Nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng cảm nhận không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN ====== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu quản lý lượng mạng cảm nhận không dây Giáo viên hướng dẫn: Th.s Hòa Quang Dự Sinh viên thực hiện: Hà Minh Phương Lớp:CT701 Mã SV: 10295 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com NỘI DUNG BÁO CÁO I II III IV V VI MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THỰC NGHIỆM TỔNG KẾT LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI  Tìm hiểu nghiên cứu tổng quan mạng WSN  Nghiên cứu vấn đề lượng WSN, phương pháp thuật tốn để trì thời gian sống nút mạng dài  Xây dựng chương trình mơ việc quản lý lượng WSN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com II MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY 1.Khái niệm: Mạng cảm nhận khơng dây mạng sử dụng phương thức truyền nhận sóng Radio mà nút mạng tích hợp vi điều khiển cảm biến 2.Cảm biến: Các cảm biến thiết bị cảm nhận đáp ứng với tín hiệu hay kích thích Bộ cảm biến thực chức thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi thay đổi biến trạng thái nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, áp suất, momen LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com III.VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG A.Vấn đề quản lý lượng  Nguyên nhân quản lý lượng Hao phí lượng  Phân bố lượng  B.Các nguồn lượng   Pin Nguồn lượng khác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com A Vấn đề quản lý lượng  Nguyên nhân quản lý lượng — — Nút mạng hoạt động nhờ lượng Nút mạng đặt ngồi mơi trường, can thiệp người quản trị  Nguyên nhân hao phí lượng — — — — Hao phí điện q trình xung đột Phí tổn điều khiển gói tin Nghe lỏm truyền thông không cần thiết Thời gian nghỉ kéo dài LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com       Tiêu thụ lượng nút cảm biến phụ thuộc chế độ hoạt động: Trong WINS, Tx: Rx : Sleep = 1080mW : 750mW : 64mW Trong Mica Mote, Tx: Rx : Sleep = 25mW : 22mW : 0.02mW Đánh giá : Chế độ ngủ tiêu thụ lượng nhất, Tx tiêu thụ nhiều lượng Radio cần tắt để giữ lượng giống hạn chế thời gian nghỉ mạng cảm biến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com A Vấn đề quản lý lượng  Phân bố lượng    Bộ xử lý Radio Sensors ADC LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B.Các nguồn lượng • Nguồn lượng mặt trời Nguồn lượng rung động học Nguồn lượng từ pin…  Chọn nguồn năng: • • — — — — Thời gian sản xuất Khả thay Giá ban đầu giá phát sinh Thời gian hoạt động, điện trở trong, giá trị điện áp, kích thước, ảnh hưởng sinh học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B.Các nguồn lượng  Pin — — Thời gian sống Quá trình phát pin yếu Cảnh báo “pin yếu”  Hấp thụ lượng — — Pin quang điện — Rung động học — Nguồn hấp thụ lượng khác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Giao thức điều đình  Nút mạng tiêu thụ điện trung bình theo thời gian P= α P0 + (1- α) Ps P = lượng tiêu thụ trung bình theo thời gian (đơn vị W) α = Chu trình tác vụ P0 = Năng lượng tiêu thụ hoạt động tích cực (Đơn vị W) Ps = Năng lượng tiêu thụ chế độ chờ standby (Đơn vị W)  Giảm P giảm P0 Ps LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phương thức hạn chế chu trình làm việc nút mạng (Sleep- Listen)  Lược đồ  Lựa chọn trì lịch trình — Tự đưa lịch trình Theo lịch trình nút lân cận Nhận lịch trình nút khác có lịch trình  Duy trì đồng hóa — — LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phương thức hạn chế chu trình làm việc nút mạng (Sleep- Listen) Cơ chế tránh xung đột nghe lỏm Cơ chế tránh xung đột Cơ chế tránh nghe lỏm  Nút phải ngủ A truyền thông với B ? LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Giải thuật LEACH Kiến trúc mạng liên kết bó:  Nút đầu bó tiêu thụ điện lớn nút bó  Quay vịng đầu bó  Thao tác LEACH chia làm nhiều vịng vịng có giai đoạn: 1.Giai đoạn thông báo (Advertisement Phase) 2.Giai đoạn thiết lập Cluster (Cluster Set-up Phase ) Tạo bảng lịch trình (Schedule Creation) Truyền liệu (Data Transmission)  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cấu hình lượng tối thiểu (MPC-Minimum Power Configuration)   Mạng WSN cần phải giảm lượng tiêu thụ trạng thái lượng radio (trạng thái truyền, nhận, nghỉ) MPC giảm đến mức tối thiểu lượng tiêu thụ tất trạng thái lượng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ví dụ minh họa truyền thông từ a tới c: a → c a → b → c -Trường hợp 1: a truyền trực tiếp tới c sử dụng dãy truyền |ac| b ngủ -Trường hợp 2: a truyền tới b sử dụng dãy truyền |ab| b chuyển tiếp liệu từ a tới c LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Định nghĩa toán Pmintx ≤ Ptx(u,v) ≤ Pmaxtx G(V,E) mạng không dây  V tập nút  E định nghĩa E = {(u,v)|(u,v є V ^(Ptx (u,v)≤ Pmaxtx )} Prx tiêu thụ lượng nút chế độ thu Pid tiêu thụ lượng nút chế độ nghỉ S= {si } T = {tj } nút nguồn nút đích tương ứng I = {(si, tj,ri,j)|si є S, tj є T } yêu cầu lộ trình nơi nguồn si gửi liệu tới đích tj tốc độ ri,j Cu,v = Ptx(u,v) + Prx – 2Pid z = Pid Bài toán MPC: Đưa mạng G(V,E) yêu cầu truyền thơng I, tìm đồ thị G’(V’,E’), lộ trình f(si,tj) bên G’ cho yêu cầu truyền thông (si,tj,ri,j) є I cho tổng giá trị lượng P(G’) rấtLUAN nhỏ VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thuật toán MBA Input:G(V,E),bộ W = S U {t} yêu cầu truyền thông I Output: G’(V’,E’) Tạo đồ thị đầy đủ M bao gồm tất nút W Mỗi cạnh nút M đường ngắn nút G theo giá trị cạnh D Cho nguồn si sj, Du,v =z + (2rirj/(ri+rj))Cu,v, (u,v) є E Cho nguồn si đích t, Du,v = z + riCu,v ,(u,v) єE Tìm đồ thị phù hợp với đồ thị M mà có nửa giá trị đồ thị đầy đủ tối thiểu tương ứng, có nửa tổng số nút Các nút cạnh G tương ứng với cạnh M thêm vào G’ Cho đỉnh tương ứng (si, sj) M, chọn si làm tâm với xác suất ri/(ri+rj), ngược lại chọn sj tâm Thay đổi tốc độ liệu tâm ri + rj    Mỗi nút tâm đỉnh tương ứng M đưa tới W.Dừng lại S chứa đích, khơng chuyển bước LUAN VAN CHAT LUONG download Sự phức tạp O(k2(m + nlgn)) (với k, m, n tương ứng số lượng nguồn, tổng số cạnh nút G) Bài toán kết thúc sau O(lg k) lần lặp Giá trị cạnh : add luanvanchat@agmail.com Cây tìm đường ngắn (Shortestpath Tree Heuristic -STH)  Ý tưởng: cân theo giá trị liên quan (ri,j Cu,v) giá trị nút cố định (z) đồ thị Input: G(V,E),bộ nguồn S, yêu cầu truyền thông I Output: G’(V’,E’) 1.Ban đầu G’(V’,E’) rỗng 2.Với nút nguồn si a)Đặt trọng số cạnh G(V,E) theo gi b)Tìm đường ngắn nối si với t c)Thêm đường ngắn tìm thấy tới G’ LUAN VAN CHAT LUONG download3.Kết : add thúc luanvanchat@agmail.com Bài toán ISTH Input: G(V,E), nguồn S, đích t u cầu truyền thơng I  Output: G’(V’,E’) 1.Ban đầu G’(V’,E’) rỗng 2.Gán nhãn cho tất nút ngủ 3.W =S 4.Khi W≠ Ø (a) Tìm si Є W cho khoảng cách ngắn G(V,E) tới t với trọng số cạnh hi(u,v) (b) Thêm đường ngắn từ si tới t G’ (c) Gán nhãn cho tất nút lộ trình hoạt động (d) W = W- si 5.Kết LUAN thúc VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Giao thức phân tán Giao thức MPCP -Trạng thái nút bảng định tuyến  -Cập nhật tuyến (Route Updates) 1) link bị hỏng 2) Tốc độ liệu luồng có thay đổi 3) Luồng liệu bắt đầu hoàn thành Giao thức mạng MASP -chi phí định tuyến nút MASP khơng phụ thuộc vào tốc độ liệu  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com V THỰC NGHIỆM Mục đích thực nghiệm -Nghỉ (Idle): Chế độ radio bật, chưa sử dụng -Truyền (Transmit): Radio thực truyền gói liệu -Nhận (Receive): Radio thực nhận gói liệu gửi tới -Ngủ (Sleep): Radio chế độ giảm điện -Nghe lỏm (overhear): Radio nghe (listen) thông tin từ nút khác gửi tới không thực q trình thơng tin     Bài tốn: Thực nghiệm nhằm đưa chương trình mô minh họa chế độ lượng CC1010 chế độ idle sleep Minh họa macro ENTER_IDLE_MODE ENTER_SLEEP_MODE Mơ hình thực nghiệm Ngơn ngữ lập trình LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương trình thực nghiệm Begin Khởi tạo -Các ngắt, định thời, đèn tín hiệu -Về chế độ chờ F Nhấn switch1 T Reset -Bật đèn xanh -Kích hoạt Timer0 -Về chế độ nghỉ -Vơ hiệu hố Timer0 F T -Bật đèn vàng -Đèn xanh tắt -Về chế độ ngủ Nhấn LUAN VAN CHAT switch2 LUONG download : add luanvanchat@agmail.com VI TỔNG KẾT Lý thuyết:  Nguồn lượng cung cấp cho nút mạng pin, nguồn tích nạp từ mơi trường  Những nguyên nhân gây lượng, lãng phí lượng mạng  Đưa phương pháp, thuật toán quản lý hạn chế tiết kiệm lượng tiêu thụ Thực nghiệm:  Đã xây dựng tốn thực nghiệm mơ chế độ lượng nút mạng, phần minh họa cho lý thuyết đồ án LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN !   Mặc dù cố gắng nhiều, đề tài khơng tránh khỏi sai sót Nếu điều kiện thời gian trang thiết bị cho phép em phát triển phần lý thuyết phần thực nghiệm Em xin chân thành cảm ơn Ths Hòa Quang Dự PGS.TS Vương Đạo Vy, toàn thể Thầy, Cô môn CNTT tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... II MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 1.Khái niệm: Mạng cảm nhận không dây mạng sử dụng phương thức truyền nhận sóng Radio mà nút mạng tích hợp vi điều khiển cảm biến 2 .Cảm biến: Các cảm biến thiết bị cảm. .. MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THỰC NGHIỆM TỔNG KẾT LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI  Tìm hiểu nghiên cứu tổng quan mạng. .. luanvanchat@agmail.com III.VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG A.Vấn đề quản lý lượng  Nguyên nhân quản lý lượng Hao phí lượng  Phân bố lượng  B.Các nguồn lượng   Pin Nguồn lượng khác LUAN VAN CHAT LUONG download