Nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải trong mạng cảm biến không dây dựa trên chất lượng liên kết

Việc gia tăng cácchức năng của các nút cảm biến kích cỡ nhỏ, bao gồm cảm biến, xử lý tín hiệu vàtruyền thông cho phép thực hiện hoá việc triển khai các mạng cảm biến không dây —Wireless

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

[PTẤT

—_

SSS EEE

KIỀU THỊ THANH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI TRONG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DAY DỰA TREN CHẤT LƯỢNG LIÊN KET

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Mãsố: 60.02.52.08

HÀ NỘI - 2015

MỞ DAU

Với những tiến bộ gần đây trong các hệ thống thông tin vô tuyến số, các bộ xử

lý tín hiệu số, hệ thống cơ điện vi mạch, việc thiết kế các nút cảm biến với kích cỡnhỏ, gọn, tiêu thụ ít năng lượng, nhưng chi phí thấp và có thé kết nối với nhau thôngqua truyền dẫn vô tuyến khoảng cách ngắn đã và đang dan phô biến Việc gia tăng cácchức năng của các nút cảm biến kích cỡ nhỏ, bao gồm cảm biến, xử lý tín hiệu vàtruyền thông cho phép thực hiện hoá việc triển khai các mạng cảm biến không dây —Wireless Sensor Network (WSN) dựa trên sự hợp tác giữa một số lượng lớn các nútcảm biến Với tiềm năng to lớn, mạng cảm biến không dây đang dần đi sâu vào đờisống của con người với những ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, giám sát, môi trường,

dự báo thời tiết

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu thế có được, mạng cảm biến không dây WSNđang phải đối mặt với rất nhiều thách thức Một trong những thách thức lớn nhất lànguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu

đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng

cảm biến trong mỗi lĩnh vực khác nhau

Cân bằng tải (Load Balancing) là một trong những mục tiêu hàng đầu khi thiết

kế giao thức dé đảm bảo sự tiêu hao năng lượng đồng đều giữa các nút cảm biến trongmạng, qua đó kéo dài thời gian sống của mạng Chính vì vậy, học viên lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải trong mạng cảm biến không dây dựa trên

chất lượng liên kết” làm nội dung nghiên cứu của luận văn cao học của mình Họcviên hy vọng sau khi thực hiện xong, luận văn có thể là một tài liệu tham khảo có giá

trị cho những người tìm hiểu, nghiên cứu về kỹ thuật cân bang tải dựa trên chất lượng

liên kết trong mạng WSN

Nội dung luận văn gồm các phan như sau:

Chương I Tổng quan về mang cảm biến không dây

Chương này giới thiệu tong quan về mang cảm biến không dây, các yếu tô ảnh

hưởng đến mạng vô tuyến, đặc điểm và kiến trúc mạng cảm biến không dây cũng nhưcác ứng dụng của mạng mạng cảm biến không dây trong thực tế

Chương 2 Các kỹ thuật cân bằng tải trong mạng cảm biến không dây

Chương này đề cập đến vấn đề cân bằng tải trong mạng cảm biến không dây,

các kỹ thuật cân băng tải trong mạng cảm biến không dây phân cấp và không phâncấp

Chương 3 Kỹ thuật định tuyến cân bằng tải dựa trên chất lượng liên kết

Chương này đi sâu tìm hiểu hoạt động và đánh giá hiệu năng của kỹ thuật địnhtuyến cân bang tải dựa trên chất lượng liên kết đồng thời đề xuất các phương án tínhmetric định tuyến Trong nội dung chương đã thực hiện mô phỏng trên phan mềm

OMNeT++ dé chứng minh rang các kỹ thuật cân bang tải dựa trên chat lượng liên kết

vừa giúp mạng tiết kiệm năng lượng vừa kéo dài thời gian sống của mạng đồng thờiphân bố đều năng lượng tiêu thụ giữa các nút trong mạng 6n định hơn định tuyến đơn

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE WSN

1.1 Khai niém

Một mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một kết cấu

hạ tầng bao gồm các thành phần cảm biến, tính toán, truyền tải nhằm cung cấp cho

người dùng khả năng đo đạc, quan sát và tác động qua lại với các hiện tượng, sự kiện

trong một môi trường nhất định

Mang cảm biến không dây có thé được tạo ra bởi một tập hợp các nút mạnghay còn gọi là các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây như hồng ngoại,sóng vô tuyến hay quang học dé phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu phân

tán trong quy mô lớn tại bất kỳ điều kiện và địa điểm nào Các nút mạng thường là cácthiết bị nhỏ gọn, đơn giản và có giá thành rẻ, sử dụng ít năng lượng, có thé hoạt độngtrong thời gian dai và trong điều kiện môi trường khắc nghiệt Mang cảm biến không

dây có thể trực tiếp liên kết với các nút quản lý giám sát trực tiếp hoặc gián tiếp qua

một điểm thu phát (gọi là Sink) và trong môi trường mang Internet hoặc vệ tinh Các

nút cảm biến có thê được triển khai cho các mục đích khác nhau như giám sát an ninh,giám sát môi trường, trong lĩnh vực y tế, nông nghiệp

1.2 Cau trúc của mạng cảm biến không dây

Một WSN bao gồm một lượng lớn các nút cảm biến, được phân bố dày đặc

theo mô hình tập trung hoặc rải rác ở khu vực đối tượng cần thăm dò, thu thập dữ liệu.

Vị trí các nút cảm biến không cần phải định sẵn, vì vậy nó có thê triển khai ngẫu nhiêntrong các khu vực khó tiếp cận hoặc nguy hiểm Khả năng tự tổ chức mạng và công

tác làm việc của các nút được coi là đặc trưng cơ bản của mạng.

Với số lượng các cảm biến được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liênkết được lựa chọn để cho công suất tiêu thụ là nhỏ nhất và mang lại hiệu quả truyềntín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng cách xa

Mạng cảm biến không dây gồm:

“Các nút cảm biến: bao gồm 04 thành phan cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý,

bộ thu phát không dây và nguồn điện;

= Bộ nguồn thường sử dung là pin hoặc acquy là thành phần cung cấp nănglượng cho nút cảm biến và không thay thế được;

“Ngoài ra, hiện nay hầu hết các công nghệ định tuyến trong mang cảm biến

và các nhiệm vụ cảm biến đều yêu cầu phải xác định được vi trí với độ chính xác cao.

Do đó các nút cảm biến thường phải có thêm hệ thống định vị và các thiết bị di động

dé dam bảo thực hiện duoc các nhiệm vụ được phân công

Bộ thu nhận có thé liên lạc trực tiếp với trạm điều hành của người dùng hoặc

thông qua Internet hay vệ tinh.

1.3 Các đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến không dây

Như ta đã biết ở trên, các đặc điểm của mạng cảm biến không dây là bao gồmmột lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tàinguyên, đặc biệt là năng lượng Do đó, cau trúc mạng mới có đặc điểm rất khác so với

các mạng truyền thống Một số điểm nồi bật trong mạng cảm biến được phân tích

7 Hiéu suat năng lượng

" Khả năng liên kết và phân cấp

Đa dạng trong thiết kế và sử dụng

7 D6 tin cay.

1.4 Kiến trúc va giao thức của mang cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận Sink và tất cả các nút cảmbiến được thê hiện ở hình 1.3 Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định

tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiện qua

năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút

cảm biến Kiến trúc giao thức nếu xét theo mô hình OSI bao gồm lớp vật lý, lớp liên

kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải và lớp ứng dụng Chia theo mặt phang quản lýgồm phần quản lý năng lượng (QLNL), quản lý di động (QLDĐ), và quản lý nhiệm vụ

Hình 1.3 Mô hình giao thức của mạng

1.4.1.Theo mô hình OSI

Bên cạnh đó, các phần quản lý năng lượng, quản lý di động và quản lý nhiệm

vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các

nút cảm biến Những phan này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến vàtiêu thụ công suất tổng thé thấp hơn

1.4.2 Theo mặt phẳng quản lý

- Phần quản lý năng lượng

- Phần quản lý di động

- Phần quản lý nhiệm vụ

Những phần quản lý này cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng

nhau sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và

phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biên.

1.5 Một số chuẩn và công nghệ triển khai trong WSN

1.5.1 Một số chuẩn của mạng

Do tính chất đặc trưng và phạm vi ứng dụng của WSN rất rộng nên mỗi mạng

lại phụ thuộc vào từng ứng dụng triển khai cụ thể Vì vậy, các phòng nghiên cứu, cáccông ty về viễn thông vẫn thường nghiên cứu, phát triển, triển khai các giao thức riêng

dé phù hợp cho từng ứng dụng cụ thé dựa trên các thiết bị thu phát có sẵn trên thị

trường Một số số chuẩn WSN được biết đến là:

" ALOHA system ( U of Hawaii)

7 PRNET system ( U.S Defense)

7 WINS ( U of California)

7 PicoRadio ( U.of California)

b MANET ( Mobile ad-hoc Network)

- WLAN: Là mạng LAN không dây với đặc điểm nổi bật là tính linh động, tốc

độ cao hơn và cung cấp cho số lượng người dùng với mật độ cao Chuan IEE802.11g

và 802.11n là cần thiết cho ứng dụng băng thông rộng và mức độ cao ChuẩnIEEE802.1 1e là công nghệ cung cấp chất lượng dịch vụ cao qua giao tiếp không dây.Chuan IEEE802.11i đáp ứng tốt yêu cầu bảo mật thông tin

- Zigbee: là một công nghệ được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE, đáp ứngcho sự phát triển rộng khắp của mạng WSN Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 cung cấp

chuẩn tốc độ dữ liệu thấp với thời gian sử dụng pin nhiều tháng tới nhiều năm và ít

phức tạp.

- Chuan IEEE 1451: là chuẩn cung cấp các giao thức truyền thông tiêu biéu cho

bộ biến đổi thông minh, cảm biến và các thiết bị truyền động trên cơ sở là các tiêuchuẩn về phần cứng và phần mềm Nó cho phép kết nối các thiết bị khác nhau thôngqua bộ chuyền đổi tương thích bang cách điều khiển mạng Chuẩn IEEE 1451 cho

phép các nhà sản xuất cảm biến tích hợp hệ thống, có khả năng hỗ trợ nhiều mạng và

giảm thiểu chi phí một cách tối đa.

1.6 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

1.6.1 Định tuyến trong mang cam biến không dây

Định tuyến là một trong những giao thức quan trọng trong mạng cảm biếnkhông dây Nhiệm vụ của nó là tìm ra được tuyến đường tốt nhất từ nguồn đến đích.Mục đích chính của định tuyến trong mạng cảm biến là làm sao vừa đảm bảo truyềnthông dir liệu trong mạng trong khi cố gang kéo dài thời gian sống của mạng và ngănchặn việc giảm các kết nối bằng cách đưa ra những kỹ thuật quản lý năng lượng linh

hoạt.

Tuy nhiên, khi thiết kế các giao thức định tuyến chúng ta lại thường gặp phải

các thách thức lớn và riêng như sau:

- Mang cam biến có một số lượng lớn các nút cảm biến được phân bốngẫu nhiên với mật độ cao trong trường cảm biến, cho nên ta không thể xây dựngđược sơ đồ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai số lượng lớn các nút đó vì lượng màođầu dé duy trì ID quá cao

- Dữ liệu trong mang cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khácnhau và truyền đến BS

- Các nút cảm biến bị ràng buộc khá chặt chẽ về mặt năng lượng, tốc độ

xử lý, lưu trữ Đặc biệt là nguồn pin của các nút cảm biến chỉ được nạp một lần và

không được nạp lại

- Hau hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh saukhi được triển khai ngoại trừ một vài nút có thé di động tuy nhiên cau trúc liên kếtmạng lại luôn thay đổi vì nhiều nguyên nhân như: các nút có thé phải liên tục tiếp xúctrong môi trường khắc nghiệt dẫn đến việc hư hỏng các nút cảm biến, các nút hết nănglượng hay chất lượng liên kết vô tuyến không 6n định do ảnh hưởng bởi các mạngkhông dây khác sử dụng chung một dải tần số

- Mang cảm biến là những ứng dụng phục vụ cho mục đích riêng biệt

mang tính đặc thù riêng.

- Việc nhận biết vị trí là vấn đề rất nghiêm trọng vì việc tập hợp dữ liệu

thông thường dựa trên vi trí

- Khả năng dư thừa dữ liệu rat cao vì các nút cảm biên thu luom dữ liệu

dựa trên hiện tượng chung.

1.6.2 Các giao thức định tuyến

Hiện nay, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất trong mạngcảm biến không dây Các giao thức định tuyến này có thé được phân loại theo nhiềukhía cạnh Nếu phân chia theo cau trúc mạng, định tuyến trong mang cảm biến có théđược chia thành 3 nhóm: định tuyến phăng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa

trên vi tri.

1.6.2.1 Dinh tuyén phang

Trong mạng có cau trúc phăng, các nút cảm biến có vai trò va chức năng tươngđương nhau trong việc thực hiện nhiệm vụ cảm ứng và tất cả các nút cảm biến đềungang hàng nhau Do đặc điểm của mạng nên số lượng nút cảm biến trong mạngthường khá lớn, việc gán chỉ số nhận dạng toàn cầu ID cho mỗi nút cảm biến là không

khả thi Chính vì lý do này, giải pháp trung tâm dữ liệu (data centric) đã được đưa ra.

Trong phương pháp này BS sẽ gửi truy vấn tới tất cả các nút trong vùng cảm biến

thông qua phương thức gửi tràn lụt (flooding) và chỉ những nút có dữ liệu trùng khớp

với truy van mới gửi phản hồi với BS Mỗi nút cảm biến kết nối đa chặng với BS

1.6.2.2 Định tuyến phân cấp

Định tuyến phân cấp hay phân nhóm khởi đầu được đề xuất cho mạng hữu

tuyến, nhưng nó đã được mở rộng cho mạng không dây do những ưu điểm về khả

năng mở rộng cũng như truyền thông hiệu quả Khác với định tuyến phang, khi mà

các nút đều giữ vai trò tương đương như nhau, trong định tuyến phân cấp, các nút cảm

biến sẽ được chia thành các nhóm, tương ứng với mỗi nhóm sẽ có một nút chủ (cluster

—head) Nút chủ này sẽ có vai trò thu nhận dữ liệu của các nút thành viên trong nhóm

gửi về và gửi dữ liệu sau khi đã được tông hợp với BS

1.6.2.3 Định tuyến dựa trên vị trí

Đối với phương pháp định tuyến này, các nút cảm biến sẽ được đánh địa chỉ

dựa trên vi trí định vi của chúng Khoảng cách giữa các nút hàng xóm có thể được ướclượng dựa trên cường độ của tín hiệu.Tọa độ tương đối của các nút cũng có thể đượcxác định bằng cách trao đổi thông tin với các nút hàng xóm của nó VỊ trí định vi cuanút cũng có thể được xác định bằng cách sử dụng chỉ số nhận dạng toàn cầu GPS dé

kêt nôi với vệ tinh.

1.7 Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.7.1 Giám sát và điều khiển trong công nghiệp

Đặc trưng của giám sát và điều khiển trong công nghiệp là môi trường nhiễu

lớn, không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng lại yêu cầu cao

về độ tin cậy và thời gian thực Một số lĩnh vực ma WSN có thé ứng dụng:

- Giám sát tình trạng của máy móc

- Giam sat nước, nước thải

- Giám sát kết cấu.

1.7.2 Tự động hoá trong gia đình và điện dân dụng

Smart Home là thuật ngữ dé chỉ một ngôi nhà thông minh với sự ứng dụng toàndiện của các thiết bị cảm biến không dây

1.7.3 Ứng dụng trong quân đội

Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tô chức va khả năng chịu đựng lỗi của

các mạng cảm biến cho thấy đây là một công nghệ day triển vọng trong lĩnh vực quân

sự Một số ứng dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược,giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt

hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân.

1.7.4 Ung dụng trong môi trường

- Giám sát ô nhiễm không khí.

- Phát hiện cháy rừng.

- Giám sát nhà kính.

- Phát hiện sat lở dat

1.7.5 Ung dung trong chăm sóc và giám sát sức khoẻ

Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khảnăng giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chân đoán;quản lý được phẩm trong bệnh viện; kiêm tra sự di chuyên và các cơ chế sinh học bêntrong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lýcon người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện

1.7.6 Ứng dụng trong nông nghiệp:

- Một sô các ứng dụng vê môi trường của mạng cảm biên không dây bao gôm

theo đõi su di chuyén cua các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều

kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công

cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; pháthiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí,

đất trong, bién.

1.8 Kết luận chương

Mạng cảm biến không dây với chỉ phí đầu tư thấp, khả năng tự tổ chức mạng

và khả năng ứng dụng rộng rãi đã trở thành một đề tài rất được quan tâm trong thời

gian gần đây Tuy nhiên, với đặc thù riêng của mình, dé triển khai mang cảm biến

không dây thì vấn đề năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng luôn là mối quantâm hang đầu Lam thé nào dé sử dụng năng lượng một cách hiệu quả, đảm bảo sự tiêuhao năng lượng đồng đều giữa các nút luôn là một vấn đề quan trọng khi thiết kế giao

thức Chương hai sẽ đi sâu tìm hiểu vấn đề cân bằng tải và các giải pháp cân bằng tải

trong mạng WSN.

CHƯƠNG 2: CAN BANG TAI TRONG

MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY

2.1 Khai niém can bang tai trong WSN

2.1.1 Khai niém

Cân bang tai là một cách thức phân phối hiệu qua tải lưu lượng gitia các nút va

liên kết mang dé tránh tình trạng quá tải, giúp cân bằng tiêu hao năng lượng giữa cácnút và liên kết, nhờ đó gia tăng thời gian sống của mang đồng thời đạt được hiệu quảtối đa về mặt sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây

2.1.2 Mục tiêu của cân bằng tái trong WSN

Mục tiêu của các kỹ thuật cân bằng tải là phải tránh được hoặc giảm thiểu sự

hình thành các hồ sâu năng lượng như trên, hay nói cách khác là phân phối đều tải cho

toàn mạng Bản chất của vấn đề này liên quan chặt chẽ đến định tuyến Việc lựa chọn

các kỹ thuật cân bằng tải trong WSN cũng gắn liền với mục đích sử dụng của các ứngdụng trong thực tế Dựa vào mục đích của các ứng dụng cụ thể của mạng mà ta có thể

chia mạng WSN thành hai loại:

WSN thu thập dữ liệu theo định kỳ: dữ liệu được thu thập như cảnh báo nhiệt

độ, đỗ âm theo thời gian (chu kỳ gửi dit liệu phụ thuộc vào ứng dụng thực tế) Được

các nút cảm biến gửi đến trạm gốc (sink) theo 3 phương thức truyền sau: Truyềnthông trực tiếp, truyền đa chặng và truyền đa chặng trong mạng có cấu trúc phân cấp

cụm.

WSN thu thập dữ liệu khi có sự kiện phát sinh: Các nút cam biến này có nhiệm

vụ cảm biến thu thập dữ liễu xung quanh nó và chỉ gửi dữ liệu đến trạm gốc mỗi khi

có sự kiện đặc biệt xảy ra (tùy vào các ứng dụng thực tế, ví dụ như nhiệt độ cao vượt

ngưỡng hoặc độ âm quá thấp dưới ngưỡng trong ứng dụng cảnh báo cháy rừng).Trong mỗi lần cảnh báo sự kiện này, nút nguồn (Source nút — SN) có thé gửi nhiều góitin cùng một lúc với các phương thức truyền dữ liệu như sau: Truyền thông trực tiếp,

truyền thông đa chặng sử dụng một nút chuyên tiếp và truyền thông đa chặng bằng

cách chia đều lưu lượng cho các nút chuyên

2.2 Phân loại các kỹ thuật cân bằng tải

2.2.1 Cân bằng tải cục bộ và toàn cục.