X
تبلیغات
درسی - شبکه های بی سیم

درسی

شبکه های بی سیم

         چکیده : شبکه های سنسور(sensor network) شامل تعداد زیادی از گره های کوچک گسترده شده می باشند.این گره ها یا حفره ها تغییرات محیطی را توسط حسگرها دریافت کرده و آنها را توسط معماری شبکه ای انعطاف پذیر , به گره های دیگر اطلاع دهند. گره های حساس یا همان سنسورها در آرایش قشونهای نظامی در محیط های دشمن و یا در مناطق جغرافیایی وسیع کاربرد دارند. یک شبکه سنسور در واقع یک شبکه کامپیوتری متشکل از ابزارها و دستگاههای سه بعدی می باشد که با استفاده از سنسورها بر اوضاع و حالات مختلفی مانند :دما ,  صدا , ارتعاش و... در موقعیت های مختلف , نظارت می کند.

  كليد واژه -     Wireless Sensor Nerwork(WSN)- SINK-WEP-Sensor

 


 مقدمه

            پیشرفت های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین , اندازه کوچک , قیمت مناسب و کاربردهای گوناگون داده است . این حسگر های کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی را دارند موجب پیدایش شبکه های مرسوم به شبکه های بی سیم حسگر (Wireless Sensor Network) شده اند.یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره های حسگری است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع آوری اطلاعات از محیط می پردازد.لزوما مکان قرار گرفتن گره های حسگری , از قبل تعیین و مشخص نیست. چنین خصوصیتی امکان این که بتوانیم آنها را در مکان های خطرناک و یا غیر قابل دسترس رها کنیم را فراهم می سازد از طرف دیگر این بدان معنی است که پروتکل ها و الگوریتم های شبکه های حسگری باید دارای توانایی های خود سازمان دهی باشد . از دیگر خصوصیات  منحصر بفرد شبکه های حسگری , توانایی همکاری و هماهنگی بین گره های حسگری است. با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد , ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می کند. در واقع قدرت شبکه های بی سیم حسگر در توانایی به کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سر هم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیر یابی همزمان , نظارت بر شرایط محیطی  , سلامت ساختارها و ... به کار گرفته شوند.

تاریخ تولد شبکه های سنسور

 

در طول جنگ سرد (Sosus) شبکه های سنسور اولیه جهت اهداف نظامی طراحی شدند , مانند سیستم نظارت بر صدا و... .تحقیقات پیشرفته و و جدید در خصوص شبکه های سنسور در آژانس پروژه های تحقیقی پیشرفته دفاعی در سال 1980 آغاز شد که روی برنامه های تعمیم یافته شبکه های سنسور قبلی کار می کرد.شبکه های بی سیم و تکنولوژی های جدید دیگر فن آوری اطلاعات , باعث پیشرفت بیشتر شبکه های سنسور شد و این تکنولوژی همچنان در حال پیشرفت و ترقی است.

 

انواع شبکه های سنسور بی سیم

 

1. توپولوژی 802.11 : در یک تقسیم بندی کلی می توان 2 نوع توپولوژی را برای شبکه های محلی بی سیم در نظر گرفت . ساده ترین همبندی , IBSS 802.11 است. در این همبندی ایستگاهها از طریق رسانه بی سیم به صورت نظیر به نظیر با یکدیگر در ارتباط هستند و برای تبادل داده از تجهیزات و ایستگاه واسطی استفاده نمی کنند . واضح است که در این همبندی به سبب محدودیت های فاصله هر ایستگاهی ضرورتا نمی تواند با تمام ایستگاههای دیگر در تماس باشد . به این ترتیب شرط اتصال  مستقیم در همبندی IBSS آن است که ایستگاهها در محدوده عملیاتی بی سیم یا همان برد شبکه بی سیم قرار داشته باشند .

 

2. همبندی زیر ساختار در دو گونه BSS وESS :همبندی دیگر زیر ساختار است . در این همبندی عنصر خاصی موسوم به نقطه دسترسی وجود دارد. نقطه دسترسی ایستگاههای موجود در یک مجموعه سرویس را به سیستم توزیع متصل می کند . در این همبندی تمام ایستگاهها با نقطه دسترسی تماس می گیرند و اتصال مستقیم بین ایستگاهها وجود ندارد در واقع نقطه دسترسی وظیفه دارد فریم ها (قاب داده) را بین ایستگاهها توزیع و پخش کند . در استاندارد 802.11 توصیف ویژه ایی برای سیستم توزیع ارائه نشده است , لذا محدودیتی برای پیاده سازی سیستم توزیع وجود ندارد در واقع این استاندارد تنها خدماتی را معین می کند که سیستم توزیع می بایست ارائه نماید. بنابراین سیستم توزیع می تواند یک شبکه 802.3 معمولی و یا دستگاه خاصی باشد که سرویس توزیع مورد نظر را فراهم می کند.

استاندارد 802.11 با استفاده از همبندی خاصی محدوده عملیاتی شبکه را گسترش می دهد. این همبندی به شکل مجموعه سرویس گسترش یافته (Extended Service Set) بر پا می شود.

 در این روش یک مجموعه گسترده و متشکل از چندین (Basic Service Set) یا مجموعه سرویس پایه از طریق نقاط دسترسی با یکدیگر در تماس هستند و به این ترتیب ترافیک داده بین مجموعه های سرویس پایه مبادله شده و انتقال پیام ها شکل می گیرد. در این همبندی ایستگاهها می توانند در محدوده عملیاتی بزرگتری گردش نمایند به این ترتیب پروتکل های رایج شبکه های کامپیوتری کوچکترین تاثیری از سیار بودن ایستگاهها و رسانه بی سیم نمی پذیرند.

 

 

 

مزایا و کاربرد شبکه های سنسور بی سیم

 

 شبکه های سنسور دارای کاربردهای متنوع و گوناگونی می باشند .می توان از آنها در صنعت در جهت اداره کردن و نظارت بر محیط های خطرناکی که امکان حضور و فعالیت انسان در آنجا غیر ممکن است مانند فضاهایی با گاز سمی , محیط های بدون اکسیژن و... استفاده کرد.این شبکه ها کاربردهای دیگری نظیر ربات ها , اتومبیل ها , کاربرد در پزشکی , اتوماسیون صنعتی , کنترل ترافیک و .. را دارند.

 

حوزه اصلی شبکه های سنسور به 5 دسته تقسیم می شود:

 

1.مشاهدات محیطی  =از این شبکه ها می توان در جهت نظارت بر تغییرات محیطی استفاده کرد.برای مثال گره های سنسور و حسگر می توانند بصورت تصادفی در مناطق ناشناخته و نامساعد جنگل نصب شوند , آتش سوزی و همچنین منشا اصلی آن را کشف و به پایگاه متمرکز مخابره کنند تا اقدامات مناسب در جهت محدود کردن انتشار آتش و خاموش کردن سریع آن اتخاذ کنند.مثال دیگر در این مورد عبارتند از : کشف آلودگی آب در کنار کارخانه های صنعتی , مشاهدات بارش باران , پروزه هایی با هدف مطالعه زمین برای ردیابی لرزشهای خفیف , اندازه گیری دگردیسی و تهیه نقشه های سه بعدی از قشر درونی زمین تا هسته, مطالعه تغییرات در آتشفشانها , , سلسله گسل ها  و رسوبات معدنی , نیازمند ابزارهای خاصی می باشد که این دستگاهها باید متحرک  و بی سیم بوده و از باد و خورشید جهت تامین انرژی مورد نیاز خود استفاده کنند.

 

2.نظارت نظامی = یکی از جالبترین و در عین حال مهمترین کاربردهای شبکه های سنسور در ارتش و نظارت نظامی  می باشد . بدین گونه که توسط تراشه سنسورهایی با کنترل از راه دور محل حضور دشمن , پیشرفت نیروهای دشمن , دیده بانی و مراقبت از میدان جنگ استفاده کرد . همچنین این سنسورها می توانند رفت و آمد خودروهای نظامی را کنترل کرده و در هر لحظه کلیه تغییراتی را که در آرایش سپاه دشمن و یا تغییر مکان آنها رخ داده است پیگیری و مخابره کنند.

 

3.نظارت در ساختمان ها = سنسورها می توانند در ساختمان های بزرگ و یا در کارخانه ها جهت نظارت بر تغییرات آب و هوایی بکار برده شوند . پراکندن صدها سنسور در اطراف یک ساختمان یا یک بیمارستان , جهت نظارت و بررسی درجه حرارت و یا رطوبت , پیگیری حرکات بیماران و... می باشد.

 

4.پزشکی=   سنسورها در بیو پزشکی برای بهبود بخشیدن به کیفیت مراقبت های پزشکی کاربرد دارند.سنسورها در بدن انسان کاشت می شوند تا مشکلات پزشکی بیمار مانند سرطان را کنترل کرده و به پزشکان در درمان و تحت کنترل در آوردن بیماری کمک کنند.

 

5.تعقیب هدف=  مکان یابی بیشتر در ارتباط با پیدا کردن مختصات فضایی یک گره یا شی می باشد.تقیب هدف بخشی از مسئله بزرگتر مکان یابی است در واقع تعقیب هدف در ارتباط با پیدا کردن مختصات فضایی یک شی متحرک و توانایی تعقیب نمودن حرکت آن است.برای تعقیب هدف از سنسورها,  در یک مدل مثلثی که در داخل مش های شش ضلعی قرار گرفته اند , استفاده می شود, به گونه ایی که شش ضلعی ها به تعدادی مثلث های متوازی الاضلاع تقسیم می شوند. تکنیک استفاده شده به منظور ردیابی تکنیک Trilateration نام دارد که در آن از محل تلاقی سه دایره , به منظور تعیین مکان یک شی استفاده می شود.

 

معایب شبکه سنسور بی سیم

 

 هر فن آوري كه پا به عرصه وجود مي گذارد علاوه بر مزایا دارای معایبی نیز می باشد شبکه های حسگر بی سیم نیز از این قاعده مستثنی نمی باشد.چنین شبکه هایی محدودیت منابع روی ارتباطات , محاسبه و مصرف انرژی دارند. اول اینکه پهنای باند لینکهایی که گره های سنسور را به هم متصل می کنند محدود می باشد و شبکه های بی سیم ای که سنسورها را به هم متصل می کنند کیفیت سرویس محدودی دارند و میزان بسته های گم شده در این شبکه ها بسیار متغیر می باشد. دوم اینکه گره های سنسور قدرت محاسبه محدودی دارند و اندازه حافظه کم نوع الگوریتم های پردازش داده ای که می تواند استفاده شود را محدود می کند. سوم اینکه سنسورهای بی سیم باطری کمی دارند و تبدیل انرژی یکی از مسائل عمده در طراحی سیستم می باشد.

داده جمع آوری شده می تواند در شبکه های سنسور ذخیره شود و یا به SINK  منتقل شود. وقتی داده در شبکه های سنسور ذخیره می شود مشکلات عدیده ای به وجود می آید:

سنسورها میزان حافظه محدودی دارند که این باعث می شود نتوانیم میزان زیادی داده که در طول ماه یا سال جمع آوری شده را ذخیره کنیم.

چون منبع تغذیه سنسورها باطری می باشد با تمام شدن باطری داده ذخیره شده در آن از بین می رود.

جستجو در شبکه گسترده و پراکنده آن بسیار مشکل می باشد.

داده ها می توانند به SINK منتقل شوند و در آنجا برای بازیابی های بعدی ذخیره شوند این بسیار ایدهآل می باشد چون داده ها در یک محل مرکزی برای دسترسی دائمی ذخیره می شوند.با این حال , ظرفیت انتقال به ازای هر نود در شبکه سنسور که به صورت تعداد بسته هایی که سنسور می تواند در هر واحد زمانی به SINK منتقل کند تعریف می شود محدود می باشد. حجم زيادي از داده نمي تواند به صورت موثر از شبکه سنسور به سينک منتقل شود علاوه بر اينها انتقال داده از شبکه سنسور به سينک ممکن است انرژي زيادي مصرف کند و اين باعث مصرف انرژي باطري شود.

بخصوص سنسورهاي اطراف سينک به طور وسيع مورد استفاده قرار مي گيرند وممکن است سريع خراب شوند و اين باعث پارتيشن شدن شبکه مي شود.

 

 

 

 

 

 

           شکل1: تپولوژی گره های شبکه های سنسوری

فاکتورهای مهم در طراحی شبکه بی سیم حسگر

 

1.تحمل خرابی: برخی گره های حسگر ممکن است از کار بیفتد و یا به دلیل پایان توانشان , عمر آنها تمام شود , یا آسیب فیزیکی ببینند و از محیط تاثیر بگیرند.این مشکلات نباید تاثیری روی کارکرد عمومی شبکه داشته باشد.یک شبکه حسگر خوب با از کار افتادن تعدادی از گره های حسگری, به سرعت خود را با شرایط جدید وقف داده و کار خود را انجام می دهد.

2.قابلیت گسترش:تعداد گره های حسگری که برای مطالعه یک پدیده مورد استفاده قرار می گیرند , ممکن است در حدود صدها و یا هزاران گره باشد.یک شبکه باید طوری طراحی شود که بتواند چگالی بالای گره های حسگری را نیز تحقق بخشد.

3.هزینه تولید:از آنجایی که که شبکه های حسگری از تعداد زیادی گره های حسگری تشکیل شده اند , هزینه یک گره در برآورد کردن هزینه کل شبکه بسیار مهم است.اگر هزینه یک شبکه حسگری گران تر از هزینه استفاده از شبکه های مشابه قدیمی باشد , در بسیاری از موارد استفاده از آن مقرون به صرفه نیست.در نتیجه قیمت هر گره حسگری تا حد ممکن بایید پایین نگه داشته شود.

4.ویژگی های سخت افزاری : همانطور که در شکل 2 مشاهده می کنید یک گره حسگری از 4 بخش عمده تشکیل شده :

1.واحد حسگر

 2. واحد پردازش

 3. واحد دریافت و ارسال

 4. واحد توان.

 

شكل 2- ساختار عمومي يک گره حسگري

 

البته بسته به کاربرد شبكه‌هاي حسگر مي‌توانند شامل اجزاي ديگري چون: سيستم پيداکردن مکان جغرافيايي، مولد توان و بخش مربوط به حرکت در گره‌هاي متحرک نيز باشند.

 

امنیت شبکه های حسگر بی سیم

 

چون شبکه های حسگر جزء شبکه های بی سیم دسته بندی می شوند بنابراین مسائل امنیتی که در مورد شبکه های بی سیم مطرح می شود در مورد شبکه های حسگر نیز صادق است. در حال حاضر عملا تنها پروتکلی که امنیت اطلاعات و ارتباطات را در شبکه های بی سیم بر اساس استاندارد 802.11 فراهم می کند WEP است. این پروتکل با وجود قابلیت هایی که دارد نوع استفاده از آن همواره امکان نفوذ به شبکه های بی سیم را به نحوی , ولو سخت و پیچیده , فراهم می کند. نکته ایی که باید به خاطر داشت این است که اغلب حملات موفق صورت گرفته در مورد شبکه های محلی بی سیم , ریشه در پیکربندی نا صحیح  WEP در شبکه دارد. سه قابلیت و سرویس پایه توسط IEEE برای شبکه های محلی بی سیم تعریف می گردد:

     Authentication   -      

-    Confidentiality

-    Integrity

 

Authentication(تصدیق)

هدف اصلی WEP ایجاد امکانی برای احراز هویت مخدوم بی سیم است. این عمل در واقع کنترل دسترسی به شبکه بی سیم است. این مکانیزم سعی دارد که امکان اتصال مخدوم هایی را که مجاز نیستند به شبکه متصل شوند از بین ببرد.

 

  Confidentiality(قابلیت اعتماد)

 محرمانه گی هدف دیگر WEP است. این بعد از سرویس ها و خدمات WEP با هدف ایجاد امنیتی در حدود سطوح شبکه های سیمی طراحی شده است. سیاست این بخش از WEP جلوگیری از سرقت اطلاعات در حال انتقال بر روی شبکه ی محلی بی سیم است.

 

Integrity(بی عیبی)

هدف سوم از سرویس ها و قابلیت های WEP  طراحی سیاستی است که تضمین کند پیام ها و اطلاعات در حال تبادل در شبکه , خصوصا میان مخدوم های بی سیم و نقاط دسترسی , در حین انتقال دچار تغییر نمی گردند. این قابلیت در تمامی استانداردها , بستر ها و شبکه های ارتباطی دیگر نیز کم و بیش وجود دارد.

 

 

 

نتیجه گیری

شبکه های WSN یک تحولی نوین و اساسی در سطح شبکه های بی سیم می باشد اين شبکه‌ها به ما اين قدرت را مي‌دهند که بفهميم در يک محيط فيزيکي که حتي حضور انساني ممکن نيست؛ چه مي‌گذرد و شرایط را تحت کنترل در آوریم. اين توانمندي مهم و منحصر به فرد با ترکيب قابليت‌هاي حسگرهاي الکترونيکي و فناوري‌هاي پيشرفته شبکه‌هاي مخابراتي حاصل شده است. البته پيشرفت‌هاي بيشتر در اين حوزه منوط به انجام تحقيقات بيشتر مخصوصاً در حوزه استانداردسازي و مباحث اقتصادي است. با وجود رشد روز افزون استفاده از این شبکه ها در سطح جهان اما هنوز به علت قیمت نسبتا بالای بر پا سازی این شبکه ها استفاده از شبکه های معمولی ارجحیت دارد ولی با گذشت زمان و تولید انبوه و ارزان تجهیزات  شبکه های حسگر شاهد همه گیر شدن این شبکه ها خواهیم بود . 

خلاصه

یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره های حسگری است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع آوری اطلاعات از محیط می پردازد.لزوما مکان قرار گرفتن گره های حسگری , از قبل تعیین و مشخص نیست. چنین خصوصیتی امکان این که بتوانیم آنها را در مکان های خطرناک و یا غیر قابل دسترس رها کنیم را فراهم می سازد از طرف دیگر این بدان معنی است که پروتکل ها و الگوریتم های شبکه های حسگری باید دارای توانایی های خود سازمان دهی باشد.

حوزه اصلی شبکه های سنسور به 5 دسته تقسیم می شود:

1.مشاهدات محیطی   2.نظارت نظامی  3.نظارت در ساختمان ها   4.پزشکی   5.تعقیب هدف

فاکتورهای مهم در طراحی شبکه بی سیم حسگر

1.تحمل خرابی   2.قابلیت گسترش  3 .هزینه تولید  5  .ویژگی های سخت افزاری

.سه قابلیت و سرویس پایه توسط IEEE برای امنیت  شبکه های محلی بی سیم تعریف می گردد:

     Authentication   -      Confidentiality            Integrity

 

 

مراجع:

1.فصلنامه طیف برق

2.شبکه های سنسور و ad hoc بی سیم

3 .بررسی نحوه انتخاب Data Storage در شبکه های حسگر,

يوحنا قديمی, علي عباسي, کاوه پاشايي

 

          


 

+ نوشته شده در  یکشنبه بیست و هفتم فروردین 1391ساعت 23:8  توسط سعید ترکی  |