کاهش مصرف انرژی در شبکه حسگر بی سیم با استفاده از بلوم فیلتر

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل 1 مقدمه 1

1-1.مقدمه 2

1-2.تعریف مساله و سئوالات اصلی تحقیق 4

1-3.فرضیه ها 5

1-4.اهداف تحقیق 5

1-5.روش تحقیق 6

1-6.مراحل انجام تحقیق 6

1-7.نمای کلی راه حل ما 6

1-8.ساختار پایان نامه 7

فصل2 مروری بر منابع مطالعاتی 8

1-2.معرفی شبکه های حسگر بی سیم 9

2-2. کاربرد شبکه های حسگر بی سیم 14

2-3.معماری شبکه های حسگر بی سیم 16

2-4.عوامل مهم در طراحی شبکه های حسگر بی سیم 16

2-5.اجزای نرم افزاری 21

2-6.سیستم عامل Tinyos 21

2-7.جدول توزیع درهم سازی 22

2-8.انواع جدول توزیع درهم سازی 23

2-9.مقایسه بلوم فیلتر و درهم سازی 26

2-10.توابع هش بلوم فیلتر 27

2-11.مروری بر پروتکل پیشنهادی بلوم فیلتر 28

2-11-1.مقدمه 28

2-11-2.سیستم بلوم فیلتر 29

2-12.طبقه بندی روش های کاهش مصرف انرژی در شبکه های حسگر 32

2-12-1.چرخه وظایف 32

2-12-2.روش های داده گرا 34

2-12-3.روش های مبتنی بر قابلیت تحرک 37

2-13.نتیجه گیری 39

فصل 3 مسیریابی و الگوریتم پیشنهادی 40

3-1.پروتکل های مسیریابی 41

3-2.پارامترهای موثردر طراحی پروتکل های مسیر یابی 42

3-2-1. پروتکل با محوریت داده ( Data-Centeric-Protocols)43

3-2-1-1. Flooding و Gossiping 44

3-2-1-2. SPIN 45

3-2-1-3. Direct Diffusion 46

3-2-1-4. EAR 46

3-2-1-5. GBR 48

3-2-2. پروتکل های دارای سلسله مراتبی (Hierachical-Protocols ) 48

3-2-2-1. LEACH 49

3-2-2-2.PEGASIS 49

3-2-2-3. TEEN 49

3-2-2-4. APTEEN 50

3-2-3. پروتکل های مبتنی بر مکان (Lcation-Based-Protocols ) 50

3-2-3-1. GEAR 50

3-2-4. پروتکل های مبتنی بر جریان شبکه و Qos 51

3-2-4-1. SAR 51

3-3. روش Anita Kanavalli50

3-3-1. تعریف مسئله 54

3-3-2.الگوریتم54

3-4. روش پیشنهادی برای مسیر یابی با کمک بلوم فیلتر55

3-4-1. توضیحات مقدماتی56

3-4-2.الگوریتم پیشنهادی56

3-4-3. مثبت نادرست بلوم فیلتر58

3-5. فشرده سازی بلوم فیلتر62

3-6. جمع بندی پروتکل های مسیر یابی برای شبکه حسگر بی سیم 63

فصل 4 پروتکل جدید پیشنهادی 64

4-1. مقدمه 67

4-2. ارزیابی کارایی 67

4-2-1. مدل رادیویی 67

4-4-2.جزئیات شبکه 68

4-2-3.پارامترهای شبیه سازی 69

4-2-4.نتایج شبیه سازی 70

4-3.الگوریتم های خوشه بندی 74

4-3-1.الگوریتم LEACH 74

4-3-2.پروتکل خوشه بندی LEACHمرکز 77

4-3-3.معایب و مزایای الگوریتم LEACH 79

4-3-4.تعیین درصد خوشه در کل شبکه 79

4-4.روش پیشنهادی برای خوشه بندی 81

4-5.انتقال بلوم فیلتر 82

4-6.مقایسه روش پیشنهادی با LEACH 83

4-7.شبیه سازی85

4-8.مصرف انرژی 90

4-9.نتیجه گیری 91

فصل 5 جمع بندی و پیشنهادها 92

5-1. مقدمه 93

5-2. یافته های تحقیق 94

5-3. نوآوری تحقیق 95

5-4. پیشنهادها 95

مراجع 96

پیوست1 99

پیوست2 129

واژه نامه 136

فهرست اشکال و نمودارها

عنوان صفحه

فصل 1 مقدمه 1

فصل 2 مروری بر منابع مطالعاتی 8

شکل 2-1. ساختار کلی شبکه حسگر 10

شکل 2-2. ساختار خودکار 11

شکل 2-3. ساختار نیمه خودکار 11

شکل 2 -4. ساختمان داخلی گره حسگر/ کارانداز 13

شکل 2 -5. پشته پروتکلی 15

شکل 2 -6. نحوه طبقه بندی گره هادر شبکه حسگر 16

شکل 2-7. یک جدول درهم سازی توزیعی 22

شکل 2-8. شبکه آدرس پذیر محتوایی CAN 25

شکل 2-9. نمودار تابع درهم سازی بر حسب مثبت نادرست 28

شکل 2 -10. نمودار وابستگیMبهKوN 31

شکل 2 -11. نمای کلی کاهش داده ها 36

شکل 2 -12. مدل خطی تخمین اندازه گیری حسگرها(پارک و تاکشی2007 ) 37

شکل 2-13. مدل غیر خطی تخمین اندازه گیری حسگرها (پارک و تاکشی2007) 37

شکل 2-14. نمودار زمان عمر شبکه(محمد احمدی نیاوهمکاران،2011) 38

شکل 2-15. مقایسه میزان مصرف انرژی در قسمت‌های مختلف گره حسگر 39

فصل 3 مسیریابی والگوریتم پیشنهادی 40

شکل 3-1. پدیده انفجار شبکه حسگر بی سیم 44

شکل 3-2. همپوشانی شبکه حسگر بی سیم 45

شکل 3-3. Spin شبکه حسگر بی سیم 46

شکل 3-4. Directed diffusion در شبکه حسگر بی سیم 46

شکل 3-5. Teen در شبکه حسگر بی سیم 50

شکل 3-6. نحوه عملکرد در روش SMA 52

شکل 3-7. چگونگی ارتباط حسگرهای متحرک با حسگرهای ثابت در پروتکل EAR 53

شکل 3-8. چند مثال از درخت های بدست آمده در SAR 54

شکل3-9. نموداربلوم فیلتر بر حسب مثبت نادرست با در نظر گرفتن وزن و فاصله 56

شکل3-10. مسیریابی و ارسال در بلوم فیلترها 57

شکل3-11. نمودار الگوریتم ها در بلوم فیلتر 57

شکل3-12. عضویت توابع درهم ساز در بلوم فیلتر 58

شکل3-13. احتمال مثبت نادرست در بلوم فیلتر128بیتی 61

شکل3-14. هیستوگرام تابع مشاهده شده احتمالات مثبت های نادرست برای پیکربندی بلوم فیلتر 62

فصل 4 نتایج شبیه سازی و تحلیل آنها 64

شکل 4-1. محیط شبیه سازNS-2 69

شکل 4-2. تعداد بسته های رسیده به چاهک قبل از خاموشی اولین گره 71

شکل 4-3. تعداد گام های طی شده برای رسیدن بسته به چاهک 72

شکل 4-4. میزان مصرف انرژی برای رسیدن بسته به چاهک 72

شکل 4-5. تعداد رد و بدل شدن بسته ها بین گره ها ی شبکه تا خاموش شدن اولین گره 72

شکل 4-6. گراف مصرف انرژی الگوریتم پیشنهادیدر محیط NS-2 73

شکل 4-7. دو نمونه از اجرای الگوریتم LEACH 75

شکل 4-8. مراحل اجرای الگوریتم LEACH 76

شکل4-9. مراحل اجرای الگوریتم LEACH بر اساس خوشه ها 78

شکل4-10. نمودار تعیین درصد خوشه ها(P) 80

شکل 4-11. سرخوشه در بلوم فیلتر 81

شکل4-12.آرایشی در چند گره حسگر 84

شکل 4-13. تاثیر پارامترهای ورودی و خروجی 88

شکل 4-14. مصرف انرژی 89

شکل 4-15. گره های زنده 89

شکل 4-16. انرژی جهش ارسال 90

فصل 5 جمع بندی و پیشنهادها 92

مراجع 96

پیوست1 99

پیوست2 129

واژه نامه 136

فهرست جداول 1

عنوان صفحه

فصل 1 مقدمه 1

فصل 2 مروری بر منابع مطالعاتی 8

فصل 3 مسیریابی و الگوریتم پیشنهادی 40

جدول 3-1. احتمالات مثبت نادرست مشاهده شده 59

جدول 3-1. مقادیرمثبت نادرست در بلوم فیلتر 60

جدول 3-3. پروتکل های مسیر یابی برای شبکه های حسگر بی سیم 64

فصل 4 نتایج شبیه سازی و تحلیل آنها 66

جدول 4-1.پارامترهای شبیه سازی 70

جدول 4-2. پارامترهای انرژی 88

فصل 5 جمع بندی و پیشنهادات 92

مراجع 96

پیوست1 99

پیوست 2 129

واژه نامه 136

فهرست علائم اختصاری

واحد پردازش مرکزی CPU=Central Processing Unit

حافظه با دسترسی تصادفی پویا DRAM=Dynamic Random Access Memory

جدول توزیع درهم سازی DHT=Distributed Hash Function

پروتکل حافظه نهان اینترنت ICP=Internet Cache Protocol

شناسه ID=Identifier

پروتکل اینترنت IP =Internet Protocol

شبکه Ad hoc بی سیم سیار MANET=Mobile Ad hoc NETwork

همتا به همتا P2P=Peer-to-Peer

کیفیت سرویس QOS=Quality Of Service

الگوریتم درهمسازی امن SHA=Secure Hash Algorithm

حافظه با دسترسی تصادفی ایستا SRAM=Static Random Access Memory

یابنده همسان منابع URL=Uniform Resource Locator

فرمت انتقال یونی کد UTF =Unicode Transformation Format

شبکه حسگر بی سیم WSN=Wireless Sensor Network

چکیده:

شبکه های حسگر بی سیم متشکل از تعداد زیادی گره های حسگر کوچک هستند که این گره ها دارای محدودیت های سطح انرژی ،پهنای باند،توان پردازشی و حافظه هستند.از این رو مسیر یابی،خوشه بندی، کاهش مصرف انرژی وافزایش طول عمر شبکه چالش های اصلی مسیر یابی در شبکه حسگر بی سیم هستند که مطالعات زیادی بر روری آنها صورت گرفته است.الگوریتم های زیادی برای خوشه بندی و مسیریابی ارائه شده است و تلاش تمام آنها کاهش مصرف انرژی است. مااز بلوم فیلتر که یکی از انواع توابع درهم سازی می باشد استفاده می کنیم وقتی از بلوم فیلتر استفاده می شود می توان پهنای باند مصرفی راکاهش داد زیرا بلوم فیلتر یک ساختار داده ای تصادفی دارد که فضای کمتری را اشغال می کند و زمان ارسال داده در بلوم فیلتر کم می باشدو کاهش ترافیک شبکه رادر شبکه حسگر بی سیم انجام می دهد این پروتکل برای خلاصه کردن محتوا جهت پشتیبانی از همکاری ها در شبکه حسگر بی سیم استفاده می شود همچنین بلوم فیلتر ها امکان بکارگیری الگوریتم های احتمالی در مکان یابی منابع را فراهم می کند و ابزاری برای تسریع و ساده سازی پروتکل های مسیر یابی بسته فراهم می کنددراین پایان نامه ما با استفاده از یک الگوریتم مناسب جدول درهم سازی توزیع شده متناسب سازی شده و رابطه بین داده های سیستم بصورت مستقیم با حداقل وابستگی به جدول درهم سازی برقراری شده و این موضوع امکان پردازش پرس و جوها را با زمان کمتری امکان پذیر می سازد. کارایی برتر این پروتکل از لحاظ افزایش طول عمر مفید شبکه در مقایسه با پروتکل‌های پیشین نظیر LEACH و LEA2C و نیز تاثیر تابع هزینه پیشنهادی بر کارایی آن (با شبیه‌سازی) به اثبات رسیده است.

واژه‌های کلیدی: شبکه‌های حسگر بی‌سیم، بلوم فیلتر،کاهش مصرف انرژی، طول عمر شبکه،توابع درهم سازی

فصل 1

مقدمه

1-1.مقدمه

در سال‌های اخیر رشد بسیاری را در زمینه شبکه‌های حسگر بی سیم شاهد بوده‌ایم و یکی از مهمترین ابزارهای کسب اطلاعات و درک محیط که تحقیقات گسترده‌ای را به‌خود معطوف نموده، شبکه‌های حسگر بی‌سیم است. یک شبکه حسگربی‌سیم، شبکه‌ای بی‌سیم متشکل از تعداد زیادی از دستگاه‌های بسیار کوچک است که گره‌های حسگر^[1] نامیده می‌شوند. گره‌های حسگر عموماً مجهز به قابلیت‌های حسگری، پردازشی و ارتباطی هستند. گره‌های حسگر از نظر مکانی توزیع شده بوده و شرایط مربوط به محیط اطراف خود را اندازه‌گیری می‌کنند. وظیفة اصلی گرة حسگر، جمع‌آوری نقاط داده در فواصل زمانی منظم و تبدیل آن به یک سیگنال الکترونیکی و انتشار سیگنال به گرة سینک یا ایستگاه مبنا از طریق رسانه‌های ارتباطی بی‌سیم قابل اطمینان است. با ظهور و تکامل فناوری میکروالکترونیک در دهة70 میلادی، حسگر‌های جدید مورد توجه قرارگرفتند. با استفاده از فناوری میکروالکترونیک، حسگر‌های ارزان قیمت با ابعاد کوچک و وزن کم تولید شدند. مواد اولیه جدید برای ساخت حسگر، کشف و شناخته شده و متعاقب آن اصول جدیدی برای مقاصد عملی جمع‌آوری اطلاعات مطرح گردید. یکپارچگی حسگر و مدارات الکترونیکی تغییر شکل‌دهندة سیگنال، فرصت‌های قابل‌توجهی را برای بخش عمده‌ای از کاربردها پدید آورد. امروزه کاهش حجم و وزن حسگر‌ها و افزایش میزان حساسیت آن‌ها، هدف اصلی بسیاری از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و شرکت‌های مختلف می‌باشد. اما کوچک شدن حجم گره‌های حسگر به معنای کوچک‌تر شدن باتری‌های مولد انرژی آنان بود.مهمترین دلیل پیدایش و توسعه شبکه‌های حسگر بی‌سیم، کاربردهای پایش مداوم محیط‌هایی بوده است که دستیابی وحضور دائمی انسان در آن‌ها، سخت یا ناممکن می‌باشد. کاربردهایی نظیر پایش فوران یک کوه آتشفشان فعال، پایش مناطق مرزی صعب‌العبور، پایش استحکام سدها، پل‌ها و جاده‌ها، پایش میدان جنگ یا مناطق حساس نظامی و از این قبیل. در نتیجه معمولاً شارژ مجدد یا تعویض گره‌های مرده( از کار افتاده به دلیل اتمام منبع انرژی) امکان‌پذیر نمی‌باشد، زیرا همان‌طور که گفته شد این گره‌ها معمولاً در محیط‌ها و شرایط سخت، خشن و غیرقابل دسترس قرار گرفته و اغلب بصورت تصادفی و اقتضایی در محیط پراکنده می‌شوند. بنابراین دو نکته در کارایی شبکه‌های حسگر از اهمیت خاصی برخوردار است: یکی طول عمر و دیگری میزان پوشش شبکه‌ای این شبکه‌ها. چنین شبکه ای بزرگی بطور معمول شامل تعدادی از گره‌های حسگر توزیع شده هستند که گره های حسگر در حقیقت کامپیوتر های کوچکی هستند که رابط کاربری و مولفه‌های محدودی دارند که ماژول‌های مهم شبکه های حسگر بی‌سیم دستگاه مسیریاب و ایستگاههای پایه می‌باشند که سازماندهی خود را به چند هاب معطوف می کنند.اما تکمیل شبکه های حسگر بی سیم مشکلات تئوری و عملی خاص خود را از قبیل مصرف انرژی و قابلیت اطمینان و تحمل پذیری خطا و مقیاس پذیری دارد. با وجود پیشرفت‌های صورت گرفته در این نوع شبکه‌ها، گره‌های حسگر به دلیل تعداد زیاد، اندازه کوچک و روش قرارگیری اقتضایی، هنوز هم برای تامین انرژی خود، متکی به باتری‌هایی با توان اندک می‌باشندکه توان متوسط هر گره حسگر در حدود 1میلی وات می باشد وهر گره حسگر دارای یک پردازنده جاسازی شده با قدرت رادیویی کم و بطور معمول با باتری کار می کنند و هر حسگر دارای منابع محدود انرژی و قابلیت خود را تا زمانی که انرزی خود را تخلیه می کند ادامه می دهد و مهمترین عمل این است که انرژی برای شبکه حسگر باید اداره شود و طول عمر سنسور به دقت کنترل شود ]1][2 [.بنابراین یکی از مهمترین مسایل در شبکه‌های حسگر بی‌سیم،که برای طراحی پروتکل های شبکه نیازمند مساله محدودیت شدید انرژی و قابلیت اطمینان است. بنابراین لحاظ نمودن الگوریتم‌های توزیع شده درهم ساز در طراحی شبکه‌های حسگر با عمر طولانی، امری حیاتی است چون در جدول‌های درهم ساز افزودن داده‌های جدید در زمان کم امکان‌پذیر است. زمان لازم برای جست‌وجو و افزودن هر دو تابع نوع جدول و میزان داده‌ها هستند. این زمان می‌تواند با انتخاب جدول مناسب به مرتبه زمانی۱برسد. امروزهروش‌های مدیریت پویای توان که به کاهش مصرف انرژی شبکه‌های حسگر بعد از طراحی و قرارگیری آن‌ها می‌پردازند، از بالاترین اهمیت برخوردار می‌باشند. در سال‌های اخیربرای مدیریت پویای توان، توجه به ابزارهای هوشمند و توانمندی نظیر الگوریتم توزیع شده درهم سازی رونق چشم‌گیری یافته است. یک الگوریتم توزیع شده درهم سازی، سیستمی بزرگ متشکل از عناصر پردازشی موازی یا توزیع شده است که شامل جدول توزیع شده درهم سازی می باشد که این جدول نیز یک کلاس از سیستم توزیع شده غیر متمرکز است که مراجعه به سرویس مثل یک جدول درهم سازی را فراهم می کند]3 [.کلید و ارزش جفت های هستند که در جدول توزیع شده درهم سازی ذخیره می شوند و هر گره کارآمد می تواند ارزش های مرتبط با یک کلید واژه را بازیابی کند و مسئولیت نقشه برداری برای حفظ ارزش کلید در میان گره ها توزیع می شود و نیز برای بهبود وضوح فضایی جمع آوری داده ها به جای سنسور تک قدرتمند این رویکرد متعدد توزیع سنسورهای ساده و ارزان قیمت در یک منطقه مفید است داده‌ها جدا از پردازش ذخیره نمی‌شوند، زیرا داده‌ها فی‌نفسه به هم متصل هستند..با توجه به پهنای باند سنسور که بین 50تا250کیلو بایت بر ثانیه می باشد انرژی محدود برای محاسبات مانع مهمی برای رسیدن به موفقیت است. از این رو الگوریتم توزیع شده درهم سازی به عنوان ستون فقرات برای پردازش روی شبکه می‌تواند ابزار مناسبی برای به‌کارگیری در شبکه‌های حسگر بوده تاثیر قابل ملاحظه‌ای در کاهش مصرف انرژی و قابلیت اطمینان شبکه‌های حسگر و افزایش طول عمر آن‌ها داشته باشند .هدف ما از این تحقیق ارایه روشی بهینه برای کاهش مصرف انرژی و قابلیت اطمینان در شبکه‌های حسگر با به‌کارگیری قابلیت‌های الگوریتم توزیع شده درهم سازی می‌باشدکه این قابلیت ها شامل چند بخشی و تک بخشی بودن توزیع گره ها در مقیاس و همچنین به اشتراک گذاری فایل و محتوای سیستم های توزیع]5 [.بطور کلی الگوریتم درهم سازی به تابعی گفته می شود که حجم زیادی از داده ها(حجم نامشخصی از داده ها)را به یک عدد طبیعی تبدیل می کند تا فشرده سازی داده ها با سرعت زیادی انجام شود]6 [.درهم سازی یک عمل خلاصه سازی (digest ) را روی جریان ورودی انجام می دهد جریان داده ورودی را به یک خلاصه کوچک تبدیل می کنند. زمانی که مقدار درهم سازی دوورودی متفاوت یکسان باشند می گوییم تصادم رخ داده است. این امر از این حقیقت ناشی می شود که تعداد مقادیر یک الگوریتمدرهم سازی بسیار زیاد می باشند .این یک عمل یک طرفه(غیر قابل بازگشت) می باشد و جریان داده ورودی آنها با هر حجمی که باشد خروجی یک مقدار ثابت میشود ]7 [.وقتی که ما سنسورها را توزیع می کنیم معلوم می کنیم هر پیامی که به سنسور می دهیم حاوی چه اطلاعاتی است که الگوریتم توزیع شکل می گیرد ]13 [.

1-2.تعریف مساله و سئوالات اصلی تحقیق

ما در این پایان نامه برروی یک مسئله اصلی که همان کاهش مصرف انرژی در شبکه حسگر بی سیم است تحقیق کرده ایم.داده های حس شده توسط گره ها جهت پردازش باید به چاهک منتقل شوند،در این حین داده ها از چند گره عبور می کنند گره ها ی که بسته برای ارسال دارند باید بهترین همسایه ها را برای انتقال بسته انتخاب کنند این عمل تا رسیدن بسته به چاهک ادامه دارد.به این عمل مسیریابی گویند.با توجه به اینکه ارسال داده ا بیشترین مصرف انرژی را دارد ما الگوریتمی پیشنهاد میکنیم به عنوان بلوم فیلتر که تا از اتلاف انرژی تا حدودی نسبت به الگوریتم های قبلی جلوگیری کند.

در راستای کاهش مصرف انرژی با استفاده از الگوریتم توزیع شده درهم سازی سئوالات زیر مطرح است:

1-آیا تعداد گره های حسگر در میانگین مصرف انرژی مصرف است؟

2-آیا ابعاد ناحیه مورد آزمایش مصرف انرژی مصرف است ؟

3-بین مصرف انرژی و کارایی شبکه‌های حسگر چگونه می‌توان مصالحه‌ای برقرار کرد؟

4-در چه کاربردهایی مصرف بهینه انرژی در شبکه حسگر حائز اهمیت است؟

5-آیا جابجایی ایستگاههای اصلی به‌همراه شبکه حسگر بی‌سیم مصرف انرژی را بهبود می دهد؟

1-3.فرضیه ها

با افزایش بیش از حد گره های حسگر متوسط مصرف انرژی بیشتر می شود.کم بودن تعداد گره های حسگر به شدت در مصرف زیاد متوسط انرژی موثر است.متوسط مصرف انرژی به موقعیت طول و عرض ایستگاه پایه وابسته نیست و تنها به فاصله از مرکز ناحیه بستگی دارد.هر چه از مرکز ناحیه به سمت خارج ناحیه تحت آزمایش حرکت کنیم متوسط مصرف انرژی بیشتر خواهد شدوبا توجه به قابلیت‌های به اثبات رسیده الگوریتم توزیع شده درهم سازی در زمینه‌های مرتبط، فرض ما این است که الگوریتم توزیع شده درهم سازی می‌تواند به‌عنوان ابزار مناسبی در روش‌های کاهش مصرف انرژی به‌کار گرفته شوند.

1-4.اهداف تحقیق

اصلی‌ترین اهداف این تحقیق کاهش مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم است که در راستای رسیدن به آن، اهداف زیر دنبال خواهد شد.

1-ارایه الگوریتمی بهینه‌تر برای کاهش مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم با استفاده از قابلیت‌های الگوریتم توزیع شده درهم‌سازی.

2-افزایش طول عمر شبکه حسگر بی‌سیم

به ‌دلیل تازگی موضوع و عدم وجود تحقیقات کافی در کشور در این حوزة دانشی، یکی از اهداف انجام این تحقیق، فتح بابی برای به‌کارگیری قابلیت‌های الگوریتم توزیع شده درهم سازی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم و انجام تحقیقات بیشتر بوده است.

1-5.روش تحقیق

روش انجام تحقیق به صورت تاریخی از طریق مطالعه طرح‌ها و روش‌های مختلف موجود در راستای موضوع تحقیق و نیز به صورت تطبیقی از طریق مقایسه با روش‌های مرتبط موجود خواهد بود.

1-6.مراحل انجام تحقیق

در این تحقیق با استفاده از این فرض که انرژی هر نود ست خواهد شد سپس با استفاده از الگوریتم های موجود میزان مصرف انرژی از انرژی اولیه کسر خواهد شد و نرم افزار مطلب متوسط مصرف انرژی مصرفی و باقیمانده هر نود را در هر لحظه بصورت نمودار نشان می دهد.

شناساییوبیانکاملمساله (منظورازمساله،کاهش مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم است)

بررسیفعالیت‌هایپیشیندرراستایحل مساله

ارائهچارچوبارزیابیمناسبجهتگردآوریداده

ارزیابیروش‌های موجود

بهره‌گیریازنقاطقوتروش‌هایمختلف به‌دستآمدهازطریقاعمالچارچوبارزیابی(درراستایایجادروش‌های کارآمدترومناسبحوزةمسأله)

ارایه روش جدیدی برای کاهش مصرف انرژی در شبکه حسگر بی‌سیم با استفاده از روش جدول توزیع شده درهم سازی

شبیه‌سازی روش مذکور برحسب سناریوی خاص و ارایه نتایج شبیه‌سازی

مقایسه نتایج آماری حاصل از شبیه‌سازی روش جدید پیشنهادی با نتایج روش‌های پیشین

ارزیابی نتایج و نتیجه‌گیری

1-7.نمای کلی راه حل ما

راه حل ما این است که از بلوم فیلتر فشرده استفاده می کنیم که با تغییر نوع توزیع بیت ها در فیلتر می توان آن را برای انتقال در سطح شبکه فشرده کرد و بهینه سازی بر مبنای اینکه میزان خطای مثبت را بصورت یک تابع وابسته به سایز آرایه mو تعداد عناصر nبهینه نماییم.

دوم ، شبکه باید از اطلاعات توزیع شده برای راهنمای انتشار فرم های پرس و جو نگهداری کند]15 [. ما قبول کردیم نمونه یک ارتباط مرکزی داده داشته باشیم که در آن محتوای پیام درایو های سیستم و استفاده از تکنیک های مقیاس پذیر بر اساس فیلترهای بلوم باعث کاهش هزینه های ارتباطی است. راه حلی مقیاس پذیر با انرژی کارآمد را فراهم می آورد.فیلتر بلوم یک فضای موثر است که به ساختار احتمالی مجموعه ای از عناصر اشاره می کند. مجموعه ای از توابع درهم سازی^[2]از مجموعه ای از عناصر در فیلتر برای تست عناصر استفاده می کند در حالی که مثبت کاذب با تخصیص حافظه ممکن است کاهش یابد]12 [.

1-8.ساختار پایان نامه

فصل اول مقدمه و روش کار برای کاهش مصرف انرژی در شبکه حسگر بی سیم می پردازد فصل دوم ارایه دسته‌بندی ساختار شبکه حسگر بی سیم و نقش بلوم فیلتر در هریک از طرح‌های موجود بر اساس مرور مقالات تحقیقاتی می پردازد. فصل سوم، بررسی پروتکل معروف LEACHو مزایا و معایب آنپرداخته، سپس بهمروری بر روش‌های مبتنی بر بلوم فیلتر در الگوریتم‌های مسیریابی انرژی بر اساس مقالات تحقیقاتی مرتبط پرداخته و الگوریتم خوشه‌بندی LEACH را که ارتباط مستقیمی با روش ارایه شده در این تحقیق دارد، تشریح خواهد کرد. فصل چهارم به ارایه نتایج شبیه‌سازی و مقایسه نتایج با روش‌های پیشین و ارزیابی الگوریتم پیشنهادی، اختصاص خواهد یافت. فصل پنجم شامل جمع‌بندی و ارایه پیشنهادهایی برای انجام تحقیقات بیشتر خواهد بود.

فصل 2

مروری بر منابع مطالعاتی

در این فصل ابتدا در مورد کاربردها و مزایای استفاده از شبکه حسگر بی سیم و نقشی که این شبکه ها در زندگی روزمره ما می توانند بر عهده بگیرنند مطالبی آورده خواهد شد و در نهایت در مورد معماری کلی شبکه های حسگر بی سیم اعم از معماری ارتباطی در آنها و اجزای سخت افزاری و مدل های مصرف انرژی هر گره به بحث و بررسی خواهیم پرداخت.

2-1.معرفی شبکه های حسگر بیسیم[3]

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، 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: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 حسگراست. در کاربردهایی که هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده می باشد کاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.

میدان حسگر:ناحیه کاری که گره های شبکه حسگر در آن توزیع میشوند.

چاهک[4]: گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حسگر و گره مدیر وظیفه[5] 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 حسگر: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 حسگرشبکه 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 حسگر نامیده می شود با چگالی زیاد پراکنده می شوند. یک چاهک پایش[6] کل شبکه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسیله چاهک جمع آوری می شود و فرامین از طریق چاهک منتشر می شود. شکل2-1 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[1].

شکل2-1: ساختار کلی شبکه حسگر

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.شکل2-2 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. شکل2-3 را مشاهده کنید.

شکل2-2: ساختار خودکار

شکل2-3: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[7] وجود دارد که داده های گره های دستة خود را به چاهک ارسال می کند. در واقع هر سردسته مانند یک مدخل[8] عمل میکند.

ساختمان گره

شکل2-4 ساختمان داخلی گره حسگر 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 پردازندة 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. مکانیاب 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.

شکل2-4: ساختمان داخلی گره حسگر

ویژگی ها

وجود برخی ویژگی ها در شبکه حسگر، آن را از سایر شبکه های سنتی و بی سیم متمایز می کند. از آن جمله عبارتند از:

• تنگناهای سخت افزاری شامل محدودیتهای اندازة 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[9] در ارتباط بین گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
• داده محور[10] بودن شبکه به این معنی که گره ها کد شناسایی[11] ندارند

2-2.کاربردهای شبکه حسگر بیسیم:

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 جانورانو .. 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 2-5زیر 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 وظیفة 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[12] 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[13] 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[14] 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 وظیفة حس به یک ناحیة معین محول شد همة 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[15] استفاده نمود. با وجود موارد فوق گره ها در شبکه حسگر می توانند با روشهای توان کارا[16] باهم کار کرده و داده ها را در یک شبکه متحرک حسگر مسیر دهی کنند و منابع را بین گره ها به اشتراک گذارند.

لایه کاربرد

لایه انتقال

لایه شبکه

لایه پیوند داده

لایه فیزیکی

هماهنگی

شکل2-5:پشته پروتکلی

2-3.معماری شبکه حسگر بی سیم

هر شبکه حسگر بی سیم از تعداد زیادی گره ارزان قیمت با اندازه کوچک تشکیل شده است و هرگره نیز از مجموعه ای و اجزای سخت افزاری تشکیل شده است که در کنر یکدیگر وظایف هر گره را به انجام می رسانند.سیستم عامل نسبتا ساده ای به نام Tinyosبرای گره های شبکه حسگر پیشنهاد شده است که بر مبنای کنترل رویدادها طراحی شده است و منابع هر گره را به نحو مناسبی کنترل می کند.[26]

شکل2-6:نحوه طبقه بندی گره ها در شبکه حسگر[3]

2-4. عواملمهمدرطراحیشبکه هایحسگربیسیم

عوامل متعددی در طراحی شبکه های حسگر 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.

1- 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 حسگر 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.

2- توپولوژی: توپولوژی ذاتی شبکه حسگر توپولوژی گراف است. بدلیل اینکه ارتباط گره هابی سیم و بصورت پخش همگانی است و هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد.الگوریتم 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 حسگر 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.

3- 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 lk قابلیت اطمینانبا فرمول(1) مدل می شود. که در واقع احتمال عدم خرابی است در زمان t بشرط اینکه گره در بازة زمانی (0،t) خرابی نداشته باشد. به این ترتیب هرچه زمان میگذرد احتمال خرابی گره بیشتر میشود.

(1)

4- 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 (2) محاسبه می شود. که بیانگر تعداد متوسط گره هایی است که در برد یک گره نوعی (مثلادایره ای با قطر10 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. (2)

5- 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.

6- شرایط محیطی :طیف وسیعی از کاربرد ها ی شبکه های حسگرمربوط 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.

7- رسانه ارتباطی:در شبکه های حسگر 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.

8- توان مصرفی گره ها:گره های شبکه حسگر باید توان مصرفی کم داشته باشند. گاهی منبع تغذیه یک باتری 2/1 ولت با انرژی 5/. آمپر ساعت است که باید توان لازم برای مدت طولانی مثلا 9 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[17] نیز عمل می کندبد 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[18] برای کل گره یا برای هر بخش بطور مجزا مهم است.

9- افزایش طول عمر شبکه: یک مشکل این است کهعمر شبکه های حسگر نوعاً کوتاه است. چون طول عمر گره ها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر آن گاهی موقعیت ویژة 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. 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 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 طول عمر شبکه را افزایش میدهد. ارائه الگو های ساختاری مناسب و ارائه روشهای مدیریتی و آلگوریتم ها توان آگاهبا هدف افزایش طول عمر شبکه حسگر از مباحث مهم تحقیقاتی است.

10- ارتباط بلادرنگ[19] و هماهنگی[20] : 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[21] بسته های با ضرب العجل کوتاهتر زودتر ارسال شوند مدت ضرب العجل به کاربرد بستگی دارد. مسئلة 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 حسگر بخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن از مباحث تحقیقاتی است.

11- امنیت[22] و مداخلات[23] : موضوع امنیت در برخی کاربردها بخصوصدر کاربرد های نظامی یک موضوع بحرانی است و بخاطر برخی ویژگی ها شبکه های حسگر 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 باهزینه و سربار[24] 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[25] 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[26] خارج شوند. ادامة 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 بر طبیعت شبکه حسگربود. 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 حسگروجود دارد. و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.

12- 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[27] خود سازماندهی[28] و خود درمانی[29] 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.

1Sensor nodes

1Hash Functions

1Wireless Sensor Network (WSN)

1Sink

2Task Manager Node

1Cluster_Head

1Gateway

1 Broadcast

2 Data Centric

3 ID (Identification code)

1Sensor Query and Tasking Language (SQTL)

1 Power-Aware

2 Location Aware

3 Application Aware

4 Power Efficient

1 Router

2Sleep

1 Real-time

2Coordination

3 MAC (Medium Access Control)

1Security

2 Interferences

3 Overhead

4 Flooding Attack

5 Sleep

1Self Optimizing

2Self Organizing

3Self Healing