فایل ورد کامل مقاله معرفی شبکه‌های حسگر؛ تحلیل علمی و مهندسی ساختار، عملکرد و کاربردهای نوین در فناوری اطلاعات

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 فایل ورد کامل مقاله معرفی شبکه‌های حسگر؛ تحلیل علمی و مهندسی ساختار، عملکرد و کاربردهای نوین در فناوری اطلاعات دارای ۹۰ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد فایل ورد کامل مقاله معرفی شبکه‌های حسگر؛ تحلیل علمی و مهندسی ساختار، عملکرد و کاربردهای نوین در فناوری اطلاعات  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی فایل ورد کامل مقاله معرفی شبکه‌های حسگر؛ تحلیل علمی و مهندسی ساختار، عملکرد و کاربردهای نوین در فناوری اطلاعات،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن فایل ورد کامل مقاله معرفی شبکه‌های حسگر؛ تحلیل علمی و مهندسی ساختار، عملکرد و کاربردهای نوین در فناوری اطلاعات :

معرفی شبکه حسگر

شبکه حسگر/کارانداز (حس/کار) شبکه ای است متشکل از تعداد زیادی گره کوچک. در هر گره تعدادی حسگر و/یا کارانداز وجود دارد. شبکه حس/کار بشدت با محیط فیزیکی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق کار انداز ها واکنش نشان می دهد. ارتباط بین گره ها بصورت بی سیم است. هرگره بطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است ودارای محدودیت هایی در قدرت پردازش, ظرفیت حافظه, منبع تغذیه, ;

میباشد. این محدودیت ها مشکلاتی را بوجود می آورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبکه از پشته پروتکلی شبکه های سنتی پیروی می کند ولی بخاطر محدودیت ها و تفاوتهای وابسته به کاربرد, پروتکل ها باید باز نویسی شوند. این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگیها, محدودیت ها, کاربردها, ایده ها و چالش ها, به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می پردازد.

پیشرفتهای اخیر در فناوری ساخت مدارات مجتمع در اندازه های کوچک از یک سو و توسعه فناوری ارتباطات بی سیم از سوی دیگر زمینه ساز طراحی شبکه های حس/کار بی سیم شده است.تفاوت اساسی این شبکه ها ارتباط آن با محیط و پدیده های فیزیکی است شبکه های سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاه های اطلاعاتی را فراهم میکند در حالی که شبکه ی حس/کار مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده, بر اساس مشاهدات خود تصمیم گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می دهند. نام شبکه حس/کار بی سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می شود. برخلاف شبکه های سنتی که همه منظوره اند شبکه های حس/کار نوعا تک منظوره هستند. در صورتی که گره ها توانایی حرکت داشته باشند شبکه می تواند گروهی از رباتهای کوچک در نظر گرفته شود که با هم بصورت تیمی کار می کنند و جهت مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن طراحی شده است. از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه ایستگاههای پایه را حذف نماییم و هر گوشی را یک گره فرض گنیم ارتباط بین گره ها باید بطور مستقیم یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبکه حس/کار بی سیم می باشد. اگرچه به نقلی تاریخچه شبکه های حس/کار به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا برمیگردد. ولی این ایده می توانسته در ذهن طراحان رباتهای متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه های بی سیم موبایل نیز شکل گرفته باشد. به هر حال از آنجا که این فن نقطه تلاقی دیدگاه های مختلف است تحقق آن می تواند بستر پیاده سازی بسیاری از کاربردهای آینده باشد. کاربرد فراوان این نوع شبکه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در کامپیوتر و الکترونیک از جمله امنیت شبکه, ارتباط بلادرنگ‌, پردازش صوت و تصویر, داده کاوی, رباتیک ,طراحی خودکار سیستم های جاسازی شده دیجیتال و; میدان وسیعی برای پروهش محققان با علاقمندی های مختلف فراهم نموده است.

ساختار کلی شبکه حس/کار بی سیم

قبل از ارائه ساختار کلی ابتدا تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می کنیم.
حسگر : وسیله ای که وجود شیئ رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما, فشار, رطوبت, نور, شتاب سنج, مغناطیس سنج و;

کارانداز : با تحریک الکتریکی یک عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجام می دهد
گره حسگر: به گره ای گفته می شود که فقط شامل یک یا چند حسگر باشد.
گره کارانداز: به گره ای گفته می شود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.
گره حسگر/کارانداز: به گره ای گفته می شود که مجهز به حسگر و کار انداز باشد.
شبکه حسگر : شبکه ای که فقط شامل گره های حسگر باشد. این شبکه نوع خاصی از شبکه حس/کاراست. در کاربردهایی که هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده می باشد کاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.

میدان حسگر/کارانداز : ناحیه کاری که گره های شبکه حس/کار در آن توزیع میشوند.
چاهک : گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حس/کار و گره مدیر وظیفه را برقرار می کند.
گره مدیر وظیفه: گرهی که یک شخصی بعنوان کاربریا مدیر شبکه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند. فرامین کنترلی و پرس و جو ها از این گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر میگردد

شبکه حس/کار: شبکه ای متشکل از گره های حسگر و کار انداز یا حسگر/کارانداز است که حالت کلی شبکه های مورد بحث می باشد. به عبارت دیگر شبکه حس/کارشبکه ای است با تعداد زیادی گره که هر گره می تواند در حالت کلی دارای تعدادی حسگر و تعدادی کارانداز باشد. در حالت خاص یک گره ممکن است فقط حسگر یا فقط کارانداز باشد. گره ها در ناحیه ای که میدان حس/کار نامیده می شود با چگالی زیاد پراکنده می شوند. یک چاهک پایش کل شبکه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسیله چاهک جمع آوری می شود و فرامین از طریق چاهک منتشر می شود. شکل(۲) را ببینید. مدیریت وظایف میتواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به اینکه تصمیم گیری برای انجام واکنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودکار و نیمه خودکار وجود دارد. که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.

ساختار خودکار : حسگر هایی که یک رخداد یا پدیده را تشخیص می دهند داده های دریافتی را به گره های کارانداز جهت پردازش و انجام واکنش مناسب ارسال می کنند. گره های کارانداز مجاور با هماهنگی با یکدیگر تصمیم گیری کرده و عمل می نمایند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری ها بصورت محلی انجام میشود.شکل(۳) را ببینید.

ساختار نیمه خودکار: در این ساختار داده ها توسط گره ها به سمت چاهک هدایت شده و فرمان از طریق چاهک به گره های کار انداز صادر شود. شکل(۳) را مشاهده کنید

شکل(۳) ساختار خودکار

شکل(۴) ساختار نیمه خودکار

از طرف دیگر در کاربردهای خاصی ممکن است از ساختار بخش بندی شده یا سلولی استفاده شود که در هر بخش یک سردسته وجود دارد که داده های گره های دسته خود را به چاهک ارسال می کند. در واقع هر سردسته مانند یک مدخل عمل میکند.
۳- ساختمان گره
شکل(۵) ساختمان داخلی گره حس/کار را نشان می دهد. هر گره شامل واحد حسگر/ کارانداز, واحد پردازش داده ها, فرستنده/گیرنده بی سیم و منبع تغذیه می باشد بخشهای اضافی واحد متحرک ساز, سیستم مکان یاب و تولید توان نیز ممکن است بسته به کاربرد در گره ها وجود داشته باشد.واحد پردازش داده شامل یک پردازنده کوچک و یک حافظه با ظرفیت محدود است داده ها را از حسگرها گرفته بسته به کاربرد پردازش محدودی روی آنها انجام داده و از طریق فرستنده ارسال

می کند. واحد پردازش مدیریت هماهنگی و مشارکت با سایر گره ها در شبکه را انجام می دهد. واحد فرستنده گیرنده ارتباط گره با شبکه را برقرار می کند. واحد حسگر شامل یک سری حسگر و مبدل آنالوگ به دیجیتال است که اطلاعات آنالوگ را از حسگرگرفته و بصورت دیجیتال به پردازنده تحویل می دهد. واحد کارانداز شامل کارانداز و مبدل دیجیتال به آنالوگ است که فرامین دیجیتال را از پردازنده گرفته و به کارانداز تحویل می دهد. واحد تامین انرژی, توان مصرفی تمام بخشها را تامین

می کند که اغلب یک باطری با انرژی محدود است. محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه های حس/کار همه چیز را تحت تاثیر قرار می دهد. در کنار این بخش ممکن است واحدی برای تولید انرژی مثل سلول های خورشیدی وجود داشته باشد در گره های متحرک واحدی برای متحرک سازی وجود دارد. مکان یاب موقعیت فیزیکی گره را تشخیص می دهد. تکنیکهای مسیردهی و وظایف حسگری به اطلاعات مکان با دقت بالا نیاز دارند. یکی از مهمترین مزایای شبکه های حس/کار توانایی مدیریت ارتباط بین گره های در حال حرکت می باشد.

شکل(۵) ساختمان داخلی گره حسگر/کارانداز

۴- ویژگی ها
وجود برخی ویژگی ها در شبکه حسگر/ کارانداز, آن را از سایر شبکه های سنتی و بی سیم متمایز می کند. از آن جمله عبارتند از:
• تنگناهای سخت افزاری شامل محدودیتهای اندازه فیزیکی, منبع انرژی, قدرت پردازش, ظرفیت حافظه
• تعداد بسیار زیاد گره ها
• چگالی بالا در توزیع گره ها در ناحیه عملیاتی
• وجود استعداد خرابی در گره ها
• تغییرات توپولوژی بصورت پویا و احیانا متناوب
• استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
• داده محور بودن شبکه به این معنی که گره ها کد شناسایی ندارند

کاربردها:
کاربردها به سه دسته نظامی تجاری پزشکی تقسیم می شوند. سیستم های ارتباطی, فرماندهی, شناسایی, دیده بانی ومیدان مین هوشمند, سیستم های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی سیستم های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند. محیطهای هوشمند برای افراد سالخوده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربرد های آن است.کاربردهای تجاری

طیف وسیعی از کاربردها را شامل می شود مانند سیستم های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت, آتش سوزی(درجنگل), تشخیص آلودگی های زیست محیطی از قبیل آلودگی های شیمیای, میکروبی, هسته ای, سیستم های ردگیری, نظارت وکنترل وسایل نقلیه و ترافیک, کنترل کیفیت تولیدات صنعتی, مطالعه در مورد پدیده های طبیعی مثل گردباد, زلزله, سیل, تحقیق در مورد زندگی گونه های خاص از گیاهان و جانوران و .. در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار بعنوان گروهی از رباتهای کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می دهند استفاده میشود.
پشته پروتکلی:

مطابق شکل زیر پشته پروتکلی از یکطرف دارای پنج لایه افقی شامل لایه های فیزیکی, پیوند داده, شبکه, انتقال, و کاربرد و از طرفی دارای سه لایه عمودی مدیریت توان, مدیریت جابجایی, و مدیریت وظیفه است. لایه فیزیکی وظیفه اش عملیات مدولاسیون و ارسال و دریافت در سطح پایین می باشد. لایه کنترل دسترسی رسانه باید قادر باشد با حداقل تصادم بروش پخش همگانی با هر گره همسایه ارتباط برقرار کند. لایه شبکه وظیفه مسیردهی داده هایی که از لایه انتقال می آید را بر عهده دارد. لایه انتقال وظیفه مدیریت جریان انتقال بسته ها را در صورت نیاز کاربرد, بر عهده دارد.

بسته به کاری که شبکه برای آن طراحی شده انواع مختلف نرم افزارهای کاربردی می تواند روی لایه کاربرد استفاده شود و خدمات مختلفی را ارائه نماید. یک زبان پردازه نویسی بنام زبان وظیفه و پرسشگری حسگر پیشنهاد شده که پرس وجوها و فرمانهای آن مبتنی بر با ویژگی داده محوری شبکه حس/کاراست. بعنوان مثال “چه تعداد لانه پرنده خالی در محدوده شمال شرقی جنگل وجود دارد”یا “اگر تا یک ساعت بعد تعدادلانه های خالی بیشتر از یک حد معینی شد اعلام شود” برای اطلاعات بیشتر به مراجعه کنید.
لایه عمودی مدیریت توان با دخالت در کلیه لایه های افقی چگونگی مصرف توان برای گره را تعیین می کند. در واقع برای کاهش مصرف انرژی به الگوریتم ها و پروتکل های توان آگاه نیازمندیم. مثلا اینکه یک گره پس از دریافت یک پیغام از یکی از همسایه هایش دریافت کننده اش را خاموش کند باعث جلوگیری از دریافت دوباره پیغام و در نتیجه کاهش مصرف انرژی می گردد. ایده دیگری که می تواند همزمان استفاده شود این است گره ای که به سطح پایین انرژی رسیده به همسایه هایش اعلام همگانی می کند که انرژی اش در حال اتمام است و نمی تواند در مسیردهی پیغامها

شرکت داشته باشد. گره های همسایه پس از آن پیغام ها را از طریق گره های دیگر مسیردهی خواهند کرد. لایه عمودی مدیریت حرکت, به بکار گیری روشهای مکان آگاه بر می گردد جابجایی گره را تشخیص داده و ثبت می کند بنابراین یک مسیر برگشت تا کاربر همیشه مدیریت می شود و رد گره متحرک دنبال می شود. مدیریت وظیفه وظایف گره ها را زمانبندی کرده و متعادل می سازد. مثلا اگر وظیفه حس به یک ناحیه معین محول شد همه گره های حسگر آن ناحیه لازم نیست

عملیات حس را بطور همزمان انجام دهند بلکه این وظیفه می تواند بسته به کاربرد به برخی گره ها مثلا به گره هایی قابلیت اطمینان بیشتر یا ترافیک کمتر یا انرژی بیشتر دارند محول شود. برای تضمین این نکته باید از الگوریتم های کارآگاه استفاده نمود. با وجود موارد فوق گره ها در شبکه حس/کار می توانند با روشهای توان کارا باهم کار کرده و داده ها را در یک شبکه متحرک حس/کار مسیر دهی کنند و منابع را بین گره ها به اشتراک گذارند.

موضوعات مطرح
عوامل متعددی در طراحی شبکه های حس/کار موثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که بررسی تمام آنها در این نوشتار نمیگنجد از این رو تنها به ذکر برخی از آنها بطور خلاصه اکتفا می کنیم.

۱- تنگناهای سخت افزاری: هرگره ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد باید بحد کافی کوچک, سبک و کم حجم نیز باشد بعنوان مثال در برخی کاربردها گره یاید به کوچکی یک قوطی کبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یک سانتیمتر مکعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبک باشد که بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار کم, قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. اینها همه محدودیتهایی

است که کار طراحی و ساخت گره های حس/کار را با چالش مواجه میکند. ارائه طرح های سخت افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بی سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فن آوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین, نقش بسزایی در کاهش تنگناهای سخت افزاری خواهد داشت.
۲- توپولوژی: توپولوژی ذاتی شبکه حس/کار توپولوژی گراف است. بدلیل اینکه ارتباط گره ها بی سیم و بصورت پخش همگانی است و هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد. آلگوریتم های کارا در جمع آوری داده و کاربردهای ردگیری اشیاء شبکه را درخت پوشا در نظر می گیرند. چون ترافیک اصولا بفرمی است که داده ها از چند گره به سمت یک گره حرکت می کند.

مدیریت توپولوژی باید با دقت انجام شودیک مرحله اساسی مدیریت توپولوژی راه اندازی اولیه شبکه است گره هایی که قبلا هیچ ارتباط اولیه ای ندشته اند در هنگام جایگیری و شروع بکار اولیه باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. الگوریتم های مدیریت توپولوژی در راه اندازی اولیه باید امکان عضویت گره های جدید و حذف گره هایی که بدلایلی از کار می افتند را فراهم کنند. پویایی توپولوژی از خصوصیات شبکه های حس/کار است که امنیت آن را به چالش می کشد. ارائه روشهای مدیریت توپولوژی پویا بطوری که موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است که جای کار زیادی دارد.

۳- قابلیت اطمینان: هر گره ممکن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار بکلی نابود شود یا در اثر تمام شده منبع انرژی از کار بیفتد. منظور از تحمل پذیری یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گره ها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تاثیر قرار دهد. در واقع می خواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یک شبکه قابل اطمینان بسازیم. برای گره k با نرخ

خرابی k قابلیت اطمینان با فرمول(۱) مدل می شود. که در واقع احتمال عدم خرابی است در زمان t بشرط اینکه گره در بازه زمانی (۰,t) خرابی نداشته باشد. به این ترتیب هرچه زمان می گذرد احتمال خرابی گره بیشتر می شود.

(۱)
۴- مقیاس پذیری : شبکه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراکندگی گره ها, مقیاس پذیر باشد. بعبارت دیگر شبکه حس/کار از طرفی باید بتواند با تعداد صدها, هزارها و حتی میلیون ها گره کار کند و از طرف دیگر, چگالی توزیع متفاوت گره ها را نیز پشتیبانی کند. چگالی طبق فرمول (۲) محاسبه می شود. که بیانگر تعداد متوسط گره هایی است که در برد یک گره نوعی

(مثلادایره ای با قطر۱۰ متر) قرار می گیرد. A: مساحت ناحیه کاری N:تعداد گره در ناحیه کاری و R: برد ارسال رادیویی است. در بسیاری کاربردها توزیع گره ها اتفاقی صورت می گیرد و امکان توزیع با چگالی مشخص و یکنواخت وجود ندارد یا گره ها در اثر عوامل محیطی جابجا می شوند. بنابراین چگالی باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر کند. موضوع مقیاس پذیری به روشها نیز مربوط می شود برخی روشها ممکن است مقیاس پذیر نباشد یعنی در یک چگالی یا تعداد محدود از گره کار کند. در مقابل برخی روشها مقیاس پذیر هستند ۲ (۲)

۵- قیمت تمام شده : چون تعداد گره ها زیاد است کاهش قیمت هر تک گره اهمیت زیادی دارد. تعداد گره ها گاهی تا میلیونها میرسد. در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم تاثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.

۶- شرایط محیطی : طیف وسیعی از کاربرد ها ی شبکه های حس/کار مربوط به محیط هایی می شود که انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط های آلوده از نظر شیمیای, میکروبی, هسته ای ویا مطالعات در کف اقیانوس ها و فضا ویا محیط های نظامی بعلت حضور دشمن ویا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آنها می شود. در هر مورد , شرایط محیطی باید در طراحی گره ها در نظر گرفته شود مثلا در دریا و محیط های مرطوب گره حسگر در محفظه ای که رطوبت را منتقل نکند قرار می گیرد.

۷- رسانه ارتباطی: در شبکه های حس/کار ارتباط گره ها بصورت بی سیم و از طریق رسانه رادیویی, مادون قرمز, یا رسانه های نوری دیگر صورت می گیرد. اکثرا از ارتباط رادیویی استفاده می شود. البته ارتباط مادون قرمز ارزانتر و ساختنش آسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل می کند.

۸- توان مصرفی گره ها: گره های شبکه حس/کار باید توان مصرفی کم داشته باشند. گاهی منبع تغذیه یک باتری ۲/۱ ولت با انرژی ۵/. آمپر ساعت است که باید توان لازم برای مدت طولانی مثلا ۹ ماه را تامین کند. در بسیاری از کاربردها باتری قابل تعویض نیست. لذا عمر باطری عملا عمر گره را مشخص می کند. بعلت اینکه یک گره علاوه بر گرفتن اطلاعات(توسط حسگر) یا اجرای یک

فرمان(توسط کارانداز) بعنوان رهیاب نیز عمل می کند بد عمل کردن گره باعث حذف آن از توپولوژی شده و سازماندهی مجدد شبکه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت. در طراحی سخت افزار گره ها استفاده از طرح ها و قطعاتی که مصرف پایینی دارند و فراهم کردن امکان حالت خواب برای کل گره یا برای هر بخش بطور مجزا مهم است.

۹- افزایش طول عمر شبکه: یک مشکل این است که عمر شبکه های حس/کار نوعاً کوتاه است. چون طول عمر گره ها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر آن گاهی موقعیت ویژه یک گره در شبکه مشکل را تشدید می کند مثلاً در گره ای که در فاصل یک قدمی چاهک قرار دارد از یکطرف بخاطر بار کاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست می دهد و از طرفی از کار

افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهک با کل شبکه می شود و از کار افتادن شبکه می شود. برخی راه حل ها به ساختار برمی گردد مثلا در مورد مشکل فوق استفاده از ساختار خودکار راهکار مؤثری است.(به بخش ۲ مراجعه شود) بعلت اینکه در ساختار خودکار بیشتر تصمیم گیری ها بطوری

محلی انجام می شود ترافیک انتقال از طریق گره بحرانی کم شده, طول عمر آن و در نتیجه طول عمر شبکه افزایش می یابد. مشکل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گره های نواحی کم تراکم در توزیع غیر یکنواخت گره ها نیز صدق می کند (به ۴ مراجعه کنید) در اینگونه موارد داشتن یک مدیریت توان در داخل گره ها و ارائه راه حل های توان آگاه بطوری که از گره های بحرانی کمترین استفاده را بکند مناسب خواهد بود. این نوعی به اشتراک گذاری منابع محسوب می شود لذا در صورت داشتن مدیریت وظیفه و مدیریت توان مناسب توزیع با چگالی زیاد گره ها در میدان حسگر/ کارانداز طول عمر شبکه را افزایش میدهد. ارائه الگو های ساختاری مناسب و ارائه روشهای مدیریتی و آلگوریتم ها توان آگاه با هدف افزایش طول عمر شبکه حس/کار از مباحث مهم تحقیقاتی است.

۱۰- ارتباط بلادرنگ و هماهنگی : در برخی کاربردها مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش آتش سوزی یا سیستم پیش گیری از سرقت سرعت پاسخگویی شبکه اهمیت زیادی دارد. در نمایش بلادرنگ فشار بر روی مانیتور بسته های ارسالی باید بطور لحظه ای روزآمد باشند. برای تحقق بلادرنگ یک روش این است

که برای بسته های ارسالی یک ضرب العجل تعیین شود و در لایه کنترل دسترسی رسانه بسته های با ضرب العجل کوتاهتر زودتر ارسال شوند مدت ضرب العجل به کاربرد بستگی دارد. مسئله مهم دیگر تحویل گزارش رخدادها به چاهک, یا کارانداز ناحیه, به ترتیب وقوع آنهاست در غیر این صورت ممکن است شبکه واکنش درستی انجام ندهد. نکته دیگر

هماهنگی کلی شبکه در ارتباط با گزارشهایی است که در مورد یک رخداد از حسگرهای مختلف به کاراندازهای ناحیه مربوطه داده می شود. بعنوان مثال در یک کاربرد نظامی فرض کنید حسگرهایی جهت تشخیص حضور یگان های پیاده دشمن و کاراندازهایی جهت نابودی آن در نظر گرفته شده چند حسگر حضور دشمن را به کار اندازها اطلاع می دهند شبکه باید در کل منطقه, عملیات را به یکباره شروع کند. در غیر این صورت با واکنش اولین کارانداز, سربازان دشمن متفرق شده و عملیات با شکست مواجه می شود. بهرحال موضوع بلادرنگ و هماهنگی در شبکه های حس/کاربخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن از مباحث تحقیقاتی است.

۱۱- امنیت و مداخلات : موضوع امنیت در برخی کاربردها بخصوص در کاربرد های نظامی یک موضوع بحرانی است و بخاطر برخی ویژگی ها شبکه های حس/کار در مقابل مداخلات آسیب پذیر ترند. یک مورد بی سیم بودن ارتباط شبکه است که کار دشمن را برای فعالیت های ضد امنیتی و مداخلات آسانتر می کند.

مورد دیگر استفاده از یک فرکانس واحد ارتباطی برای کل شبکه است که شبکه را در مقابل استراق سمع آسیب پذیر می کند. مورد بعدی ویژگی پویایی توپولوژی است که زمینه را برای پذیرش گره های دشمن فراهم می کند. اینکه پروتکل های مربوط به مسیردهی, کنترل ترافیک و لایه کنترل دسترسی شبکه سعی دارند با هزینه و سربار کمتری کار کنند مشکلات امنیتی بوجود می آورد مثلا برای شبکه های حسگر در مقیاس بزرگ برای کاهش تأخیر بسته هایی که در مسیر طولانی در طول شبکه حرکت می کنند یک راه حل خوب این است که اولویت مسیردهی به بسته های عبوری داده شود. همین روش باعث می شود حمله های سیلی مؤثرتر باشد. یکی از نقاط

ضعف شبکه حس/کارکمبود منبع انرژی است و دشمن می تواند با قرار دادن یک گره مزاحم که مرتب پیغام های بیدار باش بصورت پخش همگانی با انرژی زیاد تولید می کند باعث شود بدون دلیل گره های همسایه از حالت خواب خارج شوند. ادامه این روند باعث به هدر رفتن انرژی گره ها شده و عمر آنها را کوتاه می کند. با توجه به محدودیت ها باید دنبال راه حل های ساده و کارا مبتنی ب

ر طبیعت شبکه حس/کار بود. مثلا اینکه گره ها با چگالی بالا می توانند توزیع شوند و هر گره دارای اطلاعات کمی است یا اینکه داده ها در یک مدت کوتاه معتبرند از این ویژگی ها می توان بعنوان یک نقطه قوت در رفع مشکلات امنیتی استفاده کرد. اساسا‏ً چالشهای زیادی در مقابل امنیت شبکه حس/کاروجود دارد. و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.

۱۲- عوامل پیش بینی نشده: یک شبکه حسگر کارانداز تابع تعداد زیادی از عدم قطعیت هاست. عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل زلزله, مشکلات ناشی از ارتباط بی سیم و اختلالات رادیویی, امکان خرابی هر گره, کالیبره نبودن حسگرها, پویایی ساختار و مسیردهی شبکه, اضافه شدن گره های جدید و حذف گره های قدیمی, جابجایی گره ها بطور کنترل شده یا در اثر عوامل طبیعی و غیره. سؤالی که مطرح است این است که در این شرایط چگونه میتوان چشم اندازی

فراهم کرد که از دیدگاه لایه کاربرد شبکه یک موجودیت قابل اطمینان در مقیاس بزرگ دارای کارایی عملیاتی مشخص و قابل اعتماد باشد. باتوجه به اینکه شبکه های حسگر کارانداز تا حدود زیادی بصورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و بصورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل میکنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگی های خود بهینه سازی خود سازماندهی و خود درمانی را داشته باشند. اینها از جمله مواردی هستند که بحث در مورد آنها آسان ولی تحقق آن بسیار پیچیده است. بهرحال این موضوعات ازجمله موارد تحقیقاتی می باشند

نمونه ی پیاده سازی شده شبکه حس/کار
ذره ی میکا
یک نمونه از پیاده سازی سخت افزاری گره های حسگر ذره میکا دانشگاه برکلی امریکا است.این نمونه, یک واحد حس/کار کوچک (چندین اینچ مکعب) با یک واحد پردازنده مرکزی ,منبع تغذیه,رادیو و چندین عنصر حسگر اختیاری می باشد. پردازشگر آن یک پردازنده ۸- بیتی از خانواده ی اتمل می باشد همراه با ۱۲۸ کیلو بایت حافظه ی برنامه, ۴کیلوبایت RAM برای داده ۵۱۲کیلوبایت حافظه ی فلش .این پردازنده فقط یک کمینه از مجموعه دستورالعمل های ریسکRISK) )را بدون عمل ضرب, شیفت با طول متغیر و چرخش پشتیبانی می کند.رادیوی آن یک رادیوی مصرف پایین۹۱۶ مگاهرتز با پهنای باند۴۰ کیلو در ثانیه روی یک کانال تسهیم شده منفرد با محدوده ی نزدیک به ۱۲ متر می باشد. رادیو در حالت دریافت ۴۸ میلی آمپر, در حالت ارسال تا ۱۲میلی آمپر ودر حالت خواب ۵ میکرو آمپر مصرف می کند.

شکل(۶) ذره میکا

ذره میکا در اندازه های مختلف وجود دارد,کوچکترین آن اغلب به عنوان غبار هوشمند شناخته می شود.طرح پژوهشی غبار هوشمند که به وسیله ی پروفسور پیتستر وکان رهبری و هدایت می شود موفق به دستیابی حدی برای اندازه ومصرف توان در گره های حسگر خود مختار شده است.کاهش اندازه برای ساختن گره های ارزان و البته تسهیل گسترش آن بسیار مهم است.گروه تحقیقاتی امیدوارند که ضمن حفظ موثر توانایی های حسگری وارتباطی می توانند موارد لازم حسگری , مخابره اطلاعات و محاسبات سخت افزاری همراه با منبع تغذیه را در اندازه ای در حدود چند میلیمتر مکعب فراهم کنند. این گره میلیمتر مکعبی غبار هوشمند نام دارد که حقیقتاَ قلمرو

چیزهای ممکن شدنی است.چنان که نمونه های آتی آن می تواند به قدری کوچک باشد که معلق در هوا باقی مانده و به وسیله جریان هوا شناور شود و برای ساعت ها یا روزها موارد حس شده را ارسال کند. غبار هوشمند می تواند اطلاعات را با استفاده از یک تکنولوژی بازتابنده ی نوری جدید, به صورت غیر فعال ارسال کند این یک راه معقول وارزان برای پراب یک سنسور یا تایید دریافت اطلاعات را فراهم می کند ارسال نوری فعال نیز ممکن است اما اتلاف انرژی بیشتری دارد.

شکل(۷) ساختار داخلی غبار هوشمند

بررسی نرم ا فزارهای شبیه سازی شبکه
امروزه تکنولوژی شبیه سازی به طرز موفقیت آمیزی در جهت مدل سازی ، طراحی و مدیریت انواع سیستم های هوشمند به کار گرفته شده و در این راستا ابزارها و تکنیک های متعددی خلق شده که به طور مثال می توان به تکنیک شبیه سازی رویدادگردان اشاره کرد که اساس عملکرد بسیاری ازشبیه سازهای نوین می باشد. کاربرد شبیه سازی در مورد شبکه های ارتباطی نیز سابقه ای ۱۵ ساله دارد که هنوز هم در حال رشد می باشد ، دلایل استفاده از شبیه سازی در این حوزه را می توان در دو مورد خلاصه کرد :

۱-پیدایش و گسترش شبکه هایی باتکنولوژی پیچیده
۲-خلق ابزار ها و نرم افزارهای خاص شبیه سازی شبکه ها
نرم افزارهای شبیه ساز شبکه توانایی شبیه سازی شبکه های ارتباطی را بدون نیاز به کد نویسی و معمولآ از طریق واسط های گرافیکی فراهم می کنند. وجود عناصر شبیه سازی شده ای متناظر با عناصر واقعی ( روترها و سوئیچ ها ، ; ) در این گونه موارد علاوه بر بالا بردن دقت ، باعث افزایش سهولت و سرعت در فرآیند شبیه سازی می شود و به این ترتیب برای کاربران ناآشنا با فن برنامه نویسی بسیار مناسب می باشد.

خصوصیات لازم برای شبیه سازهای شبکه

خصوصیاتی که شبیه سازهای شبکه باید داشته باشند عبارتند از :
۱-انعطاف در مدل سازی :
کاربر باید قادر باشد انواع جدیدی از منابع معمول شبکه همچون گره ها ، لینک ها و پروتکل ها را به مجموعه موجود در شبیه ساز بیفزاید.
۲-سهولت در مدل سازی :
وجود واسط گرافیکی و امکان مدلسازی به صورت ساخت یافته ، به شکلی که مدل های پیچیده بر اساس مدلهای ساده طرح شوند و همچنین قابلیت استفاده مجدد از ماژول ها از خصوصیاتی می باشد که باعث تسریع در فرآیند شبیه سازی می گردند.
۳-اجرای سریع مدل ها :
زمان پردازش در شبیه سازی های بزرگ برای شبکه هایی با تعداد زیاد گره بسیار مهم می باشد که لازمه آن مدیریت صحیح حافظه می باشد.
۴-قابلیت مصور سازی :
نمایش گرافیکی عناصر شبکه در حال تبادل پیغام ها با یکدیگر به رفع خطاهای شبیه سازی و درک نحوه کارکرد آن بسیار کمک می کند. در برخی نرم افزارهای شبیه ساز اجرای مصور سازی همزمان با اجرای شبیه ساز و در برخی دیگر پس از انجام آن و به صورت Play Back انجام می گیرد.
۵- قابلیت اجرای مجدد و تکراری شبیه سازی :
هدف از انجام شبیه سازی به طور عمده تحقیق تآثیر یک یا چند پارامتر (برای مثال متوسط طول بسته ها و یا ظرفیت بافرها) بر کارایی شبکه می باشد و به همین خاطر تکرار پذیری یک شرط لازم برای این نرم افزارها می باشد. در مجموع باید توجه داشت که خلق یک شبیه ساز شبکه دقیق و معتبر مستلزم بکارگیری تکنولوژی شبیه سازی در کنار دانش شبکه و پروتکل های آن می باشد.البته در کنار خصوصیات فوق وجود برخی قابلیت ها بر ارزش هر ابزار شبیه ساز خواهد افزود که از آن میان می توان به چند مورد اشاره ذیل اشاره کرد :

۱- وجود ماژول های درونی از پیش آماده شده متناظر با عناصر و پروتکل های شبکه .
۲-وجود یک مولد عدد تصادفی و در شکل های پیشرفته تر قابلیت خلق کمیت های با توزیع های تصادفی گوناگون چرا که اغلب رخدادها در یک فرآیند شبیه سازی اعم از تولید و ارسال بسته ها و یا ایجاد خرابی در آنها ، از نوع فرآیندهای تصادفی می باشند.
۳-حمایت از کاربران به بهنگا

م سازی های به موقع (بخصوص در مورد پروتکلهای جدید) بهمراه مستندات کامل و گویا.
۴- ارائه گزارشهایی از پارامتر های کارایی شبکه (نرخ خروجی، بهره وری ، تآخیر انتقال،;) در قالب ارقام و منحنی ها به همراه امکان انجام عملیات آماری روی نتایج از دیگر ویژگی های مثبت یک شبیه ساز می باشد.

شبیه ساز NS(v2)
شروع به کار این نرم افزار به پیش از پروژه VINT مربوط می گردد.شبیه ساز NS در سال ۱۹۸۹توسط گروه تحقیقاتی شبکه NRG در آزمایشگاه LBNL و بر اساس شبیه ساز شبکه دیگری موسوم به REAL طراحی شده است که توسعه آن تا امروز ادامه داشته و بخصوص پس از انتخاب شدن به عنوان ابزار شبیه ساز پروژه VINT جدیت و سرعت یافته است.آخرین نسخه آن NS 2.1b8 روی شبکه اینترنت قابل دسترسی می باشد.

معماری درونی :NS
NS2 از گونه شبیه سازهای رویدادگردان می باشد و از طریق پیگیری رخدادها در طول زمان های گسسته ، شبیه سازی را پیش می برد این شبیه ساز در دو محیط برنامه نویسی C++ و OTCL و بصورت شیئ گرا طرح شده .NS بر اساس مدلی موسوم به VuSystem کار می کند که در ادامه به طور خلاصه در مورد آن توضیح می دهیم.

مدل VuSystem
شبیه سازهای شبکه عمدتآ از دو بخش با تمایلات گوناگون تشکیل یافته اند :
۱-گروهی از بلاک های سازنده که عناصری همچون گره ها ، لینک ها ، صف ها ، مولدهای ترافیک و پروتکل ها را شبیه سازی می کنند.

۲-یک رابط که معمولآ از آن تحت عنوان زبان تشریح شبیه سازی یا SDL یاد می شود و وظیفه دارد بلوک های سازنده فوق را در فرآیند شبیه سازی به یکدیگر متصل کند.
در مورد این دو بخش یک مشکل اساسی پیش روی طراحان شبیه سازهای شبکه وجود دارد. در حالی که برای بلوک های سازنده کارایی و سرعت اجرا هدف اصلی می باشد.SDL نیازمند انعطاف و سهولت تغییر در پیکر بندی می باشد و نیل به این دو هدف با یک محیط برنامه نویسی واحد مشکل مینماید.بنابراین مدل VuSystem که توسط David Wetherall در دانشگاه MIT پیشنهاد شده ، راه حل را در استفاده از دو محیط برنامه نویسی جداگانه برای دو بخش فوق می

داند.مطابق این مدل بلوک های سازنده با یک زبان کامپایلی (برای مثال C++ ) و بخش رابط آنها در یک محیط مفسری (مانند OTCL) پیاده سازی می شوند.
طراحان NS-2 با بکار گیری مجموعه ای از اشیاء موسوم به اشیاء دو تکه موفق به اعمال مدل VuSystem در شبیه ساز خویش گشته اند . مطابق این مدل NS-2 متشکل از مجموعه ای از اشیاء می باشد که در دو محیط دوگانه کامپایلی/ مفسری و از طریق فراخوانی متدهای یکدیگر ، ارتباط برقرار می کنند.

شبیه ساز OMNeT++

OMNeT++ یک شبیه ساز شیئ گرا می باشد و از دسته نرم افزارهای discrete event است. ++ OMNeT مخفف Objective Modular Network است و مبتنی بر C++ است. چون این نرم افزار در محیط C++ نوشته شده است در اغلب محیط ها باکامپایلر C++ قابل اجرا می باشد. به وسیله DoS و X- windowپشتیبانی شده و به Win3.1 و Win95 و WinNT قابل حمل است. نویسنده این نرم افزار با یک شرکت مجارستانی توزیع کننده OPNETهمکاری داشته است. این فرد عضو چندین پروژه شبیه سازی شبکه بوده و مدل شبیه سازی سیستم VSAT در OPNET را نوشته است

. از لحاظ ساختاری این نرم افزار سلسله مراتبی از ماژول های تو در تو می باشد که ماژول ها از طریق تبادل پیغام با یکدیگر در ارتباط هستند. در پائین ترین سطح این سلسله مراتب ماژول های خود کاربر قابل ایجاد می باشند. می تواند اجرای شبیه سازی را به صورت موازی پیش ببرد.با این نرم افزار هر نوع مکانیزم زمانبندی قابل بکار گیری است.زبان متنی برای توصیف توپولوژی دارد که به آن NED گویند و بوسیله هر ابزار پردازشگر متنی (مانند perl و awk) قابل ایجاد است. همین فرمت بوسیله ادیتور گرافیکی قابل بکار گیری است. ++OMNeT واسط قوی برای دیباگ کردن و تریس کردن فراهم می کند.
همان طور که ذکر شد OMNeT++ ساختار ماژولی دارد بنابراین تمام ابزار مورد نیاز در قالب ماژول هستند.این ماژول ها ساختار سلسله مراتبی دارند. در بالاترین سطح ماژول سیستم قرار دارد. ماژول سیستم حاوی زیر ماژول ها می باشد.که این زیر ماژول ها می توانند حاوی زیر ماژول های دیگری باشند الی آخر.شمایی از ساختار ماژولی در شکل آمده است.عمق ماژول های تو در تو محدود نیست.بنابراین کاربر می تواند مدل منطقی سیستم واقعی خود را پیاده سازی کند.

شکل(۸)

دو نوع ماژول داریم ماژول های مرکب و ساده .ماژولهای مرکب همانطور که از نامش پیداست به ماژول هایی گفته می شود که زیر ماژول ها را در بر دارند.ماژول های ساده ماژول هایی هستند که بوسیله خود کاربر ایجاد می شوند.در حقیقت ماژول های ساده الگوریتم های مدل هستند.
همه ماژول های سیستم در قالبی به نام module type هستند. کاربر برای توصیف مدل modul type ها را به کار می گیرد ( نمونه هایی از module type را برای ایجاد module type های پیچیده تر بکار می گیرد). در مجموع ماژول سیستم نمونه ای از module type های از پیش تعریف شده

است.زمانی که module type به عنوان بلاک سازنده بکار گرفته شود تفاوتی بین ماژول ساده و ماژول مرکب نیست. بدین مفهوم که کاربر برای سادگی می تواند یک ماژول ساده را به چندین ماژول ساده بشکند و در قالب یک ماژول مرکب بگنجاند یا برعکس قابلیت های یک ماژول مرکب را در یک ماژول ساده خلاصه کند.
همان طور که ذکر شد ماژول ها از طریق تبادل پیغام با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند.در شبکه واقعی پیام ها می توانند فریم ها یا بسته ها باشند. ماژول های ساده از طریق ارسال مستقیم پیغام یا به کمک مسیرهای از پیش تعریف شده با یکدیگر در ارتباط هستند.گیت ها واسط های ماژول ها هستند که دارای بافر می باشند و عامل اتصال دهنده لینک ها به یکدیگرند.لینک ها تنها در یک سطح از سلسله مراتب ماژول قابل ایجاد هستند. بدین معنا که در یک ماژول مرکب دو زیر ماژول می توانند از طریق گیت های متناظر متصل شوند ویا یک زیر ماژول با ماژول مرکب خود مرتبط شود.
در ساختار سلسله مراتبی پیام ها از طریق لینک ها یا اتصالات قابل انتقال هستند که مبدأ و مقصد پیغام ها ماژول های ساده می باشند.به سری لینک ها یا اتصالاتی که از یک ماژول ساده شروع و به یک ماژول ساده ختم می شود مسیر (route) گویند.
پارامترهای زیر را می توان برای یک لینک مقداردهی نمود:

۱-(sec) Propagation Delay
۲-(errors/bit) bit error rate
۳- (bits/sec) data rate

شکل(۹)

شبیه ساز Ptolemy II
این گزارش مدل سازی و چهارچوب شبیه سازی نرم افزاری را که visualsense نامیده می شود و برای شبکه های حسگر به کار گرفته می شود را شرح می دهد.این نرم افزار بر روی نرم افزار Ptolemy II (بطلمیوس)تشکیل شده است.
این چهار چوب تعریف اکتور گرا از شبکه های حسگر,کانال های انتقال بی سیم ,رسانه های فیزیکی از قبیل کانال صوتی و زیر سیستم های سیمی را پشتیبانی می کند.
ساختار نرم افزار شامل یک مجموعه ای از کلاس های پایه برای تعریف کانال ها و گره های حسگر است. یک کتابخانه از زیر کلاس ها , برخی مدل های کانال و مدل های گره و یک چهارچوب ویژوالی گسترش پذیر را , فراهم می کند. گره های مرسوم می توانند بوسیله زیرکلاسِ کلاسهای پایه و تعریف رفتار در جاوا یا بوسیله ایجاد مدل های ترکیبی با استفاده از چند محیط مدل سازی Ptolemy II ایجاد و تعریف گردند.

شکل(۱۰)
Visualsense یک پیکر بندی از Ptolemy II است که طراحی مؤلفه گرا از شبکه های حسگر و شبیه سازی طبیعی و ویژوالی آن را فراهم می کند.
دامنه DE در Ptolemy II مدل های با توپولوژی های اتصال داخلی که به طور پویا تغییر می کنند, را پشتیبانی می کند.تغییرات در اتصالات به عنوان تغییر در ساختار مدل بحث می شود. نرم افزار به طور دقیق برای پشتیبانی از دسترسی چند نخ کشی شده به این قابلیت تغییر و دگرگونی طراحی شده است.بنابراین یک نخ می تواند شبیه سازی مدل را در حالی اجرا کند که نخ دیگر ساختار مدل را تغییر می دهد, برای مثال بوسیله اضافه کردن , حذف یا حرکت اکتور ها تا تغییرات اتصالات میان اکتورها , نتیجه قابل پیشگویی و سازگار است.
سر راست ترین استفاده های دامنه DE در Ptolemy II شبیه به دیگر چهارچوب های مدل کننده رویداد گسسته از قبیل NS , OPNET , VHDL هستند .مؤلفه ها (که اکتور نامیده می شوند) پورت هایی دارند و پورت ها به هم وصل می شوند تا توپولوژی انتقال را مدل کند.Ptolemy II یک ویرایشگر ویژوالی برای ساخت به صورت بلوک دیاگرام تهیه می کند.(شکل ۱۱)

شکل (۱۱)مدل DE نمونه در Ptolemy,به عنوان بلوک دیاگرام نمایش داده شده است.

مدل سازی شبکه های بی سیم:
در این بخش, ما شرح می دهیم که چطور مدل هایی از شبکه های حسگر بی سیم ایجاد کنید و آن را اجرا کنید .

اجرای یک مدل پیش ساخته:
این یک مدل ساده شده از یک سیستم متمرکز صوتی است که در آن از میدانی از گره های حسگر استفاده می کند که یک صدا را شناسایی و بوسیله پیام رادیویی به مرکز گزارش می کند تا موقعیت صدا را مثلث بندی کند.شکل۱۲ نشان می دهد که مدل شامل Wireless Director ,که به عنوان یک مدل بی سیم تعریف می کند, دو مدل کانال(یک مدل کانال رادیویی و یک مدل کانال صوتی) یک تعدادی یادداشت(متون شرح دهنده مدل) و اکتور هایی در مدل است.هر یک از این مؤلفه ها یک نقش در مدل ایفا می کند. هدایت کننده در اجرای مدل پا به میان می گذارد.مدل های کانال با ارتباط میان اکتور ها سروکار دارد.اکتور ها سیگنال هایی از طریق کانال می فرستند و دریافت می کنند.

شکل(۱۲) نمایش Visualsense از مدل wireless sound detection

مدل قابل اجراست.روی مثلث قرمز رنگ در نوار ابزار کلیک کنید ,در نتیجه اکتور منبع صوت (که با دوایر متحد المرکز شفاف نمایش داده شده است)در یک الگوی دایره ای شروع به حرکت می کند که بوسیله یک فلش آبی رنگ در شکل ۱۳ نمایش داده شده است. اکتور منبع صوت رویداد هایی از طریق مدل کانال صوتی منتشر می کند.این رویدادها با یک تاخیر زمانی که بستگی به فاصله میان گره های دایره ای آبی رنگ دارد, منتشر می شود.موقعی که این گره ها صدا را شناسایی

می کنند,آنها یک سیگنال رادیویی از طریق مدل کانال رادیویی پخش می کنند و آیکون های آنها به رنگ قرمز تغییر می کند تا به طور ویژوالی نشان دهد که آنها این کار را انجام داده اند. سیگنال های رادیویی شامل یک مهر زمانی رویداد صوتی شناسایی شده است.اکتور مثلثی در مرکز (که با یک آیکون سبز رنگ نشان داده است)این سیگنال رادیویی را دریافت می کند(اگر آن در برد فرستنده باشد),و مهر های زمانی را برای تخمین موقعیت منبع صوت استفاده می کند. آن سپس موقعیت را ترسیم می کند, نتیجه در نمودار شکل ۱۳ نشان داده شده است.

شکل(۱۳)نمایش مدل در حال اجرا

تغییر پارامترها :
مدل پارامترهایی دارد که شما می توانید با آنها آزمایش انجام دهید.پارامتر های دو مؤلفه ی منبع صوت و کانال صوتی در شکل ۱۴ نشان داده شده است. برای بدست آوردن صفحه پارامترها روی اکتور دابل کلیک کنید و یا روی آن راست کلیک کرده و گزینه configure را انتخاب کنید.این منبع صوت یک پارامتر دارد که soundRange نام دارد. اگر شما مقدار پارامتر از ۳۰۰ متر مثلا به ۵۰۰ متر آنگاه آیکون دایره ای برای اکتور افزایش می یابد,و اجرای مجدد مدل منجر به افزایش خط سیر منبع صوت مثلث بندی شده می شود.در پارامتر های کانال صوتی , شما می توانید یک مقدار غیر صفر برای lossProbability تنظیم کنید, در این مورد فقط بعضی از رویداد های صوتی شناسایی خواهند شد.تنظیم seed به یک مقدار غیر صفر باعث می شود تا آزمایش تکرار پذیر باشد, بدین معنی که هر آزمایش همان توالی از اعداد را ایجاد خواهد کرد. رها کردن Seed در مقدار پیش فرض “0L” آزمایش جدیدی را در هر اجرا ثمر می دهد.

شکل(۱۴)پارامتر های اکتور منبع صوت(سمت چپ)و مدل کانال صوتی(سمت راست)

ساختار یک مدل پیش ساخته:

۱ ) نمایش بصری(آیکون ها):
ابتدا اکتور منبع صوت را بررسی کنید.در ابتدا توجه کنید که چه طور آیکون آن موقعی که پارامتر soundRange را تغییر می دهید , عوض می شود.تعریف آیکون می تواند بوسیله راست کلیک روی آیکون و انتخاب “Edit Custom Icon” نمایش داده شود(ویرایش شود).توجه کنید که برای این اکتور ,شما باید ماوس را روی خط دور یکی از دایره های متمرکز قرار دهید.پنجره ظاهر شده در شکل ۱۵ نمایش داده شده است.به یاد داشته باشید که فقط بخش مرکزی آیکون قابل مشاهده است.

در نوار ابزار روی Zoom Fit (همچنانکه در شکل ۱۵ قابل مشاهده است) برای دریافت تصویر کامل کلیک کنید(شکل ۱۶ را ببینید).کتابخانه در سمت چپ می تواند برای اضافه کردن آیتم ها به آیکون استفاده شود.
به دایره بیرونی توجه کنید,اندازه آن موقعی که پارامتر soundRange تغییر داده شود ,تغییر پیدا می کند.روی آن دابل کلیک کنید (یا راست کلیک کنید و Configure را انتخاب کنید),پنجره پارامتر در شکل ۱۷ ظاهر می شود.توجه کنید که پارامتر های width وheight بوسیله عبارات با مقدار “soundRange*2” داده شده است.زبان اصطلاحی که می تواند اینجا استفاده شده است قدرتمند است.

شکل(۱۵)انتخاب “edit custom icon” بعد از کلیک راست روی منبع صوت

شکل(۱۶)نتیجه کلیک روی Zoom fit در نوار ابزار

ما می توانیم دایره بیرونی با یک رنگ نیمه شفاف که درجه ماتی آن به پارامتر soundRange بستگی دارد (شکل ۱۸) .در این شکل انتخاب کننده (در سمت راست نشان داده شده) برای انتخاب رنگ قرمز استفاده شد, و مقدار alpha از رنگ

شکل(۱۷)پارامتر های دایره بیرونی اکتور منبع صوت

,که چهارمین عنصر از آرایه تعریف کننده رنگ است, به طور دستی با “soundRange/1000.0” تنظیم شد.نتیجه در شکل ۱۹ نشان داده شده است.

شکل(۱۸)تنظیم fill color دایره بیرونی منبع صوت که به SoundRange بستگی دارد

شکل(۱۹)نتیجه تغییر رنگ دایره بیرونی منبع صوت

۲)کانال ها :
مدل نشان داده شده درشکل ۱۲ دو مدل کانال دارد که در شکل ۲۰ باضافه پارامترهایشان نشان داده شده است. شما می توانید ببینید که تنها اختلاف میان این دو کانال(گذشته از نام آنها)مقدار پارامتر propagationSpeed است.برای کانال رادیویی ,آن با مقدار “Infinity” تنظیم می شود,ر حالی که برای کانال صوتی ,آن با “۳۴۰۰”(meters/second) تنظیم می شود.
توجه کنید که هر دو کانال یک پارامتر به نام defaultProperties با مقدار “{range=Infinity}” دارند. این عبارت یک record با یک فیلد به نام ” range” با مقدار “Infinity” تعیین می کند. فیلد های پارامتر defaultProperties از یک کانال, مسیر هایی را که در یک ارسال ویژه می تواند به طور منحصر به فرد سفارشی شود را , تعیین کند .در این مورد ,یک ارسال ویژه از طریق هر کانال می تواند به طور اختیاری یک برد را تعیین کند.اگر آن تعیین نشود ,آنگاه پیش فرض استفاده می شود,که بی نهایت است,تعیین می کند که هیچ محدودیتی وجود ندارد. یک ارسال در رسیدن به گیرنده موفق خواهد بود و اهمیت ندارد که چقدر از گیرنده دور است.

شکل(۲۰)کانال شکل ۱۲ و پارامتر هایش

۳)اکتور های مرکب :
ما دیدیم که چه طور می توانیم نمایش ویژوالی از یک اکتور را سفارشی کنیم.چه طور ما می توانیم رفتار آن را تعیین کنیم؟ اکتور منبع صوت در شکل ۱۲ به طور واقعی یک composite actor است که رفتار آن به وسیله مدلPtolemy مشخص می شود.برای تشخیص این تعریف ,روی اکتور راست کلیک کنید و Look Insideرا انتخاب کنید .مدل داخلی در شکل ۲۱ نمایش داده شده است.
منبع صوت مرکب در شکل ۲۱ یک DE Director دارد که این مدل را به عنوان یک مدل رویداد گسسته از Ptolemy II تعریف می کند.مدل هایDE به خوبی با مدل های بی سیم کار می کنند.بنا بر این وجود مدل های DE در گره های بی سیم عادی است. پارامتر soundRange بعد از DE Director با مقدار پیش فرض ۳۰۰ نمایش داده شده است. مدل شامل دو بخش است ,بخش بالایی که یک رویداد صوتی را می فرستد,و یک بخش پایینی که آیکون را حرکت می دهد.

شکل(۲۱)نتیجه Look Inside اکتور منبع صوت در شکل ۱۲

در ابتدا به بخش بالاتر توجه کنید.آن یک کلاک و یک port که “soundPort” نامیده می شود دارد.(شکل ۲۲) پارامترهای هم کلاک و هم پورت بوسیله دابل کلیک روی آنها (یا راست کلیک روی آنها و انتخاب configure) بدست می آیند, همچنین در شکل نشان داده شده اند. به یاد داشته باشید که period کلاک با ۲۰ تنظیم می شودو values با{۱} تنظیم می شود,یک آرایه تک عنصری با عدد صحیح ۱ این اشاره دارد به این که کلاک باید یک صوت را هر دو ثانیه تولید کند. مقدار تولید شده عدد صحیح ۱ است که هیچ معنی خاصی ندارد.

مؤلفه soundPort نیز پارامتر هایی دارد, همچنانکه در شکل ۲۲ نشان داده شده است. پارامتر outsideChannel یک پارامتر با مقدار رشته ای است که مقدار “SoundChannel” را دارد.این نام کانالی است که این پورت برای ارسال استفاده خواهد کرد, و باید مطابق با نام کانال نشان داده شده در شکل ۲۰ باشد.پارامتر outsideTransmitProperties مقدار ” {range=soundRange}” را دارد که یک record با یک فیلد به نام “range” با مقدار داده شده با عبارت “soundRange” دارد,که به سادگی مقدار از پارامتر soundRange از اکتور مرکب بدست می آید.توجه داشته باشید که این کار مقدار پیش فرض بی نهایت را برای این فیلد , باطل خواهد ساخت.

بنابراین پارامتر soundRange فقط ظاهر ویژوالی آیکون را کنترل نمی کند,بلکه برد ارسال را نیز کنترل می کند.
به منظور تصمیم گیری که آیا گیرنده در برد هست یا خیر,همه نمونه های ایجاد شده توسط Visualsense موقعیت آیکون را به عنوان یک نمایشی از موقعیت گره استفاده می کنند.بخش هایی اختیاری اند .
اگرچه همه این نمونه ها موقعیت دو بعدی را استفاده می کنند, ساختار نرم افزار بیان شده موقعیت سه بعدی را نیز پشتیبانی می کند.

شکل(۲۲)بخشی از مرکب در شکل قبلی که رویداد صوتی را تولید می کند

۴)کنترل اجرا :
WirelessDirector در شکل ۱۲ مؤلفه ای است که اجرای مدل را کنترل می کند.مانند اغلب مدل ها آن نیز پارامترهایی دارد پارامترهای آن در شکل ۲۳ نشان داده شده اند.توجه کنید که زمان توقف با “MaxDouble”

شکل(۲۳)پارامتر های wireless director در شکل ۱۲

تنظیم می شود,که عدد بسیار بزرگ است.این تعیین می کند که مدل باید برای همیشه اجرا گردد.
توجه کنید که پارامتر synchronizeToRealTime از Director کنترل می شود.این بدین معنی است که هنگامی که مدل را اجرا می کنید,اکتور کلاک که یک صوت را در هر ۲ ثانیه یکبار تولید می کند,اجازه داده نخواهد شد تا رویداد هایی را در سرعت بیشتر ایجاد کند.این پارامتر برای دریافت مقیاس های زمانی واقع گرایانه هنگام اجرا استفاده می شود.معمولا ,این پارامتر باید برای مدل های در حال اجرا کنترل شود.دیگر پارامترهای Director درباره میزان سازی عملکرد شبیه ساز رویداد گسسته است.آنها فراتر از قلمرو این گزارش هستند.

۵)ساخت یک مدل جدید :
حالا ما می خواهیم به ایجاد یک مدل شبکه بی سیم حسگر جدید بپردازیم.در هر پنجره Visualsense , FileNewGraph Editor را انتخاب کنید.این کار پنجره ای مانند آنچه در شکل ۲۴ نشان داده شده را نتیجه می دهد.آن شامل یک Wireless Director است,و نه هیچ چیز دیگری .PowerLossChannel را از کتابخانه ی WirelessChannel در سمت چپ بکشید ,همچنانکه در شکل ۲۵ نشان داده شده است.

به پارامتر های این کانال توجه کنید , که در شکل ۲۵ نشان داده شده است .دقت کنید که پارامتر defaultProperties شامل یک رکورد به همراه دو فیلداست,{range=Infinity, power=Infinity}.این کانال می تواند برای مدل های مختلف در توان ارسال و همچنین اتلاف توان به عنوان تابعی از فاصله استفاده شود. ما مدلی را خواهیم ساخت که اگر گیرنده به اندازه کافی توان دریافت کند ارتباط را بدست می آورد,در غیر این صورت ارتباط را بدست نخواهد آورد.
Documentation برای اکتور PowerLossChannelو(سایر اکتورها) می تواند بوسیله کلیک راست روی اکتور و انتخابGet Documentation بدست بیاید.در این مثال , ما صفحه نمایش داده شده در شکل ۲۶ را خواهیم داشت که متن تولید شده برای کلاس جاوا که این کانال را مشخص می کند , نشان می دهد.بالای این صفحه نمایش, ارث بری زنجیره ای این اکتور نمایش داده شده که اشاره دارد به اینکه , اکتور از LimitedRangeCannel توسعه یافته است.به همین ترتیب از DelayChannel و بعد از ErasureChannel و آن نیز از AtomicWirelessChannel گسترش می یابد.هر یک از این

کانال ها مقدار کمی سودمندی را اضافه می کنند, و کد منبع برای هر یک به عنوان یک مثالی از اینکه چه طور مدل های کانال را تعریف می کنند , فراهم می شود.شما می توانید کد منبع را با راست کلیک و انتخاب Look Inside ببینید.(شکل ۲۷).به عنوان مثال در شکل ۲۷ متن , پارامتر powerPropagationFactor را توضیح می دهد.

شکل(۲۴)پنجره ساخت یک مدل جدید

شکل(۲۵)مدل جدید ثابت شده با یک کانال

شکل(۲۶)پنجره documentation برای PowerLossChannel

“انتشار توان به عنوان یک عبارتی که ارزیابی می شود و سپس در فیلد توان از مشخصات ارسال قبل از رها سازی به گیرنده ضرب می شود.برای راحتی کار ,یک متغیرکه distance نامیده شده در دسترس است و معادل با فاصله میان فرستنده و گیرنده است موقعی که فرمول انتشار توان ارزیابی می شود.بنابراین, عبارت می تواند به این فاصله بستگی داشته باشد .مقدار فیلد توان باید به عنوان توان در فرستنده تفسیر شود ولیکن به عنوان چگالی توان در گیرنده باید تفسیر گردد.یک گیرنده ممکن است چگالی توان را با بازدهی اش و یک قلمرو(به طور نمونه قلمرو آنتن ) افزایش دهد.یک گیرنده می تواند سپس توان بدست آمده را برای مقایسه در برابر یک آستانه قابل کشف,یا برای تصمیم گیری نسبت سیگنال به تداخل, برای استفاده کرد.

مقدار پیش فرض powerPropagationFactor 1.0/(4*PI*distance*distance) است.فرض بر این است که توان ارسال به صورت یکنواخت در یک کره به شعاع distance توزیع شده است.نتیجه افزایش این بوسیله یک توان ارسال چگالی توان(توان بر واحد سطح)است.گیرنده باید این چگالی توان را بوسیله قلمرو حسگری که آن را برای گرفتن انرژی استفاده می کند,افزایش دهد(مثل ناحیه آنتن) و همچنین یک فاکتور بازدهی که نشان می دهد که چه طور آن به طور مؤثر انرژی را می گیرد.

شکل(۲۷)منبع کد برای PowerLossChannel

فیلد توان از مشخصات ارسال می تواند بوسیله فرستنده به عنوان رکورد با یک فیلد توان از نوع دابل پشتیبانی شود.مقدار پیش فرض این کانال بی نهایت است.”
به ما اجازه بدهید تا یک مدل را با استفاده از این پارامتر ها بسازیم.
دو نمونه از WirelessComposite را از کتابخانه ActorWirelessActors در سمت چپ بکشید. آنها را به Transmitter و Receiver بوسیله کلیک راست روی آنها و انتخاب Customize Name تغییر نام دهید(شکل ۲۸).این مؤلفه ها به پورت نیاز دارند .برای ایجاد آن روی آنها کلیک راست کنید و Configure Ports را انتخاب نمایید.روی دکمه ADD کلیک کنید و یک پورت خروجی با نام output برای فرستنده ایجاد کنید و یک پورت

شکل(۲۸)مدل ثابت شده با دو نمونه از wirelesscomposite

ورودی به نام input برای گیرنده ایجاد کنید(شکل ۲۹). روی هر پورت کلیک راست کرده و configureرا انتخاب کنید و outsideChannel را با “PowerLossChannel” مشخص کنید(این قسمت باید واقعا با نام کانال منطبق باشد).

شکل(۲۹)مدل با پورت های اضافه شده به فرستنده و گیرنده

ما کار فرستنده و گیرنده با مدل های ساده از گره ها شروع می کنیم. برای انجام این کار,فرستنده را Look Inside می کنیم,که پنجره شکل ۳۰ حاصل می شود.توجه کنید که پورت خروجی در بالا سمت چپ واقع شده است.آن را به یک مکان قابل قبول تر انتقال دهیدو به آن یک نمونه از اکتور PoissonClock از کتابخانه ActorsSourceTimedSource را اتصال دهید(شکل ۳۱).برای ساخت یک اتصال, از پورت خروجی اکتور PoissonClock کلیک کنید و بکشید,یا Ctrl+Click کرده و از پورت خروجی فرستنده به پورت خروجی اکتور PoissonClock بکشید.اکتور PoissonClock رویدادهایی را در زمان های تصادفی تولید می کند, در جایی که زمان بین رویدادها از یک متغیر تصادفی نمایی با ابزار داده بوسیله پارامتر meanTime از پوآسون کلاک بدست می آید.مقدار پیش فرض آن ۱۰ استکه برای اهداف ما مناسب است.اگر به پنجره بالاتر بر گردید و روی WirelessDirector دابل کلیک کنید تا پارامتر synchronizeToRealTime آن را ست کنید, سپس فرستنده رویداد هایی را با نرخ متوسط یک در ثانیه تولید خواهد کرد.

شکل(۳۰)درون فرستنده

شکل(۳۱)فرستنده تکمیل شده
اکتور گیرنده را Look Inside کنید و مدل نشان داده شده در شکل ۳۲ را بسازید. اکتور Ramp می توانید در کتابخانه اکتورها تحت مسیر زیر پیدا کنید:

SourceSequenceSource
و اکتور display را از مسیر زیر بیابید:
SinksGenericSinks

همچنانکه در سمت چپ شکل نشان داده شده است.حال مدل آماده اجرا می باشد.روی مثلث قرمز رنگ در نوار ابزار کلیک کنید نتیجه اجرا در display در شکل ۳۳ نشان داده شده است.Ramp تعدادی از ورودی ها را تولید می کند. اگر شما به یاد داشته باشید که پارامتر synchronizeToRealTime را ست کنید,سپس تعدادی عدد در زمانهای تصادفی با فاصله میانگین یک ثانیه ظاهر خواهد شد.
شما ممکن است بخواهید تا فایل خود را ذخیره کنید(FileSave).از پسوند .xml(یا moml) استفاده کنید تا مطمئن شوید که Visualsense این را به عنوان یک فایل مدل تشخیص خواهد داد.

شکل(۳۲)گیرنده تکمیل شده

شکل(۳۳)display که نتیجه اجرای توضیح داده شده بالا را نمایش می دهد

اجازه دهید که این مدل را برای اینکه اتلاف توان کانال به عنوان تابعی از فاصله مشاهده شود,اصلاح نماییم.برای انجام این کار ,اکتور GetProperties در کتابخانه ActorWirelessActor پیدا کنید,وجایگزین اکتور Ramp در داخل گیرنده کنید (شکل ۳۴) .حال مدل را اجرا کنید نتایج در display در شکل ۳۵ وجود دارد.توجه کنید که توان دریافت شده همیشه بی نهایت است,که بسیار مفید نیست.

شکل(۳۴)گیرنده اصلاح شده که مشخصات دریافت شده را نمایش می دهد.

شکل(۳۵)display که نتیجه استفاده از گیرنده طراحی شده در بالاست.

در واقع,فرستنده توان ارسال را مشخص نکرده است,و PowerLossChannel یک توان پیش فرض بی نهایت دارد,همانند شکل ۲۵ اتلاف توان معرفی شده توسط کانال نا مربوط است,زیرا در این مدل توان ارسال بی نهایت است و موقعی که اتلاف غیر صفر افزوده می شود,باز هم توان بی نهایت حاصل می شود.
برای آنکه به یک مدل معقول تری از اتلاف انرژی دست پیدا کنیم توان انتقال را بوسیله کلیک راست روی پورت خروجی فرستنده و تنظیم پارامتر outsideTransmitProperties به “{power=1.0}” تنظیم کنید(شکل ۳۶) اجرای مجدد شبیه شکل ۳۷ خواهد بود ,که تغییر پذیری سطح توان بوسیله حرکت گیرنده در اطراف فرستنده در حالیکه مدل در حال اجراست,بدست می آید.

شکل(۳۶)تنظیم توان ارسال فرستنده

شکل(۳۷)display که نتیجه استفاده از مجموعه توان ارسال را در شکل بالا نشان می دهد.

به شکل ۳۷ توجه کنید که یکی از مقادیر توان دریافت شده بی نهایت دارد.این موقعی رخ می دهد فرستنده وگیرنده بر یکدیگر منطبق باشند.ازDocumentation برای PowerLossChannel فراخوانی کنید که مقدار فیلد Power در مشخصات دریافت شده یک چگالی توان است,نه یک توان مطلق .از این رو اگر فرستنده و گیرنده یک فضای فیزیکی را اشغال کنند و فرستنده یک منبع نقطه ای باشد,آنگاه چگالی توان در گیرنده بی نهایت است.به طور نمونه, یک مدل گیرنده این چگالی توان را بوسیله یک سطح آنتن دهی مؤثر و یک بازده آنتن دهی افزایش خواهد داد تا یک سطح توان دریافت شده مطلق را دریافت کند.