با پیشرفت تکنولوژی ساخت وسایل الکترونیکی و مقرون به صرفه شدن شبکه‌های حسگر در مقیاس‌های بزرگ، شبکه­های حسگر بی­سیم زمینه‌های تحقیقاتی را با رشد سریع و جذابیت بسیار فراهم می­کنند که توجهات زیادی را در چندین سال اخیر به خود جلب کرده است. شبکه‌های حسگر بی‌سیم با مقیاس بزرگ حاوی چند صد تا چند ده هزار حسگر، پهنه وسیعی از کاربردها و البته چالش‌ها را به همراه دارند. ویژگی‌های خاص این شبکه‌ها، امکان استفاده از آن‌ها را در کاربردهایی مانند کنترل و بررسی مناطق حادثه‌خیز، حفاظت مرزها و مراقبت‌های امنیتی و نظامی فراهم می­کنند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای متصور برای این شبکه‌ها کاربرد رهگیری هدف می‌باشد. در این کاربرد، شبکه‌های حسگر بی‌سیم از حسگرهای تشکیل‌دهنده این شبکه جهت حس کردن و تشخیص یک هدف خاص و دنبال کردن آن در ناحیه تحت نظارت شبکه استفاده می‌شود. به دلیل اینکه حسگرهای موجود در این نوع شبکه‌ها دارای محدودیت انرژی می‌باشند و ارتباطات بین حسگرها به صورت بی‌سیم انجام می­پذیرد، توجه به مسئله مصرف توان و رهگیری بدون خطا چندین هدف متحرک به صورت همزمان در این شبکه‌ها اهمیت فراوانی دارند. الگوریتم‌های رهگیری هدف در شبکه‌های حسگر، از نظر کاربرد و عملکرد آن‌ها، به چهار دسته­ی پروتکل مبتنی بر پیام، مبتنی بر درخت، مبتنی بر پیش‌گویی و مبتنی بر خوشه‌بندی، تقسیم می­گردند. در این میان پروتکل‌های مبتنی بر خوشه‌بندی از نظر مصرف انرژی بهینه هستند. تاکنون برای رفع مشکل انرژی روش‌های زیادی طرح گردیده است که می‌توان به الگوریتم‌های رهگیری اهداف سریع، DPT و CDTA اشاره کرد. الگوریتم رهگیری اهداف سریع قابلیت رهگیری اهداف سریع را دارا می‌باشد ولی از معایب آن می‌توان به  بالا بودن میزان ارتباطات در شبکه به دلیل کوچک بودن خوشه‌ها اشاره کرد. الگوریتم DPT دارای یک الگوریتم پیش بین با پیچیدگی کم می‌باشد ولی از معایب آن می‌توان به قادر نبودن آن  به رهگیری چندین هدف به صورت همزمان اشاره کرد. از معایب الگوریتم CDTA می‌توان به عدم وجود رویه تصحیح خطا برای شناسایی مجدد هدف گم شده، تقسیم‌بندی شبکه بر اساس مدل شبکه و قادر نبودن آن  به رهگیری چندین هدف به صورت همزمان اشاره کرد. در الگوریتم پیشنهادی از یک دیدگاه خوشه‌بندی بر اساس پیش‌بینی به منظور مقیاس‌پذیر بودن شبکه و مصرف بهینه انرژی استفاده گردیده است تا در برابر خرابی‌های احتمالی حسگرها و

 پیش‌بینی‌های اشتباه مکان هدف مقاوم باشد. در این الگوریتم، رویه تصحیح خطایی ارائه گردیده است تا در زمان‌هایی که هدف به دلیل سرعت بالای خود و یا تغییر جهت‌های ناگهانی از برد حسگرها خارج گردید، الگوریتم قادر به شناسایی مجدد هدف باشد. نتایج بدست آمده توسط شبیه‌ساز نشان می­دهند که الگوریتم پیشنهادی قادر به رهگیری چندین هدف به صورت همزمان می‌باشد و همچنین الگوریتم پیشنهادی با کم کردن ارتباطات بین خوشه­ای و احتمال گم­شدن هدف مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر را تا حد امکان کاهش می­دهد.

کلمات کلیدی: شبکه‌های حسگر، رهگیری اهداف متحرک، مقیاس‌پذیر بودن شبکه، مدل شبکه، الگوریتم پیش بین، الگوریتم تصحیح خطا   

– شرح و اهمیت موضوع

یکی از شبکه‌هایی که در سال‌های اخیر توجهات زیادی را به خود جلب کرده است، شبکه‌های حسگر بی­سیم[1] (WSN) می‌باشند. شبکه‌های حسگر از تعداد زیادی حسگر تشکیل شده‌اند که پس از توزیع در منطقه، حسگرهایی که در نزدیکی یک رویداد قرار دارند بعد از شناسایی آن رویداد به جمع­آوری اطلاعات رویداد مورد نظر در محیط می­پردازند و اطلاعات بدست آمده از رویداد را به حسگر چاهک ارسال می‌کنند. حسگر چاهک، حسگری است که با ایستگاه پایه[2] که در خارج از شبکه‌های حسگر مستقر می‌باشد، در ارتباط می‌باشد[1]. حسگرهای این شبکه‌ها دارای یک واسط بی­سیم می‌باشند که همین امر باعث گردیده است که این شبکه‌ها در سطح زمین، زیر آب و دیگر مکان‌های خطرناک و یا غیرقابل‌دسترس راه‌اندازی گردند. بنابراین شبکه‌های حسگر قادر به پوشش مناطقی هستند که شبکه‌های دیگر از عهده پوشش آن مناطق بر نمی‌آیند و در واقع شبکه‌های حسگر امکان تعامل بین انسان، محیط و ماشین را فراهم می­کنند. گسترش شبکه‌های حسگر بی­سیم با کاربردهای نظامی آغاز گردید ولی امروزه با گسترش سریع کاربردهای شبکه‌های حسگر، در زمینه‌های رهایی از سانحه، کنترل محیطی و نگاشت تنوع زیستی، سازه‌های هوشمند، مدیریت تأسیسات، کشاورزی، پزشکی و بهداشت، حمل‌ونقل، پردازش از راه دور و رهگیری هدف از شبکه‌های حسگر بی­سیم استفاده می‌گردد. به همین دلیل امروزه پیشرفت‌های زیادی در حوزه زیرسیستم‌های الکترومکانیکی صورت پذیرفته است تا امکان توسعه حسگرهای هوشمند فراهم گردد [1].

یکی از کاربردهای ذکرشده برای شبکه‌های حسگر، رهگیری اهداف متحرک می‌باشد که هدف از آن دنبال کردن یک شی خاص در یک فضای از پیش تعیین‌شده به نام میدان حسگر و تشخیص مسیر آن شی است. این کاربرد می‌تواند با قابلیت شناسایی یک هدف خاص در میان اهداف گوناگون کامل‌تر گردد. بدین منظور از حسگرهایی با فناوری‌های متفاوت که ویژگی‌های گوناگون یک پدیده را می‌توانند اندازه‌گیری کنند در امر رهگیری هدف استفاده می‌گردد. این حسگرها از چهار واحد: واحد توان، واحد پردازش اطلاعات، واحد ارتباطات و واحد حس کردن تشکیل شده است. این حسگرها می‌توانند از نوع حسگرهای حضور، لرزش، نور، صوت، لیزری و تصویر باشند که در این میان حسگرهای تصویری به دلیل اینکه حامل اطلاعات بسیاری هستند از اهمیت بالایی در کاربردهای رهگیری هدف برای شناسایی یک هدف خاص در میدان‌های نبرد و یا ساختمان‌ها و مکان‌های عمومی برخوردارند [2].

با توجه به محدودیت واحد توان حسگرها و بالا بودن مصرف انرژی حسگرهای تصویری نسبت به انواع دیگر حسگرها، بهینه مصرف شدن انرژی یکی از چالش‌های مهم شبکه‌های حسگر محسوب می‌گردد. در این راستا باید مصرف انرژی اجزا حسگرها شامل ریز حسگرها، مبدل آنالوگ به دیجیتال، پردازنده سیگنال، فرستنده و گیرنده را تا حد امکان کاهش داد. تحقیقات نشان داده‌اند که انرژی مورد نیاز برای ارتباطات از سایر واحدهای مصرف‌کننده انرژی حسگرها به دلیل بالا بودن حجم داده‌های صوتی و تصویری ارسال‌شده توسط حسگرهای تصویری و در نتیجه تحمیل شدن سربار زیادی به سیستم انتقال داده، بیشتر می‌باشد [2].

از آنجا که کاربردهای رهگیری هدف نیازمند ارسال اطلاعات به صورت بلادرنگ به کاربر است و بنابراین محاسبات بسیاری به صورت بلادرنگ در هر حسگر صورت می­پذیرد همواره توان بسیاری در شبکه حسگر در حال مصرف است و به همین دلیل رهگیری هدف یکی از کاربردهایی است که مصرف توان آن بالا می‌باشد. با توجه به اینکه مصرف بهینه توان باعث پایداری و قابلیت اطمینان شبکه‌های حسگر در شرایط سخت می‌گردد و بالا بودن میزان مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر، اهمیت ارائه الگوریتم‌های رهگیری هدف با مصرف توان پایین را دو چندان می­کند.

در روش‌های سنتی رهگیری هدف، از رویکردهای مرکزی برای انجام این پژوهش استفاده می‌گردیده است. در رویکردهای مرکزی در هر زمان تنها یک حسگر وظیفه شناسایی هدف را بر عهده دارد و بنابراین دقت رهگیری هدف پایین خواهد آمد و انرژی حسگرها به دلیل تحمیل شدن محاسبات سنگین به صورت بهینه مصرف نخواهد گردید. در این روش‌ها با افزایش تعداد گره‌های حسگر در شبکه، پیام بیشتری به سوی حسگر چاهک هدایت می‌شوند که سبب استفاده زیاد از پهنای باند شبکه می­گردد و بنابراین این رویکردها در برابر خطا مقاوم نیستند. در الگویتم های رهگیری هدف جدید، گره‌های حسگری که می‌توانند هدف را تشخیص دهند در حالت فعال نگه داشته می‌شوند و مابقی حسگرها برای صرفه‌جویی در مصرف توان به حالت غیرفعال می‌روند. برای اینکه هدف به صورت پیوسته رهگیری شود باید گروهی از حسگرها قبل از رسیدن هدف به آنها به حالت فعال بروند. این گروه از حسگرها با توجه به سرعت و مسیر هدف تعیین می‌گردند. بنابراین عمده پژوهش‌ها در زمینه رهگیری هدف برای بدست آوردن یک الگوریتم مناسب برای انتخاب بهینه این گروه از حسگرها صورت پذیرفته است. در این تحقیقات با استفاده از حدس نزدیک به بهینه این گروه از حسگرها میزان تبادل اطلاعات میان حسگرها را به حداقل می‌رسانند و بنابراین زیرسیستم مخابراتی که اصلی‌ترین منبع مصرف‌کننده توان حسگرها می‌باشد کمتر فعال می‌گردد و در نتیجه مصرف انرژی به صورت چشمگیری کاهش می­یابد. اما دسته‌ای دیگر از الگوریتم‌های رهگیری هدف با توجه به اینکه در نظر نگرفتن کاهش مصرف انرژی در زیرسیستم‌های حسی و پردازشی حسگرها ما را از امکان کاهش بیشتر مصرف توان شبکه دور می‌سازد، بر روی مصرف توان درون یک حسگر تمرکز کرده‌اند. در این الگوریتم‌ها مصرف توان زیرسیستم‌های حسگرها با ارائه الگوریتم‌هایی که هدف آنها رهگیری هدف با سربار پردازشی حداقل و نحوه نمونه‌برداری مناسب با زمان‌بندی و بسامد مناسب فعال‌سازی زیرسیستم حسگر می‌باشد، کاهش می­یابند [3].

در پژوهش‌های انجام‌شده در رابطه با رهگیری هدف در شبکه‌های حسگر بی‌سیم چهار رویکرد کلی وجود دارد. این رویکردها شامل رویکردهای بر مبنای پیام، بر مبنای درخت، بر مبنای پیش‌بینی و بر مبنای خوشه­بندی می‌باشند. در رهگیری هدف بر مبنای پیام فرض می‌گردد که هدف متحرک سرعت و جهت حرکت جاری خود را برای چند لحظه حفظ می‌کند و از تاریخچه حرکتی هدف به منظور پیش‌بینی حرکت بعدی هدف استفاده می‌شود. بعد از تخمین حرکت بعدی هدف با استفاده از یک روش پیام‌رسانی همه جهته به گروهی از حسگرها که در حوزه تحویل قرار دارند پیامی را ارسال می‌کنند و این گروه از حسگرها با دریافت این پیام پیش از رسیدن هدف به آ‌نها حسگرها، فعال می­گردند [3].