شبکه های حسگر بی سیم

شبکه های حسگر بی سیم

اسلاید 1: شبکه های حسگر بی سیم Wireless Sensor Networksشبکه های حسگر بی سیم : مجموعه ای از گره های حسگر که بصورت تصادفی در محل توزیع گشته تا میحیط یا اهداف مورد نظر را شناسایی و اطلاعات را دریافت ، ذخیره و پردازش و ارسال نمایند و برای اندازه ‌گیری گروهی برخی از کمیت‌های فیزیکی یا شرایط محیطی مانند دما، صدا، لرزش، فشار، حرکت یا آلاینده‌ها، در مکان‌ های مختلف یک محدوده کاربرد دارد. ذره میکا نمونه ای از یک گرههرگره بطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعا از لحاظ فيزيكي بسيار كوچك است ودارای محدودیت هایی در قدرت پردازش, ظرفيت حافظه, منبع تغذيه, ... میباشد.این شبكه هاي حسگر نوعا تك منظوره هستند.کاربردها:پزشکی و درمانی: آموزش پزشکی و body sensor networkنظامی و دفاعی:مانیتور کردن دشمن ، میدان مین هوشمندکشاورزی : مثلا در تنظیم آب و هوای گلخانهصنعتی و تجاری : تنظیم روشنایی سيستم هاي امنيتي تشخيص و مقابله با سرقت, آتش سوزي(درجنگل), سيستم هاي ردگيري, نظارت وكنترل وسايل نقليه و ترافيك, كنترل كيفيت توليدات صنعتي

اسلاید 2: ساختمان گرههر گره شامل واحد حسگر/ كارانداز , واحد پردازش داده ها , فرستنده/گيرنده بي سيم و منبع تغذيه مي باشد. بخشهاي اضافي واحد متحرك ساز , سيستم مكان ياب و توليد توان نيز ممكن است بسته به كاربرد در گره ها وجود داشته باشد. واحد پردازش داده شامل يك پردازندة كوچك و يك حافظه با ظرفيت محدود است داده ها را از حسگرها گرفته بسته به كاربرد پردازش محدودي روي آنها انجام داده و از طريق فرستنده ارسال مي كند. واحد پردازش مديريت هماهنگي و مشاركت با ساير گره ها در شبكه را انجام مي دهد. واحد تامين انرژي, توان مصرفي تمام بخشها را تامين مي كند كه اغلب يك باطري با انرژي محدود است. محدوديت منبع انرژي يكي از تنگناهاي اساسي است كه در طراحي شبكه هاي حس/كار همه چيز را تحت تاثير قرار مي دهد. در كنار اين بخش ممكن است واحدي براي توليد انرژي مثل سلول هاي خورشيدي وجود داشته باشد در گره هاي متحرك واحدي براي متحرك سازي وجود دارد. مكان ياب موقعيت فيزيكي گره را تشخيص مي دهد. تكنيكهاي مسيردهي و وظايف حسگري به اطلاعات مكان با دقت بالا نياز دارند. يكي از مهمترين مزاياي شبكه هاي حس/كار توانايي مديريت ارتباط بين گره هاي در حال حركت مي باشد.

اسلاید 3: ساختمان گرهواحد فرستنده گيرنده ارتباط گره با شبكه را برقرار مي كند. واحد حسگر شامل يك سري حسگر و مبدل آنالوگ به ديجيتال است كه اطلاعات آنالوگ را از حسگرگرفته و بصورت ديجيتال به پردازنده تحويل مي دهد. واحد كارانداز شامل كارانداز و مبدل ديجيتال به آنالوگ است كه فرامين ديجيتال را از پردازنده گرفته و به كارانداز تحويل مي دهد.در كل با توجه به كاربرد مورد نظر و زمان نمونه برداري حسگر از محيط و توان مصرفي آن در مقايسه با ميكروكنترلر را در حالتCPU مركزي، مي توان دو معماري متفاوت براي عملكرد گره حسگر ارائه كرد . يكي از ا ين روشها اينست كه مارا فعال كنيم و در روش ديگر مي توانيم تغذيه حسگرCPU درآوريم و با دريافت اطلاعات با اهميتstandby عادي به صورت را در حالت عادي قطع كنيم و زماني كه مي خواهيم از اطلاعات نمونه برداري كنيم تغذيه حسگر را فعال كنيم . اين عمل خصوصا در مواردي كه توان مصرفي بالاي دارد، كاملا ضروري ميباشد.اگر فرستنده-گيرنده هايي استفاده كنيم كه لايهData Link را به صورت داخلي پشتيباني مي كنند و عمل تصحيح خطا و سريال و موازي كردن را خودشان انجام مي دهند، بار پردازشيCPUوپيچيدگي نر م افزار كاهش خواهند يافت

اسلاید 4: ویژگی های شبکهمعمولا یک WSN شامل تعداد زیادی از گره های حسگری چند کاربره، کم توان و ارزان است که در مناطق مورد نظر مستقر شده است. این گره های حسگری اندازه کوچکی دارند اما با فرستنده و گیرنده های رادیویی و میکروپرسسورهای جاسازی شده و حسگرها مجهز شده اند، و بنابراین تنها دارای توانایی حس کردن نیستند ، بلکه توانایی های پردازش کردن اطلاعات و مخابره کردن را هم دارند.آنها در یک فاصله کوتاه و بوسیله واسط بیسیم با هم ارتباط برقرار می کنند وبرای انجام یک وظیفه مشترک با هم همکاری میکنند. ویژگی ها• تراکم : گره های حسگری معمولا به طور انبوه در یک حوزه مورد نظر، قرار گرفته می شوند. • باتری دار: گره های حسگری معمولا از باتری تعذیه می کنند. در بیشتر مواقع ، در مناطق نامساعد یا محیط های خطرناک مستقر می شوند ، جاهایی که تعویض و شارژ دوباره باتری ها غیر ممکن است. • ذخیره ، محاسبه و انرژی: گره های حسگری شدیدا در انرژی و محاسبات و ظرفیت ذخیره ، محدود هستند. • خود پیکربندی: معمولا گره های حسگری به طور تصادفی و بدون مهندسی و برنامه ریزی دقیق، مستقر می شوند. زمانی که مستقر شدند، گره های حسگری باید بطور خودکار خودشان را در یک شبکه ارتباطی، پیکر بندی کنند.

اسلاید 5: ویژگی های شبکه• کاربری ویژه: معمولا یک شبکه برای کاربرد خاصی طراحی و پیاده سازی می شود. احتیاجات طراحی یک شبکه با تغییر کاربردش ، تغییر می کند. • اطمینان: گره های حسگری معمولا در محیط های نامساعد و خطرناک نصب می شوند و بدون مواظبت کار می کنند.آنها مستعد آسیب فیزیکی و خرابی هستند. • تغییر مکرر توپولوژی: توپولوژی شبکه به خاطر خرابی، آسیب دیدگی ، کاهش انرژی ،یا محو شدن کانال های گره ها ،به طور مکرر تغییر می کند. • نبود هویت سراسری: به خاطر تعداد زیاد گره های حسگری ، معمولا ساخت طرح آدرس دهی سراسری برای شبکه سراسری ممکن نیست زیرا می تواند منابع انسانی و اقتصادی زیادی را برای صیانت هویت بکار ببرد. • طرح ترافیک چند به یک Many - to - One Traffic Pattern در بیشتر کاربردهای شبکه های حسگری ، داده ای که توسط گره حسگری ، دریافت شده است از گره های حسگری منبع چندگانه به سمت یک انباره خاصsink جاری می شود؛ که یک طرح ترافیک چند به یک را ارائه می دهد. • افزونگی داده:به دلیل تراکم بالای آنها ، داده دریافت شده توسط گره های حسگری چندگانه ، معمولا سطح معینی از همبستگی و افزونگی دارد.

اسلاید 6: تعاریفحسگر : وسيله اي كه وجود شيئ رخداد يك وضعيت يا مقدار يك كميت فيزيكي را تشخيص داده و به سيگنال الكتريكي تبديل مي كند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهاي دما, فشار, رطوبت, نور, شتاب سنج, مغناطيس سنج و... كارانداز : با تحريك الكتريكي يك عمل خاصي مانند باز و بسته كردن يك شير يا قطع و وصل يك كليد را انجام مي دهدگره حسگر: به گره ای گفته مي شود كه فقط شامل يك يا چند حسگر باشد. گره كارانداز: به گره ای گفته مي شود كه فقط شامل يك يا چند كارانداز باشد.گره حسگر/كارانداز: به گره ای گفته مي شود كه مجهز به حسگر و كار انداز باشد.شبكه حسگر : شبكه اي كه فقط شامل گره هاي حسگر باشد. اين شبكه نوع خاصي از شبكه حس/كاراست. در كاربردهايي كه هدف جمع آوري اطلاعات و تحقيق در مورد يك پديده مي باشد كاربرد دارد. مثل مطالعه روي 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 مي كند.گره مدیر وظیفه: گرهی که یک شخصی بعنوان کاربريا مدیر شبكه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند. فرامین کنترلی و پرس و جو ها از اين گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر میگرددشبكه حس/كار: شبكه اي متشكل از گره هاي حسگر و كار انداز يا حسگر/كارانداز است كه حالت كلي شبكه هاي مورد بحث مي باشد.

اسلاید 7: تعاریفشبكه حس/كار: شبكه اي متشكل از گره هاي حسگر و كار انداز يا حسگر/كارانداز است كه حالت كلي شبكه هاي مورد بحث مي باشد.

اسلاید 8: تعاریفساختار خودكار : حسگر هايي كه يك رخداد يا پديده را تشخيص مي دهند داده هاي دريافتي را به گره هاي كارانداز جهت پردازش و انجام واكنش مناسب ارسال مي كنند. گره هاي كارانداز مجاور با هماهنگي با يكديگر تصميم گيري كرده و عمل مي نمايند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری ها بصورت محلی انجام میشود.

اسلاید 9: تعاریفساختار نيمه خودكار: در اين ساختار داده ها توسط گره ها به سمت چاهك هدايت شده و فرمان از طريق چاهك به گره هاي كار انداز صادر شود.

اسلاید 10: تعاریفساختار بخش بندي شده يا سلولي : از طرف ديگر در كاربردهاي خاصي ممكن است از ساختار بخش بندي شده يا سلولي استفاده شود كه در هر بخش يك سردسته وجود دارد كه داده هاي گره هاي دستة خود را به چاهك ارسال مي كند. در واقع هر سردسته مانند يك مدخل عمل ميكند.‍

اسلاید 11: معماري شبكه هاي حسگر:هر شبكه حسگر از تعداد زيادي گره ارزان قيمت با اندازه كوچك، تشكيل شده است و هر گره نيز از مجموعه اي از اجزاي سخت افزاري تشكيل شده است كه در كنار يكديگر وظايف هر گره را به انجام ميرسانند. در حال حاضر هر گره حسگر از بهم پيوستن تعدادي قطعات از پيش طراحي شده حاصل مي شود ولي در آينده مي توان كليه مدارهاي مورد نياز يك حسگر را در يك مدار مجتمع فشرده و در اندازه بسيار كوچكتري پياده سازي كرد كه كاهش قابل ملاحظه اي در اندازه و توان مصرفي هرگره را در بر خواهد داشت.نهايتا سيستم عامل نسبتا ساده اي به نام Tiny OS براي گره هاي شبكه حسگر پيشنهاد شده است كه بر مبناي كنترل رويدا دها طراحي شده است و منابع هر گره را به نحو مناسبي كنترل ميكند.اين سيستم عامل يك سيستم عامل رويداد گرا است و از يك هسته چند ريسماني بسيار كارآمد تشكيل شده است .همچنين اين سيستم عامل يك ساختار برنامه ريزي دو سطحي دارد كه اجازه مي دهد تا مقدار پردازش محدودي بر روي رويدادهاي سخت افزاري به صورت ايجاد وقفه در هنگام انجام وظايف طولاني صورت پذيرد.در طراحي اين سيستم عامل، انرژي مهمترين منبع موجود در نظر گرفته مي شود ‍

اسلاید 12: معماري شبكه هاي حسگرشبكه هاي حسگر در حالت كلي ماهيت داده-محور دارند و بنابراين، ساختار ارتباطي بين گره هاي حسگر با يد طوري طراحي شوند كه با ماهيت اين شبكه ها، هماهنگي داشته باشند . چون اكثر كاربردهاي شبكه هاي حسگر در مواردي است كه عملا امكان اتصال گره ها به يكديگر عملي يا مقرون به صرفه نيست، دراين گونه شبكه ها عموما از ارتباط بيسيم استفاده مي شود.ساختار كلي اين شبكه ها به اين صورت است كه تعداد زيادي گره همسان، در محيط‍ پراكنده مي شوند و پس از جمع آوري اطلاعات مورد نظر، آن را به يك گيرنده مركزي (sink) ارسال مي كنند. گيرنده مركزي گرهي با ميزان انرژي بالا و تجهيزات مورد نياز مي باشد و در واقع واسط بين شبكه حسگر و محيط اطراف مي باشد. در شبكه هاي با وسعت جغرافيايي زياد، مي توان از چندين گيرنده مركزي استفاده كرد تا مسير ارسال داده ها به گيرنده ها، بيش از حد طولاني نگردد از آنجايي كه ارسال مستقيم راديويي در فواصل زياد، به انرژي بسيار زيادي نياز دارد، در شبكه هاي حسگر ، از روشهاي انتقال اطلاعات به صورت گام به گام استفاده مي شود. علاوه براين مورد، دراكثر موارد بين بسياري از گره ها و گيرنده هاي مركزي، به علت مسايلي مانند فاصله زياد يا موانع جغرافيايي، ممكن است ديد مستقيمي بين گره و گيرنده مركزي وجود نداشته باشد . روشهاي متنوعي جهت پراكندن اطلاعات در شبكه هاي حسگر، پيشنهاد شده است

اسلاید 13: معماري شبكه هاي حسگر

اسلاید 14: لایه های شبکهمطابق شكل زیر پشته پروتكلي از يكطرف داراي پنج لايه افقي شامل لايه هاي فيزيكي, پيوند داده, شبكه, انتقال, و كاربرد و از طرفي داراي سه لايه عمودي مديريت توان, مديريت جابجايي, و مديريت وظيفه است. لايه فيزيكي وظيفه اش عمليات مدولاسيون و ارسال و دريافت در سطح پايين مي باشد. لایه فیزیکی در شبکه حسگر بی سیم همانند شبکه سیمی نقش تبدیل سیگنال های آنالوگ به دیجیتال و بلعکس را ایفا می نماید . رسانه انتقال در اینگونه شبکه ها هدایت نشده است و ارتباط گره‌ها بصورت بیسیم و از طریق رسانه رادیویی، مادون قرمز، یا رسانه‌های نوری دیگر صورت می‌گیرد. اکثرا از ارتباط رادیویی استفاده می‌شود لایه پیوند داده در شبکه حسگر بی سیم وظیفه تشخیص و رفع خطا و نویز در داده های رسیده از لایه فیزیکی را بعهده داشته همچنین داده های رسیده از لایه شبکه را فریم بندی نموده تا برای ارسال آماده سازد.از طرفی زیرلايه كنترل دسترسي رسانه بايد قادر باشد با حداقل تصادم بروش پخش همگاني با هر گره همسايه ارتباط برقرار كند. ‍

اسلاید 15: لایه های شبکهلايه شبكه وظيفه مسيردهي داده هايي كه از لايه انتقال مي آيد را بر عهده دارد. لايه انتقال وظيفه مديريت جريان انتقال بسته ها را در صورت نياز كاربرد, بر عهده دارد. بسته به كاري كه شبكه براي آن طراحي شده انواع مختلف نرم افزارهاي كاربردي مي تواند روي لايه كاربرد استفاده شود و خدمات مختلفي را ارائه نمايد‍

اسلاید 16: لایه های شبکهلايه عمودي مديريت توان با دخالت در كليه لايه هاي افقي چگونگي مصرف توان براي گره را تعيين مي كند. در واقع براي كاهش مصرف انرژي به الگوريتم ها و پروتكل هاي توان آگاه نيازمنديم. مثلا اينكه يك گره پس از دريافت يك پيغام از يكي از همسايه هايش دريافت كننده اش را خاموش كند باعث جلوگيري از دريافت دوباره پيغام و در نتيجه كاهش مصرف انرژي مي گردد. ايده ديگري كه مي تواند همزمان استفاده شود اين است گره ای كه به سطح پايين انرژي رسيده به همسايه هايش اعلام همگاني مي كند كه انرژي اش در حال اتمام است و نمي تواند در مسيردهي پيغامها شركت داشته باشد. گره هاي همسايه پس از آن پيغام ها را از طريق گره هاي ديگر مسيردهي خواهند كرد. ‍

اسلاید 17: لایه های شبکهلايه عمودي مديريت حركت, به بكار گيري روشهاي مكان آگاه بر مي گردد جابجايي گره را تشخيص داده و ثبت مي كند بنابراين يك مسير برگشت تا كاربر هميشه مديريت مي شود و رد گره متحرك دنبال مي شود. مديريت وظيفه ، وظايف گره ها را زمانبندي كرده و متعادل مي سازد. مثلا اگر وظيفة حس به يك ناحيه معين محول شد همه گره هاي حسگر آن ناحيه لازم نيست عمليات حس را بطور همزمان انجام دهند بلكه اين وظيفه مي تواند بسته به كاربرد به برخي گره ها مثلا به گره هايي با قابليت اطمينان بيشتر يا ترافيك كمتر يا آنها که انرژي بيشتر دارند محول شود. براي تضمين اين نكته بايد از الگوريتم هاي كارآگاه استفاده نمود

اسلاید 18: توپولوژی شبکه های حسگر بی سیموضعیت های زیادی از نظر توپولوژی شبکه برای سیستم های رادیویی وجود دارد . Bus, Ring, Star, Tree, Mesh, Hybridشبکه ستاره ای ( یک نقطه به چندین نقطه ) :یک شبکه ستاره ای نوعی از توپولوژی مورد استفاده قرار می گیرد که یک ایستگاه مرکزی می تواند داده ها را از چندین حسگر دریافت کرده و یا بفرستد . مزیتمزیت استفاده از این نوع شبکه های حسگر های بی سیم سادگی آنهاست و اینکه می توان توان مصرفی آنها را در حداقل ممکن نگاه داشت . ضمن اینکه امکان ارتباط بین حسگر و ایستگاه مرکزی را برای سیستم های مخابراتی که دارای تاخیر مخابراتی هستند فراهم می کند . عیب عیب چنین سیستم هایی این است که پایگاه اصلی باید در طیف رادیویی که هر یک از گره های حسگر هستند قرار داشته باشد و از نظر قدرت به استحکام شبکه های دیگر نیست چون وابسته به یک گره خاص است تا بتواند شبکه را مدیریت کند

اسلاید 19: توپولوژی شبکه های حسگر بی سیمشبکه توری mesh networkشبکه توری این امکان را به گره های شبکه می دهد که بتواند که داده ها را به گره های دیگر شبکه که در آن طیف انتقال قرار دارند منتقل نماید .این حالتی است که امکان ارتباط چند هاب multi hob communications با یکدیگر را فراهم می کند اگر یکی از گره ها بخواهد به گرهی دیگر اطلاعات بفرستد می تواند از طریق گره های میانی و واسطه انجام گیرد . مزیتیکی از مزیت های این نوع شبکه این است که امکان مقیاس پذیری و بررسی خطاهای داده ها که بین حسگر های بی سیم و ایستگاه اصلی بوجود می آید قابل انجام است . نیز اگر یکی از گره ها دچار خرابی شود این امکان وجود دارد که از طریق گره های دیگر به ارسال و دریافت پیام بپردازیم . ضمن اینکه طیف شبکه محدود به یک گره خاص نمی شود و براحتی می توان با اضافه کردن گره های دیگر به گسترش شبکه پرداخت . عیب ازمعایب آن این است که که توان مصرفی اختصاص داده شده به این مجموعه از گره ها از توان مصرفی که برای یک گره منفرد استفاده می شود خیلی بیشتر است .و به همین جهت عمر کاری باتری مورد استفاده در این سیستم ها کم است .

اسلاید 20: توپولوژی شبکه های حسگر بی سیمهایبرید به موازات افزایش هاب های مخابراتی شبکه های ترکیبی از ستاره و توری Hybrid star – mesh Network حالت ترکیبی و یا هایبرید وضعیتی است که دو حالت ستاره و توری را با هم دارد و به این ترتیب شبکه ای قدرتمند و متنوع پدید می آید . و بدین ترتیب مصرف توان سیستم های حسگرهای بی سیم نیز در حداقل مقدار ممکن نگاه داشته می شود . در این نوع توپولوژی گره هایی که دارای پائین ترین مقدار مصرف برق هستند قادر به ارسال و فوروارد کردن پیام ها نیستند . این کار فقط این امکان را فراهم می کند تا مصرف توان در حداقل ممکن نگه داشته شود . اما سایر گره های موجود در شبکه این امکان را دارند که ارتباطات چندگانه را حفظ کرده و به ارسال اطلاعات از گره هایی که توان پائینی دارند به سایر گره ها ادامه دهند . بطور معمول گره هایی که دارای هاب چندگانه هستند توان مصرف بالاتری دارند . و در صورت امکان آنها را به منبع اصلی برق متصل می کنند . این نوع توپولوژی که با شبکه های توری دریافت کننده وارسال کننده انجام می گیرد را به نام استاندارد زیگ بی ZigBee می شناسند.

اسلاید 21: مسیریابیاز مهم ترین مسایل شبکه و بخصوص لایه شبکه ، مساله مسیریابی است.در مسیریابی سعی بر ان است تا اطلاعات تا حد ممکن با کمترین مصرف انرژی و تلفات توان در شبکه و بین گره ها انتشار یابد.روش سيل آسا (flooding) : از ساده ترين روشهاي بكاررفته جهت پخش داده ها درشبكه هاي حسگر است هر گره جهت پخش كردن داده هاي خود، به سادگي داده هاي خود را به همه همسايگان خود ارسال مي كند وگره هاي همسايه نيز در صورتي كه قبلا داده دريافت شده را در اختيار نداشته باشند، به همين ترتيب يك نسخه از داده ها را نزد خود نگهداري مي كنند و سپس آن را به تمام همسايگان ديگر (بجز همسايه اي كه داده را از آن دريافت كرد ه اند) ارسال مي كنند. عیوبمشكل انفجار :وقتی گره ها داده ها را به صورت تكراري از چندين گره دريافت كنند. اين فرايند تا حد زيادي باعث اتلاف منابع گره ها مي شودمشكل همپوشاني: عبارتست از اشتراك داده هاي جمع آوري شده توسط حسگر.براي دستيابي به پايداري بيشتر در شبكه هاي حسگر معمولا مقداري همپوشاني بين نواحي تحت پوشش حسگرها در نظرمي گيرند و همين امر باعث مي شود تا يك پديده توسط دو يا چند حسگر مختلف تشخيص داده شود . عدم آگاهي از منابع : روش ا نتشار، از منابع موجود گره ها ، بی اطلاع است که باعث میشود از گره هايي كه منابع انرژي آنها از حد معيني پايين تر است، در مسيريابي استفاده شود و با اين عمل، مدت زمان متوسط كاركرد گره ها را در شبكه کاهش میدهد

اسلاید 22: مسیریابی (روش سیل اسا)بررسیبه صورت كلي اين روش تنها در مواردي مي تواند كارايي داشته باشد كه مايل هستيم اطلاعاتي را به صورت همه پخشي براي تمامي گره هاي شبكه ارسال كنيم . اصولا اين موضوع در مورد شبكه هاي حسگر كه معمولا ماهيت جغرافيايي گسترده دارند، كمتر رخ مي دهد و در اين شبكه ها معمولا از پرسجوهايي مربوط به يك ناحيه جغرافيايي خاص استفاده مي شود يا ارتباطات معمولا بين چند گره محدود به عنوان منبع و يك يا چند گيرنده صورت مي گيرد. بنا به دلايل بالا استفاده از روش سيل آسا براي شبكه هاي حسگر كه داراي منابع انرژي محدود هستند، مناسب نمي باشد

اسلاید 23: مسیریابی (روش شایعه پراکنی)روش شايعه پراكني (gossiping) :اين روش تا حد زيادي شبيه روش سيل آساست، با اين تفاوت كه در اين روش هر همسايه هنگام دريافت داده ها، به صورت تصادفي يكي از همسايه هايش را انتخاب مي كند و داده ها را (در صورتي كه قبلا دريافت نشده باشند ) به آن گره ارسال مي كند (حتي اگر داده ها را از همان گره گرفته باشد). بررسیاين رويكرد ميتواند تا حدي مشكل انفجار را برطرف كند ولي در مورد ساير مشكلات نمي تواند كار خاصي انجام دهد و علاوه بر اين سرعت انتشار هم در اين روش پايين است چون در هر مرتبه در هر بار ارسال، داده فرستاده شده تنها يك گره را طي مي كند و به اين ترتيب جهت ارسال داده بين دو گره شبكه، در بدترينحالت ممكن است به اندازه زمان ارسال داده بين تمام گره هاي شبكه تاخير داشته باشيم و اين امر با افزايش تعداد گره هاي شبكه ميتواند مشكل ساز گردد.

اسلاید 24: مسیریابی(شایعه پراکنی)روش شايعه پراكني (gossiping)روش شايعه پراكني، يك جايگزين براي روش همه پخشي سنتي محسوب مي شود كه از فرايند تصادف براي صرفه جويي در مصرف انرژي بهره مي برد. به جاي ارسال داده ها به صورت يكسان، يك گره شايعه پراكن، اطلاعات را به صورت تصادفي تنها به يكي از همسايگانش ارسال مي كند. اگر يك گره شايعه پراكن ، داده اي را از همسا يه اش دريافت كند، ميتواند درصورتي كه همان همسايه به صورت تصادفي انتخاب شد ، داده را مجددا به آن ارسال كند. در شكل اگر گره D هيچ گاه داده خود را به سمت گره B باز نگرداند گره C هيچ گاه داده را دريافت نخواهد كرد

اسلاید 25: مسیریابی(شایعه پراکنی)روش شايعه پراكني (gossiping)هر گاه داده در روش همه پخشي كلاسيك، به يك گره با مرتبه بالا برسد ، كپي هاي بيشتري از داده شروع به پراكنده شدن در داخل شبكه مي كنند تا وقتي كه اين كپي ها در اثر تصادم به انتها برسند در صورتي كه روش شا يعه پراكني جلوي چنين تصادم هايي را مي گيرد چون در اين روش تنها يك كپي از داده در هر گره ا يجاد مي شود و هر چه تعداد كپي هاي ايجاد شده كمتر باشد احتمال تصادم اين كپي ها كمتر مي شود.در حا لي كه روش شا يعه پراكني اطلاعات را به كندي در شبكه پراكنده مي كند، سرعت مصرف انرژي آهسته اي هم دارد از آنجايي كه هر گره ، داده را به صورت تصادفي، تنها به يكي از همسا يه هاي خود ارسال مي كند ، سر يع ترين سرعت پخش منبع در شبكه ، حداكثر سرعت انتشار در اين روش برابر يك گره در هر دور است .در نهايت اگرچه روش شايعه پراكني مي تواند تا حد زيادي از تصادم جلوگيري كند ولي اين روش، هيچ راه حلي براي جلوگيري از همپوشاني ارائه نكرده است.

اسلاید 26: مسیریابی SPINSPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) :در اين روش از شبه - داده ها (meta-data) جهت نامگذاري داده هاي واقعي استفاده مي شود و هر گره هنگام ارسال داده ها، ابتدا شبه - داده مورد نظر را به همسايگانش در قالب يك پيغام ADV ارسال مي كند و آنها در صورت در اختيار نداشتن داده ها، با توليد كردن يك پيغام ،REQ تمامي داده يا بخشي از داده را كه دراختيار ندارند، درخواست مي كنند و گره اوليه با دريافت پيغام ،REQ داده هاي حقيقي را در قالب يك پيغام ،DATA به آنها ارسال مي كند. چنين رويكردي مي تواند مشكل انفجار و هم پوشاني را برطرف كند چون در اين رويكرد قبل از ارسال داده ها تنها شبه - داده ها ارسال مي شوند كه حجم بسيار كمتري نسبت به خود داده دارند و همچنين محتويات داده اصلي بوسيله آنها قابل استخراج است . بعلاوه در اين روش براي هر گره يك مدير منابع در نظر گرفته شده كه مي تواند عملگر هر گره را تحت تاثير قرار دهد و در صورت كمبود منابع، بخشي از فعاليتهاي آن گره را متوقف كند (مثلا جلوي شركت كردنگره در امر مسيريابي را بگيرد).با وجود اينكه اين روش تا حد زيادي نسبت به روشهاي قبلي بهينه تر است، با اين وجود از تكنيكهایي مانند فشرده سازي وخلاصه كردن اطلاعات كه مي توانند تا حد زيادي سربار ترافيكي شبكه را كاهش دهند، استفاده نمي كند و در ضمن اين روش يك راهكار فرستنده –محور (sender-initiated) است كه خود اين امر ميتواند تا حدي مانع استفاده بهينه از منابع موجود در شبكه گردد.

اسلاید 27: مسیریابی(spin)روش SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation) خانواده اي از پروتكل هاي سازگار شونده است كه مي توانند داده ها را به صورت موثري بين حسگرها در يك شبكه حسگر با منابع انرژي محدود، پراكنده كنند. گره هايي كه پروتكل ارتباطي SPINرا اجرا مي كنند، داده هاي خود را با استفاده از شبه -داده ها كه توصيف كننده هاي سطح بالايي هستند، نامگذاري مي كنند. همچنين گره ها دراين روش براي حذف ارسال داده هاي اضافي در شبكه ، از مذاكره شبه -داده ها استفاده مي كنند. همچنين گره هاي spin مي توانند تصميم گيري جهت انجام ارتباطات خود را هم براساس اطلاعات مربوط به برنامه كاربردي وهم براساس اطلاعات مربوط به منابع موجود خود به انجام برسانند. اين كار باعث مي شود كه حسگرها بتوانند داده ها را با وجود منابع محدود خود، به صورت كارآمدي پراكنده كنند.دو راه كار كليدي دسته پروتكله اي SPIN براي برطرف كردن مشكلات مطرح شده در روش كلاسيك همه پخشي، استفاده از مذاكره و تطبيق منابع است . براي برطرف كردن مشكل تصادم و هم پوشاني، گره هاي SPINاز مذاكره با يكديگرقبل از ارسال اطلاعات استفاده مي كنند. همچنين گره ها قبل از ارسال داده ها، منابع خود را ارزيابي مي كنند. هر گره حسگرمدير منابع (resource manager) مخصوص خودش را دارد كه مصرف انرژي را دنبال مي كند. برنامه هاي كاربردي قبل ازارسال يا پردازش داده ها مدير منابع را بررسي مي كنند كه اين امر به حسگرها كمك مي كند تا بعضي از فعاليتهاي خاص راهنگام كمبود انرژي متوقف كنند. شبه داده ها كه در SPINبه عنوان نماينده داده ها توليد مي شوند بايد حجمي كمتر از داده هايي كه نماينده آنها هستند داشته باشند . همچنين اگر دو قطعه از داده ها باهم قابل تفكيك باشند ، بايد شبه داده هاي آنها نيز اين خاصيت را داشته باشند.

اسلاید 28: پيغام هايSPINگره ها درSPIN براي ارتباط با يكديگر از سه نوع پيغام استفاده مي كنند – ADVبراي تبليغ داده هاي جديد استفاده مي شود. وقتي يك گره spin داده اي براي به اشتراك گذاشتن دراختيار دارد، اين امر را مي تواند با ارسال شبه-داده مربوطه تبليغ كند– REQ جهت درخواست اطلاعات استفاده مي شود. يك گره SPIN مي تواند هنگامي كه مي خواهد داده حقيقي رادريافت كند از اين پيغام استفاده كند– DATA شامل پيغام هاي داده اي است . پيغام هاي DATA محتوي داده حقيقي جمع آوري شده توسط حسگرها هستند كه شامل يك سرايند شبه داده هستند.

اسلاید 29: با دريافت يك پيغام ADV از طريق گره A گره B بررسي مي كند كه آيا تمامي داده تبليغ شده را در اختيار دارد يا خير. درغيراين صورت ، گره B يك پيغام REQ به A بر مي گرداند كه در آن تمامي داده هايي كه گره B نياز دارد، فهرست شده است .وقتي گره A پيغام REQرا دريافت كرد، داده هاي درخواست شده را استخراج مي كند و آنها را بوسيله يك پيغام DATA به Bارسال مي كند. سپس گره B يك پيغام ADV جديد توليد مي كند كه در آن داده جديد به دست آمده را به همه همسايگانش تبليغ مي كند ولي پيغام ADV را براي گره A ارسال نمي كند، چون مي داند كه گره A قبلا داده مورد نظر را دراختيار دارد. سپس اين گره ها هم تبليغات مربوط به داده جديد را به همسايگانشان ارسال مي كنند و پروتكل ادامه مي يابد:SPIN-1 يك روش دست تكاني سه مرحله اي

اسلاید 30: :SPIN-1 يك روش دست تكاني سه مرحله اي دست تكانی (handshake) روشی ساده براي پراكندن داده ها در يك شبكه بدون اتلاف است كه در سه مرحله كار مي كند و در هر يك از مراحل ، از يكي از پيغام هاي شرح داده شده در بالا استفاده مي كند . پروتكل زماني آغازمي شود كه يك گره ، داده جديدي بدست مي آورد كه مايل است آنرا پراكنده كند واين كار را با نامگذاري داده جديد وفرستادن يك پيغام ADV به همسايگانش انجام مي دهد. با دريافت كردن پيغام ADV گره ي همسايه بررسي مي كنند كه آيا قبلا چنين داده اي را دريافت كرده يا در خواست چنين داده اي را داده یا نه. اگر نه، گره همسا يه براي ارسال داده درخواست شده به فرستنده، يك پيغام REQ به عنوان پاسخ برمي گرداند. پروتكل با ارسال داده مورد نظر يعني ارسال پيغام DATA در جواب پيغام REQ تكميل مي شود:SPIN-1 يك روش دست تكاني سه مرحله اي

اسلاید 31: :SPIN-1 يك روش دست تكاني سه مرحله اي

اسلاید 32: :SPIN-1 يك روش دست تكاني سه مرحله اياگرچه اين پروتكل براي شبكه هاي بدون اتلاف طراحي شده است، به سادگي مي توان آنرا براي استفاده در شبكه هاي بااتلاف تعميم داد به اينصورت كه گره ها، براي جبران پيغام هاي ADVاز دست رفته ، مي توانند به صورت متناوب اين پيغام ها را ارسال كنند و همچنين براي جبران پيغامهاي DATA و REQ از دست رفته ، گره ها مي توانند داده هاي مورد نياز خود را در صورتي كه در يك بازه زماني مشخص دريافت نشدند، دوباره درخواست دهند. همچنين در مورد شبكه هاي سيار در صورتي كه گرهي مشاهده كرد كه همسايگانش تغيير كرده اند مي تواند فورا تمامي داده خود را تبليغ كند.مهمترين مزيت SPIN سادگي آن و همچنين محلي بودن و عدم وابستگي به يك چينش خاص است كه باعث مي گردد بتوان آن را به سادگي بر روي هر شبكه اي پياده سازي كرد

اسلاید 33: SPIN-1:SPIN-2با يك آستانه انرژي پايينSPIN-1:SPIN-2با يك آستانه انرژي پاييناين روش يك فكر هوشمندانه ساده ، جهت صرفه جويي در منابع به SPIN-1 اضافه مي كند به اينصورت كه وقتي كه منابع به اندازه كافي موجود است گره هايspin2 مانند گره ها درspin1 از پروتكل سه مرحله اي استفاده مي كنند. وقتي گرهي مشاهده مي كند كه ميزان منابع انرژي اش از يك حد خاص كمتر شده است، خودش را بوسيله كاهش شركت خود در پروتكل با شرايط جديد تطبيق ميدهد و در حالت كلي يك گره تنها هنگامي در پروتكل شركت مي كند كه اطمينان دارد مي تواند تمامي مراحل ديگر پروتكل را بدون اينكه منابع انرژي اش از محدوده تعيين شده پايين تر رود، به انتها برساند .درغير اين صورت گره با دريافت پيغام ADVهيچ گونه پيغام REQتوليد نمي كند. اين روش باعث مي شود كه گره هنگام پايين بودن انرژي درگير پيغام هاي DATAنشود.

اسلاید 34: مسیریابی انتشار مستقیمانتشار مستقيم (directed diffusion) این روش ازمفهوم نامگذاري داده ها بهره برده است ويك روش گيرنده –محور (receiver initiated) است. در اين روش، داده ها به صورت زوجهاي داده-مقدار نمايش داده مي شوند. گره گيرنده، ابتدا يك پيغام علاقه مندي (interest) توليد مي كند و آن را در طول شبكه پراكنده مي كند. سپس گره هاي شبكه با مقايسه علاقه مندي دريافتي با داده هاي جمع آوري شده، پي مي برند كه داده درخواستي را در اختيار دارند يا خير و در صورت در اختيار داشتن داده ها، يك پيغام داده اكتشافي (explorary data)به سمت گيرنده ارسال ميكنند تا مسير داده ها مشخص شود. با مشخص شدن مسير، داده هاي درخواستي به سمت گيرنده ارسال مي شوند. در اين رويكرد براي تشكيل مسير از مفهومي به نام گراديان (gradient) استفاده شده است كه در هر گره هنگام عبور علاقه مندي ها تشكيل ميشود و در آن، مشخصه علاقه مندي و گره همسايه اي كه علاقه مندي از طريق آن دريافت شده، ذخيره مي شود.هنگام تشكيل شدن مسير، داده هاي اكتشافي از همين گراديان ها براي تشخيص بهترين مسير به سمت گيرنده، استفاده مي كنند . همچنين در اين الگوريتم، گيرنده از مكانيسمي به نام تقويت كردن (reinforcement) استفاده مي كند تا همسايه هايي را كه سرعت جمع آوري داده بالاتري دارند را نسبت به سايرين در اولويت قرار دهد علاوه بر موارد ذكر شده، در اين روش هر گره اي مي تواند داده ها را پردازش كند و آنها را پس از تركيب و خلاصه سازي به سمت گره بعدي ارسال نمايد كه اين امر مي تواند تا حد زياد از ترافيك عبوري شبكه بكاهد .

اسلاید 35: مسیریابی انتشار مستقیمانتشار مستقيم (directed diffusion) در ابتدا روش پيشنهادي جهت اين كار، روش متراكم كردن فرصت طلبانه (opportunistic aggregation) بود كه در اين روش، داد ه ها هر گاه در طول مسير تشكيل شده به سمت گيرنده به هم مي رسيدند، متراكم مي شدند. به دليل امكان رسيدن مسير ها در نزديكي گره مقصد، در بعضي موارد ممكن است اين روش كارايي لازم را نداشته باشد. روش ديگري كه جهت بهبود اين امر پيشنهاد شده ، روش متراكم سازي حريصانه (greedy aggregation) است كه در اين روش درختي از مسير منابع داده ها به سمت يك گيرنده طوري تشكيل مي شود كه تا حد امكان، انشعاب درخت در نزديكي منابع صورت گيرد . روشهاي ديگري هم براي بهبود متراكم سازي مانند متراكم سازي سيناپسي پيشنهاد شده است

اسلاید 36: مسیریابی (بهبود روش انتشارمستقیم) جهت بهبود عملكرد روش انتشار مستقيم روشهایی پيشنهاد شده است.(Geographic Energy-Aware Routing) GEAR:در اين روش، به جاي انتشار علاقه مندي ها به صورت سيل آسا، از محتويات آنها جهت انتشارشان استفاده مي شود وعلاقه مندي ها تنها در ناحيه مورد نظر، انتشار مي يابند. همچنين به كمك اين روش، منابع موجود، در مسيريابي تاثير داده ميشوند تا استفاده از منابع به صورت بهينه تري صورت پذيرد.روش انتشار بيرون دهنده (push diffusion) براي كاربرد هايي كه در آنها تعداد گيرنده ها زياد است و داده هاي توليد شده نيز حجم بالايي ندارد، روش انتشار جذب يك مرحله اي (در مقابل روش اصلي كه جذب دو مرحله اي هم ناميده مي شود) كه در اين روش، منابع پس از دريافت علاقه مندي منطبق با داده هايشان، مستقيما پيغامهاي داده را به سمت گيرنده ارسال مي كنند. همچنين روشهايي براي تقسيم كردن شبكه به دسته هاي كوچكتر پيشنهاد شده است مانند روش LEACH در اين روش براي صرفه جويي در مصرف انرژي و جلوگيري از خالي شدن سريع باتري گره هايي كه به عنوان سردسته انتخاب مي شوند، از الگوريتمي جهت پراكندن آنها در سطح شبكه به صورت تصادفي، پيشنهاد شده است. در اين روش گره ها خودشان و بدون نياز به ارتباط با گره هاي ديگر، تعيين مي كنند كه در ابتداي هر دور به عنوان سردسته فعاليت كنند يا خير. سپس گره هايي كه به عنوان سردسته انتخاب مي شوند اين موضوع را به گره هاي اطراف خود اطلاع مي دهند و گره هاي اطراف نيز با دريافت پيغام سردسته ها، گره اي را به عنوان سردسته انتخاب می كنند كه بيشترين قدرت سيگنال را از آن دريافت كنند سپس درداخل هر دسته براي جلوگيري از تداخل بين سيگنالهاي دسته هاي مجاور از روش CDMA استفاده مي شود.

اسلاید 37: مسیریابی EDDDروشهاي مطرح شده، همگي براساس به حداقل رساندن مصرف كل انرژي در شبكه طراحي شده اند وهيچ گونه تفكيكي بين كيفيت سرو يس ارائه شده بين جريان هاي مختلف قائل نمي شوند ولي در برخي از روش ها مانند روش EDDD علاوه بر هدف بهينه كردن توان مصرف شده در گره ها، بر روي كيفيت سرويس ارائه شده براي جريان داده هاي مختلف نيز تاكيد مي شود. در روش EDDD دو ترافيك مختلف BE كه حساسيت زماني خاصي ندارد و ترافيك RT (زمان حقيقي) كه به تاخير زماني حساس است معرفي مي شود و برخورد گره های مياني در طول يك مسير با ا ين دو جريان متفاوت است. گره ها در برخورد با جريان هاي BE گره هاي بعدي را از روي گره هايي با حداكثر انرژي موجود انتخاب مي كنند تا مصرف توان در شبكه را متعادل سازند ولي در مورد جريان هاي RT گره هايي با حداقل فاصله با مقصد ترجيح داده مي شوند تا تاخير ناشي از ارسال اطلاعات به حداقل مقدار ممكن برسد.البته در اين روش براي هر دو جريان، توازني ميان مصرف متعادل انرژي و حداقل فاصله با مقصد ايجاد شده است.

اسلاید 38: پایان