REPUBLIKA E SHQIPRIS

UNIVERSITETI POLITEKNIK I TIRANS

FAKULTETI I TEKNOLOGJIS S INFORMACIONIT

DEPARTAMENTI I ELEKTRONIKS DHE TELEKOMUNIKACIONIT

EZMERINA KOTOBELLI

PR MARJEN E GRADS

DOKTOR

N TEKNOLOGJIT E INFORMACIONIT DHE KOMUNIKIMIT

DREJTIMI TELEKOMUNIKACION DHE INXHINIERI INFORMACIONI

DISERTACION

ALGORITM I PRMIRSUAR RRUGZIMI PR MENAXHIM

EFIKAS T DHNASH N WSN

Udhheqs Shkencor

Prof. Asoc. ELMA ZANAJ

Tiran, 2015

ii

ALGORITM I PRMIRSUAR RRUGZIMI PR MENAXHIM EFIKAS T

DHNASH N WSN

Disertacion

i paraqitur n Universitetin Politeknik t Tirans

pr marrjen e grads

Doktor

n

Teknologjit e Informacionit dhe Komunikimit

drejtimi Telekomunikacion dhe Inxhinieri Informacioni

nga

Znj. Ezmerina Kotobelli

2015

iii

Disertacioni i shkruar nga

Znj. Ezmerina Kotobelli

SHPU (Master Shkencor), Universiteti Politeknik i Tirans, Shqipri, 2010

DIND, Universiteti Politeknik i Tirans, Shqipri, 2005

I aprovuar nga

__________________________ , Kryetari, i Juris s Disertacionit t Doktoraturs

__________________________ , Antart i Juris s Disertacionit t Doktoraturs

__________________________ , Antart i Juris s Disertacionit t Doktoraturs

__________________________ , Antart i Juris s Disertacionit t Doktoraturs

__________________________ , Antart i Juris s Disertacionit t Doktoraturs

I pranuar nga

__________________________ , Dekan, Fakulteti i Teknologjis s Informacioni

iv

PRMBAJTJA

LISTA E FIGURAVE ............................................................................................................ vii

LISTA E TABELAVE ............................................................................................................ ix

ABSTRACT .............................................................................................................................. x

PRMBLEDHJE ..................................................................................................................... xi

KAPITULLI 1 HYRJE ............................................................................................................ 1

1.1. Hyrje............................................................................................................................. 1

1.2. Motivimi dhe qllimi ................................................................................................... 2

1.3. Kontributi ..................................................................................................................... 4

1.4. Organizimi i disertacionit............................................................................................. 5

KAPITULLI 2 RRJETAT E SENSORVE PA TEL ........................................................... 6

2.1. Nyjet e sensorve ......................................................................................................... 7

2.2. Nj prshkrim i shkurtr i arkitekturs ........................................................................ 8

2.3. Metrikat vlersuese pr nj WSN .............................................................................. 11

2.3.1. Metrikat e vlersimit t sistemit ................................................................................................ 11 2.3.2. Metrikat e vlersimit t nyjeve individuale ............................................................................... 14

2.4. Standartet e shtress fizike dhe MAC ........................................................................ 17

2.5. Krkesat pr projektimin e algoritmave pr WSN ..................................................... 19

2.6. Aplikimet e rrjetave t sensorve pa tel .................................................................... 21

2.6.1. Klasifikimi sipas mnyrs s raportimit t t dhnave .............................................................. 22

2.6.2. Klasifikimi sipas fushs s prdorimit t aplikacionit ............................................................... 23 2.6.3. Shembuj aplikimesh .................................................................................................................. 25

2.7. Prmbledhje ............................................................................................................... 28

KAPITULLI 3 PROTOKOLLET E RRUGZIMIT N WSN ......................................... 30

3.1. Klasifikimi ................................................................................................................. 30

3.1.1. Klasifikimi mbi bazn e mnyrs s funksionimit .................................................................... 30 3.1.2. Klasifikimi sipas mnyrs s komunikimit t nyjes me BS ...................................................... 30

3.1.3. Klasifikimi sipas strukturs s rrjetit ......................................................................................... 31

3.2. Protokollet ekzistuese t rrugzimit ........................................................................... 32

3.2.1. Protokollet e rrugzimit data-centrik ......................................................................................... 32 3.2.2. Protokollet e rrugzimit hierarkik ............................................................................................. 36

3.2.3. Protokollet e rrugzimit t bazuar n vendodhje ....................................................................... 40

3.3. Shembuj protokollesh clustering ................................................................................ 42

3.3.1. Protokolli LEACH..................................................................................................................... 43 3.3.2. Punime t tjera t ngjashme clustering ...................................................................................... 48

3.4. Shfrytzimi i adresimit virtual cord pr rrugzim .................................................. 54

3.4.1. Prshkrimi i VCP ...................................................................................................................... 54

v

3.4.2. Punime t ngjashme me VCP .................................................................................................... 62

3.5. Prmbledhje ............................................................................................................... 67

KAPITULLI 4 MENAXHIMI I T DHNAVE N WSN ................................................ 69

4.1. Trajtimi i problemit t menaxhimit t t dhnave ...................................................... 69

4.2. Transmetimi i t dhnave ........................................................................................... 70

4.3. Trajtimi i WSN si baza t dhnash t shprndara ...................................................... 72

4.4. Emrtimi dhe indeksimi i t dhnave ......................................................................... 73

4.5. Tabelat hash t shprndara ......................................................................................... 74

4.6. Ruajtja e t dhnave ................................................................................................... 76

4.6.1. Ruajtja lokale ............................................................................................................................ 76 4.6.2. Ruajtja jasht rrjetit ................................................................................................................... 77

4.6.3. Ruajtja brnda-rrjetit ................................................................................................................. 78

4.6.4. Krahasimi analitik i tre metodave ............................................................................................. 80

4.7. Prpunimi i t dhnave ............................................................................................... 82

4.7.1. Prpunimi lokal ......................................................................................................................... 83 4.7.2. Prpunimi brnda-rrjetit ............................................................................................................ 83 4.7.3. Prpunimi i jashtm ................................................................................................................... 84

4.8. Sistemet Peer-to-Peer ................................................................................................. 84

4.8.1. Sistemet P2P t pastrukturuara .................................................................................................. 85

4.8.2. Sistemet P2P t strukturuara...................................................................................................... 87

4.9. Prmbledhje ............................................................................................................... 89

KAPITULLI 5 ALGORITM I PRMIRSUAR RRUGZIMI PR MENAXHIM

EFIKAS ................................................................................................................................... 92

5.1. Propozimi i algoritmit cluster statik........................................................................... 92

5.1.1. Nyjet lider statike ...................................................................................................................... 93 5.1.2. Bllokdiagrama e algoritmit CS .................................................................................................. 93

5.2. Propozimi i rrugzimit VCP n rrjetin cluster ........................................................... 95

5.2.1. Propozimi i skems s integruar me VCP ................................................................................. 95 5.2.2. Nj vlersim teorik i skems s propozuar ................................................................................ 98 5.2.3. Bllokdiagrama e skems s propozuar ...................................................................................... 98

5.2.4. Prmirsimi i disa problemeve q sjell VCP ........................................................................... 100

5.3. Modelet matematikore t metods s propozuar ...................................................... 102

5.3.1. Modeli radio i prdorur n algoritmin CS ............................................................................... 103 5.3.2. Funksioni hash pr gjenerimin e elsave ............................................................................... 104 5.3.3. Gjenerimi i adresave relative n kord .................................................................................... 104 5.3.4. Llogaritja e gjatsis mesatare t rrugve n skemn e propozuar .......................................... 105

5.4. Prmbledhje ............................................................................................................. 106

KAPITULLI 6 SIMULIME DHE VLERSIME .............................................................. 107

6.1. Simulimi i rrjetit n Castalia .................................................................................... 107

6.1.1. Struktura e simulatorit ............................................................................................................. 107 6.1.2. Moduli i nyjes ......................................................................................................................... 108

6.1.3. Modelimi i rrjetit cluster ......................................................................................................... 109 6.1.4. Modelimi i rrjetit pr skemn e integruar t propozuar ........................................................... 112

6.2. Performanca e algoritmit CS .................................................................................... 113

vi

6.2.1. Prcaktimi i nyjeve heterogjene .............................................................................................. 113

6.2.2. Vlersimi i performancs s CS kundrejt LEACH .................................................................. 116 6.2.3. Ndikimi i pozicionit t nyjes BS ............................................................................................. 118 6.2.4. Studimi i efektit t formave t ndryshme t zons s ndijimit................................................. 120

6.3. Performanca e algoritmit t prmirsuar VCP ......................................................... 122

6.3.1. Rasti 1 ..................................................................................................................................... 122 6.3.2. Rasti 2 ..................................................................................................................................... 123 6.3.3. Rasti 3 ..................................................................................................................................... 124 6.3.4. Rasti 4 ..................................................................................................................................... 125

6.4. Prmbledhje ............................................................................................................. 126

PRFUNDIME ..................................................................................................................... 127

SHTOJC IMPLEMENTIMI I CS N CASTALIA .................................................... 129

LISTA E SHKURTIMEVE ................................................................................................. 137

LITERATURA ..................................................................................................................... 140

vii

LISTA E FIGURAVE

Figura 2.1 Nj rrjet tipik sensorsh wireless ............................................................................. 6

Figura 2.2 Komponentt prbrs t nyjes s sensorit .............................................................. 7

Figura 2.3 Shprndarje sensorsh pr studime n agrikultur ................................................... 9

Figura 2.4 Nj arkitektur e thjesht WSN-je ............................................................................ 9

Figura 2.5 Staku i protokolleve n rrjetat me sensor ................................................................ 9

Figura 2.6 Integrimi i rrjetave WSN pr monitorimin e ciklit t ujit ....................................... 26

Figura 3.1 Protokollet e rrugzimit sipas strukturs s rrjetit n WSN. ................................... 32

Figura 3.2 Problemi i duplikimit .............................................................................................. 33

Figura 3.3 Problemi i mbivendosjes ......................................................................................... 33

Figura 3.4 Organizimi i nj rrjeti q prdor protokollin LEACH ............................................ 37

Figura 3.5 Zinxhiri n PEGASIS .............................................................................................. 38

Figura 3.6 PEGASIS me zinxhir hierarkik ............................................................................. 39

Figura 3.7 Grupimet hierarkike n TEEN dhe APTEEN. ........................................................ 40

Figura 3.8 Cikli i zgjim/fjetje ................................................................................................... 45

Figura 3.9 Hierarkia e nyjeve lider t prdorur n TL-LEACH ............................................... 47

Figura 3.10 (a) Bhet CH nyja e par kandidate q drgon krkesn, (b) Nyja CH aktuale

drgon krkesa t vazhdueshme pr t qndruar si CH, (c) Konflikti i disa

krkesave pr CH. .................................................................................................. 49

Figura 3.11 (a) Skema me 1 hop, (b) Skema multi-hop. .......................................................... 49

Figura 3.12 Nyjet me pesha t ndryshme n hierakin e DWEHC .......................................... 53

Figura 3.13 Hierarkia e nyjeve n SHPER. .............................................................................. 54

Figura 3.14 Organizimi i VCP-s ............................................................................................ 55

Figura 3.15 Procesi i bashkimit t gjasht nyjeve n kordn virtuale. .................................... 58

Figura 3.16 Veprimi i krijimit t nj nyje virtuale .................................................................. 58

Figura 3.17 Rrugzimin greedy duke shfrytzuar informacionin e fqinjsis lokale dhe

kordn virtuale ....................................................................................................... 60

Figura 3.18 Rrugzimi n rastin e nj dshtimi t nyjes 0.47 .................................................. 62

Figura 3.19 Rrugzimi n GPSR .............................................................................................. 64

Figura 4.1 Ruajtja lokale: Informacioni DATA ruhet lokalisht n do nyje. ........................... 77

Figura 4.2 Ruajtja e jashtme: t dhnat e ndijuara transmetohen drejt nyjes sink.. ................. 78

Figura 4.3 Ruajtja brnda-rrjetit: Informacioni Data ruhet n ato nyje t rrjetit q lidhen me t

dhnn. ................................................................................................................... 79

Figura 4.4 Nj krahasim i kompleksitetit t tre mnyrave t ruajtjes n termat e overhead-it t

lookup-it (boshti y) dhe overhead-it t ruajtjes (boshti x). .................................... 82

Figura 4.5 Rrjeti P2P i pastrukturuar ........................................................................................ 85

Figura 4.6 a) Arkitektura Napster, b) Arkitektura Gnutella. .................................................... 86

Figura 4.7 Arkitektura Fasttrack ............................................................................................... 87

Figura 4.8 Rrjeti P2P i strukturuar ........................................................................................... 88

Figura 4.9 Hapsira e adresimit rrethore dhe lookup-i baz n Chord .................................... 89

viii

Figura 5.1 Bllokdiagrama e algoritmit CS ............................................................................... 94

Figura 5.2 Shembull rrjeti sipas VCP. ...................................................................................... 96

Figura 5.3 Formimi i grupimeve duke przgjedhur paraprakisht nyjet CH. ............................ 96

Figura 5.4 Shembull i implementimit t kords virtuale tek modeli i propozuar. .................... 97

Figura 5.5 Diagrama e funksionit aktivizues pr operimin VCP vetm n nyjet CH. ............. 97

Figura 5.6 Bllokdiagrama e skems s integruar. ..................................................................... 99

Figura 5.7 a) Nj nyje q krkon t lidhet n kord komunikon me dy nyje fundore. b) Lidhja

e nyjeve sipas VCP .............................................................................................. 101

Figura 5.8 Modeli i shpenzimit t energjis n pjesn e radios. ............................................. 103

Figura 6.1 Rrjeti i ngritur mbi Castalia .................................................................................. 108

Figura 6.2 Nyja n Castalia .................................................................................................... 109

Figura 6.3 Nj model rrjeti me 81 nyje i ndar n 9 grupime ................................................ 110

Figura 6.4 Modelimi i WSN n tri forma t ndryshme t zons s studimit: kuadratike (lart

majtas), trekndore (lart djathtas) dhe rrethore (posht) ..................................... 110

Figura 6.5 Rotacioni i nyjeve CH npr raunde sipas algoritmit LEACH ............................ 111

Figura 6.6 Nyje lider t njjta n raunde t ndryshme me algoritmin e modifikuar .............. 111

Figura 6.7 Ndrtimi i rrjetit duke integruar VCP me CS. ...................................................... 113

Figura 6.8 Raporti i shpenzimit t energjis s nyjes lider kundrejt asaj t nyjes s thjesht 114

Figura 6.9 Jetgjatsia e algoritmit CS e matur n raunde ..................................................... 114

Figura 6.10 Jetgjatsia e rrjetit sipas CS me nyje homogjene. ............................................. 115

Figura 6.11 Jetgjatsia e rrjetit sipas CS me 2 nivele energjie t nyjeve .............................. 116

Figura 6.12 Humbjet e paketave pr tre madhsi t ndryshme rrjeti. ..................................... 117

Figura 6.13 Paraqitja e interferences midis nyjeve................................................................. 118

Figura 6.14 Stacioni baz: n skaj t zons (majtas) dhe n qendr t zons (djathtas). ....... 119

Figura 6.15 Jetgjatsia e llogaritur pr dy pozicione t ndryshme t nyjes BS. ................... 119

Figura 6.16 Raporti i humbjeve t paketave tek nyjet CH n zonn kuadratike. .................. 120

Figura 6.17 Raporti i humbjeve t paketave tek nyjet CH n zonn trekndore. ................... 120

Figura 6.18 Raporti i humbjeve t paketave tek nyjet CH n zonn rrethore ........................ 121

Figura 6.19 Jetgjatsia n zonn rrethore ............................................................................. 121

Figura 6.20 Lidhja e nyjeve n rrjetin me ridrgim paketash ................................................. 123

Figura 6.21 Korda e krijuar me shfrytzimin e parametrit RSSI............................................ 124

ix

LISTA E TABELAVE

Tabela 3.1 Parametrat fillestar pr procesin e bashkimit ........................................................ 56

Tabela 3.2 Krahasimi i varianteve t ndryshme t protokollit LEACH ................................... 67

Tabela 6.1 Parametrat e rrjetit ................................................................................................ 112

Tabela 6.2 Pa ridrgim paketash............................................................................................. 122

Tabela 6.3 Me ridrgim paketash ........................................................................................... 122

Tabela 6.4 Interval i zbutur (i njtrajtshm) ........................................................................... 123

Tabela 6.5 Renditje e rekordeve sipas RSSI........................................................................... 124

Tabela 6.6 Timer rastsor pr mesazhet hello ........................................................................ 125

Tabela 6.7 Pa timer rastsor pr mesazhet hello .................................................................... 125

x

ABSTRACT

Nowadays the development of Wireless Sensor Networks (WSN) it is very rapid, because

wireless communications has found great use in important areas, such as health care,

environmental protection, military applications, etc. Studding WSN includes many aspects

such as: routing protocols, managament of data in these nets, security, evaluation of energy,

etc.

WSN is dealing with very large uses and data management is very important, especially in

applications for environmental monitoring, where gathering and forwarding the information

are required to be in the most efficient manner. The resource constraints of WSN makes data

management in them different from that of other networks. The proposed models for MANET

networks were unsuitable for WSN. New routing schemes are required for efficient data

management in these nets, especially when their size is increasing. VCP (Virtual Cord

Protocol) is an efficient routing scheme and also provides ways of managing data such as

identification, preservation and research data. VCP routing is based on the virtual position of

the nodes. Alternatively hierarchical use of nodes by grouping them in clusters is widely

followed from the research community to achieve the objective of scalability at networks and

also to implement energy efficient routing. Clustering algorithms are numerous and differ

depending on the network application. As one of the most used models in clustering was

chosen to study the LEACH algorithm, which organize network in the ways that leader nodes

and the size of clusters change continuously.

In this work we propose an improved routing version of the VCP on cluster network built by

Static Cluster algorithm (CS). The proposed algorithm it is suggested to be used especially in

applications such as environmental monitoring, where the accumulation of large amounts of

data has to be managed and where the network lifetime takes a special significance. The CS

algorithm is based on the model of LEACH, adapting it for VCP routing. The CS algorithm

forms stable clusters while keeping their leader nodes fixed. VCP routing is only performed

between leader nodes, while simple nodes route data as CS algorithm. The simulation results

demonstrated that the routing is improved, data traffic is reducing and an easy lookup of data

is achieved.

Keywords: Wireless Sensor Networks (WSN), algorithm, LEACH, VCP, CS, routing, data

management, leader node.

xi

PRMBLEDHJE

Zhvillimi i rrjetave me sensor wireless (WSN), n ditt e sotme sht shum i vrullshm,

sepse komunikimet wireless kan gjetur nj prdorim shum t madh n fusha t rndsishme,

si kujdesi pr shndetin, mbrojtja e mjedisit, zbatime n ushtri, etj. Studimi i rrjetave me

sensor wireless prfshin shum drejtime, si: protokollet e rrugzimit, menaxhimi i t dhnave

n kto rrjeta, siguria, vlersimi i aspekteve energjitike, etj.

Duke ditur prdorimet shum t mdha q kan WSN n ditt e sotme, menaxhimi i t dhnave

sht shum i rndsishm, veanrisht n zbatimet pr monitorimin e mjedisit, ku mbledhja e

informacionit dhe prcjellja e tij duhen br n mnyr sa m efikase. Kufizimet burimore t

rrjetit t sensorve wireless bn q menaxhimi i t dhnave n kt rrjet t dalloj nga ai i

rrjetave t tjera. Modelet e propozuara pr rrjetat MANET ishin t paprshtatshme pr WSN.

Skema t reja rrugzimi krkohen pr menaxhimin efikas t t dhnave n kto rrjeta,

veanrisht kur madhsia e tyre sht n rritje. VCP (Virtual Cord Protocol) ofron nj skem

efikase rrugzimi dhe gjithashtu siguron mnyra t menaxhimit t t dhnave si jan

identifikimi, ruajtja dhe krkimi i t dhnave. Rrugzimi n VCP bazohet n pozicionet

virtuale t nyjeve. Nga ana tjetr prdorimi hierarkik i nyjeve duke i grupuar ato n cluster-a

sht ndjekur gjersisht nga komuniteti i krkuesve pr t arritur objektivin e

shkallzueshmris n rrjet si dhe pr t realizuar rrugzime efikase n energji. Algoritmat

clustering jan t shumt dhe dallojn n varsi t aplikimit t rrjetit. Si nj nga modelet m t

prdorura clustering sht zgjedhur studimi i algoritmit LEACH, i cili e organizon rrjetin n

grupime ku nyjet lider t t cilve, si dhe madhsia e tyre, ndryshojn vazhdimisht.

N kt punim propozohet nj version i prmirsuar rrugzimi t VCP mbi rrjetin cluster t

ndrtuar prmes algoritmit Cluster Statik (CS). Algoritmi i propozuar sygjerohet t prdoret

sidomos n aplikime t tilla si monitorimi i mjedisit, ku grumbullimi i sasive t mdha t t

dhnave duhet menaxhuar dhe ku jetgjatsia e rrjetit merr nj rndsi t veant. CS sht

mbshtetur n modelin e LEACH, duke e prshtatur at pr rrugzimin VCP. Ai formon

grupime t qndrueshme duke i mbajtur fikse nyjet lider t tyre. Rrugzimi sipas VCP kryhet

vetm midis nyjeve lider, ndrkoh nyjet e thjeshta rrugzojn sipas skems q ofron CS.

Rezultatet e simulimit tregojn nj rrugzim t prmirsuar, nj reduktim t trafikut t t

dhnave dhe nj lehtsim t procesit t krkimit t tyre.

Fjalt kye: Rrjetat me sensor wireless (WSN), algoritm, LEACH, VCP, CS, rrugzim,

menaxhim t dhnash, nyje lider.

1

KAPITULLI 1

HYRJE

N kt kapitull jepen n terma t prgjithshm disa nga elementt kryesor t ktij punimi.

Jepet nj tablo e prgjithshme e shtrimit teorik t problemit dhe e rezultateve me t cilat lidhet

puna konkrete e zhvilluar. Paraqiten motivimi, objektivat dhe kontributi i punimit si dhe n

fund tregohet dhe organizimi i disertacionit n kapituj.

1.1. Hyrje

Teknologjia e gjysmpruesve solli nj evolucion n botn e elektroniks. Kostoja pr t

fabrikuar nj element t dhn logjik (proesor, memorje, periferik) ka ardhur duke u

zvogluar n dekadat e fundit. N veanti, zhvillimi i teknologjive t reja, si sht teknika

gjersisht e prdorur System-on-a-chip, ka sjell prodhimin e pajisjeve n prmasa t vogla t

cilat mund t kryejn shum funksione. Nj shembull i rndsishm i ktyre pajisjeve

kompakte sht nj nyje me sensor, q prve aftsive llogaritse tradicionale, ka dhe aftsi

ndijimi e komunikimi. Kto nyje paraqesin prmirsime t rndsishme t sensorve

tradicional [1]. Nyjet e sensorve jan t afta q jo vetm t masin fenomenin fizik, por edhe

t prpunojn, t ruajn dhe t shprndajn kto matje. Bashksit e nyjeve me sensor q

bashkpunojn dhe ndrtojn nj rrjet ad hoc duke prdorur komunikimin pa tel quhen rrjeta

t sensorve pa tel, shkurt WSN (Wireless Sensor Networks). Zakonisht nyjet sensor

vendosen n mnyr t rastsishme brenda zons s studimit ose n afrsi t saj. Kto nyje

sensor kryejn nj pjes t rndsishme t prpunimit t sinjalit, llogaritjes, si dhe t vet-

konfigurimit pr t ndrtuar rrjeta t fuqishme, t shkallzueshme dhe jetgjat. Prandaj

WSN-t paraqesin mundsi kosto-efektive, praktike dhe aftsi, pr t mbshtetur shum

aplikacione t bots reale.

Aplikacione t ndryshme q lidhen me monitorimin e mjedisit kan si objekt kryesor

mbledhjen e sa m shum t dhnave q e karakterizojn mjedisin q sht nn studim.

Prandaj, menaxhimi i ktyre t dhnave mbetet nj detyr thelbsore e ktyre sistemeve

monitoruese, veanrisht kur madhsia e rrjetit vazhdon t rritet. WSN jan prdorur shum

mir n aplikime t tilla, sepse prshtaten me krkesa t tilla si: kosto e ult, infrastruktur e

thjesht, shkallzueshmri dhe prdorim efikas t teknikave rrugzuese. Mbledhja e t

dhnave nga WSN si dhe kufizimet q kan nga burimet e ushqimit t nyjeve sensor bjn t

dalloj menaxhimi i t dhnave sensoriale nga ai i rrjetave t tjera t komunikimit [2].

Protokollet standarde t rrugzimit mbshteten n teknika q nuk kan patur si qllim

prdorimin efikas t burimeve si e krkojn rrjetat me sensor. Kombinimi i tabelave t

2

shprndara hash (DHT Distributed Hash Table) pr t ruajtur dhe marr t dhna n rrjet me

rrugzimin e bazuar n standartin peer-to-peer oi n krijimin e teknikave baz t rrugzimit

n koordinata virtuale [3]. Shumica e ktyre algoritmeve jan t komplikuara dhe nuk

garantojn shprndarjen e paketave n rrugn m t shkurtr. Pr m tepr, vetm disa prej

tyre jan zbatuar praktikisht n nyjet sensor. Posarisht pr rrjetat WSN, n lidhje me kt

problem, sht projektuar VCP [4], nj protokoll rrugzimi i bazuar n pozicionet virtuale q

gjithashtu ofron mnyra pr menaxhimin e t dhnave t tilla si: identifikimi, ruajtja, dhe

lookup-i i t dhnave.

Propozimi yn ka si qllim kryesor rritjen e aplikueshmris s algoritmit VCP n mnyr q

zbatimi i tij t mos ngelet vetm tek modelet e rrjetave peer-to-peer, por t prdoret edhe tek

rrjetat me grupime, nyjet e t cilave mbajn pozicione hierarkike n rrjet. Pr kt qllim,

synohet t integrohen teknika peer-to-peer sipas t cils vepron algoritmi VCP me teknikn e

grupimeve n cluster-a, duke trashguar t gjitha t mirat e VCP.

Studimi i organizimit t nyjeve sensor n cluster-a sht ndjekur gjersisht nga krkuesit pr

t arritur objektivin e shkallzueshmris dhe pr mirmbajtjen efikase t energjis n rrjet.

do cluster do t ket nj lider, shpesh t referuar si koka e cluster-it (cluster-head, CH). Nj

CH mund t zgjidhet nga sensort e nj grupimi ose t paracaktohet nga projektuesi i rrjetit.

Nj CH mund t jet thjesht nj nga nyjet sensor ose nj nyje e cila sht e pasur me burime.

Antarsimi n grup mund t jet fiks ose i ndryshueshm. Nyjet CH mund t formojn nj

rrjet t nivelit t dyt ose mund vetm t drejtojn t dhnat pr tek palt e interesuara, pr

shembull nj stacion baz apo nj qendr komanduese.

Pr organizimin e rrjetit me grupime ekzistojn nj mori algoritmash. N kt punim, jemi

mbshtetur tek LEACH pr krijimin e nj algoritmi t ri clustering pr t krijuar clusterat e

rrjetit. LEACH sht i thjesht n implementim dhe shfaq nj kompleksitet t ult n

organizimin e grupeve, por mbshtetet n disa supozime q e kufizojn.

Skema e propozuar kombinon VCP me algoritmin e ri clustering duke realizuar n kt

mnyr nj rrugzim efikas tek nyjet lider. Gjat implementimit t skems s propozuar n

simulator kemi evidentuar disa probleme q lidhen me algoritmin VCP, si pr shembull

formimi i lidhjeve jo optimale n kord n situata specifike si dhe kushte kongjestioni si

rezultat i mesazheve sinjalizuese pr formimin e kords virtuale tek nyjet lider. Kemi

propozuar disa zgjidhje duke e prmirsuar m tej skemn e propozuar. Rezultatet e

simulimeve tregojn nj performanc m t mir t skems s propozuar kundrejt algoritmave

standart n t ciln sht mbshtetur, n lidhje me reduktimin e humbjes s paketave dhe t

ritransmetimeve pr kto paketa t humbura dhe si rrjedhoj n uljen e trafikut t paketave n

rrjet.

1.2. Motivimi dhe qllimi

Rrjetat WSN mbledhin t dhna, ndaj prpunimi dhe prcjellja e ktyre t dhnave n mnyr

efikase sht mjaft e rndsishme. Menaxhimi efikas i t dhnave n WSN krkon skema dhe

3

algoritme t reja. Kjo dhe dshira pr t punuar me rrugzimin na motivoi pr t gjurmuar

teknikat e ndryshme t rrugzimit efikas n WSN.

Konkluzionet e shumta q jan nxjerr nga protokollet e prdorura gjrsisht pr Internetin

mund t prdoren pr t ndrtuar algoritmet e rrjetave me sensor. Rreth viteve 2000 e m pas

jan projektuar dhe zhvilluar nj numr shum i madh i sistemeve t shprndara dhe t vet-

organizuara P2P (Peer-To-Peer). Ndarja e t dhnave midis prdoruesve (peers), t cilt kan

t drejta t barabarta, sht aplikimi kryesor i ktyre sistemeve. N fillim sistemet P2P kan

prdorur nj server qndror pr t lokalizuar t dhnat, i cili ka t metn q sistemi vuan nga

nj pik e vetme qndrore e dshtimit. Gjithashtu sistemet P2P kan prdorur teknikn

flooding, pr t lokalizuar t dhnat e cila ka t metn q shkallzueshmria e ktyre

sistemeve sht e keqe. Qysh ather jan arritur prparime t mtejshme dhe teknika t reja

kan dal n pah. Mbshtetja n konceptin e indeksimit t shprndar sht karakteristika

kryesore e ktyre teknikave t reja. Nj nga idet kryesore ishte prdorimi i tabelave hash t

shprndara (DHT) q i lidhin nyjet me t dhnat, kshtu gjetja e nj nyje q ka nj t dhn

specifike do jet nj detyr e leht. Pr shkak t karakteristikave specifike t WSN, si burime

mjaft t limituara n termat e jetgjatsise s bateris, fuqis llogaritse dhe aftsive t

komunikimit, nevojiten shum skemat eficiente dhe t shkallzueshme t menaxhimit e t

rrugzimit t t dhnave.

Ka disa t prbashkta midis WSN dhe metodave tipike P2P q kan motivuar n punimin

ton prdorimin e tekniks peer-to-peer pr menaxhimin efikas t t dhnave n WSN. Duke

patur parasysh se me nyje i referohemi peer-it n sistemet P2P dhe nyjes s sensorit n rrjetat

e sensorve kto t prbashkta jan:

Prdorimi i prbashkt i burimeve. Brenda nj grupi nyjesh, secila nyje prve

shfrytzimit t burimeve t veta mund t shfrytzoj dhe burimet e nyjeve t tjera,

sidomos n funksionet e ruajtjes dhe t llogaritjes.

Arkitekturat e decentralizuara. N t tilla arkitektura sistemet nuk e njohin nocionin e

koordinimit global, q do t thot nyjet bashkpunojn lokalisht.

Lidhje t prkohshme. Nyjet n sistemet P2P n mnyr frekuente shkputen si

rezultat i lidhjes s dobt ose i prdoruesve q largohen nga sistemi. N WSN nyjet

dshtojn pr shkaqe t ndryshme si pr shembull shkatrrimi fizik i nyjeve, shterimi i

energjis ose gabimet e linkut t komunikimit.

T drejta dhe funksione t njjta. Nyjet jan partner t barabart me funksionalitete

simetrike. do nyje sht plotsisht autonome n lidhje me burimet e veta.

Menaxhimi i identitetit. ID-ja e nyjes zakonisht ndryshon kshtu q nyja nuk sht

vazhdimisht e arritshme n t njjtn adres. Meqense lidhjet jan t prkohshme,

nyjeve u caktohet dinamikisht nj ID e re do her q lidhen n rrjet.

Rrugzimi dhe prcjellja e mesazheve. Komunikimi drejtohet trsisht nga nyjet q

operojn n nivelin lokal. Zakonisht komunikimi n rrjet prfshin prezencn e nj

mekanizmi prcjelljeje, pr shembull nyjet ojn mesazhe pr llogari t nyjeve t tjera.

Prve ktyre ngjashmrive ka edhe diferenca q duhen patur kujdes. Pr shembull, nyjet

sensor zakonisht kan burime mjaft t limituara llogaritse, kujtese dhe energjie. N dallim

4

peer-et n sistemet P2P jan kompjutera q kan aftsi llogaritjeje dhe burime memorje t

mjaftueshme dhe furnizim me energji t pandrprer. Nj tjetr diferenc e rndsishme sht

veimi i rrjetave fizik dhe llogjik, q komplikon prdorimin e koncepteve P2P n WSN.

Koht e fundit grupimi i nyjeve n cluster-a po merr hov t madh n botn e krkimit

meqense rrjetat po bhen gjithnj e m t mdha ndaj karakteristika e shkallzueshmris

duhet prmirsuar shum. Ndaj edhe qllimi yn ishte q teknikn peer-to-peer ta prdornim

tek rrjetat WSN me cluster-a. Gjithashtu ndarja e rrjetit n grupime ka rezultuar nj metod

efikase n shprndarjen e shpenzimit t energjis e cila mund t neutralizoj diferencn

burimore q kan WSN me P2P. Prsa i takon prdorimit t shtresave llogjike, zgjedhja e nj

metode t thjesht cluster dhe konceptimi i rrjetit me dy shtresa nyjesh t pavaruara, ka

lehtsuar implementimin [5]. Skema jon brenda grupimit funksionon si clustering dhe jasht

grupimit funksionon si VCP duke i konsideruar nyjet lider si nj shtres P2P e rrjetit, e

pavarur nga shtresa e nyjeve antare.

1.3. Kontributi

Kontributi kryesor i ktij punimi sht propozimi i nj skeme t re hibride q ofron rrugzim

optimal t dhnash, mundson ruajtje dhe krkim efikas t tyre dhe si rrjedhoj ul trafikun e

paketave. Ky kontribut vjen si rezultat i prdorimit dhe i prmirsimit t algoritmit VCP n

nj rrjet sensorsh me clustera.

Kontribut tjetr i punimit sht dhe ndrtimi i nj algoritmi t ri clustering i bazuar n

modelin LEACH, i cili sht quajtur algoritm Cluster Statik. Ky algoritm e organizon

rrjetin n grupime me numr konstant nyjesh dhe fikson procesin e zgjedhjes s nyjeve lider.

Nyjet lider ktu jan t paracaktuara q n fillim dhe grupimet jan t qndrueshme ndryshe

nga protokolli LEACH q prdor rotacion t nyjeve CH ku numri dhe madhsia e grupeve

ndryshon vazhdimisht. Algoritmi CS shikohet si nj prshtatje e LEACH, pr tu zbatuar n

rrjeta statike t monitorimit mjedisor n aplikime t tilla ku nyjet vendosen n pozicione t

njohura n nj fush studimi dhe nyjet CH paraprzgjidhen n mnyr q t jetojn sa m

gjat. Meqense aplikimet e monitorimit mjedisor shquhen pr nj numr t madh nyjesh,

skema e propozuar jep si kontribut menaxhimin e t dhnave, prmes integrimit t nj moduli

VCP n algoritmin CS, q realizon rrugzim P2P t dhnash midis nyjeve CH. Bazuar n nj

gam t paracaktuar t pozicioneve, skema e propozuar buron pozicionet relative n nyjet

lider pa prmbytur rrjetin dhe pa marr parasysh vendndodhjen fizike t tyre. Pra skema e re

nuk krkon q nyjet t ken nj identitet global - n t vrtet nj identitet lokal sht i

mjaftueshm. Duke prdorur vetm informacionin mbi fqinjt fizik, skema e propozuar

garanton shprndarjen e paketave n mes do dy nyjeve lider q bashkohen n kord duke

prdorur algoritmin e rrugzimit t VCP. Integrimi i VCP tek algoritmi i prshtatur LEACH

bn q q t zgjerohet aplikimi i tij jo vetm tek rrjetat peer-to-peer por edhe tek rrjetat

cluster. Kjo prmirson m tej shkallzueshmrin e VCP dhe rrit funksionalitetet e rrjetit

cluster, sepse trashgon atributet e algoritmit VCP.

5

1.4. Organizimi i disertacionit

Ky punim sht i ndar n 6 kapituj, prfundimet, literatura dhe shtojca.

N kapitullin e par, jepet nj hyrje mbi punimin, aspektet kryesore ku ndalet punimi, si dhe

kontributi i propozimit bashk me prmbajtjen.

Njohurit e prgjithshme t WSN, duke u fokusuar n karakteristikat e arkitekturs dhe

aplikimet e tyre jepen n kapitullin e dyt. Jan dhn lista e metrikave vlersuese, e

standardeve t prdorura n kto rrjeta si dhe e krkesave q duhen plotsuar pr projektimin

e nj algoritmi pr WSN. Jan trajtuar kriteret e ndryshme t klasifikimit t aplikimeve,

zgjedhja e t cilit ka rndsi n ndrtimin e arkitekturs s rrjetit.

N kapitullin e tret jepen klasifikimet e ndryshme t protokolleve rrugzuese q lidhen me

grupimin e nyjeve n WSN si dhe me prdorimin e vendodhjes s nyjeve pr menaxhim

efikas t t dhnave. Jan trajtuar n mnyr t detajuar grupet e klasifikimit q preken nga

skema e propozuar si: protokollet data-centrike, protokollet hierarkik clustering dhe

protokollet e rrugzimit t bazuar n vendodhjen e nyjes. sht prezantuar LEACH, ku sht

bazuar algoritmi CS. Gjithashtu jepet nj prshkrim i detajuar i VCP, i cili prdoret pr

rrugzimin midis nyjeve lider n skemn e propozuar. N kt kapitull jepet nj pasqyr mbi

punt e deritanishme q lidhen me LEACH dhe VCP dhe si rrjedhoj dhe me skemn e

propozuar.

N kapitullin e katrt trajtohen shtjet e menaxhimit t t dhnave n WSN ku analizohet

problemi i menaxhimit efikas n disa aspekte. Nj nga aspektet sht dhe teknika e krkimit t

t dhnave (lookup) ku bhet edhe nj krahasim i performancs midis teknikave t ndryshme

lookup t t dhnave dhe krkesat dhe implikimet e prdorura nga do teknik. Jepen disa

detaje t WSN dhe sistemeve P2P, ngjashmrit dhe dallimet midis tyre, problemet q

shfaqin. Ky krahasim sht par si nj aspekt pr zgjidhjen e problemit t menaxhimit t t

dhnave n WSN n mnyr sa m efikase.

N kapitullin e pest trajtohet konceptimi i modelit q propozohet, i ndar n dy faza. N

fazn e par jepen detajet e ndrtimit t algoritmit CS q shrben pr formimin e e grupimeve

t qndrueshme n rrjet. N fazn e dyt jepet integrimi i VCP me CS. N kt faz jan

paraqitur edhe disa probleme t evidentuara gjat simulimit dhe jan ofruar disa prmirsime

q lidhen me optimizimin e kords dhe reduktimin e paketave t humbura n rrugzimin VCP.

N kapitullin gjasht jepen simulimet e bra dhe vlersimet pr seciln faz t propozimit.

sht krahasuar performanca e algoritmit CS me at LEACH pr disa parametra, si:

jetgjatsia, humbja e paketave dhe interferenca midis grupimeve. Me an t eksperimenteve

sht studiuar efekti i pozicionit t stacionit baz kundrejt fushs s sensorve dhe format e

ndryshme t zons s studimit tek t dy algoritmet. Pastaj sht simuluar skema e integruar

me VCP dhe sht vlersuar performanca e saj kundrejt algoritmit standart VCP.

Punimi prfundon me konkluzionet dhe disa tendenca t punimit n t ardhmen.

6

KAPITULLI 2

RRJETAT E SENSORVE PA TEL

Zhvillimet teknologjike kan br t mundur projektimin dhe implementimin e gjeneratave t

reja t nyjeve t rrjetave me sensor, duke i paketuar ato n paisje t vogla q kushtojn pak,

por me aftsi t mira llogaritse dhe komunikim pa tel. Kjo klas e re rrjetash, t emrtuara

me emrin rrjetat e sensorve pa tel (Wireless Sensor Networks), shkurt WSN, kan treguar

potencial dhe premisa t mdha me nj rreze aplikimesh n fusha t reja t pa imagjinuar m

par. Funksioni kryesor i ktyre rrjetave sht kampionimi i t dhnave t mjedisit rrethues

duke prdorur sensort. N fillimet e tyre, kto rrjeta konsistonin n nj numr t vogl

sensorsh t lidhur n nj nyje kontrolli qndrore. Sot, WSN-t prbhen nga nj numr

shum i madh nyjesh dhe mund t mos ken nevoj pr nj nyje qendrore.

Pr nga natyra e tyre WSN-t fokusohen tek t dhnat, kshtu q mund t trajtohen si

databaza t shprndara q marrin nj fluks t vazhdueshm t dhnash nga bota fizike. Vetia e

tyre kryesore qndron n aftsin pr t shprndar nj numr t madh nyjesh sensor q

grupohen dhe konfigurojn veten. Kto nyje bashkpunojn pr t ngritur rrjetin duke

prdorur komunikimin me kanal radio. Normalisht, kur nyja detekton nj ngjarje, ajo e drgon

kt ngjarje drejt stacionit baz, q zakonisht ndodhet jasht rrjetit. Stacioni baz mund t jet

nj nyje statike ose dinamike, e aft pr t lidhur rrjetin e sensorve me nj infrastruktur

komunikimi ekzistuese ose dhe me Internetin ku mund t aksesohen t dhnat e raportuara.

Figura 2.1 tregon nj rrjet t zakonshm WSN n t cilin jan shprndar nnt nyje

sensorsh. Kur nj nyje zbulon nj ngjarje kjo e drgon informacionin e dedektuar (ndoshta

me multi-hop) n nj stacion baz, i cili zakonisht gjendet jasht rrjetit.

Ndryshe nga sistemet tradicional t kablluar, kostot e shprndarjes n WSN jan minimale.

N vnd q t shprndanin qindra metra teli t rrugzuar nprmjet nj kanali t mbrojtur,

instaluesit thjesht do tu duhet t vendosin nj pajisje me madhsi sa nj 50 lekshe q

prfaqson do sensor. Rrjeti zgjerohet lehtsisht duke shtuar m tepr pajisje dhe ska nevoj

pr rikonfigurim trsor, pasi shtimi i nyjeve t reja n rrjet krkon vetm nj rikonfigurim

lokal pa sjell ndonj kompleksitet shtes.

Figura 2.1 Nj rrjet tipik sensorsh wireless

7

2.1. Nyjet e sensorve

Zhvillimet teknologjike kan br q fabrikimi i sensorve mjaft t vegjl dhe me kosto t ult

t jet i leht teknikisht dhe mjaft ekonomik. Prparime t mdha jan br n teknologjin e

sensorve dhe shum t tjera jan n zhvillim e sipr. Nj sensor sht nj pajisje q

konverton nj fenomen fizik n nj sinjal elektrik. Natyra e fenomenit q do t monitorohet

prcakton dhe llojin e sensorit t krkuar. Nga ana tjetr, tipi i sensorit prcakton tipin e t

dhns q do merret ose matet. Pr m tepr, pr t njjtin fenomen, ndryshimi i saktsis s

krkuar mund t ket efekt n madhsin e t dhns s prodhuar. Kshtu, sensort paraqesin

pjes t ndrfaqes ndrmjet bots fizike dhe bots s pajisjeve elektrike, si jan kompjuterat.

Pjesa tjetr e ksaj ndrfaqeje paraqitet nga ekzekutuesit q konvertojn sinjalet elektrike n

nj fenomen fizik.

Nj nyje sensori zakonisht prbhet nga m shum se nj lloj sensori pr t kampionuar

fenomenin fizik. Kto nyje kan aftsi komunikimi dhe ndijimi prve aftsive tradicionale

llogaritse dhe jan nj prmirsim i sensorve tradicional. Nyjet sensor jan t afta jo vetm

t masin fenomenin fizik, por edhe ta prpunojn, ruajn dhe shprndajn informacionin e

matjes. Modelet pr kto pajisje prfshijn gjurmimin n koh reale, monitorimin e kushteve

mjedisore, llogaritjen e mjediseve gjithprfshirse, monitorimin lokal shndetsor, etj.

Ndryshe nga pajisjet tradicionale pa tel, nyjet sensor pa tel nuk kan nevoj t komunikojn

drejtprdrejt me stacionin baz m t afrt, por vetm me nyjet e tyre lokale. N vend q t

mbshteten n nj infrastruktur t paraprcaktuar, do sensor individualisht bn pjes n

mnyr t pavarur n prcaktimin e infrastrukturs s prgjithshme.

Megjithse nyjet sensor kan karakteristika trheqse, si jan mimi dhe kompaktsia,

prsri aftsit e tyre mbeten shum t limituara. N disa raste nyjet e sensorve nuk kan as

nj identifikues unik. Megjithat, pr t prfituar vrtet nga kto rrjeta nyjesh, kto nyje duhen

t operojn n nj mnyr bashkpunuese, t shprndar dhe t vet-organizuar.

Figura 2.2 Komponentt prbrs t nyjes s sensorit

Figura 2.2 prshkruan komponentt baz t nj nyjeje sensori t zakonshme q jan: njsia

ndijuese, llogaritse, e transmetuesit dhe e fuqis. Prve ktyre komponentve nyja sensor

8

mund t ket edhe komponente t tjera shtes n varsi t aplikacionit. Njsia ndijuese ndahet

n dy nnnjsi: sensori dhe konvertuesi analog-numerik (ADC). Tek njsia llogaritse

mikrokontrolleri shoqrohet gjithmon me nj sasi t vogl kujtese. Njsia e fuqis q

prfaqsohet nga bateria ka nj rndsi t veant prsa i takon jetgjatsis s nj nyjeje.

M posht jepet nj prshkrim i prgjithshm i karakteristikave t nyjeve t sensorve:

Llogaritja - Nyjet e WSN zakonisht prdorin mikrokontrollera t vegjl, me fuqi dhe

shpejtsi t ult (pr shembull: Atmel Atmega128) q mund t ofroj veprime

llogaritse baz.

Ruajtja - Normalisht mikrokontrolleri punon me pak Kbyte RAM. Programet ruhen n

disa qindra Kbyte ose pak Mbyte memorje flash, n vnd t hard-disqeve t prdorur

n kompjutera normal. Ndonjhere prfshihet pak Kbyte EEPROM q prdoret pr

konfigurimin.

Komunikimi - Aftsit e komunikimit kufizohen pr distanca t shkurtra dhe lidhje t

dobta. Zakonisht prdoret nj radio me fuqi t ult (pr shembull: nj Chipcon

CC1000 q vepron n bandn ISM 433-915MHz). Ndonjhere nyjet ofrojn vetm

broadcast-in si model komunikimi.

Ushqimi me energji - Nyjet sensor kan si burim energjie t vetm baterin. Meqnse

energjia prdoret m s shumti pr komunikimin ndrmjet nyjeve, kjo prbn

shqetsim n lidhje me rrugzimin e t dhnave n rrjet.

Ndrfaqet - Zakonisht nyjet e sensorve prfshijn ndrfaqe t ndryshme pr t lidhur

sensort dhe ekzekutesit. Ndrfaqet mund t jen seriale (UART, I2C) ose paralele

(GPIO). Shumica e mikrokontrollerave q prdoren n nyjet e sensorve gjithashtu

prfshijn hyrje analoge q lidhen me nj ADC t brndshm. Kto ndrfaqe mund t

prdoren pr t lidhur sensort analog.

Sensort - Sensor t ndryshm t fuqis s ult vendosen n nyjen e sensorit ose

lidhen duke prdorur ndrfaqet. Lloje t ndryshme sensorsh mund t jen ndijues t:

temperaturs, drits, lagshtis dhe t presionit.

2.2. Nj prshkrim i shkurtr i arkitekturs

N arkitektura t zakonshme t WSN-ve nyjet sensor jan t shprndar n mnyr t dendur

dhe kur nj informacion i dobishm shfaqet, t dhnat drgohen drejt nj stacioni qndror. Nj

shembull rrjeti tregohet n Fig. 2.3. Ktu paraqitet nj instalim i mundshm i nj WSN-je n

nj fush bujqsore, i cili mund t prdoret pr qllime studimi pr agrikulturn (nj fush

aktive e krkimit aplikativ). Qindra nyje t shprndara n nj fush t grupuara s bashku,

ndrtojn nj rrjet dhe transmetojn t dhna n nj pik grumbullimi. Sensort detektojn

temperaturn, nivelet e drits dhe lagshtin e toks n qindra pika t fushs dhe i

komunikojn t dhnat tek stacioni baz me an t rrjetit multi-hop pr analiza t mtejshme.

Arkitektura e zakonshme e rrjetit t prdorur n shembullin Fig.2.3, tregohet n Fig. 2.4 ku

nyjet sensor t shprndar dendsisht monitorojn fenomenin prmes aftsive t tyre ndijuese

dhe informacionet e vlefshme drgohen tek nyja sink. Nyja sink sht nj nyje e veant e cila

9

vepron si nj port midis WSN dhe nj rrjeti standart komunikimi si sht Interneti. T

dhnat grumbullohen dhe kombinohen brenda nyjeve dhe kjo shpenzon burime energjie dhe

kujtese si dhe krkon llogaritje shtes.

Figura 2.3 Shprndarje sensorsh pr studime n agrikultur

Figura 2.4 Nj arkitektur e thjesht WSN-je

Nj stak protokolli pr WSN-t, q prdoret nga nyja sink dhe nyjet sensor, jepet n Fig. 2.5

[6]. Ky stak sht i ngjashm me at t prdorur n rrjetat MANET (q sht i njjti stak i

prdorur edhe n rrjetat TCP/IP) prve se jan shtuar planet e menaxhimit q operojn npr

t gjitha shtresat. Staku merr parasysh problemet e kufizimit t WSN duke kombinuar

rrugzimin me shpenzimin e energjis, duke integruar t dhnat me protokollet e rrjetit, duke

prdorur me efikasitet fuqin komunikuese prmes kanalit wireless dhe promovon prpjekje

bashkpunuese t nyjeve sensor.

Figura 2.5 Staku i protokolleve n rrjetat me sensor

10

N shtresn aplikacion mund t ndrtohen dhe t prdoren tipe t ndryshme aplikimesh

software-ike n varsi t funksioneve sensoriale. Le t prmendim ktu protokollin e

menaxhimit t sensorit, SMP (Sensor Management Protocol), i cili prdoret pr ti br

hardware-in dhe software-in e shtresave m t ulta transparente pr aplikimet e menaxhimit t

rrjetit t sensorve. Administratort e sistemit dhe programuesit bashkveprojn me rrjetin e

sensorve duke prdorur SMP-n. N fakt merret n konsiderat mungesa e identifikimit

global dhe e natyrs jo-infrastrukturore t rrjetave t sensorve. SMP-ja siguron rregulla pr

shtjet e mposhtme pr t mundsuar bashkveprim midis aplikimeve dhe rrjetave t

sensorve:

Grumbullim t dhnash, emrtim i bazuar n atribute dhe grupime.

Shkmbim t dhnash i lidhur me algoritmat e gjetjes s pozicionit.

Sinkronizim kohor.

Lvizja e nyjeve t sensorve.

Ndezja dhe fikja e nyjeve.

Krkesa pr gjndjen e konfigurimit t WSN-s, rikonfigurimi i WSN-s.

Autentikimi, shprndarja e elsave dhe siguria.

Shtresa e transportit duhet pr t mirmbajtur fluksin e t dhnave kur nj aplikim i caktuar e

krkon kt. Protokollet tradiconale t transportit nuk mund t aplikohen drejtprsdrejti n

rrjetat e sensorve pa i modifikuar ata.

Shtresa e rrjetit kujdeset pr rrugzimin e t dhnave t ndijuara nga nyja sensor burim tek

nyja sink. Meqense nyjet sensor jan dendsisht t shprndara q do t thot se nyjet fqinj

jan afr njri tjetrit mund t prdoret komunikimi me rreze t shkurtr multihop. Nyja burim

n kt rast operon me nj protokoll rrugzimi q zgjedh kalimin multihop m efikas pr nga

energjia.

Shtresa e data linkut siguron inkuadrimin e t dhnave, monitorimin e frame-ve, aksesimin e

kanalit dhe kontrollin e gabimeve. Funksioni m i rndsishm sht kontrolli i aksesit t

kanalit, shkurt MAC. MAC sht prgjegjs pr aksesimin e duhur t kanalit midis

transmetuesve konkurrent. Ai duhet t shmang prplasjet sa m shum t jet e mundur dhe

t fik radion sa her q nj sensor nuk po transmeton ose po merr paketa n mnyr q t

kursej energji.

Shtresa fizike adreson operacionet e nivelit m t ult t ndrfaqes s radios pr nj

transmetim t qndrueshm dhe pr marrje paketash n nj mjedis t ashpr wireless. Kto

operacione prfshijn przgjedhjen e frekuencs, fuqin e transmetimit, modulimin,

detektimin e sinjalit dhe kodimin.

Planet e menaxhimit t fuqis, funksioneve dhe t lvizshmris monitorojn energjin,

lvizjen dhe shprndarjen e detyrave prgjat nyjeve sensor.

11

Plani i menaxhimit t energjis menaxhon mnyrn se si nj nyje sensor prdor energjin e

saj. Pr shembull, nj nyje sensor mund t fik marrsin e tij pasi merr nj mesazh nga nj

fqinj i tij. Kjo bhet pr t shmangur mesazhet e dyfishta. Nse niveli i energjis i nyjes

sensor sht i ult, nyja njofton nyjet e saj fqinj q nuk mund t rrugzoj mesazhe pr shkak

t nivelit t ult t energjis. Energjia e mbetur rezervohet pr ndijim.

Plani i menaxhimit t lvizshmris dedekton dhe rregjistron lvizjen e nyjeve, dhe n kt

mnyr ruhen rrugt e kthimit dhe gjurmohen nyjet fqinje. Duke njohur nyjet fqinje, nyjet

sensor mund t balancojn prdorimin e energjis s tyre dhe t funksioneve. Ndrsa shumica

e aplikimeve t sensorve jan statike, nuk mund t hedhim posht faktin q disa aplikime

kan sensor t lvizshm. Ky mund t jet rasti kur sensort montohen n platforma t

lvizshme si jan: robott, njerzit, kafsht, makinat, etj. Rrugt q prdoren pr t mbartur

informacion n rrjet kan nj jetgjatsi t kufizuar dhe kan nevoj t riparohen periodikisht

nga lvizshmria e nyjeve. Edhe pa pranin e lvizshmris, rrugt mund t ndryshojn nga

fakti q nyjeve u mbaron energjia ose ndjekin nj cikl pune t zgjimit/gjumit, kshtu q nj

rrug q sht e vlefshme n nj pik t caktuar n koh mund t mos jet e vlefshme pak m

von. N t dyja rastet, shtresa e rrugzimit sht kryesisht prgjegjse pr mirmbajtjen e

rrugve.

Plani i menaxhimit t detyrave balancon dhe skedulon funksionet e ndijimit t caktuar pr nj

rajon specifik. Disa sensor n nj zone t dhn, pr shembull mund t fiken prkohsisht n

qoft se ka tepric t mjaftueshme informacioni nga ndijimi i sensorve t tjer n at zon.

Gjithashtu disa ndijojn m shum se t tjer n varsi t nivelit t energjis q ata kan.

Kto shtresa menaxhuese jan t nevojshme q nyjet sensor t mund t punojn bashk pr t

patur nj konsum efikas energjie, pr rrugzim t dhnash n nj rrjet me nyje t lvizshme

dhe pr t ndar burimet ndrmjet nyjeve sensor. Pa kto shtresa, nyjet do t punonin

individualisht n mnyr jo efikase pr rrjetin n trsi.

2.3. Metrikat vlersuese pr nj WSN

Pr t vlersuar nj rrjet me sensor wireless prdoren disa metrika vlersimi. Pr prcaktimin

e ktyre metrikave jan marr parasysh objektivat m t rndsishme t zhvillimit t nj rrjeti,

domethn se ku do t prdoret rrjeti dhe avantazhet kye t ktyre rrjetave mbi teknologjit

ekzistuese. Metrikat vlersuese pr nj WSN ndahen n dy aspekte: sipas kndvshtrimit

global t sistemit dhe sipas kndvshtrimit lokal t nyjes [7].

2.3.1. Metrikat e vlersimit t sistemit

Metrikat kryesore t vlersimit pr sistemet me sensor wireless jan: jetgjatsia, mbulimi,

kostoja dhe lehtsia e instalimit, koha e prgjigjes, saktsia kohore, siguria dhe shpejtsia

efektive e kampionimit. Shum nga kto metrika t vlersimit jan t ndrlidhura. Shpesh

12

mund t jet e domosdoshme pr t zvogluar performancn n nj metrik, si pr shembull

shpejtsia e kampionimit, n mnyre q t rritet jetgjatsia. T marra s bashku, kjo bashksi

metrikash formon nj hapsir shum-dimensionale q mund t prdoret pr t prshkruar

aftsit e rrjetit me sensor wireless.

Jetgjatsia

Qllimi si i monitorimit mjedisor, ashtu dhe i aplikimeve t siguris sht q nyjet e

shprndara n nj zon, t mos ken nevoj pr ndrhyrjen e njeriut pr muaj apo vite. Pra, n

do vendosje t ktyre rrjetave merr rndsi jetgjatsia e pritshme.

Faktori primar kufizues pr jetgjatsin e WSN sht ushqimi me energji. do nyje duhet

projektuar pr t menaxhuar ushqimin lokal me energji n mnyr q t maksimizoj

jetgjatsin totale t rrjetit. N shum projektime nuk sht jetgjatsia mesatare e nyjeve ajo

q sht e rndsishme, por prkundrazi jetgjatsia minimale e nyjeve. N rastet e sistemeve

wireless t siguris, nyjet duhet t zgjasin pr shum vite. Dshtimi i nj nyje t vetme do

krijonte nj dobsi n kto sisteme.

Faktori m domethns n prcaktimin e jetgjatsis t nj nyjeje, sht konsumi i fuqis

radio. N nj nyje sensori wireless pjesa radio konsumon nj mas t madhe t energjis s

sistemit. Ky konsum energjie mund t reduktohet me an t zvoglimit t fuqis dalse t

transmetimit ose duke zvogluar ciklin e puns s radios. Secila nga kto alternativa

prfshijn sakrifikimin e metrikave t tjera t sistemit.

Mbulimi

Pas jetgjatsis, mbulimi sht metrika tjetr kryesore pr vlersimin e nj rrjeti pa tel.

Mundsia pr t shprndar nj rrjet n nj zon sa m t madhe fizike rrit n mnyr

domethnse vlern e sistemit pr prdoruesin fundor. Duhet patur parasysh se mbulimi i

rrjetit nuk sht i njjt me distancat e lidhjeve t komunikimit wireless q prdoren. Teknikat

e komunikimit multi-hop mund t zgjerojn mbulimin e rrjetit prtej distancs s teknologjis

s radios. N teori ato kan aftsin pr ta rritur distancn e rrjetit n mnyr t paprcaktuar.

Megjithat, pr nj distanc t dhn transmetimi, protokollet e rrjetit t tekniks multi-hop

rrisin konsumin e energjis s nyjeve, q mund t zvogloj jetgjatsin e rrjetit. Gjithashtu

ato krkojn nj prag minimal densiteti t nyjeve, q mund t rris koston e shprndarjes.

Shkallzueshmria sht nj komponent ky i propozimit t vlers s WSN-s q ndikon n

parametrin mbulim. Rritja e numrit t nyjeve n sistem do ndikoj n jetgjatsin ose n

shkalln efektive t kampionimit. Sa m shum pika sensorsh t ket sistemi aq m shum t

dhna do t ket pr tu transmetuar ka do t rris konsumin e energjis s rrjetit. Kjo mund

t kompensohet duke kampionuar m pak.

Kostoja dhe lehtsia e instalimit

Nj avantazh ky i WSN-ve sht lehtsia e tyre n instalim. Q sistemet e shprndarjes t

jen t sukseshme, rrjeti duhet t vet-konfigurohet. Duhet t jet e mundur pr nyjet t

vendosen n t gjith mjedisin nga nj person i patrajnuar dhe sistemi t vihet n pun. Rrjeti

duhet t jet n gjndje pr t vlersuar cilsin e shprndarjes s informacionit n rrjet dhe t

13

raportoj do problem potencial. Kjo prkthehet n krkesn q do pajisje t jet n gjndje

t kryej zbulim lidhjeje dhe t prcaktoj cilsin e lidhjes.

Si shtes t fazs fillestare t konfigurimit, sistemi duhet gjithashtu t prshtatet ndaj kushteve

t ndryshimit mjedisor. Gjat gjith kohzgjatjes s instalimit, nyjet mund t ripozicionohen

ose objekte t mdha fizike mund t zhvendosen duke interferuar komunikimin ndrmjet dy

nyjeve. Rrjeti duhet t jet n gjndje t rikonfigurohet automatikisht kur i krkohet t toleroj

kto dukuri. Shprndarja fillestare dhe konfigurimi sht vetm nj pjes e jetgjatsis s

rrjetit. Pr afate m t gjata, kostoja totale e sistemit ka t bj m shum me koston e

mirmbajtjes sesa me koston e shprndarjes fillestare. N instalimet reale, nj fraksion i

buxhetit t energjis totale duhet ti dedikohet mirmbajtjes s sistemit dhe verifikimit.

Gjenerimi i trafikut t diagnostikimit dhe t rikonfigurimit redukton jetgjatsin e rrjetit dhe

zvoglon shkalln efektive t kampionimit.

Koha e prgjigjes

Veanrisht n aplikimet e detektimit t alarmeve n fushn e siguris, koha e reagimit t

sistemit sht nj metrik performance e rndsishme. Nj alarm duhet sinjalizuar menjher

kur nj ndrhyrje detektohet. Prve operimit me fuqi t ult, nyjet duhet t jen t afta pr t

patur mesazhe me prioritet t lart, t menjhershme pr tu komunikuar prmes rrjetit sa m

shpejt t jet e mundur. Koha e reagimit sht gjithashtu kritike kur monitorimi mjedisor

prdoret pr t kontrolluar makinat e fabriks dhe pajisjet. Shum prdorues, parashikojn

WSN-t si mjete t rndsishme pr kontrollin e proesit industrial. Kto sisteme do t ishin

praktike nse garancit e kohs s reagimit do t prmbusheshin.

Aftsia pr t patur koh t vogl reagimi bie n konflikt me shum nga teknikat e prdorura

pr t rritur jetgjatsin e rrjetit. Jetgjatsia e rrjetit mund t rritet duke patur nyjet q ti

vn n pun radiot pr periudha t shkurtra kohe.

Koha e reagimit mund t prmirsohet duke prfshir nyjet q jan t ushqyera gjat gjith

kohs. Kto nyje mund t dgjojn pr mesazhe alarmi dhe ti drejtojn ato drejt nj rrugzimi

baz kur sht e domosdoshme. Kjo, megjithat, redukton lehtsin e shprndarjes s sistemit.

Saktsia n koh

N aplikimet mjedisore dhe gjurmuese, kampione nga shum nyje mund t korrelohen pr t

prcaktuar natyrn e fenomenit q po matet. Saktsia e nevojshme e ktij mekanizmi

korrelacioni do t varet nga shkalla e prhapjes s fenomenit q matet. N rastin e prcaktimit

t mesatares s temperaturs s nj ndrtese, mjafton korrelimi i kampioneve n rend t

sekonds, kurse pr t prcaktuar se si nj ndrtes reagon ndaj nj ngjarjeje sizmike, sht e

nevojshme saktsia n milisekonda.

Pr t arritur saktsin kohore, duhet mirmbajtur nj clock global q mund t prdoret pr t

renditur n mnyr kronologjike kampionet dhe ngjarjet. N nj sistem t shprndar,

shpenzohet energji pr t mbajtur nj clock t shprndar. Informacione mbi kohn e

sinkronizimi duhet t komunikohen vazhdimisht midis nyjeve. Frekuenca e mesazheve t

sinkronizimit varet nga saktsia e dshiruar e clock-ut t ors.

14

Siguria

N disa raste mund t jet shum e rndsishme mbrojtja e sigurt e informacionit t

mbledhur nga nj aplikim monitorimi mjedisor. Rrjetat me sensor wireless duhet t jen t

afta pr t mbajtur privat informacionin q po mbledhin nga prgjimi. Nse konsiderojm

aplikimet e orientuara drejt siguris, siguria e t dhnave bhet akoma m e rndsishme. Jo

vetm duhet q sistemi t mbaj privatsin por ai gjithashtu duhet t jet i aft q t

autentifikoj komunikimin e t dhnave. Nj kombinim i privatsis dhe i vrtetsis krkohet

pr t adresuar nevojat e skenarve t ndryshm. Prdorimi i enkriptimit dhe i autentifikimit

kriptografik ka koston si t fuqis ashtu dhe t bandwidth-it t rrjetit. Llogaritje shtes duhen

kryer pr t enkriptuar dhe dekriptuar t dhna dhe bite t vrtetsis shtes duhet t

transmetohen me do paket. Kjo ndikon n performancn e aplikimit duke zvogluar si

numrin e kampioneve q mund t merren nga nj rrjet i dhn ashtu dhe jetgjatsin e

pritshme t rrjetit.

Shpejtsia efektive e kampionimit

N nj rrjet t mbledhjes s t dhnave, shpejtsia efektive e kampionimit sht nj metrik

kryesore e performancs. Shpejtsia efektive e kampionimit prkufizohet si shpejtsia e

kampionimit me t ciln merren t dhnat sensoriale n do sensor individual dhe q

komunikohen n nj pik t grumbullimit t rrjeti t mbledhjes s t dhnave. Aplikacionet e

mbledhjes s t dhnave mjedisore krkojn shpejtsi kampionimi 1-2 kampione pr minut.

Megjithat, prve shpejtsis s kampionimit t nj sensori t vetm, duhet par impakti i

arkitekturave multi-hop mbi aftsin e nj nyjeje pr t transmetuar n mnyr efektive t

dhnat e nyjeve prreth. N nj pem t mbledhjes s t dhnave, nj nyje duhet t trajtoj t

dhnat e t gjith pasardhsve t saj. Nse nj nyje ka n pasardhs ajo duhet t transmetoj n

her t dhna m shum dhe po aq her t jet e aft t marr lexime n nj periudh t vetme

kampionimi. Kjo rritje multiplikative ka nj efekt t rndsishm n krkesat e sistemit. Nj

mekanizm pr t rritur shpejtsin efektive kampionuese sht shfrytzimi i prpunimit

brenda rrjetit, si pr shembull forma t ndryshme kompresimi q reduktojn brezin e

komunikimit q duhet duke mbajtur t njjtn shpejtsi kampionimi, ose ruajtja lokale pr

periudha t shkurtra kohore.

2.3.2. Metrikat e vlersimit t nyjeve individuale

Bashksia e metrikave q prdoren pr t vlersuar performancn e rrjetit t sensorve n

trsi lidhet me karakteristikat e nyjeve individuale q i suportojn ato. Metrikat vlersuese t

nyjeve individuale gjithashtu jan t ndrlidhura. Nj prmirsim n nj metrik vlersimi t

nivelit t nyjes (pr shembull distanca) shpesh shkakton shpenzim t nj tjetre (pr shembull

fuqia). N vijim prshkruhen secila nga kto metrika.

Fuqia

Pr t prmbushur krkesat e aplikimeve pr shum vjet, nyjet individuale t sensorve duhet

t jen me fuqi tepr t ult. Ndryshe nga telefonat celular, me konsum mesatar energjie t

qindra miliamperve dhe jetgjatsi prej disa ditsh, konsumi mesatar i energjis pr nyjet e

15

sensorve t WSN-s matet n mikroamper. Ky operim me fuqi tepr t ult mund t arrihet

duke kombinuar si komponentt hardware me fuqi t ult ashtu dhe teknikat e operimit me

cikl pune t ult. Gjat operimit aktiv, komunikimi radio do t prbj nj fraksion t

rndsishm t buxhetit total t energjis s nyjes. Algoritmat dhe protokollet duhen t

zhvillohen pr t reduktuar aktivitetin radio kurdoher q sht e mundur. Kjo mund t arrihet

duke prdorur llogaritje t lokalizuara pr t reduktuar rrymat e t dhnave q gjenerohen nga

sensort dhe me an t protokolleve t aplikimeve specifike. Pr shembull ngjarjet nga shum

nyje sensorsh mund t kombinohen s bashku nga nj grup lokal nyjesh prpara se t

transmetohet nj rezultat i vetm npr rrjetin e sensorve.

Fleksibiliteti

Diapazoni i gjer i fushave t prdorimit q konsiderohen krkon q arkitektura e nyjeve t

jet fleksibl dhe adaptive. do skenar aplikimi do t krkoj miksime t ndryshme t:

jetgjatsis, shpejtsis s kampionimit, kohs s reagimit dhe prpunimit brnda-rrjetit. Nj

arkitektur e rrjetit me sensor wireless duhet t jet fleksibl mjaftueshm pr tju prshtatur

nj game t gjer t sjelljeve t aplikimeve. Pr m tepr, pr arsye kostoje do pajisje do t

ket vetm hardware-in dhe software-in q aktualisht i nevojitet pr nj aplikim t dhn.

Arkitektura duhet ta bj t leht pr t asembluar grupin e duhur t komponentve software

dhe hardware.

Fortsia

N mnyr q t suportoj krkesat e jetgjatsis, do nyje duhet t projektohet pr t qn

sa m e qndrueshme t jet e mundur. N nj shprndarje tipike, qindra nyje duhet t

punojn n harmoni pr vite t tra. Pr ta arritur kt, sistemi duhet ndrtuar n mnyre q t

toleroj dhe ti prshtatet dshtimit t nyjeve individuale. Modulariteti i sistemit sht nj mjet

i fuqishm q mund t prdoret pr t zhvilluar nj sistem t fort. Duke ndar

funksionalitetin e sistemit n nnpjes t izoluara, do funksion mund t testohet plotsisht i

izoluar prpara se t kombinohet n nj aplikim t plot. Pr ta lehtsuar kt, komponentt e

sistemit duhet t jen sa m t pavarur t jet e mundur dhe t ken ndrfaqe t detajuara, pr

t parandaluar ndrveprimet e paparashikuara. Prve rritjes s fortsis s sistemit ndaj

dshtimit t nyjeve, nj WSN duhet t jet robust edhe ndaj interferencave t jashtme.

Meqense kto rrjeta do t bashk-ekzistojn me sisteme t tjera wireless, ather duhet t

zotrojn aftsin pr t prshtatur sjelljen e tyre. Fortsia e lidhjeve wireless ndaj

interferencs s jashtme mund t rritet shum me an t prdorimit t radiove me shum-

kanale dhe me spektr t zgjeruar.

Siguria

N mnyr q t prmbushin krkesat e siguris t nivelit t aplikimit, nyjet individuale duhet

t jen t afta t kryejn enkriptim kompleks dhe algoritma autentifikimi. Komunikimi i t

dhnave me wireless sht lehtsisht i ndjeshm ndaj prgjimeve. E vetmja mnyr pr t

mbajtur t dhnat e ktyre rrjetave private dhe autentike sht enkriptimi i t gjitha

transmetimeve t t dhnave. CPU duhet t jet n gjndje ose ti kryej vet operacionet e

krkuara kriptografike ose me ndihmn e akseleratorve kriptografik t prfshir [8].

16

Komunikimi

N lidhje me komunikimin metrika vlersimi kryesore pr do WSN jan: shpejtsia e

komunikimit, harxhimi i fuqis dhe rrezja. Distanca e transmetimit ka nj impakt domethns

n densitetin minimal t pranueshm t nyjeve. Nse nyjet vendosen shum larg nga njra-

tjetra mund t mos krijohet nj rrjet i ndrlidhur ose nj rrjet me tepric t mjaftueshme pr t

mbajtur nj nivel t lart besueshmrie. Shpejtsia e komunikimit gjithashtu ka nj impakt

domethns n performancn e nyjeve. Shpejtsi m t mdha komunikimi prkthehen n

aftsin pr t arritur shpejtsi m t mdha efektive kampionimi dhe harxhim m t ult

energjie t rrjetit. Me rritjen e bit rate-it transmetimet krkojn m pak koh dhe kshtu

potencialisht krkojn m pak energji. Megjithat, nj rritje n bit rate-in e radios shpesh

shoqrohet me nj rritje n harxhimin e fuqis.

Llogaritja

Dy operacionet m intensive t llogaritjeve pr nj nyje sensori jan prpunimi i t dhnave

brnda rrjetit dhe menaxhimi i protokolleve t komunikimit wireless t nivelit t ult. Me

arritjen e t dhnave n rrjet, CPU duhet t kontrolloj njkohsisht radion dhe t

regjistroj/dekodoj t dhnat q vijn. Shpejtsi m t mdha komunikimi krkojn llogaritje

m t shpejta. Prve se duhet t jen n gjndje pr t prpunuar lokalisht, prmirsuar dhe

flakur leximet e sensorve, nyjet sensor duhet edhe t kombinojn t dhnat me sensort

fqinj prpara se t transmetojn n rrjet. Rezultatet nga nyje t shumfishta mund t

prmblidhen s bashku. Ky prpunim brenda rrjetit krkon burime llogaritse shtes. Sipas

[7], 2-4 MIPS (miljon instruksione pr sekond) t prpunimit krkohen pr t implementuar

protokollet e komunikimit radio q prdoren n WSN. Prtej ksaj, prpunimi i t dhnave t

aplikimit mund t konsumoj nj sasi arbitrare t llogaritjeve n varsi sesa llogaritje kryen.

Sinkronizimi kohor

N mnyr q t suportoj lexime t sensorve t korreluara n koh dhe operim me cikl

pune t ult n skenar aplikimi t grumbullimit t t dhnave, nyjet duhet t jen n gjndje

pr t mbajtur sinkronizim kohor preiz me pjestart e tjer t rrjetit. Nyjet kan nevoj t

flen dhe t zgjohen s bashku kshtu q ato mund t komunikojn periodikisht. Gabimet n

mekanizmin e kohs krijojn inefienca q rezultojn n rritjen e ciklit t puns.

Madhsia dhe kostoja

Madhsia fizike dhe kostoja e do nyje sensori individualisht ka nj impakt direkt dhe

domethnes n lehtsin dhe koston e shprndarjes. N rrjetat e grumbullimit t t dhnave,

krkuesit operojn shpesh me nj buxhet fiks. Qllimi i tyre primar sht grumbullimi i t

dhnave nga sa m shum vendodhje t jet e mundur pa e kaprcyer buxhetin e tyre fiks. Nj

reduktim n koston pr nyje do rezultoj n mundsin pr t bler m shum nyje, pr t

shprndar nj rrjet sensorsh me densitet m t lart dhe pr t grumbulluar m shum t

dhna. Madhsia fizike gjithashtu ndikon n lehtsin e shprndarjes s rrjetit. Nyjet m t

vogla mund t vendosen n m shum vendodhje dhe t prdoren n m shum skenare. N

skenarin e gjurmimit t objekteve, nyje sa m t vogla n madhsi dhe me kosto sa m t ult

do t rezultojn n aftsi gjurmimit t m shum objekteve.

17

2.4. Standartet e shtress fizike dhe MAC

Projektimet m t fundit t WSN-ve prdorin rrjeta dhe zgjidhje RF q bazohen n standarte.

Nxjerrja e fundit e standarteve nga IEEE, Task Forca e Inxhinieris n Internet (IETF) dhe

Shoqria Ndrkombtare e Automatizimit (ISA) solli teknologjin nga laboratort e krkimit

dhe zhvilloi produkte t shumta komerciale. N kt shtje, prshkruhen disa nga standartet

m praktike dhe m premtuese [9], [10].

IEEE 802.15.4

Shum standarte premtuese dhe nj sistem komercial ekzistues bazohen n standartin IEEE

802.15.4. Ky standart sht pr nj zgjidhje me shpejtsi t ult t t dhnave me harxhim

efikas energjie dhe me kompleksitet shum t ult. Sipas nj vzhgimi t fundit, ky standart

tashm prfaqson m shum se 50% t tregut. IEEE 802.15.4 ofron implementim pr shtresat

m t ulta fizike (PHY) dhe MAC pr nj rrjet tipik WSN. Fokusohet kryesisht n

komunikimin me kosto te ult, me shpejtsi t ult ndrmjet pajisjeve. Sistemi IEEE 802.15.4

baz prcakton nj zon komunikimi 10 metra me nj shpejtsi maksimale transmetimi

250kbit/s. Ndrkoh standarti Zigbee ofron zgjidhje t nj rrjeti t kompletuar duke zhvilluar

shtresat m t larta q ndrfaqsohen me IEEE 802.15.4 MAC. Standarti i radios IEEE

802.15.4 dhe i Zigbee-t shfaqen si zgjidhje mbizotruese pr aplikimet industriale dhe t

ndrtesave. Ka gjithashtu shum diskutime t IEEE 802.15.4 pr rrugzimin mbi rrjetat me

fuqi t ult dhe me humbje n grupin e puns IETF. S fundmi, u lanua familja IEEE

802.15.4 pr aplikime specifike t WSN-s. N vijim jepet nj prmbledhje e saj:

IEEE 802.15.4a: Specifikon dy shtresa fizike (PHY) shtes duke prdorur Ultra-

Wideband (UWB) dhe Chirp Spread Spectrum (CSS) q sht nj prmirsim i IEEE

802.15.4 pr t siguruar komunikime dhe aftsi me preizion t lart

shtrirje/vendodhjeje, throughput t lart grumbullimi dhe fuqi shum t vogl,

shkallzueshmri n shpejtsit e t dhnave, distanc m t madhe dhe kosto m t

ult.

IEEE 802.15.4e: Qllimi i ktij ndryshimi sht pr t prmirsuar dhe shtuar

funksionalitet te shtresa MAC e IEEE 802.15.4 q nevojiten pr t mundsuar kto

aplikime: automatizim fabrike, automatizim proesesh, gjurmim asetesh, kontroll i

prgjithshm i sensorve (industrial/komercial prfshir automatizimin e ndrtesave),

monitorimi mjeksor shtpiak, aplikimet e telekomit, rrjetat e zons s fqinjsis dhe

audio n shtpi. Ky task grup prfshin gjithashtu dhe mekanizimin e multi-kanalit.

IEEE 802.15.4f: Prcakton PHY t reja wireless dhe prmirsime t shtress MAC t

standartit IEEE 802.15.4 q krkohen pr t suportuar PHY t reja pr sistemet aktiv

RFID bi-direksional dhe pr aplikimet e prcaktimit t vendodhjes.

IEEE 802.15.4g: Krijon nj ndryshim t PHY-s pr IEEE 802.15.4 pr t siguruar

nj standart global q lehtson aplikimet e kontrollit t proesit me shkall shum t

madhe si jan rrjetat funksionale smart-grid.

18

Zigbee

sht nj specifikim pr nj trsi t protokolleve t komunikimit t nivelit t lart duke

prdorur radio dixhitale t vogla me fuqi t ult bazuar n standartin 802.15.4 pr WSN-t.

Sipas nj raporti t publikuar s fundmi nga ON World, Zigbee sht m i prhapur pr

sensort wireless dhe kontrollon mbi 350 prodhues global me t ardhura vjetore q i

tejkalojn 1 triliard dollar. Mundsit e tregut t Zigbee jan zgjeruar pr energjin smart,

kujdesin pr shndetin, automatizimin e ndrtesave dhe telekomunikacionet me an t

bashkpunimeve ndrmjet standarteve dhe grupeve t tjera industriale. Zigbee mbulon

shtresn e rrjetit dhe t aplikimit t WSN-s dhe sht prcaktuar pr t punuar n maj t nj

versioni t modifikuar t standartit IEEE 802.15.4. Ky standart lejon pr t krijuar lloje t

ndryshme rrjetash: n rrjetat yll, pr shembull, koordinuesi i Zigbee-t nis rrjetin dhe t gjith

pjestart e tjer t rrjetit lidhen direkt me koordinuesin e Zigbee-t. Koordinuesi i Zigbee-t

bashkpunon me koordinuesin e rrjetit baz IEEE 802.15.4. N rrjetat pem ruterat e Zigbee-t

formojn nj pem q ka rrnj koordinuesin e Zigbee-t, ndrsa n rrjetat mesh topologjia e

rrjetit mund t jet nj mesh i prgjithshm me rutera Zigbee bashk me koordinuesin e

Zigbee-t.

WirelessHART

sht standarti i par i komunikimit t hapur wireless pr matje dhe kontroll n industrit e

proeseve. Prdor rrjetin mesh wireless ndrmjet pajisjeve t fushs industriale, si dhe

zbulime te tjera, pr t siguruar komunikime dixhitale t sigurta e t besueshme q mund t

plotsojn krkesat e rrepta t aplikimeve industriale. WirelessHART sht projektuar pr t

suportuar nj diapazon te gjr aplikimesh q prfshijn: monitorimin, diagnozat, alarmin dhe

detektimin e ngjarjeve, monitorimin e lkundjeve, kontrollin, etj. sht nj zgjidhje premtuese

pr zvendsimin e protokollit HART me kabllo n kontekstet industriale. Konsumi i

energjis nuk sht shqetsimi kryesor pr WirelessHART ndrsa shtresa e data link-ut

bazohet n TDMA, q krkon sinkronizim n koh dhe slote-kohore fikse me gjatsi t para-

skeduluara nga nj menaxhues rrjeti i centralizuar.

ISA SP-100

Ky standart lejon pajisjet kompatibl q jan relativisht me kompleksitet t ult, kosto t

arsyeshme dhe me harxhim t pakt energjie q t suportojn jetgjatsi baterie t madhe kur

nevojitet. Shpejtsia e komunikimit t t dhnave duhet t jet e mjaftueshme pr t knaqur

hapsirn e nevojave t lidhura me kto klasa. Standarti duhet t adresoj efektivisht n kosto

nevojat e gjera t wireless-it n mjedisin industrial q prfshin sensort, ekzekutuesit, dhe

pajisje t tjera automatike, si dhe rrjetat e infrastrukturs s wireless-it. Kto nevoja prfshijn

bashk-ekzistencn, fortsin ndaj interferencave, bashkveprimin me rrjetat me kabllo t

fabrikave, etj. ISA SP-100 po punon aktualisht me nj seri standartesh q adresojn miratimin

e teknologjive wireless n industri t ndryshme. ISA-SP100.11a adreson aplikimet e

proeseve jokritike q mund t tolerojne vonesa deri n 100 ms. Meqense shfrytzon

standartin IEEE 802.15.4, ai trashgon disa nga karakteristikat e tij: shpejtsi e ult (deri n

250kbit/s) dhe kompleksitet t ult implementimi pr pajisje t thjeshta fundore. Ky standart

19

prmban nj shtres data-linku dhe nj shtres prshtatjeje midis shtress s MAC-ut dhe t

data-linkut.

IEEE 802.11

N 1997 IEEE miratoi IEEE Std. 802.11-1997, standartin e par wireless t LAN-it, WLAN.

Ky standart prcakton shtresat MAC dhe at fizike pr nj LAN me lidhje wireless dhe pr

kontekstin e komunikimeve industriale pa tel. Adreson rrjetin n nj zon lokale ku pajisjet e

lidhura komunikojn nprmjet ajrit me pajisje t tjera q jan afr me njra-tjetrn. I

ngjashm me standarte t tjera nga serit IEEE 802.x, MAC-u IEEE 802.11 sugjeron

kontrollin logjik t lidhjes (LLC) 802.2 si nj ndrfaqe standarte n shtresat m t larta.

Meqense IEEE 802.11 sht nj standart i WLAN, qllimet kryesore jan pr t siguruar

throughput t lart dhe nj lidhje t vazhdueshme rrjeti n vnd t efikasitetit n energji t

rrjetit.

ROLL

Fokusohet n shtjet e rugzimit pr rrjetat me fuqi t ult dhe me humbje (LLN). LLN-t

prbhen nga shum pajisje t ndrfutura me fuqi, memorje dhe burime prpunimi t

limituara. Ato jan ndrlidhur nga nj varietete lidhjesh, si: standarti IEEE 802.15.4,

Bluetooth-i, WiFi me fuqi t ult dhe lidhjet me kabllo ose lidhjet e tjera me fuqi t ult PLC

(Powerline Communication Links). LLN-t jan duke tranzituar n nj zgjidhje fund-m-fund

t bazuar n IP pr t shmangur problemin e rrjetave q nuk ndrveprojn duke i ndrlidhur

nga gateway t prkthimit t protokolleve dhe nga proxy. Ka nj shtrirje t gjr t aplikimeve

t LLN-ve prfshir monitorimin industrial, automatizimin e ndrtesave (HVAC, ndriimin,

kontrollin e aksesit, zjarrin), shtpit inteligjente, kujdesi pr shndetin, monitorimin

mjedisor, rrjetat e sensorve urban (pr shembull: Smart Grid), gjurmimin e aseteve.

2.5. Krkesat pr projektimin e algoritmave pr WSN

Ndryshe nga pajisjet tradicionale pa tel, nyjet sensor pa tel nuk kan nevoj gjithmon t

komunikojn drejtprdrejt me stacionin baz m t afrt, por vetm me nyjet e tyre lokale.

Krkesat e aplikimit pr nj rrjet t fuqishm, t shkallzueshm, me kosto t ult dhe

shprndarje t leht plotsohen m s miri nga WSN. Detyra kryesore e pjess m t madhe t

nyjeve q prbjn nj WSN sht grumbullimi i t dhnave, t cilat jan t shumta dhe rrjeti

duhet ti menaxhoj ato me efikasitet.

Ekziston nj krkim gjithprfshirs pr zhvillimin e algoritmave t rinj pr grumbullimin e t

dhnave, rrugzimin ad-hoc, dhe prpunimin e shprndar t sinjaleve n kontekstin e rrjetave

me sensor wireless. Pr zhvillimin e algoritmave dhe t protokolleve t rrjetave t sensorve,

ata duhet t suportohen nga nj platform harduere me fuqi t ult, efikase dhe fleksibl.

Megjithat, karakteristikat unike t WSN-s, si jan burimet me fuqi t kufizuar, kapaciteti i

i vogl i ruajtjes ose lidhja e dobt dhe e kufizuar imponojn krkesa projektimi t shumta dhe

shpesh konfliktuale. Nj numr karakteristikash q krkohen kur projektohen algoritmat e

menaxhimit t t dhnave pr WSN-t listohen n vijim [6]:

20

Vet-organizues - Algoritmi duhet n mnyr autonome ti prshtatet ndryshimeve q

ekzistojn nga ndrhyrjet e jashtme, si jan ndryshimet topologjike (pr shembull:

dshtimi i nj nyje) pa influencn e nj kontrolli t centralizuar.

I shkallzueshm - Pr t siguruar shkallzueshmri, protokollet e projektuar pr

WSN-t duhen t shprndahen dhe t operojn vetm me informacionin lokal.

Administrim minimal - Algoritmi duhet t rregulloj parametrat operacional sipas

krkesave t projektimit.

Efikas n energji - N shum skenare nyjet e sensorve bazohen n nj bateri.

Zvendsimi i baterive sht zakonisht jo praktik, ndonjher edhe i pamundur, kshtu

q jetgjatsia e WSN-s merr nj vler shum t rndsishme. N mnyr evidente,

meqnse transmetimi i t dhnave sht burimi m i madh i harxhimit t energjis,

prdorimi i nj protokolli rrugzimi efikas sht i domosdoshm.

Tolerant ndaj defekteve - Megjithse nyjet e sensorve supozohen t jen stacionare,

WSN-t duhet t jen elastik ndaj dshtimeve si sht shkatrrimi fizik i nyjeve,

shterimi i energjis ose gabimet n linkun e komunikimit.

Bashkpunues - Ndonjher nj nyje e vetme nuk sht n gjndje pr t vendosur

nse ndonj ngjarje ka ndodhur dhe vetm t dhnat e prziera nga shum nyje

sigurojn informacion t mjaftueshm, kshtu q shum nyje duhet t bashkpunojn

pr t detektuar ngjarjen. Sjellja bashkpunuese gjithashtu lejon pr prpunim brnda-

rrjetit n vnd t drgimit t t gjith t dhnave t paprpunuara n nj kompjuter t

jashtm. S fundmi, sjellja bashkpunuese gjithashtu mund t detyroj ndarjen e

burimeve t nyjeve (pr shembull: kapacitetin e ruajtjes).

I thjesht - Nga kapaciteti i ult i ruajtjes dhe nga mundsit llogaritse n nyjet e

sensorve, krkohet nj stak i thjesht protokolli.

Peer-to-Peer - Ekzistenca e nj kontrolli qndror n rrjet pengon shkallzueshmrin,

kshtu q n vnd t prdorimit t komunikimit klient-server, preferohet komunikimi

peer-to-peer pr projektimin e algoritmave efikas pr WSN.

Sfidat e paraqitura m lart nuk e zvoglojn hapsirn e projektimit t WSN-ve. shtje t

tilla si programueshmria dhe mirmbajtja jan gjithashtu t rndsishme, por ato jan m pak

t rndsishme pr metodat e menaxhimit t t dhnave.

Nj sfid projektimi thelbsore n kto rrjeta sht prballimi me kufizimet e burimeve t

vendosura n pajisjet individuale. Procesori i nyjes sensor me nj memorje t vogl e matur

n Kbyte duhet t implementojn protokolle rrjeti kompleks, t shprndare dhe ad-hoc.

Shum kufizime rrjedhin nga fakti q kto pajisje duhet t prodhohen n sasi t mdha dhe

duhet t jen t vogla e t lira. Reduktimi i madhsis ishte vendimtar n aspektin e prodhimit

t pajisjeve sa m t lira dhe t gatshme pr tu prdorur n nj diapazon t gjr fushash

aplikimi.

Kufizimi m problematik sht harxhimi i energjis, pasi me zvoglimin e madhsis fizike

zvoglohet dhe kapaciteti i energjis. Pr sisteme t tilla konsumi i energjis duhet optimizuar.

Nj fakt pr tu mbajtur mnd sht se llogaritja e t dhnave harxhon m pak energji se

komunikimi.Vetm 1 Kb informacion konsumon sasin e energjis q duhet pr t ekzekutuar

21

miliona instruksione nga mikroproesori. Gjithashtu, energjia n transmetim dhe n marrje

jan t krahasueshme mes tyre. Edhe kur radio sht vetm n gjndjen e dgjimit konsumon

energji t krahasueshme me transmetimin apo marrjen. Kshtu, fikja e radios sjell ruajtjen e

energjis.

Sistemi operativ q prdoret sht TinyOS, nj sistem operativ i bazuar n komponent i

projektuar pr t punuar n pajisje wireless t kufizuara n burime. Ky siguron primitiva

komunikimi tepr efikase dhe mekanizma konkurrence t mir-strukturuara pr zhvilluesit e

aplikimeve dhe t protokolleve. Nj koncept ky n TinyOS sht prdorimi i programimit t

bazuar n ngjarje i ndrthurur me nj model komponenti me efienc t lart. TinyOS

mundson optimizim n t tr sistemin duke siguruar nj iftim t ngusht midis hardware-it

dhe software-it, si dhe mekanizmat fleksibl pr t ndrtuar module specifik aplikativ.

Tradicionalisht, aplikacione t WSN-ve bazohen n monitorimin e mbledhjes s t dhnave

me shpejtsi t ult. Meqense kto aplikacione fokusohen n mbledhjen e t dhnave nga

sensort, ku zakonisht t dhnat etiketohen nprmjet atributeve, ather operohet me krkim

t dhnash q lidhen me nj vler atributi t caktuar. Megjithat, aplikimet aktuale t WSN-s

mund t mbshtesin operacionet edhe m komplekse duke variuar deri tek gjurmimi i njerzve

q kan nevoj pr kujdes shndetsor. Monitorimi i substancave toksike n zonat rurale,

monitorimi i burimeve t ujit t pijshm, saktsia n bujqsi jan disa shembuj t

aplikacioneve mbi monitorimin e mjedisit duke prdorur WSN-t. Rrjetzimi i sensorve

ekzistues pr qllime t monitorimit krkon q sensort t jen t programuar paraprakisht

dhe t drgojn t dhnat n n