود نمودن قابلیت گسترش خواهد شد.
MANET (Mobile Ad-hoc NETwork)

12. دستگاه‌هايي كه با باتري كار مي‌كنند! عمليات انرژي-كارا
اغلب (و نه هميشه!)، عناصر مشاركت كننده در يك شبكه موردي، از باتري‌ها انرژي مي‌گيرند
دلخواه: زمان اجراي طولاني براي
هر كدام از دستگاه‌ها
شبكه به عنوان يك واحد
پروتكل‌هاي شبكه‌سازي انرژي-كارا!
مثال: استفاده از مسيرهاي چندگامه با مصرف انرژي پايين (energy/bit)
مثال: حساب كردن بر روي ظرفيت باتري دستگاه‌ها
چگونه تلاقي‌هاي (conflict) بين بهينه‌سازي‌هاي مختلف حل شود؟
یکی دیگر از ویژگی‌های شبکه‌های موردی این است که اغلب وسایل از باتری استفاده می‌کنند. عملیات انجام شده توسط یک گره موجب مصرف انرژی و تخلیه شدن باتری خواهد شد. بنابراین باید تا آنجا که ممکن است عملیات شبکه به گونه‌ای انجام شود تا کمترین میزان انرژی مصرف شود درعین حال کارآیی شبکه تحت ثأثیر قرار نگیرد. این trade off در کلیه عملیات شبکه‌های موردی وجود دارد. در نظر گرفتن انرژی باقیمانده گره یا گره‌ها در تصمیم‌گیری‌ها می‌تواند طول عمر گره‌ها و شبکه را افزایش دهد.

13. مقدمه – فهرست مطالب زيرساخت بي‌سيم؟ شبكه‌هاي موردي (سيار)
شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم
كاربردها
نيازمندي‌ها و مكانيزم‌ها
مقايسه

14. شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم
عناصر شركت كننده در مثال‌هاي قبلي، دستگاه‌هايي بودند كه به انسان نزديك بوده و با انسان‌ها تعامل مي‌كردند
مفهوم جايگزين:
به جاي تمركز بر روي تعامل با انسان، بر روي تعامل با محيط تمركز شود
شبكه در درون محيط نهفته شده است
گره‌هاي شبكه با حسگر و محرك تجهيز شده‌اند تا محيط را اندازه‌گيري كرده يا بر روي آن تاثير بگذارند
گره‌ها اطلاعات را پردازش و به شكل بي‌سيم آن را منتقل مي‌كنند
شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم (WSN)!
يا شبكه‌هاي حسگر و محرك بي‌سيم (WSAN)
در شبکه‌های متداول، شبکه‌های بی‌سیم با زیرساخت و شبکه‌های موردی، وسایل و تجهیزات شرکت کننده در تجهیزاتی هستند که به انسان نزدیک هستند و با انسان تعامل دارند. اما در بسیاری از کاربردها که هدف مانیتور کردن یا کنترل محیط است تمرکز بر تعامل با محیط می‌باشد.
در شبکه‌های حسگر بی‌سیم، گره‌های شبکه دارای حسگر و احتمالاً دارای محرک هستند تا محیط را اندازه‌گیری و بر روی آن تأثیر بگذارند. یک گره در این گره‌ها داده‌های حس شده و یا دریافت شده از گره‌های دیگر را پردازش نموده و در صورت لزوم به صورت بی‌سیم آنها را منتقل می‌کند.
در مواردي، به اين شبكه‌ها Wireless Sensor and Actuator Networks گفته مي‌شود. يعني نه تنها محيط را درك و دريافت (sense) مي‌كنند، بلكه بر روي محيط اثر نيز مي‌گذارند.

15. مثال‌هاي از كاربردهاي WSN
عمليات امداد سانحه
انداختن گره‌هاي حسگر از يك هواپيما بر روي آتش فروزان
هر گره‌اي دما را اندازه‌گيري مي‌كند
يك ”نقشة دما“ استخراج مي‌شود
نگاشت تنوع زيستي
استفاده از گره‌هاي حسگر براي زير نظر گرفتن زندگي حيات وحش
ساختمان‌هاي (يا پل‌هاي) هوشمند
كاهش اتلاف انرژي با رطوبت مناسب، تهويه هوا، كنترل شرايط هوا (HVAC)
نيازمند اندازه‌گيري‌هاي اشغال بودن اتاق، دما، جريان هوا، ...
ديده‌باني فشار مكانيكي پس از زلزله
در این اسلاید مثال‌هایی از کاربردهای شبکه‌های حسگر بی‌سیم نشان داده شده است.
امروزه برخی از این کاربردها در حال پیاده‌سازی به صورت تجاری هستند.

16. سناريوهاي كاربرد WSN مديريت امكانات (facility)
شناسايي نفوذ به درون محوطه‌هاي صنعتي
كنترل نشتي‌ها در كارخانه‌هاي شيميايي، ...
زير نظر گرفتن ماشين و نگهداري پيشگيرانه
نهفتن توابع حس كردن/كنترل درون مكان‌هايي كه پيش از اين كابل به آنجا راه نيافته است
مثال: ديده‌باني فشار تاير
دقت كشاورزي
Bring out fertilizer/pesticides/irrigation only where needed
پزشكي و مراقبت از سلامتي
مراقبت پسا-عملي يا متمركز (intensive)
زير نظر داشتن بلند مدت مريض‌هاي با بيماري مزمن يا سالمندان
Intrusion Detection = تشخیص نفوذ
Fertilizer = كود
pesticide = آفت كش
Irrigation = ابيارى
Intensive = در اینجا ” وابسته به بخش آى سي يو“

17. سناريوهاي كاربرد WSN تهيه و تداركات (logistics) Telematics
تجهيز كردن كالاها (بسته‌ها، حامل‌ها) با يك گرة حسگر
دنبال كردن محل حضور آنها – مديريت كل سرمايه
توجه: اعلان (readout) منفعل كفايت مي‌كند – با RF IDs مقايسه كنيد
Telematics
فراهم آوردن كنترل ترافيك بهتر با دستيابي به اطلاعات از شرايط عبور و مرور
پياده‌روي (roadside) هوشمند
ماشين‌ها به عنوان گره‌هاي حسگر
امروزه برخي از كاربردها تجاري شده‌اند.
Telematics = ارتباطات

18. نقش‌هاي عناصر شركت كننده در WSN
منبع داده: اندازه‌گيري داده، گزارش آن به بعضي جاها
معمولاً با انواع مختلفي از حسگرهاي واقعي تجهيز شده‌اند
سينك (sink) داده: علاقمند به دريافت داده از WSN
ممكن است جزئي از WSN يا عنصر خارجي باشد، PDA، دروازه‌ (gateway)، ...
محرك‌ها: كنترل برخي از دستگاه‌ها مبتني بر داده، معمولاً يك سينك نيز هستند
نقش عناصر تشکیل دهنده شبکه‌های حسگر بی‌سیم عبارتست از:
منبع داده، سینک داده‌، و محرک
منابع داده، گره‌های حسگر هستند که داده‌ها را از محیط اندازه‌گیری کرده و آن‌ها را گزارش می‌کنند.
سینک داده گره‌ای یا گره‌هایی از شبکه هستند که علاقمند دریافت اطلاعات هستند.
محرک‌ها: گره‌هایی از شبکه هستند که بر محیط تأثیر می‌گذارند.
یک گره در شبکه‌های حسگر بی‌سیم می‌تواند چند نقش نیز داشته باشد. به عنوان مثال یک گره می‌تواند به طور همزمان منبع داده و محرک باشد.

19. طبقه‌بندي انواع كاربردهاي WSN
الگوهاي تعامل بين منابع و سينك‌ها، انواع كاربردها را طبقه‌بندي مي‌كنند
شناسايي رخداد: گره‌ها به صورت محلي رخدادها را شناسايي مي‌كنند (ممكن است با همكاري ديگر گره‌هاي همسايه باشد)، سپس اين رخدادها را به سينك‌هاي مورد علاقه گزارش مي‌كنند
طبقه‌بندي رخداد يك قابليت اضافه است
اندازه‌گيري تناوبي
تخمين تابع: استفاده از شبكه حسگر براي تخمين يك تابع زماني يا مكاني (مثال: نقشة دما)
شناسايي لبه: يافتن لبه‌ها (يا ديگر ساختارها) در يك تابع (مثال: خط مرزي درجه صفر كجا است؟)
تعقيب: گزارش كردن (يا حداقل دانستن) موقعيت يك مهاجم مورد نظر (”فيل صورتي“)
در كاربرهاي ساده، يك گره به تنهايي مي‌تواند رخداد را شناسايي كند. اما در برخي كاربرهاي پيچيده‌تر، همكاري بين گره‌ها براي شناسايي رخداد لازم است. در صورت وقوع چندين رخداد مختلف؛ دسته‌بندي رخدادها مي‌تواند به كار گرفته شود.
Periodic Measurement در كاربردهاي نظارتي استفاده مي‌شود. بازه‌هاي گزارش‌دهي بسته به كاربرد دارد.
Function approximation مي‌تواند دوره‌اي يا Event based و يا تركيبي از اين دو باشد.
يكي از كاربردهاي Edge detection تعيين محدودة آتش‌سوزي است.
در كاربردهاي Tracking، معمولاً گره ها با همكاري يكديگر اطلاعات را به sink گزارش مي‌دهند.

20. گزينه‌هاي استقرار WSN چگونه گره‌هاي حسگر در محيط مستقر شده‌اند؟
پرتاب شده از هواپيما! استقرار تصادفي
معمولاً فرض بر توزيع تصادفي يكنواخت گره‌ها بر روي ناحية محدود گرفته مي‌شود
آيا آن يك گزارة احتمالي است؟ (likely proposition)
خوش طرح، ثابت! استقرار منظم
مثال: در نگهداري پيش‌گيرانه يا مشابه آن
لزومي به وجود ساختار هندسي نيست، اما اغلب آن يك فرض سازگار است
گره‌هاي حسگر سيار
براي جبران نواقص استقرار، مي توانند حركت كنند
مي‌توانند منفعلانه توسط برخي نيروهاي خارجي (باد، آب) جابجا شوند
مي‌توانند فعالانه به جستجوي نواحي ”مورد علاقه“ بپردازند
چگونگی استقرار گره‌های حسگر در محیط به نوع کاربرد بستگی دارد.
سه گزینه استقرار تصادفی، استقرار منظم و گره‌های سیار برای نحوه استقرار گره‌ها وجود دارد.

21. گزينه‌هاي نگهداري (maintenance)
آيا نگهداري گره‌هاي حسگر امكان‌پذير و/يا عملي است؟
مثال: تعويض باتري‌ها؟
يا: عمليات غير حضوري؟
غير ممكن اما نامرتبط؟ عمر عمليات ممكن است بسيار كوچك باشد
تامين انرژي؟
داراي محدوديت از منظر استقرار؟
برخي اشكال شارژ مجدد، جذب انرژي از محيط؟
مثال: سلول‌هاي خورشيدي
در اكثر کاربردها نگهداری گره‌ها امکان پذیر نمی‌باشد و گره‌ها يكبار مصرف هستند: باتري‌ها قابل تعويض نيستند.
برخي گره‌ها مي‌توانند با نور خورشيد يا انرژي‌هاي ناشي از جابجايي، باتري را شارژ كنند تا عمر شبكه افزايش يابد.

22. مقدمه – فهرست مطالب زيرساخت بي‌سيم؟ شبكه‌هاي موردي (سيار)
شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم
كاربردها
نيازمندي‌ها و مكانيزم‌ها
مقايسه

23. نيازمندي‌هاي مشخصة WSNs
مانند شبكة ديگر، انتقال سادة بيت‌ها نيست (بلکه حس کردن اطلاعات از محیط است)
بلكه: فراهم آوردن پاسخ‌ها (نه فقط اعداد)
مواردي مانند scoping جغرافيايي نيازمندي‌هاي طبيعي هستند، در ديگر شبكه‌ها وجود ندارد
كيفيت خدمت
معيارهاي سنتي كيفيت خدمت قابل اعمال نيستند (پارامترهای کیفیت متفاوت هستند)
هنوز، خدمت WSN بايستي ”خوب“ باشد: جواب‌هايصحيح در زمان مناسب
مقاومت در برابر خرابي
قوي بودن در مقابل خرابي گره (اتمام انرژي، خرابي فيزيكي، ...)
عمر
شبكه بايد وظايف خود را تا زماني كه ممكن است، به انجام برساند – تعاريف بستگي به كاربرد دارد
عمر هر كدام از گره‌ها چندان مهم نيست
اما اغلب به طور هم‌ارز رفتار مي‌شود
نوع خدمت شبكه‌هاي متداول، انتقال بيت‌ها است. براي WSN، هدف اصلي فراهم آوردن اطلاعات معنادار است. ”مردمان جواب‌ها را مي‌خواهند، نه اعداد را“.
معيارهاي كيفيت سرويس متداول در شبکه‌های حسگر بی‌سیم، معيارهاي مناسبي نيستند. مانند تاخير محدود در مقابل زماني كه كاربرها به تاخير حساس نيستند. معيارهايي نظير شناسايي قابل اتكاي رخدادها يا كيفيت تخمين، مد نظر هستند.
براي مقابله با خرابي، گره‌هاي بيشتر و استقرار افزونه (redundant deployment) لازم است.
تعريف دقيق طول عمر، بستگي به كاربرد دارد. روش‌هاي گوناگوني كه طول عمر بر اساس آنها بيان مي‌شوند، عبارتند از:
زماني كه عمر اولين گره پايان يابد
زماني كه اتصال بخش‌هايي از شبكه از هم قطع شود
زماني كه عمر 50% گره‌ها پايان يابد
زماني كه براي اولين بار، يكي از نقاط تحت پوشش از دسترسي خارج شود.

24. نيازمندي‌هاي مشخصة WSNs
گسترش‌پذيري
پشتيباني از تعداد زياد گره‌ها (امکان گسترش شبکه بدون ایجاد اختلال در کار)
دامنة گسترده‌اي از چگالي‌ها
تعداد گره‌هاي كم يا زياد به ازاي واحد سطح، بسيار وابسته به كاربرد
برنامه‌پذيري (عوض شدن نقش گره ها)
ممكن است برنامه‌ريزي مجدد گره‌ها در محوطه لازم باشد، بهبود انعطاف‌پذيري
نگهداري‌پذيري (نگهداری کل شبکه بجای گره های تکی غیر مطمئن)
WSN بايد با تغييرات منطبق شود، خود ديده‌باني (monitoring)، عمليات انطباق
به كارگيري منابع اضافي ممكن، مانند گره‌هايي كه به تازگي مستقر شده‌اند (مانیتورینگ خودکار و بازیابی مشکل)
از جمله مشخصات شبکه‌های حسگر بی‌سیم:
قابلیت گسترش به معنی پشتیبانی از تعداد گره‌ها زیاد،
چگالی با محدوده گسترده؛ چگالی شبکه می‌تواند در کاربردهای مختلف متفاوت باشد و حتی در یک کاربرد چگالی گره‌ها می‌تواند در زمان کار تغییر کند (گره‌هایی از شبکه خارج شوند و یا گره‌هایی به شبکه اضافه شوند).
قابلیت برنامه‌ریزی،
قابلیت نگهداری،

25. مكانيزم‌هاي لازم براي تحقق نيازمندي‌ها
ارتباط بي‌سيم چندگامه
عمليات كارا-انرژي (انجام کار با حداقل انرژی)
هر دوي ارتباط و محاسبات، حس كردن، تحر ك داشتن
خود پيكربندي (در موقعیتهای جدید محیطی)
پيكربندي دستي تنها گزينه نيست
همكاري (collaboration) و پردازش درون شبكه
گره‌هاي درون شبكه براي رسيدن به هدف مشتركي با هم همكاري مي‌كنند
پيش-پردازش داده در شبكه (در مقابل در لبه) مي‌تواند به ميزان قابل توجهي كارايي را بهبود ببخشد (کم کردن حجم داده ها پیش از ارسال)
براي مقابله با مسالة مقياس‌پذيري و يا طول عمر (براي فواصل دور، انرژي بيشتري براي ارسال نياز است)، منابع نمي‌توانند به طور مستقيم با sink ارتباط برقرار كنند. Multi-hop wireless communication روشي براي تامين چنين نيازمندي است. يكي ديگر از مباحث مطرح، بر هم زدن ساختار لايه‌‌اي شبكه براي دادن مجوز به گره‌هاي مياني براي پردازش داده‌ها و در نتيجه بهبود كيفيت سرويس و طول عمر شبكه است.
تعيين موقعيت گره با كمك ديگر گره‌ها، تعيين وظايف گره بر اساس موقعيت مكاني و مقابله با كم يا اضافه شدن ديگر گره‌ها در شبكه، از موارد لزوم خود-پيكربندي است.
در مواردي مانند يافتن حداكثر درجة محيط، نتايج بايد با همكاري گره‌ها به دست آيد. اين همكاري مي‌تواند با ادغام اطلاعات در هر گره، منجر به كاهش پيغام‌هاي ارسالي، كاهش انرژي مصرفي و در نتيجه افزايش طول عمر شبكه شود.

26. مكانيزم‌هاي لازم براي تحقق نيازمندي‌ها
شبكه‌سازي داده‌گرا (data centric)
تمركز طراحي شبكه بر داده، نه بر شناسه‌هاي گره (شبكه‌سازي شناسه‌گرا)
به هدف بهبود كارايي
محلي بودن (Locality)
انجام امور به صورت محلي (بر روي گره يا بين همسايه‌هاي مجاور) تا جايي كه ممكن است
بكارگيري موازنه (trafeoff)
مثال: بين انرژي ذخيره شده و دقت
در شبكه‌هاي متداول، معمولاً هدف انتقال اطلاعات از يك گره به گره ديگر است. يعني آدرس‌گرا (address-centric) است (تنها آدرس مبدا، گامهای میانی و مقصد برای مسیریابی مهم است). اما در شبكه‌های داده گرا، هدف اصلي زير نظر گرفتن محيط و محتوای خود داده است و گره ارائه دهندة اطلاعات و شناسة آن، مهم نيست (مثلا اطلاع از آتش سوزی مهم است و مهم نیست که مسیریابی از کدام گره یا مبدا کدام گره است. در واقع گره سینک خود را معرفی می کند و گره های دیگر داده های مورد علاقه را تولید و به آن ارسال می کنند).
با توجه به ابعاد بزرگ شبكه و مسالة مقياس‌پذيري، لازم است كه گره‌ها از پردازش اطلاعات حجم زيادي از گره‌ها اجتناب كرده و محدود به پردازش اطلاعات گره‌هاي محلي شوند (در واقع یک گره نیاز به اطلاع از کل شبکه ندارد و یک همسایه کوچک آن کافی است. در اینجا شبکه مقیاسپذیر می شود). چگونگي پياده‌سازي مكانيزم‌هاي محلي، كار ساده‌اي نيست. پردازش محلي و استفاده از اطلاعات محدود، منجر به كاهش دقت مي‌شود. ارسال/دريافت اطلاعات انرژي بيشتري در مقايسه با پردازش اطلاعات مصرف مي‌كند.
رعايت معيارهايي مانند باتري (مصرف انرژي)، دقت، مقياس‌پذيري و ... اثرات معكوس بر يكديگر دارند و نياز به موازنه بين اين معيارها لازم است.

27. مقدمه – فهرست مطالب زيرساخت بي‌سيم؟ شبكه‌هاي موردي (سيار)
شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم
مقايسه

28. MANET در مقايسه با WSN
شباهت‌هاي زياد: خود سازماندهي، كارايي انرژي، (اغلب) بي‌سيم چندگامه
بسياري تفاوت‌ها
كاربردها، تجهيزات: MANETها با فرض تجهيزات قدرتمندتر هستند (بخوانيد گران)، اغلب نوع كاربردهاي ”human in the loop“ هستند، نرخ دادة بالاتر، منابع بيشتر
كاربردهاي خاص‌منظوره: WSNها وابستگي بيشتري به خصوصيات كاربرد دارند؛ در مقايسه، MANETها يكنواخت هستند
تعامل با محيط: هستة WSN، چيزي كه در MANET وجود ندارد
مقياس: WSN ممكن است بزرگتر باشد (اگرچه قابل بحث است)
انرژي: WSN نيازمندي‌هاي و مسائل نگهداري سخت‌تري دارد
قابليت اتكا/كيفيت خدمت: در WSN، هر گره ممكن است قابل صرفنظر كردن باشد (بستگي به شبكه دارد)، كيفيت خدمت متفاوت به دليل كاربردهاي مختلف
شبكه‌سازي داده‌گرا در مقابل شبكه‌سازي شناسه‌گرا
سيار بودن: الگوهاي حركت مختلف (در WSN، سينك‌ها ممكن است سيار باشند، گره‌هاي معمولي ثابت هستند)
MANET: Mobile Ad hoc NETwork
شبكه‌هاي MANET كاربردهاي معمولي و پيچيده (عمومی یا چند منظوره) را براي كاربران مختلف اجرا مي‌كنند اما WSN كاربردهاي خاص را اجرا مي‌كند.
به دليل تعامل WSN با محيط، خصوصيات ترافيك با MANET متفاوت است. مانند زمان‌هاي فعال/غيرفعال بودن شبكه. WSN ممكن است زمان زيادي با نرخ كم اطلاعات ارسال كند، اما در بازة زماني يك رخداد، ترافيك bursty داشته باشد
در MANET امكان شارژ باتري‌ها يا اتصال به منابع انرژي وجود دارد. ابعاد باتري در WSN كوچكتر از MANET است چرا که گره های سنسور کوچکتر هستند پس غالبا قابل شارژ نیز نیستند.
در WSN معمولاً از كار افتادن يك گره منجر به از كار افتادن شبكه نمي‌شود. ضمنا هر گره به تنهایی قابلیت اطمینان بالایی ندارد. پارامترهايي مانند پوشش به عنوان معيارهاي كيفيت سرويس در WSN مطرح است.
در شبکه های MANET گره ها تحرک دارند. در شبکه های WSN عمدتا گره ها بعد از استقرار تحرک زیادی ندارند.

29. Wireless fieldbuses و WSNها
گونه‌اي از شبكه كه براي ارتباطات بي‌درنگ (real-time) ايجاد شده است، مثال: براي خودكارسازي تجهيزات كارخانه
Fieldbus بي‌سيم: ارتباطات بي‌درنگ به صورت بي‌سيم
شباهت‌هاي بزرگ!
مفهوم حس كردن/اندازه‌گيري و كنترل كردن در ذات آن وجود دارد
تعامل با محيط فيزيكي براي گزارش رخدادها و كنترل محيط همانند WSN
تفاوت‌ها
مقياس – WSN اغلب به قصد مقياس‌هاي بزرگتر مي‌باشد
بي‌درنگ – WSN معمولاً به قصد فراهم آوردن تضمين‌هاي بي‌درنگ سخت، آن چنان كه در fiedlbus است، نمي‌باشد
Fieldbus شبكه‌هايي هستند كه براي و كنترل محيط استفاده مخصوصاً در محيط‌هاي صنعتي مي‌شوند. در يك bus سرعت بالا وجود دارد كه اطلاعات را sense و به sink ارسال مي‌كند (مانند سنسورهایی که در پالایشگاه نصب میکنند تا اطلاعات را برای گره مرکزی ارسال کند).
از لحاظ تعامل با محيط فيزيكي براي گزارش رخدادها و كنترل محيط همانند WSN هستند.
از ديگر تفاوت‌ها اين است كه Fieldbus تلاشي براي استفادة محافظه‌كارانه از انرژي نمي‌كند.
در Fieldbus سرعت ارسال و پردازش اطلاعات بسیار بالا است. (برای مثال کنترل رآکتور هسته ای)

30. فنّاوري‌هاي پيش‌برنده براي WSN
كاهش هزينه
براي ارتباطات بي‌سيم، ميكرو كنترلرهاي ساده، حس كردن، باتري‌ها
كوچك سازي(miniaturization)
برخي كاربردها نيازمند اندازة كوچك هستند
”غبار هوشمند“ به عنوان هدف غايي
جذب انرژي
شارژ مجدد باتري‌ها با انرژي‌هاي محدود (نور، ارتعاش، ...)
ساختن شبكه‌هاي WSN به دليل پيشرفت برخي فناوري‌ها و نيز نيازمندي‌هايي مانند هزينه، رشد يافته و امكان‌پذير شده است.
Smart dus (گرد و غبار هوشمند) در ابعاد 1*1 میلیمتر با قيمت‌هاي زير 10$ نيز توليد مي‌شوند. هدف اين است كه با ساده‌تر كردن گره‌ها، تعداد گره‌هايي كه محيط را درك مي‌كنند، افزايش داده شوند.
Energy scavenging به شارژ مجدد باتري با استفاده از انرژي جمع‌شده از محيط اشاره مي‌كند. مانند انرژي خورشيدي يا انرژي لرزش‌هايي كه در اثر جابجايي (مانند وزش باد) به دست مي‌آيد.

31. نتيجه‌گيري MANETها و WSNها مفاهيم سيستمي چالش‌برانگيز و نويدبخش هستند
شباهت‌هاي زياد، تفاوت‌هاي زياد
در قياس با شبكه‌هاي سيمي/بي‌سيم سنتي، هر دو نيازمند انواع جديدي از معماري و پروتكل‌ها مي‌باشند
به طور خاص، كاربرد خاص منظوره بودن يك مسئلة جديد است