Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.75 MB, 102 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
──────── * ───────
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
TÌM HIỂU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) – ĐÁNH GIÁ
HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN OPEAS
NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ:
ĐỒN THỊ NGA
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGƠ QUỲNH THU
HÀ NỘI 06-2013
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 2
PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
1. Thơng tin về học viên
Họ và tên học viên: Đồn Thị Nga
Điện thoại liên lạc: 0934357246
Email:
Lớp: 10B-CNTT
Hệ đào tạo: Cao học chính quy
Luận văn tốt nghiệp được thực hiện tại:
Thời gian làm LVTN: Từ ngày /0 /2012 đến 26 /04 /2013
2. Mục đích nội dung của LVTN
• Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, đánh giá hiệu năng của giao thức
định tuyến OPEAS thuộc nhóm định tuyến phân nhóm.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của LVTN
• Tìm hiểu kiến thức nền tảng về mạng cảm biến khơng dây
• Tìm hiểu vấn đề định tuyến và các giao thức cảm biến đã được sử dụng
trong mạng cảm biến không dây
• Định hướng tìm hiểu về giao thức định tuyến OPEAS và đánh giá hiệu
năng của giao thức so với các giao thức khác cùng nhóm.
• Cài đặt, thử nghiệm và đánh giá giải thuật đã tìm hiểu
• Nhận xét kết quả đạt được và đề xuất hướng phát triển.
4. Lời cam đoan của học viên:
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 3
Tơi – Đồn Thị Nga - cam kết LVTN là cơng trình nghiên cứu của bản thân tơi
dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Quỳnh Thu.
Các kết quả nêu trong LVTN là trung thực, không phải là sao chép tồn văn của
bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2013
Tác giả LVTN
Đoàn Thị Nga
5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của LVTN và cho
phép bảo vệ:
Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2013
Giáo viên hướng dẫn
TS. Ngô Quỳnh Thu
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 5
MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây là một hướng tiếp cận mới đầy triển vọng cho
rất nhiều các ứng dụng như theo theo dõi môi trường, quân sự, y tế, nông nghiệp.
Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến đặt ra những thách thức không nhỏ bởi
các giao thức cần đơn giản nhưng có khả năng thích nghi tốt, tiết kiệm năng
lượng hiệu quả để có thể hoạt động được với số lượng nút cảm biến lớn có năng
lượng giới hạn đồng thời giao thức định tuyến cần tự điều chỉnh trong trường
hợp một số nút cảm biến gặp lỗi gây thay đổi cấu trúc mạng. Gần đây có rất
nhiều nghiên cứu tập trung vào phát triển các giao thức định tuyến phân cấp cho
mạng cảm biến. Kết quả cho thấy một số các giao thức định tuyến phân cấp sử
dụng cách thức phân nhóm theo sự kiện như ARPEES, OEDSR, HPEQ đạt nhiều
ưu điểm trong việc giảm thiểu dữ liệu dư thừa truyền tải cũng như số lượng các
bản tin điều khiển sử dụng. Tuy nhiên các giao thức này cũng bộc lộ nhược điểm
vể khả năng chống lỗi do chỉ sử dụng duy nhất một tuyến đường truyền tải dữ
liệu dẫn tới khả năng mất gói tin khi một trong các nút truyền tải hết năng lượng.
Trong khuôn khổ luận văn này em xin giới thiệu phương thức định tuyến mới
cho các giao thức định tuyến phân nhóm có tên là Optimal Path and Energy
Aware Sensor routing protocol (OPEAS) với các đặc điểm sau:
• Giảm số bản tin điều khiển, qua đó tiết kiệm năng lượng tiêu hao trên tồn
mạng.
• Sử dụng hàm đánh giá mới giúp lựa chọn tuyến đường ngắn mà vẫn cân
bằng được năng lượng tiêu hao của các nút.
Giải thuật này đã được sinh viên Trần Trung Hiếu – trường ĐH Bách
Khoa xây dựng và đã cài đặt trên OMNeT++ cùng với hai giải thuật cùng loại
khác là ARPEES và MLEACH và đã được Hiếu chạy thử nghiệm thành cơng với
SVTH: Đồn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 6
nhiều kịch bản, mơ hình mạng. Kết quả mô phỏng của Hiếu ban đầu cho thấy
phương thức truyền mới này tiêu thụ ít năng lượng hơn qua đó kéo dài thời gian
sống của mạng hơn so với các giải thuật định tuyến phân nhóm khác.
SVTH: Đồn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 7
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nghiên cứu và cố gắng của bản
thân, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giảng dạy tại trường
Đại Học Bách Khoa HN đã trang bị cho em những kiến thức bổ ích và thiết thực
nhằm mở mang tầm hiểu biết của em về ngành công nghệ thông tin hiện nay.
Em xin cảm ơn TS. Ngô Quỳnh Thu (bộ môn Truyền Thông Mạng – viện
Công nghệ thông tin và truyền thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội) là giáo
viên trực tiếp hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em trong suốt
quá trình thực hiện luận văn.
Trong thời gian thực hiện luận văn, em cũng đã đón nhận những góp ý,
hướng dẫn tận tình của cơ Nguyễn Thanh Nguyệt đã giúp em hoàn thiện hồ sơ
bảo vệ, thời gian, lịch trình bảo vệ luận văn. Em cũng xin cảm ơn những người
bạn cùng lớp đã giúp đỡ em về tài liệu tham khảo, đã cổ vũ tinh thần và nhiệt
tình giúp đỡ khi em có những khó khăn trong luận văn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, gia đình, những người đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho em có thể học tập tốt và trưởng thành.
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 8
MỤC LỤC
PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ................................. 2
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 5
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................. 11
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... 13
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT............................................................................. 14
PHẦN 1: LÝ THUYẾT ...................................................................................... 16
CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .................................... 16
1.1 KHÁI QUÁT VỀ NODE CẢM BIẾN: ................................................... 16
1.1.1 Khái niệm: ............................................................................................ 16
1.1.2 Cấu Tạo: ............................................................................................... 18
1.1.3 Phân loại cảm biến: .............................................................................. 20
1.1.4 Xu hướng phát triển của Node cảm biến:............................................. 22
1.2 Đặc điểm của WSNs:............................................................................... 23
1.2.1 Kích thước vật lý nhỏ ........................................................................... 23
1.2.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao............................................ 23
1.2.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế .................... 23
1.2.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng ................................................ 24
1.2.5 Hoạt động tin cậy ................................................................................. 24
CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHƠNG DÂY ........................................................................................................ 25
2.1
Đặc điểm chung: ...................................................................................... 25
SVTH: Đồn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 9
2.2 Những thách thức khi định tuyến trong mạng WSNs: ............................ 27
2.3 Phân loại: ................................................................................................. 30
2.3.1 Flooding và các biến thể:...................................................................... 32
2.3.2 Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận: .............................. 35
2.3.3 Định tuyến phân nhóm: ........................................................................ 42
2.3.4 Tập trung hiệu quả công suất trong hệ thống thông tin cảm biến: ....... 54
2.3.5 Truyền tin trực tiếp: .............................................................................. 56
2.3.6 Định tuyến theo vị trí............................................................................ 59
PHẦN II: MÔ TẢ GIẢI THUẬT – CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH
GIÁ GIẢI THUẬT ............................................................................................. 68
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU GIAO THỨC OPEAS: ......................................... 68
3.1 Vấn đề đặt ra của giải thuật là: ................................................................ 68
3.2 Mơ hình mạng cảm biến và mơ hình sóng vơ tuyến sử dụng nghiên cứu
giải thuật:........................................................................................................... 69
3.2.1 Mơ hình mạng cảm biến: ...................................................................... 69
3.2.2 Mơ hình sóng vô tuyến: ........................................................................ 70
3.3 Nội dung giải thuật: ................................................................................. 71
3.3.1 Pha khởi tạo: ......................................................................................... 71
3.3.2 Pha thành lập nhóm và lựa chọn nhóm trưởng .................................... 72
3.3.3 Pha lựa chọn nút trung gian và truyền dữ liệu ..................................... 75
CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA
GIAO THỨC SO VỚI CÁC GIAO THỨC KHÁC CÙNG LOẠI ................... 82
4.1 Giới thiệu chung về công cụ mô phỏng OMNET++:.............................. 82
4.1.1 Mơ hình mơ phỏng trong OMNeT++ ................................................... 83
4.1.2 Xây dựng và chạy thử mơ hình mơ phỏng ........................................... 86
4.2 Mơ phỏng giải thuật OPEAS: ................................................................. 90
4.2.1 Các thông số đầu vào mô phỏng .......................................................... 92
4.2.2 Các thông số đầu ra .............................................................................. 94
4.2.3 Đánh giá hiệu năng ............................................................................... 94
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 10
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 102
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 11
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sự phát triển cơng nghệ chế tạo cảm biến ........................................... 17
Hình 1.2a: các thành phần phần cứng của node (WSNs) .................................... 19
Hình 1.2b: các thành phần phần mềm của node (WSNs) .................................... 20
Hình 2.1: các ứng dụng mạng WSNs ................................................................... 25
Hình 2.2: Truyền dữ liệu đa chặng....................................................................... 27
Hình 2.3 :Flooding các gói dữ liệu trong mạng thơng tin ................................... 33
Hình 2.4 : bùng nổ lưu lượng do flooding ........................................................... 34
Hình 2.5 : Vấn đề chồng lấn do flooding ............................................................. 35
Hình 2.6 : Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN ................................................ 38
Hình 2.7: Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP ............................................ 39
Hình 2.8: Giao thức SPIN-BC ............................................................................. 41
Hình 2.9– Mơ hình mạng cảm biến sử dụng giao thức phân nhóm ..................... 44
Hình 2.10: Phân Chia Cluster............................................................................... 50
Hình 2.12: 2 trạng thái pha LEACH. ................................................................... 50
Hình 2.13: Cấu trúc mạng hình chuỗi. ................................................................. 55
Hình 2.14: Truyền thơng điệp interest.................................................................. 57
Hình 2.15: Pha cài đặt gradient. ........................................................................... 58
Hình 2.16: Phân phối dữ liệu theo tuyến đường được chọn nâng cao chất lượng.
.............................................................................................................................. 59
Hình 2.17:Quyết địnhchuyển tiếp mang tính cục bộ và tồn hệ thống................ 62
Hình 2.18: Các chiến lược chuyển tiếp gói. ......................................................... 63
Hình 2.19: Giải thuật địnhtuyến khơng hiệu quả................................................. 64
Hình 2.20: Cải thiện chất lượng giao thức địnhtuyến. ........................................ 66
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 12
Hình 3.1: Mơ hình năng lượng sóng vơ tuyến ..................................................... 71
Hình 3.2 Mơ tả thuật tốn chọn nhóm trưởng..................................................... 74
Hình 3.3 Minh họa q trình lựa chọn nhóm trưởng ........................................... 74
Hình 3.4 Ví dụ q trình lựa chọn nút trung gian ................................................ 77
Hình 3.5 Mơ tả thuật tốn lựa chọn nút trung gian .............................................. 80
Hình 4.1 – Cấu trúc module NED ........................................................................ 84
Hình 4.2 Lược đồ xây dựng và chạy một chương trình mơ phỏng OMNeT++... 90
Hình 4.3 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây gồm 100 nút, diện tích 500x500 m2
.............................................................................................................................. 92
Hình 4.4 Năng lượng tồn mạng với các hàm đánh giá khác nhau ..................... 95
Hình 4.5 Phân bố năng lượng của 200 nút mạng sau 60 round ........................... 97
Hình 4.6 Tổng năng lượng trên tồn mạng khi 1/3 số nút hết năng lượng .......... 98
Hình 4.7 Số nút mạng cịn năng lượng sau 160 round......................................... 99
Hình 4.8 Tỉ lệ bản tin lỗi .................................................................................... 100
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 13
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại các node theo đặc điểm........................................................ 21
Bảng 4.1 Bảng tham số mô phỏng ....................................................................... 93
Bảng 4.2 Bảng thống kê sự kiện xuất hiện nút hết năng lượng đầu tiên ............. 96
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 14
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Viết đầy đủ
BS
Base Station
CH
Cluster Head
TDMA
Time division multiple access
WSN
Wireless Sensor Network
Adaptive Routing Protocol with Energy Efficiency and
Event
ARPEES
Clustering forWireless Sensor Networks
OEDSR
Optimized Energy-Delay Sub-network Routing
Hierarchical Periodic, Event-driven and Query-based
HPEQ
Wireless Sensor Network Protocol
LEACH
PEGASIS
TEEN
Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
Power-Efficient Gathering in Sensor Information
Systems
Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols
Multipath Adaptive Routing Protocol with Energy
MARPEES
Efficiency and Event
Clustering forWireless Sensor Networks
EMRP
Energy-Awared Meshed Routing Protocol
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
OMNeT++
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 15
Objective Modular Network Tested in C++
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 16
PHẦN 1: LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1
KHÁI QUÁT VỀ NODE CẢM BIẾN:
1.1.1 Khái niệm:
Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa
lý. Các node (sensor nodes hay còn gọi là WSNs) có khả năng liên lạc vơ tuyến
với các node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao
thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung
tâm. Chức năng cơ bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng
của nó. Một số chức năng chính:
- Xác định được giá trị các thơng số tại nơi lắp đặt. Như có thể trả về nhiệt độ,
áp suất, cường độ ánh sáng… tại nơi khảo sát.
- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thơng số
của sự kiện đó. Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến
phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di
chuyển các phượng tiện đang lưu thông…
- Phân biệt các đối tượng. ví dụ phượng tiện lưu thơng mà cảm biến nhận biết
được là gì: xe con, xe tải , hay xe buýt…
- Theo dấu các đối tượng. ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến phải
cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển
trong vùng bao phủ của mạng…
Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo u
cầu và mục đích của thơng tin cần thu thập.
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 17
Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt, điện, từ, sinh học,
quang, chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khối… cảm biến có thể được đưa ra
bên ngồi mơi trường nguy hại, mơi trường có nhiệt độ cao, mức dao động,
nhiễu lớn, mơi trường hóa chất độc hại, có thể lắp đặt trong hệ thống robo tự
động hay trong hệ thống nhà xưởng sản xuất. Công nghệ cảm biến và điều khiển
bao gồm trường điện và từ, cảm biến sóng radio; cảm biến quang, hồng ngoại,
radars, lasers, cảm biến vị trí hay định vị, cảm biến hướng mục đích phục vụ cho
an ninh sinh hóa…
- Các thơng số vật lý
- Các thơng số hóa học, sinh học
- Các sự kiện
Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng
tin cậy là yếu tố quan trọng tạo nên mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế.
Hình 1.1: Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến
Công nghệ cảm biến phát triển giai đoạn gần đây như hình vẽ 1.1. Node kết
hợp cảm biến và xử lý giai đoạn 1999 có kích thước lớn hơn một đồng xu, các IC
tích hợp cảm biến. các năm tiếp theo, kích thước node giảm đi rất nhiều. Với sự
phát triển các công nghệ nano, MEMS kích thước node giảm đi đáng kể, kèm
SVTH: Đồn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 18
theo giảm năng lượng tiêu thụ, tang thời gian sử dụng, khả năng xử lý, độ ổn
định cao hơn… Những ăm đầu 2000, thể tích trung bình node cỡ 16.387mm3,
đến 2007 là 1-mm3.
1.1.2 Cấu Tạo:
Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs , các chức năng cần phải có:
chức năng cơ bản của node, chức xử lý tín hiệu - gồm xử lý số tín hiệu, nén, phát
hiện và sửa lỗi, điều khiển và thừa hành, phân nhóm và tính tốn trong mạng,
thơng tin, tự kết hợp, định tuyến và quản lý kết nối. Để có các chức năng này,
phần cứng của node phải có cảm biến và bộ phận thực thi, bộ xử lý, nguồn, và
các phần phục vụ cho chức năng khác. Hình 1.2a và Hình 1.2b chỉ các phần cấu
tạo nên node cảm biến thông thường gồm phần cứng và phần mềm.
Phần cứng : 4 nhóm chính
• Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lượng cho node hoạt động trong vài giờ,
vài tháng hay vài năm.
• Lưu trữ và tính tốn: phục vụ cho các chức năng xử lý, điều chế số, định
tuyến…
• Cảm biến: biến đổi các thông số môi trường thành thông tin
• Liên lạc: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 19
Hình 1.2a: các thành phần phần cứng của node (WSNs)
Phần mềm : 5 nhóm chính
• Hệ điều hành(OS) microcode (còn gọi là middleware): liên kết phần
mềm và chức năng bộ xử lý. Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã
nuồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs
• Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của
phần tử cảm biến
• Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến,
chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi…
• Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý
trong mạng.
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 20
Hình 1.2b: các thành phần phần mềm của node (WSNs)
1.1.3 Phân loại cảm biến:
Bởi vì sự đa dạng của cảm biến, cần thiết phải có sự phân loại. Đánh giá
theo kích thước, cơng suất, khả năng xử lý, chế độ hoạt động, giao thức định
tuyến…
Ta có các bảng đánh giá sau:
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 21
Bảng 1.1: Phân loại các node theo đặc điểm
Các yếu tố quyết định chất lượng Node và môi trường hoạt động của
Node
- Nguồn cung cấp: các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử dụng
hiệu quả nguồn năng lượng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng
WSNs.
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 22
- Liên lạc: Mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh
truyền. Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cậy, chất lượng dịch vụ và độ
bảo mật của hệ thống
- Tính tốn: các node có cơng suất tính tốn và bộ nhớ giới hạn. điều này ảnh
hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu hoạt động tại node.
- Sự không chắc chắn các thông số: dữ liệu cần thu thập có thể kèm theo nhiễu
từ mơi trường. Sự hư hỏng các node có thể làm sai dữ liệu. Sự sắp đặt các
node gây sai lệch hoạt động node.
1.1.4 Xu hướng phát triển của Node cảm biến:
Để mạng WSNs có thể được triển khai rộng rãi với quy mơ lớn, kích
thước, giá thành và công suất tiêu thụ của node phải giảm đáng kể và sự thông
minh của node phải tăng lên. Cần có hệ thống cảm biến kết hợp các kỹ thuật tiên
tiến như công nghệ nano, mạng phân bố, thơng tin vơ tuyến băng rộng…
Sự thu nhỏ kích thước, giá thành là vấn đề quan trọng hang đầu. Sự tích
hợp cảm biến, vi xử lý, nguồn năng lượng và giao tiếp mạng thông tin trên một
chip sẽ làm việc trao đổi dữ liệu giữa cảm biến và môi trường bên ngồi trở nên
dễ dàng hơn.
Việc tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng. Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ
giúp mạng WSNs ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, có khả năng giao tiếp với
các mạng khác, giao diện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn. Các nghiên
cứu đang hướng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến
phân bố, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại, hỗ trợ hiệu quả cho
các q trình ra quyết định.
SVTH: Đồn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 23
1.2 Đặc điểm của WSNs:
1.2.1 Kích thước vật lý nhỏ
Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và cơng suất tiêu
thụ ln chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc
thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và
công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng
phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.
1.2.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm
biến và vận chuyển các dịng thơng tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt
động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thơng tin cảm biến có
thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng.
Hoặc dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và
được hướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ
trong nhỏ nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dịng ra là
khơng khả thi. Hơn nữa, mỗi dịng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức
thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo
dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều
công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
1.2.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh
vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn
nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động
(actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 24
chip đơn. Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân
tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được
liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và cơng suất,
khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ
quản lý dịng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp.
1.2.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng
dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì
có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu
thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng
tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần
cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức
độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển
chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập
các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngồi ra, cũng có thể chuyển đổi
giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.
1.2.5 Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng
dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng
độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc
tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể
tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự
hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn
khơng những mạnh mẽ mà cịn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 25
CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHƠNG DÂY
2.1
Đặc điểm chung:
Mạng WSNs có khả năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển
như hình 2.1. Các dữ liệu được thông tin giữa các trạm trung tâm và các node
phân bố là một khía cạnh quan trọng và cơ bản của WSN.
Hình 2.1: các ứng dụng mạng WSNs
Cách đơn giản để thực hiện liên lạc là trao đổi trực tiếp từ các node đến
base station. Tuy nhiên, liên kết dựa trên truyền một chặng (single-hop) gặp
vấn đề suy giảm năng lượng nhanh chóng của các node nếu các node ở cách
xa trạm trung tâm, do đó làm giới hạn thời gian sống của mạng. Đây là vấn đề
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
Tên đề tài: Tìm hiểu về mạng WSN
GVHD: TS. Ngơ Quỳnh Thu
Page 26
quan trọng đối với các mạng cảm biến khôn dây được xây dựng phân bố trên
phạm vi rộng hay các node di động và có thể di chuyển ra xa trạm trung tâm.
Để giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đổi giữa các cảm biến và base
station được truyền đa chặng (multihop). Các liên kết đa chặng có thể kéo dài
khoảng cách và đưa ra một đường đi linh hoạt hơn. Phương pháp này tiết
kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể nhiễu giữa các node đang tranh
chấp truy cập kênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSNs có mật độ cao.
Mơ hình truyền dữ liệu được minh họa trên hình 2.2. Với yêu cầu được phát
đi, các node đáp lại bằng gói trả lời hoặc đáp ứng các sự kiện xảy ra, dữ liệu
thu thập từ các node cảm biến phải đi qua nhiều chặng để đến trạm trung tâm.
Trong truyền multihop, các node trung gian phải tham gia vào việc chuyển
các gói dữ liệu giữa nguồn và đích. Xác định các node trung gian cần phải đi
qua là nhiệm vụ của giải thuật định tuyến. Định tuyến trong mạng cỡ lớn gặp
nhiều khó khan, thiết kế phải đảm bảo sự chính xác, tính ổn định và khả năng
tối ưu. Cùng với các đặc tính của mạng WSN như tiết kiệm năng lượng và
băng thông hạn chế tạo ra nhiều thách thức cho giải thuật định tuyến để thõa
mãn yeu cầu lưu lượng và kéo dài thời gian sống của mạng.
SVTH: Đoàn Thị Nga – Lớp 10B-CNTT
-
VĐT SĐH Trường ĐH Bách Khoa HN
