PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG WIRELESS SENSOR

: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG WIRELESS
SENSOR
3.1. Mô hình hoá mô phỏng
Trên cơ sở phân tích bài toán mô phỏng và xác định rõ mục tiêu và kế hoạch, việc mô
hình hoá mô phỏng nhằm trừu tượng hoá hệ thống thực bằng mô hình khái niệm, một tập
các quan hệ toán học và logic liên quan đến các thành phần và cấu trúc của hệ thống. Việc
xây dựng mô hình là cực kì quan trọng. Mô hình được xây dựng càng chi tiết và tổng quát
thì mô phỏng càng gần thực tế. Ngoài ra, tính hiệu quả và khả năng mở rộng, tức là có thể
sử dụng làm nền để phát triển thêm, của mô hình cũng rất được quan tâm. Ngoài ra, vì việc
xây dựng một mô hình chi tiết, tổng quát cho toàn hệ thống là rất khó thực hiện nên thường
việc mô hình hoá sẽ tập trung vào các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống, các phần khác
chỉ cần đảm bảo mức độ chính xác trong các ảnh hưởng của chúng tới hệ thống.
3.1. Mô hình nguồn năng lượng
Mô hình nguồn được xây dựng trên cơ chế khấu trừ năng lượng. Một nút Sensor có ba
thành phần tiêu thụ năng lượng chính là thiết bị cảm biến, thiết bị thu phát vô tuyến và bộ
xử lý với các cơ chế tiêu thụ năng lượng khác nhau. Các thành phần này lại có thể hoạt
động ở các trạng thái khác nhau với tốc độ tiêu thụ năng lượng khác nhau. Mô hình nguồn
năng lượng cung cấp khả năng mô phỏng trạng thái nguồn năng lượng của nút. Ban đầu,
mỗi nút Sensor được định cấu hình với một khối năng lượng xác định. Mỗi khi nút Sensor
thực hiện một hành động như nhận một tín hiệu cảm biến, thu hoặc phát các gói tin vô
tuyến, xử lý tín hiệu, nguồn năng lượng dự trữ của nút đó sẽ bị khấu trừ theo công suất
được định nghĩa trước cho từng thành phần. Khi nút Sensor không có hành động nào, năng
lượng sẽ được khấu trừ theo công suất rỗi (Idle power).
Với các mạng Sensor hiện nay, nhất là với các mạng không có khả năng tìm nguồn năng
lượng bên ngoài, ví dụ như sử dụng các tấm pin mặt trời thì tuổi thọ của nguồn năng lượng
là yếu tố quyết định thời gian tồn tại của mạng. Do đó, các thuật toán và giao thức được sử
dụng cho mạng Sensor đều phải chú ý đến hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng. Với việc
mô hình hoá nguồn năng lượng cho nút Sensor, môi trường mô phỏng cung cấp khả năng
khảo sát hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng của các thuật toán, các giao thức và các cách
tổ chức, triển khai nút khác nhau được áp dụng cho mạng Sensor. Mô hình này còn cung
cấp một số cơ chế khấu trừ nguồn trong thực tế đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm

3.3. Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor
Trong thiết kế phần mềm (còn được gọi là chuyển đổi mô hình), mô hình mô phỏng được
phát triển bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó. Trong đồ án này, việc mô phỏng mạng
Sensor được thực hiện trên phần mềm mô phỏng mạng NS-2 đã mở rộng cho môi trường
mạng Sensor. Do đó, phần tiếp theo sẽ trình bày về phần mềm NS-2 và phần mở rộng
NRL’Sensorsim trên NS-2 cho mô phỏng mạng Sensor
3.3.1. Phần mềm NS-2
a) Giới thiệu NS-2
NS-2 ( Network Simulator phiên bản 2) là chương trình mô phỏng mạng theo phương
pháp mô phỏng các sự kiện rời rạc. NS-2 hỗ trợ mô phỏng mạng có dây và không dây,
TCP, UDP , các giao thức truyền thông điểm-đa điểm và định tuyến khác,.v.v. NS-2 được
viết bằng C++ và ngôn ngữ hướng đối tượng Tcl (Otcl: object-oriented tool command
language).
NS-2 có một lịch sử khá dài, bắt nguồn từ các phần mềm REAL của UCB (1989) và
NEST của Colombia (1992). Đến năm 1995, NS-2 được phát triển trong dự án VINT
(Virtual InterNet Testbed hay nền kiểm thử Internet ảo). VINT là dự án hợp tác giữa
AT&T Reseach, Lawrence Berkeley National Laboratory, ETH TIK, Xerox PARC, UCB-
Berkeley và USC/ISI. Hiện nay, Ns đang tiếp tục được phát triển trong các dự án SAMAN
và CONSER, cùng với sự hợp tác của nhiều nhà nghiên cứu và ACIRI. Những tổ chức đã
đóng góp đáng kể vào NS-2 là UCB Daeledus, UMU Monarch và Sun MicroSystems.
So với các phần mềm mô phỏng mạng khác, NS-2 có những ưu thế sau:
- NS-2 có mã nguồn mở miễn phí.
- NS-2 có kiến trúc mở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng
- NS-2 được phát triển từ các phần mềm nổi tiếng trên thế giới như REAL, NEST nên nó
có những điểm mạnh và đã khắc phục được những yếu điểm của các phần mềm này
- NS-2 hỗ trợ các tính năng cơ bản của mạng IP, từ đó có thể phát triển thêm các phần tử
mạng.
Tập lệnh Otcl ( mã nguồn )Chương trình biên dịch Otcl Kết quả mô phỏng
Các thư viện C++
NS-2

- NS-2 có cấu trúc modul, rất thuận tiện cho việc nghiên cứu tìm hiểu và phát triển.
Nhìn từ phía người sử dụng , NS-2 là chương trình biên dịch mã Otcl được liên kết tới
thư viện C++ . Các đối tượng cơ sở như tcp, CBR,..được xây dựng trong C++. Đầu vào
NS-2 là tập mã lệnh Otcl , đầu ra là các tập tin mô phỏng tiến trình theo yêu cầu được thể
hiện trong tập lệnh Otcl.
Hình 3.1: Cấu trúc chương trình NS-2
Kết quả mô phỏng có thể quan sát bằng hình ảnh mô tả trực quan với ứng dụng Nam ( the
Network Animator ), bằng đồ thị (sử dụng Xgraph) hoặc có thể được xử lý bằng các tập
lệnh tuỳ chọn. Với cấu trúc này, việc sử dụng NS-2 trở lên đơn giản hơn nhiều so với sử
dụng trực tiếp C++ nhưng vẫn có được những tính năng của C++.
Với những đặc điểm trên, NS-2 thực sự là một công cụ phần mềm hữu ích cho việc học
tập, nghiên cứu mạng thông tin, giúp cho việc thực hành mạng trở lên hiệu quả hơn.
b) Cơ chế hoạt động của phần mềm NS-2
Hoạt động của NS-2 được chia thành hai phần là phần dữ liệu (được xây dựng trong C+
+) và phần điều khiển (được xây dựng trong Otcl). Để giảm thời gian xử lý gói và sự kiện,
thời biểu sự kiện và các đối tượng thành phần mạng cơ bản trong phần số liệu được viết và
biên dịch bằng C++. Các đối tượng được biên dịch này được tạo sẵn và được liên kết tới
Otcl qua bộ thông dịch Otcl. Mỗi đối tượng C++ này được điều khiển và được thiết lập các
tham số thông qua một đối tượng điều khiển tương ứng trong Otcl. Các đối tượng C++
không cần điều khiển hoặc chỉ hoạt động nội tại trong phần C++ thì không cần liên kết đến
Otcl. Tương tự, cũng có một số đối tượng (không nằm trong phần dữ liệu) có thể hoạt động
hoàn toàn chỉ trong Otcl. Các đối tượng điều khiển trong Otcl được ánh xạ 1-1 tới các đối
tượng cần điều khiển trong C++. Như vậy, cấu trúc phân cấp các đối tượng này trong hai
Thời biểu các sự kiện NS-2
Các thành phần mạng
Tcl 8.0
Otcl
tclcl
phần C++ và Otcl là tương tự nhau. Quan hệ giữa C++ và Otcl được minh họa trên hình
3.2.

Hình 3.2: Tính đối ngẫu giữa C++ và Otcl
Hình 3.3 chỉ ra kiến trúc NS-2. Trong kiến trúc này, người sử dụng (không phải người
phát triển NS-2) ở vị trí góc dưới bên trái. Dữ liệu đầu vào là tập lệnh Otcl được phân tích
bởi lớp Tcl. Việc thiết lập và chạy mô phỏng trong Tcl sử dụng các đối tượng trong thư
viện Otcl. Thời biểu các sự kiện và hầu hết các thành phần mạng hoạt động trong C++ và
được liên kết tới Otcl. Việc này được thực hiện bởi lớp tclcl.
Chương trình NS-2 có nhiều phiên bản chạy trên các hệ điều hành khác nhau và với các
yêu cầu cài đặt khác nhau. Trong đồ án này, phiên bản ns-allinone-2.27, chạy trên
Windows trong môi trường Cygwin/X được sử dụng để tìm hiểu một số các tính chất của
mạng Wireless Sensor. Cygwin/X cung cấp một giao diện chương trình ứng dụng (API)
giống như hệ điều hành UNIX trên khuôn dạng Windows do NS-2 không chạy trực tiếp
trên Windows.
Lớp ứng dụngCBRFTPTelnetLớp giao vậnTCPUDPLớp mạngDSDVDSRTORAAODVOLSRLớp liên kết số liệu802.11TDMASMACLớp vật lýCác kiểu phát vô tuyến với suy giảm bậc 4 : trong không gian tự do, mặt đất hai tia, bóng phủ.Antent độ lợi đơn.
Hình 3.3: Kiến trúc tổng quan của NS-2
Môi trường ns - 2 là công cụ hết sức linh hoạt trong việc nghiên cứu các đặc tính của
mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor network) vì nó có sẵn các mô hình cho mạng
ad-hoc không dây, có ràng buộc về năng lượng. Trong ns - 2, một mạng Sensor có thể
được xác định với nhiều tổ hợp các đặc tính như thực tế. Môi trường mạng di động trong
ns - 2, cung cấp sự hỗ trợ lẫn nhau giữa các giao thức như hình 3.12
Hình 3.4: Các giao thức được hỗ trợ trong NS-2 mô phỏng mạng không dây
Với cơ sở này, ta chỉ cần thêm vào NS-2 một số đối tượng và thuộc tính để mô phỏng
mạng Sensor.
3.3.2. Cơ sở phát triển mô phỏng mạng Sensor trên nền NS-2
Cơ sở duy nhất còn thiếu trong NS-2 cho mô phỏng mạng Sensor là việc định nghĩa một
"Phenomenon" (hiện tượng). Ví dụ như chất hoá học, âm thanh,... các đối tượng này có thể
di chuyển và kích hoạt các Sensor ở gần qua một kênh như phẩm chất không khí hay rung
động mặt đất. Khi một Sensor phát hiện tín hiệu từ một hiện tượng trong kênh này, Sensor
sẽ phản ứng tuỳ theo ứng dụng được định nghĩa bởi người sử dụng NS-2. Các ứng dụng
này sẽ quy định việc Sensor làm gì khi phát hiện ra hiện tượng mục tiêu. Ví dụ, Sensor có
thể định kỳ gửi thông báo đến một số điểm thu thập số liệu nếu nó còn tiếp tục phát hiện

thấy hiện tượng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn như công tác với các Sensor lân
cận để có được thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tượng trước khi cảnh báo người giám
sát về một hiện tượng giả định. Mỗi mạng Sensor có một ứng dụng duy nhất như giám sát
động đất, môi trường, Phần mở rộng NS-2 cung cấp các khả năng trình diễn các ứng dụng
Sensor. Với các ứng dụng này, chúng ta có thể nghiên cứu hoạt động của cơ sở hạ tầng
mạng dưới các điều kiện khác nhau. Cơ sở của việc xây dựng mô hình mạng Sensor trong
NS-2 được minh hoạ trong hình 3.5.
Hình 3.5: Cơ sở xây dựng mô hình mạng Sensor sử dụng NS-2
Mô hình trình diễn của các hiện tượng trong NS-2 được xác định với các gói quảng bá
được chuyển qua một kênh được chỉ định. Phạm vi ảnh hưởng của hiện tượng là tập hợp
các nút có thể nhận được các gói Phenom quảng bá trên kênh này. Mô hình này sẽ tuân
theo quảng bá bất cứ kiểu phát và truyền nào (không gian tự do, mặt đất 2 tia hay bóng
phủ, bao gồm cả các cấu hình nút hiện tượng. Các kiểu phát này phủ sóng theo dạng gần
tròn nhưng các hình dạng khác cũng có thể có được bằng cách thay đổi phạm vi của các
gói Phenon và di chuyển một cách thích hợp một tập các nút hiện tượng phát cùng kiểu.
Việc phát quảng bá các gói Phenom được hoàn thành nhờ "giao thức định tuyến
Phenom", quảng bá các gói Phenom với tốc độ xung xác định. Khi một gói Phenom được
nhận bởi một nút trên kênh Phenomenon (kênh hiện tượng), một thông báo về sự kiện này
sẽ được chuyển đến ứng dụng Sensor của nút đó.
3.3.3. Các định dạng mới trong NS-2
Giả sử có các nút hiện tượng (Phenomenon) kích hoạt các nút Sensor, lưu lượng các nút
Sensor tạo ra mỗi khi phát hiện thấy hiện tượng phụ thuộc vào chức năng của mạng. Ví dụ,
các mạng thiết kế để để hiệu chỉnh đích bằng hiệu ứng năng lượng sẽ tạo ra nhiều lưu
lượng Sensor đến Sensor hơn mạng thiết kế để cung cấp cho giám sát viên các dữ liệu chưa
qua xử lý. Chức năng này phụ thuộc vào ứng dụng của Sensor và phụ thuộc vào đặc tính
lưu lượng kết hợp với mạng được mô phỏng. Đối tượng và chức năng được định nghĩa
trong các file sau: