Tổng quan ông nghệ wsns và kỹ thuật định tuyến tiếp kiệm năng lượng trong wsns

- Một mạng kết nối thông thường, không phải luôn luôn với cơ sở mạng không dây - Một trung tâm tiêu điểm của chùm thông tin - Thiết lập nguồn tại trung tâm điểm hoặc ở trên để xử lý các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ==== ==== LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT HÀ NỘI 10-2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204960791000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ==== ==== LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG HÀ NỘI 10-2008 MỤC LỤC Lời cam đoan i Mục lục .ii Danh mục từ viết tắt iii Danh mục hình vẽ .iv Mở đầu .v PHẦN I Tổng quan công nghệ WSNs I Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây(WSN) 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Kiến thức kỹ thuật mạng cảm biến 1.2 Miêu tả kỹ thuật 11 1.2.1 Khái niệm kiến trúc mạng 13 1.2.2 Thử thách khó khăn 21 1.3 Kết luận 25 2.Ứng dụng WSN 25 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Cơ sở 27 2.3 Phạm vi ứng dụng 30 3.Kĩ thuật mạng không dây 31 3.1 Giới thiệu 31 3.2 Kỹ thuật node cảm biến 32 3.2.1 Tổng quát 32 3.2.2 Hardware Software 33 3.3 Phân loại sensor 35 3.4 Các xu hướng WN 36 Các hệ thống kỹ thuật truyền không dây 38 4.1 Giới thiệu 38 4.2 Công nghệ rađiô 38 4.2.1 Sự lan Truyền suy giảm lan truyền 39 4.2.2 Điều chế 42 4.3 Kỹ thuật khơng dây sẵn có 43 4.4 Kết luận 44 Giao thức kiểm soát truy nhập trung gian cho WSNs 45 5.1Giới thiệu 45 5.2 Cơ sở 46 5.3 Nền tảng giao thức Mac 47 5.3.1 Các yêu cầu thực 48 5.3.2 Các giao thức phổ biến 52 5.4 Giao thức Mac cho WSNs 62 PHẦN II Giao thức định tuyến WSN 64 Giao thức Định tuyến cho mạng cảm biến không dây 64 6.1 Giới thiệu 64 6.2 Background 65 6.3 Phổ biến thu thập liệu 66 6.4 Thách thức định tuyến vấn đề thiết kế mạng WSNs 67 6.4.1 Quy mô thay đổi Thời gian - Đặc điểm bất biến 68 6.4.2 Sự giới hạn resource 68 6.4.3 Mơ hình liệu - Ứng dụng cảm ứng 69 6.5 Kế hoạch định tuyến mạng cảm biến không dây 69 6.5.1 Kỹ thuật định tuyến WSN 71 6.5.2 Flooding biến đổi 72 6.5.3 Giao thức cảm biến thông tin thông qua đàm phán SPIN 74 6.5.4 Phân cấp nhóm thích ứng cơng suất thấp (Leach) 80 6.5.5 Thu thập Năng lượng -Hiệu HT thông tin cảm biến 84 6.5.6 Khuếch tán trực tiếp 88 6.5.7 Định tuyến địa lý 94 6.6 Kết luận 101 PHẦN III Chương trình mơ giao thức chọn đường Leach 102 Kết luận 106 Tài liệu tham khảo 107 PHẦN I TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs I Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây(WSN) 1.1 Giới thiệu Một mạng cảm biến thành phần mà bao gồm có yếu tố cảm biến (theo tiêu chuẩn), điện tốn, viễn thơng, mà đưa cho người quản lý có khả cung cấp, quan sát tương tác với vật tượng môi trường chuyên biệt Các nhà quản lý khác lĩnh vực xây dựng, phủ, thương mại, cơng nghiệp Mơi trường giới vật lý, hệ thống sinh học or kết cấu IT Các hệ thống cảm biến mạng nhìn nhà quan sát kỹ thuật quan trọng mà phát triển chủ đạo vài năm tới cho plethora ứng dụng, mà ăn ninh quốc gia Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm , không bị giới hạn việc thu thập liệu, điều chỉnh, giám sát, đo lường y học từ xa Thêm vào việc cảm biến, điều đáng quan tâm khác điều khiển hoạt động Có bốn thành phần mạng cảm biến : - Việc lắp ráp cảm biến lắp đặt phân bố - Một mạng kết nối (thông thường, luôn với sở mạng không dây) - Một trung tâm tiêu điểm chùm thông tin - Thiết lập nguồn trung tâm điểm (hoặc trên) để xử lý tín hiệu liên kết, tiên lượng biến cố, truy vấn trạng thái, khai thác liệu Trong nội dung này, nút tính cảm biến coi phần mạng cảm biến, thực tế vàì tính tính thực hệ thống Bởi số lượng lớn liệu tiềm thu thập, 1.1.1 Kiến thức kỹ thuật mạng cảm biến - Những nhà nghiên cứu xem WSNs(mạng cảm biến không dây) lĩnh vực mẻ thú vị hệ thống mạng lớn nút mạng khơng dây có cơng suất thấp với lượng CPU nhớ, mạng kết hợp lớn mà có độ nhạy cao với môi trường Những cảm biến WSN sử dụng với nhiều mục đích, chức khả khác Lĩnh vực phát triển thúc đẩy tiến kỹ thuật thời gian gần kéo theo vơ vàn ứng dụng tiềm Mạng radar sử dụng việc điều khiển không lưu, mạng điện quốc gia, trạm khí tượng quốc gia phủ khắp mạng điểm đặt cách có hệ thống, tất ví dụ trước việc triển khai mạng cảm biến Tuy nhiên, tất hệ thống sử dụng máy tính giao thức truyền thơng chuyên dụng, đắt đỏ Hiện có kế hoạch ứng dụng WSN tiết kiệm vào an tồn vật lý, chăm sóc sức khoẻ thương mại Mạng cảm biến mà lĩnh vực đa diện mà có liên quan tới ngành khác, số kể tới, vơ tuyến điện mạng, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo, quản lý liệu, cấu trúc hệ thống cho việc quản lý kết cấu sở thân thiện với với người điều hanh, tối ưu hố tài ngun, thuật tốn quản lý cơng suất, công nghệ tảng( phần cứng phần mềm, chẳng hạn hệ điều hành) - Công nghệ cảm biến điều khiến gồm có cảm biến từ trường điện trượng, cảm biến tần số sóng vơ tuyến, cảm biến quang, điện quang hồng ngoại; rada, lase, cảm biến vị trí/ hướng; cảm biến địa chấn sóng áp suất; cảm biến liên quan tới vấn đề an ninh quốc gia Chúng ta xem cảm biến ngày thiết bị thông minh, không đắt tiền lắp đặt kèm thiết bị cảm biến; chúng điểm nút đa chức năng, không ràng buộc, công suất thấp, giá thành rẻ đặt cách hợp lý điểm nút chìm Một mục tiêu mang tính thương mại phát triển hồn thiện hệ thống học vi điện - dựa hệ cảm biến chiếm dung tích 1mm3 - Các cảm biến phát triển chủ yếu theo lối mật độ tập trung cao số lượng lớn; WSN gồm có nút phân dày đặc có hố trợ cảm biến, xử lý tín hiệu, hệ thống tính tốn nhúng, ghép nối; cảm biến liên kết theo cách lơ gíc theo kiểu tự tổ chức( cảm biến bố trí theo chặng ngắn điểm điểm, xếp theo cặp chủ tớ ý) Kết cần phải có phương pháp thiết kế với tập luật kèm, không bị giới hạn, việc truyền thông tin, vấn đề mạng quản lý điều hành, bảo mật, tích hợp, tính khả dụng xử mạng cục Trong vài trường hợp, vài thách thức vân đề thu thập liệu từ WNs kết tới từ WNs bị đứt đoạn trạng thái pin yếu (ví dụ, chúng phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời để nạp điện) hỏng hóc Wn khác Thơng thường, số lớn đơn vị khách (64k trở lên) cần hỗ trợ hệ máy giải mã Bề rộng cảm biến tuân theo độ lớn kích cỡ vật lý; chúng (hoặc, vài thành phần nó) có độ rộng từ thiết bị cỡ nano tới cỡ meoscopic điểm, từ kích cỡ micro tới marco điểm khác Nanoscopic( gọi kích cỡ nano) đối tượng thiết bị có kích cỡ từ tới 100mm đường kính; kích cỡ meoscopic từ 10 đến 1000µm đường kính; kích cỡ macrcoscopic phạm vi mm tới m Ở mức gần cuối thang đo tìm thang đo khác, cảm biến sinh học, vi cảm biến bị động nhỏ (ví dụ Smart Dust - hệ thống truyền thơng, tính tốn cảm biến độc lập sử dụng quang phổ nhìn thấy để truyền dẫn) tập hợp "lab-on-a-chip" - Các cảm biến thành phần điểm đơn dãy dị đa điểm Các cảm biến bị động tự cấp lượng; xa chuỗi tiêu thụ lượng, vài cảm biến yêu cầu lượng tương đối thấp từ pin đường dẫn Ở điểm cao cuối chuỗi tiêu thụ lượng, vài cảm biến cần lượng lớn (ví dụ cho rada) - Các cảm biến tạo điều kiện cho việc trang bị điều khiển nhà máy, văn phòng, nhà, phương tiện, thành phố môi trường, đặc biệt làm cho cơng nghệ có sẵn trở nên khả dụng Với công nghệ mạng cảm biến (đặc biệt với mạng cảm bíên nhúng), thuyền, máy bay, tồ nhà tự dị lỗi cấu trúc (ví dụ vết nứt việc giảm sức chịu lực) - Chúng ta nhấn mạnh vào bật tiêu chuẩn mở hỗ trợ cho WSNs; việc tiêu chuẩn hoá đưa tới thương mại hố cơng nghệ, cuối để phát kiến trở thành công nghệ phổ biến, tiêu chuẩn mở mức thương mại hoá, chipsets, sản phẩm cần thiết đáp ứng dịch vụ thương mại đáp ứng mức hoạt động theo quan điêm tính tin cậy, giá cả, tính khả dụng, độ bền, tính đơn giản Sau mẫu phân loại chủ đề nghiên cứu tần suất công bố dựa qui mơ tiêu đề khoa học WSN gần - Phân phối, bố trí 9.70% - Dị mục tiêu 7.27% - Xác định vị trí 6.06% - Tập hợp liệu 6.06% - Định tuyển tổng hợp 5.76% - An ninh 5.76% - Giao thức MAC 4.85% - Truy vấn sở liệu 4.24% - Đồng hoá thời gian 3.64% - Các ứng dụng 3.33% - Truyền thẳng 3.33% - Tối ưu hoá thời gian sống 3.33% - Phần cứng 2.73% - Lớp truyền 2.73% - Thuật toán phân tán 2.73% - Định tuyến theo nguồn tài nguyên 2.42% - Lưu trữ 2.42% - Phần sụn(middleware) phân chia tác vụ 2.42% - Định cỡ 2.12% - Radio không dây đặc tính kết nối 2.12% - Giám sát mạng 2.12% - Định tuyến phương vị 1.82% - Nén 1.82% - Phân loại 1.52% - Dung tích 1.52% - Các kỹ thuật lớp kết nối 1.21% - Điều khiển cấu trúc liên kết 1.21% - Các điểm nút di động 1.21% - Dò ước lượng 1.21% - Hiện tượng khuếch tán 0.91% - Lập trình 0.91% - Điều khiển cơng suất 0.61% - Phần mềm 0.61% - Tự định tuyến 0.30% - Để đánh giá tầm quan trọng mức độ rủi ro tiêu chuẩn simplicityfostering việc tạo cơng nghệ có tính thực tế rộng, cần nghiên cứu phát triển hệ thống truy cập ngẫu nhiên không dây từ cuối thập niên 60 hệ thống LANs WLAN/2.5G/3G ngày nay; ARPAnet đầu năm 70 (ví dụ số nhiều,[1.24]) tới Internet ngày nay(ví dụ [1.25]); Voice Over Packet thập niên 70(ví dụ [1.26-1.60]) tới cơng nghệ Voice Over IP tại(ví dụ [1.31 1.32]); phương pháp nén video cuối năm 80 ( ví dụ [1.33]) tới cách mạng truyền dẫn video kỹ thuật số MPEG-2 MPEG-4 Xem hình 1.1 thể chuyển dịch trọng tâm ngành kỹ thuật theo thời gian Hnh 1.1 : Chuyn dch trng tâm ngành k thut theo thi gian - Thật ra, chuyển đổi này, mạng cảm biến phát triển nhanh; lĩnh vực thu hút quan tâm lớn không từ giới học viện phủ mà cịn từ nhà phát triển, sản xuất, công ty, nhà phát minh, nhà sản xuất dụng cụ nguyên gốc Dựa theo nhà quan sát ngành công nghiệp, thị trường cảm biến không dây tư sắn sàng thương mại hoá Báo cáo thị trường nửa tỷ điểm nút mạng kỳ vọng chuyển sang sử dụng ứng dụng mạng không dây vào năm 2010, ứng vơi tỷ la - Việc thực WSNs cần phải giải giải thách thức mặt kỹ thuật; nhiên vào khoảng thời gian thích hợp tương lai, xu tiêu chuẩn hoá tối giản thách thức việc giải vấn đề trước điều dẫn đến đời linh kiện chipset có sẵn Một vấn đề nghiên cứu phát triển gần việc cải thiện vấn đề truyền thông công suất thấp với việc xử lý nút mạng giao thức kết nối tự xếp cho chi phí thấp Một thử thách quan trọng khác việc cần thiết mở rộng chế hoạt động tạm thời nút cảm biến bị giới hạn nguồn cấp lượng Cấu trúc sóng vơ tuyến rói riêng, bao gồm việc sử dụng mạch có cơng suất bé, phải lựa chọn cách phù hợp Theo thuật ngữ thực tiễn, ám việc tiêu thụ lượng cho công đoạn truyền tín hiệu qua kênh băng thơng hẹp việc tiêu thụ lượng phù hợp với trình tiền xử lý nén liệu Người ta tìm kiếm hệ thống truyền thơng khơng dây tiết kiệm lượng điển hình cho hệ thống WSNs Tiết kiệm lượng nhân tố quan trọng để đảm bảo cho hoạt động lâu dài hệ thống không xạ (một vài hệ thống xạ dựa nguồn lượng khác) - Hiệu suất lượng WSNs nói chung thực theo cách: o Hoạt động vòng bé o Xử lý nội mạng/mạng nội để làm giảm dung tích liệu(và giảm thời gian truyền) o Mạng có nhiều bước nhảy làm giảm yêu cầu cho việc truyền khoảng cách xa mát tín hiệu truyền hàm nghịch đảo theo cấp số mũ với khoảng cách Mỗi nút mạng cảm biến làm việc lặp, làm giảm vùng phủ sóng yêu cầu điểm nối theo cơng suất truyền - Mạng không dây thông thường thiết kế với dải điểm nối theo thứ tự 10, 100 hàng nghìn dặm Việc giảm dải điểm nối nén lượng liệu WSNs dẫn đến chi phí cho điểm kết nối khác với khác hệ thống thông