Phân tích thiết kế hệ thống tìm HIỂU về MẠNG cảm BIẾN

ĐỒ ÁN: TÌM HIỂU VỀ MẠNG CẢM BIẾN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Lời nói đầu Kính gửi đến q thầy Bài tập lớn nhóm chúng em, với đề tài chọn “Tìm hiểu Mạng Cảm Biến “ Trong đề tài gồm Chương: - Chương I: Sự phát tiển Mạng Cảm Biến - Chương II: Cấu trúc & Kiến trúc giao thức - Chương III: Chọn đường tron WSN - Chương IV: Các kỷ thuật phân nhóm mạng cảm biến vơ tuyến Vì đề tài em chọn đề tài em theo học theo tiến trình học lớp nên em chưa thể sâu, kiến thức tìm hiểu được, chưa chi tiết Vậy em gửi đề tài đến thầy kính mong Cơ xem xét, hướng dẫn thêm cho em! Với đề tài “Tìm hiểu Mạng Cảm Biến “ em muốn hiểu rõ sâu cấu trúc nguyên tắc hoạt động Mạng Cảm Biến Đây phần quan trọng môn Truyền Số Liệu ứng dụng rộng rãi thực tế Em xin chân thành cảm ơn nhiệt tình hướng dẫn Cơ Lê Nguyễn Mai Dun, điều giúp em thuận lợi trình làm đề tài Sau thực đề tài em thu nhiều kiến thức bổ ích, thiết thực, góp phần lớn cho q trình học cơng việc thân em sau Tuy nhiên, đề tài mang tính chất tìm hiểu, kinh nghiệm trình bày vấn đề, đề tài chưa có nên chúng em khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vậy em kính mong q xem xét góp ý cho em để em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn Nhóm Sinh Viên thực GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Chương 1: SỰ PHÁT TRIỂN CÙA MẠNG CẢM BIẾN Khái niệm Wireless Sensor Network (WSN) tương đối lạ lẫm nhiều người làm việc lãnh vực Telecom Thread sử dụng để giới thiệu tổng quan hệ thống WSN ứng dụng WSN (trong quân sự, công nghiệp sống ngày) Giới thiệu Đặc trưng cấu hình mạng cảm biến Mơt số chuẩn mạng cảm biến Ứng dụng mạng cảm biến I GIỚI THIỆU : Mạng cảm biến vơ tuyến (WSN) hiểu đơn giản mạng liên kết node với kết nối sóng vơ tuyến (RF connection) node mạng thường (thiết bị) đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố cách khơng có hệ thống (non-topology) diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) hoạt động mơi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ) Các node mạng thường có chức sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như;nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động Các node giao tiếp ad-hoc với truyền liệu trung tâm (base station) cách gián tiếp kỹ thuật multi-hop Lưu lượng (traffic) liệu lưu thông WSN thấp ko liên tục (không hẳn với tracking localization aplication) Do để tiết kiệm lượng, sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) trạng thái nghỉ (sleep mode) khác Thông thường thời gian node trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều Như vậy, đặc trưng để phân biệt mạng cảm biến mạng wireless khác giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng liệu, lượng tiêu thụ thời gian trạng thái hoạt động (active mode) II ĐẶC TRƯNG VÀ CẤU HÌNH MẠNG CẢM BIẾN : Một node mạng WSN thông thường bao gồm phần: phần cảm biến (sensor) điều khiển phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver) Do số lượng node WSN lớn không cần hoạt động bảo trì, nên u cầu thơng thường node mạng giá thành thấp (10 - 50 usd) kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2) Do giới hạn nguồn lượng cung cấp (pin ), giá thành yêu cầu hoạt động thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ lượng tiêu chí thiết kế quan trọng mạng cảm biến: GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến - Lớp vật lý (physical layer) tương đối đơn giản, gọn nhẹ ràng buộc kích thước khả tính tốn node Kỹ thuật điều chế tín hiệu số : O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất khuếch đại công suất Các kỹ thuật mã hóa sữa sai phức tạp Turbo Codes, LDPC không sử dụng, kỹ thuật trãi phổ sử dụng để cải thiện SNR thiết bị thu giảm tác động fading kênh truyền - Lớp MAC: kỹ thuật đa trua cập TDMA CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm lượng tiêu thụ - Routing layer: "power aware" Routing Protocol, geography routing WSN thường triển khai phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn phân bố cách tương đối ngẫu nhiên, node mạng di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng WSN đò hỏi sơ đồ mạng (topology) linh động (ad-hoc, mesh, star ) node mạng có khả tự điều chỉnh, tự cấu hình (autoreconfigurable) Trong số WSN thơng dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ) địa ID node vị trí địa lý giải thuật routing dựa vào vị trí địa lý gọi Geography routing protocol (GRT) Đối với mạng với số lượng lớn node, sơ đồ mạng không ổn định GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm liệu bảng routing (routing table) lưu trữ node GRT phù hợp với WSN cố định, nhiên node di động (địa ID node thay đổi) giao thức routing trở nên phức tạp khơng ổn định Cluster hố: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành clusters để ổn định topology mạng, đơn giản hóa giải thuật routing, giảm đụng độ (collission) truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng cấp phát địa cho node mạng (theo cluster) Do giới hạn khả tính tốn node mạng để tiết kiệm lượng, WSN thường sử dụng phương pháp tính tốn xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết lượng) gửi liệu cần tính tốn cho base station (có khả xử lý tín hiệu mạnh ràng buộc tiêu thụ lượng) III MÔT SỐ CHUẨN MẠNG CẢM BIẾN : Do phạm vi ứng dụng cua WSN rộng lớn, tính chất, đặc trưng mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể Do vậy, cơng ty, phịng thí nghiệm thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ) phù hợp cho ứng dụng cụ thể dựa thiết bị phần cứng (transceiver chip) thị trường Một số chuẩn WSN biết đến: ALOHA system (U of Hawaii) PRNET system (U.S Defense) WINS (U of California) PicoRadio (U of California) MicroAMPS (M.I.T) MANET (Mobile ad-hoc Network) Zigbee: dựa physical layer MAC layer chuẩn WPAN 802.15.4 GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến IV ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN : WSN ứng dụng lĩnh vực quân Cùng với phát triển ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế WSN ngày sử dụng nhiều hoạt động công nhiệp dân dụng Một số ứng dụng WSN: - Cảm biến mơi trường (qn sự: phát mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phònh cháy, chống rò rỉ dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng ) - Điều khiển (quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí qn cơng nghiệp: điều khiển tự động thiết bị, robot ) - Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi dịch chuyển thiết bị, quân đội ) - Mơi trường (giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa phát ô nhiễm, chất thải ) - Y tế (định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp ) - Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp biển báo phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thơng - Gia đình (nhà thơnh minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp điều khiển thiết bị thông minh ) WSN tạo môi trường giao tiếp thiết bị thông minh, thiết bị thông minh người giao tiếp thiết bị thông minh hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet ) GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Chương 2: CẤU TRÚC & KIẾN TRÚC GIAO THỨC Tóm tắt: Những tiến gần thông tin vô tuyến điện tử cho phép phát triển mạng cảm biến giá thành thấp Mạng cảm biến sử dụng ứng dụng khác chăm sóc sức khoẻ, quân sử dụng gia đình Mạng cảm biến vơ tuyến (WSN) bao gồm nút nhỏ có khả cảm biến, tính tốn trao đổi thơng tin vơ tuyến Một số giao thức chọn đường, quản lý công suất trao đổi số liệu thiết kế cho WSN với yêu cầu quan trọng tiết kiệm lượng Các giao thức chọn đường WSN khác tuỳ theo ứng dụng cấu trúc mạng Bài báo trình bày cấu trúc mạng phương pháp chọn đường WSN Nói chung, giao thức chọn đường chia thành loại dựa vào cấu trúc mạng: ngang hàng, phân cấp dựa vào vị trí Ngồi ra, giao thức phân loại dựa theo đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, QoS liên kết tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động Bài báo đánh giá tiêu mức tiêu thụ công suất ảnh hưởng phân bố nút cho giao thức chọn đường LEACH WSN (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Phân cấp nhóm thích ứng cơng suất thấp) I GIỚI THIỆU : Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phân bố bên tượng phân bố bên cạnh tượng Vị trí nút cảm biến không cần phải thiết kế xác định trước Điều cho phép phân bố ngẫu nhiên địa hình phức tạp hoạt động trợ giúp thảm hoạ Mặt khác, có nghĩa giao thức mạng cảm biến thuật toán phải có khả tự tổ chức Một đặc điểm quan trọng khác mạng cảm biến khả phối hợp nút cảm biến Các nút cảm biến gắn xử lý bên Thay gửi số liệu thơ tới nút đích, chúng sử dụng khả xử lý để thực tính tốn đơn giản truyền số liệu xử lý theo yêu cầu Chọn đường WSN khó khăn đặc tính riêng phân biệt mạng với mạng vô tuyến khác mạng ad-hoc mạng tế bào Trước hết, số lượng nút cảm biến lớn nên xây dựng quy tắc cho địa tồn cục triển khai phần điều khiển cho việc thiết lập ID cao Vì vậy, giao thức dựa IP truyền thống khơng áp dụng cho WSN Thứ hai, khác với mạng thơng tin nói chung, hầu hết ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nguồn tới nút gốc Thứ ba, nút cảm biến bị hạn chế công suất, khả xử lý dung lượng nhớ Thứ tư, hầu hết ứng dụng, nút WSN thường có vị trí cố định Tuy nhiên, số ứng dụng, nút cảm biến phép di chuyển thay đổi vị trí (mặc dù với độ di chuyển thấp) Thứ năm, mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng Thứ sáu, vị trí nút cảm biến đóng vai trị quan trọng việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí Hiện chưa thích hợp cho việc sử dụng phần cứng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cho mục đích Các phương pháp xác định vị trí nút GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến cảm biến thường dựa vào cường độ tín hiệu từ số điểm xác định Cuối cùng, số liệu lựa chọn nút cảm biến WSN thường dựa vào tượng chung, có độ dư thừa Các giao thức chọn đường phải khắc phục độ dư thừa để sử dụng hiệu băng thơng Tóm lại, phương pháp chọn đường WSN cần phải quan tâm đến đặc tính riêng WSN với yêu cầu ứng dụng cấu trúc II CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN : Các nút cảm biến thường phân bố trường cảm biến hình Mỗi nút cảm biến có khả thu thập số liệu chọn đường để chuyển số liệu tới nút gốc Việc chọn đường tới nút gốc theo đa bước nhảy minh hoạ hình Nút gốc liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet vệ tinh Việc thiết kế mạng cảm biến mô tả hình phụ thuộc vào nhiều yếu tố khả chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn tiêu thụ công suất Hình 1: Phân bố nút cảm biến trường cảm biến III KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG : Kiến trúc giao thức sử dụng nút gốc nút cảm biến hình trình bày hình Kiến trúc giao thức kết hợp công suất chọn đường, kết hợp số liệu với giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu với môi trường vô tuyến tương tác nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động phần quản lý nhiệm vụ Lớp vật lý cung cấp kỹ thuật điều chế, phát thu Vì mơi trường có tạp âm nút cảm biến di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề cơng suất phải có khả tối thiểu hố việc va chạm với thơng tin quảng bá nút lân cận Lớp mạng quan tâm đến việc chọn đường số liệu cung cấp lớp truyền tải Lớp truyền tải giúp trì luồng số liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, loại phần mềm ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng Ngoài ra, phần quản lý công suất, di chuyển nhiệm vụ giám sát việc sử dụng công suất, di chuyển thực nhiệm vụ nút GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến cảm biến Những phần giúp nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến tiêu thụ công suất tổng thể thấp Hình 2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng cơng suất nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến tắt khối thu sau thu tin từ nút lân cận Điều giúp tránh tạo tin giống Cũng vậy, mức công suất nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới nút lân cận để thơng báo có mức cơng suất thấp tham gia vào tin chọn đường Cơng suất cịn lại dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến Phần quản lý di động phát ghi lại di chuyển nút cảm biến để trì tuyến tới người sử dụng nút cảm biến lưu vết nút cảm biến lân cận Nhờ xác định nút cảm biến lân cận, nút cảm biến cân cơng suất nhiệm vụ thực Phần quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân lên kế hoạch nhiệm vụ cảm biến vùng xác định Không phải tất nút cảm biến vùng điều phải thực nhiệm vụ cảm biến thời điểm Kết số nút cảm biến thực nhiệm vụ nhiều nút khác tuỳ theo mức cơng suất Những phần quản lý cần thết để nút cảm biến làm việc theo cách thức sử dụng hiệu công suất, chọn đường số liệu mạng cảm biến di động phân chia tài nguyên nút cảm biến GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Chương 3: CHỌN ĐƯỜNG TRONG WSN I Thách thức phương pháp chọn đường WSN : Mặc dù ứng dụng mạng WSN lớn, nhiên mạng có số hạn chế giới hạn nguồn công suất, khả tính tốn độ rộng băng thơng Một mục tiêu thiết kế WSN kéo dài thời gian sống mạng tránh suy giảm kết nối nhờ kỹ thuật quản lý lượng Việc thiết kế giao thức chọn đường WSN bị ảnh hưởng số yếu tố Vấn đề phải giải triệt để đạt hiệu truyền tin WSN Dưới tóm tắt số khó khăn vấn đề chọn đường thiết kế mạng WSN Phân bố nút: Việc phân bố nút WSN phụ thuộc vào ứng dụng thực tay phân bố ngẫu nhiên Khi phân bố tay, số liệu chọn đường thông qua đường xác định trước Tuy nhiên phân bố nút ngẫu nhiên tạo cấu trúc chọn đường đặc biệt (ad-hoc) Liên lạc nút cảm biến thường có cự ly ngắn hạn chế lượng băng thơng Do việc chọn đường thực qua nhiều bước nhảy Tiêu thụ lượng không làm độ xác: Các nút cảm biến sử dụng giới hạn công suất để thực tính tốn truyền tin mơi trường vô tuyến Thời gian sống nút cảm biến phụ thuộc nhiều vào thời gian sử dụng pin [1] Trong WSN đa bước nhảy, nút đóng hai vai trò truyền số liệu chọn đường Một số nút cảm biến hoạt động sai chức lỗi nguồn cơng suất gây thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng phải chọn đường lại gói tổ chức lại mạng Phương pháp báo cáo số liệu: Việc báo cáo số liệu WSN phụ thuộc vào ứng dụng chia thành báo cáo theo thời gian, theo kiện, theo yêu cầu lai ghép phương pháp Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với ứng dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ Khi đó, nút cảm biến bật phận cảm biến phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xác định Trong phương pháp báo cáo theo kiện theo yêu cầu, nút cảm biến phản ứng tức thay đổi giá trị thuộc tính cảm biến xuất kiện xác định để trả lời yêu cầu tạo nút gốc hay nút khác mạng Do vậy, phương pháp phù hợp với ứng dụng phụ thuộc thời gian Cũng sử dụng kết hợp phương pháp Giao thức chọn đường chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo số liệu vấn đề sử dụng lượng chọn đường Tính khơng đồng nút/tuyến: Trong nhiều nghiên cứu, tất nút cảm biến giả thiết đồng (nghĩa có khả tính tốn, khả truyền tin có cơng suất nhau) Tuy nhiên, tuỳ theo ứng dụng mà nút cảm có vai trị khả khác Các nút cảm biến không đồng tạo số vấn đề kỹ thuật liên quan đến chọn đường Ví dụ, số ứng dụng cần kết hợp GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến cảm biến để giám sát nhiệt độ, áp suất, độ ẩm môi trường, phát chuyển động nhờ âm thanh, chụp ảnh ghi hình vật chuyển động Ngồi ra, việc đọc báo cáo số liệu từ cảm biến có tốc độ khác tuỳ theo QoS thuộc nhiều mơ hình báo cáo số liệu khác Ví dụ, giao thức phân cấp rõ nút chủ nhóm khác so với nút cảm biến bình thường khác Những nút chủ nhóm chọn từ nút cảm biến phân bố nút mạnh nút cảm biến khác công suất, băng thông nhớ Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc tập trung nhóm nút chủ nhóm Khả chống lỗi: Một số nút cảm biến bị lỗi bị ngắt thiếu cơng suất, hỏng phần cứng bị nhiễu môi trường Sự cố nút cảm biến không ảnh hưởng tới nhiệm vụ tồn mạng cảm biến Nếu có nhiều nút bị lỗi, giao thức chọn đường điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải thành cập tuyến tới nút gốc Việc cần thiết phải điều chỉnh công suất phát tốc độ tín hiệu tuyến để giảm tiêu thụ lượng gói phải chọn đường lại qua vùng mạng có cơng suất khả dụng lớn Khả định cỡ: số lượng nút cảm biến hàng trăm, hàng nghìn nhiều Bất kỳ phương pháp chọn đường phải có khả làm việc với số lượng lớn nút cảm biến Tính động mạng: Trong nhiều nghiên cứu, nút cảm biến giả thiết cố định Tuy nhiên số ứng dụng, nút gốc nút cảm biến di chuyển [2] Khi tin chọn đường từ tới nút di chuyển gặp phải vấn đề đường liên lạc, cấu hình mạng, lượng, độ rộng băng Tuy nhiên, đối tượng di chuyển (ví dụ ứng dụng dị tìm/theo dõi mục tiêu) Các kiện cố định cho phép mạng làm việc chế độ phản ứng (tạo lưu lượng cần báo cáo) kiện chuyển động hầu hết ứng dụng yêu cầu phải báo cáo định kỳ cho nút gốc Môi trường truyền dẫn: Trong mạng cảm biến đa bước nhảy, nút thông tin kết nối qua môi trường vô tuyến Các đặc tính kênh vơ tuyến pha đinh, tỷ lệ lỗi ảnh hưởng đến hoạt động mạng cảm biến Nói chung, độ rộng băng yêu cầu số liệu cảm biến thấp, khoảng từ 1-100 kb/s Liên quan đến môi trường truyền dẫn việc thiết kế MAC Một phương pháp thiết kế MAC cho mạng cảm biến sử dụng giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) tiết kiệm lượng so với giao thức đa truy nhập khác đa truy nhập theo sóng mang (CSMA) (ví dụ IEEE 802.11) Cơng nghệ Bluetooth [3] sử dụng Khả giám sát: Trong WSN, nút cảm biến giám sát vùng xác định Vùng giám sát môi trường nút cảm biến bị giới hạn cự ly độ xác, giám sát phạm vi nhỏ Do đó, vùng giám sát tham số thiết kế quan trọng WSN Kết hợp số liệu: Vì nút cảm biến tạo số liệu dư thừa nên gói tương tự từ nhiều nút kết hợp lại để giảm số lượng truyền dẫn Việc kết hợp số liệu từ nhiều nguồn khác theo hàm kết hợp xác định Kỹ thuật GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 10 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Hình 4: Khảo sát số nút truyền tin theo thời gian với 160 nút, phân bố đều, công suất ban đầu 3,0 Ảnh hưởng phân bố nút tới tiêu thụ cơng suất mạng Hình kết mô cho trường hợp mạng WSN gồm 160 nút phân bố không đều, công suất ban đầu nút 3,0, sử dụng giao thức LEACH Truyền trực tiếp tới nút gốc Từ thấy số nút truyền tin kết thúc sau khoảng 430 chu kỳ thời gian trường hợp truyền trực tiếp và sau khoảng 680 chu kỳ thời gian trường hợp sử dụng giao thức LEACH So sánh với trường hợp hình rút nhận xét phân bố nút ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ mạng Tuy nhiên, ảnh hưởng khơng nhiều Hình 5: Khảo sát số nút truyền tin theo thời gian với 160 nút, phân bố không đều, công suất ban đầu 3,0 GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 15 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Tổng quát : Các đặc tính độ linh động, chi phí thấp, triển khai nhanh chóng mạng cảm biến tạo nhiều ứng dụng Trong tương lai, phạm vi ứng dụng rộng lớn làm cho mạng cảm biến trở thành phần quan trọng sống Tuy nhiên, việc thực mạng cảm biến cần phải giải vấn đề khả chống lỗi, định cỡ, chi phí, phần cứng, thay đổi cấu hình , môi trường công suất Do giới hạn chặt chẽ mang tính đặc thù mạng cảm biến nên cần thiết phải có kỹ thuật mạng vô tuyến đặc biệt (ad-hoc) Chọn đường mạng cảm biến lĩnh vực mới, kết nghiên cứu chưa nhiều quan tâm phát triển Những kỹ thuật có mục tiêu chung kéo dài thời gian sống mạng Các giao thức chọn đường phân loại dựa vào cấu trúc mạng gồm có giao thức chọn đường ngang hàng, phân cấp theo vị trí Ngồi ra, giao thức chọn đường phân loại theo đa đường, theo yêu cầu, theo hỏi/đáp theo QoS phụ thuộc vào chế hoạt động Các kết mô giao thức LEACH mạng WSN cho thấy phương pháp chọn đường phân cấp có khả tiết kiệm cơng suất sử dụng kéo dài thời gian sống mạng cảm biến Tuy nhiên, chế hoạt động giao thức LEACH lựa chọn số liệu tập trung thực theo chu kỳ Do đó, giao thức thích hợp với yêu cầu giám sát liên tục mạng cảm biến Với ứng dụng mà người sử dụng không cần tất số liệu việc truyền số liệu theo chu kỳ khơng cần thiết làm tiêu tốn lượng vơ ích Giao thức LEACH cần tiếp tục cải tiến để khắc phục hạn chế GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 16 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Chương 4: CÁC KỸ THUẬT PHÂN NHÓM TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN I GIỚI THIỆU CHUNG Trong năm gần đây, nhiều mạng cảm biến vô tuyến phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác như: theo dõi thay đổi mơi trường, khí hậu, giám sát mặt trận quân sự, phát thám việc công hạt nhân, sinh học hố học, chuẩn đốn hỏng hóc máy móc, thiết bị, theo dấu giám sát bác sỹ, bệnh nhân quản lý thuốc bệnh viên, phát theo dấu phương tiện xe cộ… Một mạng cảm biến vô tuyến diện rộng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ lượng Thơng qua kết nối vô tuyến, số liệu thu thập từ nút cảm biến gửi đến trạm gốc gần nhất, sau đó, số liệu lại chuyển tới trung tâm xử lý liệu cho bước phân tích Một yếu điểm hạn chế liên quan đến thời gian tồn mạng cảm biến khơng dây nguồn lượng giới hạn phục vụ cho hoạt động nút cảm biến triển khai mạng Để đạt hiệu sử dụng lượng cao trì thời gian hoạt động lâu dài mạng, nút cảm biến thường tổ chức phân bậc cách gộp chúng lại thành nhóm riêng biệt mà số liệu thu thập xử lý nội nút (cluster head nodes) trước chúng gửi trạm gốc Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây có phân nhóm minh họa hình vẽ Hình 1: Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây phân nhóm GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 17 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Như vậy, việc phân nhóm hình thành nên cấu trúc phân cấp mức mà nút hình thành nên bậc cao nút thành viên nhóm thuộc bậc thấp Lưu ý rằng, nút nhóm khơng truyền số liệu mà chúng thu thập trực tiếp trạm gốc mà phải thơng qua nút nhóm Nút có nhiệm vụ: • Điều phối hoạt động nút nhóm thu thập số liệu nút (Vì nút tạo số liệu trùng lặp thừa Số liệu giống từ nhiều nút tập hợp lại, xếp, lọc loại bỏ số liệu thừa trùng lặp với mục đích giảm số lần truyền dẫn) • Truyền trực tiếp số liệu tập hợp, tinh lọc trạm gốc thông qua truyền dẫn nhiều chặng (multi-hop) nghĩa qua nút khác Trên thực tế, thơng tin trao đổi nút nhóm nhóm khác tổ chức kết hợp trao đổi thông tin chặng (one-hop) nhiều chặng Ở trao đổi thông tin chặng, tất nút cảm biến trực tiếp truyền số liệu đích, trao đổi thơng tin qua nhiều chặng, nút có phạm vi truyền dẫn hạn chế buộc phải định tuyến việc truyền số liệu chúng qua số chặng số liệu truyền tới đích Trong hai phương thức, có vấn đề khơng thể tránh phân bố lượng tiêu thụ không nút Điều dẫn đến tình trạng số nút bị lượng với tốc độ cao hơn, nhanh bị dừng hoạt động số nút khác làm giảm phạm vi cảm biến chia cắt mạng Đối với trao đổi thông tin chặng, nút xa trạm gốc thường nút tình trạng nguy cấp thiếu lượng hoạt động, trao đổi thông tin nhiều chặng, nút gần trạm gốc thường phải gánh chịu nhiều lưu lượng tải thường bị dừng hoạt động trước tiên (đây vấn đề nguy hiểm nghiêm trọng – “hot spot”) Các mạng cảm biến có phân nhóm phân chia thành mạng không đồng mạng đồng tương ứng với kiểu chức nút mạng Với mạng đồng nhất, tất nút có khả xử lý cấu trúc phần cứng Vai trị nút hốn chuyển vịng trịn theo chu kỳ nút để cân tải Mặc dù hốn chuyển vịng trịn vai trị nút để đảm bảo nút cảm biến tiêu thụ lượng đồng hơn, vấn đề “hot spot” nêu khơng thể tránh khỏi hồn tồn Trong mạng không đồng nhất, số lượng định nút có khả xử lý cao độ phức tạp phần cứng lớn triển khai toàn mạng với số nút cảm biến thông thường khác Đối với nút chính, nhiều lượng cần phải tiêu thụ để thực vài chức chúng phục vụ thu thập số liệu trung tâm xử lý cho số liệu thu thập nút cảm biến Vì mạng khơng đồng cấp phát nút dạng tĩnh, thời gian hoạt động mạng xác định phụ thuộc vào thời gian chức nút mà có liên quan trực tiếp tới hoạt động nút tiêu thụ lượng Các nút hình thành nên mạng đường trục sử dụng định tuyến nhiều chặng để định hướng số liệu tới trạm gốc Hiện tượng “hot - spot” xảy mạng mà nút sử dụng lượng cung cấp tốc độ cao ngừng hoạt động nhanh nút khác Việc quản lý lưu lượng tải trở nên cần thiết để ngăn ngừa vấn đề suy giảm nguồn lượng cung cấp trước cho riêng nút mạng GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 18 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Các vị trí nút mạng có ảnh hưởng đến tiêu thụ lượng tổng cộng tất nút Các nút phân tán trường cảm biến cách ngẫu nhiên chúng triển khai theo cách thức xác định trước Trong trường hợp sau, ví dụ, nút mạng có khả di chuyển thay đổi vị trí chúng chúng tới vài vị trí xác định trước Mặc dầu mạng cảm biến không đồng triển khai ngẫu nhiên phổ biến dễ dàng thực hiện, có nhiều khó khăn để điều khiển kích cỡ thực nhóm cân có hiệu lưu lượng nút nhóm Do đó, vấn đề hot spot dễ dàng nảy sinh có tiêu thụ q lượng nút Tuy cịn có nhiều thảo luận liên quan đến vấn đề tiêu thụ bảo toàn lượng, mạng cảm biến khơng dây phân nhóm có hai ưu điểm so với mạng khơng có phân nhóm: • Mạng cảm biến khơng dây phân nhóm có khả làm giảm khối lượng thông tin trao đổi nút việc khoanh vùng truyền dẫn số liệu phạm vi nhóm quan trọng việc giảm đáng kể số lượng truyền dẫn trạm gốc • Mạng cảm biến khơng dây phân nhóm có khả gia tăng thời gian không làm việc nút cảm biến qua việc cho phép nút điều phối tối ưu hoạt động nút thành viên II PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT PHÂN NHÓM TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY : Như phân tích trên, thấy nút thường phải truyền số liệu qua khoảng cách xa xử lý nhiều cơng việc khác nhóm, nên chúng thường nhiều lượng nút thành viên khác Do mạng phải tái phân nhóm định kỳ để lựa chọn nút có dư thừa lượng làm nút nhóm phân bố lưu lượng tải cho toàn nút Ngoài việc đạt hiệu sử dụng lượng, phân nhóm cịn làm giảm tranh chấp kênh, xung đột gói làm cho thơng lượng mạng tốt có lưu lượng tải cao Phân nhóm xem giải pháp làm cải thiện “thời gian hoạt động mạng” – tham số cho việc đánh giá hiệu mạng cảm biến Mặc dầu chưa có định nghĩa thống “thời gian hoạt động mạng” khái niệm phụ thuộc mục tiêu ứng dụng, định nghĩa chung bao gồm thời gian nút đầu tiên/cuối xả hết lượng thời gian nút không kết nối với trạm gốc Lưu ý rằng, trí mục tiêu số giao thức để làm tối đa “thời gian hoạt động mạng” Các cải thiện “thời gian hoạt động mạng” đạt việc thu thập số liệu khai thác mạng tái phân lớp theo định kỳ Phân nhóm nghiên cứu rộng rãi xử lý số liệu mạng cố định Tuy nhiên, kỹ thuật phân nhóm phát triển lĩnh vực nêu áp dụng trực tiếp cho mạng cảm biến không dây triển khai đặc tính hoạt động mạng Đặc biệt, mạng cảm biến không dây triển khai theo cách thức tùy biến (ad hoc) có số lượng lớn nút Các nút thường không nhận thức vị trí chúng Do vậy, giao thức phân bố mà dựa thông tin lân cận xung quanh thường lựa chọn cho mạng cảm biến không dây (tuy nhiên, phần GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 19 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến lớn nghiên cứu lĩnh vực giả sử cấu hình mạng biết điều khiển trung tâm) Hơn nữa, nút mạng cảm biến không dây hoạt động dựa nguồn lượng dự trữ có giới hạn (battery) Vì vậy, kỹ thuật phân nhóm triển khai thực tế phải có chi phí trao đổi thông tin thấp Cuối điều kiện trường khắc nghiệt dẫn đến ngừng hoạt động không mong muốn nút mạng cảm biến Cho nên, phân nhóm lại theo định kỳ cần thiết để gắn kết vùng bị liên lạc phân bố tiêu thụ lượng toàn nút Phân nhóm lại theo định kỳ cần thiết mà tham số sử dụng cho phân nhóm (ví dụ như: lượng cịn lại, mức độ nút…) linh hoạt Các kỹ thuật phân nhóm đề xuất cho xử lý số liệu thường xem xét tham số tĩnh khoảng cách nút giả sử nút xác thực Phân nhóm mạng cảm biến khơng dây liên quan đến việc tập hợp các nút lại thành nhóm lựa chọn nút cho: • Các thành viên nhóm trao đổi thơng tin trực tiếp với nút chúng • Một nút chuyển liệu thu thập tới trạm gốc trung tâm thơng qua nút khác Do vậy, việc tập hợp nút mạng hình thành nên tổ hợp liên kết chi phối (connected dominating set) có ảnh hưởng lớn đến tồn mạng Nghiên cứu phân nhóm mạng cảm biến khơng dây tập trung vào việc phát triển thuật toán tập trung phân tán để tính tốn xác định nên tổ hợp liên kết chi phối Ở đây, tập trung vào hướng tiếp cận phân tán chúng thực tế cho trạng triển khai phạm vi rộng Vì để có tổ hợp liên kết chi phối vấn đề NP hồn thiện, thuật tốn đề xuất thường mang tính chất heuristic Chúng ta phân loại kỹ thuật phân nhóm dựa hai tiêu chí: • Các tham số sử dụng cho việc lựa chọn nút • Bản chất thực thi thuật tốn phân nhóm (theo xác suất hay lặp) II.1 Lựa chọn nút Một loại số kỹ thuật phân nhóm sử dụng nhận dạng nút để lựa chọn nút Sự thành cơng hướng tiếp cận phụ thuộc vào hai giả thiết: • Tất nút có nhận dạng • Những nhận dạng phân bố tồn mạng Do nút trì định cấu hình mạng cảm biến nên việc lựa chọn tối ưu nút vấn đề quan trọng Trong mơ hình [1, 2], tác giả thiên lựa chọn nút có số nhận dạng thấp thành nút Phương thức tiếp cận khơng phù hợp cho mạng cảm biến có lượng giới hạn tập trung chun vào số lượng nhỏ nút có số nhận dạng thấp mà không xem xét đến thời gian hoạt động mà chúng tồn Ngồi ra, khơng tạo cân lưu lượng tải cho toàn nút mạng Một phương pháp khác quan tâm đến nút có bậc (degree) lớn (ví dụ: Kuhn et al [3], GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 20 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Amis et al [4] Gerla et al [5]) để tạo nhóm xây dựng tổ hợp nút chi phối Ở đây, bậc nút tính tốn dựa khoảng cách (phạm vi truyền dẫn) nút với nút khác Nói cách khác, bậc nút số nút lân cận truyền dẫn xác định trước gọi phạm vi nhóm Nút có số lượng tối đa nút lân cận chọn làm nút Tuy nhiêu, nút khơng thể điều khiển số lượng lớn nút nhóm hạn chế nguồn lượng Điều dẫn đến suy hao nhanh chóng nguồn ắc qui nút có bậc lớn Hơn nữa, thông lượng hệ thống giảm số lượng nút nhóm tăng lên Từ khía cạnh áp dụng, nhóm có số lượng nút đồng làm giảm tải cho nút Nhưng vấn đề làm nảy sinh chi phí cho việc có nhiều nhóm mạng yêu cầu nhiều định tuyến Các kỹ thuật thuộc loại thứ ba trọng đến nút có trọng số lớn chọn làm nút Trọng số nút dùng để xác định quan trọng nút Ví dụ, lượng ắc qui lại nút (như giao thức HEED [6]), bậc nút (như giao thức ACE [7]), kết hợp tham số (ví dụ lượng cịn lại, phân bậc, tính di động, khoảng cách trung bình đến nút lân cận) Kỹ thuật có nhược điểm khơng có tiêu chuẩn cụ thể để cấp trọng số cho nút phù hợp với mạng tĩnh mà nút không di chuyển nhiều di chuyển chậm Một số giao thức GAF [8] SPAN [9], đề xuất cho việc điều khiển cấu hình mạng việc khai thác dư thừa nút Các giao thức lựa chọn nút định thành nút tích cực hoạt động (active) – tham gia vào trình cảm biến truyền dẫn số liệu, nút khác bố trí tạm thời ngừng hoạt động để tiết kiệm lượng Theo [8], ví dụ, nút thuộc vùng xác định vị trí Khái niệm vùng ngữ cảnh định nghĩa phạm vi A mà nút u trao đổi thông tin qua chặng với nút v thuộc B mà B vùng lân cận A Do vậy, cần có nút đại diện vùng để tham gia vào chế định tuyến thời điểm để đảm bảo liên kết kết nối mạng Ở [9], nút định liệu chế độ hoạt động nghỉ tạm thời phụ thuộc vào kết nối với nút hai chặng lân cận Mặc dầu giao thức khơng thuộc kỹ thuật phân nhóm, ảnh hưởng chúng lên cấu hình mạng tương tự kỹ thuật phân nhóm II.2 Thực thi thuật tốn phân nhóm Việc thực thi thuật tốn phân nhóm tiến hành trung tâm (ví dụ trạm gốc) theo cách thức phân tán nút nội Hướng tiếp cận tập trung thường yêu cầu thông tin cấu hình mạng Phương thức phân nhóm kinh điển K-Means (được đề xuất tài liệu xử lý số liệu) áp dụng số nhóm yêu cầu xác định trước vị trí nút hữu Trong trường hợp này, tập hợp ngẫu nhiên ban đầu nhóm lựa chọn nút chuyển từ nhóm sang nhóm khác di dời làm giảm chức chi phí mục tiêu ban đầu cho toàn hệ thống Banerjee at al [10] đề xuất kỹ thuật tập trung mà khơng u cầu biết trước vị trí nút Kỹ thuật họ dựa việc xây dựng mở rộng (spanning tree) nhóm GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 21 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến mà người quan sát việc cưỡng giới hạn tối đa tối thiểu cho kích cỡ nhóm Giao thức phân bố đề xuất [10] cho việc xây dựng mở rộng Tính hiệu phương thức tiếp cận tập trung bị hạn chế mạng có phạm vi rộng lớn nơi mà việc thu thập tất thông tin cần thiết thực trung tâm mặt thời gian tiêu thụ lượng Phương thức tiếp cận phân tán thường phù hợp cho mạng có phạm vi rộng Ở phương thức tiếp cận phân tán này, nút định gia nhập nhóm trở thành nút dựa thông tin nhận chủ yếu từ nút lận cận chặng với Một số kỹ thuật phân nhóm phân tán đề xuất Những kỹ thuật có tính chất lặp xác suất II.2.a Các kỹ thuật phân nhóm lặp Trong kỹ thuật phân nhóm lặp, nút thường đợi kiện cụ thể xuất nút định để định vai trị chúng (ví dụ trở thành nút chính) trước đưa định Ví dụ, thuật tốn phân nhóm phân tán (DCA – Distributed Clustering Algorithm) [11], trước đưa định, nút thường đợi tất nút lân cận có trọng số cao để định trở thành nút gia nhập nhóm hoạt động Các nút có trọng số cao số nút lân cận cách chặng lựa chọn làm nút Nếu nút nhận nhiều thơng báo nút chính, phân xử nút cách sử dụng điều kiện ưu tiên (tức là, nút có trọng số cao thắng) Nếu khơng có nút số nút lân cận nút có trọng số cao định trở thành nút chính, nút định trở thành nút Vấn đề với phần lớn phương pháp lặp chỗ tốc độ hội tụ chúng phụ thuộc vào đường kính mạng (đường có số lượng chặng nhiều nhất) Trong trường hai chiều có n nút triển khai hoạt động, thuật toán DCA yêu cầu u O( n ) bước lặp để kết thúc thuật toán Tốc độ hội tụ tình xấu n-1 thiết lập chiều (1D) Hiệu kỹ thuật lặp nhạy cảm với tổn thất gói Ví dụ, nút u phát thấy số nút lân cận với - nút v có trọng số cao hơn, nút u đợi nút v định trước đưa định Nếu nút v hỏng sau pha phát nút lân cận, nút u đợi nút v vô thời hạn để đưa định Thuật tốn DCA phù hợp với mạng mà nút tĩnh di chuyển với tốc độ chậm Thuật tốn phân nhóm phân tán thích ứng di động – DMAC (The Distributed and Mobility-Adaptive Clustering Algorithm) [12] thay đổi thuật toán DCA phép nút di chuyển trước giai đoạn thiết lập nhóm Thuật tốn DCA DMAC tạo nhóm chặng, yêu cầu tín hiệu đồng hồ đồng có độ phức tạp O(n) Điều làm cho chúng phù hợp với mạng có số lượng nút nhỏ Để cải thiện vấn đề nêu trên, số giao thức thiết lập giới hạn số lần lặp cho nút Ví dụ, ACE [7], nút thực xong số lần lặp (5 lần chẳng hạn) dựa bậc nút tham số chính, đưa định dựa thơng tin có Các lần lặp đủ để có kích cỡ nhóm trung bình ổn định GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 22 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Giao thức [4], cho phép nhóm bao gồm nút có D chặng cách xa nút nút thường thực 2D lần lặp trước đưa định Điều dẫn đến số lần lặp không đổi cho hội tụ Thuật toán Max-Min D cluster đề xuất tác giả [4] đạt cân tải tốt nút chính, tạo nhóm hơn so với số thuật toán khác LCA (Linked Cluster Algorithm) [1] LCA2 [2] Tuy nhiên, thuật toán không đảm bảo lượng sử dụng trao đổi thông tin tới trung tâm thông tin tối thiểu hóa II.2.b Các kỹ thuật phân nhóm có tính xác suất Phương thức tiếp cận theo xác suất hay ngẫu nhiên cho việc phân nhóm nút đảm bảo hội tụ nhanh chóng mà có số đặc tính quan trọng kích cỡ nhóm cân Nó cho phép nút định độc lập về vai trò chúng mạng phân nhóm trì tổng phí trao đổi tin thấp Chúng ta sau thảo luận vài ví dụ hướng tiếp cận Giao thức LEACH: Heinzelman et al [13] giới thiệu thuật tốn phân nhóm phân bậc cho mạng cảm biến gọi Phân nhóm phân bậc tương thích, lượng thấp – LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) LEACH lựa chọn ngẫu nhiên số nút cảm biến để trở thành nút quay vịng vai trị để phân bố tải lượng nút cảm biến mạng Ở LEACH, nút nén liệu đến từ nút khác nhóm chúng gửi gói liệu thu thập tới trạm gốc nhằm mục đích giảm số lượng thông tin truyền phát trạm gốc Việc thu thập số liệu thực tập trung theo chu kỳ Do giao thức thực thích ứng có nhu cầu trao đổi theo dõi thường xuyên mạng cảm biến Thực tế, người sử dụng khơng cần tất số liệu lập tức, việc truyền phát số liệu theo chu kỳ khơng cần thiết làm suy giảm nguồn lượng giới hạn nút cảm biến Sau khoảng thời gian cho trước, việc quay vịng ngẫu nhiên thay đổi vai trị nút tiến hành cho có tiêu tán lượng nút cảm biến mạng Dựa vào mơ hình mơ mạng tác giả, có % số nút cần thiết hoạt động dạng nút Hoạt động LEACH phân tách thành hai pha, pha thiết lập pha ổn định trạng thái Ở pha thiết lập, nhóm tổ chức nút lựa chọn Còn giai đoạn ổn định trạng thái, việc truyền số liệu thực trạm gốc tiến hành Khoảng thời gian tồn pha ổn định trạng thái thường dài so với thời gian thiết lập ban đầu để giảm tối thiểu tổng chi phí Trong pha thiết lập, số lượng nhỏ nút xác định trước, p, tự định chúng trở thành nút sau Một nút cảm biến chọn lấy số ngẫu nhiên, r, phạm vi Nếu số ngẫu nhiên nhỏ giá trị ngưỡng, T(n), nút trở thành nút vịng Giá trị ngưỡng tính tốn dựa biểu thức tốn học có kết hợp phần trăm mong muốn trở thành nút chính, vịng tại, tập hợp nút chưa lựa chọn làm nút vịng trước – tập G T(n) xác định: GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 23 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Tất nút lựa chọn phát quảng bá tin thông báo tới tất nút lại mạng chúng nút Các nút khác, khơng phải nút sau nhận tin thơng báo định thuộc nhóm mà chúng muốn Quyết định dựa cường độ tín hiệu tin thơng báo Các nút khơng phải nút thơng báo cho nút thích ứng chúng thành viên nhóm Sau thu nhận tất tin từ nút muốn gia nhập nhóm dựa số lượng nút thành viên nhóm, nút tạo định thời TDMA, cấp cho nút khe thời gian truyền phát Định thời (Schedule) quảng bá tới tất nút nhóm Trong giai đoạn ổn định trạng thái, nút cảm biến bắt đầu cảm biến truyền phát số liệu nút Các nút chính, sau thu tất số liệu, tập hợp chúng lại trước gửi đến trạm gốc Sau khoản thời gian định xác định trước, mạng quay trở lại trạng thái thiết lập bắt đầu vòng lựa chọn nút Ở nhóm trao đổi thơng tin với việc sử dụng mã CDMA để giảm nhiễu từ nút thuộc nhóm khác LEACH cung cấp mơ hình tốt mà thuật tốn nội tập hợp liệu thực nút lựa chọn cách ngẫu nhiên Điều làm giảm tải thông tin cung cấp tập hợp tin cậy số liệu cho người sử dụng cuối Các tác giả LEACH LEACH góp phần giảm đáng kể lượng tiêu thụ kéo dài thời gian hoạt động mạng cảm biến so với trường hợp mạng gồm nhóm cố định Một phiên tập trung LEACH, LEACH-C đề xuất [14] Không giống LEACH, nơi mà nút tự định hình chúng vào nhóm, LEACH-C sử dụng trạm gốc cho việc hình thành nhóm Trong pha thiết lập LEACH-C, trạm gốc thu thơng tin liên quan đến vị trí mức lượng nút mạng Sử dụng thông tin này, trạm gốc tìm số nút xác định trước cấu hình mạng thành nhóm Tập hợp nhóm chọn để giảm tối thiểu lượng yêu cầu cho nút nút để truyền phát số liệu chúng đến tương ứng nút Mặc dầu hoạt động khác LEACH-C giống LEACH, kết giới thiệu [14] cho thấy cải thiện đáng kể LEACH-C so với LEACH Các tác giả [14] đưa hai lý cho tiến bộ: • Trạm gốc sử dụng hiểu biết chung mạng để tạo nhóm tốt có u cầu lượng cho việc truyền phát số liệu • Số lượng nút vịng LEACH-C giá trị tối ưu xác định trước, LEACH, số lượng nút thay đổi từ vịng sang vòng thiếu phối hợp chung nút Tuy nhiên, LEACH có số nhược điểm: • LEACH chưa xác định cụ thể số lượng tối ưu nút mạng mà mạng khác có cấu hình, mật độ số lượng nút khác • Chưa có gợi ý việc tái tạo lại nút cần thực • Các nút xa trạm gốc tiêu thụ nhiều lượng nhanh chóng dừng hoạt động nút khác Giao thức phân nhóm phân tán, hiệu lượng lai ghép – HEED [6] giả sử rằng, nút cảm biến khơng có khả đặc biệt trang bị GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 24 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến thiết bị GPS chẳng hạn tất nút phân nhóm quan trọng Mục đích HEED kéo dài thời gian hoạt động mạng Thời gian hoạt động mạng định nghĩa khoảng thời gian nút (hoặc cuối cùng) mạng dùng hết lượng Để đạt mục đích này, HEED sử dụng phương thức tiếp cận xác suất để lựa chọn nút có lượng dư thừa cao (so sánh với nút thông thường) với số lần lặp không đổi Một nút xếp vào nhóm phải có khả trao đổi thơng tin với nút nhóm qua chặng việc sử dụng phạm vi truyền dẫn bên nhóm, Rc, Rc tương ứng với mức công suất Pc Định tuyến nhóm sử dụng phạm vi truyền dẫn lớn hơn, Rt, (Rt > Rc) tương ứng với mức cơng suất Pt Lựa chọn nút dựa vào hai tham số: tham số thứ (năng lượng dư nút) sử dụng để lựa chọn tập hợp ban đầu nút chính, tham số thứ hai sử dụng để phá vỡ ràng buộc Sự ràng buộc xuất có hai nút phạm vi Rc thông báo cho sẵn sàng trở thành nút Tham số thứ hai thiết lập cho việc ước lượng “chi phí” trao đổi thơng tin nhóm, “chi phí” hàm mật độ nhóm quan hệ lân cận Một nút thường thiết lập ban đầu xác suất để trở thành nút Eresidual lượng dư ước chừng nút, Emax lượng tối đa tham chiếu Cprob số nhỏ không đổi sử dụng để giới hạn số thơng báo nút ban đầu CHprob không phép thấp giá trị xác suất nhỏ pmin, để đảm bảo kết cuối thời gian không đổi Trong hoạt động lặp, nút thường phân xử lựa chọn số thông báo nút mà thu để lựa chọn nút có chi phí thấp Nếu khơng nhận thơng báo nào, tự chọn trở thành nút với xác suất CHprob Nếu thành cơng, gửi thơng báo nói “sẵn sàng” trở thành nút Tiếp nút gấp đơi giá trị xác suất CHprob, chờ khoảng thời gian lặp ngắn tc sau bắt đầu lần lặp Nút thường dừng trình lặp sau CHprob đạt đến Nếu nút định trở thành nút chính, thường tăng cơng suất phát lên Pt cho trao đổi thơng tin nhóm Các tác giả HEED [6] HEED kết thúc việc chọn nút với số lần lặp cố định Điều tương phản với số phương thức khác mà nút lựa chọn sau bước lặp làm giảm chi phí thiết lập cao, khơng cần thiết gắn kết với q trình lựa chọn nút Thêm vào đó, mạng nhóm trì kết nối theo mơ hình mật độ định t c R ≥ 6R Ngoài ra, xác suất mà hai nút nằm lẫn phạm vi nhóm Rc nhỏ GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 25 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Tuy nhiên, tác giả nhận định, việc lựa chọn thăm dị nút ngẫu nhiên dựa lượng dư nút Do mà HEED đảm bảo lựa chọn tối ưu nút mặt lượng, số nhóm mạng số nút nhóm Kuhn et al [3] đề xuất kỹ thuật xác suất để lựa chọn nút mà xác suất lựa chọn phụ thuộc vào bậc nút Sự hội tụ kỹ thuật đề xuất tác giả phụ thuộc vào số nút mạng bậc nút nhanh nhiều so với kỹ thuật lặp Thêm vào phương thức tiếp cận lựa chọn tổ hợp chi phối nút gần tối ưu Trên thực tế, sau triển khai mạng cảm biến, khơng có mơ hình thiết lập trước mà dựa vào nút trao đổi thơng tin hiệu với Hay nói cách khác, khơng biết đầy đủ cấu trúc mạng (các nút nút lân cận số lượng) đặc tính mạng cảm biến vơ tuyến triển khai Sự chuyển tiếp độ theo hướng tự tổ chức từ mạng khơng có cấu trúc sang mạng có cấu trúc gọi giai đoạn “khởi tạo” (Initialization) Thuật tốn phân nhóm đề xuất tác giả [3] lần quan tâm đến pha “khởi tạo” mạng với giả thiết mạng có nhiều chặng, khơng có phát xung đột, nút triển khai không đồng khơng phải truy nhập tới hệ thống đồng hồ đồng chung Đối với mơ hình mạng giai đoạn khởi tạo, tập hợp nút chi phối xác định khoảng thời gian polylog(ñ), với ñ giới hạn cho trước số nút có hệ thống Tuy nhiên, kỹ thuật phân nhóm [3] phù hợp với mơ hình mạng cảm biến tĩnh, câu hỏi làm trì nhóm có hiệu mà nút di động vấn đề mở cần phải giải Bảng so sánh ví dụ đại diện kỹ thuật phân nhóm phân bố (lưu ý số kỹ thuật khác đề xuất số tài liệu liên quan , không thảo luận giới hạn không gian) Bảng rằng, tất giao thức phân nhóm phân tán có tổng phí trao đổi tin khơng đổi cho nút Đây ưu điểm quan trọng kỹ thuật phân tán so với kỹ thuật phân nhóm tập trung Việc xử lý tính tốn tổng chi phí mạng cảm biến khơng đáng kể phương thức tập trung so với phương thức phân tán mà nút thường tham gia vào tính tốn Ví dụ phương thức tiếp cận lặp, nút phải kiểm tra tin thu để định việc nên phản ứng lại Lượng tin tỷ lệ với O(δ ) mà δ bậc nút Do lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu thường thấp cho trao đổi thông tin, tổng chi phí xử lý tin bỏ qua Như minh họa Bảng 1, phần lớn giao thức phân tán có tổng chi phí thấp Tổng chi phí phụ thuộc vào tần suất phân nhóm lại mà thường nhỏ áp dụng thông thường Thông lượng (throughput) thường không bị ảnh hưởng tiêu cực việc phân nhóm trình thực nghiên cứu HEED [6] Thực chất, thông lượng cải thiện lưu lượng tải cao giảm tranh chấp kênh Hiệu giao thức phân nhóm phụ thuộc vào cấu hình mạng, mơ hình hệ thống tình áp dụng Bảng 1: So sánh kỹ thuật phân nhóm phân tán điển hình GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 26 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Chú thích: I/P giao thức có tính lặp hay xác suất, Diam đường kính mạng n KẾT LUẬN Các kỹ thuật phân nhóm mạng cảm biến vơ tuyến phương thức quản lý cấu hình mạng hiệu quả, góp phần làm giảm chi phí trao đổi thơng tin, trì mạng hoạt động thời gian dài Trong thời gian tới, tập trung tìm hiểu cách thức tính tốn kích cỡ tối ưu nhóm, xác định tần suất hốn chuyển tối ưu vai trị làm nút nút mạng cảm biến …nhằm tối đa thời gian hoạt động mạng cảm biến vô tuyến GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 27 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………… GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 28 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Mục Lục Lời nói đầu Chương 1:SỰ PHÁT TRIỂN CÙA MẠNG CẢM BIẾN 02 03 I GIỚI THIỆU 03 II ĐẶC TRƯNG VÀ CẤU HÌNH MẠNG CẢM BIẾN : 03 III MƠT SỐ CHUẨN MẠNG CẢM BIẾN 04 IV ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN 05 Chương 2: CẤU TRÚC & KIẾN TRÚC GIAO THỨC 06 I GIỚI THIỆU : 06 II CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN : 07 III KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG 07 Chương 3:CHỌN ĐƯỜNG TRONG WSN 09 I Thách thức phương pháp chọn đường WSN 09 II.Phân loại so sánh giao thức chọn đường WSN 11 III Đánh giá tiêu giao thức chọn đường LEACH 13 Chương 4:CÁC KỸ THUẬT PHÂN NHĨM TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN VƠ TUYẾN 17 I GIỚI THIỆU CHUNG 17 II PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT PHÂN NHĨM TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 19 2.1 Lựa chọn nút 20 2.2 Thực thi thuật tốn phân nhóm 21 II.2.a Các kỹ thuật phân nhóm lặp 22 II.2.b Các kỹ thuật phân nhóm có tính xác suất 23 KẾT LUẬN 27 GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên 29 Lớp:K12T3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... quan hệ thống WSN ứng dụng WSN (trong quân sự, công nghiệp sống ngày) Giới thiệu Đặc trưng cấu hình mạng cảm biến Mơt số chuẩn mạng cảm biến Ứng dụng mạng cảm biến I GIỚI THIỆU : Mạng cảm biến. .. luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến cảm biến Những phần giúp nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến tiêu thụ công suất tổng thể thấp Hình 2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Phần quản lý... luanvanchat@agmail.com Tìm hiểu Mạng Cảm Biến Mục Lục Lời nói đầu Chương 1:SỰ PHÁT TRIỂN CÙA MẠNG CẢM BIẾN 02 03 I GIỚI THIỆU 03 II ĐẶC TRƯNG VÀ CẤU HÌNH MẠNG CẢM BIẾN : 03 III MƠT SỐ CHUẨN MẠNG CẢM BIẾN 04