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

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

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 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2017 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN CHIẾN TRINH Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông LỜI NÓI 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 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) [5], tiếng Việt gọi mạng cảm biến không dây Có thể hiểu đơn giản mạng WSN mạng liên kết node sóng vô tuyến, node mạng thường thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền, có số lượng lớn phân bố rộng Lưu lượng liệu lưu thông WSN thấp không liên tục, thông thường thời gian node mạng trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều, cần có giải pháp tiết kiệm lượng tối đa Hơn nữa, node mạng phải hoạt động môi trường khắc nghiệt, bố trí ngẫu nhiên nên di chuyển làm thay đổi cấu hình mạng, đòi hỏi node mạng phải có khả tự động cấu hình thích nghi Mạng WSN công nghệ phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực: điều khiển trình công nghiệp, bảo mật giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe Mạng WSN mạng liên kết node với nhờ sóng vô tuyến Trong đó, node mạng bao gồm đầy đủ chức để cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu Các node mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn phân bố cách hệ thống phạm vi rộng, sử dụng nguồn lượng (pin) hạn chế, thời gian hoạt động lâu dài Hình 1.1: Biểu tượng mạng WSN 1.2 Các thiết bị cảm biến khôg dây Các thiết bị tạo mạng cảm biến không dây [1]: Hình 1.3: Sơ đồ mạng cảm biên không dây  Bộ xử lý lượng thấp:  Bộ nhớ / Lưu trữ:  Bộ thu phát vô tuyến:  Các sensor (Cảm biến):  Hệ thống định vị địa lý GPS  Nguồn lượng: 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3.1 Node cảm biến Một node cảm biến cấu tạo thành phần sau: vi điều khiển, sensor, phát radio 1.3.2 Mạng cảm nhận 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây WSN bao gồm node cảm biến nhỏ gọn, thích ứng với môi trường khắc nghiệt Những node cảm biến này, cảm nhận môi trường xung quanh, sau gửi thông tin thu đến trung tâm để xử lý theo ứng dụng Các node liên lạc với node xung quanh nó, mà xử lý liệu thu trước gửi đến node khác WSN cung cấp nhiều ứng dụng hữu ích nhiều lĩnh vực sống [4]  Các ứng dụng bảo vệ môi trường  Các ứng dụng y tế  Các ứng dụng gia đình  Hệ thống giao thông thông minh  Ứng dụng quân sự, an ninh  Ứng dụng thương mại 1.5 Vấn đề thách thức mạng Wireless Sensor Networks (WSN) Một số thách thức lớn mà cản trở việc phổ biến WSNs bao gồm: - Năng lượng hạn chế - Chịu lỗi - Tính - An ninh 1.6 Vấn đề tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây Mạng không dây có nhiều ứng dụng thực tiễn, mang lại cho người thông tin quan trọng nhiều lĩnh vực mà cần đến hoạt động trực tiếp người Những kết đạt khả hoạt động độc lập nút mạng Để hoạt động độc lập hoàn toàn, nút mạng luôn kèm với nguồn lượng để nuôi chúng Và việc tiết kiệm nguồn lượng để kéo dài thời gian hoạt động nút mạng vô cần thiết Yêu cầu làm xuất hướng cho nghiên cứu người là: tiết kiệm tiêu thụ lượng cho nút mạng không dây Đây hướng lớn có tầm quan trọng thực thông qua nghiên cứu, thử nghiệm, Mục tiêu quan trọng nghiên cứu tìm tất yếu tố tác động để giảm thiểu tiêu thụ lượng Và thông qua yếu tố thực tác động để tiết kiệm lượng Vậy ta phải có chế độ hoạt động chế độ ngủ, chế độ ngắt điện cho tiết kiệm lượng đến mức thấp 1.6.1 Nguyên nhân việc lãng phí lượng: - Khi node nhận nhiều gói thời điểm, gói gọi “collided packet” chí chúng xảy đồng thời phần (không hoàn chỉnh) Tất gói nguyên nhân xung đột phải loại bỏ yêu cầu truyền lại gói Vì vậy, làm tăng mức tiêu thụ lượng - Việc nghe lỏm (Overhearing): nghĩa node nhận gói mà đích đến mà node khác - Phí tổn gói điều khiển (Control packet overhead): việc gửi nhận gói điều khiển làm tiêu thụ lượng nhiều, trừ gói liệu có ích truyền - Một nguyên nhân việc lãng phí lượng “idle listening”: nghĩa lắng nghe kênh rãnh để nhận lưu lượng mà không gửi - Nguyên nhân cuối “overemitting”: truyền tin node đích không sẵn sàng (ready) Vì nhân tố nên giao thức MAC thiết kế hợp lí để ngăn chặn lãng phí lượng 1.6.2 Các yếu tố tác động làm giảm thiểu tiêu thụ lượng * Quá trình tiêu thụ lượng - Ta cần tìm hiểu trình tiêu hao lượng nút Với nút, ta cần nghiên cứu chế độ lượng + Chế độ hoạt động + Chế độ nghỉ Với sóng vô tuyến: Có tốc độ liệu cao Tuy nhiên, trình tiêu hao lượng lại khác tuỳ theo mô hình mạng, khoảng cách, mật độ nút, tần số làm việc, thực tế sử dụng Vấn đề quan trọng đặt làm để nút mạng giảm cường độ dòng cần sử dụng chế độ đồng thời trở chế độ cách linh hoạt để tránh lãng phí, tăng thời gian sử dụng nguồn Một số giao thức chọn đường, quản lý công suất trao đổi số liệu thiết kế cho WSN với yêu cầu quan trọng 1.6.3 Năng lượng việc báo hiệu truy nhập môi trường (PAMAS): 1.6.4 Lập lịch ngủ: Các kĩ thuật lập lịch ngủ chia thành loại: - Lập lịch ngủ đồng - Lập lịch ngủ không đồng 1.7 Kết luận chương Chương học viên giới thiệu khái niệm tính chất đặc thù mạng cảm biến không dây WSN, thách thức cụ thể thảo luận cách toàn diện Chương liệt kê ứng dụng dịch vụ mạng cảm biến không dây số thách thức mạng cảm biến không dây để có nhìn tổng thể mạng cảm biến không dây CHƯƠNG II: GIAO THỨC MAC HỖ TRỢ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN Chương nghiên cứu giao thức Mac mạng WSN, đặc điểm nguyên tắc hoạt động giao thức định tuyến Những nội dung gồm: 2.1 Các giao thức Mac mạng cảm biến không dây 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 cấu trúc mạng adhoc Chúng phải tự tổ chức để hình thành mạng không dây đa chặng 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) phát triển để giúp đỡ nút định để truy nhập kênh Vấn đề giống định vị kênh đa truy nhập Lớp MAC xem xét bình thường lớp lớp liên kết liệu 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 Một số giao thức điều khiển truy cập phương tiện (MAC) đề xuất cho mạng cảm biến không dây (WSNs) Bắt đầu từ việc lượng hạn chế lớn cho WSNs, nhiều giao thức MAC thiết kế với mục tiêu giảm thiểu tiêu thụ lượng đảm bảo hiệu suất độ trễ gói tỷ lệ giao hàng Trong chương này, nghiên cứu việc tiết kiệm lượng giao thức MAC cho WSNs Hầu hết giao thức MAC phân loại giao thức giao thức MAC TDMA 2.2 Giao thức MAC dựa TDMA TDMA giao thức việc đặt lập lịch [12], [13], [21] Trong giao thức \, nút cuối truyền tải liệu Điều RTS gói tin CTS Chúng chiếm dụng đường truyền truyền tất đoạn Mỗi lần đoạn liệu truyền, nơi gửi đợi xác nhận ACK từ nơi nhận Nếu không nhận ACK, mở rộng thời gian chiếm dụng đường truyền cho đủ phân đoạn nữa, truyền lại phân đoạn liệu thời 2.3.2 Time out-MAC Mặc dù thực giảm tiêu hao lượng việc giảm thời gian chờ nghe qua giải pháp thực chu trình thức/ngủ cố định, giải pháp SMAC chưa đạt hiệu tối ưu S-MAC có hai tham số quan trọng: độ lớn khung thời gian (frame time) độ dài thời gian thức (active time) Độ lớn khung thời gian bị giới hạn yêu cầu độ trễ cho phép độ lớn đệm Độ lớn thời gian thức phụ thuộc chủ yếu tốc độ phát sinh thông điệp: phải đủ lớn để nút cảm biến phát tất thông điệp khoảng thời gian thức Trong yêu cầu độ trễ không gian đệm nói chung cố định tốc độ phát sinh thông điệp thường thay đổi Để đảm bảo tất thông điệp phát mong muốn, nút cảm biến phải cài đặt thời gian thức cho xử lý mức thông lượng cao Nhưng thông lượng xuống thấp thời gian thức không sử dụng tối ưu lượng bị lãng phí vấn đề nghe rỗi (idle listening) Giao thức điều khiển truy nhập T-MAC (Timeout-MAC) hai tác giả Tijs van Dam Koen Langendoen, khoa Công nghệ thông tin hệ thống, Trường đại học công nghệ Delft, Hà Lan, giới thiệu Hội nghị quốc tế hệ thống mạng cảm biến nhúng lần thứ Los Angeles, Mỹ, năm 2003 (Sensys’03), cải tiến S-MAC để khắc phục nhược điểm Ý tưởng giao thức T-MAC giảm bớt thời gian nghe rỗi việc truyền tất thông điệp cụm (burst) có độ dài thay đổi tùy theo, thực ngủ cụm, xác định cách mềm dẻo độ dài tối ưu thời gian thức theo thay đổi lưu lượng đường truyền a Phân nhóm đồng bô Đồng khung thời gian thực qua hình thành phân nhóm ảo mô tả giao thức S-MAC Khi nút cảm biến bắt đầu trình hoạt động mình, bắt đầu việc đợi nghe Nếu không nghe thấy khoảng thời gian định, tự chọn cho lịch làm việc truyền gói tin đồng SYNC chứa đựng thời gian khởi tạo khung lịch làm việc Nếu nút cảm biến thời gian khởi động nghe thấy gói 13 tin đồng từ nút khác, theo lịch làm việc gói tin đồng quảng bá gói tin đồng tương ứng b Thưc gửi RTS chon TA T-MAC T-MAC cần bổ sung số đặc tính so với S-MAC để thực điều chỉnh tối ưu thời gian thức 1, Khoảng cạnh tranh cố định (Fixed contention interval) 2, Thử phát lại RTS 3, Xác định khoảng TA 2.3.2 ADV-MAC: Một số giao thức Medium Access Control (MAC) dự án giảm thiểu tiêu thụ lượng đề xuất cho mạng cảm biến không dây Ví dụ, SensorMAC (S-MAC) đề xuất để giảm tiêu thụ lượng qua bước thực chu kỳ hoạt động Với lưu lượng tùy biến, chu kỳ nhiệm vụ cố định S-MAC lãng phí lượng sensor thu thập thông tin với độ trễ cao thông lượng thấp so với chu kỳ nhiệm vụ thích ứng Timeout-MAC (T-MAC) giới thiệu chu kỳ nhiệm vụ thích ứng để xử lý lưu lượng tùy biến Tuy nhiên, sensor không tham gia trao đổi liệu lượng tiêu thụ nguyên nhân giá trị thời gian chờ sensor thay đổi liên tục ADVMAC giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây giới thiệu nhằm loại bỏ việc lãng phí lượng cách giới thiệu khái niệm ưu điểm cho việc kết nối liệu ADV- MAC giảm thiểu lượng bị sensor thu thập thông tin trì chu kỳ nhiệm vụ thích ứng để xử lý lưu lượng tùy biến Ngoài ra, ADV-MAC cho phép lượng MAC truyền tải mutilcast So sánh chi tiết giao thức ADV-MAC với S-MAC T-MAC kết cho thấy ADV-MAC hiệu xử lý tình lưu lượng tùy biến cung cấp tăng đáng kể so với S-MAC T-MAC lượng (giảm tới 45%) faring T-MAC sản lượng độ trễ 14 2.4 Các giao thức MAC lai Giao thức MAC lai nút truy cập trung bình tranh chấp tùy thuộc vào tải lưu lượng cấu hình giao thức IEEE 802.15.4 [6] Z-MAC [22] hai giao thức MAC lai tiếng 2.4.1 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 [6] tiêu chuẩn IEEE cho mạng truyền thông không dây công suất thấp IEEE 802.15.4 giao thức dựa cụm mà chia mạng thành cụm điều khiển cụm đầu 2.4.2 Z-MAC Z-MAC [22] giao thức lai nút truy cập trung bình với kết hợp tranh dựa truy cập tranh miễn phí Thời gian ZMAC chia thành khe Mỗi khe gán cho nút cách mà hai nút khu phố truyền thông hai-hop giao khe cắm Nhiệm vụ thực cách sử DRAND [18], phân TDMA thuật toán phân khe Số lượng nút khu phố hai hop nút xác định khoảng thời gian khoảng thời gian (trong số khe) mà nút sở hữu khe Trong Z-MAC, nút hoạt động theo hai chế độ: mức tranh thấp (LCL) mức tranh cao (HCL) Một nút vào chế độ HCL nhận cụ thể thông báo tranh chấp (ECN) từ nút lân cận giai đoạn cuối Nếu không, theo mặc định, nút chế độ LCL Khi nút nhận thông tin từ nút lân cận, gửi thông báo tranh chấp (ECN) đến nút 2.5 Kết luận chương Như thấy từ phần phân tích này, giao thức MAC khác nhằm mục đích cải thiện tham số hiệu suất Các giao thức nhằm mục đích để bảo tồn lượng, đưa tỷ lệ thấp với gói có độ trễ cao hạn chế cấu trúc liên kết cụ thể Trong luận văn, ta thấy hiệu lượng giao thức MAC hiệu suất tổng thể nâng cấp cách áp dụng kỹ thuật quảng cáo Những cải tiến hạn chế thực theo kịch mạng khác 15 CHƯƠNG III: GIAO THỨC ADV-MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 3.1 Thiết kế tổng quan ADV MAC Một số giao thức Medium Access Control (MAC) dự án giảm thiểu tiêu thụ lượng đề xuất cho mạng cảm biến không dây ADV-MAC, giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây giới thiệu nhằm loại bỏ việc lãng phí lượng cách giới thiệu khái niệm ưu điểm cho việc kết nối liệu 3.1.1 Cơ hoạt động ADV-MAC Hình 3.1: Ví dụ ADV-MAC, T-MAC giao tiếp S-MAC 16 Vị trí nút đích tất ADV-MAC có chữ sau gói tin Nếu bỏ qua việc nghe nhàn rỗi giao thức T-MAC, nút trạng thái ngủ khu vực mở ba giao thức thời gian bắt đầu hoạt động với khoảng thời gian SYNC, sử dụng để đồng hóa cụm ảo nút Mỗi khung S-MAC bao gồm chiều dài SYNC cố định, giai đoạn liệu chiều dài cố định giai đoạn ngủ phụ thuộc vào chu kỳ nhiệm vụ TMAC có chiều dài khoảng thời gian SYNC cố định, độ dài thời gian liệu độ dài thời gian ngủ phụ thuộc vào điều kiện truyền tải lưu lượng Trong giai đoạn liệu S-MAC T-MAC bắt đầu sau thời gian SYNC, ADV-MAC hiểu khoảng thời gian ngắn hay gọi giai đoạn quảng cáo (giai đoạn ADV) trước đến giai đoạn liệu Thời gian quảng cáo sử dụng để truyền gói quảng cáo (gói ADV), có chứa thông tin người nhận Do ADV-MAC có khoảng thời gian SYNC độ dài cố định giai đoạn ADV có độ dài cố định, khoảng thời gian liệu giai đoạn ngủ có độ dài thay đổi Cần lưu ý liệu thời gian ngủ biến ADV-MAC T-MAC, tổng thời gian khung hình cố định Ngoài ra, không giống S-MAC, ADV-MAC giai đoạn nhiệm vụ cố định Tùy thuộc vào lưu lượng truyền tải dự kiến, thay đổi tổng chiều dài khung độ dài giai đoạn ADV trước triển khai hệ thống mạng Trong giai đoạn ADV nút có liệu để gửi gửi gói ADV Nhiều nút gửi gói ADV giai đoạn ADV Nếu gói ADV nhận người nhận mong muốn nó, nút nhận thức có liệu cấp phát cho Như vậy, sau kết thúc giai đoạn ADV, có nút gửi gói ADV máy thu nhận gói tin ADV thành công đánh thức khoảng thời gian liệu Lưu ý không tin xác thực gửi cho gói ADV Vì lý này, trường hợp vụ va chạm ADV, nút có gói va chạm va chạm trạng thái thức (khi nhận định trước trạng thái ngủ) Sau giai đoạn ADV, từ bắt đầu giai đoạn liệu nút gửi gói ADV tranh chấp môi trường trung gian cách lắng nghe phương tiện khoảng thời gian ngẫu nhiên sau gửi gói RTS Nút chiến thắng môi trường trung gian hoàn tất việc trao đổi liệu nó, nút gửi nhiều gói tin Khi nút giành chiến thắng môi trường trung gian, không cần phải gửi gói liệu RTS cho tất gói liệu, gửi gói liệu 17 người nhận trả lời lại với gói tin ACK Vì gói RTS CTS chứa thời gian toàn thời gian trao đổi, nút lại trì hoãn việc gửi liệu kết thúc trao đổi liệu IEEE 802.11 [11] vào trạng thái ngủ khoảng thời gian Sau trao đổi liệu qua lại, nút trạng thái thức bắt đầu tranh chấp môi trường trung gian Các nút có gói ADV va chạm cố gắng gửi gói RTS Tuy nhiên, theo kịch dự kiến nút trạng thái ngủ, nút cuối vào trạng thái ngủ sau thời gian chờ gói tin CTS Các nút thử lại khung Trong mạng multihop, có thiết bị đầu cuối ẩn Trong trường hợp vậy, người gửi không nhận trả lời từ người nhận dự kiến khoảng thời gian timeout CTS vào trạng thái ngủ, chí truyền gói ADV thành công Nếu nút không truyền tải thành công gói liệu khung sau truyền tải gói RTS, không cố gắng để truyền lại khung thử lại khung Như hình 3.1 cho thấy, S-MAC có tổng lượng tiêu thụ kích thước khung thiết lập cho ba giao thức Tuy nhiên, điều với giá trị thông lượng thấp độ trễ cao, nút S-MAC truyền tải gói tin khung Để cải thiện độ trễ thông lượng phải thêm chu kỳ nhiệm vụ cho S-MAC Theo giao thức S-MAC, thời gian hoạt động cố định Như vậy, tăng chu kỳ nhiệm vụ có nghĩa thời gian ngủ tổng thời gian khung hình ngắn Nút S-MAC trạng thái thức thường xuyên hơn, dẫn đến khung hình nhiều thời điểm Do đó, nút sử dụng lượng nhiều để có thông lượng tốt độ trễ cao Đối với TMAC, nút không cần thiết cho việc trao đổi liệu trạng thái thức lãng phí lượng ADV-MAC cung cấp mức tiêu thụ lượng thấp đạt thông lượng cao độ trễ thấp Mặc dù ADV-MAC cho biết thêm khoảng thời gian sau khoảng thời gian SYNC, việc tiêu thụ lượng ADV-MAC không lớn so với S-MAC T-MAC tải lưu lượng thấp Lý sau, xem xét trường hợp truyền tải lưu lượng với tất ba giao thức có độ dài khung Nếu giai đoạn liệu S-MAC, thời gian chờ T-MAC thời gian ADV ADV- MAC có thời gian, lượng tiêu thụ trường hợp Điều sau khoảng thời gian SYNC, tất nút SMAC thức giai đoạn liệu, tất nút thức thời gian chờ TMAC tất nút ADV-MAC thức giai đoạn ADV Các giai 18 đoạn ADV phải thời gian Timeout đưa [20] ADV-MAC cho việc tiêu thụ lượng thấp cho thông lượng độ trễ so với S-MAC TMAC ADV-MAC sử dụng phương pháp cho cụm ảo đồng hóa S-MAC [23] T-MAC [20] ADV-MAC sử dụng cụm ảo vật lý để tránh va chạm S-MAC [23] 3.1.2 Cơ chế cạnh tranh ADV-MAC Trong ADV-MAC chế cạnh tranh hai cấp tiến hành Các nút sở hữu gói liệu để gửi có cạnh tranh việc nhận thông báo giai đoạn ADV, khoảng thời gian liệu sau đó, nút cạnh tranh để gửi gói liệu Các chế cạnh tranh hai giai đoạn ADV giai đoạn liệu mô tả phần a, ADV theo chu kỳ Thời gian quảng cáo chia thành nhiều khe thời gian Khi bắt đầu thời gian quảng cáo, node có liệu để gửi đi, chọn ngẫu nhiên khe bắt đầu lắng nghe kênh khe thời gian đến Nếu truyền tải gói ADV xảy khe thời gian đến, truyền tải gói ADV b, Chu kỳ liệu cạnh tranh Ý tưởng phương pháp ADV cạnh tranh sử dụng cạnh tranh kỳ liệu Cho  khoảng thời gian giai đoạn liệu Sdata khoảng thời gian cửa sổ tranh chấp sử dụng trước lần truyền liệu khe đơn vị Các nút truyền giai đoạn ADV, chọn khe khỏi Sdata thiết lập đếm thời gian với khoảng thời gian khe mà chọn Khi đếm thời gian nút đạt giá trị 0, nút bắt đầu trao đổi liệu cách gửi gói RTS Khi kết thúc trình truyền tải tất nút nghe truyền dẫn hủy tính chúng chọn khe Sdata Quá trình lặp lại tất nút truyển tải kết thúc kết thúc giai đoạn truyền tải liệu 3.1.3 Vấn đề ngủ sớm T-MAC Các giao thức T-MAC có vấn đề gọi vấn đề ngủ sớm [20] Giả sử nút A có liệu cho nút B nút A không cạnh tranh nghe thấy RTS CTS từ trao đổi liệu khác Nếu nút B khỏi phạm vi đường truyền 19 này, bị time out trạng thái ngủ trước nút A gửi liệu Điều dẫn đến việc thời gian trễ tăng làm giảm giá trị thông lượng Vấn đề ngủ sớm xảy người nhận trả lời lại với CTS nghe thấy RTS / CTS trao đổi với trao đổi liệu khác Tuy nhiên, giao thức ADV-MAC vốn không xảy vấn đề ngủ sớm Trong suốt thời gian hoạt động ADV-MAC, có nút định nút thu dự định gói ADV trạng thái thức Nếu lắng nghe việc trao đổi liệu nút khác (thông qua RTS CTS), cần vào trạng thái ngủ suốt thời gian việc trao đổi liệu trạng thái thức lần để lắng nghe phương tiện Nếu không nghe thấy điều gì, trạng thái thức với RTS, biết mục tiêu làm việc từ lúc đầu 3.1.4 MAC Multicasting Trong S-MAC T-MAC, việc quảng bá diễn mà chế RTS / CTS, gói liệu gửi trực tiếp Có thể có tình mà nguồn quảng bá loại liệu khác nút nhận quan tâm đến kiểu liệu cụ thể Ví dụ, nút trang bị cảm biến khác nhau, quảng bá đo cảm biến riêng gói riêng biệt, nghiã nút quan tâm số loại liệu cảm biến Trong ứng dụng LMS- MAC kích hoạt tính tiết kiệm lượng đáng kể Khi nút S-MAC TMAC không nhận biết loại liệu quảng bá, tất nút nhận liệu quảng bá không quan tâm đến hình thái loại liệu, lượng bị lãng phí Trong ADV-MAC, gói ADV có vùng chứa loại liệu gửi Chỉ có nút quan tâm đến loại liệu trạng thái thức giai đoạn liệu Điều cho phép hiệu multicast đơn hop MAC tiết kiệm lượng lớn lượng 3.1.5 Năng lượng tiêu thụ Năng lượng tiêu thụ ba giao thức tính toán xấp xỉ với trường hợp đơn giản Với giá trị truyền dẫn, tiếp nhận tiêu thụ lượng nhàn rỗi xấp xỉ nhau, Theo MicaZ Tmote Sky tiêu hao lượng [5][7] Xem xét trường hợp N nút cluster ảo tất nằm phạm vi truyền dẫn 20 a, S-MAC Cho p chu kỳ nhiệm vụ tsim thời gian truyền Nếu w tín hiệu truyền, tiếp nhận không nghe, sau tổng lượng tiêu thụ nút tsim giây tính  Smac  wpt sim (3.1) b, T-MAC Để tính toán tổng mức tiêu thụ lượng T-MAC, tính toán tổng thời gian dành cho giao thức tất nút cluster ảo Chúng xem xét T-MAC với việc lắng nghe Hãy để Ns số nguồn tin mạng lưới truyền tải gói t giây Tổng thời gian thức thời gian SYNC thời gian chờ cuối tất nút N thời gian mô NNc (tsync  tTA ) (3.2) Bảng 3.1: ADV-MAC: Ký hiệu sử dụng Số lượng, lượng ký hiệu Tổng Time Simulation tsim Tx / Rx / Idle Listening Power w Số nút N Số Nguồn Nodes Ns Số khung hình / chu kỳ t sim Nc Số gói tin trao đổi t sim Np Thời gian Sync tsim Thời hạn Thời gian chờ TTA Thời hạn thời gian ADV tADV Thời hạn thời gian Contention Trung bình t cw Thời hạn kiểm soát gói (RTS, CTS, ACK, ADV) Thời hạn gói liệu tcontrol t data p Duty Cycle (%) 21 Nc tổng số chu kỳ thời gian mô tsim thời gian SYNC thời gian chờ khoảng thời gian biểu thị tsync tTA Thời gian sử dụng gửi nhận gói tin CTS liệu N p (tcontrol  tdata ) (3.3) Với tcontrol thời gian gói điều khiển (RTS, CTS ACK), Np tổng số gói tin trao đổi thời gian mô tsim tính Ns tsim / tr, t data slà thời gian gói liệu Khi xem xét việc lắng nghe, yếu tố sử dụng (3.3) để có hai nút trạng thái thức Nếu không bỏ qua việc lắng nghe, tất nút thu liệu trạng thái thức, yếu tố N thay Tổng thời gian trình chu kỳ Nc việc truyền nhận gói điều khiển chờ đợi khoảng thời gian tranh chấp NN p (2tcontrol  t cw ), (3.3) t cw thời gian trung bình việc tiêu thụ lượng nút Kết hợp (3.2), (3.3) (3.4), tổng thời gian dành cho trạng thái thức tất nút N unicast Ttmac  NN c (tsync  tTA )  N p (tcontrol  tdata )  NN p (2tcontrol  t cw ) (3.4) phương trình là: Ttmac  NNc (tsync  tTA )  NN p (tdata  t cw ) (3.5) Nếu w việc truyền tải, tiếp nhận lắng nghe nhàn rỗi, sau tổng lượng dành cho nút tmac  Ttmac w N (3.6) c ADV-MAC Như T-MAC, tổng thời gian trạng thái thức tất nút cluster ảo tính toán Cho N số trung bình gói tin truyền chu 22 kỳ, đưa Np /Nc Tổng thời gian trạng thái thức giai đoạn SYNC thời gian quảng cáo tất nút N NNc (tsync  t ADV ) (3.7) t ADV thời gian giai đoạn quảng cáo Thời gian dành cho việc gửi nhận liệu, CTS ACK cho N p (tdata  2tcontrol ), (3.8) Một lần nữa, yếu tố sử dụng có hai nút trạng thái thức Thời gian trình tồn chu kỳ truyền tải nhận gói tin điều khiển (RTS) chờ đợi giai đoạn tranh chấp Tổng chu kỳ phản ánh số lượng nút chờ đợi tranh chấp sau nhận truyền RTS CTS gói Ví dụ, giả sử có nút chờ đợi để truyền chu kỳ định Sau đó, nút đợi khoảng (2t control + t cw) số lượng thời gian Nút thắng tranh chấp trạng thái thức với nút đích, nút khác vào trạng thái ngủ Khi việc truyền liệu hoàn tất, nút trạng thái thức lần sử dụng (2t control + t cw) số lượng thời gian Sau đó, hai nút trạng thái thức hai nút lại vào trạng thái ngủ khi trao đổi liệu qua chuyển sang trạng thái thức Tổng tất (2t control + t cw) thời gian trạng thái thức nút Kết hợp (3.8), (3.9) (3.10), tổng thời gian trạng thái thức tất N node với cho kịch unicast Tadvmac  NN c (tsync  t ADV )  N p (tdata  2tcontrol ) na  2 N c  (na  i)(tcontrol  t cw ) (3.9) i 0 Đối với kịch quảng bá, phương trình trở thành Tadvmac  NN c (tsync  t ADV )  (1  na  N  Ns ) N c  (na  i )(tcontrol  t cw ) nt i 0 Tổng chu kỳ có hệ số (1  (3.10) N  Ns ) thay 2, n t số lượng nt loại liệu khác Đây nút gửi có nhiều nút nhận Vì máy thu có chọn lọc nhận gói tin broadcast, cho loại gói liệu, có N  Ns thu., Tổng lượng dành cho nút nt 23 Eadvmac  Tadvmac w N (3.11) Các phương trình tiêu thụ lượng S-MAC, T-MAC ADV-MAC không xem xét va chạm Tuy nhiên, mạng truyền tải lưu lượng không cao, cung cấp giá trị hợp lý ADV-MAC giảm thiểu lượng bị nhàn rỗi nghe cách giới thiệu khái niệm quảng cáo cho tranh Trong thực tế, nhiều trường hợp, ADV- MAC mức tiêu thụ lượng nhất, có độ trễ tốt thông lượng so với T-MAC Ngoài ra, ADV-MAC giới thiệu chế multicasting lượng hiệu cấp MAC mà vắng mặt S-MAC TMAC 3.2 Phân tích tối ưu hóa cho hiệu lượng ADV-MAC Trong phần 3.1, Quảng cáo-MAC (ADV-MAC), giao thức MAC thiết kế để giảm thiểu lượng lãng phí nghe nhàn rỗi Việc tiêu thụ lượng ADV-MAC lên đến 45% so với hai giao thức MAC tiếng, Sensor-MAC (S-MAC) [23] Timeout-MAC (T-MAC) [20] 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 3.2.1 Thời gian Contention ADV 3.2.2 Thời gian Contention Dữ liệu 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 24 3.3.1 Tỷ lệ chuyển giao gói Packet 3.3.1.1 Contention giai đoạn ADV Hình 3.6: Kết thực nghiệm 25 Từ hình 3.6 [24] nhìn thấy giao thức ADV-MAC tối ưu hóa có mức tiêu thụ lượng 31-53% so với gốc ADV-MAC So với TMAC, việc tiêu thụ lượng giảm 62-71%, so với S-MAC 10% SMAC 20%, tiêu hao lượng giảm 41-53% 61-71%, tương ứng Như thấy từ Figs 3.6 (b) 3.6 (c), khoản tiết kiệm lượng thu mà không ảnh hưởng PDR độ trễ PDR có giá trị xấp xỉ độ trễ số tất giao thức Các giao thức ADV-MAC gốc có PDR tương tự hiệu suất độ trễ tối ưu hóa, mức tiêu thụ lượng cao nhiều Tuy nhiên, giao thức tốt nhiều so với ba giao thức khác S-MAC có 10% không sử dụng tốc độ liệu thấp Điều S-MAC chứa nút để truy cập trung bình khung hình S-MAC 20% thực tốt hơn, PDR độ trễ không làm suy giảm tăng tốc độ liệu 1pkt / giây Sau này, PDR thông lượng sụt giảm không trì tải lưu lượng cao Tại tải lưu lượng cao vậy, chu kỳ nhiệm vụ cao cần thiết để S-MAC T-MAC thực thực so với S-MAC 20% tải lưu lượng cao Đây chủ yếu vấn đề trạng thái ngủ sớm mô tả [20] Điều làm giảm PDR độ trễ tải lưu lượng cao ADV-MAC không bị ảnh hưởng vấn đề nhận nút có thông tin trước liệu truyền đến Do đó, không di vào trạng thái ngủ, giữ PDR liên tục trễ làm tăng lưu lượng 3.4 Kết luận chương Trong chương 3, trình bày ADV-MAC, giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây, tối thiểu hóa lượng bị nhàn rỗi nghe cách giới thiệu khái niệm quảng cáo cho tranh chấp ADV-MAC cung cấp cắt giảm đáng kể mức tiêu thụ lượng so với S-MAC T-MAC không thông lượng độ trễ Tuy nhiên, thời gian giai đoạn ADV thời gian giai đoạn liệu tranh chấp ADV-MAC không tối ưu ADV-MAC đưa quảng bá dựa đa truy nhập phân chia theo thời gian ATMA, TDMA dựa giao thức MAC phân phối cho mạng không dây mạng cảm biến mà sử dụng tính chất bùng phát có chu kỳ lưu lượng để tránh lãng phí lượng thông qua quảng cáo xếp chỗ cho khe cắm liệu Dựa nghiên cứu để đưa phương pháp hỗ trợ hiệu lượng 26 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu lượng mạng WSN Luận văn giới thiệu khái niệm tính chất đặc thù mạng cảm biến không dây WSN, thách thức cụ thể thảo luận cách toàn diện Luận văn liệt kê ứng dụng dịch vụ mạng cảm biến không dây số thách thức mạng cảm biến không dây để có nhìn tổng thể mạng cảm biến không dây Luận văn Tìm hiểu các giao thức MAC khác nhằm mục đích cải thiện tham số hiệu suất Các giao thức nhằm mục đích để bảo tồn lượng, đưa tỷ lệ thấp với gói có độ trễ cao hạn chế cấu trúc liên kết cụ thể Ta thấy hiệu lượng giao thức MAC hiệu suất tổng thể nâng cấp cách áp dụng kỹ thuật quảng cáo Những cải tiến hạn chế thực theo kịch mạng khác Và thông qua Một số giao thức Medium Access Control (MAC) dự án giảm thiểu tiêu thụ lượng đề xuất cho mạng cảm biến không dây ADV-MAC, giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây giới thiệu nhằm loại bỏ việc lãng phí lượng cách giới thiệu khái niệm ưu điểm cho việc kết nối liệu Giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây tối thiểu hóa lượng bị nhàn rỗi nghe cách giới thiệu khái niệm quảng cáo cho tranh chấp ADV-MAC cung cấp cắt giảm đáng kể mức tiêu thụ lượng so với S-MAC T-MAC không thông lượng độ trễ Tuy nhiên, nhiều thách thức mà luận văn chưa đề cập đến đòi hỏi cần phải nghiên cứu thêm Hướng nghiên cứu để cải tiến hoàn thiện là: - Việc thời gian giai đoạn ADV thời gian giai đoạn liệu tranh chấp ADV-MAC không tối ưu Các giao thức ADV-MAC gốc có PDR tương tự hiệu suất độ trễ tối ưu hóa, mức tiêu thụ lượng cao nhiều so với mong muốn Mặc dù có cải thiện so với giao thức T-MAC S-MAC 27 ... tổng thể mạng cảm biến không dây CHƯƠNG II: GIAO THỨC MAC HỖ TRỢ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN Chương nghiên cứu giao thức Mac mạng WSN, đặc điểm nguyên tắc hoạt động giao thức định tuyến Những... 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... hiệu lượng 26 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu lượng mạng WSN Luận văn giới thiệu khái niệm tính chất đặc thù mạng