Tìm hiểu một số phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm nhận

Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Trọng Thể - Khoa công nghệ thông tin – Trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng ,ngƣời hƣớng dẫn em nhiều suốt trình tìm hiểu nghiên cứu hoàn thành đồ án từ lý thuyết đến ứng dụng Sự hƣớng dẫn thầy giúp em có thêm đƣợc hiểu biết số vấn đề liên quan đến mạng cảm biến không dây Qua phần lý thuyết lôi em trở thành hƣớng nghiên cứu tiếp em sau tốt nghiệp Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn nhƣ thầy cô trƣờng trang bị cho em kiến thức cần thiết để em hoàn thành tốt đồ án Em xin gửi lời cảm ơn đến thành viên lớp CT1001, ngƣời bạn bên cạnh động viên, tạo điều kiện thuận lợi em tìm hiểu, hoàn thành tốt khóa luận Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè tạo điều kiện để em xây dựng thành công đồ án Hải Phòng ngày 25, tháng 10 năm 2010 Sinh viên thực Vương Văn Thái Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 1.2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc mạng cảm biến 1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng .10 1.2.3 Hai cấu trúc đặc trƣng mạng cảm biến 13 1.3.Những thách thức WSN 16 1.4.Ứng dụng WSN .17 1.4.1.Trong bảo vệ môi trƣờng 17 1.4.2.Trong y tế 17 1.4.3.Trong gia đình 17 1.4.4.Trong hệ thống giao thông thông minh 18 1.4.5.Trong quân sự, an ninh .18 1.4.6.Trong thƣơng mại 19 1.5.Sự khác WSN mạng truyền thông .20 1.6.Mô hình đặc tính vô tuyến 21 1.6.1.Mô hình lƣợng vô tuyến 21 1.6.2.Mô hình nhiễu 22 1.7.Kết luận 23 CHƢƠNG II: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM NHẬN 24 2.1.Giới thiệu định tuyến 24 2.1.1.Định tuyến WSN .24 2.1.2.Thách thức vấn đề định tuyến 24 2.1.3.Giao th 25 26 2.2.Giới thiệu p Microserver 26 - p Microserver 27 2.2.2.Các phƣơng pháp tiếp cận khác định tuyến end-to-end 28 2.2.3.Điều khiển công suất phát cho nút mạng 29 2.3.Giao thức điều khiển thâm nhập môi trƣờng MAC .34 2.3.1 Tránh xung đột 35 2.3.2 Tránh nghe thừa 36 Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp 2.3.3 Time out-MAC 37 CHƢƠNG III :NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NẶNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM NHẬN 38 3.1.Giới thiệu chƣơng trình mô Prowler 38 3.1.2.Mô giao thức định tuyến End-to-End 38 3.1.3.Đánhgiá .40 3.1.4.Nhận xét 43 3.2 Thực nghiệm đánh giá công suất phát cho nút mạng 43 3.2.1.Thực nghiệm .43 3.2.2 Đánh giá thực nghiệm 46 3.2.3.Nhận xét 54 3.3.Đánh giá tính hiệu lƣợng MAC .54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc nghiên cứu hệ thống mạng thông tin đƣợc phát triển mạnh mẽ Ngày dƣới phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật nói chung công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm nhận không dây đời thành tựu cao công nghệ chế tạo công nghệ thông tin Một lĩnh vực bật mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network- WSN) kết hợp việc cảm nhận, tính toán truyền thông vào thiết bị nhỏ Thông qua mạng hình lƣới (mesh networking protocols), thiết bị tạo kết nối rộng lớn giới vật lý Trong khả thiết bị nhỏ, kết hợp hàng trăm thiết bị nhƣ yêu cầu phải có công nghệ Nhờ có tiến nhanh chóng khoa học công nghệ phát triển mạng bao gồm cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ lƣợng đa chức nhận đƣợc ý đáng kể Hiện ngƣời ta tập trung triển khai mạng cảm biến để áp dụng vào sống hàng ngày Đó lĩnh vực y tế, quân sự, môi trƣờng, giao thông… Trong tƣơng lai không xa, ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống ngƣời phát huy đƣợc hết điểm mạnh mà mạng có đƣợc nhƣ mạng cảm biến Sức mạnh WSN nằm chỗ khả triển khai số lƣợng lớn thiết bị nhỏ tự thiết lập cẩu hình hệ thống Sử dụng thiết bị để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trƣờng, để theo dõi cấu trúc tình trạng thiết bị Đồ án gồm chƣơng nội dung Chương I:Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương II:Một số phương pháp tiết kiệm lượng mạng cảm nhận Chương III: Nhận xét đánh giá số phương pháp tiết kiệm lượng mạng cảm nhận không giây Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây Trong năm gần đây, nhiều mạng cảm biến không dây đƣợc phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhƣ: theo dõi thay đổi môi trƣờng, khí hậu, giám sát mặt trận quân sự, phát thám việc công hạt nhân, sinh học hoá học, chuẩn đoán hỏng hóc máy móc, thiết bị, theo dấu giám sát bác sỹ, bệnh nhân nhƣ quản lý thuốc bệnh viên, theo dõi điều khiển giao thông, phƣơng tiện xe cộ… Hơn với tiến công nghệ gần hội tụ hệ thống công nghệ nhƣ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý tính toán tín hiệu…đã tạo cảm biến có kích thƣớc nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ lượng ít, giao tiếp thông qua kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung liệu để đưa định toàn cục môi trường tự nhiên Những nút cảm biến bao gồm thành phần: Các vi xử lý nhỏ, nhớ giới hạn, phận cảm biến, thu phát không dây, nguồn nuôi Kích thƣớc cảm biến thay đổi từ to nhƣ hộp giấy nhỏ nhƣ hạt bụi, tùy thuộc vào ứng dụng * Mạng cảm biến có số đặc điểm sau: + Có khả tự tổ chức, yêu cầu can thiệp ngƣời + Truyền thông không tin cậy, quảng bá phạm vi hẹp định tuyến multihop + Triển khai dày đặc khả kết hợp nút cảm biến + Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading hƣ hỏng nút + Các giới hạn mặt lƣợng, công suất phát, nhớ công suất tính toán Chính đặc tính đƣa chiến lƣợc yêu cầu thay đổi thiết kế mạng cảm biến 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp 1.2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc mạng cảm biến Các cấu trúc cho mạng Internet mạng ad hoc không dây không dùng đƣợc cho mạng cảm biến không dây, số lý sau: - Số lƣợng nút cảm biến mạng cảm biến lớn gấp nhiều lần số lƣợng nút mạng ad hoc - Các nút cảm biến dễ bị lỗi - Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi thƣờng xuyên - Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, hầu hết mạng ad hoc dựa việc truyền điểm-điểm - Các nút cảm biến bị giới hạn lƣợng, khả tính toán nhớ - Các nút cảm biến số nhận dạng toàn cầu (global identification) (ID) chúng có số lƣợng lớn mào đầu số lƣợng lớn nút cảm biến Do vậy, cấu trúc mạng sẽ: + Kết hợp vấn đề lƣợng khả định tuyến + Tích hợp dliệu giao thức mạng + Truyền lƣợng hiệu qua phƣơng tiện không dây + Chia sẻ nhiệm vụ nút lân cận Các nút cảm biến đƣợc phân bố sensor field nhƣ hình (1.1) Mỗi nút cảm biến có khả thu thập liệu định tuyến lại đến sink Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp Dữ liệu đƣợc định tuyến lại đến sink cấu trúc đa điểm nhƣ hình vẽ Các sink giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua mạng Internet vệ tinh Sink thực thể, thông tin đƣợc yêu cầu Sink thực thể bên mạng (là nút cảm biến ) mạng Thực thể mạng thiết bị thực ví dụ nhƣ máy tính xách tay mà tƣơng tác với mạng cảm biến, đơn gateway mà nối với mạng khác lớn nhƣ Internet nơi mà yêu cầu thực thông tin lấy từ vài nút cảm biến mạng * Giới thiệu nút cảm biến: Cấu tạo nút cảm biến nhƣ sau: Mỗi nút cảm biến đƣợc cấu thành thành phần nhƣ hình (1.2): đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit) nguồn (a power unit) Ngoài có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng nhƣ hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tƣơng tự-số Dựa tƣợng quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo sensor đƣợc chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đƣợc đƣa vào xử lý Đơn vị xử lý thƣờng đƣợc kết hợp với lƣu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục làm cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp Một số phần quan trọng nút mạng cảm biến nguồn Các nguồn thƣờng đƣợc hỗ trợ phận lọc nhƣ tế bào lƣợng mặt trời Ngoài có thành phần phụ khác phụ thuộc vào ứng dụng Hầu hết kĩ thuật định tuyến nhiệm vụ cảm biến mạng yêu cầu có độ xác cao vị trí Các phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển nút cảm biến cần thiết để thực nhiệm vụ ấn định Tất thành phần cần phải phù hợp với kích cỡ module Ngoài kích cỡ nút cảm biến số ràng buộc nghiêm ngặt khác, nhƣ phải tiêu thụ lƣợng, hoạt động mật độ cao, có giá thành thấp, tự hoạt động, thích biến với biến đổi môi trƣờng * Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến: Nhƣ ta biết đặc điểm mạng cảm biến bao gồm số lƣợng lớn nút cảm biến, nút cảm biến có giới hạn ràng buộc tài nguyên đặc biệt lƣợng khắt khe Do đó, cấu trúc mạng có đặc điểm khác với mạng truyền thống Sau ta phân tích số đặc điểm bật mạng cảm biến nhƣ sau: - Khả chịu lỗi (fault tolerance): Một số nút cảm biến không hoạt động thiếu lƣợng, hƣ hỏng vật lý ảnh hƣởng môi trƣờng Khả chịu lỗi thể việc mạng hoạt động bình thƣờng, trì chức số nút mạng không hoạt động - Khả mở rộng: Khi nghiên cứu tƣợng, số lƣợng nút cảm biến đƣợc triển khai đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào ứng dụng số vƣợt hàng triệu Do cấu trúc mạng phải có khả mở rộng để làm việc với số lƣợng lớn nút - Giá thành sản xuất : Vì mạng cảm biến bao gồm số lƣợng lớn nút cảm biến phí nút quan trọng việc điều chỉnh chi phí toàn mạng Nếu chi phí toàn mạng đắt việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, nhƣ mạng giá thành hợp lý Do vậy, chi phí nút cảm biến phải giữ mức thấp - Ràng buộc phần cứng : Ví số lƣợng nút mạng nhiều nên nút cảm biến cần phải có ràng buộc phần cứng nhƣ sau : Kích thƣớc phải nhỏ, tiêu thụ lƣợng thấp, có khả nằng hoạt động nơi có mật độ cao, chi Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp phí sản xuất thấp, có khả tự trị hoạt động không cần có ngƣời kiểm soát, thích nghi với môi trƣờng - Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến đƣợc thiết lập dày đặc, gần trực tiếp bên tƣợng để quan sát Vì thế, chúng thƣờng làm việc mà không cần giám sát vùng xa xôi Chúng làm việc bên máy móc lớn, dƣới đáy biển, vùng ô nhiễm hóa học sinh học, gia đình tòa nhà lớn - Phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm biến multihop, nút đƣợc kết nối phƣơng tiện không dây Các đƣờng kết nối tạo nên sóng vô tuyến, hồng ngoại phƣơng tiện quang học Để thiết lập hoạt động thống mạng này, phƣơng tiện truyền dẫn phải đƣợc chọn phải phù hợp toàn giới Hiện nhiều phần cứng nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến lƣợng thấp dùng thu phát vô tuyến kênh RF hoạt động tần số 916MHz Một cách khác mà nút mạng giao tiếp với hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại giá thành rẻ dễ dàng Cả hai loại hồng ngoại quang yêu cầu phát thu nằm phạm vi nhìn thấy, tức truyền ánh sáng cho đƣợc - Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút đƣợc triển khai trƣờng cảm biến Chúng đƣợc triển khai vòng hàng chục feet nút Mật độ nút lên tới 20 nút/m3 Do số lƣợng nút cảm biến lớn nên cần phải thiết lâp cấu hình ổn định Chúng ta kiểm tra vấn đề liên quan đến việc trì thay đổi cấu hình pha sau: + Pha tiền triển khai triển khai: nút cảm biến đặt lộn xộn xếp theo trật tự trƣờng cảm biến Chúng đƣợc triển khai cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, ngƣời robot đặt + Pha hậu triển khai: sau triển khai, thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí nút cảm biến, khả đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển vật cản…), lƣợng thích hợp, cố, nhiệm vụ cụ thể + Pha triển khai lại: Sau triển khai cấu hình, ta thêm vào Vương Văn Thái_CT1001_DHDLHP Đồ án tốt nghiệp nút cảm biến khác để thay nút gặp cố tùy thuộc vào thay đổi chức - Sự tiêu thụ lượng (power consumption) : Các nút cảm biến không dây, coi thiết bị vi điện tử đƣợc trang bị nguồn lƣợng giới hạn (