بخشی از مقاله
چکیده
یک شبکه حسگر بیسیم مجموعهای از تعداد بسیار زیادی گره حسگر با ابعاد کوچک و قابلیتهای مخابراتی و محاسباتی محدود است که بهمنظور جمعآوری و انتقال اطلاعات از یک محیط به سمت یک کاربر و یا ایستگاه پایه بهکاربرده میشود. یکی از مسائل مهم دراین شبکه ها مسئله پوشش است درواقع هدف پوشش در شبکه دستیابی به اهداف نظارتی موثر توسط شبکه های حسگر وذخیره مصرف انرژی به منظور افزایش طول عمر حسگرها می باشد دررابطه با حل مسائل پوششی الگوریتم هاو تکنیک های مختلف ارائه شده است که در اکثر این الگوریتم ها گره ها در مجموعه های پوششی تقسیم می شوند و هر مجموعه پوششی که برای تمام اهداف نظارتی مناسب باشد در نظر گرفته می شود .هدف این مقاله بررسی روش های بهبود پوشش و راهکار های موجود در حل مسئله پوشش است .
مقدمه
محدودیتهای مصرف انرژی از مهمترین عامل توسعه مدل های پوشش است. گرههای حسگر معمولاً از یک باتری جهت تامین انرژی استفاده میکنند که در اغلب موارد قابل شارژ و تعویض نمیباشند. بنابراین بسیار مهم است که عملیاتی جهت کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر گره حسگر انجام پذیرد. چندین روش جهت دسترسی به این امر وجود دارد. یک راه حل این است که تعدادی از گرههای اضافی را به حالت خواب ببریم که این روش از شیوههای محبوب و کارآمد است.
دومین روش این است که میزان محدوده انتقال را به اندازه گره همسایه تنظیم کنیم به طوری که جهت حس کردن و انتقال اطلاعات تنها تا فاصله گره همسایه نیاز باشد. راه حل دیگر استفاده از ساختار سلسه مراتبی و گره های سرخوشه است که جمع آوری اطلاعات از مسئولیت گره های واسط برداشته شود تا شبکه بواسطه مصرف بهینه انرژی طول عمر بیشتری داشته باشد.اگر چندین گره نسبت به جمعآوری اطلاعات یکسانی دست بزنند مسلماً میزان مصرف انرژی بالا و بیهودهای خواهیم داشت. حذف افزونگی یکی از موارد بسیار مهم در شبکههای حسگر بی سیم میباشد. هدف این مقاله بررسی و طبقه بندی مطالعات انجام شده در خصوص راه های افزایش پوشش در شبکه های حسگر بی سیم می باشد.
راهکار های موجود در حل مسئله پوشش
روش خاموش کردن گروهی گره های حسگر در [1] مطرح می گردد و با این روش سعی در کاهش مصرف انرژی دارد. در [2]پروتکلی ارائه گردیده است که در آن یک گره حسگر می تواند در پنچ حالت کاری قرار بگیرد. زمانی که یک گره حسگر از خواب بیدار می شود به حالت دیگر گره های همسایه گوش می دهد و منتظر یک علامت می شود. این علامت ممکن است او را به خواب ببرد یا بیدار نگه دارد، این حالت انتظار با یک زمانسنج مشخص می شود. زمانی که گره حسگر در حالت فعال است نسبت به پوشش منطقه مورد نظر خود اقدام می نماید و تا زمانی که فاقد شرایط لازم جهت پوشش باشد به این کار ادامه می دهد. پس از یک بازه زمانی گره حسگر به حالت خواب میرود مگر این که به حضور او نیاز باشد.
پوشش گرههای حسگر در یک ناحیه معمولاً توسط دیسکهای دو بعدی و سه بعدی فرمولدهی میگردند. هر نقطه از منطقه میبایست به عهده یک گره حسگر گذاشته شود با این حال در استقرار واقعی، مسئله پوشش با چالشهای اساسی رو به رو است. دیوارها - موانع - ، سنگ ها، درخت ها و غیره... از جمله این موانع هستند که میتوانند امواج رادیویی حسگرها را جذب یا دفع و یا منعکس کنند که در اکثر مواقع دادهها از دست خواهند رفت. تاثیر موانع بر پوشش و اتصال در [3] ارائه گردیده است. در این مقاله فرض را بر همگن بودن شبکه و همچنین استقرار قطعی با حصول اطمینان از پوشش و اتصال با حداقل تعداد گره گذاشته و سپس بررسی نموده است.
مناطق تحت پوشش به قسمتهایی کوچکتر تقسیم شدهاند تا بررسی دقیقتر انجام گیرد در [4] تاثیرات اعمال شده توسط موانع موجود بررسی گردیده است. آگاهی از محیط پیرامون حسگر در توزیع تصادفی حسگرها امری ضروری است تا بهبود مسئله پوشش حاصل گردد. پوشش چندگانه ارتباط مستقیمی با مصرف انرژی دارد به طوری که تحقیقات زیادی جهت به حداقل رساندن مصرف انرژی در شبکههای چند پوششه صورت گرفته است. این هدف در [5]، [6] و [7] بررسی شده است. در [8] مسئله اتصال پوشش چندگانه به همراه به حداقل رساندن گرههای حسگر فعال ارائه و بررسی گردیده است. در [9] مسئله پوشش چندگانه در شبکهای با گرههای متحرک بررسی شده است که در آن از عامل تحرک جهت ایجاد پوشش چندگانه با رعایت حداکثر فاصله ممکن گرههای حسگر را معرفی نموده است.
مرور ادبیات جامع نشاندهندهی این است که محققان روی دو راهحل اصلی تمرکز کردهاند . - 1 تنظیم جهتهای کاری گرههای حسگر - 2 زمانبندی زمان خواب حسگرهای اضافی . یک گره حسگر جهتدار ممکن است بهصورت تئوری در n جهت متفاوت کار کند . هدف اصلی ، تشخیص بهترین جهت کار یک گره حسگر جهتدار برای دستیابی به یکجهت میباشد که از این طریق تأثیر انسداد و همپوشانی حداقل شود . بنابراین ، گره حسگر جهتدار با کارایی بیشتری ارائه میشود . از طرفی تنظیم جهتهای کاری در خصوص تداوم طول عمر شبکه ، کافی نمیباشد . زیرا ممکن است برخی گرههای اضافی وجود داشته باشد که نواحی مشابه و موردنظر را پوشش دهند . برخی از الگوریتمهای زمانبندی ، گرههای اضافی را بهمنظور ذخیرهسازی انرژی در حالت خواب قرار میدهند . به بیان کلی ، مطالعات در دسترس دربارهی شبکههای حسگر جهتدار بشرح ذیل دسته بندی می شوند.
- 1 راهحلهای پوشش مبتنی بر هدف
- 2 راهحلهای پوشش مبتنی بر ناحیه
- 3 راهحل پوشش از طریق اتصال تضمینشده
- 4 راهحلهای طولانی کردن عمر شبکه
راهحلهای پوشش مبتنی بر هدف
برخی از کاربردهای حسگر تنها مناسب نقاط ایستای هدف از قبیل ساختمانها، درها، پرچمها و نقاط ویژه میباشند، درحالیکه هدف سایر برنامههای کاربردی، پیگیری اهداف متحرک مانند مزاحم هست. اهداف ایستا میتوانند در هر مکانی از نواحی قابل دید قرار بگیرند. محققان برای پوشش اهداف موردنظر بهجای کل نواحی، مسئلهی پوشش مبتنی بر هدف را مطرح کردهاند. در برخی مطالعات؛ محققان رویکرد پوشش هدف را بهعنوان نقطه پوشش نامگذاری کردهاند .[10] در پوشش موردنظر، هر هدف بهطور پیوسته توسط حداقل یک حسگر نظارت میشود. هرچند، برخی کاربردهای شبکههای حسگر جهتدار ممکن است، حداقل تعداد K حسگر را برای هر هدف موردنظر به جهت افزایش اعتبار شبکه درخواست کند.
مسئله K - Coverage بر اساس این نیاز فرموله میشود. بعلاوه K - barrier coverage برای کشف هدفی که در نواحی محافظتشده نفوذ کرده است، کاربرد دارد.[11] در این حالت، شبکه حسگر، هر شئی که نفوذ کرده ، بهوسیله حداقل K حسگر مجزا پیش از برخورد به حسگرهای بیسیم کشف میکند. سپس روی حداقل کردن تعداد حسگرها ازجمله عملکرد آنها بحث میکند. تعداد قابلملاحظهای از مطالعات روی حداکثر پوشش اهداف ایستا توسط تعداد کمی از حسگرها، متمرکزشده است. در [12] نویسندگان زیرمجموعهای از جهتهای حسگر را بهعنوان یک مجموعه پوشش فراخوانی میکنند. مسئله پیدایش یک مجموعه پوشش در یک شبکه حسگر جهتدار بهعنوان مسئله مجموعه پوشش جهتدار نامیده میشود.
