HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II BÁO CÁO MÔN HỌC MẠCH CẢM BIẾN ĐỀ TÀI CHƯƠNG 6 “ KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ” Giả[.]
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II BÁO CÁO MÔN HỌC MẠCH CẢM BIẾN ĐỀ TÀI: CHƯƠNG “ KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ” Giảng viên hướng dẫn : ThS TRẦN CÔNG HÙNG MỤC LỤC CHƯƠNG .2 KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .2 6.1 INTRODUCTION 6.2 KHÁM PHÁ CHỦ ĐỀ VÀ CÁC BỘ CHỈNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN 6.2.3 Các ứng dụng khám phá cấu trúc liên kết 18 6.3 ĐIỀU CHỈNH ADAPTIVE VỚI LỰA CHỌN ĐẦU CỤM XÁC ĐỊNH.23 6.4 HIỆU SUẤT CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH CẢM BIẾN .26 6.4.1 Xử lý cảm biến phân tán 30 6.5 CÁC CHỨC NĂNG ĐÁNH THỨC NGUỒN ĐIỆN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 35 6.5.1 Phần mềm Power Aware 40 6.6 HIỆU QUẢ FLOODING BẰNG ĐIỀU CHỈNH THỤ ĐỘNG .42 6.6.1 Phân cụm thụ động 48 6.7 TÓM LƯỢC .53 CÁC VẤN ĐỀ 54 CHƯƠNG KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 6.1 INTRODUCTION Những tiến công nghệ MEMS tạo thiết bị giá rẻ di động với khả cảm biến, tính tốn giao tiếp khơng dây đáng kể Một mạng lưới thiết bị vô giá cho việc thu thập thông tin tự động phân tán microsensing nhiều nhiều ứng dụng dân sự, quân công nghiệp Các ứng dụng phương tiện không dây truyền thông cung cấp phương tiện linh hoạt dễ thích ứng để triển khai nút mà không cần có sở hạ tầng cố định, có thể sử dụng môt trường khắc nghiệt Sau được triển khai, nút u cầu hỡ trợ tới thiểu từ bên ngồi để chúng hoạt động Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết cho mạng cảm biến không dây tạo tập hợp nút phân biệt để xây dựng nên cấu trúc liên kết gần mạng Các nút phân biệt trả lời đầu dò phát cấu trúc liên kết, qua đó giảm thiểu thông tin liên lạc cao Các thuật toán tạo thành clus-ter, bắt rễ nút theo dõi, bắt đầu trình khám phá cấu trúc liên kết Đơn vị được sử dụng có hiệu với liệu phổ biến tập hợp, nhiệm vụ, chu kì nhiệm vụ mạng lưới hồi phục trạng thái Các chế được phân phối, chỉ sử dụng thông tin địa phương có khả mở rộng cao Tầm nhìn máy tính chủ yếu dựa ý tưởng rằng máy tính tương lai sẽ hợp với môi trường chúng đến chúng trở nên hồn tồn vơ hình với người dùng Mạng cảm biến vi cảm biến không dây phân tán thành phần quan trọng máy tính phở biến kích thước nhỏ mục tiêu thiết kế cho cảm biến vi mô Việc cung cấp lượng cho cảm biến hạn chế trình thu nhỏ Nó chỉ có thể giảm xuống mức lượng định vì mật độ ng̀n lượng tăng chậm Ngồi việc cải thiện mức độ lượng, có thể giảm mức tiêu thụ lượng Cách tiết kiệm sử dụng phần cứng tiết kiệm lượng Hơn nữa, việc tăng tuổi thọ cho mạng cảm biến có thể thực bằng cách thông qua ứng dụng, hệ điều hành giao thức truyền thông được tối ưu hóa Các mô đun phần cứng cảm biến sẽ bị tắt không cần thiết Hệ thống cảm biến vi cảm biến phân tán không dây cho phép giám sát chịu lỡi kiểm sốt nhiều ứng dụng khác Do số lượng lớn nút cảm biến vi mô có thể được triển khai thời gian sử dụng hệ thống lâu dài nên việc thay pin lựa chọn Hệ thống cảm biến phải sử dụng lượng có thể hoạt động nhiều tình huống Chúng bao gồm công nghệ tính tốn nhận biết điện cơng nghệ thành phần truyền thơng, mạng tín hiệu lượng thấp, phân vùng hệ thớng xem xét đánh đởi tính toán giao tiếp, sở hạ tầng phần mềm nhận biết điện Nhiều giao thức mạng chuyên dụng (ví dụ: định tuyến, khám phá dịch vụ, v.v.) sử dụng mã hóa làm chế để truyền thông điệp điều khiển Trong trình mã hóa, nút truyền thông điệp đến tất nút lân cận nó, đến lượt nó, truyền tới nút lân cận chúng thông điệp được truyền tới tồn mạng Thơng thường, chỉ tập hợp người lân cận được yêu cầu để chuyển tiếp thông điệp để đảm bảo mã hóa hoàn chỉnh toàn mạng Nếu mật độ địa lý nút (tức số lượng nút lân cận trong phạm vi tiếp cận vô tuyến nút) cao nhiều so với gì được yêu cầu nghiêm ngặt để trì kết nối Chế độ mã hóa siêu ưu việt làm tăng tắc nghẽn liên kết không phương tiện không dây Trong mạng lớn, có tải nặng, chi phí tăng thêm có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất 6.2 KHÁM PHÁ CHỦ ĐỀ VÀ CÁC BỘ CHỈNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN Không dây cảm biến mạng đặt nhiều thách thức, chủ yếu vì nút cảm biến nguồn lực hạn chế Năng lượng bị hạn chế bởi nguồn pin hạn chế nút cảm biến Yếu tố hình thức cân nhắc thiết kế nút quan trọng để dễ dàng hoạt động triển khai cụ thể nút này, điều giới hạn tài nguyên nút Các giao thức ứng dụng được thiết kế cho mạng cảm biến phải có tính hiệu cao tối ưu hóa tài nguyên được sử dụng Kiến trúc mạng cảm biến sử dụng hệ thống mạng phân tán rộng rãi phức tạp bao gồm hàng trăm nút cảm biến nhỏ Các nút trải qua nhiều phương thức hoạt động khác trì kiến thức cục mạng để có khả mở rộng Các nút có thể sử dụng chức mạng định tuyến cách hợp tác để trì kết nối mạng Hành vi mạng khó dự đốn vì tính ngẫu nhiên trạng thái nút riêng lẻ cấu trúc mạng Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết cho mạng cảm biến sử dụng phổ biến tổng hợp liệu, gán chu trình nhiệm vụ truy xuất trạng thái mạng Cấu trúc liên kết mạng cung cấp thông tin nút hoạt động, khả hoạt động chúng đồ khả tiếp cận hệ thớng Thuật tốn khám phá cấu trúc liên kết sử dụng phương tiện truyền thông không dây Các nút biết tồn nút khác phạm vi giao tiếp chúng bằng cách lắng nghe kênh liên lạc Thuật toán xác định tập hợp nút phân biệt bằng cách sử dụng thông tin lân cận chúng sẽ xây dựng cấu trúc liên kết gần mạng Chỉ nút khơng thích hợp trả lời đầu dò khám phá cấu trúc liên kết, đó giảm chi phí giao tiếp trình Các nút phân biệt tạo thành cụm bao gồm nút vùng lân cận chúng Các cụm được sắp xếp theo cấu trúc cây, bắt nguồn từ nút giám sát nút khởi đầu Cây cụm đại diện cho tổ chức hợp lý nút cung cấp khuôn khổ để quản lý mạng cảm biến Chỉ thông tin cục cụm liền kề fl có từ nút cụm đến nút cụm ở cấp độ khác cụm Phân cụm cung cấp chế để ấn định chu kỳ nhiệm vụ nút để tập hợp nút tối thiểu hoạt động việc trì kết nối mạng Các trưởng cụm chỉ phải chịu chi phí tới thiểu để thiết lập cấu trúc trì thông tin địa phương vùng lân cận nó Mạng cảm biến có kiến trúc khác với mạng liệu có dây Các nút được thiết kế với chi phí thấp yếu tớ hình thức nhỏ để dễ dàng triển khai với số lượng lớn Do đó, nhớ, xử lý pin bị hạn chế được cung cấp Hạn chế lượng hạn chế phạm vi liên lạc thiết bị Các nút có nhiều phương thức hoạt động với mức trạng thái tích cực thụ động khác để quản lý lượng Họ chỉ trì kiến thức cục mạng vì lưu trữ thơng tin tồn cầu khơng thể mở rộng có thể cung cấp chức mạng định tuyến, để trì kết nối mạng cách hợp tác Hoạt động mạng có thể khó đoán vì đặc tính hoạt động nút tính ngẫu nhiên đó mạng được thiết lập Do đó, thuật toán coi thất bại mạng quy tắc ngoại lệ có thể xử lý điều cách dễ dàng Một mơ hình mạng cảm biến kết hợp tính cụ thể sau: Cấu trúc liên kết mạng mô tả khả kết nối khả tiếp cận nút mạng hỗ trợ hoạt động định tuyến triển khai nút tương lai Bản đồ lượng cung cấp mức lượng nút phần khác mạng Gradient lượng không gian thời gian nút mạng cùng với cấu trúc liên kết mạng có thể được sử dụng để xác định vùng lượng thấp mạng Dạng sử dụng mô tả hoạt động nút, liệu được truyền đơn vị thời gian theo dõi khẩn cấp mạng Mơ hình chi phí cung cấp chi phí thiết bị, chi phí lượng chi phí nhân lực để trì mạng ở mức hiệu suất mong ḿn Các mơ hình mạng có tính đến rằng mạng cảm biến có độ khó cao không đáng tin cậy Các mô hình tạo thành Cơ sở Thông tin Quản lý (MIB) cho mạng cảm biến Để cập nhật MIB với trạng thái mạng, nút giám sát sẽ đo thông số mạng khác Các phép đo có sai số không gian thời gian đầu dò đo phải hoạt động ở mức độ chi tiết Một đầu dò sử dụng lượng từ hệ thống bằng cách có thể thay đổi trạng thái mạng Các mô hình được sử dụng cho chức quản lý mạng khác sau: Các cảm biến được triển khai cách ngẫu nhiên với không có kiến thức trước địa hình Việc triển khai cảm biến tương lai phụ thuộc vào trạng thái mạng Thiết lập thông số vận hành mạng liên quan đến bảng định tuyến, chu kỳ nhiệm vụ nút, giá trị thời gian chờ kiện khác nhau, ước tính vị trí, v.v Giám sát trạng thái mạng bằng cách sử dụng mô hình mạng liên quan đến việc đảm bảo định kỳ để có được trạng thái khác kết nối mạng, đồ lượng, v.v Bảo trì mạng phản ứng được phục vụ bằng cách giám sát mạng vùng có hiệu suất mạng thấp được truy tìm để xác định lý gây hiệu suất Các biện pháp khắc phục triển khai cảm biến định hướng đường truyền mạng xung quanh khu vực đó hữu ích Bảo trì mạng chủ động cho phép dự đoán trạng thái mạng tương lai từ việc đo lường định kỳ trạng thái mạng để xác định hành vi động mạng dự đoán trạng thái tương lai Điều hữu ích để dự đốn lỡi mạng thực hành động phòng ngừa Thiết kế mô hình mạng cảm biến với yếu tớ chi phí mơ hình sử dụng được sử dụng để thiết kế kiến trúc mạng cảm biến 6.2.1 Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết được sử dụng mạng cảm biến xây dựng cấu trúc liên kết toàn mạng từ quan điểm nút Thuật toán có ba giai đoạn thực thi sau: Một nút giám sát yêu cầu cấu trúc liên kết mạng để bắt đầu yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết • u cầu phân kỳ tồn mạng đến tất nút hoạt động Một hành động phản hồi được thiết lập sẽ hội tụ trở lại nút khởi tạo với thông tin cấu trúc liên kết Phân kỳ yêu cầu thông qua mã hóa có kiểm sốt để mỡi nút chuyển tiếp xác yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết Lưu ý rằng mỡi nút nên gửi gói để nút khác biết tồn nó Điều đảm bảo rằng tất nút nhận được gói chúng được kết nối Các phương pháp khác có thể được sử dụng cho hành động phản hồi Khi yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết khác nhau, mọi nút nhận được thông tin nút lân cận Trong hành động phản hồi, mỗi nút có thể trả lời bằng danh sách vùng lân cận nó Để minh họa hành động phản hồi phương thức này, mạng Hình 6.1 được trình bày với nút A nút khởi tạo Yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết đến nút B từ nút A nút C D từ nút B Các yêu cầu chỉ được chuyển tiếp lần để không có hành động diễn mặc dù nút C D có thể nghe thấy yêu cầu từ Trong cách tiếp cận phản hời trực tiếp, chúng tơi thiết lập tồn mạng bằng yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết Khi nút nhận được yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết, nó sẽ chuyển tiếp thông báo gửi lại phản hồi cho nút mà từ đó yêu cầu được nhận Hành động phản hồi cho nút Hình 6.1 sau: • nút B trả lời cho nút A; • nút C trả lời cho nút B; nút B chuyển tiếp câu trả lời đến nút A; Hình 6.1 Một ví dụ minh họa khám phá cấu trúc liên kết • nút D trả lời cho nút B; nút B chuyển tiếp câu trả lời đến nút A; • nút A nhận được cấu trúc liên kết hoàn chỉnh Lưu ý rằng mặc dù nút cha có thể nghe thấy nút chúng chuyển tiếp yêu cầu (ví dụ: nút A biết nút B nút B chuyển tiếp), điều khơng hữu ích vì thơng tin vùng lân cận nó không đầy đủ Do đó, gói phản hồi độc quyền cần thiết để gửi thông tin vùng lân cận Trong phản hồi tổng hợp, tất nút hoạt động sẽ gửi yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết đợi nút phản hồi trước gửi phản hồi riêng chúng Sau chuyển tiếp yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết, nút sẽ biết danh sách vùng lân cận nút nó bằng cách lắng nghe kênh giao tiếp Khi điều được thiết lập, nút sẽ đợi phản hồi từ nút nó Sau nhận được phản hồi, nút sẽ tổng hợp liệu gửi nó đến cha mẹ nó Hành động phản hồi cho nút Hình 6.1 sau: nút C D yêu cầu chuyển tiếp; nút B lắng nghe nút suy chúng nó; • nút C trả lời cho nút B; Nút D trả lời cho nút B; nút B tổng hợp thông tin từ nút C, D nó; nút B chuyển tiếp câu trả lời đến nút A; • nút A nhận được cấu trúc liên kết hồn chỉnh Trong cách tiếp cận phản hời theo cụm, mạng được chia thành tập hợp cụm Mỗi cụm được đại diện bởi nút (được gọi đầu cụm) mỗi nút phần cụm Vì vậy, mỗi nút nằm phạm vi đầu cụm Hành động phản hồi chỉ được tạo bởi trưởng cụm gửi thông tin nút cụm nó Tương tự phương pháp phản hồi tổng hợp, trưởng cụm có thể tổng hợp thông tin từ trưởng cụm khác trước gửi phản hồi Hành động phản hồi cho nút Hình 6.1 sau: • giả sử rằng nút B đầu cụm nút C D nằm cụm nó; • nút C D khơng trả lời; • chỉ có nút B trả lời cho nút A; • nút A không nhận được thông tin liên kết C ← → D Thông tin có thể không đầy đủ sử dụng cách tiếp cận phản hồi theo nhóm Các phương pháp phản hồi trực tiếp tổng hợp cung cấp chế độ xem cấu trúc liên kết mạng Phản hồi theo cụm tạo đồ khả tiếp cận đó tất đầu cụm có thể truy cập cho phép tất nút khác có thể truy cập được từ đầu cụm Chi phí phát sinh việc khám phá cấu trúc liên kết bằng cách tiếp cận phản hồi theo cụm thấp đáng kể so với phương pháp tiếp cận phản hồi trực tiếp tổng hợp 6.2.2 Các cụm mạng cảm biến Chi phí giao tiếp cho phương pháp tiếp cận phản hồi theo cụm phụ thuộc vào số lượng cụm được hình thành độ dài đường dẫn kết nối cụm Do đó, để đạt được tởng chi phí giao tiếp tối thiểu, vấn đề sau cần phải giải quyết: Đặt vấn đề bao gồm: để tìm tập hợp số lượng tối thiểu đầu cụm, mà phải trả lời ...MỤC LỤC CHƯƠNG .2 KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .2 6. 1 INTRODUCTION 6. 2 KHÁM PHÁ CHỦ ĐỀ VÀ CÁC BỘ CHỈNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN 6. 2.3 Các... 54 CHƯƠNG KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 6. 1 INTRODUCTION Những tiến công nghệ MEMS tạo thiết bị giá rẻ di động với khả cảm biến, tính tốn giao tiếp khơng dây đáng kể... NGUỒN ĐIỆN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 35 6. 5.1 Phần mềm Power Aware 40 6. 6 HIỆU QUẢ FLOODING BẰNG ĐIỀU CHỈNH THỤ ĐỘNG .42 6. 6.1 Phân cụm thụ động 48 6. 7 TÓM LƯỢC