Đề cương Mạng cảm biến không dây

Đề cương Mạng cảm biến không dây Thế mạng cảm biến không dây? Đặc điểm mạng cảm biến khơng dây? Phân tích thách thức mạng cảm biến không dây Hãy so sánh mạng Ad-hoc với WSN? Vẽ cấu trúc phần cứng node cảm biến nêu chức phận cấu thành node cảm biến? Nêu trạng thái hoạt động thu phát node cảm biến? Thế truyền thông đa bước nhảy? Tại WSN lại sử dụng nó? Nêu đặc điểm chuẩn IEEE 802.15.4? Tại sử dụng WSN? Dựa vào yếu tố để đưa định tuyến ngang hàng phân cấp? Mô tả yếu tố này? Thế định tuyến? Nêu thách thức vấn đề định tuyến WSN? 10 Các vấn đề thiết kế giao thức định tuyến phân loại giao thức định tuyến? 11 Mô tả giao thức định tuyến SPIN? Nêu hạn chế giao thức này? 12 Trình bày giao thức định tuyến flooding? 13 Trình bày chức lớp cấu trúc ngăn xếp? Thế mạng cảm biến không dây? Đặc điểm mạng cảm biến không dây? Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) kết cấu hạ tầng bao gồm thành phần cảm nhận (đo lường), tính tốn truyền thơng nhằm cung cấp cho người quản trị khả đo đạc, quan sát tác động lại với kiện, tượng mơi trường xác định Các ứng dụng điển hình mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập liệu, theo dõi, giám sát y học… Đặc điểm mạng cảm biến khơng dây: - Có khả tự tổ chức, u cầu khơng có can thiệp người - Truyền thông không tin cậy, quảng bá phạm vi hẹp định tuyến multihop - Triển khai dày đặc khả kết hợp nút cảm biến - Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào hư hỏng nút - Các giới hạn mặt lượng, cơng suất phát, nhớ cơng suất tính tốn Phân tích thách thức mạng cảm biến không dây - Những thách thức cấp độ nút: Trong mạng cảm biến khơng dây, thách thức cấp độ nút cần phải giải công suất tiêu thụ, kích thước vật lý giá thành Công suất tiêu thụ yếu tố quan trọng nút cảm biến khơng dây chúng thường sử dụng nguồn lượng pin nguồn lượng thấp bên ngồi Kích thước vật lý quan trọng yếu tố kích thước hình thức định đến ứng dụng tiềm cho mạng cảm biến không dây, nút cảm biến khơng dây phải có kích thước nhỏ gọn Giá thành quan trọng nút mạng cảm biến khơng dây mạng cảm biến khơng dây thường triển khai với quy mô lớn Với việc triển khai hàng ngàn nút mạng cảm biến việc tiết kiệm giá thành cho nút cho phép tiết kiệm khoản tiền đáng kể - Những thách thức cấp độ mạng: Những thách thức cấp độ nút mạng cảm biến không dây cần giải hạn chế tài nguyên sẵn có, thách thức cấp độ mạng cần giải lại vấn đề quy mô lớn mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến khơng dây có tiềm lớn quy mô, số lượng nút tham gia vào hệ thống liệu tạo nút Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm hàng ngàn nút cảm biến Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây Đối với nút thực lựa chọn thơng tin định tuyến u cầu thơng tin mạng tồn nút lân cận gần Thơng tin đòi hỏi cần phải có nhớ Mà nút có số lượng nhớ hạn chế Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động kênh truyền không đáng tin cậy, điều làm cho vấn đề định tuyến gặp nhiều khó khăn Tính chất khơng đáng tin cậy gọi “tổn hao” Tính chất quy mơ lớn mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêm việc định địa nút - - Việc quản lý mạng mạng cảm biến không dây quy mơ lớn thách thức vơ khó khăn Với mạng có hàng ngàn nút việc quản lý mạng theo cách truyền thống áp dụng Sự chuẩn hóa Tiêu chuẩn yếu tố then chốt thành công mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây biết đến không số lượng lớn nút ứng dụng tiềm mà việc có nhiều tiêu chuẩn, nhiều nhà sản xuất nhiều cơng ty khác quan tâm đóng góp mặt cơng nghệ Vấn đề chuẩn hóa cơng nghệ mạng cảm biến không dây thách thức khơng mặt cơng nghệ mà điều khoản tổ chức Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác công nghệ, cấp độ có thách thức kỹ thuật riêng Khả cộng tác Khả cộng tác khả thiết bị hệ thống nhà cung cấp khác hoạt động Khả cộng tác điều cần thiết nhà sản xuất khác mạng cảm biến không dây với sở hạ tầng mạng có Khi chuẩn hóa, mạng cảm biến khơng dây phải có khả cộng tác nhiều mặt Các nút cảm biến phải tương thích với từ lớp vật lý lớp ứng dụng lớp tích hợp Hãy so sánh mạng Ad-hoc với WSN - Mạng tùy biến không dây (Wireless ad-hoc network) tập hợp nhiều nút mạng với khả nối mạng giao tiếp không dây với mà không cần hỗ trợ quản trị trung tâm Mỗi nút mạng tùy biến không dây hoạt động nút chủ vừa thiết bị định tuyến - Mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút mạng cảm biến đến hàng nghìn nút mạng - WSN hoạt động điều kiện môi trường khắc nghiệt, mạng xây dựng phụ thuộc vào ứng dụng - Thêm dịch vụ thơng tin định vị u cầu mạng cảm biến không dây, hầu hết ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nút tới nút gốc - Các nút mạng ad-hoc truyền thống cạnh tranh tài nguyên băng thơng mạng cảm biến có hợp tác - Truyền thông WSN diễn với dạng gói tin ngắn Vẽ cấu trúc phần cứng node cảm biến nêu chức phận cấu thành node cảm biến? Cấu trúc phần cứng node cảm biến minh họa hình Chức phận cấu thành node cảm biến - Thiết bị truyền thơng (Radio): Cho phép nút cảm biến có khả truyền thông với Thiết bị truyền thông thu phát vô tuyến kết nối với anten - Bộ vi điều khiển (Micro-controller): Điều khiển hành vi hoạt động nút cảm biến Nó vi xử lý nhỏ chạy phần mềm nút mạng cảm biến - Bộ cảm biến (Sensors): Cho phép nút cảm biến có khả tương tác với giới vật lý - Nguồn điện (Power): Cung cấp lượng cho nút cảm biến hoạt động Nêu trạng thái hoạt động thu phát node cảm biến - Truyền: Là phần phát kích hoạt, anten xạ lượng - Nhận: Là phần thu kích hoạt - Nghỉ: Là trạng thái thu liệu tắt chế độ theo dõi - Ngủ: Các phần quan trọng tắt Liên quan đến thời gian hồi phục NL khởi động - Tiết kiệm NL thức chờ thông tin Lãng phí NL khởi tạo hđ(khơng truyền, nhận) Điều khiển NL phức tạp Thế truyền thông đa bước nhảy? Tại WSN lại sử dụng nó? Multi-hop routing​ (or multihop routing) is a type of communication in radio networks in which network coverage area is larger than radio range of single nodes Therefore, to reach some destination a node can use other nodes as relays Truyền thông đa bước nhảy (multi-hop) loại giao tiếp mạng vơ tuyến có vùng phủ sóng lớn phạm vi vô tuyến nút đơn Do đó, để đến đích nút sử dụng nhiều nút khác làm rơle WSN sử dụng phương pháp vì: Nhằm giảm thiểu lỗi phương pháp bước nhảy đơn (single-hop) chi phí đắt mà nhanh chóng bị tiêu hao lượng phương pháp liệu trao đổi nút cảm biến trạm sở thực việc sử dụng truyền gói đa bước nhảy (multi-hop) qua phạm vi truyền ngắn Phương pháp tiết kiệm lượng đáng kể giảm đáng kể giao thoa truyền dân nút cạnh tranh để truy cập kênh, đặc biệt mạng cảm biến không dây mật độ cao Nêu đặc điểm chuẩn IEEE 802.15.4? Tại sử dụng WSN? Chuẩn IEEE 802.15.4 chuẩn truyền thông không dây cho ứng dụng công suất thấp tốc độ liệu thấp Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ liệu tối đa 250.000 bit/s công suất đầu tối đa 1mW Các thiết bị IEEE 802.15.4 có phạm vi phủ sóng hẹp vài chục mét Điểm đặc điểm kỹ thuật chuẩn IEEE 802.15.4 cho phép thu phát chi phí thấp phức tạp, điều làm cho chuẩn IEEE 802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định lớp: - Lớp vật lý: Chỉ rõ tin gửi nhận kênh truyền vô tuyến vật lý - Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ tin đến từ lớp vật lý xử lý n Tại sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4 WSN: Từ đặc điểm thấy chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, chi phí thấp, phức tạp giao thức mạng không dây hướng tới ứng dụng điều khiển từ xa tự động hóa Mục tiêu hướng đến việc truyền tin với mức tiêu hao lượng nhỏ cơng suất thấp cho thiết bị có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao tốc độ truyền tin Dựa vào yếu tố để đưa định tuyến ngang hàng phân cấp? Mô tả yếu tố này? Yếu tố để đưa định tuyến ngang hàng phân cấp: - Ngang hàng: L ​ àm việc tốt với mạng tĩnh không thiết kế để xử lý cho vấn đề di động Ngồi ra, khơng thể xử lý truy vấn phức tạp Cũng không phù hợp với mạng có kích thước lớn khơng có khả mở rộng việc tập hợp liệu tốn mặt lượng - Phân cấp: Có khả mở rộng mạng dễ dàng việc quản lý tuyến đường Được thiết kế cho mạng tĩnh xử lý vấn đề di động mạng Trong kịch di động, nút chủ cụm di chuyển Do cần phải thường xuyên tính tốn nút chủ cụm chúng di chuyển ngồi phạm vi truyền thơng nhóm Khơng thích hợp với ứng dụng đòi hỏi độ xác thời gian chúng cần phải thời gian để tính tốn nút chủ cụm Thế định tuyến? Nêu thách thức vấn đề định tuyến WSN? Định tuyến giao thức quan trọng mạng cảm biến không dây Nhiệm vụ giao thức định tuyến tìm tuyến đường tốt từ nguồn đến đích Những thách thức vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây: ​Thời gian tồn dự kiến ​mạng cảm biến khơng dây kéo dài từ đến 10 năm tùy thuộc vào ứng dụng Nguồn lượng tích trữ phụ thuộc vào dung lượng pin Các nút cảm biến không dây có kích thước nhỏ nguồn lượng chúng hạn chế Điều dẫn đến ràng buộc khắt khe cho hoạt động nút cảm biến Bộ thu phát vô tuyến thành phần tiêu thụ lượng nhiều nút cảm biến Do giao thức định tuyến có ảnh hưởng nhiều đến thời gian tồn toàn mạng ​Khả mở rộng vấn đề quan trọng mạng cảm biến không dây Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu mạng lớn bao gồm hàng ngàn nút cảm biến Việc định tuyến trường hợp gặp nhiều khó khăn nút cảm biến có khả xử lý nhớ lưu trữ hạn chế ​Khả lưu trữ tình tốn nút cảm biến làm hạn chế nhiều đến giao thức định tuyến Do đó, thuật tốn định tuyến đơn giản, gọn nhẹ cần phải nghiên cứu phát triển cho mạng cảm biến không dây ​Các nút không đồng cần phải tính đến thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến khơng dây Có ngun nhân dẫn đến việc nút mạng không đồng Thứ hồn tồn tăng hiệu mạng thông qua việc triển khai số nút có lượng, khả lưu trữ tính tốn tốt nút lại mạng Thứ hai khác biệt nút cảm biến phát sinh q trình hoạt động mạng ​Sự triển khai nút mạng mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào ứng dụng Quá trình triển khai nút cảm biến ngẫu nhiên xác định trước vị trí nút mạng ​Khả chịu lỗi cần phải quan tâm định tuyến tin Tuy nhiên, nút bị lỗi ảnh hưởng đến tồn hoạt động chung mạng ​Phạm vi truyền thơng có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động mạng Các nút cảm biến thay đổi cơng suất phát để tăng phạm vi truyền với tiêu hao nhiều nguồn lượng ​Chất lượng dịch vụ (QoS) đặc trưng cho yêu cầu dịch vụ cần đáp ứng vận chuyển luồng tin từ nguồn đến đích Các tham số chất lượng dịch vụ mạng truyền thơng chưa đủ để mơ tả chúng Ngồi tham số độ trễ số tham số khác: lỗi phân loại kiện, trễ phát kiện, độ xác việc bám mục tiêu, tỷ lệ mắc thơng báo ​Vấn đề di động gặp phải số ứng dụng mạng cảm biến khơng dây Các nút cảm biến cố định di động việc định tuyến tin trở nên phức tạp 10 Các vấn đề thiết kế giao thức định tuyến phân loại giao thức định tuyến Các vấn đề thiết kế giao thức định tuyến: - Đặc tính thay đổi thời gian trật tự xếp mạng: Các nút cảm biến hoạt động với giới hạn khả tính tốn, lưu trữ truyền dẫn, ràng buộc lượng khắt khe Tùy thuộc vào ứng dụng mật độ nút cảm biến mạng từ thưa thớt đến dày Trong mạng này, đặc tính cảm biến có tính thích nghi động cao, nhu cầu tự tổ chức bảo toàn lượng buộc nút cảm biến phải điều chỉnh liên tục để thích ứng hoạt động - Ràng buộc tài nguyên: Các nút cảm biến thiết kế với độ phức tạp nhỏ cho triển khai phạm vi lớn để giảm chi phí tồn mạng Năng lượng mối quan tâm mạng cảm biến khơng dây Để giảm việc tiêu thụ lượng đạt cách điều khiển tự động chu kỳ công suất mạng cảm biến Tuy nhiên vấn đề quản lý lượng trở thành thách thức chiến lược nhiều ứng dụng quan trọng - Mơ hình liệu mạng cảm biến: Mơ hình liệu mơ tả luồng thông tin nút cảm biến sink Mơ hình phụ thuộc vào chất ứng dụng cách liệu yêu cầu sử dụng Một vài mơ hình liệu đề xuất nhằm tập trung vào yêu cầu tương tác nhu cầu tập hợp liệu đa dạng ứng dụng Nhu cầu hỗ trợ đa dạng mơ hình liệu làm tăng tính phức tạp vấn đề thiết kế giao thức định tuyến - Cách truyền liệu: cách mà truy vấn liệu truyền trạm sở vị trí quan sát tượng khía cạnh quan trọng mạng cảm biến không dây Một phương pháp phương pháp dựa bước nhảy đơn (single-hop) có chi phí đắt nút mà xa trạm sở nhanh chóng bị tiêu hao lượng làm giảm thời gian sống mạng Nhằm giảm thiểu lỗi phương pháp liệu trao đổi nút cảm biến trạm sở thực việc sử dụng truyền đa bước nhảy (multi-hop) qua phạm vi truyền ngắn Phân loại giao thức định tuyến - Các giao thức định tuyến trung tâm liệu: Phương pháp sử dụng thuộc tính dựa tên nút nguồn truy vấn thuộc tính tượng nút riêng lẻ SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) Directed Diffusion - Các giao thức định tuyến dựa phân cụm: LEACH (Low Energy Adaptive Clustering System), TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network) - Các giao thức định tuyến dựa vị trí: MECN (Minimum Energy Communication Network), GAF (Geographic and Energy Aware Routing), GEAR (Geographic and Energy Aware Routing) - Giao thức thu thập liệu: Giao thức CTP (Collection Tree Protocol) xây dựng dựa phương pháp tiếp cận định tuyến phẳng, tự tổ chức Giao thức CTP cho phép truyền thông hiệu từ nút mạng trường cảm biến đến nút gốc 11 Mô tả giao thức định tuyến SPIN Nêu hạn chế giao thức này? Giao thức định tuyến SPIN, nút sử dụng chế đặt tên để tạo thẻ liệu mô tả liệu thu thập Khác với cách tiếp cận Flooding, nút gửi tin quảng cáo ADV đến nút lân cận để thăm dò xem liệu nút lân cận có quan tâm đến liệu gửi tin u cầu REQ phản hồi lại sau liệu gửi cho Q trình lặp lặp lại tất nút mạng tất nút nhận liệu Giao thức giảm nhiều liệu dư thừa mạng tối thiểu tiêu hao lượng nút cảm biến Tuy nhiên, di chuyển nút thách thức tốc độ xử lý khả thích ứng mơ hình SPIN Ngồi ra, thuật tốn SPIN khơng đảm bảo chuyển phát liệu thành công Hạn chế giao thức SPIN SPIN có hạn chế mà nút trung gian không gian tâm đến liệu đó, liệu khơng thể đến đích 12 Trình bày giao thức định tuyến Flooding? Flooding​ kỹ thuật chung thường sử dụng để tìm đường truyền thông tin mạng ad-hoc vô tuyến hữu tuyến Chiến lược định tuyến đơn giản khơng phụ thuộc vào cấu hình mạng giải thuật định tuyến phức tạp Flood sử dụng phương pháp reactive nhờ nút nhận liệu điều khiển liệu để gửi gói tới nút lân cận Sau truyền, gói truyền tất đường Trừ mạng bị ngắt khơng gói truyền đến đích Hơn cấu hình mạng thay đổi gói truyền theo tuyến mới, giải thuật tạo vô hạn gói qua nút Giải thuật có nhược điểm lớn: - Thứ tượng tin kép, tức gói liệu giống gửi đến nút - Thứ hai tượng chồng chéo, tức nút cảm nhận vùng khơng gian tạo gói tương tự gửi đến nút lân cận - Thứ ba thuật tốn khơng quan tâm đến vấn đề lượng nút, nút nhanh chóng tiêu hao lượng làm giảm thời gian sống mạng 13 Trình bày chức lớp cấu trúc ngăn xếp - Lớp vật lý: có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mạng, phát tín hiệu điều chế liệu - Lớp liên kết liệu: chị trách nhiệm ghép dòng liệu, phát khung liệu, điều khiển lỗi điều khiển truy nhập kênh truyền Đảm bảo tin cậy kết nối điểm - điểm điểm - đa điểm mạng - Lớp mạng: Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trường cảm biến gần trường Thơng tin thu thập liên quan đến trường truyền đến Sink đặt xa so với trường cảm biến Tuy nhiên phạm vi truyền thông nút cảm biến bị hạn chế không cho phép việc truyền thông trực tiếp nút cảm biến với Sink Điều đòi hỏi giao thức định tuyến không dây đa chặng nút cảm biến Sink việc sử dụng nút cảm biến trung gian để thực chuyển tiếp Một vấn đề quan trọng việc định tuyến mạng cảm biến khơng dây việc định tuyến dựa truy vấn tập trung liệu Dựa thông tin yêu cầu người dùng, giao thức định tuyến xác định nút khác mạng để cung cấp thông tin yêu cầu Một chức quan trọng khác lớp mạng cung cấp kết nối liên mạng với mạng bên chẳng hạn mạng cảm biến khác, hệ thống huy, điều khiển mạng Internet - Lớp giao vận: Sự phát triển cá giao thức lớp giao vận nhiệm vụ đầy thách thức nút cảm biến bị ảnh hưởng hạn chế phần cứng Do đó, nút cảm biến lưu trữ lượng lớn liệu máy chủ mạng Internet Để thực việc truyền thông mạng cảm biến không dây giao thức lớp giao vận yêu cầu hai chức là: Đảm bảo độ tin cậy điều khiển tắc nghẽn - Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng bao gồm ứng dụng số chức quản lý Ngồi chương trình ứng dụng cụ thể cho ứng dụng chức quản lý xử lý truy vấn nằm lớp ...1 Thế mạng cảm biến không dây? Đặc điểm mạng cảm biến không dây? Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) kết cấu hạ tầng bao gồm thành phần cảm nhận (đo lường), tính... định đến ứng dụng tiềm cho mạng cảm biến không dây, nút cảm biến khơng dây phải có kích thước nhỏ gọn Giá thành quan trọng nút mạng cảm biến khơng dây mạng cảm biến khơng dây thường triển khai với... cấp độ mạng cần giải lại vấn đề quy mô lớn mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến khơng dây có tiềm lớn quy mô, số lượng nút tham gia vào hệ thống liệu tạo nút Nhiều mạng cảm biến không dây bao