بخشی از مقاله
چکیده - شبکه های حسگر چندرسانه ای بی سیم به دلیل تأثیر بالقوه ی آنها بر روی پژوهش های علمی و کاربردهای جذاب معتبر آنها توجه فوق العاده ای را به خود جلب نموه اند.مسیریابی در شبکه های حسگر بی سیم حوزه ی پژوهشی فعالی در چند سال گذشته بوده است.انتقال داده های چند رسانه ای به یک پروتکل مسیریابی بستگی دارد.که مسیری پایدار و کارآمد از نظر منابع را تعیین کرده و تضمین سطوح مختلفی از کیفیت سرویس و تجربه را برای داده های چند رسانه ای فرهم می کند.با این حال با توجه به منابع محدود شبکه و عملیات پیچیده کاربردهای چند رسانه ای و همچنین تغییرات پویای شرایط شبکه،مسیریابی به یک مشکل چالش برانگیز تبدیل شده است.
این مقاله با چالش ها و نیازهای موجود در طراحی مسیریابی شبکه های حسگر بی سیم شروع می شود، سپس با یک مرور و بررسی جامع بر مسیریابی از دیدگاه نیازهای کاربردی و روش های کلیدی ادامه می یابد.به ویژه اینکه راه حل های مسیریابی موجود براساس اهداف طراحی و بهینه سازی آنها به 5 دسته طبقه بندی می شوند که عبارتند از:تأمین کیفیت سرویس،آگاهی های چندرسانه ای، بهره وری انرژی اجتناب ازتراکم و بهینه سازی پهنای باند .در نهایت در مورد مسائل باز در معیارهای مسیریابی و باتوجه به حوزه های تحقیقاتی بالقوه ی مختلف در مسیریابی در مورد سناریوهای در حال ظهور برنامه های کاربردی شبکه های حسگر بی سیم بحث خواهیم کرد.
-1 مقدمه
با نتایج اخیر در زمینه میکروالکترونیک، سنسورهای بیسیم بسیار ریز، هم در بعد تحقیقات آکادمیک و هم در بعد صنعت پیشرفت داشته است. در صورت کم هزینه و کم مصرف بودن ودارا بودن ویژگیهای ردپایی کوچک، سنسورهای بیسیم را می توان در زمینه های گوناگون مانند مدیریت میدان جنگ، تعیین فاصله، بازرسی و بازدید روند تولید، مدیریت دارایی، صفحه کلید واقعی و مدیریت هوشمند استفاده کرد.
به طور کلی،شبکه حسگر بی سیم می تواند یا به عنوان یک شبکه سنسور همگن و یا ناهمگن به کار رود. در یک شبکه سنسور همگن، سنسور ها در زمینه قابلیتهای کاربردیشان، انرژی باتری و پیچیدگی سخت افزاری مشابه یکدیگرند. یک شبکه سنسور ناهمگن از گره های سنسوری بیسیم تشکیل شده است که دارای ویژگیهایی همچون ظرفیتهای مختلف باتری است که میتواند برای مصارف مختلف استفاده شود.
شبکههای سنسوربیسیم ناهمگن، معمولا در یک فضای باز مانند میدان جنگ یا محیط وحش، بدون نظارت انسان به کار می روند. به علاوه این سنسور ها قابلیت خود برنامه ریزی، تشخیص خودکار و عملکرد خودکار می باشند.[1] سنسورها را می توان برای کاربردهای گوناگون مورد استفاده قرار داد: برخی سنسورها دما و رطوبت را ضبط می کنند، برخی دیگر می توانند درجه صدا را تشخیص دهند. برای ساده سازی نصب می توان یک شبکه بیسیم برای دستورهای کنترل یا خروجی دادهها درنظر گرفت.
-2 پیش درآمد
گاهی شبکههای سنسوری بیسیم به عنوان یک زیر مجموعه از شبکههای AD HOC بیسیم در نظر گرفته می شود. اگر چه WSNها بسیاری از ویژگیهای شبکه AD HOC بیسیم را دارا هستند ولی چند اختلاف جزئی وجود دارد. تعدادی از گرههای سنسوری در یک شبکه می تواند چندین مرتبه بزرگتر از یک شبکه AD HOC باشد. توپولوژی یک شبکه سنسوری مرتبا با توجه به ذخیره انرژی پایین تغییر می کند.
گرههای سنسوری عموما از یک دیاگرام ارتباطی استفاده میکنند، در حالیکه اغلب شبکه های AD HOC دارای یک ارتباط نقطه به نقطه هستند.گرههای سنسوری با ذخیره انرژی، قابلیت های محاسباتی و اندازه حافظه متمایز می شوند. گرههای سنسوری نمی تواند IDمحلی داشته باشد به دلیل دارا بودن مقدار زیاد تعمیرات و بازبینیها و تعداد زیاد سنسورها. WSN قابلیتهای زیادی را دارا است که به پنج دسته تقسیم می شود: کاربرد های نظامی، تصویرگری محیطی، پشتیبانی لوژستیک، کاربردهای انسان محور و کاربردهای رباتیک. دادههای سنسوری می تواند مستقیما یا از طریق چند پرش کوچک به پایه اصلی فرستاده شود.
-1-2 کدگذاری منبع
به دلیل قابلیت پردازش و انرژی محدود، دو چالش اصلی برای انتقال صوتی و تصویری در WMSN وجود دارد: اولا، طیف رادیویی یک ابزار محدود در ارتباط بیسیم است. راه حلی برای این چالش استفاده از یک تکنیک کدگذاری پیشرفته است بنابراین نیاز به پهنای باند کاهش مییابد.دوما، واحد پردازش و واحد انرژی ابزار مناسبی برای سنسور های چند رسانه ای نیستند. در نتیجه استفاده از یک روش کدگذاری پیچیده میتواند به مقدار قابل توجهی مصرف انرژی را افزایش دهد.
-2-2 پروتکلهای ارسال و مسیریابی
Name N.phamو همکارانش مقایسه ای بین چهار روش WSN انجام دادند:ارسال کننده چند پرشی - گام - ، بردار فاصله مورد نیازAd- hoc، مایل به حرکت رو به جلو، و پیش روندگی با ایجاد کشش سیگنال دریافتی از این اندازهگیریها در مورد یک محیط آزمایشی WSN برای تحقیقات پزشکی استفاده شده است. بر اساس نتایج آنها،GF-RSSI، عملکرد بهتری در شرایط کاربردی مختلف نسبت به دیگران داراست. سرعت دسترسی بالاتر حمل و نقل بستهها با تعدیل مصرف انرژی در GF - RSSI انجام می شود.
به علاوه ، jamal N. Al-karakiو همکارانش روش های مسیریابی در WSN را مورد بازنگری قرار دارند و این روشها را در سه ساختار شبکه متفاوت خلاصه کردند: تخت - مانندSPIN و مسیریابی rumor و ... - ، سلسله مراتب LEACH - ، تجمع سنسور و ... - و مکان - مدار SPAN - و GAF و ..... - .برخلاف شبکههای بیسیم ad hoc، به طور نمونه، WMSN شامل صدها یا هزار گره دوربین است. این مدارها قابلیت ادراک محیطی و انتقال دادهها به مسافتهای دور را دارا هستند. لذا، روشهای مسیریابی تجاری به کار رفته در شبکههای محلی بیسیم و شبکههای محلی نمی تواند به طور مستقیم در WASN وابسته به دلایل زیر به کار رود.
اولا، به دلیل تعداد زیاد سنسورها، روشهای با پایه IP تجاری مانند IPV4و IPV6 می توانند مدیریتی ID بنابر نیاز بیان شده از طریق اینترنت داشته باشند. ثانیا، در مقابل شبکههای ارتباطی بیسیم تجاری، WMSN دارای ساختاری با ذخیره انرژی ، قابلیتهای پردازش، و ظرفیت های ذخیره می باشد. الگوریتمهای مسیریابی پیچیده ممکن است به دلیل تعداد انبوه سنسورهایی که می تواند صفحه مسیریابی بزرگی را ایجاد کند، مناسب نباشد. به علاوه، روش یافتن کوتاهترین مسیر در WMSN ممکن است همیشه بهترین راه حل نباشد. متعادل کردن حجم اطلاعات نیز می باشد.سوما اطلاعات مکان نیز یک مشخصه کلیدی WMSNهاست، زیرا مجوعه دادهها معمولاً بر پایه مکانشان بنیان شده اند. GPS میتواند راهحلی برای روشهای مکانیابی در WMSN باشد.
کند. ثانیا، بلوتوث محدودیتهایی در مورد برخی اطلاعات غیر مهم دارد که ممکن است آنها را در زمانی غیرفعال از دست بدهد. به این دو لیل از بلوتوث برای کاربردهای WMSNکمتر استفاده می شود. IEEE 802.11یکی دیگر از استانداردهای معروف در WLAN است. سه محیط فیزیکی در نسخه اصلی آن وجود دارد: گسترش طیف مستقیم، طیف فرکانسی و مادون قرمز. Zigbee نیز یکی از واحد های استاندارد روش های ارتباطی مدل هایبالاست که برای رادیو های دیجیتالی کوچک کم مصرف بر مبنای 802.15.4 استفاده می شود.Zigbee می تواند اغلب نیازمندیهای سیستم های WSN را برآورده کند مانند سرعت پایین دادهها ، باتری با عمر زیاد و یک شبکه امن.
-3-2 لایه فیزیکی
برخلاف شبکههای سیمدار، بسته های اطلاعاتی در شبکههای بیسیم به سادگی با نویز و حذف حین انتقال دچار تداخی میشوند. در WMSN، چون گرهها - مدارها - ممکن است از انرژی تخلیه شوند یا خراب شوند، باید روشهای مطمئنی برای تضمین استفاده آخرین کاربرها از اطلاعات دریافتی وجود داشته باشد. برای مثال، فراوانی و ازدیاد گرهها در شبکه ها می تواند مورد خرابی یا تخلیه انرژی آنها را برطرف کند. همچنین برخورد و فقدان بسته های اطلاعاتی باید در شبکه های سنسوری چند رسانه ای بیسیم نیز مورداستفاده قرار گیرد.
خسارت این بستهها که مربوط به ویژگیهای بیسیم و پهنای باند محدود می باشد اجتناب ناپذیر است، تداخل و برخورد به سادگی در حین انتقال رخ میدهد که باعث افزایش خسارت وارده، به دادهها میگردد. بلوتوث یکی از استانداردهای محیطهای شبکه شخصی بیسیم است و دارای قابلیت بیسیم برد کوتاه با استفاده از موج 2.4 - GHZ - است. بلوتوث میتواند پلی بین دو وسیله مانند دستگاههای هدفون، کنترلرهای بازی ویدیویی و پرینترهایی باشد که داده ها را در یک محدوده فرکانس رادیویی مطمئن تغییر میدهند. دو نکته در مورد بلوتوث وجود دارد : اولا، آنها نیازمند یک مرجع اصلی ثابت هستند که بتواند از نظر انرژی آنها را حمایت.
-4-2 امنیت
هدف سنسورهای چندرسانهای بیسیم اینست که یکی دیگر از کاراییهای موبایل عمومی در آینده باشند با نتایج سودمندی چون قیمت پایین،اندازه کوچک و هرکارایی وپیشرفت مفید دیگر.شبکههای سنسوری چندرسانهای بیسیم عموما بسته به کاهش حمایت های محیط فیزیکی در مقایسه با شبکههای سیمی،حساسترند. کاراییهایی مانند نظارت و مدیریت میدان جنگ و ارتباطات امنیتی از این جملهاند.لذا انتقال و حمل دادههای حساس چندرسانه ای با استفاده از یک روش تراکمی موثر ومفید درحالی که نیاز به مصرف انرژی کمی داریم میبایست به عنوان یک هدف و جنبه اصلی این سیستم ها قرار گیرد باچنین طرح ریزی با استفاده از روشهای امنیتی در این شبکههای معمولی دارا بودن استانداردهایی چون IEEE802.11وWMSNاجتناب ناپذیر است.
جدای این امر دیگر مورد امنیتی این شبکه ها مربوط به تغییر نکردن محتوای چند رسانه ای داده هاست.تکنیک هایی مانند آب -نشانگذاری دیجیتال و اثرانگشت چندرسانه ای در این امر مفید است.نمونه از روش امنیتی با استفاده از مدیریت مستقیم دیجیتالبرای شبکه های سنسوری ویدیویی ارائه شده است.در WMSN سنسورها در زمینههای انرژی ومحاسبات وذخیره سازی و بازهی انتقال دارای محدودیت هستند ومهاجمین میتوانند از یک کامپیوتر لپ تاب قوی با انرژی بالا و توانایی ارتباطی در فاصلهی طولانی بر جنبههای ذکر شده در مورد سنسورها حمله نمایند.
