Tìm hiểu một số phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm nhận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG………… Luận văn Tìm hiểu số phương pháp định tuyến tiết kiệm lượng mạng cảm nhận LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Trọng Thể - Khoa công nghệ thông tin – Trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng ,ngƣời hƣớng dẫn em nhiều suốt trình tìm hiểu nghiên cứu hoàn thành đồ án từ lý thuyết đến ứng dụng Sự hƣớng dẫn thầy giúp em có thêm đƣợc hiểu biết số vấn đề liên quan đến mạng cảm biến không dây Qua phần lý thuyết lôi em trở thành hƣớng nghiên cứu tiếp em sau tốt nghiệp Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn nhƣ thầy cô trƣờng trang bị cho em kiến thức cần thiết để em hồn thành tốt đồ án Em xin gửi lời cảm ơn đến thành viên lớp CT1001, ngƣời bạn bên cạnh động viên, tạo điều kiện thuận lợi em tìm hiểu, hồn thành tốt khóa luận Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè tạo điều kiện để em xây dựng thành công đồ án Hải Phòng ngày 25, tháng 10 năm 2010 Sinh viên thực Vương Văn Thái Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 1.2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc mạng cảm biến 1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng .10 1.2.3 Hai cấu trúc đặc trƣng mạng cảm biến 13 1.3.Những thách thức WSN 16 1.4.Ứng dụng WSN .17 1.4.1.Trong bảo vệ môi trƣờng 17 1.4.2.Trong y tế 17 1.4.3.Trong gia đình 17 1.4.4.Trong hệ thống giao thông thông minh 18 1.4.5.Trong quân sự, an ninh .18 1.4.6.Trong thƣơng mại 19 1.5.Sự khác WSN mạng truyền thông .20 1.6.Mô hình đặc tính vơ tuyến 21 1.6.1.Mơ hình lƣợng vô tuyến 21 1.6.2.Mơ hình nhiễu 22 1.7.Kết luận 23 CHƢƠNG II: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM NHẬN 24 2.1.Giới thiệu định tuyến 24 2.1.1.Định tuyến WSN .24 2.1.2.Thách thức vấn đề định tuyến 24 2.1.3.Giao th 25 26 2.2.Giới thiệu p Microserver 26 - p Microserver 27 2.2.2.Các phƣơng pháp tiếp cận khác định tuyến end-to-end 28 2.2.3.Điều khiển công suất phát cho nút mạng 29 2.3.Giao thức điều khiển thâm nhập môi trƣờng MAC .34 2.3.1 Tránh xung đột 35 2.3.2 Tránh nghe thừa 36 Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp 2.3.3 Time out-MAC 37 CHƢƠNG III :NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NẶNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM NHẬN 38 3.1.Giới thiệu chƣơng trình mơ Prowler 38 3.1.2.Mô giao thức định tuyến End-to-End 38 3.1.3.Đánhgiá .40 3.1.4.Nhận xét 43 3.2 Thực nghiệm đánh giá công suất phát cho nút mạng 43 3.2.1.Thực nghiệm .43 3.2.2 Đánh giá thực nghiệm 46 3.2.3.Nhận xét 54 3.3.Đánh giá tính hiệu lƣợng MAC .54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc nghiên cứu hệ thống mạng thông tin đƣợc phát triển mạnh mẽ Ngày dƣới phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật nói chung cơng nghệ thơng tin nói riêng, mạng cảm nhận khơng dây đời thành tựu cao công nghệ chế tạo công nghệ thông tin Một lĩnh vực bật mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network- WSN) kết hợp việc cảm nhận, tính tốn truyền thông vào thiết bị nhỏ Thông qua mạng hình lƣới (mesh networking protocols), thiết bị tạo kết nối rộng lớn giới vật lý Trong khả thiết bị nhỏ, kết hợp hàng trăm thiết bị nhƣ u cầu phải có cơng nghệ Nhờ có tiến nhanh chóng khoa học công nghệ phát triển mạng bao gồm cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ lƣợng đa chức nhận đƣợc ý đáng kể Hiện ngƣời ta tập trung triển khai mạng cảm biến để áp dụng vào sống hàng ngày Đó lĩnh vực y tế, quân sự, môi trƣờng, giao thông… Trong tƣơng lai không xa, ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống ngƣời phát huy đƣợc hết điểm mạnh mà mạng có đƣợc nhƣ mạng cảm biến Sức mạnh WSN nằm chỗ khả triển khai số lƣợng lớn thiết bị nhỏ tự thiết lập cẩu hình hệ thống Sử dụng thiết bị để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trƣờng, để theo dõi cấu trúc tình trạng thiết bị Đồ án gồm chƣơng nội dung Chương I:Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương II:Một số phương pháp tiết kiệm lượng mạng cảm nhận Chương III: Nhận xét đánh giá số phương pháp tiết kiệm lượng mạng cảm nhận không giây Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây Trong năm gần đây, nhiều mạng cảm biến không dây đƣợc phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhƣ: theo dõi thay đổi môi trƣờng, 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 nhƣ quản lý thuốc bệnh viên, theo dõi điều khiển giao thông, phƣơng tiện xe cộ… Hơn với tiến công nghệ gần hội tụ hệ thống công nghệ nhƣ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý tính tốn tín hiệu…đã tạo cảm biến có kích thƣớc nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ lượng ít, giao tiếp thơng qua kết nối khơng dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính tốn nhằm mục đích thu thập, tập trung liệu để đưa định toàn cục môi trường tự nhiên Những nút cảm biến bao gồm thành phần: Các vi xử lý nhỏ, nhớ giới hạn, phận cảm biến, thu phát khơng dây, nguồn ni Kích thƣớc cảm biến thay đổi từ to nhƣ hộp giấy nhỏ nhƣ hạt bụi, tùy thuộc vào ứng dụng * Mạng cảm biến có số đặc điểm sau: + Có khả tự tổ chức, u cầu khơng có can thiệp ngƣời + Truyền thông không tin cậy, quảng bá phạm vi hẹp định tuyến multihop + Triển khai dày đặc khả kết hợp nút cảm biến + Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading hƣ hỏng nút + Các giới hạn mặt lƣợng, công suất phát, nhớ công suất tính tốn Chính đặc tính đƣa chiến lƣợc yêu cầu thay đổi thiết kế mạng cảm biến 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp 1.2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc mạng cảm biến Các cấu trúc cho mạng Internet mạng ad hoc không dây không dùng đƣợc cho mạng cảm biến không dây, số lý sau: - Số lƣợng nút cảm biến mạng cảm biến lớn gấp nhiều lần số lƣợng nút mạng ad hoc - Các nút cảm biến dễ bị lỗi - Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi thƣờng xuyên - Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, hầu hết mạng ad hoc dựa việc truyền điểm-điểm - Các nút cảm biến bị giới hạn lƣợng, khả tính tốn nhớ - Các nút cảm biến khơng có số nhận dạng tồn cầu (global identification) (ID) chúng có số lƣợng lớn mào đầu số lƣợng lớn nút cảm biến Do vậy, cấu trúc mạng sẽ: + Kết hợp vấn đề lƣợng khả định tuyến + Tích hợp dliệu giao thức mạng + Truyền lƣợng hiệu qua phƣơng tiện không dây + Chia sẻ nhiệm vụ nút lân cận Các nút cảm biến đƣợc phân bố sensor field nhƣ hình (1.1) Mỗi nút cảm biến có khả thu thập liệu định tuyến lại đến sink Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Dữ liệu đƣợc định tuyến lại đến sink cấu trúc đa điểm nhƣ hình vẽ Các sink giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua mạng Internet vệ tinh Sink thực thể, thơng tin đƣợc yêu cầu Sink thực thể bên mạng (là nút cảm biến ) mạng Thực thể ngồi mạng thiết bị thực ví dụ nhƣ máy tính xách tay mà tƣơng tác với mạng cảm biến, đơn gateway mà nối với mạng khác lớn nhƣ Internet nơi mà yêu cầu thực thông tin lấy từ vài nút cảm biến mạng * Giới thiệu nút cảm biến: Cấu tạo nút cảm biến nhƣ sau: Mỗi nút cảm biến đƣợc cấu thành thành phần nhƣ hình (1.2): đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit) nguồn (a power unit) Ngồi có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng nhƣ hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tƣơng tự-số Dựa tƣợng quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo sensor đƣợc chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đƣợc đƣa vào xử lý Đơn vị xử lý thƣờng đƣợc kết hợp với lƣu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục làm cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Một số phần quan trọng nút mạng cảm biến nguồn Các nguồn thƣờng đƣợc hỗ trợ phận lọc nhƣ tế bào lƣợng mặt trời Ngoài có thành phần phụ khác phụ thuộc vào ứng dụng Hầu hết kĩ thuật định tuyến nhiệm vụ cảm biến mạng yêu cầu có độ xác cao vị trí Các phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển nút cảm biến cần thiết để thực nhiệm vụ ấn định Tất thành phần cần phải phù hợp với kích cỡ module Ngồi kích cỡ nút cảm biến cịn số ràng buộc nghiêm ngặt khác, nhƣ phải tiêu thụ lƣợng, hoạt động mật độ cao, có giá thành thấp, tự hoạt động, thích biến với biến đổi mơi trƣờng * Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến: Nhƣ ta biết đặc điểm mạng cảm biến bao gồm số lƣợng lớn nút cảm biến, nút cảm biến có giới hạn ràng buộc tài nguyên đặc biệt lƣợng khắt khe Do đó, cấu trúc mạng có đặc điểm khác với mạng truyền thống Sau ta phân tích số đặc điểm bật mạng cảm biến nhƣ sau: - Khả chịu lỗi (fault tolerance): Một số nút cảm biến không hoạt động thiếu lƣợng, hƣ hỏng vật lý ảnh hƣởng môi trƣờng Khả chịu lỗi thể việc mạng hoạt động bình thƣờng, trì chức số nút mạng không hoạt động - Khả mở rộng: Khi nghiên cứu tƣợng, số lƣợng nút cảm biến đƣợc triển khai đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào ứng dụng số vƣợt hàng triệu Do cấu trúc mạng phải có khả mở rộng để làm việc với số lƣợng lớn nút - Giá thành sản xuất : Vì mạng cảm biến bao gồm số lƣợng lớn nút cảm biến phí nút quan trọng việc điều chỉnh chi phí tồn mạng Nếu chi phí tồn mạng đắt việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, nhƣ mạng khơng có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí nút cảm biến phải giữ mức thấp - Ràng buộc phần cứng : Ví số lƣợng nút mạng nhiều nên nút cảm biến cần phải có ràng buộc phần cứng nhƣ sau : Kích thƣớc phải nhỏ, tiêu thụ lƣợng thấp, có khả nằng hoạt động nơi có mật độ cao, chi Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp phí sản xuất thấp, có khả tự trị hoạt động khơng cần có ngƣời kiểm sốt, thích nghi với mơi trƣờng - Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến đƣợc thiết lập dày đặc, gần trực tiếp bên tƣợng để quan sát Vì thế, chúng thƣờng làm việc mà không cần giám sát vùng xa xơi Chúng làm việc bên máy móc lớn, dƣới đáy biển, vùng nhiễm hóa học sinh học, gia đình tịa nhà lớn - Phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm biến multihop, nút đƣợc kết nối phƣơng tiện không dây Các đƣờng kết nối tạo nên sóng vơ tuyến, hồng ngoại phƣơng tiện quang học Để thiết lập hoạt động thống mạng này, phƣơng tiện truyền dẫn phải đƣợc chọn phải phù hợp toàn giới Hiện nhiều phần cứng nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến lƣợng thấp dùng thu phát vô tuyến kênh RF hoạt động tần số 916MHz Một cách khác mà nút mạng giao tiếp với hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại giá thành rẻ dễ dàng Cả hai loại hồng ngoại quang yêu cầu phát thu nằm phạm vi nhìn thấy, tức truyền ánh sáng cho đƣợc - Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút đƣợc triển khai trƣờng cảm biến Chúng đƣợc triển khai vòng hàng chục feet nút Mật độ nút lên tới 20 nút/m3 Do số lƣợng nút cảm biến lớn nên cần phải thiết lâp cấu hình ổn định Chúng ta kiểm tra vấn đề liên quan đến việc trì thay đổi cấu hình pha sau: + Pha tiền triển khai triển khai: nút cảm biến đặt lộn xộn xếp theo trật tự trƣờng cảm biến Chúng đƣợc triển khai cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, ngƣời robot đặt + Pha hậu triển khai: sau triển khai, thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí nút cảm biến, khả đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển vật cản…), lƣợng thích hợp, cố, nhiệm vụ cụ thể + Pha triển khai lại: Sau triển khai cấu hình, ta thêm vào Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Hình 3.4 Thời gian cần thiết cho trình thức dậy node 3.1.3.3 Độ tin cậy Hình 3.5 cho thấy kết thử nghiệm độ tin cậy: Hình 3.5 Độ tin cậy Cơ chế độ tin cậy wake-path cho phép thiết lập thành công 29 số 30 kết nối với độ tin cậy 96,7% Tuy nhiên, chế độ tin cậy làm giảm đáng kể thời gian cần thiết cho node việc thức dậy Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp 3.1.4.Nhận xét Trong phần em tiến hành thực mô giao thức định tuyến Endto-End chƣơng trình mơ Prowler chạy Matlab Qua trình tiến hành thử nghiệm với việc nghiên cứu số tài liệu, em dƣa nhận xét, đánh giá tính hiệu giao thức định tuyến so với giao thức khác số tiêu chí nhƣ hiệu lƣợng, điều khiển overhead, độ trễ, độ tin cậy… 3.2 Thực nghiệm đánh giá công suất phát cho nút mạng 3.2.1.Thực nghiệm Việc tiến hành thiết bị cảm biến ATPC dựa vào nội dung thảo luận chủ yếu gồm bốn khía cạnh: - Hai giai đoạn thiết kế vịng phản hồi kín cho điều khiển cơng suất truyền - Các thơng số có ảnh hƣởng đến hiệu suất hệ thống - Các kỹ thuật mà tối ƣu hóa hiệu suất hệ thống giảm chi phí - Các vấn đề khác ATPC có hai giai đoạn, giai đoạn khởi tạo giai đoạn điều chỉnh thời gian chạy Trong giai đoạn khởi tạo, mote ƣớc tính mơ hình tiên đốn lựa chọn mức công suất truyền phù hợp dựa mơ hình cho láng giềng Từ lúc truyền thơng không dây đƣợc quảng bá tự nhiên, tất láng giềng nhận đƣợc gói beacon đo đƣợc chất lƣợng liên kết parallet Căn vào tính chất này, node phát gói beacon với mức công suất truyền khác giai đoạn khởi tạo, láng giềng đo giá trị RSSI / LQI tƣơng ứng với gói beacon gửi giá trị trở lại gói tin thơng báo Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Hình 3.6 Tổng quan vịng lặp phản hồi ATPC Trong giai đoạn điều chỉnh thời gian chạy, phần phản hồi không quan trọng đƣợc thông qua để theo dõi thay đổi chất lƣợng liên kết điều chỉnh trực tiếp công suất truyền Hình 3.6 tranh tổng quan việc phản hồi ATPC Để đơn giản hóa mơ tả cách cặp nút Mỗi nút có module ATPC để kiểm sốt cơng suất truyền Module thơng qua mơ hình tiên đốn đƣợc mơ tả khoảng trƣớc cho láng giềng Nó trì danh sách mức cơng suất truyền phù hợp cho hàng xóm mote Khi nút A có gói tin gửi cho láng giềng B nó, điều chỉnh cơng suất truyền đến mức định cho bảng láng giềng module ATPC, sau truyền gói tin Khi nhận đƣợc gói tin này, module giám sát chất lƣợng liên kết láng giềng B làm phép đo chất lƣợng liên kết Dựa khác biệt chất lƣợng liên kết mong muốn phép đo thực tế, module giám sát chất lƣợng liên kết định gói tin thơng báo có cần thiết khơng Một gói tin thơng báo cần thiết chất lƣợng liên kết giảm xuống dƣới mức mong muốn chất lƣợng liên kết tốt, nhƣng lƣợng tín hiệu lƣu hành cao, nhƣ uổng phí lƣợng truyền Các gói tin thông báo bao gồm chất lƣợng liên kết khác đƣợc đo Khi node A nhận đƣợc thông báo từ láng giềng B mình, module ATPC nút A sử dụng chất lƣợng liên kết khác nhƣ đầu vào cho mơ hình tiên đốn tính tốn mức cơng suất truyền tải cho láng giềng Nếu đạt đƣợc chất lƣợng liên kết tốt địi hỏi phải sử dụng mức cơng suất truyền tối đa, ATPC điều chỉnh công suất truyền đạt đến mức Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp tối đa Nếu sử dụng tối đa mức cơng suất truyền khơng thể đạt đƣợc chất lƣợng liên kết tốt, liên kết đƣợc đánh dấu giao thức định tuyến Nếu tất lộ trình khơng thể cung cấp chất lƣợng liên kết tốt, mote cố gắng truyền tốt nút láng giềng với chất lƣợng liên kết tƣơng đối tốt cách sử dụng mức truyền tải điện tối đa Có cân độ xác chi phí áp dụng ATPC Các giá trị thực tế tham số đƣợc lấy từ phân tích kết thực nghiệm Các thông số quan trọng bao gồm ngƣỡng chất lƣợng liên kết, tỷ lệ lấy mẫu việc điều khiển cơng suất truyền, số lƣợng gói liệu mẫu giai đoạn khởi tạo, điều chỉnh tín hiệu nhỏ điều khiển cơng suất truyền, tỉ lệ dẫn đến chất lƣợng liên kết báo lỗi Lựa chọn thông số cần thiết để đạt đƣợc hiệu suất tốt Việc giám sát chất lƣợng liên kết có ba tiêu chuẩn sau để ƣớc tính thay đổi chất lƣợng liên kết Đầu tiên chất lƣợng liên kết đƣợc phản ánh giá trị RSSI; thứ hai giá trị LQI có; cuối tỉ lệ tiếp nhận gói tin nhƣ phát thứ tự giám sát liên tục Thiết kế ATPC tƣơng thích với tất phƣơng pháp Khơng làm tính tổng quát, sử dụng hai RSSI PRR thí nghiệm Để giám sát chất lƣợng liên kết cách dựa vào giá trị RSSI, ta đặt hai ngƣỡng chất lƣợng liên kết LQupper ngƣỡng cao LQlower ngƣỡng thấp Miễn giá trị RSSI gói tin nhận đƣợc nằm phạm vi này, hệ thống trạng thái ổn định Khi liên kết trạng thái ổn định, nơi nhận khơng cần phải gửi gói tin thông báo cho nơi gửi nơi gửi không cần điều chỉnh công suất truyền tải Giới hạn [LQlower, LQupper] quan trọng để tiết kiệm lƣợng điều chỉnh độ xác Nếu phạm vi [LQlower,LQupper] q nhỏ, fading tín hiệu vơ tuyến dẫn đến dao động công suất truyền Nếu phạm vi [LQlower, LQupper] lớn, kết điều khiển cơng suất truyền khơng đủ xác, điều khiển cơng suất truyền tối ƣu đạt đƣợc Trong hệ thống xử lí, giá trị LQlower đƣợc chọn để đảm bảo chất lƣợng liên kết không tụt xuống dƣới mức cho phép Đối với LQupper thiết kế, giá trị đƣợc chọn để giảm chi phí lƣợng phải bỏ để truyền thông báo lƣợng tiết kiệm cho việc truyền Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp gói liệu Đây tính tốn đơn giản để lựa chọn LQupper để so sánh lƣợng tiêu thụ việc gửi gói tin điều khiển với lƣợng đƣợc tiết kiệm cho n gói liệu sau điều chỉnh công suất phát Để đơn giản sử dụng n = Nhƣ vậy, tiết kiệm lƣợng đạt đƣợc có hai gói liệu đƣợc truyền cách sử dụng việc điều chỉnh mức công suất truyền, đƣợc so sánh với lƣợng tiêu thụ cách truyền gói tin thơng báo 3.2.2 Đánh giá thực nghiệm ATPC đƣợc đánh giá môi trƣờng ngồi trời Đầu tiên đánh giá mơ hình tiên đốn ATPC đƣợc mô tả phần với thử nghiệm ngắn Sau mơ tả thí nghiệm vòng 72 để so sánh ATPC chống lại giải pháp công suất truyền mức mạng không đổi giải pháp công suất truyền nút không đổi Theo kết thực nghiệm, lợi ATPC nằm ba khía cạnh cốt lõi: (1) ATPC trì chất lƣợng truyền thông cao theo thời gian thay đổi điều kiện thời tiết Nó có chất lƣợng liên kết tốt đáng kể sử dụng công suất truyền tĩnh thử nghiệm lâu dài.Hơn nữa, trì tƣơng đƣơng chất lƣợng liên kết nhƣ sử dụng giải pháp công suất truyền tối ƣu (2) ATPC đạt đƣợc tiết kiệm lƣợng đáng kể so với giải pháp mức mạng công suất truyền ATPC tiêu thụ 53,6% lƣợng truyền tải giải pháp lƣợng truyền tối đa, 78,8% lƣợng truyền giải pháp mức mạng công suất truyền (3) ATPC dự đốn xác mức cơng suất truyền điện hợp lí điều chỉnh mức cơng suất truyền tải thời gian để đáp ứng thay đổi môi trƣờng, thích nghi với khơng gian yếu tố thời gian 3.2.2.1 Đánh giá giai đoạn khởi tạo Trong giai đoạn khởi ATPC, mote phát nhóm gói beacon Láng giềng ghi lại RSSI mức công suất truyền tƣơng ứng beacon, nghe, sau gửi chúng tới node beaconing Sử dụng cặp giá trị nhƣ đầu vào cho module ATPC, nút beaconing xây dựng mơ hình tiên đốn tính tốn mức công suất truyền tải cho láng giềng Để đánh giá tính xác giai đoạn khởi tạo, thử nghiệm đƣợc tiến hành bãi đỗ xe với mote MICAz, đƣợc lặp lại lần Những mote đƣợc đặt riêng dòng feet từ nút lân cận Mỗi mote chạy giai đoạn khởi ATPC khe thời gian khác nhau, đƣa gói beacon (tỉ lệ gói / giây) cách sử dụng mức Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp công suất truyền khác Các mức công suất truyền đƣợc phân bố cách đặn phạm vi công suất truyền hỗ trợ chip vô tuyến CC2420 Sau giai đoạn khởi tạo, mote gửi nhóm 100 gói tin để láng giềng dự đoán đƣợc mức truyền tải điện Láng giềng ghi lại trung bình RSSI PRR Các kết thử nghiệm đƣợc thể hình 2.5 (a) hình 2.5 (b) Hình 3.6 Dự đốn xác Tất điểm hình 3.6 (a) thể cặp dự đốn mức cơng suất truyền PRR sử dụng mức công suất Trong tất thí nghiệm, PRR trung bình 99,0 % Từ hình 3.6 (a), thấy tất số RSSI -91 dBm Độ lệch tiêu chuẩn RSSI 2.RSSIs -91 dBm có nghĩa chất lƣợng liên kết tốt bãi đỗ xe Các kết chứng minh mơ hình tiên đốn ATPC hoạt động tốt Hơn nữa, thí nghiệm lâu dài mà nhóm tác giả thực hiện, mức cơng suất truyền dự đoán thu đƣợc giai đoạn khởi tạo ATPC hầu hết nút nằm phạm vi mong muốn Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp 3.2.2.2.Hiệu suất thời gian thực Để đánh giá việc thực cách so sánh ATPC chống lại thuật tốn điều khiển cơng suất truyền tồn trƣớc đây: kiểu giải pháp mức mạng giải pháp đồng mức (không đồng bộ) Hai mức công suất truyền mạng đƣợc sử dụng: mức công suất truyền tối đa (Max) công suất truyền tối thiểu nút mạng mà cho phép chúng tiếp cận với láng giềng chúng Một thử nghiệm 72 liên tục đƣợc tiến hành để đánh giá tiết kiệm lƣợng chất lƣợng truyền thông ATPC theo thời gian Các liệu thực nghiệm cho thấy ATPC đạt đƣợc tổng thể hiệu tốt chất lƣợng truyền thông tiêu thụ lƣợng điểm end-to-end PRR ATPC liên tục nằm 98% với ba ngày, ATPC tiết kiệm đáng kể công suất truyền tiêu thụ so với giải pháp mức công suất truyền mạng truyền dẫn thống lƣợng a.Thiết lập thực nghiệm Hình 3.7 Topo mạng Hình 3.8 Khu vực thử nghiệm Một thử nghiệm 72 đƣợc thực bãi cỏ với 43 mote MICAz Các mote đƣợc triển khai theo mạng topo ngẫu nhiên Chúng tạo thành bao trùm nhƣ hình 3.7 Rễ bao trùm trung tâm hình 2.7 Diện tích khu vực triển khai 15 mét vng Hình 2.8 hình ảnh việc triển khai nút thí nghiệm bãi cỏ Tất mote đƣợc đặt hộp tupperware để bảo vệ khỏi thời tiết (dùng hộp nhựa (vật liệu khơng dẫn điện)thì khơng làm giảm đáng kể sóng vơ tuyến) Có tổng số 24 nút bao trùm Những nút báo cáo liệu nút gốc theo Mỗi đƣợc chia thành 24 khe thời gian nút khác đƣợc giao cho khe thời gian khác Truyền dẫn khác mote đƣợc lên kế hoạch thời điểm khác để tránh va chạm Mỗi nút báo cáo 32 gói liệu đến nút gốc với tốc độ truyền tải 15 gói / phút khe thời gian Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Những gói liệu đƣợc chia thành nhóm, tƣơng ứng với giải pháp điều khiển công suất truyền: ATPC, Max, đồng bộ, khơng đồng Bốn thuật tốn đƣợc đánh giá mơi trƣờng Việc dự đốn mức độ cơng suất truyền đạt đƣợc giai đoạn khởi tạo ATPC đƣợc sử dụng cho không đồng bộ, đáp ứng giả định việc truyền tải điện tối thiểu cho nút để tiếp cận với láng giềng Sử dụng dự đốn mức cơng suất truyền tối đa tất nút thu đƣợc giai đoạn khởi ATPC cho đồng Mức công suất truyền mức công suất truyền tối thiểu tất nút để tiếp cận với láng giềng họ Max, đồng bộ, không đồng sử dụng tất công suất truyền tĩnh Các số liệu thống kê số lƣợng gói tin đƣợc gửi nhận mức công suất truyền đƣợc sử dụng cho giải pháp đƣợc ghi nhận mote Trong thử nghiệm này, để đơn giản, node xem cha bao trùm láng giềng Thử nghiệm đƣợc triển khai vào 18:00 ngày 19 tháng 3, kết thúc vào 19:00 ngày 22 tháng Có hƣớng dẫn kéo dài vào buổi sáng ngày 21 tháng Hình 3.9 cho thấy điều kiện thời tiết ngày Hình 3.9 Điều kiện thời tiết 72 b.Tỷ lệ truyền liệu Hình 3.10 E2E PRR theo thời gian Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Hình 3.11 Chất lƣợng liên kết theo thời gian Hình 3.10 cho thấy PRR end-to-end tích lũy theo thời gian Từ hình này, thấy giải pháp Max đạt đƣợc 100% end-to-end PRR tất thời gian Khi sử dụng công suất truyền tối đa làm cho giá trị RSSI nơi nhận cao tất giải pháp, thiết thực cho thay đổi mơi trƣờng ngẫu nhiên nhiễu Cả ATPC đồng đạt đƣợc khoảng 98% tích lũy end-to-end PRR ATPC có hiệu tốt so với đồng 83% thời gian thực nghiệm Tuy nhiên, lý gói tin hai giải pháp khác Đối với ATPC, nửa liên kết end-to-end có 100% PRR 12 liên kết khác từ nút sang nút gốc bị gói tin ngẫu nhiên theo thời gian Đối với giải pháp đồng bộ, gói liệu chủ yếu xảy liên kết cụ thể Các liên kết có mức dự đốn cơng suất truyền tải nhƣ mức cơng suất truyền đồng Từ hình 3.11, so sánh PRRs liên kết hoạt động đồng ATPC Chất lƣợng liên kết đƣợc trì mức truyền cơng suất tĩnh dễ bị ảnh hƣởng thay đổi môi trƣờng Sau 12 đầu tiên, PRR liên kết với sức mạnh truyền tĩnh đồng giảm đáng kể, 95% PRR 25% thời gian Mặt khác, liên kết gần giống với ATPC liên tục đạt 99% PRR tiếp xúc môi trƣờng sử dụng phần cứng vô tuyến Hai liên kết yếu nút mức nút cha đầu tiên, đó, gói tin gây khơng tác động lớn đến PRR end-to-end trung bình Tuy nhiên, nhƣ mức cơng suất truyền tĩnh đƣợc sử dụng liên kết với lƣu lƣợng truy cập nhiều hơn, chẳng hạn nhƣ liên kết cha mẹ mức gốc, chất lƣợng truyền thông end-to-end giảm nghiêm trọng Giải pháp khơng đồng có hiệu suất yếu theo thời gian Tất liên kết giải pháp dễ bị ảnh hƣởng đến biến đổi chất lƣợng liên kết Tuy nhiên, thực nghiệm ngắn điều kiện thời tiết tƣơng đối tĩnh, khơng đồng có Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp thể đạt đƣợc nhiều 99% PRR end-to-end, nhƣ hình 2.9 Sau 12 đầu tiên, chất lƣợng truyền thông giải pháp không đồng trở nên không ổn định Chúng nhận thấy thay đổi chiều hƣớng lớn nhiều so với giải pháp khác Nó có nghĩa PRR end-to-end với mức công suất truyền tĩnh khoảng thời gian định tốt đáng kể tồi tệ khoảng thời gian khác ngày Quan sát xác nhận phán đoán nhóm tác giả động học chất lƣợng liên kết làm cho hiệu suất truyền thơng khơng ổn định khơng thể đốn trƣớc công suất truyền tĩnh Xem xét chất lƣợng truyền thông không dây, ATPC giải pháp công suất truyền tối đa thích hợp để áp dụng vào hệ thống thực c Công suất tiêu thụ Tổng lƣợng tiêu thụ mạng đƣợc đo chế độ truyền vô tuyến đề án khác đƣợc sử dụng Chúng tơi tính tốn tổng số lƣợng tiêu thụ truyền tải hệ thống theo cơng thức sau đây: Trong i ID node j mức công suất truyền tải NumDi j số gói liệu đƣợc gửi nút i với mức công suất truyền j TEj lƣợng truyền tiêu thụ cho bit từ [7] LD độ dài gói liệu, 45 byte Tất gói điều khiển đƣợc gửi với mức công suất truyền tối đa NumCi số gói tin điều khiển (các gói beacon thơng báo) đƣợc gửi nút i maxTE lƣợng truyền tải bit sử dụng mức truyền tối đa LC độ dài gói điều khiển, 19 byte Trong thực nghiệm này, tỷ lệ số lƣợng gói điều khiển số lƣợng gói liệu 3,9% Tỷ lệ lƣợng tiêu thụ gói điều khiển lƣợng tiêu thụ gói liệu 1,9% ATPC đạt mức lƣợng hiệu với tổng mức điều khiển không nhỏ Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Hình 3.12 Sự tiêu thụ lƣợng truyền dẫn theo thời gian Để so sánh tốt hơn, lấy mức tiêu thụ lƣợng Max đƣờng sở, đƣờng hình 3.12 Mức lƣợng tiêu hao ba phƣơng pháp khác đƣợc thể nhƣ tỷ lệ phần trăm giá trị với đƣờng sở Các liệu thực nghiệm chứng minh ATPC không đồng tiêu thụ lƣợng truyền dẫn Xem xét ATPC có chất lƣợng truyền thông tốt nhiều so với không đồng bộ, ATPC giải pháp lƣợng hiệu Trong hình 3.12, ATPC tiêu thụ lƣợng truyền dẫn Max đồng Mặc dù ATPC có gói beacon gói tin phản hồi, mức tiêu thụ lƣợng truyền trung bình ATPC 53,6% Max 78,8% đồng Xu hƣớng tiêu thụ lƣợng ATPC thay đổi chút Yếu tố gây biến đổi thay đổi mức cơng suất truyền Có gói phản hồi cho liên kết trung bình ngày So sánh ATPC với không đồng đầu tiên, ATPC tiêu thụ lƣợng gần giống không đồng Lý mức công suất truyền tải mote không thay đổi nhiều Trong đồng hồ, không đồng có mức tiêu thụ lƣợng cao ATPC số lƣợng lớn nút giảm mức cơng suất truyền để tiết kiệm lƣợng ATPC Sau đó, lƣợng truyền khơng đồng giảm chủ yếu PRR thấp, làm giảm số lƣợng truyền chuyển tiếp Max đồng có mức tiêu hao lƣợng truyền tƣơng đối ổn định sử dụng mức cơng suất truyền tĩnh thơng lƣợng mạng ổn định Mức cơng suất truyền tải đƣợc sử dụng đồng phụ thuộc phần lớn vào topo mạng Trong mạng với khoảng lớn láng giềng, mức công suất truyền dẫn đồng có xu hƣớng đƣợc gần với mức công suất truyền tối đa Cả hai giải pháp lƣợng truyền dẫn lãng phí đáng kể so với ATPC Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Hình 3.13 Mức truyền lƣợng trung bình theo thời gian Tổng lƣợng tiêu thụ không đồng thay đổi mạng lƣới thay đổi So với giải pháp khác, tiêu thụ lƣợng truyền dẫn theo thời gian Khơng có chi phí thông tin phản hồi ATPC, nhƣng lƣợng không đƣợc sử dụng hiệu chất lƣợng truyền thơng thấp Tuy nhiên, cung cấp chất lƣợng truyền thông tốt tiết kiệm lƣợng giới ngắn hạn Lựa chọn ba liên kết khoảng sức mạnh truyền trung bình đƣợc sử dụng theo thời gian hình 3.13 Tất liên kết liên tục đạt 98% PRR Từ hình 3.13 rút hai quan sát nhƣ sau Từ nhật kí ghi chép q trình điều chỉnh ATPC, xác nhận chất lƣợng liên kết khác đáng kể thực tế Mặc dù tất liên kết làm việc môi trƣờng giống nhau, tốc độ điều chỉnh khoảng công suất truyền cho liên kết khác khác đáng kể Có thể nhận thấy liên kết A có loạt thay đổi lớn, có nghĩa nhạy cảm cao với thay đổi môi trƣờng Công suất truyền liên kết C ổn định, liên kết mạnh mẽ đến thay đổi môi trƣờng Mức biến đổi công suất truyền liên kết B khoảng Liên kết B trƣờng hợp điển hình cơng trình nghiên cứu ATPC động lực thiết thực việc xử lý chất lƣợng liên kết thực tế, theo điều kiện khác liên kết Mặc dù tất liên kết tiếp xúc với môi trƣờng, tác động môi trƣờng lên chúng đƣợc liên kết cụ thể ATPC điều chỉnh thành công cơng suất truyền khác Tóm lại, ATPC trì 98% chất lƣợng giao tiếp end-to-end, tiết kiệm đáng kể công suất truyền Giải pháp công suất truyền khơng đồng tĩnh Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp hoạt động tốt thời gian ngắn môi trƣờng tĩnh, nhƣng chất lƣợng truyền thông dễ bị môi trƣờng thay đổi Các giải pháp công suất truyền tối đa thiết thực thay đổi môi trƣờng, nhƣng khống tốt cho lƣợng truyền 3.2.3.Nhận xét Trong phần này, ta nghiên cứu ATPC_điều khiển cơng suất truyền tƣơng thích Để thực ATPC phải quan niệm chất lƣợng liên kết vô tuyến nút mạng thay đổi theo không gian thời gian Nút truyền muốn biết chất lƣợng liên kết với nút láng giềng thời điểm bất kỳ, phải gửi gói yêu cầu (beacon) tới nút láng giềng chờ trả lời nút láng giềng cƣờng độ sóng vơ tuyến (RSSI) mà nhận đƣợc thơng báo beacon Mặc dù khoảng cách nút khơng thay đổi, điều kiện làm thí nghiệm khơng thay đổi, lƣợng mà gói beacon mang khơng đổi, nhƣng thời điểm khác nhau, RSSI mà nút láng giềng báo khác Điều chứng tỏ chất lƣợng liên kết thay đổi theo thời gian, không gian 3.3.Đánh giá tính hiệu lƣợng MAC Tính hiệu lƣợng thuộc tính quan trọng giao thức MAC mạng cảm biến Nhƣ đề cập trên, đa số nút cảm biến hoạt động pin, khó để thay đổi nạp điện lại cho pin nút Thực tế, nhiều mục đích thiết kế mạng cảm biến đƣợc xây dựng nút đủ rẻ để vứt bỏ nạp lại Trong tất trƣờng hợp, việc kéo dài đời nút vấn đề then chốt Dù với tảng phần cứng nào, lƣợng cho thu phát sóng vơ tuyến nguồn tiêu thụ lƣợng Lớp MAC trực tiếp điều khiển hoạt động thu phát sóng vơ tuyến, tiêu thụ lƣợng nhƣ ảnh hƣởng đáng kể tới đời nút Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp KẾT LUẬN Khi nghiên cứu mạng cảm biến khơng dây tăng thời gian sống cho nút mạng, gia tăng lƣợng cho mạng vấn đề đứng hàng đầu Các nút cảm biến yêu cầu tiêu thụ công suất thấp nút cảm biến hoạt động có giới hạn khó thay đƣợc nguồn cung cấp Do đó, mạng truyền thống tập trung vào việc đạt đƣợc dịch vụ chất lƣợng cao, giao thức mạng cảm biến phải tập trung vào vấn đề tiết kiệm lƣợng Bài đồ án giới thiệu số giải pháp tiết kiệm giao thức MAC tổng quan mơ hình truyền nhận vô tuyến, cấu tạo lớp vật lý thực việc Trong thực nghiệm mối quan hệ khoảng cách hiệu suất truyền tải, ảnh hƣởng quan trọng khoảng cách nới phát nơi nhận Qua sâu vào nghiên cứu báo trình bày cách điều khiển cơng suất nút mạng phát theo kiểu gọi điều khiển cơng suất truyền tƣơng thích-ATPC Phần thực nghiệm báo tiến hành xây dựng phần mềm nhúng cho nút mạng, để làm thay đổi cơng suất phát tín hiệu phù hợp với khoảng cách từ nút phát đến nút nhận để tiết kiệm lƣợng cho nút, tăng tuổi thọ cho toàn mạng Trong quan trọng thiết lập đƣợc mô hình dự báo cho ATPC Đó biểu thức: ri(tpj)= · tpj+bi đó: ri(tpj) cơng suất nhận nút mạng i nơi phát phát công suất tpj Từ biểu thức này, dùng phƣơng pháp toán học gần để tính ra: bi Khi tính đƣợc hệ số tính đƣợc công suất phát tpj để nơi nhận nhận đƣợc ri(tpj) Trong thay đổi theo thời gian, bi thay đổi đáng kể theo thời gian, RSSI thu đƣợc theo phƣơng trình sở phản hồi cặp nút truyền nhận Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mạng truyền liệu, Vƣơng Đạo Vy, Nhà xuất đại học quốc gia Hà Nội [2] Wireless communications,Andrea Goldsmith, 2005 [3] On power control for Wireless sensor Networks: System Model, Middleware Component and Experimental Evaluation, B.Zurita Ares, P.G.Park, C.Fischione, A.Speranzon, K.H.Johansson, 2007 [4] ATPC: Adaptive Transmission Power Control for Wireless Sensor Networks, Shalin, JingbinZhang, GangZhou, Lingu, TianHe, and JohnA.Stankovic (University of Virginia and University of Minnesota), 2007 [5] Networking Wireless Sensors, Bhaskar Krishnamachari, Cambridge University Press 2005 [6] Tang Zhiyong, “End-to-end Routing for Dual-Radio Sensor Networks”, in Dresden, 28th Jan 2008 Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... Chương I:Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương II :Một số phương pháp tiết kiệm lượng mạng cảm nhận Chương III: Nhận xét đánh giá số phương pháp tiết kiệm lượng mạng cảm nhận không giây Vương... CHƢƠNG II: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM NHẬN 24 2.1.Giới thiệu định tuyến 24 2.1.1 .Định tuyến WSN .24 2.1.2.Thách thức vấn đề định tuyến. .. KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM NHẬN 2.1.Giới thiệu định tuyến Định tuyến cách thức mà Router (bộ định tuyến) hay PC (hoặc thiết bị mạng khác) sử dụng để phát gói tin tới mạng đích 2.1.1 .Định tuyến