۴-۱۲ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۵۹
۴-۱۳ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۰
۴-۱۴ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۱
۴-۱۵ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۱
۴-۱۶ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۲
۴-۱۷ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۴
۴-۱۸ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۴
۴-۱۹ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۵
۴-۲۰ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۶
۴-۲۱ شکل …………………………………………………………………………………………………… ۶۷
۵-۱ شکل …………………………………………………………………………………………………….. ۷۴
۵-۲ شکل …………………………………………………………………………………………………….. ۷۵
۵-۳ شکل …………………………………………………………………………………………………….. ۷۶
۵-۴ شکل ……………………………………………………………………………………………………. ۷۷
۵-۵ شکل …………………………………………………………………………………………………….. ۸۰
۵-۶ شکل …………………………………………………………………………………………………….. ۸۱
فصل اول. کلیات
۱-۱٫ توان در شبکه های حسگر بی سیم
با پیشرفت‌هایی که در زمینه الکترونیک و مخابرات بی‌سیم رخ داده است، توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربرد‌های گوناگون فراهم شده است. این حسگرهای کوچک قادرند انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات از محیط، پردازش و ارسال آن را انجام دهند. مجموع این عوامل موجب ایجاد و گسترش شبکه‌های موسوم به شبکه‌های حسگر بی‌سیم ^[۱]WSN شده‌اند. یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره‌های^[۲] حسگر^[۳] است که در یک محیط پراکنده می شوند و به جمع‌ آوری اطلاعات از محیط می‌پردازند. مکان قرار گرفتن گره‌های حسگر، از ‌قبل ‌تعیین ‌شده نیست. و این امکان فراهم می شود که آنها را در مکان‌های غیرقابل دسترس رها کنیم.هر گره حسگر دارای یک پردازشگر است و خود یک سری پردازش‌های اولیه روی اطلاعات دریافتی انجام می‌دهد و سپس داده‌ها را ارسال می‌کند.
با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی کمی دارد، اما ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات چشمگیری ارائه می‌کند. ‌در واقع محبوبیت شبکه‌های بی‌سیم حسگر در استفاده از تعداد زیادی گره کوچک است که می توانند با هم سازماندهی کرده و در مواردی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی(مانند دمای محیط، وجود گازها در تونل‌ها)، نظارت بر زیر ساخت‌ها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.
در این شبکه ها بر خلاف سیستم‌های سیمی، هزینه‌های پیکربندی و آرایش شبکه کاسته شده و به جای نصب هزاران متر سیم، فقط باید دستگاه‌های کوچکی را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبکه به سادگی با اضافه کردن چند گره گسترش می‌یابد و نیازی به طراحی و پیکربندی خاصی نیست. امروزه کاهش حجم و وزن حسگر‌ها و افزایش میزان حساسیت آن‌ها، هدف اصلی بسیاری از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و شرکت‌های مختلف می‌باشد. اما کوچک شدن حجم گره‌های حسگر به معنای کوچک‌تر شدن باتری‌های مولد انرژی آنان بود.
حسگرهای بی سیم اغلب برای دریافت و پردازش اطلاعات از راه دور مورد استفاده قرار می‌گیرند، بنابراین توان مصرفی گره‌ها موضوع مهمی در شبکه‌های حسگر بی سیم است. زیرا در شبکه های حسگر بی‌سیم، گره ها بایستی مدت‌های طولانی با یک منبع تغذیه‌ی معین و محدود کار کنند. انرژی مصرفی گره‌ها معمولاً از طریق باتری تامین می‌شود که در اکثر موارد امکان جایگزینی این باتری‌ها وجود ندارد و با اتمام باتری عمر حسگر پایان می‌یابد. موضوع مهم دیگر این است که باتری‌ها اغلب حدود %۵۰ حجم و وزن حسگرها را تشکیل می‌دهند. صرفه جویی در مصرف توان در حالت کلی از دو طریق ممکن است. راه اول از طریق ساخت حسگرهایی با مصرف انرژی کمتر و راه دوم به کاربردن روش‌های مدیریت توان در طراحی نرم‌افزاری شبکه است. مثلاً ارسال ^[۴]TDMA از نظر مصرف توان مناسب است، زیرا در فاصله هر شیار زمانی که اطلاعات هر حسگر ارسال نمی‌شود، حسگر در حالت خواب که مصرف انرژی بسیار کمی دارد، قرار می‌گیرد(Lewis, 2004). این روش در شکل ۱-۱ نشان داده شده است.

شکل۱-۱٫ خواب و بیدار شدن دوره‌ای در روش TDMA (Ye & eta1, 2002,1567-1576)
توان انتقالی مورد نیاز متناسب با مربع فاصله بین مبدا و مقصد افزایش می‌یابد. بنابراین چند جهش کوچک توان کمتری نسبت به یک جهش بزرگ مصرف می‌کند. اگر فاصله مبدا و مقصد برابر R باشد توان موردنیاز برای یک جهش متناسب با  است. اگر بین مبدا و مقصد گره‌هایی وجود داشته باشد که شامل n جهش کوچک است توان مورد نیاز در هر گره متناسب با  است(Lewis, 2004).
بیشتر سخت‌افزار‌ها دارای چندین حالت کاری هستند: خاموش، حالت انتظار(بی‌بار) و روشن. در نتیجه با مدیریت توان
اجزا تنها در زمان‌ مخصوصی روشن هستند. حداقل نمودن تعداد پیام‌ها نیز یک راه حل است. از آنجایی که ارسال و دریافت پیام، انرژی بر است، کاهش تعداد ارتباطات نیز راهی برای کاهش توان مصرفی است. مسیریابی درست، سبب کاهش تعداد پیام‌های ارسالی می‌شود. زمان‌بندی کاری گره‌‌ها نیز سبب کاهش مصرف توان خواهد شد. ویا اینکه تعداد اندکی از گره‌ها بیدار باشند تا پوشش مورد نیاز فراهم شود. برای متعادل کردن مصرف انرژی بطور دوره‌ای چرخش انجام می‌شود یعنی جای گره‌های خواب و بیدار عوض می‌شود. افزایش راندمان^[۵] بعد از گسترش گره‌ها طول عمر شبکه را ماکزیمم می‌کند (Coelho&Fiore, 2005) .
پروتکل‌های کنترل توپولوژی^[۶] می‌توانند با تنظیم رنج انتقال هر گره توان انتقالی شبکه را کاهش دهند در حالی که خصوصیات ضروری شبکه حفظ شود. پروتکل مسیریابی توان-آگاه^[۷] مسیر و رنج انتقال مناسب هر گره را انتخاب می‌کند تا انرژی مصرفی کاهش یابد. وقتی رابط رادیویی به طور فعال در حال انتقال/ دریافت بسته‌ها است هر دو پروتکل فوق الذکر سبب کاهش توان مصرفی می‌شوند. در حالیکه وقتی این رابط در حال بی‌باری است مصرف توان قابل ملاحظه‌ای دارد. مدیریت خواب^[۸] برای کاهش انرژی مصرفی پیشنهاد شده تا رادیوها زمانیکه مورد استفاده قرار نمی‌گیرند خاموش شوند(Xing&eta1, 2005,1-30).
گره حسگر از پردازنده، رادیو، حافظه و تعدادی حسگر تشکیل شده است. این اجزا توان مصرفی متفاوتی دارند ولی در این بین، پردازنده و رادیو دارای توان مصرفی بالاتری هستند. بنابراین بکارگیری روش‌هایی جهت کاهش توان مصرفی این اجزا، بطور قابل توجهی به عمر شبکه حسگر می‌افزاید.
در CMOS سه منبع اتلاف توان وجود دارد. توان تلفاتی کل طبق رابطه زیر بیان می‌شود:

در بخش اول C_L خازن بار، f_clk فرکانس ساعت و p_t احتمال اتلاف در انتقالات است که این بخش را توان سوئیچینگ می‌نامیم. در بخش دوم I_sc جریان اتصال کوتاه است که در زمان فعال بودن توام NMOS و PMOS ، از تغذیه به سمت زمین جاری می‌شود. در بخش سوم I_leakage جریان نشتی است. بخش اول و دوم بیانگر توان دینامیک هستند و بخش سوم بیانگر توان استاتیک است. چون بخش اول در توان دینامیک بخش غالب است انرژی مصرفی در پردازنده‌های CMOS را مجموع توان سوئیچینگ و نشتی می‌دانیم(Happonen, 2004). انرژی سوئیچینگ متناسب با مربع ولتاژ تغذیه است. انرژی تلفاتی بطور نشتی بصورت زیر مدل می‌شود:

که در آن V_th ولتاژ آستانه و V_T ولتاژ معادل حرارتی است. کاهش زمان چرخه سبب افزایش انرژی نشتی می‌شود بطوریکه انرژی نشتی فاکتور غالب انرژی مصرفی کل می‌شود. استفاده از تکنیک‌هایی مانند مقیاس گذاری دینامیک ولتاژ^[۹] و خاموش نمودن اجزا بی‌بار سبب کاهش انرژی مصرفی در حالت چرخه کار کوتاه می‌شود.
روش تخمین توان به ۴ سطح تجرید تقسیم می‌شود: ۱)سطح سیستم، ۲)سطح ^[۱۰]RTL، ۳)سطح گیت، ۴)سطح جانمایی^[۱۱] که در شکل ۱-۲ نشان داده شده است.

شکل ۱-۲٫ سطوح تخمین توان
دقت محاسبه توان در سطح گیت و جانمایی بین ۷۰ تا ۹۵% است. ولی مشکل محاسبه توان در این سطوح زمان شبیه سازی طولانی است. محاسبه توان در سطح سیستم کمترین زمان شبیه سازی را دارا است اما دقت آن بین ۴۰ تا ۷۵% است. پایین بودن دقت در سطح سیستم و طولانی بودن زمان شبیه سازی در سطح گیت و جانمایی سبب مهم شدن تخمین توان در سطح RTL شده است. اهمیت تخمین توان در سطح RTL ناشی از این موضوع است که بیشتر طراحی‌های دیجیتال بر پایه RTL هستند. تحلیل طراحی در سطح گیت برای طراحی‌های با پیچیدگی ۱۰۰۰۰-۵۰۰۰۰ گیت امکان پذیر است. در سطح RTL زمان شبیه سازی جهت تخمین توان کاهش یافته است و مقدار توان مصرفی در زمان کوتاه‌تری مشخص می گردد که بر روی طراحی موثر است. استراتژی تخمین توان در سطح RTL، سیستم را به بلوک‌ها و ماژول‌هایی مانند مالتی پلکسر، ضرب کننده و … می‌شکند. توان مصرفی این بلوک‌ها با روش‌های مختلفی مانند روش macro-model قابل محاسبه است. این روش با بهره گرفتن از الگوی ورودی و خواص آماری ورودی و خروجی توان مصرفی را محاسبه می‌کند.
فصل دوم. شبکه حسگر بی سیم
۲-۱٫ مقدمه
شبکه حسگر بی سیم، شبکه ای است که از تعداد زیادی گره کوچک تشکیل شده است. گره از طریق حسگرها اطلاعات محیط را دریافت می‌کند. گره ها بصورت بی سیم^[۱۲] با هم ارتباط برقرار می کنند. هرگره بطور مستقل کار می‌کند و معمولا از نظر فیزیکی بسیار کوچک است. هر گره از نظر قدرت پردازش, ظرفیت حافظه و منبع تغذیه دارای محدودیت‌هایی است. ساختار کلی شبکه حسگر بی‌سیم در شکل ۲-۱ آمده است.
شبکه حسگر : شبکه‌ای که فقط شامل گره های حسگر باشد. هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده است.
حسگر : وسیله ای که یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما, فشار, رطوبت
, نور و شتاب.
گره حسگر: به گره‌ای‌گفته می شود که شامل پردازنده، حافظه، گیرنده فرستنده، منبع تغذیه، حسگر و محرک^[۱۳]است(Stankovic, 2006).
میدان حسگر: ناحیه کاری که گره های شبکه حسگر در آن توزیع می‌شوند.