تحقیق مقاله شبکه های حسگر بی سیم

 «استفاده از Mobile Agent جهت پیمایش موقعیت در شبکه های حسگر بی سیم»

خلاصه

شبکه حسگر بی سیم یک تکنولوژی جدید است که ممکن است با مهیا ساختن دریافت اطلاعات در هر جا، محاسبه و توانایی ارتباط، زندگی بشر را به طرز فوق العاده ای تسهیل نماید، آنچنانکه مردم بتوانند ارتباط نزدیکی با محیطی که در آن قرار دارند، بر قرار نمایند. برای توضیح بیشتر، یکی از مباحث اصلی در Sensar Network پیمایش مکان ها (Location tracking) است که هدف آن نظارت بر مسیر حرکت شئ متحرک است. مشکلی مشابه به مشکل به هنگام سازی مکان (Location vpdatc) در شبکه های مبتنی بر pc ، در این شبکه نیز وجود دارد. در شبکه های حسابگر این مسئله بیشتر  به این خاطر پیش می آید که یک مکانیزم کنترل مرکزی و شبکه backbone در چنین محیطی وجود نداشته باشد.

در این متن، ما یک پروتکل مبتنی بر ناول (navel) را روی الگوی mobile پیشنهاد می دهیم. هنگامی که یک شئ حس شد، یک mobile برای پیمایش مسیر حرکتی آن، شروع به کار  می کند. حرکت agent تا زمانی ادامه می یابد تا بتواند نزدیک ترین حسگر را به آن شئ بیابد. agent  می تواند حسگرهای جانبی مجاور را برای پذیرش شئ به طور مشارکتی، دعوت نماید و حسگرهای نامرتبط را از پی گیری شئ منع نماید. به عنوان یک نتیجه سربار ارتباط و حس کردن csensing بسیار کاهش می یابد. نمونه ما از mobile پیماینده مکان، بر مبنایIEEE 802.llb NIG استوار است و تجارت آزمایشگاهی نیز گزارش داده شده است.

1) مقدمه: پیشرفت سریع ارتباطات بی سیم وembedded micro-sensing MEMS techno logies ایجاد شبکه های حسگر بی سیم را ممکن ساخته است. این چنین محیط هایی می توانند تعداد زیادی نودهای بی سیم ارزان قیمت داشته باشند، که هر یک توانایی جمع آوری، پردازش و ذخیره اطلاعات محیطی و ارتباط با نودهای مجاور را دارا می باشند. در گذشته حسابگرها را تسهیل نماید. قابلیت نصب و راه اندازی بسیار بهبود یافته است. موج فعالیت های تحقیقاتی، اخیرا درباره شبکه های حسگر آغاز شده است. با شبکه های حسگر، بشر می تواند با محیط های گوناگون ارتباط نزدیک برقرار کند. گروه بندی هزاران حسگر با یکدیگر می تواند انقلابی در گردآوری اطلاعات ایجاد کند. به عنوان مثال یک کف کننده سانحه می تواند راه اندازی شود، آنچنان که درجه حرارت های  یک جنگل بوسیله حسگرها نظارت شود و بدین وسیله از تبدیل یک آتش کوچک بی ضرر به جهنمی بزرگ، جلوگیری شود. تکنیک های مشابهی می تواند برای کشف سیل و قانون به کار گرفته شود. کاربرد دیگری که       می توان به آن اشاره کرد. کنترل محیط است؛  حسگرها می توانند فاکتورهایی مثل درجه حرارت و رطوبت را مورد نظارت قرار دهند و این اطلاعات را برای مرکز وضع هوا و سیستم تهویه بفرستند.

با قرار دادن حسگرها در وسایل نقلیه، راه ها و چراغ های راهنمایی، اطلاعات ترافیکی می تواند در زمانی بسیار کوتاه به اداره مرکزی فرستاده شود که این به کنترل هوشمندانه کمک شایانی می کند. علاوه بر این، وسایل نقلیه می توانند به صورت on line زمانیکه از کنار هم عبور می کنند، اطلاعات ترافیکی را ردو بدل می کنند. حسگرها همچنین می توانند، جهت بهبود موقعیت یابی با GPS ترکیب شوند. به هرحال، بسیاری از مسائل باقی مانده اند که برای موقعیت شبکه های حسگر باید حل شوند.

- مقیاس پذیری (Scalability):

نظر به اینکه یک شبکه حسگر در برگیرنده مقدار زیادی نود می باشد، مدیریت این تعداد زیاد ازنودها به همراه متوازن نگه داشتن کارایی، کار ساده ای نیست. الگوریتم های توزیع شده و مرکز در این چنین محیط هایی ضروری است. همچنین مغیاس پذیری یک مسئله بحرانی در راه اندازی تعداد زیادی از ارتباطات است. در ]12و 11[، پوشش دسترس پذیری یک شبکه حسگر بی قاعده با استفاده از هندسه محاسباتی وتکنیک های گراف، توصیف شده است.

این مشکل پوشش می تواند به عنوان Art Galler Problem در نظر گرفته شود. Art Galler Problem به صورت بهینه در 2D حل شد و در مورد 3D... قاعده پوشش می تواند جهت حل برخی مشکلات مرتبط با مکان مورد استفاده قرار گیرد. جایگذاری مرتب حسگرها و توانایی حس آنها در ]3[و]10[ بحث شده است.

- ثبات (Stablity): از آنجایی که حسگرها احتمالاً در محیط خارجی و حتی منطقه دشمن نصب می شوند، این قابل قبول است که خطاهای این وسایل را امری عادی و متداول بدانیم. پروتکل ها باید مقاوم و با قابلیت تحمل خطا باشند. همزمان سازی میان حسگرها در ]2[ بحث شده است.

- صرفه جویی در توان:

از آنجا که نیروی درونی (plug-in در دسترس نیست) وسایل حسگر با نیروی باتری کار می کنند. حفظ انرژی باید در تمام موارد مد نظر باشد . مصرف انرژی در مکانیزم ها می تواند یک فاکتور اصلی باشد. تکنیک هایی همچون data fusion (ترکیب داده ها) می تواند ضروری باشد، اما باید مناسب و به جا بودن داده ها نیز مورد نظر باشد. انتشار داده ها در ‌]4[  بررسی شده است. راه حل های مبتنی بر mobile agent ها، برخی از اوقات نیروی کارآمد تر ی است.

نظر به اینکه یکی از اهداف شبکه های حسگر، نظارت بر محیط است، یک مبحث بنیادی، مسئله پیمایش مکان (locationtracking) می باشد که هدف از آن دنبال کردن مسیر حرکت شئ متحرک در شبکه است. این مسئله مشابه مسئله به هنگام سازی مکان در شبکه ای از pc ها می باشد، اما جدی تر از آن است. زیرا یک مکانیزم کنترل مرکزی و شبکه back bone در چنین محیطی وجود ندارد. در این متن ما یک پروکتل ناول مبتنی بر mobile agent را پیشنهاد می دهیم. زمانیکه یک شئ جدید حس (sense) شد، یک agent برای پیگیری مسیر حرکت شئ، شروع به کار می کند، این agent تا وقتی حرکت می کند که نزدیکترین حسگر به شئ را انتخاب کند agent در واقع با پریدن از یک حسگر به حسگر دیگر، شئ را دنبال می کند. agent می تواند حس های جانبی مجاور را برای پذیرش اشتراکی شئ دعوت کند و حسگرهای نامرتب (دورتر) دیگر را از دنبال کردن شئ منع کند. به عنوان یک نتیجه سربار ارتباطی و حسگری به میزان زیادی کاهش می یابد. نمونه ها از mobile agent پیمانده مکان بر مبنای IEEE 802.llb.NIC استواراست. تجارب آزمایشگاهی نیز گزارش داده شده است. سازماندهی این متن به شرح زیر است:

بخش 2 مدل شبکه ما را توصیف می کند و مسأله پیمایش مکان (Lockating tracking) را تعریف می کند. پروتکل  ما بر مبنای mobile agent ها در بخش 3 نشان داده شده است. نمونه ما و تجارب آزمایشگاهی در بخش 4 داده شده است و بخش 5 نتیجه گیری است.

2. مدل شبکه و بیان مشکل:

ما یک شبکه حسگر را در نظر می گیریم که شامل مجموعه ای از نودهای حسگر است که در یک صفحه دو بعدی ( 2D Plane) قرار گرفته اند. سنسورها می توانند به عنوان یک شبکه منظم یا با منظم مرتب شوند (شکل 1). به هر حال برای ساده سازی نمایش، در تمام این متن ما یک شبکه مثلثی را فرض خواهیم کرد که در شکل 1 (a) نشان داده شده است و در آن هر مجموعه از سه حسگر مجاور یک مثلث متوازی الاضلاع را شکل می دهد. به منظور پیمایش و به دنبال کردن مکان اشیاء، هر حسگر از موقعیت فیزیکی خود و همچنین موقعیت فیزیکی حسگرهای مجاورش آگاه است. هر حسگر قابلیت حس کردن دارد، همانطور که قابلیت ارتباط و محاسبه دارد. بنابراین می تواند پروتکل ها را اجرا کند و با حسگرهای مجاور پیام مبادله کند.

هر حسگر قادر است که وجود اشیاء متحرک نزدیک خود را تشخیص دهد. ما فرض می کنیم که محدوده حس کردن ( sensing scope) باشد که برابر با حلول ضلع مثلث است. در فاصله قابل تشخیص، یک حسگر قادر است فاصله خود را باشئ مشخص کند. این می تواند با توجه به زمان پرواز (fly) و یا توان سیگنال هایی که توسط شئ فرستاده شده یا سیگنال هایی که توسط حسگر فرستاده شده را و از شئ انعکاس داده شده است، به دست آید.

ما فرض می کنیم که سه حسگر برای مشخص کردن مکان یک شئ کافی است. خصوصاً فرض می کنیم که یک شئ درون یک مثلث که از حسگر s3, s2, s1 تشکیل شده است، قرار دارد. همچنین فرض می کنیم که فواصل شئ کشف شده توسط یک حسگر به ترتیب r3, r2, r1 باشد. آنچنانگه در شکل(a)2 مشاهده می شود، با تقاتع            دایره های با مرکز s2, s1 دو مکان ممکن برای شئ مشخص می شود که با کمک s3 مکان دقیق قابل تشخیص است. (توجه به این نکته ضروری است که در عمل ممکن است خطاهایی به وجود آید، وبنابراین حسگرهای بیشتری برای بهبود دقت لازم خود بود.)

هدف این کار، مشخص کردن مسیر حرکت شئ متحرک در شبکه حسگر است. رد پای شئ باید زمان به زمان به یک سرور خارجی گزارش داده شود که این زمان بستگی به این دارد که این یک کاربرد بلادرنگ است یا خیر. تقاطع حوزه های حسگری سه  حسگر مجاور در شکل (b)2 نشان داده شده است.

ما فضا را بیشتر به یک فضای کاری A0 و سه فضای پشتیان A3, A2, A1 تقسیم می کنیم. فضای کاری محدوده را تعریف می کند زمانی که سه حسگر به طور عادی کار می کنند، در حالی که فضای پشتیبانی منطقه تحویل را مشخص می کند زمانی که اشیاء به فضای کاری حسگرهای دیگر حرکت می کنند.

3. پروتکل درپای موقعیت:

3-1: ایده اصلی:

پروتکل ردپای محل ما از همکاری حسگرها منتج شده است. هرگاه یک شئ کشف شود، یک فرایند انتخاب توسط حسگرهای نزدیک هدایت خواهد شد تا یک حسگر برای شروع کار یک agent انتخاب شود و این agent به رفتار حرکتی شئ نظارت می کند. مادامی که شئ حرکت می کند agent جهت حفظ نظارت بر شئ، می تواند به حسگری که به شئ نزدیکتر است مهاجرت کند. شکل 3 این موضوع را نشان می دهد. که خطوط نقطه چین مسیر حرکت شئ را مشخص می کند و پیکانها مسیر مهاجرت agent را نشان می دهند. با انجام چنین کاری، سربار محاسبه و برقرار ارتباط به اندازه زیادی کاهش می یابد.

خاطر نشان می کنیم که موقعیت یابی 1 شئ حداقل نیاز به سه حسگر دارد. mobile agent که آن را master می نامیم، از دو حسگر مجاور دعوت می کند که در عملیات شرکت کنند. agent این عمل را با اعزام دو slave agent به هر یک از آنها انجام می دهد. این سه  master) ayent (slave ها برای اجرای الگوریتم موقعیت یابی مثلثی باهم مشارکت می کنند. زمان به زمان agent های slave نتایج موقعیت یابی خود را به master اطلاع می دهند و master با استفاده از این اطلاعا موقعیت دقیق شئ را محاسبه می کند. مادامی که شئ حرکت            می کند، این دو slave می توانند باطل و دوباره ایجاد وشند. جهت مشخص کردن اینکه چه زمانی slave ها باطل شوند و یا اختصاص دوباره یابند، از سیگنال های با توان آستانه خاصی استفاده می شود. جزئیات این موضوع بعداً داده خواهد شد. در شکل3، آن حسگرهایی که همواره میزبان یک slave هستند با رنگ سیاه مشخص شده اند. ما توضیح می دهیم که اگرچه توسعه (development) ما برپایه مشارکت دو slave agent است، ولی این درست خواهد بود که جهت موقعیت یابی دقیق تر، تعداد slave ما را توسعه بدهیم و زیاد کنیم. برای کاهش مقادیر داده که باید حمل شود، master ممکن است تصمیم بگیرد برخی از اطلاعات پیشین را برای یک پایگاه داده پشتیبان بفرستد. زمان لازم برای انجام ان کار بستگی به  کاربرد (Application) دارد و خارج از محدوده بحث این متن است.

قسمت بالایی شکل 3 را نگاه کنید. اکنون ما چگونگی باطل شدن و اختصاص دوباره slave agent را بررسی کنیم. هنگامی که شئ در فضای کاری A0 قرار دارد، به وسیله حسگرهای s2, s1, s0 ردیابی می شود. در ورود به فضای پشتیبانی A1، نظر به اینکه سیگنالهای دریافت شده توسطS2 به سطح پایین آستانه کاهش پیدا  می کنند، عامل slave موجود در S2 از بین می رود و یک Slave جدید در S6 ایجاد می شود. به طور مشابه در ورود به فضای پشتیبان F1، slave agent موجود در S1 باطل می شود و یک slave جدید در S5 ایجاد می شود. آن چنان که شئ ازS5  عبور می کند، خود master هدف را از دست می دهد و در چنین حالتی، master خود را به S5 مهاجرت می دهد. تمام Slave های قدیمی باطل می شوند و Slave های جدید دعوت می شوند.

زمانی که یک شئ در فضای های پشتیبانی برخی حسگرها باشد، این امکان وجود دارد که بتواند توسط بیش از سه حسگر حس (sense) شود. جهت کاهش سربار حس گری، agent های master و slave باید سایر حسگرهای نامرتب را از نظارت بر شئ منع کنند. این موضوع در شکل 4 نشان داده شده است. شئ در حال حاضر در فضای A0 است. حسگرهای S11, … S4, S3 انتشار می یابد، از ردیابی شئ مورد نظر منع می شوند.