شبكة استشعار لاسلكية متنقلة

يمكن تعريف شبكة الاستشعار اللاسلكية المتنقلة (MWSN ) [ 1 ^{] ببساطة بأنها} شبكة استشعار لاسلكية (WSN) تكون فيها عقد الاستشعار متنقلة. تُعدّ شبكات الاستشعار اللاسلكية المتنقلة مجالًا بحثيًا ناشئًا وصغيرًا نسبيًا، على عكس الشبكات التقليدية الراسخة. تتميز هذه الشبكات بتعدد استخداماتها مقارنةً بشبكات الاستشعار الثابتة، إذ يمكن نشرها في أي بيئة والتعامل مع التغيرات السريعة في بنيتها . ومع ذلك، تتشابه العديد من تطبيقاتها، مثل مراقبة البيئة . تتكون العقد عادةً من جهاز إرسال واستقبال لاسلكي ووحدة تحكم دقيقة تعمل ببطارية ، بالإضافة إلى نوع من أجهزة الاستشعار للكشف عن الضوء والحرارة والرطوبة ودرجة الحرارة ، وما إلى ذلك .

بشكل عام، تواجه شبكات الاستشعار اللاسلكية المتنقلة (MWSNs) مجموعتين من التحديات: تحديات الأجهزة وتحديات البيئة. تتمثل القيود الرئيسية المتعلقة بالأجهزة في محدودية طاقة البطارية ومتطلبات التكلفة المنخفضة. تعني محدودية الطاقة أهمية كفاءة استهلاك الطاقة في العقد. غالبًا ما تتطلب قيود التكلفة استخدام خوارزميات منخفضة التعقيد لوحدات تحكم دقيقة أبسط، والاقتصار على استخدام راديو أحادي الاتجاه . أما العوامل البيئية الرئيسية فتتمثل في الوسط المشترك وتغير بنية الشبكة. يفرض الوسط المشترك ضرورة تنظيم الوصول إلى القناة بطريقة ما. ويتم ذلك عادةً باستخدام نظام التحكم في الوصول إلى الوسط (MAC)، مثل الوصول المتعدد مع استشعار الناقل (CSMA)، أو الوصول المتعدد بتقسيم التردد (FDMA)، أو الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA). ينشأ تغير بنية الشبكة من حركة العقد، مما يعني أن المسارات متعددة القفزات من أجهزة الاستشعار إلى المحطة المركزية غير مستقرة.

لا يوجد حاليًا معيار موحد لشبكات الاستشعار اللاسلكية المتنقلة (MWSNs)، لذا غالبًا ما تُستعار بروتوكولات من شبكات MANETs، مثل التوجيه القائم على الترابط (AR)، وتوجيه متجه المسافة عند الطلب المخصص (AODV)، وتوجيه المصدر الديناميكي (DSR)، وتوجيه المحيط الجشع عديم الحالة (GPSR). ^{[ 2 ]} تُفضل بروتوكولات MANET لقدرتها على العمل في البيئات المتنقلة، بينما لا تُعد بروتوكولات WSN مناسبة في كثير من الأحيان.

يلعب اختيار بنية الشبكة دورًا هامًا في التوجيه، إذ تحدد هذه البنية مسار نقل حزم البيانات للوصول إلى وجهتها الصحيحة. في هذه الحالة، لا تُعدّ جميع البنى (المسطحة/غير المهيكلة، العنقودية، الشجرية، المتسلسلة، والهجينة) مناسبة لنقل البيانات بشكل موثوق أثناء تنقل عقد الاستشعار. وبدلًا من الاعتماد على بنية واحدة، تلعب البنية الهجينة دورًا حيويًا في جمع البيانات، وتتميز بأداء جيد. تشمل مخططات إدارة البنية الهجينة شجرة جمع البيانات المستقلة عن العنقود ( CIDT ) ^{[ 3 ]} وشجرة العنقود الموفرة للطاقة والسرعة والمدركة للروابط ( VELCT ) ^{[ 4 ]} ، وقد طُرحت كلتاهما لشبكات الاستشعار اللاسلكية المتنقلة (MWSNs).

نظراً لعدم وجود بنية ثابتة في هذه الشبكات، يُعدّ توجيه البيانات من مصدرها إلى وجهتها أحد أكبر التحديات. تستوحي بروتوكولات التوجيه هذه عموماً من مجالين رئيسيين: شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs ) وشبكات الجوال المخصصة (MANETs). توفر بروتوكولات توجيه شبكات الاستشعار اللاسلكية الوظائف المطلوبة، لكنها لا تستطيع التعامل مع التغيرات المتكررة في البنية. في حين أن بروتوكولات توجيه شبكات الجوال المخصصة قادرة على التعامل مع التنقل داخل الشبكة، إلا أنها مصممة للاتصال ثنائي الاتجاه، وهو أمر غير مطلوب غالباً في شبكات الاستشعار. ^{[ 5 ]}

تُصمَّم البروتوكولات المُخصصة لشبكات الاستشعار اللاسلكية المتنقلة (MWSNs) عادةً لتكون متعددة القفزات، وأحيانًا تكون عبارة عن تعديلات لبروتوكولات موجودة. على سبيل المثال، يُعدّ بروتوكول توجيه المصدر الديناميكي القائم على الزاوية (ADSR) ^{[ 6 ]} تعديلًا لبروتوكول توجيه المصدر الديناميكي (DSR) الخاص بشبكات المش اللاسلكية، ليناسب شبكات MWSNs. يستخدم ADSR معلومات الموقع لحساب الزاوية بين العقدة المُرسِلة، وعقد التوجيه المُحتملة، والعقدة المُستقبِلة. تُستخدم هذه الزاوية لضمان توجيه الحزم دائمًا نحو العقدة المُستقبِلة. كما تم تعديل بروتوكول التسلسل الهرمي للتجميع التكيفي منخفض الطاقة (LEACH) الخاص بشبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs) ليصبح LEACH-M (LEACH-Mobile) ^{[ 7 ]} ، ليناسب شبكات MWSNs. تكمن المشكلة الرئيسية في البروتوكولات الهرمية في ميل العقد المتنقلة إلى التبديل المتكرر بين المجموعات، مما قد يُسبب عبئًا كبيرًا على الشبكة نتيجةً لاضطرار العقد إلى إعادة ربط نفسها بانتظام برؤوس المجموعات المختلفة.

تُعدّ تقنية التوجيه الشائعة الأخرى هي استخدام معلومات الموقع من وحدة GPS مُثبّتة على العُقد. ويُمكن ملاحظة ذلك في بروتوكولات مثل التوجيه القائم على المناطق (ZBR) ^{[ 8 ]} ، الذي يُحدّد المجموعات جغرافيًا ويستخدم معلومات الموقع لإبقاء العُقد مُحدّثة بالمجموعة التي تنتمي إليها. في المقابل، يُعدّ التوجيه الجغرافي الانتهازي (GOR) ^{[ 9 ]} بروتوكولًا مُسطّحًا يُقسّم منطقة الشبكة إلى مربعات، ثم يستخدم معلومات الموقع لتوجيه البيانات بشكل انتهازي إلى أبعد مدى مُمكن في كل قفزة.

توفر بروتوكولات المسارات المتعددة آلية قوية للتوجيه، ولذلك تبدو اتجاهاً واعداً لبروتوكولات توجيه شبكات الاستشعار اللاسلكية المتنقلة. ومن هذه البروتوكولات بروتوكول المسارات المتعددة المضفرة المرتكزة على البيانات (DCBM) القائم على الاستعلام. ^{[ 10 ]}

علاوة على ذلك، يُعدّ كلٌّ من بروتوكول توجيه المستشعرات المخصص القوي (RASeR) ^{[ 11 ]} وبروتوكول توجيه المستشعرات المُدرك للموقع (LASeR) ^{[ 12 ]} بروتوكولين مُصمَّمين خصيصًا لتطبيقات شبكات الاستشعار اللاسلكية متعددة الأجهزة عالية السرعة، مثل تلك التي تتضمن طائرات بدون طيار. يستفيد كلا البروتوكولين من توجيه المسارات المتعددة ، والذي يُسهّله أسلوب "التوجيه الأعمى". يسمح التوجيه الأعمى ببساطة للعقدة المُرسِلة ببثّ حزمة بيانات إلى جيرانها، ثم تقع على عاتق العقد المُستقبِلة مسؤولية تحديد ما إذا كان ينبغي عليها توجيه الحزمة أو تجاهلها. يُتخذ قرار توجيه الحزمة أو تجاهلها باستخدام مقياس تدرج على مستوى الشبكة، بحيث تُقارن قيم العقد المُرسِلة والمُستقبِلة لتحديد أيهما أقرب إلى نقطة التجميع. يكمن الاختلاف الرئيسي بين RASeR وLASeR في طريقة الحفاظ على مقاييس التدرج؛ إذ يستخدم RASeR الإرسال المنتظم لحزم إشارات صغيرة، حيث تبثّ العقد تدرجها الحالي. في حين أن تقنية LASeR تعتمد على الاستفادة من معلومات الموقع الجغرافي الموجودة بالفعل على عقدة الاستشعار المتنقلة، وهو ما يُرجح أن يكون الحال في العديد من التطبيقات.

توجد ثلاثة أنواع من تقنيات التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC): تقنية تقسيم الوقت ، وتقنية تقسيم التردد ، وتقنية تقسيم الشفرة . ونظرًا لسهولة تطبيقها نسبيًا، تُعدّ تقنية تقسيم الوقت الخيار الأكثر شيوعًا، وهي وثيقة الصلة بتقنية CSMA/CA MAC الشائعة. أما غالبية بروتوكولات MAC المصممة خصيصًا لشبكات الاستشعار اللاسلكية المتنقلة (MWSNs) ، فهي مُقتبسة من بروتوكولات MAC الخاصة بشبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs ) الموجودة، وتركز على استهلاك الطاقة المنخفض، وأنظمة دورة التشغيل.

تُختبر البروتوكولات المصممة لشبكات الاستشعار اللاسلكية متعددة الأجهزة (MWSNs) عادةً باستخدام نتائج تحليلية أو محاكاة أو تجارب عملية. تتميز النتائج التحليلية التفصيلية بطبيعتها الرياضية، ويمكنها توفير تقريبات جيدة لسلوك البروتوكول. أما المحاكاة، التي يمكن إجراؤها باستخدام برامج مثل OPNET و NetSim و ns2 ، فهي الطريقة الأكثر شيوعًا للتحقق من صحة البروتوكول. توفر المحاكاة تقريبات دقيقة للسلوك الحقيقي للبروتوكول في ظل سيناريوهات مختلفة. تُعد التجارب العملية الأكثر تكلفة، وعلى عكس الطريقتين السابقتين، لا تتطلب أي افتراضات. وهذا ما يجعلها المصدر الأكثر موثوقية للمعلومات عند تحديد أداء البروتوكول في ظل ظروف معينة.

تتيح ميزة إمكانية تحريك أجهزة الاستشعار زيادة عدد التطبيقات التي تتجاوز تلك التي تُستخدم فيها شبكات الاستشعار اللاسلكية الثابتة. ويمكن تثبيت أجهزة الاستشعار على عدد من المنصات:

• الناس
• الحيوانات
• المركبات ذاتية القيادة
• المركبات غير المأهولة
• المركبات المأهولة

لتحديد متطلبات أي تطبيق، يمكن تصنيفه إلى ثلاثة أنواع: المراقبة المستمرة، ومراقبة الأحداث، ورسم الخرائط المستمر، ورسم خرائط الأحداث. ^{[ 1 ]} تعتمد تطبيقات المراقبة المستمرة على الوقت، وبالتالي يتم توليد البيانات بشكل دوري، بينما تعتمد تطبيقات رصد الأحداث على الأحداث، وبالتالي يتم توليد البيانات فقط عند وقوع حدث معين. تعمل تطبيقات المراقبة باستمرار على مدار فترة زمنية، بينما يتم نشر تطبيقات رسم الخرائط عادةً مرة واحدة لتقييم الحالة الراهنة لظاهرة ما. تشمل أمثلة هذه التطبيقات مراقبة الصحة، والتي قد تتضمن قياس معدل ضربات القلب وضغط الدم، وما إلى ذلك. ^{[ 13 ]} يمكن أن تكون هذه المراقبة مستمرة، كما هو الحال مع مريض في المستشفى، أو مرتبطة بحدث معين، كما هو الحال مع جهاز استشعار قابل للارتداء يُبلغ تلقائيًا عن موقعك لفريق الإسعاف في حالات الطوارئ. يمكن تزويد الحيوانات بأجهزة استشعار لتتبع تحركاتها لدراسة أنماط الهجرة، وعادات التغذية، أو لأغراض بحثية أخرى. ^{[ 14 ]} كما يمكن تركيب أجهزة استشعار على طائرات بدون طيار لأغراض المراقبة أو رسم خرائط البيئة. ^{[ 15 ]} في حالة البحث والإنقاذ بمساعدة الطائرات بدون طيار ذاتية التشغيل، سيتم اعتبار هذا تطبيقًا لرسم خرائط الأحداث، حيث يتم نشر الطائرات بدون طيار للبحث في منطقة ما ولكنها لن ترسل البيانات إلا عند العثور على شخص ما.

• قائمة بروتوكولات التوجيه المخصصة
• قائمة أجهزة الاستشعار
• النظام السيبراني الفيزيائي
• شبكات الهاتف المحمول المخصصة
• الروبوت المتحرك والمناور المتحرك
• شبكات الاستشعار اللاسلكية