bài giảng MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Giảng viên: ThS Trần Thục Linh Điện thoại/E-mail: 0914932955/thuclinh_dt@yahoo.com Bộ môn: Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử Học kỳ/Năm biên soạn: 2/2011 Nội dung học phần  Chương 1- Giới thiệu chung  Chương 2- Kiến trúc nút đơn  Chương 3- Kiến trúc mạng  Chương 4- Lớp vật lý  Chương 5- Giao thức MAC  Chương 6- Các giao thức lớp liên kết  Chương 7- Đặt tên đánh địa  Chương 8- Đồng thời gian  Chương 9- Định vị xác định vị trí  Chương 10- Điều khiển Topology www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Tài liệu học tập  Tài liệu chính:  Slide giảng  Bài giảng Mạng cảm biến không dây, Vũ Anh Đào, Trần Thục Linh, Học viện CNBCVT, 2010  Tài liệu tham khảo:  [1] Holger Karl Andreas Willig, Các giao thức kiến trúc cho mạng cảm biến không dây, NXB Wiley, ISBN: 978-0-470-09510-2, 6/2005  [2] Holger Karl, Slide “Ad hoc and Sensor Networks”  [3] Satya Sanket Sahoo, Slide “Sensor Networks”, Reference: MOBICOM 2002 Tutorial T5 Wireless Sensor Networks (CSCI 6760) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Yêu cầu môn học  Sinh viên phải đọc trước slide giảng trước lên lớp  Tích cực trả lời đặt câu hỏi lớp qua email GV  Điểm môn học:  Chuyên cần: 10 %  Kiểm tra kỳ: 10 %  Tự học, tự nghiên cứu: 10 %  Thi kết thúc: 70 % www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Chương 1- Giới thiệu chung  Mục đích chương:  Cung cấp hiểu biết mạng ad hoc mạng cảm biến, lĩnh vực áp dụng  Sự giống khác  Những hạn chế www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Nội dung  Hạ tầng cho WSN?  Các mạng ad hoc (di động)  Các mạng cảm biến không dây  So sánh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Mạng vô tuyến dựa hạ tầng  Mạng vô tuyến điển hình: dựa hạ tầng     VD: GSM, UMTS, … Các trạm gốc nối với mạng xương sống hữu tuyến Các thực thể di động giao tiếp vô tuyến với trạm gốc Lưu lượng thực thể di động khác chuyển tiếp trạm gốc mạng xương sống hữu tuyến  Sự di động hỗ trợ chuyển mạch từ trạm gốc tới trạm gốc khác  Hạ tầng mạng xương sống yêu cầu cho tác vụ quản lý er s Gateways h k rt Fu twor ne Server www.ptit.edu.vn IP backbone Router GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Mạng vô tuyến dựa hạ tầng- Hạn chế?  Trong trường hợp sau:  Hạ tầng sẵn - Vd: vùng có thảm họa hay thiên tai  Quá đắt không thuận tiện cho việc thiết lập mạng? – Vd: khu vực hẻo lánh hay công trường lớn  Không có thời gian để thiết lập mạng? – Vd: chiến dịch quân www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Ứng dụng cho mạng có hạ tầng tự  Tự động hóa sàn nhà máy  Khắc phục thảm họa  Truyền thông từ xe đến xe ad      c ho Mạng quân sự: xe tăng, người lính, … Tìm chỗ đậu xe trống thành phố mà không cần hỏi server Tìm kiếm cứu hộ tuyết lở Mạng cá nhân (đồng hồ, kính, PDA, thiết bị y tế, …) … www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Nội dung  Hạ tầng cho WSN?  Các mạng ad hoc (di động)  Các mạng cảm biến không dây  So sánh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 10 Các kịch ứng dụng WSN  Giao vận  Trang bị cho hàng hóa (các gói hàng, container) nút cảm biến  Theo dấu hàng hóa – quản lý tài sản  Chú ý: thị thụ động đủ – so sánh nhận dạng RF (IDs)  Điện tín (Telematics)  Cung cấp điều khiển lưu lượng tốt cách thu nhận thông tin tinh – thô điều kiện giao thông  Hệ thống giám sát bên đường thông minh  Các ô tô nút cảm biến www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 26 Các vai trò thành viên WSN  Các nguồn liệu: đo liệu, thông báo chúng tới “nơi đó”  Thường trang bị loại cảm biến chấp hành khác  Bộ thu liệu: quan tâm đến việc nhận liệu từ WSN  Có thể phần WSN thực thể bên ngoài, PDA, gateway, …  Các chấp hành: điều khiển thiết bị dựa liệu, thường thu www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 27 Cấu trúc loại ứng dụng WSN  Các mô hình tương tác nguồn thu phân loại loại ứng dụng  Phát kiện: nút phát kiện cách cục (có thể kết hợp với nút lân cận), thông báo kiện tới thu mong muốn • Sự phân loại kiện tùy chọn thêm  Đo định kỳ  Xấp xỉ hàm: sử dụng mạng cảm biến để xấp xỉ hàm không gian và/hoặc thời gian (vd: đồ nhiệt độ)  Phát biên: tìm giới hạn (hoặc cấu trúc khác) hàm (vd: đường biên giới độ đâu?)  Theo dấu: thông báo (hoặc nhất, biết) vị trí kẻ xâm nhập bị giám sát (“con voi bạch tạng”) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 28 Triển khai tùy chọn cho WSN  Triển khai nút cảm biến môi trường chúng ntn?  Được thả từ máy bay ! Triển khai ngẫu nhiên • Các nút thường cho phân bố ngẫu nhiên vùng giới hạn • Đó giả thiết phù hợp?  Kế hoạch triển khai tốt, cố định! Triển khai phân bố • Vd: việc bảo dưỡng ngăn ngừa tương tự • Không cần cấu trúc hình học, thường giải pháp thuận tiện  Các nút cảm biến di động • Có thể di chuyển để bù lại lỗi triển khai • Có thể di chuyển cách thụ động xung quanh lực tác động bên (gió, nước) • Có thể tìm kiếm vùng “quan tâm” cách chủ động www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 29 Các tùy chọn bảo dưỡng  Tính khả thi và/hoặc tính thực tế để trì nút cảm biến?  Vd: để thay pin?  Hoặc: hoạt động không cần chăm sóc?  Không thể không thích đáng? Nhiệm vụ mà y/c thời gian sống nhỏ  Nguồn cung cấp lượng?  Bị hạn chế từ điểm triển khai?  Dạng nạp pin, tìm lượng từ môi trường? • Vd: cell pin mặt trời www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 30 Nội dung  Hạ tầng cho WSN?  Các mạng ad hoc (di động)  Các mạng cảm biến không dây  Các ứng dụng  Các yêu cầu & chế  So sánh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 31 Các đặc điểm yêu cầu WSN  Loại dịch vụ WSN  Không đơn giản di chuyển bit mạng khác  Mà: cung cấp trả lời (không số)  Các vấn đề phạm vi địa lý yêu cầu tự nhiên, không thấy có mạng khác  Chất lượng dịch vụ  Không áp dụng việc đo đạc QoS thông thường  Vẫn, dịch vụ WSN phải “tốt”: Các câu trả lời thời điểm  Dung sai lỗi  Phải đủ lớn lỗi nút (hết lượng, phá hủy vật lý, …)  Thời gian tồn  Mạng phải đảm bảo tất nhiệm vụ lâu tốt – định nghĩa phụ thuộc vào ứng dụng  Thời gian tồn nút cá nhân tương đối không quan trọng  Nhưng thường đối xử cách tương đương www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 32 Các đặc điểm yêu cầu WSN  Phạm vi  Hỗ trợ lượng lớn nút  Phạm vi rộng mật độ  Lượng lớn hay nhỏ nút đơn vị diện tích, phụ thuộc nhiều vào ứng dụng  Sự khả trình  Việc tái lập trình nút khu vực cần thiết, cải thiện linh hoạt  Sự trì  WSN phải thích ứng với thay đổi, tự giám sát, thích ứng với hoạt động  Có thể hợp tài nguyên thêm vào, vd: nút triển khai www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 33 Các chế cần thiết để đáp ứng yêu cầu  Truyền thông vô tuyến đa bước nhảy  Hoạt động tiết kiệm lượng  Cả cho truyền thông tính toán, cảm biến, chấp hành  Tự cấu hình  Cấu hình thủ công tùy chọn  Cộng tác & xử lý mạng  Các nút mạng cộng tác hướng tới mục đích chung  Tiền xử lý liệu mạng (như đối lập đường biên) cải thiện hiệu suất nhiều www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 34 Các chế cần thiết để đáp ứng yêu cầu  Hoạt động mạng liệu trung tâm  Tập trung vào thiết kế mạng liệu, không tập trung vào nhận dạng nút (id-centric networking)  Để cải thiện hiệu suất  Cục  Làm cục (tại nút nút lân cận) xa tốt  Khai thác dung hòa (tradeoffs)  Vd: lượng đầu tư độ xác www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 35 Nội dung  Hạ tầng cho WSN?  Các mạng ad hoc (di động)  Các mạng cảm biến không dây  So sánh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 36 MANET so sánh với WSN  Nhiều tương đồng: tự tổ chức, hiệu suất cao, (thường) đa bước nhảy vô tuyến  Nhiều khác biệt  Các ứng dụng, trang thiết bị: MANETs mạnh nhiều (đọc: đắt đỏ) thiết bị giả thiết, thường loại ứng dụng “con người vòng kín”, tốc độ liệu cao hơn, nhiều tài nguyên  Ứng dụng chuyên dụng: WSNs phụ thuộc mạnh vào ứng dụng chuyên dụng; MANETs tương đối đồng  Tương tác môi trường: lõi WSN, MANET  Phạm vi: WSN lớn nhiều (mặc dù tranh cãi)  Năng lượng: WSN có yêu cầu lượng vấn đề bảo dưỡng chặt chẽ hơn,  Sự phụ thuộc/QoS: WSN, nút cá thể bị bỏ qua (vấn đề mạng), QoS khác ứng dụng khác  Trung tâm liệu khác với mạng trung tâm id  Sự di động: mô hình di động khác (trong WSN, thu di chuyển, thông thường nút tĩnh) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 37 Fieldbuses vô tuyến WSNs  Fieldbus:  Loại mạng phát minh cho truyền thông thời gian thực, vd: cho việc tự động hóa nhà máy  Quan điểm cố hữu cảm biến/đo lường điều khiển  fieldbus vô tuyến: truyền thông thời gian thực thông qua sóng vô tuyến  ! Có tương đồng lớn  Sự khác  Phạm vi – WSN: thường dự định cho phạm vi lớn  Thời gian thực – WSN: thường không dự định để cung cấp đảm bảo thời gian thực (cứng) fieldbuses www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 38 Các kỹ thuật cho phép WSN  Giảm chi phí  Đối với truyền thông vô tuyến, vi điều khiển, cảm biến, pin đơn giản  Tối thiểu hóa  Một số ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ  “Hạt bụi thông minh - Smart dust” viễn cảnh  Tìm kiếm lượng  Các pin xạc lấy lượng từ môi trường bên (ánh sáng, rung động, …) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 39 Kết luận  MANETs WSNs thách thức khái niệm hệ thống hứa hẹn  Nhiều điểm tương đồng, nhiều điểm khác biệt  Cả hai yêu cầu kiến thức giao thức so với mạng hữu tuyến/vô tuyến “thông thường”  Nói riêng, ứng dụng chuyên dụng vấn đề www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 40