Nghiên cứu về hiệu quả năng lượng của một số giao thức điều khiển thâm nhập môi trường trong mạng cảm biến không dây

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM MẠNH TOÀN NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Vương Đạo Vy Hà Nội - 2009 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương - TỔNG QUAN 1.1 Mạng cảm biến không dây 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 1.2.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2 Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC Chương - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây 2.1.1 Tránh xung đột 2.1.2 Hiệu lượng 2.1.3 Khả thích ứng biến đổi 2.1.4 Khả sử dụng kênh 2.1.5 Độ trễ 2.1.6 Thông lượng 2.1.7 Công 2.2 Các nguyên nhân gây nên lãng phí lượng 2.2.1 Xung đột 2.2.2 Nghe rỗi 2.2.3 Nghe thừa 2.3 Các giao thức MAC mạng cảm biến không dây 2.3.1 CSMA 2.3.2 Sensor-MAC 11 11 11 12 14 17 19 19 19 19 19 19 20 20 20 21 21 21 21 22 22 25 2.3.3 Time out-MAC Chương - PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG OMNET++ 3.1 OMNET++ 3.1.1 Giới thiệu 3.1.2 Các thành phần OMNET++ 3.1.3 Ứng dụng 3.2 Mô hình OMNET++ 3.2.1 Cấu trúc phân cấp module 3.2.2 Kiểu module 3.2.3 Message, cổng, liên kết 3.2.4 Mô hình truyền gói tin 3.2.5 Tham số 3.3 Sử dụng OMNET++ 3.3.1 Xây dựng chạy thử mô hình mô 3.3.2 Hệ thống file 3.4 Ngôn ngữ NED 3.4.1 Các dẫn import 3.4.2 Khai báo kênh 3.4.3 Khai báo module đơn giản 3.4.4 Khai báo module kết hợp 3.4.5 Khai báo mạng Chương - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA CSMA, S-MAC, T-MAC 4.1 Thiết lập mô hình mô 4.2 Kết mô đánh giá KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 33 41 41 41 41 41 42 42 42 43 44 45 45 45 47 48 48 48 49 50 51 53 53 55 60 61 62 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt CDMA Tiếng Anh Code Division Multiple Access CTS FDMA FRTS MAC Clear to Send Frequency Division Multiple Access Future Request to Send Medium Access Control RTS S-MAC TDMA Request to Send Sensor-MAC Time Division Multiple Access T-MAC WSN Timeout-MAC Wireless Sensor Network Tiếng Việt Đa truy nhập phân chia theo mã Sẵn sàng nhận Đa truy nhập phân chia theo tần số Yêu cầu gửi sớm Điều khiển truy nhập đường truyền Yêu cầu gửi Giao thức S-MAC Đa truy nhập phân chia theo thời gian Giao thức T-MAC Mạng cảm biến không dây DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Thông số tiêu thụ điện nút cảm biến EYES Bảng 4.2 Tiến trình mô giao thức CSMA Bảng 4.3 Kết mô giao thức CSMA Bảng 4.4 Tiến trình mô giao thức S-MAC Bảng 4.5 Kết mô giao thức S-MAC Bảng 4.6 Tiến trình mô giao thức T-MAC Bảng 4.7 Kết mô giao thức T-MAC Bảng 4.8 Tổng hợp kết mô Trang 53 55 55 56 56 56 57 57 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Thành phần nút cảm biến Hình 1.2 Phân bố nút cảm biến trường cảm biến Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Hình 2.1 Ba trạng thái CSMA/CD Hình 2.2 Thời gian cần thiết để truyền khung Hình 2.3 Phát xung đột truyền tin Hình 2.4 Xử lý khung xung đột Hình 2.5 Lược đồ S-MAC Hình 2.6 Đồng nút Hình 2.7 Quan hệ định thời nút nhận nút gửi Hình 2.8 Thực tránh nghe thừa Hình 2.9 Lược đồ T-MAC với thời gian thức thay đổi Hình 2.10 Lược đồ trao đổi liệu Hình 2.11 Hiện tượng ngủ sớm Hình 2.12 Thực gửi sớm Trang 15 16 17 23 23 24 24 26 26 29 31 33 36 37 38 Hình 2.13 Thực ưu tiên gửi đệm đầy Hình 3.1 Các module đơn giản kết hợp Hình 3.2 Các kết nối Hình 3.3 Truyền message Hình 4.1 Nút cảm biến EYES Hình 4.2 Ma trận 100 nút cảm biến phân bố Hình 4.3 Dòng điện tiêu thụ trung bình ứng với giao thức thay đổi theo tốc độ phát sinh gói tin Hình 4.4 So sánh T-MAC-oa với T-MAC-oa-frts 39 42 43 44 53 54 57 58 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc nghiên cứu hệ thống mạng cảm biến phát triển mạnh mẽ Đặc biệt hệ thống mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) Mạng cảm biến không dây bao gồm hàng nghìn, chí hàng triệu thiết bị cảm biến (sensors) thông minh, trang bị xử lý, nhớ dung lượng nhỏ cảm biến để đo ánh sáng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ Mạng cảm biến liên hệ sóng vô tuyến, tiêu thụ cực lượng, hoạt động liên tục điều kiện, môi trường Để thiết kế thực mạng cảm biến, nhiều vấn đề điều khiển đặt ra, phải nghiên cứu, giải tối ưu, phù hợp với đặc thù mạng cảm biến không dây, ví dụ: điều khiển truy nhập mạng không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy thiết bị cảm biến Nghiên cứu, đánh giá số chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây có ý nghĩa lý luận thực tiễn Mục tiêu luận văn cung cấp nhìn tổng quan mạng cảm biến không dây; nguyên tắc hoạt động số chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây; phân tích, đánh giá hiệu lượng số chế điều khiển Ngoài bốn chương chính, bố cục luận văn có phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo Phần kết luận nêu tóm tắt vấn đề trình bày chương, đánh giá kết đạt được, đồng thời đưa định hướng nghiên cứu, phát triển Nội dung chương tóm tắt sau: Chương trình bày tổng quan mạng cảm biến không dây, kiến trúc mạng cảm biến, lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến, số vấn đề đặt chế điểu khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến Chương trình bày nguyên nhân gây nên lãng phí lượng mạng cảm biến không dây; nghiên cứu số thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường điển hình mạng cảm biến không dây, thủ tục bao gồm CSMA, Sensor-MAC Time out - MAC Chương giới thiệu chương trình mô sử dụng rộng rãi lĩnh vực viễn thông OMNet++ Luận văn sử dụng OMNet++ để mô phương thức hoạt động thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường Chương thực mô phỏng, ghi nhận kết đánh giá hiệu sử dụng lượng thủ tục CSMA, Sensor - MAC, Time out - MAC chương trình OMNet++ Mặc dù cố gắng, song luận văn hạn chế định, tác giả mong nhận góp ý để vấn đề nghiên cứu ngày hoàn thiện Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Vương Đạo Vy, người thầy hướng dẫn bảo tận tình trình thực luận văn này, xin chân thành cảm ơn Thầy Cô dạy giúp đỡ suốt trình học tập Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội Chương - TỔNG QUAN 1.1 Mạng cảm biến không dây 10 1.1.1 Khái niệm Một mạng cảm biến [ ] bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phân bố bên tượng phân bố bên cạnh tượng Vị trí nút cảm biến không cần phải thiết kế xác định trước, điều cho phép nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên địa hình phức tạp Điều có nghĩa giao thức mạng cảm biến thuật toán phải có khả tự tổ chức Một đặc điểm quan trọng khác mạng cảm biến khả phối hợp nút cảm biến Các nút cảm biến gắn xử lý bên Thay gửi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả xử lý để thực tính toán đơn giản truyền số liệu xử lý theo yêu cầu Những ứng dụng mạng cảm biến đòi hỏi phải có kỹ thuật đặc biệt so với kỹ thuật áp dụng cho mạng không dây phi cấu trúc (mạng ad hoc) Mặc dù nhiều giao thức giải thuật thiết kế cho mạng ad hoc không dây truyền thống, chúng chưa thỏa mãn đặc tính yêu cầu ứng dụng mạng cảm biến Để thấy điểm này, ta xem xét khác mạng cảm biến mạng ad hoc:  Số lượng nút cảm biến mạng cảm biến lớn nhiều lần so với nút mạng ad hoc  Các nút cảm biến thường triển khai với mật độ dày  Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động  Topo mạng cảm biến thay đổi thường xuyên  Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá (broadcast) mà đa số mạng ad hoc điểm - điểm (point-to-point)  Những nút cảm biến có giới hạn lượng, khả tính toán nhớ  Những nút cảm biến định danh toàn cầu (global ID) Khi số lượng lớn nút cảm biến triển khai mật độ dày nút lân cận phân bố gần lẫn nhau, truyền thông đa bước nhảy mạng cảm biến phải tiêu thụ lượng truyền thông đơn bước nhảy truyền thống Hơn nữa, lượng phục vụ truyền liệu để mức thấp, chủ yếu dành 17 Lớp truyền tải Lớp mạng Lớp liên kết số liệu Phần quản lý nhiệm vụ Phần quản lý di chuyển Phần quản lý công suất Lớp ứng dụng Lớp vật lý Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 1.2 Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC Mạng cảm biến không dây loại mạng đặc biệt với số lượng lớn nút cảm biến trang bị vi xử lý, thành phần cảm biến thành phần quản lý sóng vô tuyến Các nút cảm biến cộng tác với để hoàn thành nhiệm vụ chung Trong nhiều ứng dụng, nút cảm biến triển khai phi cấu trúc mạng ad hoc Chúng phải tự tổ chức để hình thành mạng không dây đa bước nhảy Thách thức chung mạng không dây vấn đề xung đột hai nút gửi liệu lúc kênh truyền Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) [ 1, 2, ] phát triển để giúp đỡ nút định để truy nhập kênh Vấn đề biết định vị kênh đa truy nhập Lớp MAC xem xét bình thường lớp lớp liên kết liệu chồng giao thức mạng Những giao thức MAC nghiên cứu rộng rãi lĩnh vực truyền thống truyền thông tiếng nói liệu không dây Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division multiple Access - TDMA), Đa truy nhập phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access - FDMA) đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA) giao thức MAC sử dụng rộng rãi hệ thống truyền thông tế bào đại Ý tưởng phương pháp tránh xung đột 18 việc chia nhỏ kênh truyền thành kênh truyền con, nút phân chia truy nhập kênh truyền Việc phân chia kênh thực theo thời gian, tần số theo mã Những kênh truyền không ảnh hưởng lẫn nhau, giao thức MAC phân vào nhóm phi xung đột (collision-free) Lớp giao thức MAC khác dựa cạnh tranh dành quyền truy nhập kênh dung chung, kết phối hợp xác suất có điều kiện, không cần cấp phát sẵn kênh truyền Xung đột xảy thời gian thủ tục cạnh tranh hệ thống Những ví dụ cổ điển giao thức MAC cạnh tranh bao gồm ALOHA đa truy nhập cảm ứng sóng mang (CSMA) Trong giao thức ALOHA, nút đơn giản truyền gói phát sinh (pure ALOHA) khe sẵn có (slotted ALOHA) Những gói tin va chạm với vứt bỏ truyền lại Trong CSMA, nút thăm dò trước phát, phát kênh bận, dừng lại thử lại sau Giao thức CSMA nghiên cứu rộng rãi, tảng nhiều chuẩn mở rộng gồm IEEE 802.11 Mạng cảm biến khác với mạng liệu không dây truyền thống vài khía cạnh Trước hết, đa số nút mạng cảm biến hoạt động dựa nguồn điện pin, khó để nạp điện cho nguồn pin tất nút Thứ hai, nút thường triển khai kiểu cách đặc biệt phi cấu trúc; chúng phải tự tổ chức hình thành mạng truyền thông Ba là, nhiều ứng dụng cần phải sử dụng số lượng lớn nút, mật độ nút thay đổi địa điểm thời gian khác nhau, với mạng mật độ thưa lẫn nút với nhiều lân cận Cuối cùng, đa số lưu thông mạng thúc đẩy kiện cảm ứng, phân bố không co cụm Tất đặc trưng cho thấy giao thức MAC truyền thống không thích hợp cho mạng cảm biến không dây cải biến Chương - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây 2.1.1 Tránh xung đột 19 Tính tránh xung đột (Collision Advoidance) [ 1, ] yêu cầu tất giao thức MAC, xác định nút truy nhập đường truyền thực trao đổi liệu 2.1.2 Hiệu lượng Tính hiệu (Energy Efficiency) [ 1, ] thuộc tính quan trọng giao thức MAC mạng cảm biến Như đề cập trên, đa số nút cảm biến hoạt động pin, khó để thay đổi nạp điện lại cho pin nút Thực tế, nhiều mục đích thiết kế mạng cảm biến xây dựng nút đủ rẻ để vứt bỏ nạp lại Trong tất trường hợp, việc kéo dài đời nút vấn đề then chốt Dù với tảng phần cứng nào, lượng cho thu phát sóng vô tuyến nguồn tiêu thụ lượng Lớp MAC trực tiếp điều khiển hoạt động thu phát sóng vô tuyến, tiêu thụ lượng ảnh hưởng đáng kể tới đời nút 2.1.3 Khả thích ứng biến đổi Tính biến đổi khả thích ứng (Scalability and Adaptivity) thuộc tính liên quan giao thức MAC điều tiết thay đổi kích thước mạng, mật độ topo mạng Nhiều nút không ngừng hoạt động thời gian dài; vài nút tham gia sau; vài nút khác di chuyển tới vị trí khác Một giao thức MAC tốt cần phải điều tiết thay đổi cách hợp lý Tính biến đổi khả thích ứng để thay đổi kích thước, mật độ topo mạng thuộc tính quan trọng, mạng cảm biến triển khai phi cấu trúc thường hoạt động môi trường không chắn 2.1.4 Khả sử dụng kênh Sự sử dụng kênh (Channel utilization) phản chiếu toàn băng thông kênh dùng truyền thông sao, đề cập sử dụng băng thông dung lượng kênh truyền Đó vấn đề quan trọng hệ thống điện thoại tế bào mạng cục không dây (WLANs), băng thông tài nguyên quý giá hệ thống nhà cung cấp dịch vụ muốn nhiều người dùng tốt Mặt khác, số nút hoạt động 20 mạng cảm biến chủ yếu xác định loại ứng dụng Sự sử dụng kênh thường mục tiêu thứ nhì mạng cảm biến 2.1.5 Độ trễ Độ trễ (Latency) trì hoãn nút gửi có gói tin để gửi gói tin nhận thành công nút nhận Trong mạng cảm biến, quan trọng độ trễ phụ thuộc vào ứng dụng Trong ứng dụng giám sát theo dõi, nút cảm biến không hoạt động phần lớn thời gian kiện phát Những ứng dụng thường bỏ qua trễ thông điệp bổ sung đó, tốc độ mạng nhanh tốc độ đối tượng vật lý Tốc độ cảm biến đối tượng đặt ranh giới tốc độ phản ứng mà mạng phải đạt Trong khoảng thời gian kiện cảm ứng, có liệu trao đổi mạng Sự trễ mức nhỏ giây cho khởi tạo thông báo sau thời kỳ nhàn rỗi không quan trọng tiết kiệm lượng thời gian hoạt động thiết bị Nhưng ngược lại, sau cảm biến xác định kiện, hoạt động với độ trễ thấp thành quan mục tiêu quan trọng 2.1.6 Thông lượng Thông lượng (Throughput) đề cập tới số lượng liệu chuyển thành công từ nơi gửi đến nơi nhận khoảng thời gian cho trước Nhiều nhân tố ảnh hưởng đến thông lượng, bao gồm hiệu tránh xung đột, sử dụng kênh, độ trễ, xử lý thông tin điều khiển Giống với độ trễ, quan trọng thông lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng Những ứng dụng cảm biến mà yêu cầu vòng đời lâu thường chấp nhận độ trễ nhiều thông lượng thấp Một thuộc tính liên quan gọi goodput, thể thông lượng đo liệu nhận nơi nhận mà lỗi 2.1.7 Công Fairness thể khả người dùng, nút ứng dụng khác nhau chia sẻ kênh truyền cách công Nó thuộc tính quan trọng mạng tiếng nói mạng liệu truyền thống, người dùng mong muốn hội để gửi nhận liệu cho ứng dụng Tuy nhiên, mạng cảm biến, tất nút hợp tác cho nhiệm vụ chung đơn lẻ Ở thời điểm đặc biệt, nút có nhiều liệu để gửi so với nút khác, vậy, đối xử 21 với nút công bằng, thành công đo thực ứng dụng, Và độ fairness nút người dùng trở nên quan trọng Tóm lại, vấn đề nêu thuộc tính thể đặc trưng giao thức MAC Đối với mạng cảm biến không dây, yếu tố quan trọng tránh xung đột có hiệu quả, hiệu lượng, tính biến đổi thích ứng với mật độ số lượng nút Những thuộc tính khác thứ yếu 2.2 Các nguyên nhân gây nên lãng phí lượng 2.2.1 Xung đột Sự xung đột (Collision) [ 1, ] nguyên nhân gây tiêu phí lượng Khi hai gói truyền thời điểm xảy xung đột, chúng bị hỏng phải loại bỏ Yêu cầu truyền lại gói tin sau làm phát sinh tiêu hao lượng Do tất giao thức MAC cố gắng tránh xung đột cách 2.2.2 Nghe rỗi Nguyên nhân thứ hai gây tiêu hao lượng vấn đề nghe rỗi (Idle Listening) [ 1, ] Nó xảy thành phần sóng vô tuyến thực “nghe” kênh xem có liệu không để nhận Sự tiêu hao đặc biệt cao ứng dụng mạng cảm biến, nơi liệu trao đổi thời gian kiện cảm biến Nhiều giao thức MAC (như CSMA CDMA) luôn nghe kênh hoạt động dù liệu để gửi Chi phí xác vấn đề nghe rỗi phụ thuộc vào phần cứng chế độ hoạt động thành phần sóng vô tuyến Đa số mạng cảm biến thiết kế để hoạt động thời gian dài nút cảm biến trạng thái nghe rỗi thời gian dài Trong trường hợp vậy, nghe rỗi yếu tố vấn đề tiêu thụ lượng thành phần sóng vô tuyến 2.2.3 Nghe thừa Nguyên nhân thứ ba vấn đề nghe thừa (overhearing) [ 1, ] xuất nút nhận gói tin mà dành cho nút khác Phải nghe thừa lưu thông không cần thiết, không giành cho nhân tố gây tiêu hao lượng lưu lượng, tải truyền tăng mật độ phân bố nút cao 22 Nguyên nhân cuối mà xem xét xử lý gói tin điều khiển Sự gửi, nhận, nghe gói tin điều khiển tiêu thụ lượng Khi gói điều khiển không trực tiếp chuyên chở liệu, chúng làm giảm goodput Một giao thức MAC thiết kế cho mạng cảm biến phải đạt yêu cầu tiết kiệm lượng việc điều khiển thành phần sóng vô tuyến để tránh giảm bớt tiêu phí lượng nguyên nhân Việc tắt thành phần sóng vô tuyến chưa cần đến chiến lược quan trọng cho việc tiết kiệm lượng Một lược đồ quản lý lượng đầy đủ phải xem xét tất nguồn làm tiêu phí lượng, là thành phần sóng vô tuyến 2.3 Các giao thức MAC mạng cảm nhận không dây 2.3.1 CSMA Các giao thức mà trạm làm việc lắng nghe đường truyền trước đưa định phải làm tương ứng với trạng thái đường truyền gọi giao thức có “cảm nhận” đường truyền (carrier sense protocol) Cách thức hoạt động CSMA [ ] sau: lắng nghe kênh truyền, thấy kênh truyền rỗi bắt đầu truyền khung, thấy đường truyền bận trì hoãn lại việc gởi khung Thế trì hoãn việc gởi khung nào? Có ba giải pháp: - Theo dõi không kiên trì (Non-persistent CSMA): Nếu đường truyền bận, đợi khoảng thời gian ngẫu nhiên tiếp tục nghe lại đường truyền - Theo dõi kiên trì (persistent CSMA): Nếu đường truyền bận, tiếp tục nghe đến đường truyền rỗi truyền gói tin với xác suất - Theo dõi kiên trì với xác suất p (P-persistent CSMA): Nếu đường truyền bận, tiếp tục nghe đến đường truyền rỗi truyền gói tin với xác suất p Dễ thấy giao thức CSMA cho dù theo dõi đường truyền kiên trì hay không kiên trì khả tránh xung đột tốt ALOHA Tuy thế, xung đột xảy CSMA Tình phát sinh sau: trạm vừa phát xong trạm khác phát sinh yêu cầu phát khung bắt đầu nghe đường truyền Nếu tín 23 hiệu trạm thứ chưa đến trạm thứ hai, trạm thứ hai cho đường truyền rảnh bắt đầu phát khung Như xung đột xảy Hậu xung đột là: khung bị toàn thời gian từ lúc xung đột xảy phát xong khung lãng phí Bây phát sinh vấn đề mới: trạm có quan tâm theo dõi xem có xung đột xảy không xung đột xảy trạm làm gi? CSMA/CD (CSMA với chế theo dõi xung đột) giống CSMA: lắng nghe trước truyền Tuy nhiên CSMA/CD có hai cải tiến quan trọng là: phát xung đột làm lại sau xung đột Hình 2.1 CSMA/CD ba trạng thái: tranh chấp, truyền, rảnh Phát xung đột: Trạm vừa truyền vừa tiếp tục dò xét đường truyền Ngay sau xung đột phát trạm ngưng truyền, phát thêm dãy nhồi (dãy nhồi có tác dụng làm tăng cường thêm va chạm tín hiệu, giúp cho tất trạm khác mạng thấy xung đột), bắt đầu làm lại sau xung đột CSMA/CD, giống giao thức LAN khác, sử dụng mô hình quan niệm hình sau: Tại thời điểm t0, trạm phát xong khung Bất kỳ trạm khác có khung cần truyền cố truyền thử Nếu hai nhiều trạm làm lúc xảy xung đột Xung đột phát cách theo dõi lượng hay độ rộng xung tín hiệu nhận đem so sánh với độ rộng xung vừa truyền 24 Hình 2.2 Thời gian cần thiết để truyền khung Bây ta đặt câu hỏi: Sau truyền xong khung (hết giai đoạn truyền), trạm bỏ thời gian tối đa để biết khung bị xung đột truyền thành công? Hình 2.3 Phát xung đột truyền tin Gọi thời gian “cửa sổ va chạm” ký hiệu Tw Phân tích sau cho câu trả lời 25 Hình 2.4 Xử lý khung xung đột Hình 2.2 mô chi tiết thời gian phát khung hai trạm A B hai đầu mút xa đường truyền tải.Đặt Tprop thời gian lan truyền tín hiệu hai đầu mút xa đường truyền tải - Tại thời điểm t, A bắt đầu phát khung liệu - Tại t+Tprop - ε, B phát kênh truyền rảnh phát khung liệu - Tại t+ Tprop , B phát xung đột - Tại t+2Tprop - ε, A phát xung đột Theo phân tích trên, Tw = 2Tprop Việc hủy bỏ truyền khung phát có xung đột giúp tiết kiệm thời gian băng thông, tiếp tục truyền khung nữa, khung hư phải bị hủy bỏ Làm lại sau xung đột: Sau bị xung đột, trạm chạy thuật toán gọi back-off dùng để tính toán lại lượng thời gian phải chờ trước gởi lại khung Lượng thời gian phải ngẫu nhiên để trạm sau quay lại không bị xung đột với - Kỳ hạn mà trạm phải chờ trước thử lại lần truyền M*Tw 26 - Khi n đạt đến giá trị 16 hủy bỏ việc truyền khung (Trạm chịu đựng nhiều vụ xung đột rồi, chịu đựng nữa) 2.3.2 Sensor-MAC S-MAC [ ] giới thiệu tác giả: Wei Ye, Jonh Heidermann, Deborah Estrin Hội nghị INFOCOM lần thứ 21, năm 2002 Được xây dựng tảng giao thức cạnh tranh 802.11, S-Mac cố gắng kế thừa linh hoạt, tính khả biến giao thức cạnh tranh cải tiến tính hiệu sử dụng lượng mạng đa bước nhảy S-MAC cố gắng giảm bớt tiêu thụ lượng từ tất nguồn xác định nguyên nhân gây tiêu hao lượng, là: nghe rỗi (idle listening), xung đột (collision), nghe thừa (overhearing) xử lý thông tin điều khiển (overhead) Để đạt mục đích thiết kế, S-MAC thiết kế gồm có ba vấn đề chính: thực chu kỳ thức ngủ; tránh xung đột nghe thừa; xử lý thông điệp 2.3.2.1 Thực chu kỳ thức/ngủ Trong ứng dụng mạng cảm biến, nút cảm biến thường trạng thái nhàn rỗi phần lớn thời gian không xuất kiện cảm biến Thực tế tốc độ trao đổi liệu thấp không cần thiết để nút cảm biến trạng thái thức tất thời gian S-MAC thiết kế để giảm bớt thời gian thức cách nút cảm biến định kỳ chuyển sang trạng thái ngủ Ví dụ, chu kỳ giây, nút cảm biến trạng thái ngủ nửa giây trạng thái nghe nửa giây lại chu trình hoạt động giảm bớt tới 50% Như tiết kiệm 50% lượng a, Lược đồ Mỗi nút cảm biến chuyển vào trạng thái “ngủ” khoảng thời gian, sau tỉnh dậy nghe xem liệu có nút muốn “nói chuyện” với Trong thời gian ngủ, nút cảm biến tắt phận thu phát vô tuyến đặt thời gian để quay trạng thái thức Khoảng thời gian cho việc thức ngủ lựa chọn theo ứng dụng khác 27 Hình 2.5 Lược đồ S-MAC Lược đồ yêu cầu có định kỳ đồng nút cảm biến vùng tránh sai lệch thời gian Ở sử dụng hai kỹ thuật để đồng thời gian: Thứ nhất, chúng trao đổi thông số thời gian qua gói tin timestamps, thời gian đồng tương đối Thứ hai, tăng khoảng thời gian nghe lên đáng kể so với thời gian bị sai lệch lỗi Ví dụ, khoảng thời gian nghe 0.5s gấp 10 lần thời gian lệch So sánh với lược đồ TDMA với khe thời gian nhỏ, yêu cầu điều kiện đồng nút lân cận không khắt khe Tất nút cảm biến tự lập lịch cho chu kỳ thức/ngủ Tuy nhiên, để giảm bớt phải xử lý gói tin điều khiển, tốt nút vùng đồng Có nghĩa chúng thức lúc chuyển sang trạng thái ngủ lúc Nhưng cần ý mạng đa bước nhảy tất nút lân cận đồng hóa Hai nút lân cận A B có lịch khác chúng tiến hành đồng với nút khác nhau, C D (Hình 2.6) Hình 2.6 Đồng nút Hai nút lân cận A, B có lịch khác A đồng với C, B đồng với D Các nút cảm biến trao đổi với thông tin lịch làm việc chúng cách phát quảng bá cho tất nút lân cận thời Điều bảo đảm tất nút vùng nói chuyện với dù chúng có lịch làm việc khác Ví dụ Hình 2.6, nút A muốn nói chuyện với nút B, cần đợi B trạng thái thức Nếu có nhiều nút vùng lân cận muốn nói chuyện với nút, chúng cần tiến hành cạnh tranh chiếm đường truyền nút nhận trạng thái thức Cơ chế cạnh tranh dành quyền truy nhập giống chuẩn IEEE 802.11, sử dụng gói tin RTS (Request to Send) CTS (Clear to Send) Nút gửi gói tin RTS trước giành quyền truy nhập nút nhận trả lời với gói CTS Sau chúng bắt đầu truyền liệu, lúc 28 chúng không tuân theo lịch làm việc trước chúng chúng kết thúc truyền liệu Đặc trưng khác lược đồ hình thành nút vào tôpô phẳng Các nút cảm biến vùng lân cận tự nói chuyện với lịch làm việc mà chúng có Các nút đồng tự hình thành nhóm ảo Lược đồ dễ để làm thích nghi mạng có thay đổi tôpô Mặt trái lược đồ gia tăng độ trễ trì chu kỳ ngủ (sleep) nút Hơn nữa, độ trễ tích lũy qua chặng (hop), nên yêu cầu giới hạn độ trễ ứng dụng tạo giới hạn thời gian ngủ chu kỳ làm việc nút cảm biến b, Tiến trình lựa chọn trì lịch làm việc Trước nút bắt đầu chu kỳ thức/ngủ, cần phải chọn lịch biểu làm việc (khi thức, ngủ) trao đổi lịch với nút lân cận Mỗi nút trì bảng lưu giữ tất thời gian biểu nút lân cận mà biết Quy trình chọn thời gian biểu nút sau: Bước 1, nút cảm biến nghe khoảng thời gian định Nếu không nghe thấy thời gian biểu từ nút khác, chọn ngẫu nhiên khoảng thời gian để bắt đầu ngủ tức thời quảng bá thời gian biểu thông điệp SYNC, thông điệp thông báo ngủ sau khoảng thời gian t giây Chúng ta gọi nút nút đồng (synchronizer), tự chọn cho thời gian biểu độc lập nút khác phải đồng theo Bước 2, nút nhận thời gian biểu nút lân cận trước tự chọn cho lấy thời gian biểu thiết lập thời gian biểu cho Ta gọi nút nút đồng theo (follower) Sau đợi khoảng thời gian ngẫu nhiên td phát quảng bá lại thời gian biểu này, thông báo ngủ sau t - td giây Sở dĩ phải đợi ngẫu nhiên khoảng thời gian td để tránh xung đột, nhiều khả có nhiều nút đồng theo nút, quảng bá lại thời gian biểu thời điểm xảy xung đột Bước 3, nút nhận thời gian biểu khác sau lựa chọn quảng bá thời gian biểu mình, chấp nhận hai (Ví dụ, lập lịch cho tỉnh dậy thời điểm hai thời gian biểu, 29 nút lân cận) Nó quảng bá thời gian biểu trước chuyển sang trạng thái ngủ Rất xảy nút phải trì nhiều thời gian biểu Các nút cố gắng chọn thời gian biểu tồn trước tự chọn cho thời gian biểu độc lập Mặt khác, xảy trường hợp nút lân cận thất bại việc khám phá, phát thời điểm ban đầu xung đột quảng bá thời gian biểu, chúng tìm thấy chu kỳ Để minh họa giải thuật này, xem xét mạng gồm nút “nghe” thấy lẫn Đồng hồ hệ thống nút khởi động tính trước quảng bá đồng tất thời gian biểu Nếu thay hai nút độc lập đăng ký thời gian biểu (vì chúng nghe thấy lẫn nhau, chúng tình cờ truyền thời điểm gần nhau), nút nằm ranh giới thời gian biểu chấp nhận hai Với cách này, nút cần gửi lần cho gói tin quảng bá Điều bất lợi nút có thời gian để ngủ tiêu thụ nhiều lượng nút khác Một tùy chọn khác nút vùng biên chấp nhận thời gian biểu chấp nhận đến trước tiên Khi biết thời gian biểu khác mà số nút lân cận theo, nói chuyện với chúng Tuy nhiên, với gói quảng bá, cần gửi hai lần với hai thời gian biểu khác Ưu điểm phương pháp nút nằm vùng biên có chu kỳ nghe ngủ với nút khác c, Thực đồng Lược đồ thức/ngủ yêu cầu đồng nút vùng lân cận Việc nút vùng lân cận định kỳ cập nhật lẫn thời gian biểu chúng cần thiết để ngăn ngừa sai lệch thời điểm chu kỳ nghe/ngủ Việc cập nhật thời gian biểu thực trao đổi gói tin đồng SYNC Gói tin SYNC ngắn, bao gồm địa nút gửi thời điểm chuyển sang trạng thái ngủ Thời điểm ngủ liên quan đến thời điểm mà nơi gửi kết thúc truyền gói tin đồng SYNC, xấp xỉ nút nhận nhận gói tin (khi độ trễ truyền ngắn) Những nút nhận điều chỉnh đồng hồ chúng sau nhận gói tin đồng Nút cảm biến 30 chuyển sang trạng thái ngủ đồng hồ kết thúc tính giờ, báo đến thời điểm ngủ Để nút nhận gói đồng lẫn gói liệu, chia khoảng thức (active time) thành hai phần Phần để nhận gói tin đồng bộ, phần hai để nhận gói RTS (Hình 2.7) Mỗi phần chia tiếp thành nhiều khe thời gian cho nút gửi để thực cảm nhận sóng mang Ví dụ, nút gửi muốn gửi gói tin đồng khởi động cảm nhận sóng mang nút nhận bắt đầu nghe Nó ngẫu nhiên lựa chọn khe thời gian để kết thúc cảm nhận sóng mang Nếu không phát truyền vào khoảng cuối khe, chiếm đường truyền bắt đầu gửi gói tin đồng thời điểm Việc thực truyền gói liệu thực tương tự Hình 2.7 thể mối quan hệ định thời ba trường hợp nút gửi thực truyền tới nút nhận CS cảm ứng sóng mang Trong lược đồ, Nút gửi gửi gói tin đồng SYNC Nút gửi muốn gửi liệu Nút gửi gửi gói tin đồng gói tin RTS Mỗi nút định kỳ quảng bá gói tin đồng tới lân cận kể nút đồng theo Điều cho phép nút gia nhập nhóm lân cận hình thành trước Nút thực thủ tục để chọn thời gian biểu có sẵn làm thời gian biểu Quãng thời gian nghe đủ dài để có khả học theo thời gian biểu có sẵn trước tự chọn cho thời gian biểu độc lập 31 Hình 2.7 Quan hệ định thời nút nhận nút gửi Mỗi nút định kỳ quảng bá gói tin đồng tới lân cận kể nút đồng theo Điều cho phép nút gia nhập nhóm lân cận hình thành trước Nút thực thủ tục để chọn thời gian biểu có sẵn làm thời gian biểu Quãng thời gian nghe đủ dài để [...]... các nút cảm biến 17 Lớp truyền tải Lớp mạng Lớp liên kết số liệu Phần quản lý nhiệm vụ Phần quản lý di chuyển Phần quản lý công suất Lớp ứng dụng Lớp vật lý Hình 1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 1.2 Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC Mạng cảm biến không dây là loại mạng đặc biệt với số lượng lớn nút cảm biến được trang bị bộ vi xử lý, thành phần cảm biến và thành phần quản lý sóng... không thích hợp cho những mạng cảm biến không dây nếu không có những sự cải biến Chương 2 - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây 2.1.1 Tránh xung đột 19 Tính tránh xung đột (Collision Advoidance) [ 1, 2 ] là một yêu cầu cơ bản của tất cả các giao thức MAC, nó xác định khi nào một nút có thể truy nhập đường truyền và thực hiện... vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó Những phần quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động... biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng Chúng phải có những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ của mạng hay thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao quanh đa dạng... thuộc vào tuổi thọ của những nguồn cung cấp năng lượng cho những nút Vì kích thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến cũng trở thành một tài nguyên khan hiếm 1.1.3.2 Mạng cảm biến Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút gốc Việc chọn đường tới nút gốc theo đa bước nhảy được minh hoạ trong Hình 1.2... có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa trong giao tiếp không dây Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là mức độ tiêu thụ điện phải thấp Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm biến là có hạn và nói chung là không thể thay thế Bởi vậy, trong khi các mạng truyền thống tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những giao thức mạng cảm biến. .. nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh Việc thiết kế mạng cảm biến như mô tả trong Hình 1.2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất Hình 1.2 Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến Kiến trúc giao thức [ 3 ] được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm. .. 2.1.2 Hiệu quả năng lượng Tính hiệu năng (Energy Efficiency) [ 1, 2 ] là một trong những thuộc tính quan trọng nhất những giao thức MAC mạng cảm biến Như đã đề cập ở trên, đa số các nút cảm biến hoạt động bằng pin, rất khó để thay đổi hoặc nạp điện lại cho pin của những nút này Thực tế, nhiều mục đích thiết kế của những mạng cảm biến được xây dựng bằng những nút đủ rẻ để vứt bỏ hơn là nạp lại Trong. .. những đặc trưng của một giao thức MAC Đối với mạng cảm biến không dây, những yếu tố quan trọng nhất là sự tránh xung đột có hiệu quả, hiệu quả năng lượng, tính biến đổi và thích ứng được với mật độ và số lượng nút Những thuộc tính khác là thứ yếu 2.2 Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng 2.2.1 Xung đột Sự xung đột (Collision) [ 1, 2 ] là nguyên nhân đầu tiên gây tiêu phí năng lượng Khi hai gói... cảm biến ở Hình 1.2 được trình bày trong Hình 1.3 Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản