شکل ‏۵‑۴ : ارزیابی فرمول با بهره گرفتن از درخت تصمیم گیری دودویی ۶۵
شکل ‏۵‑۵: الگوریتم ساخت درخت تصمیم گیری دودویی ۶۵
شکل ‏۵‑۶ :تبدیل درخت دودویی به BDD 66
شکل ‏۵‑۷ : یک درخت دودویی با آزمایش روی فرمول ۶۶
شکل ‏۵‑۸ : BDD بدست آمده از درخت دودویی شکل ۵-۷ ۶۷
شکل ‏۵‑۹: یک BDD مرتب نشده ۶۸
شکل ‏۵‑۱۰: دو OBDD و یک گراف کلی که هر دو را در بردارد. ۶۸
شکل ‏۵‑۱۱ : نحوه نمایش گره‌ها و کمان‌ها در راهکار پیشنهاد شده ۷۰
شکل ‏۵‑۱۲ : شبکه با دو منبع و یک چاهک ۷۱
شکل ‏۵‑۱۳ گراف به دست آمده از شبکه شکل ۵-۱۲ با بهره گرفتن از راهکار پیشنهاد شده ۷۲
شکل ‏۵‑۱۴ : شبه کد مراحل راهکار پیشنهاد شده برای تشکیل گراف جهت تخمین قابلیت اطمینان ۷۹

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

شکل ‏۵‑۱۵ : قابلیت اطمینان شبکه شکل ۵-۱۲ به صورت تحلیلی و شبیه سازی ۸۰
شکل ‏۶‑۱: شبکه با سه مسیر مستقل از منبع به چاهک ۸۴
شکل ‏۶‑۲ : قابلیت اطمینان مسیرهای مختلف برای توپولوژی شکل ۶-۱ ۸۴
شکل ‏۶‑۳ : فلوچارت عملکرد و تصمیم گیری چاهک در AMPRS 90
شکل ‏۶‑۴ : احتمال موفقیت لینک‌ها با توجه به نرخ خطا ۹۴
شکل ‏۶‑۵ : مقایسه قابلیت اطمینان AMPRS در حالت‌های مختلف با LOMDD در حالت استاتیک ۹۸
شکل ‏۶‑۶ : تطبیق پذیری قابلیت اطمینان در AMPRS با تغییرات قابلیت اطمینان مورد انتظار و نرخ خطا ۹۹
شکل ‏۶‑۷ : تطبیق پذیری تعداد مسیر انتخاب شده در AMPRS با تغییرات قابلیت اطمینان مورد انتظار و نرخ خطا ۹۹
شکل ‏۶‑۸ : مقایسه تعداد مسیرهای استفاده شده در AMPRS با LOMDD 100
شکل ‏۶‑۹ : مقایسه سربار ناشی از مسیرها در AMPRS 103
شکل ‏۶‑۱۰ : سربار اعمال شده به شبکه در AMPRS با تغییرات قابلیت اطمینان مورد انتظار و نرخ خطا ۱۰۴
شکل ‏۶‑۱۱ : انرژی مصرف شده در AMPRS با تغییرات قابلیت اطمینان مورد انتظار و نرخ خطا ۱۰۴
شکل ‏۶‑۱۲ : میانگین انرژی مصرف شده گره‌ها در AMPRS 105
فصل ۱
مقدمه­­ای بر شبکه ­های حسگر بی­سیم
مقدمه­
امروزه بحث سیستم­های کنترل و نظارت از راه دور یکی از مباحث پر چالش در زمینه علوم الکترونیک و کامپیوتر می‌باشد. لذا تحقیقات در هر زمانی به دنبال راه­حلی می­باشد تا به شرایط خاص و انتظارات مدنظر ما پاسخ دهد؛ در شرایط و کیفیت کاری یکسان هر چه نسبت هزینه به کارائی پایین‌تر باشد، همان قدر محبوبیت آن شیوه بالاتر خواهد رفت.
برای آگاهی از تغییرات محیط اطراف و یا وضعیت هر مجموعه نیازمند به یکسری تجهیزات هست، که به عنوان حسگر[۱] شناخته می­شوند و تغییرات مدنظر (تغییرات فیزیکی یا شیمیائی) را در قالب یک پاسخ، به منظور اندازه‌گیری میزان تغییرات و یا وجود آن، بررسی می­نمایند. پس از جمع‌ آوری اطلاعات مورد نیاز می‌توان سایر عملیات را بر اساس پاسخ ارائه شده انجام داد [۱] و [۲].
پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی‌سیم باعث شده است، بتوانیم گره‌های حسگر چندکاره، با توان مصرفی پایین و هزینه کم داشته باشیم. این حسگرها از نظر اندازه بسیار کوچک هستند و برای مسافت‌ها کوتاه می‌توانند با هم ارتباط برقرار کنند. این گره‌های حسگر کوچک طبق نظریه شبکه ­های حسگر، دارای تجهیزات حس کردن، پردازش داده‌ها و مخابره آن‏ها می‌باشند. تفاوت اصلی شبکه‌های حسگر بی­سیم[۲] با سایر شبکه‌ها در ماهیت داده-محور و همچنین منابع انرژی و پردازشی بسیار محدود در آن‌ ها است. این تفاوت­ها موجب شده تا روش‌های مطرح شده جهت انتقال داده‌ها در سایر شبکه‌ها و حتی شبکه‌هایی که تا حد زیادی ساختاری مشابه شبکه‌های حسگر دارند (مانند شبکه‌های موردی سیار[۳] )، در این شبکه‌ها قابل استفاده نباشند. روند توسعه این شبکه‌ها در حدی است که مطمئناً این شبکه‌ها در آینده نزدیک، نقش مهمی را در زندگی روزمره‌ ما ایفا خواهند کرد.
تکنیک‌ها و شیوه‌های مورد استفاده در چنین شبکه ­های وابستگی شدیدی به ماهیت کاربرد شبکه دارد. ساختار توپولوژی شبکه، شرایط جوی و محیطی، محدودیت‌ها و … عوامل موثری در پارامترهای کارایی و هزینه شبکه می‌باشند؛ لذا امروزه در سرتاسر دانشگاه­ های معتبر و مراکز تحقیقاتی کامپیوتری، الکترونیکی و به خصوص مخابراتی، شبکه ­های حسگر بی­سیم، یک زمینه تحقیقاتی بسیار جذاب و پرطرفدار محسوب می‌شود. تحقیقات و پیشنهادات زیادی در مباحث مختلف ارائه شده است و همچنان حجم تحقیقات در این زمینه سیر صعودی دارد.
هدف اصلی تمامی این تلاش­ها و ارائه راهکارها، داشتن سیستمی با شیوه ­های کنترلی ساده، آسان و با هزینه پایین می‌باشد. همچنین با پاسخگویی به نیازمندی­های ما بتواند در مقابل محدودیت­ها (پهنای باند، انرژی، دخالت‌های محیطی، فیدینگ و … ) ایستادگی کند و شرایط کلی را طبق خواسته‌ها و تمایلات ما (انتقال حجم زیاد اطلاعات پر محتوا، بقاء پذیری و طول عمر بالا، هزینه پایین و…) را فراهم سازد؛ لذا محققین جنبه­ های مختلف را تحلیل و بررسی می­نمایند و سعی می‌کنند ایده­های بهینه و کارا را استخراج کنند. این ایده­ ها می­توانند از محیط وحش اطرافمان الهام گرفته شده باشد و با بهره گرفتن از قوانین ریاضی و نظریات تئوری و آماری می‌توان آن‏ها را تحلیل نمود.
در سال­های اخیر، رشد بسیاری را در زمینه شبکه ­های حسگر بی­سیم [۴] شاهد بوده­ایم. شبکه ­های حسگر شامل تعداد زیادی از گره­های[۴] حسگر بسیار کوچک می­باشند که برای جمع­آوری و پردازش اطلاعات محیطی، مورد استفاده قرار می­گیرند. بر خلاف شبکه ­های موردی که شاید در نگاه اول بسیار شبیه به شبکه ­های حسگر به نظر بیایند، گره­ها در شبکه ­های حسگر، معمولاً فاقد آدرس­های منحصر به فرد می­باشند و آنچه بیشتر در این شبکه­ ها حائز اهمیت است، اطلاعات جمع­آوری شده توسط حسگر­های شبکه است. همچنین به دلیل عدم دسترسی به گره­ها پس از فرایند پراکندن آن‏ها در محیط، گره­های شبکه پس از مصرف انرژی موجود، عملاً بدون استفاده شده و خواهند مرد. بنابراین مسئله انرژی و بهینه­سازی مصرف آن، یکی از چالش­های مطرح در این شبکه­هاست و کارهای زیادی هم در سال­های اخیر در این مورد صورت گرفته است.
هر شبکه حسگر از تعداد زیادی گره ارزان قیمت با اندازه کوچک، تشکیل شده است و هر گره نیز از مجموعه ­ای از اجزای سخت­افزاری تشکیل شده است که در کنار یکدیگر وظایف هر گره را به انجام می­رسانند. در حال حاضر هر گره حسگر از بهم پیوستن تعدادی قطعات از پیش طراحی شده حاصل می­ شود ولی در آینده می­توان کلیه مدار­های مورد نیاز یک حسگر را در یک مدار مجتمع فشرده و در اندازه بسیار کوچک‌تری پیاده­سازی کرد که کاهش قابل ملاحظه ای در اندازه و توان مصرفی هر گره را در بر خواهد داشت.
کاربردها و مزایای استفاده از شبکه ­های حسگر
امروزه کاربردهای بسیاری برای شبکه ­های حسگر مطرح شده است و روز به روز بر تعداد آن‏ها اضافه می‌شود. برخی از کاربردهایی که تاکنون بر روی این شبکه­ ها مورد ارزیابی قرار گرفته­اند، عبارتند از:
میدان‌های جنگی: در میدان‌های جنگی، می­توان جهت شناسایی و بررسی آماری تجهیزات و نیروی دشمن و همین طور رده­بندی و پیگیری نحوه آرایش و مسیر حرکت نیروهای دشمن یا نیروهای خودی از شبکه ­های حسگر استفاده کرد و در نهایت وضعیت نیروهای خودی را در قبال نیروهای دشمن بررسی نمود.
شناسایی محیط­های آلوده: در محیط­های مختلف امکان وجود انواع آلودگی­ها محتمل است؛ لذا با بهره گرفتن از چنین شبکه­ هایی، می­توان وجود آلودگی­های مشخصی را در سطح محیط تحت نظر، بررسی کرد و حتی میزان غلظت آلودگی در قسمت‌های مختلف را مشاهده نمود. در نهایت با بهره گرفتن از اطلاعات آماری بدست آمده، در خروجی سیستم می­توان نمودار وضعیت آلودگی در سطح محیط زیر نظر را بدست آورد. نوع آلودگی نیز می ­تواند یکتا نباشد و با توجه به امکانات، هر گره در شبکه حسگر می ­تواند شناسایی چندین نمونه آلودگی را پشتیبانی کند.
نظارت کردن محیط زیست: مجموعه ­ای از تحقیقات در زمینه محیط زیست نیازمند انجام مطالعات مکرر و متمرکز و صرف زمان زیادی جهت جمع­آوری اطلاعات می­باشد که معمولاً از حوصله و توانایی چشمان انسان خارج است و در چنین مواردی از دستگاه­های نظارتی[۵]، تحلیلگر و ذخیره کننده نتایج استفاده می­ شود. از طرفی دیگر، به خاطر وجود برخی شرایط محیط زیست، اکثر کارهای تحقیقاتی بایستی در سکوت و آرامش صورت گیرد تا وجود انسان و تجهیزات در محیط اثر منفی در عملکرد غریزه­ای و واقعی موجودات نداشته باشد که موجب کاهش کیفیت تحقیق گردد. از این رو معمولاً تمام سیستم­های نظارتی، قابلیت کنترل از راه دور را دارند. در عین حال این سیستم­ها طوری انتخاب می­گردند که وجود آن‏ها در محیط محسوس نباشد. با در نظر گرفتن تمام موارد فوق، ملاحظه می­ شود که شبکه ­های حسگر، علاوه بر هزینه پایین مصرفی، در زمینه نظارت کردن محیط زیست، از توانایی بالایی برخوردار می­باشند. در مواردی همچون بررسی وضعیت آب و هوای جوی محیط و بررسی وضعیت ظاهری آن، به خصوص محیط سرسبز و جنگلی، بررسی رشد و نمو گیاهان و موجودات و موقعیت­یابی و پیگردی موجودات زنده در محیط زیست می­توان از قدرت بالای شبکه ­های حسگر استفاده کرد.
بررسی و تحلیل وضعیت بناهای ساختمانی: بسیاری از سازمان‌ها و مؤسسات تحقیقاتی در زمینه عمران و مسکن برای انجام مطالعات و تحقیقات خود از وضعیت بناهای مدنظر، در طول زمان یا در هنگام بروز حوادث طبیعی به خصوص زلزله، نیازمند استفاده از تجهیزات مانیتورینگ می­باشند.حسگر اطلاعاتی مانند میزان فشار و تحمل مصالح، وجود ترک، میزان آسیب وارده، وضعیت فرسودگی، امنیت و حفاظت ساختمان و یا سایر جزئیات مرتبط با هدف تحقیقات در مورد بناهایی مثل ساختمان‌های قدیمی، پل­ها، سدها، موزه­ها و… را جمع­آوری کنند و با توجه به توانایی­های شبکه ­های حسگر، می­توان از این شبکه­ ها برای دست یافتن به اهداف مطرح شده در بالا استفاده کرد.
در جاده‌ها و بزرگراه­های هوشمند: یکی از مشکلات جامعه و راهنمایی و رانندگی، کنترل وضعیت ترافیک در سطح شهر می­باشد. با برپایی شبکه­ ای از گره­های حسگر در سطح شهر و قرار دادن گره­ها در بزرگراه­ها و خیابان‌های شهر، می­توان بزرگراه­ها و خیابان‌ها را «هوشمند» ساخت و از وضعیت تراکم عبور و مرور وسایل نقلیه و یا بروز حوادثی مانند برخورد چندین وسیله نقلیه، در نقاط زیر نظر گره­های حسگر، اطلاع یافت. در نهایت در کل سطح شهر وضعیت ترافیک و تصادفات را شناسایی و پیگیری نمود.
کاربردهای مختلف در زمینه پزشکی: در زمینه بررسی و مطالعات زیست شناسی و یا در مورد انس آن‌ ها، جهت آگاهی از وضعیت جسمانی آن‏ها، می­توان از گره­های حسگر استفاده نمود و در موارد مختلف، از جمله قرار دادن گره­ها در لایه­ های زیر پوست برای انجام مطالعات مکرر در طی مدت زمان نسبتاً طولانی، دستگاه­های پزشکی و به خصوص در زمینه فیزیک پزشکی، می­توان از شبکه ­های حسگر استفاده نمود.
همچنین با توجه به ماهیت شبکه ­های حسگر، می­توان مزایایی مانند برپایی سریع در مواقع اضطراری و فوری، استفاده در محیط­های که عاری از پارازیت و اختلال باشند، اجتناب از قرار گرفتن در محیط­های خطرناک و غیر عاقلانه برای مطالعات مکرر، شیوه اقتصادی مقرون به صرفه برای جمع­ آوری اطلاعات در طولانی مدت و … نام برد.
محدودیت­های سخت افزاری یک گره حسگر
هزینه پایین: بایستی سیستم نهایی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. تعداد گره­ها خیلی زیاد بوده و برآورد هزینه هر گره در تعداد زیادی (بالغ بر چند هزار) ضرب می­گردد، بنابراین هر چه از هزینه هر گره کاسته شود، در سطح کلی شبکه، صرفه جویی زیادی صورت خواهد گرفت و سعی می­ شود هزینه هر گره به کمتر از یک دلار برسد.
حجم کوچک: گره­ها به نسبت محدوده­ای که زیر نظر دارند، بخشی را به حجم خود اختصاص می­ دهند؛ لذا هر چه این نسبت کمتر باشد به همان نسبت کارایی بالاتر می­رود و از طرفی در اکثر موارد برای اینکه گره­ها جلب توجه نکند و یا بتوانند در برخی مکان‌ها قرار بگیرند نیازمند داشتن حجم بسیار کوچک می­باشند.
توان مصرفی پایین: منبع تغذیه در گره­ها محدود می­باشد و در عمل، امکان تعویض یا شارژ مجدد آن مقدور نیست؛ لذا بایستی از انرژی موجود به بهترین نحو ممکن استفاده گردد.
نرخ بیت پایین: به خاطر وجود سایر محدودیت­ها، عملاً میزان نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در گره­ها نسبتاً پایین می­باشد.
خودمختار بودن: هر گره­ای بایستی از سایر گره­ها مستقل باشد و بتواند وظایف خود را طبق تشخیص و شرایط خود، به انجام برساند.
قابلیت انطباق: در طول انجام نظارت بر محیط، ممکن است شرایط در هر زمانی دچار تغییر و تحول شود، مثلاً برخی از گره‌ها خراب گردند؛ لذا هر گره بایستی بتواند وضعیت خود را با شرایط به وجود آمده جدید تطبیق دهد.
معماری شبکه ­های حسگر
هر شبکه حسگر از تعداد زیادی گره ارزان قیمت با اندازه کوچک، تشکیل شده است و هر گره نیز از مجموعه ­ای از اجزای سخت­افزاری تشکیل شده است که در کنار یکدیگر وظایف هر گره را به انجام می­رسانند. در حال حاضر هر گره حسگر از بهم پیوستن تعدادی قطعات از پیش طراحی شده حاصل می­ شود. در آینده می­توان کلیه مدار­های مورد نیاز یک حسگر را در یک مدار مجتمع فشرده و در اندازه بسیار کوچک‌تری پیاده­سازی کرد که کاهش قابل ملاحظه­ای در اندازه و توان مصرفی هر گره را در بر خواهد داشت. همچنین سیستم عامل نسبتاً ساده­ای به نام Tiny OS برای گره­های شبکه حسگر پیشنهاد شده است که بر مبنای کنترل رویداد­ها طراحی شده است و منابع[۶] هر گره را به نحو مناسبی کنترل می­ کند [۵].
معماری ارتباطی در شبکه ­های حسگر

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...