مقاله ردیابی هدف در شبکه های حسگر بی سیم؛ رهیافتی جدید

بخشی از مقاله

چکیده

یک شبکهی حسگر بیسیم سامانهای از تعداد زیادی گرههای حسگر است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع آوری داده از محیط پیرامون خود میپردازند. این دادهها شامل دما، درصد رطوبت، تشخیص وجود یک ماده مثلاً - یک گاز سمی - ، تشخیص حرکت و ... می باشد. نرخ انتقال داده در این شبکه ها معمولاً بالا نیست. با این حال چالش های زیادی در طراحی و به کارگیری آن ها وجود دارد، از جمله این که مسیریابی در این شبکه ها آسان نیست، چرا که تعداد گره ها زیاد بوده معمولاً ساختار شبکه از قبل تعیین شده نیست. گرههاعمدتاً با باتری کار میکنند و در نتیجه در مصرف انرژی محدودیت دارند. به دلایل اقتصادی، حسگرها از نظر پردازش و توان ارسال و دریافت داده، پیچیدگی بالایی نباید داشته باشند. چنین چالشهایی موجب شده مبحث شبکه های حسگر بیسیم به یکی از زمینه های پرطرفدار تحقیقاتی بدل گردد. ردیابی هدف یکی از کاربردهای مهم در شبکههای حسگر بیسیم است. در طرح پیشنهادی با استفاده از تکنیک خوشهبندی، یک الگوریتم پیشبینی برای ردیابی هدف در شبکه حسگر بیسیم پیشنهاد میدهیم که کارآیی آن را افزایش دهد.

واژههای کلیدی"mشبکه حسگر بیسیم، خوشهبندی، الگوریتم پیشبینی، ردیابی هدف

-1 مقدمه

در این تحقیق به بررسی الگوریتمهای ردیابی پرداخته میشود. دراین بین برخی مقالات مروری نظیر[1] به بررسی اجمالی روشهای ردیابی هدف پرداختهاند. الگوریتم فیلترینگ کالمن متراکم برای کاهش حجم داده انتقالی با هدف کاهش مصرف انرژی در [3] پیشنهاد داده شده است. درمقایسه با الگوریتم فیلترینگ کالمن سنتی، دراین طرح ماتریس کواریانس متقارن را به ماتریس قطری جهت کاهش تعداد دادههای ارسالی فشرده کردهاند.شبکههای حسگر بیسیم از تعداد زیادی گره با قابلیتهای محدود پردازشی، برقراری ارتباط بیسیم و تشخیص یک یا چند پدیده فیزیکی یا شیمیایی تشکیل شده اند. اصلیترین ویژگی این گرهها، محدود بودن منابع انرژی است که باعث میشود این شبکهها عمر مشخصی داشته باشند. علاوه بر این از نظر پردازشی و وسعت ارتباط رادیویی، نسبت به شبکههای موردی، محدودیت بیشتری دارند. به همین دلیل، الگوریتمهای پیشنهادی برای این شبکهها باید به صورتی کارا طراحی شوند. از سوی دیگر داشتن این ویژگیهای حداقل، باعث کم هزینه بودن گرههای حسگر بیسیم بوده و در نتیجه امکان استفاده از تعداد زیادی از این گرهها در یک شبکه را فراهم میکند.[4]

یک شبکه حسگر، ساختاری متشکل از اجزای حس کننده، محاسبه کننده و مخابراتی است که به یک مدیر، اجازه مشاهده و تنظیم مشاهدات را میدهد و همچنین عکس العمل نشان دادن در برابر رویدادهایی که در یک ناحیه مشخص اتفاق میافتد را سادهتر میسازد. منظور از مدیر،نوعاً میتواند یک هویت اجتماعی، دولتی، تجاری و یا صنعتی باشد. ناحیه موردنظر میتواند جهان فیزیکی، یک سیستم بیولوژیکی و یا یک چارچوب خاص تکنولوژی اطلاعات باشد. شبکههای حسگر بیسیم،صولاًا برای نظارت بر محیطهای گسترده شامل پدیدههای مشخص و ردیابی هدفهای متحرک به کار میروند. در این کاربردهامعمولاً لازم است که یک محیط گسترده و عمدتاً غیرقابل دسترس توسط انسانها، به مدت طولانی نظارت شود. تغییرات اندازهگیری شده - پدیده فیزیکی، شیمیایی یا هدفهای متحرک - توسط حسگرها به یک مرکز کنترل گزارش میشوند و در برخی موارد نیز اقداماتی از سوی مرکز کنترل صورت میگیرد. مثالهایی از محیطهای بهکارگیری این شبکهها میتوان به محیطهای نظامی، امنیت فیزیکی، کنترل ترافیک هوایی، منابع طبیعی، زیستگاههای حیوانات، محیطهای شهری، نظارت ترافیکی، کارخانهها، روباتها، خانهها، کنترل و مدیریت شرایط بحرانی و مناطق شهری اشاره کرد. فناوری به کار رفته در این شبکهها برگرفته از تحقیقات انجام شده در فناوری حس کردن، ارتباطات و محاسبات - شامل سخت افزار، نرم افزار و الگوریتمها - است.

-2 مروری برردیابی هدف و روشهای پیشین دراین بخش کارهای پیشین در دستهبندی زیر بررسی میشوند:

·    ردیابی هدفها

·    کیفیت ردیابی وعوامل مؤثر بر آن در شبکههای حسگر بیسیم

-1-2ردیابی هدفها

ردیابی هدفهای متحرک در سالهای اخیر از دیدگاه پروژههای عملیاتی و تحقیقاتی مورد توجه محققان زیادی قرار گرفته است. برخی از پروژههای عملی مبتنی بر کاربردهای نظارت و ردیابی که در سالهای اخیر انجام شده است، عبارتند از:

·    نظارت و ردیابی در زیر آبها: پروژه .[5] AquaNodes

·    نظارت بر مرزها: پروژه .[6] ExScal

·    سیستم نظارت و مراقبت: پروژه .[7] VigilNet

·    ردیابی حیوانات متحرک درمنابع طبیعی: پروژه .[8] ZebraNet

·    ردیابی با استفاده از دوربینهای ویدئویی: پروژههای MeshEye، SensEye،Cyclops ، VSAM .[11,10,9]

از دیدگاه تحقیقاتی، عمده کارهای انجام شده در این زمینه منجر به ارائه روشهای ردیابی شبکهای، الگوریتمهای زمانبندی، روشهای پوشش هدفها، الگوریتمهای پردازش سیگنال، ... شده است. اگرچه به خاطر تنوع زیاد پژوهشهای انجام شده، دستهبندی جامعی در این زمینه مشاهده نشده است، با این حال تلاش میشود تا با مرور کارهای قابل توجهی که در گذشته انجام شده است، دستهبندی اولیهای برای روشهای ردیابی شبکهای ارائه شود به گونهای که تعداد زیادی از روشهای ارائه شده را میتوان تحت این دستهبندی قرارداد.[12] منظور از روشهای ردیابی شبکهای، روشهایی است که در آنها ساختار شبکه برای ردیابی یک یا تعدادی هدف ساخته میشود. عمده این روشها در لایه شبکه، انتقال و یا کاربرد از معماری لایهای شبکههای حسگر ارائه شده اند. با توجه به این تقسیمبندی، روشهایی که در لایه انتقال و کاربرد پیادهسازی شدهاند، نیاز به یک الگوریتم مسیریابی در لایه زیرین دارند، در حالی که روشهای ردیابی در لایه شبکه، مسیریابی و ردیابی را توأمان انجام میدهند. شکل 1 معماری لایهای همراه با الگوریتمهای متناظر برای کاربرد ردیابی را نشان میدهد .[2]

شکل .1 تناظر بین یک سیستم ردیابی هدف با پشته پروتکل شبکههای حسگر بیسیم

به طور دقیقتر، مسأله ردیابی در شبکههای حسگر بیسیم را میتوان به صورت زیر تعریف کرد: شبکهای از n گره حسگر بیسیم برای ردیابی هدفها در یک ناحیه تشکیل شده است. در این ناحیه m هدف - P 1 - حرکت میکنند. گرههای حسگر با نمونه برداری از سیگنالهای منتشر شده از هدفها - سیگنالهای صوتی، لرزه ای، مواد شیمیایی، ... - ، وجود یا عدم وجود آنها را تشخیص میدهند. در حالت کلی، پیش فرضی در مورد نحوه حرکت هدفها و مدل حرکتی آنها وجود ندارد. مطلوب این است که گره های تشخیص دهنده، محل هدف را با استفاده از روشهای مکانیابی و با استفاده ازمحلگرههای تشخیص دهنده، مشخص کنند.

با تعیین مکان هدف به صورت متناوب و ارسال گزارش به سمت کاربر یا برنامه کاربردی ناظر، میتوان مسیر طی شده توسط هدف را در طول زمان دنبال کرد. همچنین با توجه به محدود بودن انرژی گرهها مطلوب این است که در هر لحظه از زمان، کمترین تعداد گرههای حسگر فعال باشند؛ در عین حال مسیر طی شده توسط هدف نباید گم شود. در صورت گم شدن هدف، مکانیزمهای بازیابی برای دوباره پیداکردن آن با خطای محدود باید قابل پیادهسازی باشند. در صورتی که از روشهای پیشبینی حرکت هدف استفاده شود، میتوان گرههای نواحی دیگر را کهعمدتاً ناحیه های همسایه هستند و احتمال رفتن هدف بهآنها بیشتر است، پیش از رسیدن هدف بهآن ناحیه فعال کرد. مسأله ردیابی هدف متحرک در حالی که ناحیه شامل گرههای محاصره کننده نیز جابهجا میشوند، تحت عنوان مدل [13] Frisbee شناخته شده است - شکل . - 2