بخشی از مقاله
چکیده
شبکههای حسگر بیسیم شامل تعداد زیادی گرههای حسگر بوده که این گرهها وظیفه جمعآوری اطلاعات از منطقه فیزیکی و ارسال به پایگاه اصلی برای تجزیه و تحلیل را به عهده دارند. این شبکهها کاربرد گستردهای در زمینههای متفاوتی از جمله بهداشت، محیطزیست، صنعت، نظامی و نظارت بر حیاتوحش دارند. حفظ پوشش یکی اساسیترین چالشهای شبکههای حسگر بیسیم میباشد.
زیرا انرژی حسگرها از طریق باتری تامین میگردد و به دلیل تعداد زیاد حسگرها و در دسترس نبودن محیط، امکان تعویض یا شارژ مجدد باتری گرههای حسگر وجود ندارد. با تخلیه باتری، عمرگره حسگر به اتمام میرسد و با از بین رفتن تعدادی از گرههای حسگر، قطع اتصال شبکه به وقوع پیوسته و از این رو پوشش نیز نقض میشود. به دلیل اهمیت پوشش در این شبکهها، این مقاله به الگوریتمهای پوشش، طبقه بندی روشهای پوشش و برخی از محدودیتهای پوششی در شبکههای حسگر بیسیم پرداخته است.
-1 مقدمه
سیستمهای کنترل و نظارت از راه دور، یکی از مباحث پرچالش در زمینه کامپیوتر و الکترونیک میباشند. پیشرفت در زمینه الکترونیک و مخابرات بیسیم، موجب شده است که گرههای حسگر چندمنظوره، کوچک و با انرژی مصرفی پایین که دارای قابلیت در برقراری ارتباط با همدیگر هستند، مورد استفاده قرار گیرند. این گرههای حسگر کوچک، دارای تجهیزات حسکردن، پردازش و ارسال و دریافت دادهها میباشند .
تفاوت اصلی شبکههای حسگر بیسیم با سایر شبکهها، در ماهیت داده محور و همچنین منابع انرژی و پردازشی بسیار محدود آنهاست که این امر موجب شده تا روشهای مطرح شده جهت انتقال دادهها در سایر شبکهها و حتی شبکههایی که تا حد زیادی ساختاری مشابه شبکههای حسگر دارند، در این شبکهها قابل استفاده نباشد. هدف اصلی الگوریتمهای تامین و حفظ پوشش این است که با کمترین تعداد گرههای حسگر فعال، منطقه مورد نظر را تحت نظارت قرار دهند.
هدف مسئله پوشش را میتوان به این صورت تعریف کرد که آیا هر نقطه از میدان شبکه یا هدف موردنظر در محدوده پوششی حسگرها قرار میگیرد یا خیر و هدف موردنظر چگونه توسط حسگرها پوشش داده خواهد شد. اولین گام در استقرار یک شبکه حسگر بیسیم، تعیین دقیق آن عاملی است که طراح برای نظارت کردن بر آن تلاش می-کند. به طور معمول، طراح همواره درصدد نظارت یک ناحیه کامل یا یک مجموعه هدف و یا جستجوی یک رخنه در یک محدوده میباشد.
پوشش کامل یک ناحیه به این معنی است که هرنقطه موجود در ناحیه تحت نظر، باید در حوزه پوشش حداقل یک حسگر قرار داشته باشد. برای همین منظور قراردادن گرهها در ساختاری بهنام -Strip توسط محققان پیشنهاد شده است. روش کار به گونهای است که هر حسگر بهاندازه از حسگر مجاور فاصله داشته باشد و همان شعاع ناحیه تحت پوشش حسگر میباشد.
نوارهای مذکور به صورتی چیدمان شده که همپوشانی کافی بوده تا بتوان از آن طریق، پوشش کامل ناحیه را حاصل نمود . یکی از مشکلاتی که میتوان برای این روش مطرح نمود، غیرعملی بودن استقرار حسگرها به این شکل میباشد.[1] اصطلاح پوشش هدف، اشاره به دیدهبانی اهداف دارد. این نوع پوشش، کاربردهای نظامی مشخصی دارد. تلاشهای زیادی برای حصول پوشش مطلوب با صرف بهینه انرژی ارائه شده است که هم پوشش کامل و هم پوشش هدف را مورد بحث قرار دادهاند. پوشش حصاری اشاره به کشف حرکت از میان حصاری از حسگرها دارد. این مسأله با عنوان مسیر رخنه مورد بررسی قرار گرفته است.
نوع خاصی از پوشش حصاری، پوشش جاروبی نام دارد.[2] پوشش جاروبی را میتوان به صورت یک مسأله حصار متحرک درنظرگرفت. در ادامه بخشهای مقاله به این صورت است که در بخش2، روشهای استقرار گرهها در شبکههای حسگر بیسیم، بخش 3 محدودیتهای پوشش و در بخش 4 انواع الگوریتمهای پوششی، بخش 5 انواع طبقهبندی پوشش و در پایان نتیجهگیری بیان میشود.
-2 استقرار گرهها در شبکههای حسگر بیسیم
استقرار در شبکههای حسگر را میتوان از جهتی، به دو دسته متراکم و یا پراکنده تقسیم نمود.[3] استقرار متراکم متشکل از تعداد نسبتا زیادی گرههای حسگر در یک ناحیه میباشد، در حالی که در استقرار پراکنده تعداد گره کمتری وجود دارد. مدل استقرار متراکم در وضعیتهایی مورد استفاده قرار میگیرد که کشف هر گونه رخداد از اهمیت برخوردار است و حتی مهم است که یک ناحیه توسط چند حسگر مورد مراقبت قرار گیرد.
از استقرار پراکنده میتوان در وضعیتهایی بهره برد که قیمت حسگرها عامل محدود کنندهای در به کارگیری تعداد گره بالا میباشد. تحت چنین شرایطی بیشترین پوشش ممکن را با استفاده از کمترین تعداد حسگر بایستی حاصل نمود. فرض کلی در زمینه پوشش، ثابت بودن محل حسگرها بوده و پس از استقرارشان، در همان مکان اولیه باقی میمانند. البته گرههای حسگر جدید قادر به جابجایی پس از استقرار اولیه بوده و از اینرو، آنها را گرههای متحرک مینامند. حسگرها ممکن است نتوانند به خوبی و به همان دقت فضای شبیهسازی، فاصله خود از گرههای مجاور در فضای واقعی را محاسبه کنند که این امر موجب دقت کمتری در آنها خواهد شد.
-3 محدودیتهای پوشش
مهمترین عامل تاثیرگذار در انتخاب یک طرح پوشش، چگونگی مصرف انرژی آن میباشد. گرههای حسگر، انرژی خود را از باتری تأمین میکنند و در بیشتر موارد امکان تعویض باتری وجود ندارد. بنابراین مصرف بهینه انرژی و افزایش عمر باتری حائز اهمیت میباشد .[4] یکی از روشهای معمول برای این کار، قرار دادن حسگرهای غیرضروری در حالت آماده به کار میباشد.
روش دیگر، تنظیم دامنه ارسال به نحوی است که حسگرها فقط به میزان لازم برای ارتباط با گرههای مجاور، انرژی صرف کنند. چنانچه گرههای حسگر به صورت سلسله مراتبی آرایش یابند، میتوان از گرههای سرخوشه برای جمعآوری دادهها بهره گرفت تا میزان اطلاعات ارسالی به گره مقصد کاهش یابد. بهبود کارآیی در جمعآوری و مسیریابی داده نیز برای صرفه جویی انرژی مورد توجه قرار میگیرد.
چنانچه چندین حسگر اقدام به دریافت یک ورودی مشابه نمایند، انرژی زیادی به هدر میرود. بنابراین هر گونه اقدامی در جهت حذف افزونگی میتواند در جهت کاهش مصرف انرژی سودمند واقع شود. بهینهسازی مسیریابی به گونهای که دادهها از کوتاهترین مسیر ممکن به گره مقصد ارسال گردند، بار فعالیت را از برخی گرهها برداشته و موجب کاهش در مصرف انرژی میگردد. با صرف انرژی کمتر برای ارسال داده، انرژی بیشتری برای فعالیت جاری شبکه باقی مانده و عمر شبکه افزایش مییابد.
-4 الگوریتمهای متمرکز و الگوریتمهای توزیعی پوشش
پس از استقرار حسگرها، الگوریتمی به اجرا درمیآید تا کافی بودن پوشش در ناحیه مورد نظر را ارزیابی نماید. این الگوریتم میتواند به صورت متمرکز یا توزیع شده باشد .[5] الگوریتم متمرکز، بر روی یک یا چند گره حسگر در نزدیکی گره مقصد اجرا میگردد. الگوریتم توزیعی و محلی بر روی گرههایی در سراسر شبکه اجرا میگردد. الگوریتمهای توزیعی شامل چندین گره هستند که با یکدیگر برای حل یک مسأله محاسباتی عمل میکنند، در حالی که با استفاده از الگوریتمهای محلی، اکثریت یا تمام گرههای شبکه، بهطور مجزا الگوریتم را بر روی اطلاعات حاصله از فعالیت خودشان پیاده مینمایند.
در این دو حالت، بار پردازشی به طور یکنواخت بر عهده گرههای بیشتری گذاشته میشود. شکلهای - - 1 و - 2 - ، دو نوع راهبرد متمرکز و توزیعی را نشان میدهند. در این شکلها مشاهده میشود که حسگرهای تیره، بخشی از یک الگوریتم یا تمام آن را اجرا می-کنند. هر دو الگوریتم برای K پوشش ارائه شدهاند که پاسخ نزدیک به پاسخ بهینه را ارائه میدهند.
