Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)

Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (tt)

1 LỜI MỞ ĐẦU Trong trình phát triển người, cách mạng cơng nghệ đóng vai trò quan trọng, chúng làm thay đổi ngày sống theo hướng đại Đi đơi với q trình phát triển người, thay đổi tác động người tự nhiên, môi trường sống diễn ra, tác động trở lại chúng ta, ô nhiễm mơi trường, khí hậu thay đổi, cháy rừng, v.v Ngày nhờ có tiến nhanh chóng khoa học công nghệ, phát triển mạng bao gồm cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nhận ý đáng kể Hiện người ta tập trung triển khai mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) để áp dụng vào sống hàng ngày Đó lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong tương lai không xa, ứng dụng WSN trở thành phần thiếu sống người phát huy hết điểm mạnh mà khơng phải mạng có Đặc biệt, kịch giới IoT đưa ra, việc nghiên cứu WSN trở nên có ý nghĩa Tuy nhiên, mạng cảm biến phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn nguồn lượng bị giới, hạn khả xử lý thấp, tín hiệu yếu hoạt động tần số chia sẻ Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Trong trình tìm hiểu nghiên cứu mạng cảm biến, em lựa chọn tìm hiểu việc nâng cấp hiệu mạng để khai thác hiệu thông qua việc lựa chọn phương pháp xâm nhập môi trường MAC phù hợp kết hợp lựa chọn phương pháp định tuyến để phương pháp tối ưu nhất, em định lựa chọn đề tài: “Cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp MAC giao thức định tuyến” để làm luận văn tốt nghiệp Luận văn cấu trúc bao gồm chương sau: Chương I: Tổng quan mạng cảm biến không dây Nội dung chương trình bày tổng quan khái niệm, cấu trúc, ứng dụng WSN nhằm bật đặc tính riêng biệt đối tượng cần quan tâm nghiên cứu Bên cạnh đó, chương đưa thách thức WSN thấy ý nghĩa thực tiễn tính cấp thiết đề tài Sự khác biệt cấu trúc chức mạng truyền thông không dây với mạng hữu tuyến truyền thống cho thấy tiếp cận xuyên lớp hướng tất yếu cho toán cung cấp chất lượng dịch vụ WSN Chương II: Đặc tính kỹ thuật lớp MAC giao thức định tuyến Chương trình bày lớp MAC giao thức định tuyến Mỗi giao thức có ưu, nhược điểm riêng Hiện nay, có nhiều cải tiến loại giao thức đưa cho kết khả quan Việc lựa chọn loại giao thức hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng mà triển khai Mặc dù hoạt động giải thuật định tuyến đầy hứa hẹn yêu cầu sử dụng hiệu lượng nghiên cứu sau cần phải xác định rõ thêm vấn đề chất lượng dịch vụ ứng dụng cảm biến hình ảnh ứng dụng thời gian thực Chương III: Kết hợp giao thức MAC giao thức định tuyến Phần tập trung vào thiết kế giao thức MERLIN tích hợp MAC chức định tuyến vào kiến trúc MERLIN tối ưu hóa cho giao tiếp nút gateway, hỗ trợ phía Upstream, Downstream phát quảng bá cục việc truyền liệu Các gói tin lưu chuyển đạt thông qua phận mạng miền thời gian thông qua việc sử dụng lập lịch truyền thích hợp Thơng qua mơ kiểm chứng mô số mô kiện rời rạc để chứng minh tính đắn giải pháp đề xuất kết hợp xuyên lớp Các kết đánh giá so sánh để thể rõ mục tiêu cải thiện hiệu Chương I: Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiêu chung 1.1.1 Định nghĩa Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại quang học) để phối hợp thực nhiệm vụ thu thập thông tin liệu phân tán với quy mô lớn điều kiện vùng địa lí WSN thực liên kết với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua điểm thu phát (Sink) môi trường mạng công cộng Internet hay vệ tinh 1.1.2 Động lực phát triển 1.2 Cấu trúc thành phần mạng cảm biến không dây 1.2.1 Mô tả hệ thống tổng quát Cấu trúc mạng cảm biến không dây thể hình 1.1 Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu thập thơng số liệu, định tuyến số liệu thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) định tuyến tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến nút cảm biến Số liệu định tuyến phía thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết khơng có sở hạ tầng tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức khơng có trạm thu phát gốc hay trung tâm điều khiển Bộ thu nhận liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) người dùng gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) 1.2.2 Nút cảm biến Một nút cảm biến bao gồm thành phần sau: Hình 1.2: Cấu tạo nút cảm biến Những nút cảm biến thường không tác động được, tuổi thọ mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ nguồn cung cấp lượng Vì kích thước giới hạn, lượng nút cảm biến trở thành tài nguyên khan 1.2.3 Hai cấu trúc đặc trưng mạng cảm biến  Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất nút ngang hàng đồng hình dạng chức Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng nút ngang hàng làm tiếp sóng Hình 1.3: Cấu trúc phẳng mạng cảm biến  Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), cụm tạo giúp tài nguyên cụm gửi liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ cụm) đến nút định sẵn, thường gọi nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc nút tạo thành hệ thống cấp bậc mà nút mức xác định thực nhiệm vụ định sẵn Hình 1.4: Cấu trúc tầng mạng cảm biến Trong cấu trúc tầng chức cảm nhận, tính tốn phân phối liệu khơng đồng nút Những chức phân theo cấp, cấp thấp thực tất nhiệm vụ cảm biến, cấp thực tính tốn, cấp thực phân phối liệu (hình 1.5) Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp 1.3 Các thách thức mạng cảm biến khơng dây 1.3.1 Chi phí thấp 1.3.2 Mức độ khả dụng 1.3.3 Kiểu mạng 1.3.4 Bảo mật 1.3.5 Trễ tin 1.3.6 Tính di động 1.3.7 Sử dụng hiệu lượng Đây thách thức lớn mạng cảm biến khơng dây, vì, đề cập kích thước giới hạn, lượng nút cảm biến trở thành tài nguyên khan tuổi thọ mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ nguồn cung cấp lượng Các nguyên nhân gây lãng phí lượng: - Xung đột – tắc nghẽn (Collision – Obstruction): nguyên nhân gây lãng phí lượng Khi hai gói tin nút mạng truyền thời điểm xảy xung đột, chúng bị hỏng bị loại bỏ Yêu cầu truyền lại gói tin lần làm hao phí thêm lượng nút Tuy nhiên, nút yêu cầu truyền lại thời điểm nên xảy xung đột lần Điều gây tắc nghẽn môi trường truyền mà nút cố gắng truyền lại Nếu tiếp tục hao phí lượng lớn việc thực phát tín hiệu cơng việc gây tiêu tốn lượng nút Do đó, tất giao thức MAC phải cố gắng tránh gây xung đột cách để làm tăng hiệu lượng cho nút mạng - Nghe lỏm (Overhearing): môi trường truyền dẫn WSN môi trường khơng khí nên vấn đề nghe lỏm xảy nút nhận gói tin dành cho nút khác Mà nút muốn nhận gói tin phải tiêu tốn lượng cho việc này, mức tiêu tốn không việc phát sóng vơ tuyến gây tiêu hao lượng đáng kể nút Việc nghe lỏm gói tin khơng cần thiết nhân tố gây việc tiêu hao lượng - Nghe nhàn rỗi (Idle listening): xảy nút nhận nghe kênh tất xem có liệu khơng để nhận cố gắng để khơng gói tin Tuy nnhiên mạng cảm biến khơng dây cảm biến kiện xảy có liệu phát đi, cịn lại khơng có liệu khoảng thời gian dài.Việc nghe nhàn rỗi thời gian dài gây tiêu hao lượng đáng kể - Xử lý gói tin điều khiển (overhead): bao gồm việc gửi, nhận nghe gói tin nút Dù gói tin điều khiển khơng khơng chun chở liệu làm tiêu thụ lượng đáng kể nút mạng Một giao thức MAC thiết kế cho WSN cần giải nguyên nhân việc điều khiển thành phần sóng vơ tuyến để tránh giảm bớt tiêu hao lượng 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 1.4.1 Giám sát điều khiển cơng nghiệp 1.4.2 Tự động hóa gia đình điện dân dụng 1.4.3 Cảm biến quân 1.4.4 Cảm biến y tế giám sát sức khoẻ 1.4.5 Cảm biến môi trường nông nghiệp thông minh 1.5 Kết luận chương Nội dung chương I trình bày tổng quan khái niệm, cấu trúc, ứng dụng WSN nhằm bật đặc tính riêng biệt đối tượng cần quan tâm nghiên cứu Bên cạnh đó, chương đưa thách thức WSN thấy ý nghĩa thực tiễn tính cấp thiết đề tài Sự khác biệt cấu trúc chức mạng truyền thông không dây với mạng hữu tuyến truyền thống cho thấy tiếp cận xuyên lớp hướng tất yếu cho toán cung cấp chất lượng dịch vụ WSN CHƯƠNG II: ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LỚP MAC VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 2.1 Giới thiệu mơ hình phân lớp OSI Trong hình 2.1 kiến trúc giao thức sử dụng cho mạng cảm biến Kiến trúc bao gồm lớp mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý để nút làm việc theo cách có hiệu nhất, định tuyến liệu mạng cảm biến không dây chia sẻ tài nguyên nút cảm biến Hình 2.1: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 2.2 Các tiêu chuẩn lớp MAC WSN Một đặc tính mạng khơng dây hoạt động môi trường vô tuyến Tất giao thức điều khiển thâm nhập môi trường (Medium Access Control - MAC) cho mạng không dây quản lý việc sử dụng liên kết sóng vơ tuyến để đảm bảo hiệu sử dụng băng thông chia sẻ Những giao thức MAC thiết kế cho mạng cảm biến không dây (WSN) ngồi mục đích giống mạng khơng dây khác quản lý hoạt động sóng vơ tuyến cịn có mục tiêu bổ sung bảo tồn lượng cho nút mạng Có nhiều thơng số cần quan tâm thiết kế giao thức MAC cho mạng khơng dây truyền thống WSN quan tâm đến vấn đề sau: - Độ trễ (Delay): lượng thời gian cần thiết để gói liệu xử lý trước phát thành công Sự quan trọng đỗ trễ phụ thuộc vào ứng dụng mạng cảm biến - Thông lượng (Throughput): đề cập tới số lượng liệu chuyển thành công từ nơi gửi đến nơi nhận khoảng thời gian cho trước Nó thường đo thông điệp giây bit giây - Độ chắn (Robustness): kết hợp tin cậy, linh động yêu cầu phụ thuộc khác Nó phản ánh mức độ giao thức việc đối phó với lỗi thơng tin sai - Khả mở rộng (Scalability): khả hệ thống đáp ứng thay đổi kích thước mạng, mật độ cấu trúc liên kết mạng - Tính ổn định (Stability): khả hệ thống sử dụng băng thông dung lượng kênh truyền khoảng thời gian dài hoạt động - Sự công (Fairness): thể khả người dùng, nút ứng dụng khác chia sẻ kênh truyền cách công - Hiệu lượng (Energy efficiency): yêu cầu quan trọng việc thiết kế giao thức MAC cho WSN Khi thiết kế giao thức MAC cho WSN yếu tố quan trọng hiệu lượng khả mở rộng, thơng số cịn lại thứ yếu khơng cần quan tâm 2.3 Các giao thức MAC WSN 2.3.1 CSMA CSMA giao thức mà trạm làm việc lắng nghe đường truyền trước đưa định làm để tương thích với trạng thái đường truyền gọi giao thức có cảm nhận đường truyền Nó hoạt động cách: lắng nghe kênh truyền, thấy kênh truyền rỗi bắt đầu truyền khung, thấy bận trì hỗn lại việc gửi khung Ngồi ra, người ta cịn xây dựng thêm giao thức mở rộng CSMA/CD (Đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột) Giao thức giống CSMA với chế lắng nghe trước truyền cải tiến thêm việc phát xung đột làm lại sau 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 Sau bị xung đột, nút chạy thuật toán gọi back-off dùng để tính tốn lại lượng thời gian phải chờ trước gởi lại khung Lượng thời gian phải ngẫu nhiên để nút sau quay lại không bị xung đột với  Vấn đề nút ẩn, nút hiện: 10 CSMA truyền thống không cảnh báo miền đụng độ khơng hiệu mạng khơng dây có vấn đề : vấn đề nút ẩn vấn đề nút Vấn đề nút ẩn minh hoạ hình 2.2 (a), nút A truyền tới nút B Nút C, nút mà nằm ngồi sóng A, cảm nhận thấy kệnh truyền tới nút A rảnh bắt đầu truyền tới nút B Trong trường hợp CSMA không phát cảnh báo xung đột A C ẩn với Vấn đề nút minh hoạ hình 2.2 (b) Ở đây, nút B truyền tới nút A, nút C có gói dành cho nút D Tại nút C nằm vùng phủ sóng nút B, cảm thấy đường truyền bận khơng truyền Tuy nhiên lý thuyết nút D nằm ngồi vùng phủ sóng nút B, A nằm ngồi vùng phủ sóng C, có phiên truyền mà khơng đụng độ với Việc trì hỗn việc truyền C làm lãng phí băng thơng Hình 2.2: Các vấn đề với CSMA môi trường không dây (a) Nút ẩn,(b) Nút 2.3.2 S-MAC (Sensor - MAC) S-MAC trường hợp đa phân chia thời gian túy 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 Giao thức cố gắng giảm bớt tiêu thụ lượng từ tất nguồn xác định nguyên nhân gây tiêu hao lượng, là: nghe nhàn rỗi (idle listening), xung đột (collision), nghe lỏm (overhearing) xử lý thông tin điều khiển (overhead) Để đạt mục đích thiết kế, S-MAC thiết kế gồm có ba vấn đề thực chu kỳ thức - ngủ, tránh xung đột nghe lỏm, xử lý tiêu đề a) Thực chu kỳ thức - ngủ  Lược đồ bản: Mỗi nút cảm biển chuyển vào trạng thái ngủ khoảng thời gian, sau tỉnh dậy nghe xem liệu có nút muốn truyền tín hiệu tới Trong thời gian ngủ, nút cảm biến tắt phận thu phát vô tuyến đặt thời gian để quay trạng thái thức Việc tạo thành chu kỳ chu kỳ thức - ngủ 18 3.1.3 Giao thức định tuyến tới trung tâm liệu  Giao thức SPIN SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) dựa ý tưởng đặt tên liệu sử dụng ký hiệu mô tả mức độ cao hay cịn gọi thơng tin liệu (meta-data) Trước truyền, thông tin liệu trao đổi nút qua chế thông báo liệu, đặc điểm SPIN Mỗi nút nhận liệu mới, thông báo tới nút lân cận nút lân cận quan tâm đến liệu này, ví dụ nút mà khơng có liệu, lấy liệu nhờ gửi tin yêu cầu Sự dàn xếp thông tin liệu SPIN giải vấn đề flooding thông tin dư thừa, chồng chéo vùng cảm nhận, đạt hiệu mặt lượng Có tin xác định SPIN dùng để trao đổi liệu nút, tin ADV cho phép nút thông báo meta-data cụ thể, tin REQ để yêu cầu liệu đặc biệt tin DATA để mang thông tin thực Hình 3.2 tổng kết lại trình SPIN Nút A bắt đầu quảng bá liệu tới nút B (a) Nút B trả lời cách gửi yêu cầu tới nút A (b) Nút B nhận liệu yêu cầu từ nút A (c) Nút B phát tin quảng bá đến nút lân cận (d), sau nút gửi yêu cầu lại cho B (e-f) Hình 3.2: Cơ chế SPIN  Giao thức truyền tin trực tiếp Giao thức truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion) sử dụng lược đồ tập trung liệu nút biết ứng dụng Tất liệu phát nút cảm biến 19 đặt tên sử dụng cặp giá trị thuộc tính sử dụng q trình xử lí mạng tích hợp liệu (aggregation) Giao thức loại bỏ dư thừa liệu nhờ trình xử lí nội mạng, tối thiểu số lần truyền nên tiết kiệm lượng, kéo dài thời gian sống mạng Hình 3.3 mơ tả q trình diễn mạng dùng giao thức Directed Diffusion Hình 3.3: Các pha Directed Diffusion  Giao thức GBR Giao thức GBR (Gradient based Routing) giao thức chỉnh sửa Directed Diffusion Ý tưởng giao thức lưu số chặng phân tán qua mạng Do đó, nút tìm số chặng tối thiểu tới Trạm gốc (khoảng cách tới Trạm gốc) Sự khác khoảng cách tới Trạm gốc nút nút lân cận xem xét gradient kết nối Một gói chuyển tiếp kết nối với gradient lớn Trong giao thức dùng số kĩ thuật tích hợp liệu phân tán lưu lượng (traffic spreading) để chia thơng lượng tồn mạng 3.1.4 Giao thức định tuyến phân cấp Phần trình bày số giao thức tiêu biểu loại giao thức định tuyến phân cấp  Giao thức LEACH 20 LEACH (Low-energy adaptive clustering hierarchy) số cách tiếp cận định tuyến phân cấp cho mạng cảm biến Ý tưởng để hình thành cụm nút cảm biến dựa vào cường độ tín hiệu nhận dùng nút chủ cụm router đến trạm gốc Việc tiết kiệm lượng q trình truyền thực nút chủ cụm thay cho việc sử dụng tất nút cảm biến Số lượng nút chủ tối ưu cụm vào khoảng 5% tổng số lượng nút Trong giao thức LEACH, nhờ việc lựa chọn ngẫu nhiên số nút làm nút chủ cụm sau quay vịng vai trò nút chủ cụm cho nút khác cụm, việc tiêu hao lượng liên lạc với trạm gốc trải cho tất nút cảm biến mạng Nhờ góp phần vào việc kéo dài thời gian sống cho mạng Quá trình hoạt động LEACH chia thành hai pha pha thiết lập pha ổn định Thời gian pha ổn định kéo dài so với thời gian pha thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển  Giao thức PEGASIS Sự khác biệt so với LEACH chỗ dùng định tuyến đa chặng việc hình thành chuỗi và chọn nút để truyền đến trạm gốc thay cho dùng nhiều nút Dùng PEGASIS giải vấn đề mào đầu gây việc hình thành cụm động LEACH giảm số lần truyền nhận việc tập hợp liệu Tuy nhiên PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn nút xa chuỗi, khó áp dụng cho mạng có quy mơ lớn, số nút cảm biến lớn Hơn nút xảy tượng thắt cổ chai 3.1.5 Giao thức dựa vị trí  Giao thức GAF Giao thức GAF (Geographic Adaptive Fidelity) dựa vị trí có hiệu mặt lượng thiết kế chủ yếu cho mạng ad-hoc di động, áp dụng cho mạng cảm biến Trong giao thức này, toàn mạng chia thành khu vực cố định hình thành lưới ảo Trong khu vực, nút kết hợp với để giữ vai trò khác Ví dụ như, nút bầu nút trạng 21 thái hoạt động khoảng thời gian định sau vào chế độ nghỉ Các nút chịu trách nhiệm giám sát báo cáo liệu Trạm gốc thay cho nút khu vực Do GAF dự trữ lượng cách tắt nút không cần thiết mạng mà không ảnh hưởng đến mức độ xác định tuyến Mỗi nút dùng GPS – vị trí xác định để kết hợp với điểm lưới mà coi tương đương tính đến giá việc định tuyến gói Sự tương đương tận dụng để giữ nút định vị vùng lưới xác định trạng thái nghỉ để tiết kiệm lượng Vì GAF tăng đáng kể thời gian sống mạng cảm biến mà số lượng nút tăng lên Giao thức GEAR Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) giao thức sử dụng thơng tin vị trí trình truyền tin truy vấn tới vùng thích hợp truy vấn thường chứa thuộc tính mang thơng tin vị trí Giao thức dùng nhận biết lượng và thông tin vị trí nút lân cận để định tuyến tin truy vấn vùng đích Việc định tuyến thơng tin theo vùng địa lý có ích hệ thống xác định vị trí, đặc biệt mạng cảm biến Ý tưởng giao thức hạn chế số lượng yêu cầu Directed Diffusion cách quan tâm đến vùng xác định gửi yêu cầu tới toàn mạng Nhờ đó, mà GEAR cải tiến Directed Diffusion điểm dự trữ nhiều lượng 3.2 Giao thức định tuyến xuyên lớp MERLIN 3.2.1 Tổng quan MERLIN Trong giao thức MERLIN, miền thời gian chia nhỏ thành vùng thời gian tồn mạng, minh họa hình 3.4 Miền thời gian giới thiệu pha thiết lập với tin quảng bá SYNC từ gateway tới nút lân cận ngược lại đồng hóa đồng hồ nội chúng, thiết lập miền thời gian tăng biến đếm miền thời gian cho gói liệu SYNC trước chuyển tiếp tới nút xung quanh Kết thúc trình tất node tổ chức thành miền thời gian tương ứng 22 Hình 3.4: Phân chia mạng theo các vùng thời gian 3.2.2 Thiết kế giao thức MERLIN  Truyền liệu MERLIN sử dụng cách tiếp cận phát đa đường chuyển tiếp gói tin đến biên miền thời gian MERLIN hỗ trợ hai loại phát đa đường: (1) phát đa đường Upstream đến gateway; (2) phát đa đường Downstream từ gateway Hơn nữa, MERLIN cung cấp phát quảng bá cục để truyền liệu, thông tin node lân cận (ví dụ số RSSI, bảng lân cận, số nhận dạng, quảng bá thông tin, vv.) Trong trường hợp phát đa đường Downstream phát quảng bá cục bộ, dành cho tất nút, lưu ý có gói tin truyền khơng xác dẫn đến việc tự sửa lỗi đơn bit lập kế hoạch truyền lại Hình 3.5: Mơ hình liệu hai chiều liên tục node và gateway 23  Lập lịch Mục đích bảng lập lịch phép khe thời gian phân bổ cho nút mạng để giao thời kỳ node hoạt động không hoạt động Lập kế hoạch cho phép đồng hóa nút lân cận để truyền nhận Trong mục nhấn mạnh đến chu kỳ lập lịch kiện dựa hai hướng truyền liệu Upstream truyền liệu Downstream Mơ hình liệu tiêu biểu phân loại liên tục không liên tục Mơ hình liệu liên tục chuyển tiếp gói tin mà khơng bị gián đoạn từ nguồn tới đích cịn mơ hình liệu khơng liên tục có số độ trể q trình chuyển tiếp Độ trễ sử dụng để tránh va chạm tiết kiệm lượng Trong hình 3.6 mũi tên truyền lại nguồn tới đích Gói tin truyền mơ hình liệu liên tục đạt đến đích mà khơng bị gián đoạn Hình 3.6: Mơ hình liệu hai chiều khơng liên tục node và gateway  Định dạng gói Trong MERLIN gói đại diện cho tập hợp tin lắp ráp nút yêu cầu để chuyển tiếp số tin nhận từ nút khác Một nút tạo tin có chứa thông tin giao thức sourceID, destID, forwardID, orwardZone, msgstr, msgType, và, tất nhiên, DATApayload Tất tin xác định msgstr, mà kết hợp sourceID Trong trình chuyển tiếp đến gateway, nút nhận gói tin từ số nút chuyển tiếp đến nút miền thời gian thấp Kể từ liệu cảm biến thường có vài bytes, ví dụ, nhiệt độ, áp suất, hoá liệu 24 MERLIN tiếp xúc tin sau truyền cho chúng gói  Cơ chế truyền động Trong MERLIN, Node lập lịch tiếp nhận liệu kích hoạt radio chúng thời gian CCA để nghe kênh Nếu không phát kênh có hoạt động nút vào chế độ ngủ ngược lại nhận gói tin truyền Việc áp dụng chế CCA làm giảm đáng kể tượng nghe nghỉ bên nhận Hình 3.7: Cơ chế truyền động tránh va chạm MERLIN  Cơ chế hoạt động Node bắt đầu giai đoạn pha khởi động mạng cách lắng nghe cho gói SYNC, chứa thông tin thời gian, ID nguời gửi miền thời gian nguời gửi Gateways, đồng hóa tới miền thời gian tham khảo nhau, bắt đầu khơỉ tạo mạng việc phát quảng bá gói tin SYNC Gateways thiết lập miền thời gian nút cảm biến vùng lân cận gateway nhận gói SYNC dùng để đồng hóa đồng hồ nội chúng Khi chúng ngồi hop gateway nút thiết lập giá trị miền thời gian Cơ chế truyền tránh va chạm sử dụng để đảm bảo hoạt động chuyển tiếp Tất nút nhận gói tin từ SYNC nút múi để thiết lập miền thời gian Thủ tục lặp lặp lại tất nút thiết lập miền thời gian chúng Trong trường hợp nhiều cổng, cổng bắt đầu loang mạng lúc cách gửi gói tin SYNC đến nút lân cận Trên SYNC nhận gói tin từ hai cổng khác nhau, nút tính tốn họ thời gian khu để cổng chọn miền thời gian gateway gần 25 Kết thúc pha khởi động, số miền thời gian nút với số lượng tối thiểu hops gói tin cần phải đạt gateway gần Trong pha khởi động, nút phân lớp miền thời gian cao Ví dụ, có nút miền thời gian lỗi N truy cập vào kênh, gói tin va chạm phải áp dụng lại thủ tục cạnh tranh cho node để khung chuyển kênh công Trong đó, nút chờ đợi pha khởi động nhận gói SYNC từ bên thứ ba, việc gây chọn miền thời gian cao Như miền thời gian cao thống qua khơng ngăn cản nút từ giao tiếp với nút lân cận, điều dẫn đến đường dài để gateway Trong trường hợp nút cách từ hai cổng nút lựa chọn múi theo SYNC nhận Pha khởi động thời gian tổng số phụ thuộc vào bảng lập lịch sử dụng  Đồng hóa Sự độ xác đồng hồ nút cảm biến khơng cao địi hỏi phải đồng hóa gateway lặp lặp lại Ngồi việc đồng hóa bắt đầu thời điểm (hiệu số) khe nút, thu liên tục phải bồi thường điểm gãy tần số đồng hồ cá nhân nút Cả hai vấn đề giải cách bao gồm thời gian gói tin truyền Tất nút nhận sau ước tính bắt đầu khe theo người gửi, đồng hóa đồng hồ bù đắp Hơn nữa, nút tính tốn nghiêng đồng hồ cách so sánh theo thời gian quan sát khác biệt đồng hồ người gửi đồng hồ riêng Trong MERLIN, nút cập nhật họ đồng hồ đồng hóa từ nút thuộc miền thời gian thấp gần gũi với gateway Trong thực tế, nút tổ chức đồng hóa tốt hơn, thơng qua lý luận tương tự để tầng sử dụng NTP Một node tham gia mạng cách đơn giản lắng nghe gói tin Các gói tin chứa thơng tin, chẳng hạn người gửi miền thời gian, thời gian truyền gói liệu cho phép node ước tính miền thời gian đồng hóa cách điều chỉnh đồng hồ bù đắp theo thời gian nhận node sau vị trí để gia nhập mạng làm theo hoạt động theo bảng lập lịch định Mạng đơn giản thủ tục gia nhập làm tăng khả mở rộng giao thức để đối phó với mạng có quy mơ lớn Để ngăn chặn thiếu xác nghiêng 26 đồng hồ biến động, MERLIN sử dụng hai phương pháp: (1) Mỗi nút truyền gói tin đồng hóa với miền định kỳ với tốc độ liệu thấp; (2) Tiếp nhận nút 30μsec thức dậy sớm thời gian dự kiến thực nghiệm chứng minh giải phù hợp đồng hồ nghiêng gây cách sử dụng đồng hóa thời gian Nếu gateway gia nhập mạng, lần tham gia nút Sau đó, thơng báo diện thơng qua việc quảng bá gói tin SYNC Nodes so sánh thời gian cũ Miền với số chuyển tiếp gói tin SYNC Trong trường hợp gần gateway mới, nút thay đổi múi đầu khung sau việc truyền tải SYNC để có thành cơng Điều tránh tạm thời mạng lưới gián đoạn gây nút lân cận đồng khác  Đặc điểm định tuyến Việc phân chia múi với lịch trình loại hình truyền liệu cho phép gói tin chuyển đến từ đến gateway gần Nhớ lại MERLIN không không cụ thể địa nút chuyển tiếp Điều gây trùng lặp gói tin chuyền tiếp hoạt động Tuy nhiên, truyền gói điều khiển thơng qua chế cảm nhận, lắng nghe tin truyền qua node lân cận để xác định chúng sau xóa gói tin từ riêng Hình 3.8: Cơ chế cảm nhận đa đường thông qua nút lân cận Bản tin nối để tạo thành gói liệu Khi gói thành lập, số tin msg tạo Chỉ số msg có tất msgIDs gói tin 27 Chỉ số msg, msgstr trường hợp tin đơn nằm tiêu đề gói tin, cho phép nút lân cận miền thời gian xem xét tin truyền Một phân cách khung bắt đầu cho phép xác định khởi đầu số msg Về tin xác định đệm mà truyền nút lân cận vùng Đồng thời, nút xóa tin từ đệm hình 3.8 Điều chế sử dụng cho truyền thông multicast Upstream cần thiết mà dụ tin đến gateway Downstream truyền không áp dụng chế này, xóa tin số nút không nhận thông tin liên lạc từ gateway, chẳng hạn thông tin cập nhật định kỳ mạng  Duy trì miền thời gian Nếu nút khu N không nhận cập nhật định kỳ miền thời gian từ nút lân cận khu vực N-1, phát yêu cầu cập nhật miền thời gian (TUR) thông qua phát đa đường thượng nguồn hình 3.9 Trong trường hợp trả lời khơng, nút cho kết nối với khu N-1 thất bại Node sau cố gắng thiết lập lại kết nối với node miền thời gian qua việc quảng bá TUR Nếu node nhận burstACK, thay đổi miền thời gian cho N +1 Nếu khơng, nút giả định kết nối không thành công với nút khu Kết là, cố gắng thiết lập lại kết nối thông qua hop phát đa đường Downstream TUR Ở giai đoạn này, nhận burstACK phương tiện xác định kết nối với nút khu N1 mà đòi hỏi thay đổi miền thời gian N2 Trong trường hợp khơng có thừa nhận từ khu N +1, nút tạm thời bỏ qua lập kế hoạch bắt đầu nghe kênh phát gói tin từ node lân cận Các miền thời gian chứa gói tin cho phép node để thu thời gian khu vực, thiết lập lại kết nối, thực theo lập lịch lần Đối với tất trường hợp, nút lặp lặp lại truyền TUR hai lần trước giả định kết nối tuyến 28 Hình 3.9: Phân vùng thời gian trì MERLIN 3.3 Phân tích đánh giá hiệu giao thức MERLIN Phần trình bày kết phân tích, thu mơ với Matlab, tính tốn giới hạn số khơng trung bình khơng gian gói tin truyền MERLIN sở lý thuyết trước Để tính tốn giới hạn trên tuyệt đối số lượng truyền dẫn gói, phân tích 𝑀𝑎𝑥 giả định truyền chu kỳ j (Aj) bao gồm lớn 𝐼𝑗−1 annulus j - Nói cách khác, gói chuyển tiếp vùng j (Ij) nằm cạnh Ij Sau xác định 𝐼𝑗𝑀𝑎𝑥 , thuật tốn sau tính cho vùng 𝑇𝑗𝑀𝑎𝑥 Lặp lại trình cho tất annuli số lượng truyền cho khu Vì xác suất xảy trường hợp xấu thấp, nên trường hợp chuyển tiếp Ij nằm vùng giao Ij tính trung bình khơng gian Để xác định trường hợp bình qn khơng gian chu kỳ, thuật toán thu điểm G trung tâm trọng lực vùng Ij Dự báo vòng tròn trung tâm máy phát với bán kính khoảng cách G máy phát chu trình j + suất 𝐼𝑗𝐴𝑉𝐺 đại diện cho vùng phủ sóng annulus j trường hợp khơng gian trung bình Q trình lặp lại cho vùng cách luôn lấy điểm trung tâm trọng lực vùng 𝐼𝑗𝐴𝑉𝐺 để xác định vùng phủ sóng truyền vùng j Phân tích ảnh hưởng vị trí nút nguồn vùng số lượng truyền gói tin Với mục đích này, định nghĩa d khoảng cách nút nguồn annulus j từ ranh giới annulus j, bình thường đến r tương ứng với khoảng cách cạnh bên bên ngồi vịng kín Trường hợp xấu vị trí nguồn d gần r, đặt nguồn cạnh annulus j - Các 29 mơ phân tích thay đổi d 0,001 (vị trí tốt nhất) 0,99 (vị trí xấu s) , Cùng với số khu vực nằm khoảng từ đến 100 khu, tạo 98010 kịch khả thi Hình 3.16: Tổng số gói tin truyền trường hợp xấu và trung bình Hình 3.16 mơ tả tổng số gói tin truyền trường hợp xấu trường hợp bình qn khơng gian so với d số vùng Bề mặt suốt hình đại diện cho trường hợp tồi tệ TMAX bề mặt rắn màu đen thể khơng trung bình khơng gian Quan sát ban đầu kết cho thấy rõ chênh lệch lớn trường hợp xấu trường hợp khơng gian trung bình Trong trường hợp trung bình khơng gian, tổng số truyền cho 100 vùng d = 0.99 (vị trí tồi tệ s vòng lưu động) mức 104 lần truyền, trường hợp truyền lại tồi tệ gần gấp 11 lần Tổng số truyền trường hợp bình qn khơng gian gần đạt mức thấp phạm vi truyền dẫn, 100 truyền trường hợp 100 khu Các giá trị d lớn 0.4 làm tăng đáng kể giới hạn việc truyền cho vùng 30 Hình 3.17: Tổng số gói tin truyền cho d = 0.99 trường hợp xấu khơng gian trung bình Hình 3.17 minh hoạ số lần truyền gói tin chu kỳ cho trường hợp trung bình khơng gian tồi tệ kịch với 10, 20, 60, 100 vùng, lấy d = 0.99 Số lượng truyền trường hợp xấu xảy sau đường cong hình chng với số lần truyền tối đa annuli giữa, trước hội tụ cho vùng gần cổng Trong trường hợp trung bình khơng gian, số lượng truyền hội tụ đến sau gói tin qua sáu annuli từ nguồn Theo định nghĩa, trường hợp bình thường khơng gian định nghĩa vùng phủ sóng 𝐼𝑗𝐴𝑉𝐺 vịng k cách xác định điểm G phân chia khu vực Ij thành nửa Tại bước q trình truyền lại, kích thước khu vực 𝐼𝑗𝐴𝑉𝐺 số lượng gửi lại thu nhỏ dần có gói tin gửi lại 𝐼𝑗𝐴𝑉𝐺 Các kết hình 3.17 cho trường hợp bình qn khơng gian giải thích thêm khoảng cách tổng số lần truyền cho trường hợp trung bình khơng gian trường hợp xấu hình 3.17, đại diện trường hợp số lần truyền 31 lại tối đa Một khía cạnh thú vị hội tụ đường làm giảm số lượng truyền lại giảm tải nút gần D Hình 3.18: Tác động d tổng số lần truyền Cuối cùng, hình 3.18 khảo sát tác động d tổng số gói tin truyền cách lấy phần kết hình 3.16 Hình 3.18 mơ tả ràng buộc trên tổng số lần truyền so với số annuli, với bảy giá trị d: 0,01, 0,1, 0,3, 0,5, 0,7, 0,9 0,99 Nó vẽ trường hợp bình thường khơng gian bắt đầu với nguồn có d 0,99, trường hợp xấu vị trí cho nguồn Trong trường hợp giới hạn trên, ảnh hưởng d rõ ràng mạng có số lượng lớn vùng, d tăng tương ứng với nguồn gần chút so với vùng hạ lưu, làm tăng tổng số gói tin truyền Trong trường hợp trung bình khơng gian, nguồn nằm ranh giới bên vịng kín có gần số lượng truyền dẫn nguồn nằm biên annulus trường hợp xấu Số lượng nhỏ gói tin truyền cho tất d khơng gian trung bình lại lần co lại 𝐼𝑗𝐴𝑉𝐺 j giảm, cuối dẫn đến truyền lại đơn chu kỳ Điều đáp ứng mong đợi ban đầu cách tiếp cận truyền thông phù hợp cho ứng dụng quy mô lớn 32 3.3 Kết luận chương Chương nghiên cứu cách tiếp cận định tuyến WSN với mơ hình xun lớp khác Đặc biệt, giao thức MERLIN trình bày khía cạnh hệ thống, đặc tính khả cải thiện hiệu mạng Mặc dù phương pháp WSN thông thường dựa vào việc đưa chế kiểm sốt lượng băng thơng hiệu quả, cách tiếp cận MERLIN cung cấp chức truyền thông tối thiểu cho nút kết hợp CSMA, kiểm tra gói tin phát trực tiếp Bằng phương pháp giải tích, ta thấy mơ tả phân vùng MERLIN giảm hiệu số lượng gói tin truyền lại điều kiện lý tưởng mà không cần phải giải nút nhận Các mơ hình phân tích mơ xác nhận việc chép gói tin khơng co lại kích thước mạng phát triển.Đối với mạng lưới có quy mơ lớn 100 annuli, cách tiếp cận truyền thông tối giản cho thấy trường hợp trung bình khơng gian 104 lần truyền tải gói tin 100 truyền lại đại diện cho kịch tốt Điều đáp ứng mong đợi ban đầu tính phù hợp giao thức, làm cho hiệu cho mạng cảm biến kích thước vừa đến lớn Tuy nhiên, cần nhấn mạnh kết khái quát hóa cho chế truyền sử dụng tiếp cận MERLIN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong đồ án em tìm hiểu mạng cảm biến không dây, ứng dụng đời sống Nghiên cứu số giao thức MAC CSMA, SMAC, TMAC… nguyên nhân gây lãng phí lượng xâm nhập môi trường Nêu phương pháp kết hợp giao thức MAC giao thức định tuyến để cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây Mô đánh giá kết thu để chứng minh cho đắn giải pháp trình bày Mạng WSN trở thành xu hướng tất yếu với nhiều tiềm để khai thác Do việc tìm hiểu để nắm bắt cơng nghệ giải pháp triển khai mạng cần thiết Để đáp ứng yêu cầu trên, đề tài WSN nhiều hướng nghiên cứu mở rộng như: - Các vấn đề đồng sensor, thuật tốn định vị, thuật tốn cơng tác sensor - Bảo mật mạng WSN - Khả mở rộng mạng ... tiêu cải thiện hiệu 3 Chương I: Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiêu chung 1.1.1 Định nghĩa Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây. .. Chương 3: KẾT HỢP GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ GIAO THỨC MAC 3.1 Định tuyến mạng cảm biến khơng dây Mục đích mạng cảm biến truyền thông liệu mạng cố gắng kéo dài thời gian sống mạng ngăn chặn việc giảm... quát Cấu trúc mạng cảm biến không dây thể hình 1.1 Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu