Chuyên đề: “Định tuyến trong mạng WSN“

Giới thiệu chung Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu nhập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.

1 Nhóm 9 D11VT3 CSKT mạng truyền thông Chuyên đề: “Định tuyến trong mạng WSN“ Giảng viên: Nguyễn Thu Hằng CSKT mạng truyền thông Chuyên đề: “Định tuyến trong mạng WSN“ Giảng viên: Nguyễn Thu Hằng Nhóm sinh viên: Nguyễn Hữu Đức Lường Khắc Cường Dương Văn Tuấn Phạm Quang Ánh HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG 2 Nhóm 9 D11VT3 Nội dung: Phần I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 3 Nhóm 9 D11VT3 Phần I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu trúc mạng WSN 1.3 Ứng dụng 4 Nhóm 9 D11VT3 Giới thiệu chung - Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu nhập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên. 1.1 - Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần : Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng. 5 Nhóm 9 D11VT3 Giới thiệu chung 1.1 - Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lượng của chúng. Hinh 1: Cấu tạo của nút cảm biến 6 Nhóm 9 D11VT3 Cấu trúc mạng WSN 1.2 Hình 2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây - Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (2). Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. - Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. 7 Nhóm 9 D11VT3 Cấu trúc mạng WSN 1.2 a, Cấu trúc phẳng (flat architecture) - Tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. - Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. - Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Hình 3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây 8 Nhóm 9 D11VT3 Cấu trúc mạng WSN 1.2 b, Cấu trúc tầng (tiered architecture) - Các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). - Các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mồi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. Hình 4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây 9 Nhóm 9 D11VT3 Ứng dụng mạng WSN 1.3 Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến động đất, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát vùng rộng các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm: +Nhiệt độ. +Độ ẩm. +Sự chuyển động của xe cộ. +Điều kiện ánh sáng. +Áp suất. +Sự hình thành mặt đất. +Mức nhiễu. +Sự có mặt hay vắng của một đối tượng nào đó. +Mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn. +Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng. 10 Nhóm 9 D11VT3 Ứng dụng mạng WSN 1.3  Trong quân đội: - Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược. - Giám sát chiến trường - Giám sát địa hình và lực lượng quân địch - Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường - Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân [...]... Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến: - Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp - Rằng buộc về tài nguyên - Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây - Cách truyền dữ liệu Nhóm 9 D11VT3 14 Giao thức trung tâm dữ liệu 2.1 a, Flooding và Gossiping - Flooding: + Là kỹ thuật chung thường được sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong mạng. .. thiết kế chủ yếu cho các mạng Ad-hoc di động, nhưng cũng có thể áp dụng cho mạng cảm biến - GAF chia vùng quan sát thành các hình vuông đủ nhỏ, bất kỳ các nút nào trong hình vuông cũng đều có thể giao tiếp vô tuyến với bất kỳ nút nào nằm trong hình vuông bên canh - dự trữ năng lượng bằng cách tắt các nút không cần thiết trong mạng mà không ảnh hưởng đến mức độ chính xác của định tuyến Nó tạo ra 1 lưới... phân cấp b, PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems) - là một họ các giao thức định tuyến và tập trung thông tin trong mạng cảm biến - hỗ trợ kéo dài thời gian sống của mạng nhờ đạt được việc tiêu thụ năng lượng đồng nhất và hiệu suất năng lượng cao qua tất cả các nút trong mạng - giảm trễ truyền dữ liệu đến sink Nhóm 9 D11VT3 23 2.2 Giao thức phân cấp b, PEGASIS (Power-Efficient... thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng cảm biến không dây - Với mục tiêu tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng, giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân cận mạng - Gồm 4 thành phần chính: +interest (các mối quan tâm của mạng) +data message (các bản tin dữ liệu) +gradient (độ chênh lệch)... các sink đặc biệt là các trạm cơ sở) - mục tiêu chính:    Nhóm 9 Mở rộng thời gian sống của mạng Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền dẫn trong mạng D11VT3 20 2.2 Giao thức phân cấp a, LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) Hình 7: Mô hình mạng LEACH Nhóm 9 D11VT3 21 2.2 Giao thức phân cấp a, LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)... được đến một trong các nút lân cận của nó Nhược điểm: có gói k bao giờ tới được đích Hình 5: truyền gói trong Flooding Nhóm 9 D11VT3 16 2.1 Giao thức trung tâm dữ liệu b, SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) - là giao thức định tuyến thông tin trên sự dàn xếp dữ liệu - tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng - tránh...Ứng dụng mạng WSN 1.3  Trong môi trường: - Nhóm 9 Phát hiện cháy rừng Phát hiện lũ lụt, gió mưa, ô nhiễm, chất thải Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, rò rỉ… D11VT3 11 Ứng dụng mạng WSN 1.3  Trong y tế và các hệ thống tự động: - Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện Hệ thống báo động khẩn cấp Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện... giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây  Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây đang phải đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là nguồn năng lượng bị giới hạn  Trong tương lai các ứng dụng của mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống Nhóm 9 D11VT3 31 “XIN CẢM ƠN!" Nhóm 9 D11VT3 32 ... toàn mạng GEAR cải tiến hơn Directed Diffusion ở điểm này và vì thế dự trữ được nhiều năng lượng hơn Nhóm 9 D11VT3 28 2.3 Giao thức dựa trên vị trí b, GEAR(Geographic and Energy-Aware Routing) Có 2 pha trong giải thuật này:  Chuyển tiếp gói đến vùng đích: GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựa trên sự nhận biết về năng lượng và vị trí địa lý để định tuyến gói đến vùng đích  Chuyển tiếp gói trong. .. Các thiết bị cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh trong nhà… WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet ) Nhóm 9 D11VT3 12 Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 2.3 Giao thức 2.2 Giao thức 2.1 Giao thức dựa . 9 D11VT3 CSKT mạng truyền thông Chuyên đề: Định tuyến trong mạng WSN Giảng viên: Nguyễn Thu Hằng CSKT mạng truyền thông Chuyên đề: Định tuyến trong mạng WSN Giảng viên: Nguyễn Thu Hằng Nhóm sinh. biến không dây (WSN) Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 3 Nhóm 9 D11VT3 Phần I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu trúc mạng WSN 1.3 Ứng dụng. 9 D11VT3 Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 2.1 Giao thức trung tâm dữ liệu 2.2 Giao thức phân cấp 2.3 Giao thức dựa trên vị trí 14 Nhóm 9 D11VT3 Phần II: Định tuyến trong mạng cảm