کیفیت سرویس در شبکه حسگر بی‌سیم

یک مدل ساده از QoS
کیفیت سرویس در شبکه حسگر بی‌سیم
هر چند که در زمینه جنبه‌های مهم شبکه‌های حسگر مثل طراحی پروتکل و معماری، بهینه‌سازی مصرف انرژی و مکانیابی تحقیقات زیادی صورت گرفته است، در مورد کیفیت سرویس در این شبکه‌ها هنوز به اندازه کافی کار نشده است. این موضوع مهمی است زیرا کیفیت سرویس در شبکه‌های حسگر بی‌سیم نسبت به شبکه‌های سنتی بسیار متفاوت است. تا آنجا که به طور کامل نمی‌توان کیفیت سرویس در این شبکه‌ها را تشریح نمود. کیفیت سرویس یک اصطلاح با معانی و دیدگاه‌های مختلف می‌باشد. انجمن‌های فنی مختلف ممکن است تفاسیر و نظرات متفاوتی در مورد کیفیت سرویس داشته باشند. در انجمن‌های کاربردی، کیفیت سرویس عموما به کیفیت مشاهده شده توسط کاربر ارجاع می‌گردد در حالی که در انجمن‌های شبکه‌ای کیفیت سرویس به عنوان کیفیتی که شبکه به کاربران و برنامه‌های کاربردی می‌دهد مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. به عنوان مثال RFC ۲۳۸۶ کیفیت سرویس را به عنوان یک مجموعه از نیازمندیهای سرویس که باید در زمان انتقال یک بسته از مبدا به مقصدش به آنها رسید در نظر می‌گیرد. در این سناریو، کیفیت سرویس به ضمانت اینترنت جهت برآوردن مجموعه‌ای از خواص سرویسی مناسب برای کاربران یا برنامه‌های کاربردی انتها به انتها بر حسب تاخیر، لرزش، پهنای باند و فقدان بسته‌ها اطلاق می‌گردد. این دو نگاه به کیفیت سرویس می‌توانند به وسیله یک مدل ساده که در شکل زیر، به تصویر کشیده شده‌اند، نشان داده شوند. در این مدل کاربران یا برنامه‌های کاربردی نگران چگونگی مدیریت منابع شان توسط شبکه جهت دستیابی به کیفیت سرویس نیستند. آنها صرفا به سرویسهایی که به برنامه‌های کاربردی ارائه می‌شود توجه دارند. از دید شبکه، هدف شبکه تامین کیفیت سرویس با ماکزیمم به کارگیری منابع شبکه است. جهت رسیدن به این هدف، شبکه باید نیازمندیهای برنامه‌های کاربردی را تحلیل نموده و مکانیزمهای مختلف کیفیت سرویس در شبکه را به کار گیرد.
نیازمندیهای کیفیت سرویس در شبکه‌های داده‌ای سنتی اساسا از افزایش محبوبیت برنامه‌های کاربردی چند رسانه‌ای که احتیاج به پهنای باند بالا دارند، نتیجه می‌گردد. برنامه‌های کاربردی چندرسانه‌ای مختلف بر حسب پارامترهای کیفیت سرویس انتها به انتها نیازمندیهای کیفیت سرویس مختلفی دارند. بعضی ازشبکه‌ها به سرویسهایی بهتر از سرویسهای بهترین تلاش نیاز دارند. مثل سرویسهای تضمین شده (کیفیت سرویس سخت) و بعضی از شبکه‌ها احتیاج به کیفیت سرویس نرم دارند. محققان، مکانیزمها و الگوریتمهای زیادی در لایه‌های مختلف با استفاده از مقدار حداکثر پهنای باند جهت رسیدن به کیفیت سرویس ارائه دادند. به خاطر ویژگیهای خاص شبکه‌ها، انواع مختلف شبکه‌ها ممکن است جهت برآوردن پارامترهای مختلف کیفیت سرویس به صورت همزمان با محدودیتهایی مواجهه گردند. به عنوان مثال، محدودیت پهنای باند و توپولوژی پویای شبکه‌های موردی موبایل ممکن است کیفیت سرویس در این شبکه‌ها را با مشکلاتی روبرو سازد. به هر حال نیازمندیهای کیفیت سرویس در برنامه‌های کاربردی شبکه‌های حسگر بی‌سیم ممکن است بسیار متفاوت از شبکه‌های سنتی باشد؛ و پارامترهای کیفیت سرویس در شبکه‌های سنتی به هیچ عنوان جهت تشریح کیفیت سرویس در شبکه‌های حسگر کافی نیستند.
کیفیت سرویس در شبکه‌های داده‌ای سنتی
دستیابی به کیفیت سرویس در شبکه‌های سیمی عموما با استفاده از تامین منابع فراوان و مهندسی ترافیک به دست می‌آید. در روش تامین منابع فراوان، ما منابع زیادی را به شبکه اضافه می‌کنیم به طوری که بتواند سرویسهای مناسبی را به برنامه‌های کاربردی چندرسانه‌ای ارائه دهد. این روش به سادگی قابل اعمال است. اما تمام کاربران را در یک کلاس سرویس یکسان قرار می‌دهد؛ بنابراین ممکن است در زمان اوج ترافیک، سرویس مناسب ارائه داده نشود. در روش مبتنی بر مهندسی ترافیک، کاربران یا برنامه‌های کاربردی را در کلاس‌های سرویسی مختلف گروه بندی کرده و به هر کلاس یک اولویت نسبت می‌دهیم. در روش مهندسی ترافیک، دو شیوه جهت رسیدن به کیفیت سرویس استفاده شده‌اند: مبتنی بر رزرو و بدون رزرو. در روش مبتنی بر رزرو، منابع شبکه برطبق درخواست کیفیت سرویس برنامه کاربردی و سیاست مدیریتی و پهنای باند تخصیص می‌یابند. این روش درITM و مدل Interserv اینترنت استفاده شده است. در روش بدون رزرو، هیچ رزروی لازم نیست و کیفیت سرویس از طریق استراتژی‌هایی مثل کنترل پذیرش، کلاسهای ترافیک، مدیریت سیاست و مکانیزمهای صف بندی بدست می‌آید. در استراتژی کنترل پذیرش اگر یک نود بتواند به شبکه دسترسی یابد، تضمین می‌گردد که نود اجازه دسترسی پیدا کند. در تکنیک مدیریت سیاست، نظارت می‌گردد که هیچ نودی از نوع سرویسهایی که که قبلا به او تخصیص داده شده است عدول ننماید. کلاسهای ترافیکی، بسته‌های داده‌ای را در اولویتهای مختلف قرار می‌دهند و در نودهای میانی براساس این اولویتها رفتار متفاوتی بر روی بسته‌ها انجام می‌گیرد. مکانیزمهای صف بندی در هنگام ازدحام بسته‌های با اولویت پایین را حذف می‌کنند.
شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر زیرساخت، مثل شبکه‌های محلی بی‌سیم(WLAN) و شبکه‌های بی‌سیم پخشی، گسترش یافته شبکه‌های سیمی هستند. به گونه‌ای که ارتباطات را برای کاربران سیار نیز ممکن می‌سازند. همه میزبانهای سیار در یک سلول ارتباطی می‌توانند با یک گام به ایستگاه پایه دسترسی داشته باشند. در این شبکه‌ها نیازمندیهای کیفیت سرویس مربوط به کمبود پهنای باند و پیچیدگی سیار بودن کاربر در آخرین گام بی‌سیم می‌باشد؛ بنابراین می‌توان معماری کیفیت سرویس بکار رفته در شبکه‌های سیمی را با پروتکل MAC بی‌سیم مجتمع نمود. پروتکلهای MAC بی‌سیم ممکن است ترافیک داده‌ای کلاسهای مختلف را با در نظرگرفتن اولویتهای دسترسی تامین نمایند. به گونه‌ای که کیفیت سرویس کلی شبکه پشتیبانی گردد.
شبکه‌های بی‌سیم موردی، می‌توانند سیستم‌های خودکار یا توسعه یک سیستم بی‌سیم موردی به اینترنت باشند. به عنوان یک سیستم خودکار، آنها پروتکلهای مسیریابی مختص به خود را دارند؛ و به عنوان توسعه بی‌سیم موردی به اینترنت لازم است که یک دستیابی متصل به اینترنت داشته باشند. متاسفانه به دلیل محدودیت پهنای باند و توپولوژی پویای شبکه، مکانیزمهای کیفیت سرویس در شبکه‌های سیمی نمی‌تواند مستقیما در یک شبکه موردی استفاده شود۹. در این زمینه لازم است که ما عملکرد کیفیت سرویس را به طور پیچیده، با منابع موجود محدود، در محیطهای پویا پیاده‌سازی نماییم. پشتیبانی از کیفیت سرویس در شبکه‌های موردی شامل مدل کیفیت سرویس، رزرو منابع کیفیت سرویس و کنترل دستیابی به کیفیت سرویس می‌باشد. یک مدل کیفیت سرویس، معماری و نحوه برخورد عملکردی اجزاء کیفیت سرویس را مشخص می‌نماید. برای مثال در شبکه‌ای که لازم است فقط سرویسهای مختلف تامین گردد، سیگنال دهی برای هر حالت جریان لازم نیست. سیگنال دهی کیفیت سرویس عملکردی است که به وسیله مدل کیفیت سرویس مشخص می‌شود و به عنوان یک مرکز کنترل در سیستم پشتیبانی از کیفیت سرویس عمل می‌کند؛ و رفتار مسیریابی کیفیت سرویس، MAC کیفیت سرویس و بقیه مولفه‌ها را هماهنگ می‌نمایند. فرایند مسیریابی کیفیت سرویس، مسیری با منابع کافی را جستجو می‌نماید. اما منابع را رزرو نمی‌کند.
بدون لحاظ نمودن کیفیت سرویس در مسیریابی، سیگنال دهی کیفیت سرویس هنوز می‌تواند انجام شود. اما فرایند رزرو منابع صورت نمی‌گیرد. همه مولفه‌های کیفیت سرویس لایه‌های بالا به هم وابسته‌اند و با پروتکل MAC کیفیت سرویس لایه پایینی همکاری دارند. جزییات این تکنیکها در و موجود است. طبق بحث بالا ما می‌توانیم پشتیبانی از کیفیت سرویس در شبکه‌های داده‌ای سنتی را به این صورت خلاصه نماییم: آنها نیازمندیهای کیفیت سرویس مشترکی دارند که از کاربردهای چند رسانه‌ای محتاج به پهنای باند نشات گرفته می‌شوند و جهت ارزیابی مکانیزم‌های کیفیت سرویس پارامترهای کیفیت سرویس انتها به انتها در این شبکه استخراج گردیدند.
کیفیت سرویس در شبکه‌های حسگر بی‌سیم
شبکه‌های حسگر بی‌سیم عضوی جدید از خانواده شبکه‌های داده‌ای بی‌سیم با یک سری ویژگیها و نیازمندیهای خاص می‌باشند. یک شبکه حسگر بی‌سیم از تعداد زیادی از نودها در یک ناحیه خاص تشکیل شده است که هر یک از آنها توانایی جمع‌آوری اطلاعاتی مثل دما، فشار، رطوبت، نویز، نور و غیره از ناحیه‌ای که در آن قرار دارد را دارا می‌باشد و داده‌های جمع‌آوری شده را به نود سینک ارسال می‌کند.
کمیته‌های مختلف، کیفیت سرویس در شبکه‌های حسگر را به گونه‌های متفاوتی تعریف می‌کنند. به عنوان مثال در کاربردهای تشخیص یک رویداد یا ردیابی هدف، خطا در تشخیص یا اطلاعات اشتباه در نتیجه یک رویداد فیزیکی ممکن است دلایل متعددی داشته باشد که می‌تواند در نتیجه استقرار و مدیریت شبکه باشد یعنی مکانی که رویداد اتفاق می‌افتد بوسیله هیچ حسگر فعالی پوشش داده نشود. ما می‌توانیم پوشش محیط یا تعداد نودهای فعال را بعنوان پارامترهایی برای ارزیابی کیفیت سرویس در شبکه‌های حسگر بی‌سیم در نظر بگیریم. علاوه بر این خطای بالا می‌تواند در نتیجه عملکرد محدود حسگرها باشد. مثل دقت مشاهده پایین یا نرخ گزارش پایین حسگرها؛ بنابراین می‌توان دقت مشاهده یا خطاهای اندازه‌گیری را بعنوان پارامترهای ارزیابی کیفیت سرویس انتخاب کرد. همچنین ممکن است خطا در نتیجه ار دست رفتن اطلاعات در طول انتقال صورت گیرد. ما می‌توانیم بعضی از پارامترهای مرتبط با انتقال اطلاعات را در محاسبه کیفیت سرویس استفاده نماییم. به هر حال نمی‌توان جنبه‌های کیفیت سرویس را به طور مطلق به صورت جداگانه در نظر گرفت و نیازمندیهای عمومی یک کاربرد می‌تواند شامل همه پارامترها باشد. ما در اینجا دو نمای کلی از کیفیت سرویس در شبکه‌های حسگر بی‌سیم را شرح می‌دهیم:
کیفیت سرویس مبتنی بر کاربرد
از این دیدگاه ما می‌توانیم پارامترهای کیفیت سرویس را پوشش شبکه، نمایش، خطاهای اندازه‌گیری و تعداد بهینه حسگرهای فعال در نظر بگیریم. به طور خلاصه برنامه‌های کاربردی نیازمندیهای خاص را در استقرار حسگرهای فعال، دقت اندازه‌گیری حسگرها و نظایر آن به شبکه حسگر تحمیل می‌کنند که مستقیما مربوط به کیفیت کاربرد می‌باشد.
کیفیت سرویس شبکه
از این دیدگاه ما در نظر می‌گیریم که چطور شبکه ارتباطی در لایه‌های پایین می‌تواند داده‌های حسگر با محدودیت کیفیت سرویس را تحویل نماید. به گونه‌ای که ازمنابع شبکه بصورت کارا استفاده کند. اگر چه ما نمی‌توانیم هر کاربرد ممکن در شبکه حسگر را تحلیل نماییم، می‌توان هر گروه از کاربردها را تحلیل نمود که این گروه‌ها بر اساس مدلهای تحویل داده کلاس‌بندی شده‌اند. به گونه‌ای که بیشتر کاربردها در هر گروه نیازمندی‌های شبکه‌ای مشترکی دارند. از نظر کیفیت سرویس به کاربردهایی که بصورت واقعی انجام می‌شود توجهی نداریم و صرفا در نظر می‌گیریم که چطور داده‌ها به نود سینک تحویل می‌شود. بطور عمومی سه مدل جمع‌آوری داده پایه‌ای وجود دارد: مبتنی بر رویداد، مبتنی بر پرس و جو و مدلهای تحویل پیوسته.
مبتنی بر رویداد
بیشتر کاربردهای مبتنی بر رویداد در شبکه‌های حسگر بی‌سیم محاوره‌ای و بلا درنگ و به صورت انتها به انتها عمل می‌کنند. در این کاربردها باید یک سری رویداد که در محیط رخ می‌دهند در کوتاهترین زمان و با قابلیت اطمینان بالا تشخیص داده شوند. در این مدل چند نکته مهم باید مد نظر قرار گیرند. اولا اینکه در اینجا خود کاربردها انتها به انتها نیستند یعنی یک انتهای کاربرد نود سینک قرار دارد و انتهای دیگر یک نود حسگر تنها نیست بلکه یک گروه از نودهای حسگر در محیط است که تحت تاثیر رویداد قرار می‌گیرند. ثانیا جریان داده‌ها از این حسگرها به میزان زیادی شبیه هم است و بنابراین افزونگی زیادی خواهد داشت؛ و نکته آخر اینکه در پاسخ به این رویدادها ممکن است لازم باشد که اعمال بر روی حسگرها یا عمل کننده‌ها با سرعت و با اطمینان بالا توزیع گردند. این حسگرها و عمل کننده‌ها ممکن است همان حسگرهایی که رویدادها را تشخیص داده‌اند نباشند. کاربردهایی از شبکه حسگر که به کشف رویداد و تخمین یا ارسال سیگنال نیاز دارند، از این مدل جمع‌آوری داده تبعیت می‌کنند مثل حسگری و پاسخ در یک سیستم تشخیص اضطراری آزاد شدن مواد شیمیایی در یک ساختمان.
مبتنی بر پرس و جو
بیشتر کاربردهای مبتنی بر پرس وجو در شبکه‌های حسگر بی‌سیم محاوره‌ای و تاخیر ناشی از پرس و جو را می‌پذیرند و در ضمن انتها به انتها نیستند برای صرفه جویی در مصرف انرژی پرس وجوها می‌توانند مبتنی بر در خواست ارسال گردند. این مدل جمع‌آوری داده شبیه مدل مبتنی بر رویداد است. با این تفاوت که در این مدل داده به وسیله نود سینک از حسگرها جمع‌آوری می‌گردد در حالی که در مدل مبتنی بر رویداد داده توسط حسگرها بر روی نود سینک قرار می‌گیرد. در این مدل نیز کاربردها لازم دارند که داده‌های مناسب را با سرعت و مطمئن دریافت نمایند نکاتی که در مدل مبتنی بر رویداد ذکر گردید برای این مدل نیز با اهمیتند. توجه داشته باشید که یک پرس وجو می‌تواند به منظور مدیریت یا پیکر بندی دوباره نودهای حسگر مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال اگر نود سینک بخواهد نرم‌افزار بر روی نودهای حسگر را بهبود بخشد، نرخ ارسال ماموریت یک نود را تغییر دهد، می‌تواند یک فرمان برای اعمال این تغییرات ارسال نماید.
در یک جمع‌بندی به این نتیجه می‌رسیم که پارامترهای کیفیت سرویس در شبکه‌های حسگر بی‌سیم، بسته به کاربرد شبکه انواع متفاوتی می‌توانند داشته باشند. بعضی از این پارامترها که در ارزیابی کیفیت سرویس مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از: پوشش کل شبکه، تعداد بهینه نودهای فعال در شبکه، دقت مشاهده یا صحت اندازه‌گیری حسگرها، صحت انتقال اطلاعات در طول ارسال، ا انتقال اطلاعات در کوتاهترین زمان، قابلیت اطمینان انتقال اطلاعات، طول عمر شبکه و میزان مصرف انرژی در شبکه.