bài giảng MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trần Thục LinhBỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 11 Mạng ad hoc di động  Cố gắng xây dựng một mạng không cần hạ tầng, sử dụng các khả năng thiết lập mạng của các thành viên tha

Trang 1

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 1 Học kỳ/Năm biên soạn: 2/2011

Trang 2

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh

BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 2

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 6- Các giao thức lớp liên kết

 Chương 7- Đặt tên và đánh địa chỉ

 Chương 8- Đồng bộ thời gian

 Chương 9- Định vị và xác định vị trí

 Chương 10- Điều khiển Topology

Trang 3

Tài liệu học tập

 Tài liệu chính:

 Slide bài 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 và Andreas Willig, Các giao thức và các kiến

trúc cho các 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)

Trang 4

Yêu cầu môn học

 Sinh viên phải đọc trước các slide bài giảng trước khi lên lớp

 Tích cực trả lời và đặt câu hỏi trên lớp hoặc qua email của GV

Trang 5

Trang 6

Trang 7

 Mạng vô tuyến điển hình: dựa trên hạ tầng

 VD: GSM, UMTS, …

 Các trạm gốc được nối với một mạng xương sống hữu tuyến

 Các thực thể di động giao tiếp vô tuyến với các trạm gốc này

 Lưu lượng giữa các thực thể di động khác nhau được chuyển tiếp bởi các trạm gốc và mạng xương sống hữu tuyến

 Sự di động được hỗ trợ bởi chuyển mạch từ một trạm gốc này tới trạm gốc khác

 Hạ tầng mạng xương sống được yêu cầu cho các tác vụ quản lý

Mạng vô tuyến dựa trên hạ tầng

Trang 8

 Trong các trường hợp sau:

 Hạ tầng không có sẵn - Vd: trong các vùng có thảm họa hay thiên tai

 Quá đắt hoặc không thuận tiện cho việc thiết lập mạng? – Vd: ở các khu vực hẻo lánh hay các công trường lớn

 Không có thời gian để thiết lập mạng? – Vd: trong các chiến dịch quân sự

Mạng vô tuyến dựa trên hạ tầng- Hạn chế?

Trang 9

 Mạng quân sự: các xe tăng, những người lính, …

 Tìm các chỗ đậu xe trống trong thành phố mà không cần hỏi một server

 Tìm kiếm và cứu hộ trong tuyết lở

 Mạng cá nhân (đồng hồ, kính, PDA, thiết bị y tế, …)

 …

Trang 10

Trang 11

Mạng ad hoc (di động)

 Cố gắng xây dựng một mạng không cần hạ tầng, sử dụng các khả năng thiết lập mạng của các thành viên tham gia

 Đó gọi là mạng ad hoc – một mạng được xây dựng “cho một

mục đích đặc biệt”

 Vd: các máy tính xách tay trong một phòng hội nghị –

một mạng ad hoc đơn bước nhảy

Trang 12

Các vấn đề/các thách thức đối với các mạng ad hoc

 Do không có một hạ tầng trung tâm nên vấn đề trở nên

khó khăn hơn nhiều

 Các vấn đề là do

 Thiếu thực thể trung tâm cho tổ chức sẵn có

 Phạm vi của truyền thông vô tuyến bị hạn chế

 Sự di chuyển của các thành viên của mạng

 Các thực thể hoạt động bằng pin

Trang 13

Không có thực thể trung tâm ! Tự tổ chức

 Không có một thực thể trung tâm (một trạm gốc chẳng hạn), các thành viên tham gia buộc phải tự tổ chức giữa

chúng thành một mạng (self-organization)

 Liên quan đến (giữa các nút):

 Điều khiển truy cập đường truyền – không trạm gốc nào có thể chỉ định các tài nguyên truyền dẫn, bắt buộc phải được quyết định trong một mô hình phân bố

 Tìm kiếm một tuyến đường từ một thành viên tham gia đến một thành viên khác

Trang 14

Phạm vi hạn chế ! Đa bước nhảy

 Đối với nhiều kịch bản, yêu cầu truyền thông với các nút ngang hàng bên ngoài phạm vi truyền thông trực tiếp

 Truyền thông trực tiếp bị hạn chế do khoảng cách, các vật cản,…

 Giải pháp: Mạng đa bước nhảy (multi-hop network)

?

Trang 15

Di động ! Các giao thức thích nghi, phù hợp

 Trong nhiều (không phải tất cả) ứng dụng mạng ad hoc,

các thành viên di chuyển quanh mạng

 Trong mạng tế bào: đơn giản là chuyển giao (hand over) tới trạm gốc khác

 Phức tạp bởi kích thước

 Khó có thể hỗ trợ số lượng lớn các nút như vậy

Trang 16

Các thiết bị hđộng bằng pin ! Vận hành NL hiệu quả

 Thường thì các thành viên trong một mạng ad hoc lấy năng lượng từ pin

 Mong muốn: chạy được trong tgian dài cho

 Các thiết bị đơn lẻ

 Toàn thể mạng

 Giao thức kết nối mạng hiệu quả về mặt năng lượng

 Vd: sử dụng các tuyến đường đa bước nhảy với tiêu thụ NL thấp (NL/bit)

 Vd: tính đến dung lượng pin sẵn có của các thiết bị

 Làm cách nào để giải quyết các xung đột giữa các tối ưu hóa khác nhau?

Trang 17

Nội dung

 Hạ tầng cho WSN?

 Các mạng ad hoc (di động)

 Các mạng cảm biến không dây

 Đặc điểm & Cấu trúc mạng

 Các ứng dụng

 Các yêu cầu & các cơ chế

 So sánh

Trang 18

Các mạng cảm biến không dây

 Các thành viên trong các ví dụ trước là các thiết bị gần gũi với người sử dụng, tương tác với con người

 Khái niệm thay thế:

Thay vì tập trung vào tương tác giữa con người, ở đây tập

trung vào tương tác với môi trường

 Mạng được nhúng trong môi trường

 Các nút trong mạng được trang bị với cảm biến và cơ cấu

chấp hành để đo/tác động môi trường

 Các nút xử lý thông tin và truyền thông vô tuyến với nhau

! Mạng cảm biến không dây (WSN)

 hay: Mạng cảm biến và chấp hành không dây (WSAN)

Trang 19

Đặc điểm

 Số lượng nút cảm biến là khá lớn -> không thể xây dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai vì phần điều khiển

cho việc thiết lập ID là cao

 Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nguồn tới một nút gốc

 các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và

dung lượng nhớ

 Các nút trong WSN thường có vị trí cố định (một số ứng

dụng: các nút có thể di động)

 Các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng

 Vị trí của các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng vì việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí

 Số liệu được lựa chọn bởi các nút cảm biến trong WSN

thường dựa vào hiện tượng chung, do đó sẽ có độ dư thừa

Trang 20

Cấu trúc mạng WSN

 Mạng điểm – điểm

Trang 21

 Mạng điểm – đa điểm

Trang 22

 Mạng đa điểm – đa điểm

Trang 23

Nội dung

 Hạ tầng cho WSN?

 Các mạng ad hoc (di động)

 Các mạng cảm biến không dây

 Đặc điểm & Cấu trúc mạng

 Các ứng dụng

 Các yêu cầu & các cơ chế

 So sánh

Trang 24

Ví dụ ứng dụng WSN

 Các hoạt động cứu trợ thảm họa

 Thả các nút cảm biến từ một máy bay lên khu

 Các tòa nhà (hoặc các cây cầu) thông minh

 Giảm sự lãng phí n/lượng bằng việc điều khiển

độ ẩm, thông gió và điều hòa (HVAC) phù hợp

 Cần các tham số đo về thời gian chiếm giữ

phòng, nhiệt độ, dòng không khí, …

 Giám sát stress cơ học sau các trận động đất

Trang 25

Các kịch bản ứng dụng WSN

 Quản lý tiện ích

 Phát hiện xâm nhập vào các khu vực công nghiệp

 Giám sát những rò rỉ trong các nhà máy hóa chất, …

 Giám sát máy móc và bảo dưỡng phòng ngừa

 Nhúng các chức năng cảm biến/điều khiển vào các khu vực trước đó không đi cáp

 Chăm sóc sau phẫu thuật hoặc chăm sóc chuyên sâu

 Giám sát lâu dài các bệnh nhân mãn tính hay người cao tuổi

Trang 26

 Điện tín (Telematics)

 Cung cấp điều khiển lưu lượng tốt hơn bằng cách thu nhận thông tin tinh – thô về các điều kiện giao thông

 Hệ thống giám sát bên đường thông minh

 Các ô tô như các nút cảm biến

Các kịch bản ứng dụng WSN

Trang 27

Các vai trò của các thành viên trong WSN

 Các nguồn dữ liệu: đo dữ liệu, thông báo chúng tới “nơi nào

đó”

 Thường trang bị bằng các loại cảm biến chấp hành khác nhau

 Bộ thu dữ liệu: quan tâm đến việc nhận dữ liệu từ WSN

 Có thể là một phần của WSN hoặc thực thể bên ngoài, PDA, gateway, …

 Các bộ chấp hành: điều khiển thiết bị nào đó dựa trên dữ

liệu, thường cũng là một bộ thu

Trang 28

Cấu trúc các loại ứng dụng WSN

 Các mô hình tương tác giữa các bộ nguồn và bộ thu phân

loại các loại ứng dụng

 Phát hiện sự kiện: các nút phát hiện sự kiện một cách cục bộ

(có thể kết hợp với các nút lân cận), thông báo các sự kiện này tới các bộ thu mong muốn

• Sự phân loại sự kiện tùy chọn thêm

 Đo định kỳ

 Xấp xỉ hàm: sử dụng mạng cảm biến để xấp xỉ một hàm

không gian và/hoặc thời gian (vd: bản đồ nhiệt độ)

 Phát hiện biên: tìm các giới hạn (hoặc các cấu trúc khác)

trong một hàm như vậy (vd: đường biên giới 0 độ là ở đâu?)

 Theo dấu: thông báo (hoặc ít nhất, biết) vị trí của một kẻ xâm

nhập bị giám sát (“con voi bạch tạng”)

Trang 29

Triển khai các tùy chọn cho WSN

 Triển khai các nút cảm biến trong môi trường của chúng ntn?

 Được thả từ máy bay ! Triển khai ngẫu nhiên

• Các nút thường được cho là phân bố ngẫu nhiên trên một vùng giới hạn

• Đó là một giả thiết phù hợp?

 Kế hoạch triển khai tốt, cố định! Triển khai phân bố đều

• Vd: trong việc bảo dưỡng ngăn ngừa hoặc tương tự

• Không cần cấu trúc hình học, nhưng đó thường là một giải pháp thuận tiện

 Các nút cảm biến di động

• Có thể di chuyển để bù lại các lỗi triển khai

• Có thể được di chuyển một cách thụ động xung quanh bởi lực tác động bên ngoài nào đó (gió, nước)

• Có thể tìm kiếm các vùng “quan tâm” một cách chủ động

Trang 30

Các tùy chọn bảo dưỡng

 Tính khả thi và/hoặc tính thực tế để duy trì các nút cảm

biến?

 Vd: để thay thế pin?

 Hoặc: hoạt động không cần sự chăm sóc?

 Không thể nhưng không thích đáng? Nhiệm vụ mà y/c thời gian sống là rất nhỏ

 Nguồn cung cấp năng lượng?

 Bị hạn chế từ điểm triển khai?

 Dạng nào đó của nạp pin, tìm năng lượng từ môi trường?

• Vd: các cell pin mặt trời

Trang 31

Trang 32

Các đặc điểm yêu cầu đối với các WSN

 Loại dịch vụ của WSN

 Không đơn giản là di chuyển các bit như các mạng khác

 Mà: cung cấp các trả lời (không chỉ là các con số)

 Các vấn đề như phạm vi địa lý là yêu cầu tự nhiên, không thấy có ở các mạng khác

 Chất lượng dịch vụ

 Không áp dụng việc đo đạc QoS thông thường

 Vẫn, dịch vụ của WSN phải “tốt”: Các câu trả lời đúng tại đúng thời điểm

 Dung sai lỗi

 Phải đủ lớn đối với lỗi nút (hết năng lượng, sự phá hủy vật lý, …)

 Thời gian tồn tại

 Mạng phải đảm bảo tất cả các nhiệm vụ của nó càng lâu càng tốt – định

nghĩa phụ thuộc vào ứng dụng

 Thời gian tồn tại của một nút cá nhân là tương đối không quan trọng

 Nhưng thường được đối xử một cách tương đương

Trang 33

Trang 34

Các cơ chế cần thiết để đáp ứng các yêu cầu

 Truyền thông vô tuyến đa bước nhảy

 Hoạt động tiết kiệm năng lượng

 Cả cho truyền thông và tính toán, cảm biến, chấp hành

 Tự cấu hình

 Cấu hình thủ công không phải là một tùy chọn

 Cộng tác & xử lý trong mạng

 Các nút trong mạng cộng tác hướng tới một mục đích chung

 Tiền xử lý dữ liệu trong mạng (như đối lập tại đường biên)

có thể cải thiện hiệu suất rất nhiều

Trang 35

 Hoạt động mạng dữ liệu trung tâm

 Tập trung vào thiết kế mạng trên dữ liệu, không tập trung vào các nhận dạng nút (id-centric networking)

 Để cải thiện hiệu suất

 Cục bộ

 Làm cục bộ (tại nút hoặc giữa các nút lân cận) càng xa càng tốt

 Khai thác sự dung hòa (tradeoffs)

 Vd: giữa năng lượng đầu tư và độ chính xác

Các cơ chế cần thiết để đáp ứng các yêu cầu

Trang 36

Trang 37

MANET so sánh với WSN

 Nhiều sự 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 hơn nhiều (đọc: đắt đỏ)

thiết bị được giả thiết, thường là loại ứng dụng “con người trong một vòng kín”, tốc độ dữ liệu cao hơn, nhiều tài nguyên hơn

 Ứng dụng chuyên dụng: WSNs phụ thuộc mạnh vào các ứng dụng

chuyên dụng; MANETs tương đối đồng đều

 Tương tác môi trường: lõi của WSN, không có ở MANET

 Phạm vi: WSN có thể lớn hơn nhiều (mặc dù còn đang tranh cãi)

 Năng lượng: WSN có các yêu cầu về năng lượng và các vấn đề bảo

dưỡng chặt chẽ hơn,

 Sự phụ thuộc/QoS: trong WSN, các nút cá thể có thể bị bỏ qua (vấn đề

mạng), QoS khác nhau do các ứng dụng khác nhau

 Trung tâm là dữ liệu khác với mạng trung tâm là id

 Sự di động: các mô hình di động khác nhau như (trong WSN, các bộ thu

có thể di chuyển, thông thường thì các nút là tĩnh)

Trang 38

Fieldbuses vô tuyến và WSNs

 Fieldbus:

 Loại mạng được phát minh cho truyền thông thời gian thực, vd: cho việc tự động hóa ở nhà máy

 Quan điểm cố hữu về cảm biến/đo lường và điều khiển

 fieldbus vô tuyến: truyền thông thời gian thực thông qua sóng vô tuyến

 ! Có sự tương đồng lớn

 Sự khác nhau

 Phạm vi – WSN: thường dự định cho phạm vi lớn

 Thời gian thực – WSN: thường không dự định để cung cấp

sự đảm bảo thời gian thực (cứng) như fieldbuses

Định dạng
Số trang	40
Dung lượng	2,61 MB