مقاله تشخیص عیب شبکه های حسگر بیسیم مبتنی بر درخت عیب آنها

بخشی از مقاله

چکیده
طبیعت تعاملی و کم هزینه شبکههای حسگر بیسیم، افزایش روزافزون کاربرد این شبکهها را به ارمغان آورده است. به کارگیری این شبکهها در کاربردهای حساس و حیاتی نیازمند دارا بودن سطح بالایی از فاکتورهای اتکاپذیری می باشد. یکی از مهمترین پارامترهای اتکاپذیری به دلیل عدم امکان دسترسی و تعمیر گره های پخش شده در محیط، پارامتر قابلیت اطمینان میباشد.

به منظور داشتن تخمینی مناسب از این پارامتر، این مقاله با در نظر گرفتن شبکههای حسگر بصورت لایهای ضمن شناسایی عیوب اجزاء تک تک لایهها و توضیح مختصر آنها، با دستهبندی این عیوب، یک درخت عیب سلسله مراتبی برای شبکه پیشنهاد، و قابلیت اطمینان را از روی نرخ خرابی اجزاء شبکه محاسبه می کند. در نهایت درخت عیب شبکه را در محیط یکی از نرم افزارهای موجود پیاده سازی و تاثیرپذیری رویداد نامطلوب شبکه - از کارافتادن شبکه - را از روی کاتستهای درخت بررسی کرده و از این طریق گلوگاهها و عناصر حیاتی شبکه را شناسایی میکند. حساسیت شبکه به تغییرات تکتک اجزاء نیز بررسی میگردد.

.1 مقدمه
در دو دهه اخیر شبکههای حسگر بیسیم کاربردهای متعددی پیدا کردهاند که از میان آنها میتوان نظارت و پایش جنگلها و نقاط دوردست، ردیابی مسیر حرکت سربازان در جبههها، کنترل وضعیت لولههای نفتی در دریاها، تشخیصهای پزشکی، خانههای هوشمند، کنترل صنایع و ... را نام برد

تنوع محیط کارکردی این شبکهها به همراه شرایط کاری غیرقابل پیشبینی آن ها و همچنین لزوم استفاده از اجزاء با کیفیت پایین به دلیل کم بودن هزینه ساخت سبب مستعدتر بودن این شبکهها نسبت به سایر شبکهها و سیستمها از نظر بروز خرابی میشود.

از اینرو تشخیص وقوع خرابی یکی از ملزومات اصلی و همیشگی این شبکهها بشمار میآید. شبکههای حسگر بیسیم متشکل از تعداد زیادی گره پخش شونده در محیط، گره سینک و همچنین واحد ارتباط با کاربر انسانی میباشند. اولین و مهمترین کار پس از تشخیص خرابی و با هدف رفع آن، تعیین نوع و محل وقوع عیب منجر به بروز خرابی در قسمتهای مختلف آن میباشد

روشهای متعددی برای تشخیص سیستماتیک عیوب سیستمها وجود دارند که یکی از آنها استفاده از مدل درخت عیب میباشد. درخت عیب دیاگرامی است متشکل از تعدادی رویداد پایه، تعدادی گیت و همچنین رویداد نامطلوب اصلی که علل و راههای مختلف معیوب شدن سیستمها و در نهایت وقوع رویداد نامطلوب اصلی را به تصویر میکشد.

درخت عیب به دلیل سادگی ساختار و تحلیل آن، و گسترش های متعدد قابلیت های آن در دهه اخیر، نسبت به سایر روشهای تشخیص عیب مطلوبتر و پرکاربردتر میباشد. از جمله مزایای درخت عیب، توانایی آن در محاسبه قابلیت اطمینان و همچنین مشخص نمودن مسیرهای دارای نقش حیاتی و اساسی در عملکرد مطلوب و صحیح سیستم میباشد. تواناییهای فوق به دلیل فراهم نمودن امکان افزایش قابلیت اطمینان در نقاط ضعف، گلوگاهها و مسیرهای حیاتی شبکه از طریق استفاده از اجزاء با کیفیت و یا انواع افزونگیهای مختلف در پیاده سازی شبکههای حساس و با قابلیت اطمینان بالا نظیر کاربردهای نظامی و یا مواردیکه سلامتی انسانها مثل کاربردهای هستهای و شیمیایی مطرح باشد، از جمله مزایای اصلی این روش بشمار میروند.

در این مقاله مدلی سه مرحلهای جامع و فراگیر به منظور بررسی قابلیت اطمینان شبکههای حسگر بیسیم خوشهبندی شده ارائه میشود که ساختار کلی آن بر اساس درخت عیب و محاسبات مربوط به تک تک گرهها، مبتنی بر استفاده از مدل زنجیره مارکوف میباشد.

سازماندهی مقاله بدین صورت است که پس از بررسی اجزاء تشکیل دهنده شبکه های حسگر بیسیم و نحوه محاسبه قابلیت اطمینان کل شبکه، عیوب تک تک اجزاء بررسی و قابلیت اطمینان آنها با استفاده از مدل زنجیره مارکوف در قالب رابطه ارائه می شود. سپس درخت عیب پیشنهادی در محیط نرم افزار Windchill شبیه سازی و در بخش انتهایی خلاصه ای از کل مقاله ارائه میشود.

.2 اجزاء تشکیلدهنده شبکه حسگر بیسیم

بطور کلی همانطور که در شکل 1 دیده میشود یک شبکه حسگر بیسیم متشکل از سه واحد گرهها 1، واحد تجمیع اطلاعات2 - گره سینک یا چاهک - 3 و واحد نظارت و کنترل مرکزی4 که وظیفه تبادل اطلاعات با کاربر انسانی را دارد، میباشد. واحد کنترل مرکزی ممکن است یک رایانه و یا حتی ضبط کننده دیجیتال باشد که بسته به هر مورد، دارای عیوب خاصی میباشد. قابلیت اطمینان این جزء به دلیل قرارگیری در خارج از محیط پیاده سازی شبکه حسگر، در مدل ارائه شده برای خرابیهای شبکه حسگر بیسیم لحاظ نشده و میتوان آن را بصورت مجزا مورد بررسی و ترکیب با آن قرار داد

شکل :1 ساختار کلی شبکه حسگر بیسیم

.3 محاسبه قابلیت اطمینان کل شبکه

همانطور که اشاره شد در شبکههای حسگری که دارای وظیفه مهم و حیاتی هستند، پیش از توزیع گره ها بررسی تضمین بالابودن فاکتور قابلیت اطمینان در آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار میباشد. لذا برای محاسبه این پارامتر، با در نظر گرفتن شبکه ای متشکل از n خوشه که هر یک از این خوشهها دارای m گره و یک گره سرخوشه5 میباشند، در این شبکه، هر یک از گره های موجود در خوشهها دارای یک مسیر ارتباطی با سرخوشه و هر یک از سرخوشه ها دارای یک مسیر ارتباطی با گره سینک میباشند.

شبکه حسگر بیسیم بسته به کاربرد و نوع اجزاء تشکیل دهنده زمانی از کار میافتد که تعداد k1 و یا بیشتری از n خوشه آن از معیوب و یا اینکه گره سینک از کار افتاده باشد. در شکل 2 درخت عیب پیشنهادی به منظور بررسی قابلیت اطمینان دیده میشود 

شکل :2 درخت عیب پیشنهادی برای لایه اول شبکه حسگر بیسیم
 
عیوب مربوط به گره چاهک گره سینک یا چاهک دارای اجزاء مشترک بسیاری با گرههای شبکه میباشد، لذا همانند سایر گرهها میتواند دارای عیوب بسیاری گردد با این تفاوت که حساسیت این عیوب به دلیل تجمیع اطلاعات گرهها در این جزء، و احتمال از دست رفتن کل اطلاعات شبکه بسیار مهمتر از گرههای توزیع شده در شبکه میباشد، از اینرو نحوه محاسبه قابلیت اطمینان این جزء از شبکه همانند سایر گرهها میباشد که در ذیل بررسی میگردد.

.4 محاسبه قابلیت اطمینان خوشههای شبکه

در شبکههای حسگریک خوشه عملاً زمانی از کار میافتد که تعداد k2 و یا بیشتری گره از مجموع m گره آن معیوب یا گره سرخوشه از کار افتاده باشد [3]، درخت عیب شکل 3 نشانگر این مطلب است.

شکل :3 درخت عیب پیشنهادی برای خرابی خوشههای شبکه حسگر بیسیم

.5 محاسبه قابلیت اطمینان گرههای شبکه

به منظور محاسبه قابلیت اطمینان تک تک گرههای شبکه و رسم درخت عیب دقیقتر میبایست ابتدا خطاها و عیوب قابل وقوع در اجزاء و قسمتهای مختلف تشکیل دهنده گرهها را شناسایی و سپس با استفاده از روشی مناسب نظیر زنجیره مارکوف اقدام به محاسبه قابلیت اطمینان آنها نمود.

 یک گره از شبکه در سه حالت خرابی سیستم عامل و یا خرابی کانال ارتباطی میان آن گره و گره مرتبه بالاتر و یا خرابی یکی از قطعات داخلی آن معیوب تلقی شده و اطلاعات آن قابل دسترسی و استفاده نخواهند بود [3]، درخت شکل 4 بیانگر این مطلب میباشد.

شکل :4 درخت عیب پیشنهادی برای خرابی گرههای شبکه حسگر بیسیم

.1-5 خرابی سیستم عامل گره مدل زنجیره مارکوف استفاده شونده به منظور محاسبه قابلیت

اطمینان سیستم عامل گرههای شبکه مطابق شکل 5 میباشد. در این مدل درصورتیکه سیستم عامل استفاده شونده در گره بطور صحیح بکار خود ادامه دهد با نماد UP و درصورتیکه به هر دلیلی مثلاً وجود باگها و ایرادات در نرمافزارهای موجود در آن دچار مشکلی در ادامه کار خود شود - با نرخ -  OS با نماد DN نشان داده می شودکه ممکن است این از کارافتادگی موقت با یک راه اندازی مجدد به وضعیت عملکرد صحیح خود بازگردد - با نرخ - COS و درغیراینصورت قادر به ادامه عملکرد خود نبوده و بطور × کلی از کار بیفتد که این حالت با نماد Fail نشان داده شده است

شکل :5 زنجیره مارکوف متناظر با خرابی سیستم عامل گره

.2-5 خرابی کانالهای ارتباطی بین گرهها کانالهای ارتباطی میان گرهها به دلایلی نظیر تغییر شرایط محیطی،

تداخل امواج، نویزها، پارازیتها، وجود مسیرهای چرخشی بیهوده و همچنین تصادم بستهها میتوانند دچار قطعی شوند. عملکرد صحیح کانالهای ارتباطی میان گرهها همانطور که در شکل 6 دیده میشود با فرض صرفنظر کردن از خطای بیت با نماد Up و درصورتیکه تعداد بیتهای از دست رفته بقدری زیاد باشد که اطلاعات دریافتی قابل استفاده نباشند، با نماد DN نشان داده شده است، رابطه 8 بیانگر دردسترس پذیری کانالهای ارتباطی می باشد

شکل :6 زنجیره مارکوف متناظر با خرابی کانال ارتباطی میان گرهها

در این حالت نیز درصورتیکه اولین خطا نیز قابل قبول نباشد، قابلیت اطمینان کانال ارتباطی از رابطه زیر بدست میآید.

.3-5 انواع خرابیهای سخت افزار گره آنچه که میان تمامی گرههای تولیدی کارخانجات مختلف مشترک

است وجود پنج قسمت اصلی پردازنده، فرستنده و گیرنده، حافظه، منبع تغذیه و حسگر در تمامی آنها میباشد، از اینرو احتمال خرابی قسمتهای فیزیکی گره از رابطه 10 محاسبه میشود

.1-3- 5 بروز ایراد در منبع تغذیه گره عمده عواملی که سبب بروز خطا و عیب در گره های شبکههای حسگر میشوند، عبارتند از:

·    محدود بودن انرژی قابل ذخیره در باتری و مشکلات ناشی از اتمام زودرس انرژی آن.

·    کاهش و یا وجود ویژگی های نامطلوب در شکل موج ولتاژ تولیدی توسط منبع تغذیه گره نظیر ریپل .

از اینرو درصورتیکه سطح ولتاژ باتری و بطور کلی کیفیت ولتاژ تولیدی توسط منبع تغذیه گره در مطلوبترین وضعیت با نماد UP نشان داده شود، این سطح کیفیت طی k مرحله افت مینماید تا به حالتی برسد که گره قادر به ادامه کار نمیباشد، این حالت در شکل 7 با نماد BD/k نشان داده شده است، از طرفی گره در هر یک از این k حالتیکه میتواند به کار خود ادامه دهد با نرخ Slp به وضعیت Sleep و با نرخ Wkp به وضعیت کاری خود باز میگردد