Vấn đề năng lượng trong mạng wireless sensor và đánh giá bằng mô phỏng

Đồ án tốt nghiệp đại học oOo BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Vấn đề lượng mạng Wireless Sensor đánh giá mô LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử viễn thông đặc biệt lĩnh vực vô tuyến đem lại nhiều ứng dụng mới, cho phép dễ dàng thu thập thơng tin điều kiện vùng địa lý Có nhiều phương pháp khác cho phép thu thập thơng tin mạng Wireless Sensor dùng phổ biến giới dần xâm nhập vào nước ta Có nhiều vấn đề đặt cho mạng Wireless Sensor vấn đề lượng, vấn đề đồng sensor, vấn đề mở rộng mạng Năng lượng yếu tố quan trọng tất loại mạng Với mạng Wireless Sensor tính đặc thù mạng hạn chế phần cứng ứng dụng nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề lượng trở lên quan trọng Trước thực tế này, định hướng dẫn Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, em chọn đề tài đồ án: “Vấn đề lượng mạng Wireless Sensor đánh giá mơ phỏng” Mục đích đồ án tìm hiểu vấn đề liên quan tới lượng mạng Wireless Sensor, từ đưa giải pháp tiết kiệm lượng mạng tận dụng nguồn lượng tự nhiên Đồ án gồm chương: - Chương I : Tổng quan mạng Wireless Sensor - Chương II : Năng lượng mạng Wireless Sensor - Chương III : Phần mềm mô cho mạng Wireless Sensor - Chương IV: Mô mạng Wireless Sensor Do hạn chế kiến thức lực nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Mong góp ý thầy bạn bè Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, hướng dẫn em chuyên môn phương pháp làm việc để em hồn thành đồ án Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, cô Khoa Viễn Thơng I, Học viện Cơng nghệ Bưu - Viễn thông giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án Hà Nội ngày 31 tháng 10 năm 2005 Sinh viên Phan Viết Thời LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I Tổng quan mạng Wireless Sensor CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIRELESS SENSOR 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây Các thiết bị cảm biến (Sensor) kết nối thành mạng, phối hợp với để thực nhiệm vụ với quy mô lớn, đặt nhiều hy vọng nhằm cách mạng hóa lĩnh vực thu thập thơng tin điều kiện vùng địa lý Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại quang học) để phối hợp thực nhiệm vụ cảm biến phân tán đối tượng mục tiêu Mạng liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát viên hay gián tiếp thông qua điểm thu (Sink) môi trường mạng công cộng Internet hay vệ tinh Các nút Sensor khơng dây triển khai cho mục đích chuyên dụng giám sát an ninh; kiểm tra môi trường; tạo khơng gian thơng minh; khảo sát, xác hóa nơng nghiệp; y tế; Lợi chủ yếu chúng khả triển khai loại hình địa lý kể môi trường nguy hiểm sử dụng mạng Sensor có dây truyền thống Việc kết hợp cảm biến thành mạng lưới ngày tạo nhiều khả cho người Các vi cảm biến với xử lý gắn thiết bị vơ tuyến hồn tồn gắn kích thước nhỏ Chúng hoạt động môi trường dày đặc với khả xử lý tốc độ cao Do đó, với mạng cảm biến khơng dây ngày nay, người ta khám phá nhiều tượng khó thấy trước Ngày nay, mạng cảm biến không dây ứng dụng nhiều lĩnh vực cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái môi trường sinh vật phức tạp 1.2 Nền tảng phát triển mạng Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa công nghệ mạng Ad hoc không dây thúc đẩy hai yếu tố nhu cầu ứng dụng tiến công nghệ 1.2.1 Mạng Ad hoc không dây Mạng Ad hoc khơng dây kiểu mạng khơng có sở hạ tầng tảng, triển khai cho mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện để tìm kiếm cứu hộ, phục vụ liên lạc cho thành viên họp,.v.v Mạng Ad hoc không cần thành phần sở hạ tầng tổng đài, trạm thu phát gốc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I Tổng quan mạng Wireless Sensor hay trung tâm điều khiển Tất nút di động mạng Ad hoc liên kết động với cách tuỳ ý, khơng có điều khiển từ bên ngồi Tất nút hoạt động định tuyến nhờ khả tìm trì tuyến tới nút khác mạng Các giao thức định tuyến mạng Ad hoc chia thành hai loại: - Các giao thức định tuyến theo bảng: nút mạng trì cập nhật thông tin định tuyến tới nút mạng khác - Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: Việc định tuyến thực có u cầu chuyển gói, nhờ chế tìm đường Hiện có bốn giao thức định tuyến sử dụng mạng Ad hoc: a) Định tuyến theo chuỗi hướng với đích Trong Định tuyến theo chuỗi hướng với đích (Destination-Sequenced Distance-Vector - DSDV), trạm di động có bảng định tuyến ghi đích tại, số bước nhảy để đến đích số thứ tự gán cho nút đích Số thứ tự sử dụng để phân biệt tuyến tránh hình thành vịng lặp Các trạm định kỳ gửi bảng định tuyến cho nút lân cận Một trạm gửi bảng định tuyến thay đổi đáng kể bảng so với lần gửi cập nhật cuối phát Như vậy, việc cập nhật thực theo thời gian theo kiện Các bảng định tuyến gửi cập nhật theo hai cách: chuyển toàn (“full dump”) hay cập nhật phần gia tăng Theo cách chuyển toàn bộ, bảng định tuyến gửi trọn vẹn đến nút lân cận bao gồm nhiều gói tin Ngược lại, theo cách cập nhật phần gia tăng, mục ghi bảng định tuyến so với lần cập nhật cuối gửi phải vừa gói tin Khi mạng tương đối ổn định, gói cập nhật phần gia tăng sử dụng để tránh việc lưu lượng tăng cao việc chuyển toàn (full dump) sử dụng Trong mạng thay đổi nhanh, số lượng gói cập nhật phần gia tăng trở lên lớn nên việc chuyển toàn bảng thực thường xuyên b) Định tuyến thuật tốn tìm đường theo thời gian Định tuyến thuật tốn tìm đường theo thời gian (Temporally Ordered Routing Algorithm - TORA) giao thức định tuyến sở thuật tốn “đảo liên kết” (“Link Reversal”) Nó thiết kế để tìm tuyến đường theo yêu cầu, cung cấp nhiều tuyến tới đích, thiết lập tuyến nhanh giảm tới mức tối thiểu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I Tổng quan mạng Wireless Sensor phần phụ tải (overhead) thuật toán khoanh vùng chống lại thay đổi hình trạng mạng sảy Việc tối ưu định tuyến (tìm đường ngắn nhất) coi thứ yếu việc định tuyến với đường dài sử dụng thường xuyên để tránh phần phụ tải tìm đường Hoạt động giao thức TORA hình dung giống đưa nước chảy dốc xuống qua mạng đường ống hướng tới điểm đích Các đường ống mô tả liên kết nút mạng, điểm nối đường ống mô tả nút mạng nước chảy ống mô tả gói tin định tuyến hướng tới đích Mỗi nút có độ cao so với đích tình tốn giao thức định tuyến độ cao giảm dần tuyến, nhờ chuyển gói tin cách để tới đích c) Giao thức định tuyến nguồn động Điểm giao thức định tuyến nguồn động ( Dynamic Source Routing DSR) việc sử dụng định tuyến nguồn Tức là, nơi gửi nhận biết hoàn toàn tuyến đường gồm liên kết dẫn tới đích Các tuyến đường lưu nhớ định tuyến (Route Cache) Các gói liệu mang theo thông tin định tuyến nguồn tiêu đề gói Khi nút mạng Ad hoc muốn gửi gói tin tới đích mà chưa nhận biết tuyến đường, sử dụng tiến trình tìm đường (Route Discovery) để xác định tuyến Tiến trình tìm đường gửi tràn lan vào mạng gói yêu cầu tuyến (Route Request-RREQ) Mỗi nút nhận RREQ lại tiếp tục quảng bá nó, trừ nút nút đích có tuyến tới đích lưu nhớ định tuyến Các nút trả lời gói RREQ gói hồi âm định tuyến (Route Reply-RREP) Các gói định tuyến trở lại nguồn Các gói RREQ RREP định tuyến theo nguồn Các gói RREQ lập lên tuyến xuyên qua mạng Gói RREP định tuyến trở lại nguồn cách ngược trở lại theo tuyến đường Thông tin tuyến mang trở lại gói RREP lưu nguồn để sử dụng Nếu liên kết tuyến bị cố, nút nguồn thơng báo gói lỗi (Route Error-RERR) Nguồn xoá tuyến nhớ định tuyến bắt đầu tiến trình tìm đường tuyến cần thiết Trong DSR không cần chế đặc biệt để phát vòng lặp định tuyến d) Định tuyến dựa vào chuỗi hướng theo yêu cầu tạm thời Định tuyến dựa vào chuỗi hướng theo yêu cầu tạm thời (Ad hoc On-Demand Distance- Vector Routing - AODV) có điểm giống DSR tìm đường có u cầu thơng qua một tiến trình tìm đường tương tự Tuy nhiên, AODV sử LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I Tổng quan mạng Wireless Sensor dụng chế khác để lưu giữ thông tin định tuyến Nó sử dụng bảng định tuyến truyền thống, mục đích Đây điểm ngược lại DSR (DSR lưu giữ nhiều mục cho đích) Khơng có định tuyến nguồn, AODV dựa vào mục bảng định tuyến để truyền RREP trở nguồn sau đó,được sử dụng để định tuyến gói số liệu tới đích AODV sử dụng số thứ tự lưu đích để xác định tính thơng tin định tuyến chống lại vòng lặp định tuyến Tất gói mang theo số thứ tự Một đặc điểm quan trọng AODV lưu giữ trạng thái định nút để tận dụng mục bảng định tuyến đơn Một mục bảng định tuyến bị xố khơng sử dụng thời gian gần Giao thức DSDV giao thức định tuyến theo bảng, giao thức DSR, TORA, AODV thuộc loại giao thức định tuyến theo yêu cầu 1.2.2 Nền tảng công nghệ Các tiến công nghệ chế tạo thiết bị điện tử nhỏ giá rẻ với công suất thấp phân hóa chức cao, bước tiến công nghệ mạng không dây lĩnh vực vi điều khiển tạo tiềm to lớn lĩnh vực cảm biến thu thập liệu Việc sử dụng vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phát vơ tuyến thiết bị cảm biến tương tự, số khác cho phép mạng thiết bị cảm biến không dây hoạt động nguồn acquy thu thập liệu môi trường phạm vi lớn Dữ liệu tải đến máy tính lưu sở liệu Sau đó, phân tích thơng qua phần mềm ứng dụng Kết truy xuất trực tiếp trình duyệt Web chuẩn đâu Internet Các mạng Sensor ngày có cải tiến đáng kể so với Sensor truyền thống theo hai hướng: - Các Sensor đặt xa tượng tức thông tin tượng có nhờ lực cảm biến phân tích Theo hướng này, yêu cầu Sensor lớn sử dụng số kỹ thuật phức tạp để nhận biết đích từ tạp âm mơi trường khoảng cách xa - Nhiều Sensor chủ yếu hoạt động cảm biến triển khai Vị trí Sensor hình trạng thơng tin tính tốn cẩn thận Chúng liên kết thành mạng để truyền thông tin diễn biến tượng thăm dò tới nút trung tâm, nơi tiếp nhận xử lý liệu Một mạng Sensor bao gồm số lượng lớn nút triển khai dày đặc bên đối tượng cần thăm dò gần Vị trí Sensor phải khơng cần LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I Tổng quan mạng Wireless Sensor định trước Điều cho phép triển khai ngẫu nhiên vùng tiếp cận hoạt động tránh nguy hiểm Điều có nghĩa thuật tốn giao thức phải có khả tự tổ chức Một đặc trưng mạng Sensor khả cộng tác Sensor Các Nút Sensor phải có xử lý gắn Thay chuyển liệu thơ đến nút có nhiệm vụ xử lý, nút Sensor sử dụng khả tính tốn để thực xử lý đơn giản chuyển liệu yêu cầu qua xử lý sơ Các đặc điểm đưa đến phạm vi ứng dụng lớn mạng Sensor Một số lĩnh vực ứng dụng y tế, quân an ninh Ví dụ bác sỉ kiểm tra từ xa liệu sinh lý bệnh nhân Điều vừa thuận tiện cho bệnh nhân vừa giúp bác sĩ hiểu rõ tình trạng bệnh nhân Mạng Sensor cịn sử dụng để phát tác nhân hóa học khơng khí nước Chúng giúp kiểu, lại vị trí chất Về bản, mạng Sensor cung cấp cho người sử dụng hiểu tốt hơn, thông minh môi trường Chúng ta thấy tương lai, mạng wireles Sensor phần thiếu sống, giống máy tính cá nhân Các ứng dụng thực tế mạng Sensor yêu cầu phải sử dụng công nghệ mạng Wireless Ad hoc Mặc dù vậy, có nhiều thuật tốn giao thức sử dụng cho mạng Wireless Ad hoc truyền thống chúng không phù hợp với đặc tính yêu cầu ứng dụng mạng Sensor, Để minh hoạ điểm này, khác mạng Sensor mạng Wireless Ad hoc được phác hoạ : Số lượng nút Sensor mạng Sensor yêu cầu mức lớn nhiều so với mạng Ad hoc - Các nút Sensor triển khai với mật độ lớn - Các nút Sensor thường gặp trục trặc - Hình trạng mạng Sensor thay đổi thường xuyên Các nút Sensor thường sử dụng mơ hình thơng tin quảng bá ngược lại mạng Ad hoc sử dụng truyền thông điểm- điểm - Các nút Sensor có hạn chế cơng xuất, khả tính tốn nhớ - Các nút Sensor khơng có nhận dạng tồn cục số lượng nút Sensor lớn Vì số lượng lớn nút Sensor triển khai dày đặc nên nút lân cận gần Do đó, truyền thông đa liên kết (Multihop) chọn để công suất sử dụng thấp so với truyền thông đơn liên kết truyền thống (Single hop).Hơn nữa, công LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I Tổng quan mạng Wireless Sensor suất truyền dẫn giữ mức thấp, điều cần cho hoạt động ngầm Truyền thông đa liên kết cịn có số hiệu truyền tín hiệu tốt so với truyền thông khoảng cách xa Một hạn chế quan trọng nút Sensor yêu cầu phải tối thiểu công suất tiêu thụ Các nút Sensor tích trữ nguồn lượng hạn chế khơng thay Vì vậy, mạng truyền thống đặt mục tiêu cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cao giao thức mạng Sensor phải trọng đến bảo tồn nguồn lượng Người sử dụng phải chọn tuổi thọ mạng với hạn chế thông lượng hay độ trễ truyền dẫn lớn 1.3 Mô tả hệ thống 1.3.1 Mô tả hệ thống tổng quát Các nút Sensor triển khai trường Sensor (Sensor field) minh họa hình 1.1 Mỗi nút Sensor phát tán có khả thu thập thơng số liệu, định tuyến số liệu thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) định tuyến tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến nút Sensor Số liệu định tuyến phía thu nhận (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết khơng có sở hạ tầng tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức khơng có trạm thu phát gốc hay trung tâm điều khiển, hình 1.1 Bộ thu nhận liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) người dùng gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) Hình 1.1: Mơ hình triển khai nút Sensor LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I Tổng quan mạng Wireless Sensor Một nút Sensor tạo lên từ bốn thành phần là: cảm biến, xử lý, thu phát không dây nguồn Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút Sensor cịn có thành phần bổ xung hệ thống tìm vị trí, sinh lượng thiết bị di động Các thành phần nút Sensor minh hoạ hình 1.2 Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần thiết bị cảm biến (Sensor) chuyển đổi tương tự / số (ADC) Các tín hiệu tương tự có từ Sensor sở cảm biến tượng chuyển sang tín hiệu số chuyển đổi ADC, đưa tới xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với nhớ nhỏ, phân tích thơng tin cảm biến quản lý thủ tục cộng tác với nút khác để phối hợp thực nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin nút Sensor mạng kết nối khơng dây, vơ tuyến, hồng ngoại tín hiệu quang Một thành phần quan trọng nút Sensor nguồn Bộ nguồn, pin acquy, cung cấp lượng cho nút Sensor không thay nên nguồn lượng nút thường giới hạn Bộ nguồn hỗ trợ thiết bị sinh lượng, ví dụ pin mặt trời nhỏ Hầu hết công nghệ định tuyến mạng Sensor nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có nhận biết vị trí với độ xác cao Do đó, nút Sensor thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động cần thiết để di chuyển nút Sensor theo yêu cầu để đảm bảo nhiệm vụ phân công Thiết bị di động Hệ thống tìm vị trí Bộ cảm Bộ xử lý Sensor ADC Thiết bị xử lý Thiết bị nhớ Bộ thu phát Bộ nguồn Bộ sinh lượng Hình 1.2: Các thành phần nút Sensor Để minh hoạ rõ mạng Sensor không dây thực tế, phần tiếp sau giới thiệu hệ thống mạng Sensor điển hình Đó hệ thống WISENET LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I Tổng quan mạng Wireless Sensor 1.3.2 Hệ thống WISENET a) Giới thiệu hệ thống WISENET WISENET (Wireless Sensor NETwork) hệ thống thu nhận liệu môi trường ánh sáng, nhiệt độ độ ẩm từ mạng gồm thiết bị cảm biến không dây công suất thấp gọi “hạt cảm biến” (Sensor motes) Dữ liệu chuyển tới máy chủ lưu sở liệu Một chương trình Web nhận liệu phân tích hiển thị trình duyệt Web Mỗi hạt Sensor tích hợp vi điều khiển, thu phát vô tuyến, phần tử cảm biến môi trường nguồn nuôi Một hệ điều hành thời gian thực gọi TinyOS (Tiny Operation System) sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà cung cấp khả điều chế công suất cao cho phép hoạt động tập trung đồng thời b) Sơ đồ hệ thống WISENET Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống phân tích số liệu (Data Analysis Subsystem) thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần trạm chủ (Server), trạm người dùng (Client) mạng hạt Sensor (Sensor mote network) Hình 1.3; Sơ đồ hệ thống WISENET Các hệ thống là: - Hệ thống phân tích số liệu: Hệ thống gồm phần mềm Nó dựa sở hạ tầng Internet Web (HTTP) để truyền thông tin máy tính chủ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor s s s r r D 1.068626 1.069666 1.070016 1.071847 1.071872 1.071978 _1_ _1_ _1_ _1_ _1_ _1_ MAC RTR MAC MAC RTR MAC AODV AODV AODV AODV AODV AODV 0.493780 0.493640 0.493640 0.493360 0.493360 0.493220 -Sau có file energy_node1.txt ta sử dụng lệnh sau để tính lượng cần node gửi nhận gói liệu: $ cat energy_node1.txt awk ' { dif=old2-$2; if(dif>0) printf ("%c\t%f\t%f\n", $1, $2, dif)} ' >energy_node1_down.txt Sau lệnh ta tính số lượng cụ thể node1 nhận gửi liệu Các số liệu ghi vào file nlgiam_node1.txt Một đoạn file energy_node1_down.txt r r s r r s 1.027420 1.028410 1.029232 1.035203 1.036073 1.036579 0.000280 0.000140 0.000140 0.000840 0.000140 0.000140 Tương tự ta làm với node khác ví dụ với node ta dùng lệnh $ cat energy.tr | grep "_2_" | awk ' { printf ("%c\t%f\t%s\t%s\t%s\t%f\n", $1, $2, $3, $4, $7, $14)} ' >energy_node2.txt Và lệnh: $ cat energy_node2.txt awk ' { dif=old2-$2; if(dif>0) printf ("%c\t%f\t%f\n", $1, $2, dif)} ' >nlgiam_node2.txt 2)Tính tốc độ giảm lượng Từ file energy_node.txt ta tính tốc độ giảm lượng node tổng lượng cho việc gửi liệu tổng lượng cho việc nhận liệu - Tốc độ giảm lượng = Tổng lượng tiêu tốn/ thời gian khảo sát 4.2 Kết Kết biểu diễn bảng đồ thị tương ứng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor 4.2.1 Sự tổn hao lượng Ta xét mạng sensor gồm 25 nút bố trí diện tích có kích thước 651x651(m 2) Khi mật độ mạng 60nut/1km2 Số thứ tự nút Năng lượng nhận liệu Năng lượng gửi liệu Tổn hao lượng gói Năng lượng cảm biến Tổng lượng tiêu tốn 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0.019285 0.046183 0.003525 0.09376 0.162753 0.065298 0.033406 0.01526 0.112968 0.226932 0.056915 0.05568 0.002437 0.113328 0.22836 0.160718 0.02309 0.004672 0.026297 0.214777 0.139551 0.02305 0.00042 0.019622 0.182643 0.038426 0.046769 0.001325 0.108743 0.195263 0.109089 0.040506 0.018258 0.074516 0.242369 0.130553 0.021261 0.010534 0.071392 0.23374 0.074877 0.027988 0.013917 0.117594 0.234376 0.15393 0.023981 0.005717 0.038833 0.222461 0.047487 0.03308 0.000406 0.152266 0.233239 0.137623 0.034856 0.022823 0.049413 0.244715 0.074405 0.037263 0.005593 0.119159 0.23642 0.189775 0.028786 0.010324 0.017346 0.246231 0.164631 0.01053 0.006003 0.041165 0.222329 0.217707 0.00711 0.005957 0.230774 0.201076 0.031669 0.010278 0.015522 0.258545 0.133041 0.020647 0.010764 0.033383 0.197835 0.215369 0.01945 0.016523 0.008967 0.260309 0.220979 0.02205 0.00547 0.000409 0.248908 0.193351 0.022085 0.215436 0.163264 0.003814 0.076103 0 0.21931 0.028433 0.002297 0.002453 0.252493 0.146921 0.020228 0.002425 0.021554 0.191128 0.002703 0.047118 0.040937 0.003478 0.243181 Bảng 4.2: Suy hao lượng nút sensor LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor Khảo sát tiêu tốn lượng nút sensor 0.3 Năng lượng tiêu tốn (j) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 20 25 30 Số thứ tự nút Năng lượng nhận liệu Năng lượng gửi liệu Năng lượng hao phí gói Năng lượng cảm biến Tổng lượng tiêu tốn Hình 4.2: Đồ thị suy hao lượng nút sensor LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor 4.2.2 Tốc độ giảm lượng tăng số nút mạng Trong phần ta khảo sát tốc độ giảm lượng trung bình nút mạng số nút sensor thay đổi cịn kích thước mạng cố định 651x651(m2) Số nút Sensor 15 25 37 58 79 150 240 410 585 715 900 1200 1400 1612 Công suất truyền nút (w) 0.3187 0.1 0.04 0.01919 0.006 0.00166 0.0006 0.000174 0.0000778 0.0000572 0.0000285 0.0000154 0.000012 0.0000074 Năng lượng tiêu tốn trung bình (j) Tốc độ giảm lượng trung bình mạng(j/s) 0.8018702188 0.2826000000 0.1183298067 0.0438586242 0.0090531975 0.0006454619 0.0000530490 0.0000086468 0.0000018869 0.0000009930 0.0000002816 0.0000000685 0.0000000146 0.0000000206 0.080187021876 0.028260000000 0.011832980669 0.004385862420 0.000905319748 0.000064546188 0.000005304904 0.000000864676 0.000000188685 0.000000099299 0.000000028160 0.000000006845 0.000000001462 0.000000002061 Bảng 4.3: Tốc độ giảm lượng Khảo sát tốc độ giảm lượng trung bình mạng 0.09 Tốc độ giảm lượng 0.08 Tốc độ giảm (j/s) 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Số nút Sensor Hình 4.3: Đồ thị tốc độ giảm lượng trung bình mạng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor 4.2.3 Tốc độ giảm lượng mật độ mạng không đổi Trong phần ta thay đổi số lượng nút sensor mạng đồng thời thay đổi diện tích khảo sát để đảm bảo mật độ mạng 60sensor/1km2 Số nút Sensor Năng lượng tiêu tốn trung bình(j) Tốc độ giảm (j/s) 15 25 37 58 79 150 240 410 585 715 900 1200 1400 0.2826 0.285502 0.285502 0.317106 0.123958 0.115942 0.112774 0.083108 0.071784 0.098671 0.541801 0.138967 0.293757 0.02826 0.02855 0.02855 0.031711 0.012396 0.011594 0.011277 0.008311 0.007178 0.009867 0.05418 0.013897 0.029376 Bảng 4.4: Tốc độ giảm lượng trung bình mạng Khảo sát tốc độ giảm lượng mạng 0.06 Tốc độ giảm lượng Tốc độ giảm (j/s) 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Số nút Sensor Hình 4.4: Tốc độ giảm lượng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor 4.2 Đánh giá Qua kết mô trên, ta thấy với mạng cố định lượng cho việc nhận liệu chiếm tỉ lệ lớn nhất, tiếp đến lượng cho việc cảm biến liệu lượng cho việc gửi liệu chiếm tỉ lệ thấp Mật độ nút sensor mạng ảnh hưởng nhiều tới việc tiêu thụ lượng nút mạng mật độ cao tốc độ giảm lượng nút sensor giảm Điều giải thích cơng suất phát nút sensor giảm Do thiết kế mạng phải ý tới mật độ nút mạng Khi mật độ mạng giữ cố định số nút sensor lại yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ tiêu thụ lượng nút sensor Có khoảng tăng số nút sensor ảnh hưởng mạnh tới tốc độ tiêu thụ lượng nut sensor - Khoảng thứ nhất: Dưới 100 nút, tốc độ tiêu thụ lượng trung bình nút khoảng 0.28j/s tốc độ giảm trung bình - Khoảng thứ hai: Từ 100 đến 700 nút, tốc độ giảm lượng mạng ổn định mức thấp khoảng 0.1j/s - Khoảng thứ ba: Từ 700 nút trở nên, tốc độ giảm lượng nút mạng tăng đột biến Qua ta thấy xây dựng mạng khoảng thứ hai đảm bảo tiết kiệm lượng Tuy nhiên trường hợp cần triển khai phạm vi lớn ta lên chọn số nút sensor lớn 1200 nút để đảm bảo tiết kiêm lượng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor KẾT LUẬN Các mạng Sensor với giá thành thấp, có khả triển khai nhiều điều kiện địa lý khí hậu phức tạp, đặc biệt khả xử lý cộng tác chịu hư hỏng cố đem lại cách mạng lĩnh vực cảm biến thu thập thơng tin Điều mạng lại nhiều lợi ích thiết thực cho sống, cho sản xuất cho khoa học Trong tương lai, mạng Sensor phương tiện cần thiết thông dụng máy tính cá nhân điện thoại di động Trong tương lai mạng sensor hồn tồn áp dụng nước ta, việc nghiên cứu tìm hiểu vấn đề liên quan tới mạng cần thiết Đồ án đạt kết quả: - Khái quát tổng quan mạng sensor ứng dụng - Nêu rõ vai trò lượng mạng sensor biện pháp tiết kiệm lượng - Giới thiệu phần mềm mô mạng sensor, thiết lập sở ban đầu cho việc mơ mạng, có việc thiết lập cấu hình nguồn lượng cho nút mạng - Tiến hành mơ mạng, từ rút quy luật giảm lượng nút mạng Vấn đề cần quan tâm: - Các công nghệ tảng để phát triển mạng sensor - Các vấn đề đồng Sensor, thuật toán định vị, thuật toán cộng tác Sensor - Khả mở rộng mạng Hiện mạng sensor triển khai rộng, nhiên chúng tiếp tục nghiên cứu Do việc nắm bắt cơng nghệ giải pháp phát triển mạng cần thiết LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor TÀI LIỆU THAM KHẢO Anna Hác (University of Hawait at Manoa, Honolulu, USA), Wireless Sensor Network Designs, Nhà suất Jonh Wiley and Sons Edgar H Callaway, Wireless Sensor Network – Architectures and Protocol, Nhà suất CRC Đinh Văn Dũng (Viện khoa học kỹ thuật bưu điện), Sensor Network Intallation Guide, Bản Pdf The Network Simulator - ns-2 The ns Manual NRL’s Sensor Network Extension to ns-2 NS-2 by Example Ian Downard, SIMULATING SENSOR NETWORKS IN NS-2, Naval Research Laboratory Code 5523, 4555 Overlook Ave, Washington DC, 20375-5337 http://nrlsensorsim.pf.itd.nrl.navy.mil/ Q.Hao, D.J.Holding, Y.Peng, K.J.Blow (Aston university), "Energy Efficiency Design Challenge in Sensor Network: A survey" Phan Viết Thời, D2001VT 79 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor MỤC LỤC Mục lục Thuật ngữ viết tắt 83 Lời nói đầu Chương I : Tổng quan mạng Wireless Sensor 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.2 Nền tảng phát triển mạng 1.2.1 Mạng Ad hoc không dây 1.2.2 Nền tảng công nghệ 1.3 Mô tả hệ thống 1.3.1 Mô tả hệ thống tổng quát 1.3.2 Hệ thống WISENET 10 1.4 Tổng quan kiến trúc mạng 13 1.4.1 Lớp ứng dụng 15 1.4.1.1 Giao thức quản lý Sensor 15 1.4.1.2 Giao thức phân nhiệm vụ quảng cáo số liệu 16 1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor phổ biến số liệu 16 1.4.2 Lớp giao vận 17 1.4.3 Lớp mạng 17 1.4.4 Liên kết liên mạng 18 1.4.5 Lớp liên kết số liệu 19 1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn 19 1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi .20 1.4.6 Lớp vật lý 22 1.5 Đặc điểm mạng Wireless Sensor 23 1.5.1 Kích thước vật lý nhỏ tiêu thụ công suất thấp 23 1.5.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 23 1.5.3 Khả liên kết vật lý phân cấp điều khiển hạn chế 23 1.5.4 Tính đa dạng thiết kế sử dụng 23 1.5.5 Hoạt động tin cậy 24 1.6 Ứng dụng mạng Sensor 24 1.6.1 Ứng dụng quân 25 1.6.2 Ứng dụng môi trường 26 1.6.3 Ứng dụng y tế 27 1.6.4 Ứng dụng gia đình 28 1.6.5 Các ứng dụng thương mại khác 28 Chương II : Năng lượng mạng Wireless Sensor 30 2.1 Tính đặc thù mạng 30 2.1.1 Hạn chế phần cứng 30 2.1.2 Môi trường hoạt động 31 2.1.3 Môi trường truyền dẫn 32 2.2 Sự tiêu thụ lượng 33 Phan Viết Thời, D2001VT 80 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học 2.2.1 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến 34 2.2.2 Năng lượng cho truyền thông 34 2.2.3 Năng lượng cho xử lý 35 2.3 Các giải pháp tiết kiệm lượng 35 2.3.1 Giải pháp định tuyến 35 2.3.1.1 Các phương pháp định tuyến tối ưu lượng 36 2.3.1.2 Phương pháp định tuyến số liệu tập trung 37 2.3.1.3 Các giao thức lớp mạng khác đề xuất cho mạng Sensor 39 2.3.2 Giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn 43 2.3.2.1 Yêu cầu với giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) cho mạng sensor 44 2.3.2.2 Các giao thức MAC cho mạng sensor 44 2.3.2.3 Các chế độ hoạt động tiết kiệm lượng .47 2.3.3 Quản lý nguồn công suất 47 2.3.3.1 Thời gian tồn 49 2.3.3.2 Phát nguồn thấp "Low Battery" 49 2.3.3.3 Cảnh báo "Low Battery" 50 2.3.4 Tận dụng nguồn lượng tự nhiên 51 2.3.1.1 Tế bào quang điện .52 2.3.1.2 Các nguồn lượng khác .53 Chương III : Phần mềm mô lượng cho mạng Wireless Sensor 54 3.1 Mơ hình hố mơ 54 3.1 Mơ hình nguồn lượng 54 3.3 Thiết kế phần mềm mô mạng Wireless Sensor 55 3.3.1 Phần mềm NS-2 55 3.3.2 Cơ sở phát triển mô mạng Sensor NS-2 58 3.3.3 Các định dạng NS-2 59 3.3.4 Thay đổi NS-2 61 3.4 Thiết lập mã lập trình mơ 63 3.4.1 Thiết lập kênh tượng kênh liệu 63 3.4.2 Thiết lập giao thức MAC cho kênh Phenomenon 63 3.4.3 Thiết lập nút Phenomenon với giao thức "định tuyến" Phenom 63 3.4.4 Thiết lập tốc độ kiểu xung Phenomenon 64 3.4.5 Định hình nút Sensor 65 3.4.6 Thiết lập nút Non-Sensor (điểm thu thập liệu, Gateway) 66 3.4.7 Gắn kết tác nhân Sensor 67 3.4.8 Gắn kết tác nhân UDP ứng dụng Sensor cho nút 67 3.4.9 Khởi động ứng dụng Sensor 67 Chương IV: Mô mạng Wireless Sensor 69 4.1 Mục đính mơ 69 4.2 Thực mô 70 4.2.1 Mã chương trình 70 4.2.1 Phân tích kết 71 4.2 Kết 72 Phan Viết Thời, D2001VT 81 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học 4.2.1 Sự tổn hao lượng 73 4.2.2 Tốc độ giảm lượng tăng số nút mạng 75 4.2.3 Tốc độ giảm lượng mật độ mạng không đổi 76 4.2 Đánh giá 77 Kết luận 78 Tài liệu tham khảo 79 Phan Viết Thời, D2001VT 82 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Phan Viết Thời, D2001VT 83 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô mạng Wireless Sensor T vit tt Ngha tiếng Anh ADC Analogue/Digital converter AODV Ad Hoc On-Demand DistanceVector API Application program interface ARC Adaptive transmitssion rate control ARQ automatic repeat request BER CSMA DSDV DSR FDMA Bit error rate Carrier sense multiple access Destination-Sequenced Distance-Vector Dynamic Source Routing MAC Frequency division multiple access Forward error correction Global Possition System HyperText Tranffer Protocol Industrial, Scientific and Medical band Low energy adaptive clustering hierarchy Medium access control MANET Mobile ad hoc network ME MECN Minimum energy Minimum energy communication network Minimum hop Network AniMator Network Simulator version Object-oriented tool command language Power available FEC GPS HTTP ISM band LEACH MH NAM NS-2 Otcl PA Phan Viết Thời, D2001VT Nghĩa tiếng Việt Bộ chuyển đổi tương tự / số Định tuyến dựa vào chuỗi hướng theo yêu cầu tạm thời Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng Điều khiển tốc độ truyền dẫn thích ứng Cơ chế sửa lỗi yêu cầu lặp lại tự động Tỷ lệ lỗi bit Đa truy nhập theo cảm biến lưu lượng Định tuyến theo chuỗi hướng với đích Giao thức định tuyến nguồn động Đa truy nhập phân chia theo tần số Cơ chế sửa lỗi trước Hệ thống định vị toàn cầu Giao thức truyền siêu văn Dải tần sử dụng cho ứng dụng công nghiệp, khoa học y học Phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp Điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn Mạng di động ad hoc (tạm thời, sở hạ tầng) Năng lượng tiêu thụ cực tiểu Mạng truyền thông với lượng cực tiểu Số bước nhảy cực tiểu Mơ tả mạng hình ảnh động Phần mềm mô mạng phiên bản2 Ngôn ngữ điều khiển lệnh hướng đối tượng Mức lượng 84 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Chương IV Mô pháng m¹ng Wireless Sensor QoS REQ RERR RREP RREQ RS-232 Quality of service Request message Route error packet Route reply packet Route request packet Serial Radio Link - 232 SAR SMECN WISENET Sequential assignment routing Small minimum energy communication network Self Organizing MAC for Sensor network Sensor management protocol Sensor protocols for information via negotiation Sensor query and data dissemination protocol Structure Query Language Sensor query and tasking language Scalable Simulation Framework Task assignment and data advertisement protocol Transmission Control Protocol/Internet Protocol Time division multiple access Temporally Ordered Routing Algorithm Wireless Integrated network sensors WIreless SEnsor NETwork WLAN WSN Wireless local area network Wireless sensor network SMACS SMP SPIN SQDDP SQL SQTL SSF TADAP TCP/IP TDMA TORA WINS Phan Viết Thời, D2001VT Chất lượng dịch vụ Bản tin yêu cầu Gói báo lỗi tuyến Gói đáp ứng yêu cầu tuyến Gói u cầu tuyến Liên kết vơ tuyến nối chuẩn RS-232 Định tuyến định liên tục Mạng truyền thông với lượng cực tiểu loại nhỏ Giao thức MAC tự tổ chức cho mạng sensor Giao thức quản lý sensor Các giao thức thông tin sensor thông qua thỏa thuận Giao thức truy vấn sensor phổ biến số liệu Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc Ngôn ngữ truy vấn đặt nhiệm vụ sensor Cơ cấu mô mở rộng Giao thức phân nhiệm vụ quảng cáo số liệu Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao thức Internet Đa truy nhập phân chia theo thời gian Định tuyến thuật tốn tìm đường theo thời gian Mạng thiết bị cảm biến tích hợp thiết bị thu phát không dây Hệ thống mạng sensor không dây WISENET Mạng cục không dây Mạng cảm biến không dây 85 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp đại học Phan Vit Thi, D2001VT Chương IV Mô mạng Wireless Sensor 86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... thơng tin mạng Wireless Sensor dùng phổ biến giới dần xâm nhập vào nước ta Có nhiều vấn đề đặt cho mạng Wireless Sensor vấn đề lượng, vấn đề đồng sensor, vấn đề mở rộng mạng Năng lượng yếu tố... em chọn đề tài đồ án: ? ?Vấn đề lượng mạng Wireless Sensor đánh giá mô phỏng? ?? Mục đích đồ án tìm hiểu vấn đề liên quan tới lượng mạng Wireless Sensor, từ đưa giải pháp tiết kiệm lượng mạng tận... nguồn lượng tự nhiên Đồ án gồm chương: - Chương I : Tổng quan mạng Wireless Sensor - Chương II : Năng lượng mạng Wireless Sensor - Chương III : Phần mềm mô cho mạng Wireless Sensor - Chương IV: Mô