عوامل متعددی در طراحي شبکه های حس/کار موثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که بررسی تمام آنها در این نوشتار نمیگنجد از این رو تنها به ذکر برخی از آنها بطور خلاصه اکتفا می کنیم.

1- تنگناهاي سخت افزاري: هرگره ضمن اينكه بايد كل اجزاء لازم را داشته باشد بايد بحد كافي كوچك, سبك و كم حجم نيز باشد بعنوان مثال در برخي كاربردها گره يايد به كوچكي يك قوطي كبريت باشد و حتي گاهي حجم گره محدود به يك سانتيمتر مكعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبك باشد كه بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عين حال هر گره بايد توان مصرفي بسيار كم, قيمت تمام شده پايين داشته و با شرايط محيطي سازگار باشد. اينها همه محدوديتهايي است كه كار طراحي و ساخت گره هاي حس/كار را با چالش مواجه ميكند. ارائه طرح های سخت افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بی سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پيشرفت فن آوري ساخت مدارات مجتمع با فشردگي بالا و مصرف پايين, نقش بسزايي در كاهش تنگناهاي سخت افزاري خواهد داشت.

2- توپولوژي: توپولوژي ذاتي شبكه حس/كار توپولوژي گراف است. بدليل اينكه ارتباط گره ها  بي سيم و بصورت پخش همگاني است و هر گره با چند گره ديگر كه در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد.  آلگوريتم هاي  كارا  در جمع آوري داده  و كاربردهاي ردگيري اشياء  شبكه را درخت پوشا در نظر مي گيرند.  چون ترافيك اصولا بفرمي است كه داده ها از چند گره به سمت يك گره حركت مي كند. مديريت توپولوژي بايد با دقت انجام شوديك مرحله اساسي مديريت توپولوژي راه اندازي اوليه شبكه است گره هايي كه قبلا هيچ ارتباط اوليه اي ندشته اند در هنگام جايگيري و شروع بكار اوليه بايد بتوانند با يكديگر ارتباط برقرار كنند. الگوريتم هاي مديريت توپولوژي در راه اندازي اوليه بايد امكان عضويت گره هاي جديد و حذف گره هايي كه بدلايلي از كار مي افتند را فراهم كنند. پويايي توپولوژي از خصوصيات شبكه هاي حس/كار است كه امنيت آن را به چالش مي كشد. ارائه روشهاي مديريت توپولوژي پويا بطوري كه موارد امنيتي را هم پوشش دهد از موضوعاتي است كه جاي كار زيادي دارد.

3- قابليت اطمينان: هر گره ممكن است خراب شود يا در اثر رويدادهاي محيطي مثل تصادف يا انفجار بكلي نابود شود يا در اثر تمام شدن منبع انرژي از كار بيفتد. منظور از تحمل پذيري يا قابليت اطمينان اين است كه خرابي گره ها نبايد عملكرد كلي شبكه را تحت تاثير قرار دهد. در واقع مي خواهيم با استفاده از اجزاي غير قابل اطمينان يك شبكه قابل اطمينان بسازيم.

4- مقياس پذيري : شبكه بايد هم از نظر تعداد گره و هم از نظر ميزان پراكندگي گره ها, مقياس پذير باشد. بعبارت ديگر شبكه حس/كار از طرفي بايد بتواند با تعداد صدها, هزارها و حتي ميليون ها گره كار كند و از طرف ديگر, چگالي توزيع متفاوت گره ها را نيز پشتيباني كند. چگالي طبق فرمول (1) محاسبه مي شود. كه بيانگر تعداد متوسط گره هايي است كه در برد يك گره نوعي (مثلادايره اي با قطر10 متر) قرار مي گيرد. A: مساحت ناحيه كاري N: تعداد گره در ناحيه كاري و R: برد ارسال راديويي است. در بسياري كاربردها توزيع گره ها اتفاقي صورت مي گيرد و امكان توزيع با چگالي مشخص و يكنواخت وجود ندارد يا گره ها در اثر عوامل محيطي جابجا مي شوند. بنابراين چگالي باید  بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغيير كند. موضوع مقياس پذيري به روشها نيز مربوط مي شود برخي روشها ممكن است مقياس پذير نباشد يعني در يك چگالي يا تعداد محدود از گره كار كند. در مقابل برخي روشها مقياس پذير هستند                                                                                                                                                                                                  (1)

5- قيمت تمام شده : چون تعداد گره ها زياد است كاهش قيمت هر تك گره اهميت زيادي دارد. تعداد گره ها گاهی تا میلیونها میرسد. در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم تاثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.

6- شرايط محيطي : طيف وسيعي از كاربرد ها ي شبكه هاي حس/كار مربوط به محيط هايي مي شود كه انسان نمي تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محيط هاي آلوده از نظر شيمياي, ميكروبي, هسته اي ويا مطالعات در كف اقيانوس ها و فضا ويا محيط هاي نظامي بعلت حضور دشمن ويا در جنگل و زيستگاه جانوران كه حضور انسان باعث فرار آنها مي شود. در هر مورد , شرايط محيطي بايد در طراحي گره ها در نظر گرفته شود مثلا در دريا و محيط هاي مرطوب گره حسگر در محفظه اي كه رطوبت را منتقل نكند قرار مي گيرد.

 

7- رسانه ارتباطي: در شبكه هاي حس/كار ارتباط گره ها بصورت بي سيم و از طريق رسانه راديويي, مادون قرمز, يا رسانه هاي نوري ديگر صورت مي گيرد. اكثرا از ارتباط راديويي استفاده مي شود. البته ارتباط مادون قرمز ارزانتر و ساختنش آسانتر است ولي فقط در خط مستقيم عمل مي كند.

8- توان مصرفي گره ها: گره هاي شبكه حس/كار بايد توان مصرفي كم داشته باشند. گاهي منبع تغذيه يك باتري 2/1 ولت با انرژي 5/. آمپر ساعت است كه بايد توان لازم براي مدت طولاني مثلا 9 ماه را تامين كند. در بسياري از كاربردها باتري قابل تعويض نيست. لذا عمر باطري عملا عمر گره را مشخص مي كند. بعلت اينكه يك گره علاوه بر گرفتن اطلاعات(توسط حسگر) يا اجراي يك فرمان(توسط كارانداز) بعنوان رهياب نيز عمل مي كند بد عمل كردن گره  باعث حذف آن از توپولوژي شده و سازماندهي مجدد شبكه و مسيردهي مجدد بسته عبوري را در پی خواهد داشت. در طراحي سخت افزار گره ها استفاده از طرح ها و قطعاتي كه مصرف پاييني دارند و فراهم كردن امكان حالت خواب براي كل گره يا براي هر بخش بطور مجزا مهم است.

9- افزايش طول عمر شبكه: يك مشكل اين است كه عمر شبكه هاي حس/كار نوعاً كوتاه است. چون طول عمر گره ها بعلت محدوديت انرژي منبع تغذيه كوتاه است. علاوه بر آن گاهي موقعيت ويژة يك گره در شبكه مشكل را تشديد مي كند مثلاً در گره ای كه در فاصل يك قدمي چاهك قرار دارد از يكطرف بخاطر بار كاري زياد خيلي زود انرژي خود را از دست مي دهد و از طرفي از كار افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهك با كل شبكه مي شود و از كار افتادن شبكه مي شود. برخي راه حل ها به ساختار برمي گردد مثلا در مورد مشكل فوق استفاده از ساختار خودكار راهكار مؤثري است.بعلت اينكه در ساختار خودكار بيشتر تصميم گيري ها بطوري محلي انجام مي شود  ترافيك انتقال از طريق گره بحراني كم شده, طول عمر آن و در نتيجه طول عمر شبكه افزايش مي يابد. مشكل تخليه زود هنگام انرژي در مورد گره هاي نواحي كم تراكم  در توزيع غير يكنواخت گره ها نيز صدق مي كند .در اينگونه موارد داشتن يك مديريت توان در داخل گره ها و ارائه راه حل هاي توان آگاه بطوري كه از گره هاي بحراني كمترين استفاده را بكند مناسب خواهد بود. اين نوعي به اشتراك گذاري منابع محسوب مي شود لذا در صورت داشتن مدیریت وظیفه و مدیریت توان مناسب توزیع با چگالی زیاد گره ها در میدان حسگر/ کارانداز طول عمر شبکه را افزایش میدهد.  ارائه الگو های ساختاري مناسب و ارائه روشهاي مديريتي و آلگوریتم ها توان آگاه با هدف افزايش طول عمر شبكه حس/كار از مباحث مهم تحقيقاتي است.

10- ارتباط بلادرنگ و هماهنگي: در برخي كاربردها مانند سيستم تشخيص و جلوگيري از گسترش آتش سوزي يا سيستم پيش گيري از سرقت سرعت پاسخگويي شبكه اهميت زيادي دارد. در نمايش بلادرنگ فشار بر روي مانيتور  بسته هاي ارسالي بايد بطور لحظه اي روزآمد باشند. براي تحقق بلادرنگ يك روش اين است كه براي بسته هاي ارسالي يك ضرب العجل تعيين شود و در لايه MAC[1]  بسته هاي با ضرب العجل كوتاهتر زودتر ارسال شوند مدت ضرب العجل به كاربرد بستگي دارد. مسئلة مهم ديگر تحويل گزارش رخدادها به چاهك, يا كارانداز ناحيه, به ترتيب وقوع آنهاست در غير اين صورت ممكن است شبكه واكنش درستي انجام ندهد. نكته ديگر هماهنگي كلي شبكه در ارتباط با گزارشهايي است كه در مورد يك رخداد از حسگرهاي مختلف به كاراندازهاي ناحيه مربوطه داده مي شود. بعنوان مثال در يك كاربرد نظامي فرض كنيد حسگرهايي جهت تشخيص حضور يگان هاي پياده دشمن و كاراندازهايي جهت نابودي آن در نظر گرفته شده چند حسگر حضور دشمن را به كار اندازها اطلاع مي دهند شبكه بايد در كل منطقه, عمليات را به يكباره شروع كند. در غير اين صورت با واكنش اولين كارانداز, سربازان دشمن متفرق شده و عمليات با شكست مواجه مي شود. بهرحال موضوع بلادرنگ و هماهنگي در شبكه هاي حس/كاربخصوص در مقياس بزرگ و شرايط نامطمئن از مباحث تحقيقاتي است.

11- امنيت و مداخلات : موضوع امنيت در برخي كاربردها بخصوص در كاربرد هاي نظامي يك موضوع بحراني است و بخاطر برخي ويژگي ها شبكه هاي حس/كار در مقابل مداخلات آسيب پذير ترند. يك مورد بي سيم بودن ارتباط شبكه است كه كار دشمن را براي فعاليت هاي ضد امنيتي و مداخلات آسانتر مي كند. مورد ديگر استفاده از يك فركانس واحد ارتباطي براي كل شبكه است كه شبكه را در مقابل استراق سمع آسيب پذير مي كند. مورد بعدي ويژگي پويايي توپولوژي است كه زمينه را براي پذيرش گره هاي دشمن فراهم مي كند. اينكه پروتكل هاي مربوط به مسيردهي, كنترل ترافيك و لايه كنترل دسترسي شبكه سعي دارند با هزينه و سربار كمتري كار كنند مشكلات امنيتي بوجود مي آورد مثلا براي شبكه هاي حسگر در مقياس بزرگ براي كاهش تأخير بسته هايي كه در مسير طولاني در طول شبكه حركت مي كنند يك راه حل خوب اين است كه اولويت مسيردهي به بسته هاي عبوري داده شود. همين روش باعث مي شود حمله هاي سيلي مؤثرتر باشد. يكي از نقاط ضعف شبكه حس/كاركمبود منبع انرژي است و دشمن مي تواند با قرار دادن يك گره مزاحم كه مرتب پيغام هاي بيدار باش بصورت پخش همگاني با انرژي زياد توليد مي كند باعث شود بدون دليل گره هاي همسايه از حالت خواب خارج شوند. ادامة اين روند باعث به هدر رفتن انرژي گره ها شده و عمر آنها را كوتاه مي كند. با توجه به محدوديت ها بايد دنبال راه حل هاي ساده و كارا مبتني بر طبيعت شبكه حس/كار بود. مثلا اينكه گره ها با چگالي بالا مي توانند توزيع شوند و هر گره داراي اطلاعات كمي است يا اينكه داده ها در يك مدت كوتاه معتبرند از اين ويژگي ها  مي توان بعنوان يك نقطه قوت در رفع مشكلات امنيتي استفاده كرد. اساسا‏ً چالشهاي زيادي در مقابل امنيت شبكه حس/كاروجود دارد. و مباحث تحقيقاتي مطرح در اين زمينه گسترده و پيچيده است.

12- عوامل پیش بینی نشده: یک شبکه حسگر کارانداز تابع تعداد زیادی از عدم قطعیت هاست. عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل زلزله, مشکلات ناشی از ارتباط بی سیم و اختلالات رادیویی, امکان خرابی هر گره, کالیبره نبودن حسگرها, پویایی ساختار و مسیردهی شبکه, اضافه شدن گره های جدید و حذف گره های قدیمی, جابجایی گره ها بطور کنترل شده یا در اثر عوامل طبیعی و غيره. سؤالی كه مطرح است این است که در این شرایط چگونه میتوان چشم اندازی فراهم کرد که از دیدگاه لایه کاربرد شبکه یک موجودیت قابل اطمینان در مقیاس بزرگ دارای کارایی عملیاتی مشخص و قابل اعتماد باشد. باتوجه به اینکه شبکه های حسگر کارانداز تا حدود زیادی بصورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و بصورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل میکنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگی های خود بهینه سازی خود سازماندهی و خود درمانی را داشته باشند. اینها از جمله مواردی هستند که بحث در مورد آنها آسان ولی تحقق آن بسیار پیچیده است. بهرحال اين موضوعات ازجمله موارد تحقیقاتی می باشند.

[1] MAC (Medium Access Control)