Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - NGUYỄN ANH TRUNG Nguyễn Anh Trung KỸ THUẬT VIỄN THÔNG1 NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HỖ TRỢ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI 2017 HÀ NỘI - 2017 I HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - Nguyễn Anh Trung NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HỖ TRỢ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN CHIẾN TRINH HÀ NỘI - 2017 II LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Anh Trung III LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại khoa học công nghệ bùng nổ theo ngày, nhu cầu sử dụng hệ thống viễn thông ngày cao Vì vậy, đòi hỏi kĩ thuật thu thập, xử lý truyền liệu phải xác nhanh chóng Để đáp ứng nhu cầu cần phải phát triển hệ thống truyền thông không dây kết hợp với đa dạng hoá loại hình dịch vụ Để giải nhu cầu đó, người ta phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) Mạng WSN tạo môi trường giao tiếp thiết bị thông minh hay thiết bị thông minh với người hệ thống viễn thông khác Một lĩnh vực bật mạng cảm nhận không dây (WSN) kết hợp việc cảm nhận, tính toán truyền thông vào thiết bị nhỏ Thông qua mạng lưới (Mesh Networking Protocols), thiết bị tạo kết nối rộng lớn giới vật lý Từ thách thức đó, theo định hướng người hướng dẫn khoa học học viên lựa chọn đề tài : " NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HỖ TRỢ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN " làm nội dung nghiên cứu cho luận văn cao học Luận văn tập trung trực tiếp vào Giao thức ADV MAC mạng cảm biến không dây Nội dung luận văn gồm ba chương, đó: Chương I: Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương II: Giao thức MAC hỗ trợ hiệu lượng mạng WSN Chương III: Giao thức ADV MAC mạng cảm biến không dây Học viên xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS NGUYỄN CHIẾN TRINH tận tình hướng dẫn giúp đỡ trình hoàn thành luận văn Học viên hi vọng sau thực xong, luận văn tài liệu tham khảo có giá trị cho người tìm hiểu, nghiên cứu mạng cảm biến WSN IV DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ACK Acknowledgement Báo nhận ADV Advertisement-based MAC MAC quảng cáo AP Access Point Điểm truy nhập BSS Basic Service Set Điểm dịch vụ BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di động Code Division Multiple Access Đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Phân bậc tương thích lượng thấp Level multicasting scheme MAC dựa việc phân cấp đa đường Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường Node-Activation Multiple Access Nút kích hoạt nhiều truy cập Network allocation Vector Vector thời gian chiếm giữ mạng Power aware medium-access with Năng lượng báo hiệu truy signalling nhập trung bình QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên ROM Read-Only Memory Bộ nhớ đọc S-MAC Sensor MAC MAC dựa sensor TDMA Time Division multiple Access T-MAC Time out MAC CDMA GPS LEACH LMS MAC MAC NAMA NAV PAMAS Đa truy nhập phân chia theo thời gian MAC dựa khoảng thời gian time out V MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN III LỜI MỞ ĐẦU IV DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT V CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 11 1.2 Các thiết bị cảm biến không dây 12 1.2.1 Bộ xử lý lượng thấp: .13 1.2.2 Bộ nhớ / Lưu trữ: 13 1.2.3 Bộ thu phát vô tuyến: 13 1.2.4 Các sensor (Cảm biến): 13 1.2.5 Hệ thống định vị địa lý GPS 13 1.2.6 Nguồn lượng: 13 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây .14 1.3.1 Node cảm biến .14 1.3.2 Mạng cảm nhận .14 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 17 1.5 Vấn đề thách thức mạng Wireless Sensor Networks (WSN) 19 1.6 Vấn đề tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây .20 1.6.1 Nguyên nhân việc lãng phí lượng: 20 1.6.2 Các yếu tố tác động làm giảm thiểu tiêu thụ lượng 21 1.6.3 Năng lượng việc báo hiệu truy nhập trung bình (Power aware medium-access with signalling - PAMAS): 22 1.6.4 Lập lịch ngủ: 23 1.7 Kết luận chương 26 CHƯƠNG II: GIAO THỨC MAC HỖ TRỢ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN 27 2.1 Các giao thức MAC mạng cảm biến không dây 27 2.2 Giao thức MAC dựa TDMA 28 2.2.1 (LEACH) Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng lượng thấp 28 2.2.2 Năng lượng cụm TDMA (PACT) 30 2.2.3 TDMA tự ổn định (SS-TDMA) .31 2.2.4 Node-Activation Multiple Access (NAMA) 31 2.2.5 Giao thức truy cập trung bình nhẹ (L-MAC) 32 2.2.6 Truyền tải thích ứng với truy cập trung bình (Trama) .32 2.2.7 MH-TRACE .33 2.3 Giao thức MAC dựa cạnh tranh 34 2.3.1 Sensor-MAC 35 2.3.2 Time out-MAC 41 2.3.2 ADV-MAC: 48 2.4 Các giao thức MAC lai 49 2.4.1 IEEE 802.15.4 49 VI 2.4.2 Z-MAC .50 2.5 Kết luận chương 52 CHƯƠNG III: GIAO THỨC ADV-MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 53 3.1 Thiết kế tổng quan ADV MAC 53 3.1.1 Cơ hoạt động ADV-MAC 53 3.1.2 Cơ chế cạnh tranh ADV-MAC .57 3.1.3 Vấn đề ngủ sớm T-MAC 58 3.1.4 MAC Multicasting 58 3.1.5 Năng lượng tiêu thụ 59 3.2 Phân tích tối ưu hóa cho hiệu lượng ADV-MAC 62 3.2.1 Thời gian Contention ADV 63 3.2.2 Thời gian Contention Dữ liệu 64 3.3 Mô hình phân tích ADV-MAC .66 3.3.1 Tỷ lệ chuyển giao gói Packet .66 3.3.1.1 Contention giai đoạn ADV 66 3.4 Kết luận chương 72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 VII DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Biểu tượng mạng WSN [23] 11 Hình 1.2: Thiết bị “mote” Berkeley 12 Hình 1.3: Sơ đồ nút mạng cảm biên không dây [18] 12 Hình 1.4: Phân bố node cảm biến trường cảm biến 14 Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 16 Hình 1.6: Kĩ thuật PAMAS 23 Hình 1.7: Lập lịch ngủ đồng 24 Hình 1.8: Lập lịch ngủ không đồng 24 Hình 1.9: Kĩ thuật lắng nghe với lượng thấp/việc kiểm tra tín hiệu preamble 26 Hình 2.1: Giao thức LEACH [25] 29 Hình 2.2: Time-line hoạt động LEACH [25] 29 Hình 2.3: Các cụm PACT [14] 30 Hình 2.4: Cấu trúc khung MH-TRACE [11] 33 Hình 2.5: Một ảnh chụp phân nhóm MH-TRACE truy cập trung bình cho phần phân phối thực tế nút di động Các nút C1 C7 nút cluster-head [11] 34 Hình 2.6: Lược đồ S-MAC 35 Hình 2.7: Đồng nút Hai nút lân cận A, B có lịch khác vìA đồng với C, B đồng với D 36 Hình 2.8: Quan hệ định kỳ thời gian nút nhận nút gửi 38 Hình 2.9: Thực tránh nghe thừa Nút nên chuyển tới trạng thái ngủ 39 Hình 2.10: Lược đồ T-MAC với thời gian thức thay đổi 42 Hình 2.11: Lược đồ trao đổi liệu Nút C nghe CTS từ nút B không làm phiền giao tiếp A B TA phải đủ dài để C nghe đượcphần đầu CTS 44 Hình 2.12: Hiện tượng ngủ sớm D ngủ trước Cgửi RTS cho 46 Hình 2.13: Thực gửi sớm RTS Gói tin FRTS giữ D thức 47 VIII Hình 2.14: Thực ưu tiên gửi đệm đầy 48 Hình 2.15: Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 [24] 49 Hình 3.1: Ví dụ ADV-MAC, T-MAC giao tiếp S-MAC [2] 54 Hình 3.2: Phương pháp Contention giai đoạn ADV [2] 64 Hình 3.3: Tổng số thời gian trung bình chi tiêu tất nút cạnh tranh xác suất va chạm hai phương pháp cạnh tranh [2] 66 Hình 3.4: Mẫu sử dụng phân tích 69 Hình 3.5: Ví dụ cạnh tranh giai đoạn liệu 70 Hình 3.6: Kết thực nghiệm [2] 71 IX DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: ADV-MAC: Ký hiệu sử dụng 59 Bảng 3.1: ADV-MAC mẫu phân tích, Ký hiệu sử dụng i 67 Bảng 3.2: ADV-MAC mẫu phân tích, Ký hiệu sử dụng II 68 X Mặc dù ADV-MAC đề xuất phần 3.1 cung cấp tiết kiệm lượng đáng kể thông lượng tốt có độ trễ so với S-MAC T-MAC, tối ưu Một giá trị tùy ý thời hạn (ADV) chọn thời gian giai đoạn liệu tranh chấp phần 3.1 Tùy thuộc vào truyền tải mạng, Việc lựa chọn tùy ý khoảng thời gian dẫn đến lãng phí lượng nghe nhàn rỗi , dẫn đến việc suy giảm sản lượng độ trễ tổn thất lượng va chạm mức Để ngăn chặn điều này, mô hình phân tích cho ADV-MAC đề xuất Ngoài ra, phương pháp tranh chấp hiệu cho cạnh tranh liệu đề xuất để tiết kiệm lượng Kết mô cho thấy tối ưu hóa ADV-MAC cung cấp giảm tiêu hao lượng khác nhau, từ 30% đến 70% nhiều trì tỷ lệ giao hàng gói độ trễ gốc ADV-MAC Phần lại chương tổ chức sau Trong phần 3.2, mô tả việc thiết kế cập nhật giao thức ADV-MAC Trong phần 3.3, trình bày mô hình phân tích ADV-MAC Trong phần này, mô hình phân tích với mô chọn thời gian tối ưu kỳ ADV tranh chấp liệu Sau đó, trình bày so sánh chi tiết thực giao thức ADV-MAC tối ưu hóa với giao thức ADV-MAC trước, S-MAC T-MAC Thiết kế giao thức ADV-MAC giống mô tả phần 3.1 Tuy nhiên, hai giai đoạn ADV giai đoạn liệu thay đổi phương pháp tranh chấp 3.2.1 Thời gian Contention ADV Chúng thay đổi phương pháp cạnh tranh giai đoạn ADV, đơn giản hoá mô hình phân tích mà không làm giảm số lần chuyển giao gói tin giai đoạn ADV Cho SADV thời hạn giai đoạn ADV tadv thời hạn gói ADV, bao gồm khe đơn vị Mỗi nút tranh chấp gửi gói ADV chọn khe ngẫu nhiên từ Sadv - tadv khe Các tadv cuối khe không chọn, kể từ gói tin truyền ADV hoàn thành vòng lựa chọn vị trí ban đầu: 63 Hình 3.2: Phương pháp Contention giai đoạn ADV [2] Trong ví dụ này, nút tranh chấp để gửi, hai truyền thành công, hai va chạm truyền trì hoãn giai đoạn ADV Và trường hợp đó, nút bắt đầu khoảng thời gian đếm khe lựa chọn Nếu nút nghe truyền trước đếm thời gian đạt đến giá trị 0, đóng băng đếm thời gian bắt đầu truyền lại từ đầu (trước đó, nút nghe, nút truyền hủy hẹn khởi đầu sau kết thúc việc truyền tải đó) Khi thời gian đạt đến giá trị 0, nút truyền thời gian lại giai đoạn ADV đủ thời gian để truyền tải Nếu không, trì hoãn việc truyền dẫn thử lại khung bên cạnh Bảng 3.2 minh họa tranh chấp nút cho S i dv = 30 t adv = Node lựa chọn 4th khe bắt đầu truyền từ 5th khe, ví dụ, đếm thời gian đạt đến giá trị Một tất nút khác nhận biết việc truyền tải nút 2, họ đóng băng khe thời gian t adv Tuy nhiên, nút đóng băng thời gian lần, thời gian kết thúc ADV trước thời gian hết hạn, mà làm cho nút hoãn việc truyền dẫn tranh chấp lần khung Lưu ý lời xác thực gửi cho gói ADV Vì lý này, nút 5, có gói ADV gửi vụ va chạm cố gắng tranh chấp thời gian liệu phương tiện 3.2.2 Thời gian Contention Dữ liệu Ý tưởng phương pháp ADV tranh chấp sử dụng tranh chấp thời kỳ liệu Cho r thời hạn giai đoạn liệu Sdata thời hạn cửa sổ tranh chấp sử dụng trước lần truyền liệu, khe đơn vị Chúng ta xem xét việc truyền lại không thực 64 Các nút truyền tải giai đoạn ADV, chọn khe cắm S liệu thiết lập đếm thời gian với khoảng thời hạn khe lựa chọn Khi thời gian nút đạt đến giá trị 0, nút bắt đầu trao đổi liệu cách gửi gói tin RTS RTS CTS gói chứa thời gian việc trao đổi liệu, nút mà phần việc trao đổi liệu diễn đóng băng thời gian họ suốt thời gian trao đổi liệu Các nút có gói ADV va chạm giai đoạn ADV tranh chấp giai đoạn liệu Tuy nhiên, nhận CTS thu tương ứng trạng thái ngủ, mà kết nút giai đoạn thời gian chờ vào trạng thái ngủ Nếu gói tin RTS có va chạm, người tiếp nhận tương ứng chờ đợi cho toàn thời gian S liệu sau vào trạng thái ngủ Người gửi trường hợp lần vào trạng thái ngủ sau thời gian chờ CTS Nếu xem xét việc truyền lại, người gửi chọn ngẫu nhiên khe Sdata lặp lại trình họ không nhận gói tin CTS Phương pháp luận điểm xác định chương khác với quy định phần 3.1 Trong phương pháp đề xuất phần 3.1, tất nút nghe truyền dẫn hủy bỏ chọn khe khỏi Sdata truyền tải diễn kết thúc Quá trình lặp lặp lại tất nút tranh chấp xong đạt kết thúc giai đoạn liệu Tổng thời gian (trong đơn vị khe) tất nút (người gửi người nhận) luận điểm trình bày hình 3.2 với xác suất va chạm quan sát Phương pháp đề xuất chương làm giảm tổng thời gian nút cạnh tranh Khi có nút cạnh tranh, tổng thời gian dành cho cạnh tranh giảm tới 25% so với phương pháp cạnh tranh Kể từ thời gian thức tỷ lệ thuận với mức tiêu thụ lượng, tiết kiệm lượng 25% Tăng lượng thu với thay đổi xác suất va chạm, làm tăng 1% nút 65 Hình 3.3: Tổng số thời gian trung bình chi tiêu tất nút cạnh tranh xác suất va chạm hai phương pháp cạnh tranh [2] 3.3 Mô hình phân tích ADV-MAC Trong phần này, mô hình tỷ lệ giao hàng gói tiêu thụ lượng ADV-MAC Giả định kênh lý tưởng truyền lại khung 3.3.1 Tỷ lệ chuyển giao gói Packet Để xác định tỷ lệ chuyển gói tin, lần tính toán thông lượng trung bình cho khung hình cho có N nút tranh Chúng phân tích hai cấp tranh chấp theo tuần tự: tranh chấp giai đoạn ADV tranh chấp giai đoạn liệu Để thuận tiện, ký hiệu quan trọng sử dụng phân tích trình bày bảng 3.2 3.3.1.1 Contention giai đoạn ADV Chúng ta xem xét N nút cạnh tranh để quảng bá thời gian ADV Để tính toán số lượng nút tranh chấp giai đoạn liệu, cần phải tìm số lượng nút truyền tải gói ADV giai đoạn ADV, thành công (không có va chạm) không thành công (với va chạm) Đây biến ngẫu nhiên, mà chúng biểu thị X giá trị tương ứng x Do đó, x