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 MẠNG CẢM BIẾN NIÊN KHÓA 2017 – 2022 Giáo viên hướng dẫn PGS TS Trần Công Hùng CHƯƠNG[.]
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 MẠNG CẢM BIẾN NIÊN KHÓA: 2017 – 2022 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Trần Cơng Hùng CHƯƠNG ĐỊNH TUYẾN KHƠNG DÂY TRONG MẠNG CẢM BIẾN 4.1 Giới thiệu Mạng cảm biến mạng không dây dày đặc gồm nút không đồng thu thập phổ biến liệu Có nhiều ứng dụng :kiểm sốt mơi trường tịa nhà, điều khiển hướng dẫn robot môi trường tự động , nhà thông minh, nhận dạng… Kết nối mạng số lượng lớn nút di động công suất thấp liên quan đến việc định tuyến, định địa hỗ trợ cho lớp dịch vụ khác lớp mạng Cấu hình mạng cảm biến k dây gồm hàng trăm hàng nghìn nút nhỏ, rẻ, chạy pin, trải rộng có moden k dây để thực nhiệm vụ Một mối quan tâm quan trọng mạng thời gian tồn mạng :khi nút hết điện, kết nối giảm mạng cuối bị phân vùng trở nên rối loạn chức Giao thức EAR xây dựng dựa nguyên tắc định địa dựa thuộc tính EAR khếch tán có định hướng thuộc loại giao thức định tuyến phản ứng, nơi thông tin định tuyến nút thiết lập theo yêu cầu cần thiết 4.2 Định tuyến lượng cho mạng cảm biến Điều làm nên phổ biến : nút pico nhỏ nhẹ chi phí thấp, cơng suất thấp nên khơng cần thay pin thường xun, cơng suất 100 microwatts nên tự cấp nguồn Các giao thức định tuyến có cơng suất thấp mở rộng với số lượng nút khả chịu lỗi Giao thức phải đảm bảo kết nối mạng trì lâu tốt trạng thái lượng toàn mạng phải thứ tự Giao thức EAR đảm bảo khả tồn tài mạng mang lượng thấp EAR giữ tập hợp đường dẫn tốt chọn cách sử dụng xác suất Do cải thiện hiệu suất mạng Chức mạng cảm biến là: cảm biến, điều khiển hành động Tốc độ bit mạng cảm biến thấp, khoảng vài trăm bit giây nút Tốc độ cao hỗ trợ 10 kb/s Ba lớp để thiết kế nút pico : vật lý, phương tiện kiểm soát(MAC) lớp mạng - Lớp vật lý xử lý giao tiếp qua liên kết vật lý, liên quan đến việc điều chế mã hóa liệu - MAC cung cấp kiểm sốt truy cập, kênh phân cơng, quản lý kiểm sốt - Các lớp mạng có chức : định địa nút định tuyến - Giao thức định tuyến vecto khoảng cách theo trình tự đích (DSDV)là giao thức chủ động dựa thuật toán Bellman-Ford cho đường ngắn nhất, đảm bảo k có vòng lặp bảng định tuyến Định tuyến trạng thái liên kết (LSR) giao thức chủ động nút bị ngập chi phí tất liên kết mà kết nối tồn mạng - Định tuyến vecto khoảng cách theo yêu cầu Ad Hoc (AODV) giao thức định tuyến dựa DSDV, với khác biệt AODV tạo phản ứng - Định tuyến nguồn động (DSR) giao thức phản ứng khởi tạo tự nguồn dựa khái niệm định tuyến nguồn, nguồn định tồn lộ trình ddouocj thực gói tin, thay bước Giao thức EAR có giai đoạn: - Giai đoạn thiết lập tuyên truyền, lũ lụt quét định tuyến từ nguồn đến đích mức lượng Hình thành nên bảng định tuyến - Giai đoạn truyền dứ liệu : xảy chọn đường theo xác suất mức lượng tính trước - Bảo trì tuyến đường , giai đoạn hoạt động để giữ lại đường định tuyến trước Ở giai đoạn thiết lập có bước: B1: Nút đích bắt đầu kết nối cách làm ngập mạng hướng nút nguồn COST(ND)=0 B2: Mọi nút trung gian chuyển yêu cầu đến nút lân cận gần nút nguồn xa nút đích B3: Tính tốn tổng mức lượng: B4: Các đường dẫn có chi phí cao khơng đưa vào bảng chuyển tiếp: B5: Nj định xác suất cho Ni bảng chuyển tiếp, xác suất tỉ lệ nghịch với chi phí : B6: Mỗi nút Nj có số lân cận mà định tuyến đến gói đích Nj sau se tính tốn chi phí trung bình : B7: Chi phí trung bình đặt trường chi phí gói yêu cầu chuyển tiếp phía nút nguồn - Giai đoạn giao tiếp gồm bước sau: B1: Nút nguồn gửi gói liệu đến gần bảng bảng chuyển tiếp với xác suất chọn xác suất bảng chuyển tiếp B2: Mỗi nút trung gian gửi gói liệu đến nút gần chọn bảng chuyển tiếp B3: Tiếp tục gói liệu chuyển đến nút đích 4.3 Danh sách thuật tốn Các nút điều khiển thường điều khiển pin pin nhỏ, rẻ, nhiều để xem xét thay sạc lại Vì tiêu thụ lượn mối quan tâm lớn, đặt hạn chế thiết kế Một hệ tức việc truyền công suất nút nên giới hạn vài mét Hơn nút nên chuyển qau chế độ ngủ thường xuyên Để đạt tuổi thọ mạng tối đa, bắt buộc phải tối ưu hóa lượng tiêu thụ tất lớp Đài pico mạng lưới cảm biến có cơng suất cực thấp, đượcc gọi pico điểm giao Có loại nút pico : nút cảm biến, nút cấu chấp hành giám sát nút Các nút cảm biến thu nhận liệu ( sử dụng cảm biến tích hợp sở ), thường xử lý nút giám sát Kết quả, đầu ( hành động điều khiển ) gửi đến nút truyền động Các nút pico sử dụng kênh băng tần 1,9 Ghz Một chương trình khóa bật tắt sử dụng làm sơ đồ điều chế cung cấp tốc độ liệu 10kbit/s kênh Một kênh sử dụng cho gói liệu, kênh cịn lại cho gói quản lý Các nút pico sử dụng đài Bluetooth Lớp MAC nút Pico sử dụng kết hợp CSMA với thu theo chu kỳ lược đồ, nút chuyển sang chế độ ngủ định kỳ Giao tiếp diễn nút hoạt động Bên cạnh lớp MAC, số chức khác thực lớp vật lý lớp mạng: - Hệ thống phân bổ giúp nút khám phá vị trí địa lý chúng tọa độ (x,y,z) mạng Các nút xác định vị trí chúng cách sử dụng cường độ tín hiệu phép đo với nút vị trí biết tìm vị trí chúng - Giao thức gán địa cục xác định nút cục địa Đơn cục có nghĩa khơng có nút có nút lân cận với địa x, nhung x sử dụng lại phần xa mạng lưới - Một thuật tốn kiểm sốt cơng suất điều khiển cấu trúc liên kết chịu trách nhiệm điều chỉnh cơng suất truyền nút pico để tìm mạng thích hợp cấu trúc liên kết Mục tiêu tìm biểu đồ kết nối tốt tránh điểm lân cận gần nút Cần hạn chế công suất phát theo thứ tự để giảm sựu can thiệp nút với nút lân cận - Cơ sở quản lý điểm lân cận trì bảng truy cập lân cận nút tọa độ (x,y,z) chúng Thông tin thu trực tiếp từ thuật toán điều khiển cấu trúc liên kết 4.3.1 Định tuyến nhận biết lượng Trong EAR khuếch tán có hướng, định tuyến trung tâm liệu có tính đến liệu lớp ứng dụng Phần chìm tạo thơng số kỹ thuật quan tâm (ispec), định loại liệu mà quan tâm vị trí địa lý khu vực nơi liệu mong đợi Vị trí xác định cách sử dụng tọa độ (x, y, z) Để kích hoạt nhiều mơ tả tập trung vào người dùng hơn, chẳng hạn cửa sổ bên trái phịng tiếp theo, cần có mức chuyển hướng khác, ánh xạ mô tả với tọa độ không gian Giả định nút biết vị trí (từ hệ thống định vị) (loại, loại phụ) nó, loại cảm biến, thiết bị truyền động hình loại phụ cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng áp suất cảm biến Hơn nữa, nút có địa nút cục bộ, xác định giao thức gán địa cục Các sơ đồ EAR khuếch tán có hướng phân biệt giai đoạn khám phá tuyến đường giai đoạn truyền liệu Một lược đồ ngập lụt (ví dụ: ngập lụt theo hướng) sử dụng để tìm (các) nguồn Các cách tiếp cận ngập lụt có xu hướng khơng tìm thấy tuyến đường nhất, mà tất tuyến đường Một khác biệt khuếch tán có hướng EAR khuếch tán có hướng giới thiệu giai đoạn tăng cường Hậu để liên lạc lâu nguồn phận chìm, tất gói liệu theo tuyến, điều nhanh chóng làm cạn kiệt sức mạnh nút dọc theo tuyến Ngược lại với điều này, phương pháp EAR giữ lại hầu hết tuyến tuyến khơng hiệu bị loại bỏ Trong giai đoạn truyền liệu, tuyến gói chọn ngẫu nhiên từ tuyến có sẵn Điều làm giảm tải cho nút trung gian cố định tăng tuổi thọ pin Sơ đồ định tuyến nhận biết lượng (EAR) hoạt động sau: • Thơng báo sở thích chứa (trong số thông báo khác) đặc điểm kỹ thuật sở thích (ispec) trường chi phí, khởi tạo Phần chìm bao gồm đặc điểm kỹ thuật nút riêng (vị trí, (loại, kiểu con) tuple, viết tắt thông số nút) Thông báo quan tâm gửi đến người hàng xóm nó, người gần khu vực mục tiêu (của ispec) • Khi nút i nhận thông báo quan tâm từ nút ngược dịng j, thực hành động sau: - Ispec chèn vào nhớ đệm sở thích, với địa nút j, trường chi phí nhận thơng số kỹ thuật nút chìm Nếu có mục nhập có ispec thông số kỹ thuật nút nhớ cache sở thích, nút khơng chuyển tiếp thông báo quan tâm nữa, để ràng buộc số lượng gói quan tâm (Bằng cách tính đến ispec thông số kỹ thuật nút, nút chìm đưa sở thích khác lúc) Khi chi phí nhận cao, nút chọn giảm lãi suất - Khi ispec khớp với nút i, bắt đầu tạo liệu u cầu Ngồi ra, tơi phát thơng điệp quan tâm cục để truyền đến nút lân cận loại (cũng nguồn liệu tiềm năng) - Nếu ispec không khớp với nút i, thơng báo quan tâm chuyển tiếp Bước cập nhật trường chi phí: new cost field = cost field + metric(i,j), - số liệu (i, j) đại diện cho chi phí để nút i truyền liệu gói đến nút j Có nhiều cách khác để sử dụng trường này: e.g đặt số liệu (i, j) = const, tương đương với số liệu đếm bước nhảy đặt số liệu (i, j) thành nghịch đảo lượng lại nút i định tuyến đường tốn đến nút có lượng giảm Bằng cách này, nút có lượng giảm có khả chọn làm trình chuyển tiếp liệu - Bước chuyển tiếp cuối cho nút i gửi quan tâm thông báo cho nút lân cận gần nguồn xa bồn rửa mặt địa lý Để làm điều này, sử dụng thông tin vùng lân cận lớp MAC thu thập - Khi nút trung gian k nhận gói liệu khơng phải đích nó, k phải chuyển tiếp gói liệu tới phần chìm Để làm vậy, tìm kiếm tất sở thích đệm sở thích mà liệu phù hợp: gói liệu chứa trường kiểu kiểu mô tả liệu thơng số nút (vị trí) nguồn, so sánh với giá trị tương ứng ispec lưu trữ nhớ cache quan tâm Các mục nhập nhớ cache phù hợp khác trường chi phí lưu trữ địa nút nút ngược dòng Trong số nút ngược dịng có, nút chọn ngẫu nhiên xác suất ấn định tương ứng với giá trị chi phí tương ứng Đề án khác với lược đồ EAR hai khía cạnh bên lược đồ EAR ban đầu: - Các nút trung gian không lọc thứ hai sau gói quan tâm - Đối với gói lãi suất chuyển tiếp, họ đặt trường chi phí thành giá trị trung bình chi phí tất tuyến đường biết +) Do đó, lược đồ EAR có xu hướng tạo nhiều thông báo quan tâm hơn, lược đồ trình bày truyền tải chi phí đường dẫn với độ trễ tối thiểu số bước nhảy nút chìm nút trung gian Hiện số lựa chọn thay khác xem xét: - Sau nhận thông báo quan tâm, nút trung gian đợi khoảng thời gian định cho gói Sau thời gian này, chuyển tiếp gói với chi phí trung bình Tuy nhiên, cách tiếp cận có xu hướng làm tăng chậm trễ Ngoài ra, thời gian chờ đợi khó tìm giá trị tốt - Bản tin nhắn quan tâm gửi Các gửi đi, giá trị chi phí trung bình tích lũy khác nhiều so với giá trị gửi gần 4.3.2 Altruists or Friendly Neighbors Trong mạng cảm biến, tất nút loại Khi có truyền động nút hình, chúng gắn vào nguồn điện vĩnh viễn có xử lý mạnh nhiều nhớ nút khác Cảm biến có pin nguồn điện vĩnh viễn Trong cảm biến điều khiển pin trải rộng, cảm biến có nguồn điện cố định đặt cẩn thận để tăng tuổi thọ mạng Những bất đối xứng thảo luận cấp độ khác nhau: - Mức độ ứng dụng: số nút thực tổng hợp phân tích liệu lọc liệu Ví dụ đơn giản, tất cảm biến nhiệt độ khu vực địa lý nhỏ cung cấp giá trị nhiệt độ tương tự cho hình ga tàu Nếu gói qua nút trung gian, tính tốn xác số gói, tính nhiệt độ trung bình chuyển tiếp gói có giá trị trung bình đến hình - Cấp độ mạng: hạn chế chuyển tiếp liệu đến trạm có nhiều lượng - Lớp MAC lớp liên kết: Một nút có khả hoạt động trạm trung tâm MAC tập trung cách lập lịch truyền đến nút liên quan Một nút khơng có đường truyền bật chuyển sang chế độ ngủ Cách tiếp cận khám phá IEEE 802.11 PCF (Chức điều phối điểm) để tiết kiệm lượng - Hai cách tiếp cận khác để khai thác bất đối xứng lược đồ phân nhóm lược đồ vị tha Trong lược đồ phân cụm, mạng phân vùng thành cụm Mỗi cụm có đầu cụm, thực hầu hết công việc Mỗi nút liên kết với nhiều đầu cụm tất thông tin liên lạc chuyển tiếp qua đầu cụm Các chương trình thường yêu cầu giao thức cho bầu cử người đứng đầu cụm liên kết nút Với diện nút di động, hai chức phải thực đủ thường xuyên để trì trạng thái mạng qn - Trong chương trình phát sóng này, người vị tha sử dụng gói thơng báo lịng vị tha Giá trị lâu dài cho biết nút vị tha sẵn sàng thực nhiều công việc cách tiếp cận trạng thái mềm Các nút khác vùng lân cận người vị tha tự định xem họ có sử dụng dịch vụ người vị tha cung cấp hay không Các giao thức vị tha nhẹ so với phương pháp tiếp cận theo cụm, chúng liên quan đến gói thơng báo vị tha khơng thường xuyên, phương pháp tiếp cận theo cụm cần giao thức bầu cử liên kết theo cụm (thường thực với bắt tay hai chiều ba chiều, e.g tiêu chuẩn IEEE 802.11 ) Chúng đưa giả định nút có quyền truy cập vào đường dây điện gửi gói thơng báo vị thế, đó, nút có số sở để truy vấn loại nguồn điện Có thể có kế hoạch khác, xác suất nút trở thành người vị tha phụ thuộc vào lượng cịn lại nó, số lượng người vị tha vùng lân cận nó, thời gian trơi qua kể từ lần cuối người vị tha, v.v Mỗi nút nhận gói thơng báo vị tha lưu trữ địa nút phát hành đệm thay bắt đầu đếm thời gian cho mục nhập đệm theo thời gian tồn định (Kích thước đệm thay số hẹn song song bị giới hạn số lượng lân cận nút) Nếu đếm thời gian hết hạn, mục nhập bị xóa khỏi đệm thay Khi nút tùy ý nhận gói liệu phải định trình chuyển tiếp liệu tiếp theo, trước tiên tìm kiếm tất nút ngược dịng j chi phí tương ứng cj chúng từ nhớ đệm quan tâm Chi phí cj nút ngược dịng j nút thay (theo đệm thay thế) giảm yếu tố cố định 0≥ α ≥ - Điều làm tăng xác suất người thay chọn làm người chuyển tiếp liệu Giao thức EAR với lược đồ vị tha ký hiệu EAR + A - Lưu ý EAR + A hoạt động phần trái ngược với ý tưởng ban đầu EAR phân phối tải chuyển tiếp sn sẻ tất tuyến có sẵn Trên thực tế, tùy thuộc vào α, giao thức EAR + A ủng hộ nút vị tha Vấn đề với điều nút đằng sau altcoin trải qua tải chuyển tiếp tăng lên so với EAR Đây khía cạnh tích cực miễn nút người vị tha Nếu khơng, nút có khả bị cạn kiệt nhanh nút EAR Hơn nữa, kế hoạch vị tha có xu hướng tăng số bước nhảy trung bình thực gói liệu - Trong nhiều ứng dụng, độ tin cậy mạng vấn đề quan trọng Sơ đồ vị tha mô tả sơ đồ trạng thái mềm, thơng báo vị tha có thời gian tồn hạn chế Hơn nữa, hoạt động mạng không phụ thuộc nhiều vào người vị tha Nếu nút vị chết lý đó, nút lân cận có thơng tin trạng thái khơng xác thời gian khơng lâu thời gian tồn thông báo Nếu hết thời gian này, mạng trở lại chế độ bình thường Do đó, nhà thiết kế mạng chọn có chấp nhận khơng xác để có thời gian tồn lâu tốn gói thơng báo vị tha hay khơng 4.3.3 Phân tích lược đồ định tuyến nhận thức lượng người thay Mơ hình chia thành mơ hình nút mơ tả cấu trúc bên nút pico đơn mơ hình kênh, xác định kênh vật lý hành vi lỗi kênh Mơ hình xây dựng với giả định trạng thái ổn định: khởi tạo mạng (thuật tốn cục hóa, điều khiển cấu trúc liên kết, gán địa cục bộ, xác định danh sách hàng xóm) thực khơng phải phần mơ hình, nữa, khơng có trạm di động Một mơ hình nút bao gồm lớp MAC, lớp mạng, ứng dụng lớp điều khiển nút: • Lớp ứng dụng nút chìm tạo lợi ích cho nút khác (được chọn ngẫu nhiên) Các sở thích bị hạn chế cách giả tạo để khớp với vị trí nút nhất; trường hợp phổ biến lợi ích định khu vực địa lý lớn dự đốn trước khơng sử dụng Khi sở thích khớp với nút nguồn, lớp ứng dụng nút nguồn tạo gói liệu tốc độ định khoảng thời gian định Gói quan tâm (dữ liệu) có độ dài 288 (176) bit • Lớp mạng thực giao thức EAR lược đồ EAR + A Chỉ số đo lường chi phí metric(i, j) tỷ lệ nghịch với lượng lại nút i, tức số liệu (i, j) = / ri •Trên lớp MAC, thử nghiệm sử dụng giao thức CSMA đơn giản (Đa truy cập theo nhận thức nhà cung cấp dịch vụ) thời gian chờ rút đồng khoảng thời gian cố định (0 đến 100 mili giây) Phép tốn cảm nhận sóng mang giả định để sóng mang vị trí nút, mức tín hiệu tổng hợp từ đường truyền nút khác nằm ngưỡng định • Bộ điều khiển nút trừu tượng hóa nguồn cung cấp năng lượng nút Đối với nút điều khiển pin, thử nghiệm sử dụng chi phí tính tốn khơng đáng kể so với chi phí truyền nhận gói Một nút dành lượng để truyền gói nhận gói dành cho (tức với địa nút địa quảng bá) Giả thiết sau tương ứng với sơ đồ radio đánh thức Truyền cần miliwat nhận cần miliwat nút pico Nếu nút cấp nguồn pin i có 1% lượng cịn lại ri, coi chết khơng giao tiếp Mơ hình kênh xem xét giao thoa lẫn nhau, tính tốn mơ hình suy hao đường truyền đơn giản: ăng ten đẳng hướng, công suất phát PT khoảng cách d mét đến nút đích, cơng suất nhận nút đích cho Trong đó: g hệ số tỷ lệ (kết hợp độ lợi ăng ten bước sóng) số mũ suy hao đường truyền Thử nghiệm sử dụng giả định lạc quan γ=2 (số mũ thường thay đổi khoảng từ đến 5, từ lan truyền không gian tự lý tưởng đến suy giảm chướng ngại vật) Đối với d