Mạng cảm biến không dây WSNs, đặc điểm lớp liên kết dữ liệu

-1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -o0o - NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY – WSN VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH CƠNG NGHỆ THƠNG TIN Sinh viên thực hiên: Nguyễn Đình Lâm Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS.Vƣơng Đạo Vy Mã số sinh viên: 110921 SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -2- LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin cảm ơn GS-NGƯT Trần Hữu Nghị cho chúng em mái trường để chúng em có hội học kiến thức bổ ích Cảm ơn thầy cô trường dạy dỗ chúng em suốt nhiều năm qua.Xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Tin Học đạ truyền đạt kiến thức quý giá làm hành trang cho chúng em bước đường nghiệp Em xin cảm ơn GS.TS Vương ĐạoVy Trường ĐH Công Nghệ -ĐHQGHN giúp đỡ em trình làm đồ án Xin cảm ơn bạn lớp trường tồn thể người giúp tơi thời gian học tập thời gian làm tốt nghiệp Hải phòng Ngày…… Tháng…….Năm Sinh viên Nguyễn Đình Lâm SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -3- MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .6 1.1 Giới thiệu: 1.1.1 Nền tảng vi cảm ứng: 1.1.2 Phần mềm 10 1.1.3 Kiến trúc WSN giao thức stack 10 1.2 Các ứng dụng WSNs: 12 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSNs 14 1.3.1 Hạn chế phần cứng 14 1.3.2 Khả chịu lỗi: 15 1.3.3 Khả mở rộng 15 1.3.4 Chi phí sản xuất 15 1.3.5 Năng lượng tiêu thụ 16 1.3.6 Truyền thông 16 1.3.7 Cấu trúc mạng WNS (WSN Topology): 16 CHƢƠNG CÁC KIỂU THÂM NHẬP MÔI TRƢỜNG 17 2.1 Thách thức MAC: 17 2.2 Cơ chế CSMA 18 2.3 Thâm nhập môi tường dựa tranh chấp 21 2.3.1 S-MAC: 21 2.3.2 Một số Giao thức MAC dựa tranh chấp khác: .29 2.4 Thâm nhập môi trường dựa đặt chỗ 32 2.5 Thâm nhập môi trƣờng dựa kết hợp 35 CHƢƠNG 3: GIẢI BÀI TOÁN ỨNG DỤNG S-MAC 38 3.1 Đặt vấn đề: 38 3.2 Giới thiệu giao thức S-MAC: 38 3.3 Các đề xuất: 39 3.4 Vấn đề với nhiều lịch trình 41 3.5 Mô Monte Carlo xuất nhiều lịch trình .41 3.6 Đề xuất sửa đổi: 43 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 46 SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -4- DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Lịch sử phát triển tảng vi cảm biến: Hình 1.2 nút cảm biến phân tán vùng cảm biến 11 Hình 1.3 giao thức ngăn xếp mạng cảm biến 12 Hình 1.4 Các phạm trù ứng dụng mạng cảm biến không dây 14 Hình 2.1 Giao thức CSMA 18 Hình 2.2 Xung đột CSMA 19 Hình 2.3(a) Thời gian nghe ngủ S-MAC (b) Chu kì lắng nghe ngủ giao thức S-MAC 22 Hình 2.4 cấu trúc khung SYNC S-MAC 22 Hình 2.5 Cụm ảo giao thức S-MAC 23 Hình 2.6 Vấn đề nhận thức đa bước nhảy 25 Hình 2.7 Cơ chế nghe thích ứng S-MAC 27 Hình 2.8 chế truyền thông điệp S-MAC 28 Hình 2.9 Khoảng thời gian lắng nghe ngủ DSMAC 29 Hình 2.10 Cơ chế đánh thức STEM 30 Hình 2.11 Cơ chế đánh thức WiseMAC 31 Hình 2.12 Tổng quan cấu trúc siêu khung giao thức MAC dựa TDMA 32 Hình 2.13 Cấu trúc khung TRAMA 33 Hình 2.14 Hoạt động giao thức DRAND 37 Hinh 3.1 Khung S-MAC 39 Hình 3.2 Cơ chế ngủ trước sau nút M tham gia vào mạng 41 Hình 3.3 Mơ Monte Carlo 42 SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -5- MỞ ĐẦU Với phát triển internet, truyền thông công nghệ thông tin kết hợp với tiến khoa học gần đây.Việt Nam nước Châu Á có số người sử dụng internet 33.4% theo thống kê Bộ thông tin truyền thông Bên cạnh việc phát triển internet, truyền thông việc ứng dựng CNTT khoa học,kỹ thuật, y tế , giáo dục …v.v bước phát triển trước tình hình đó, có nhiều đề tài nghiên cứu thành cơng triển khai nói nên việc ứng dụng CNTT, mảng nghiên cứu ,ứng dụng thành công nước giới Việt Nam cơng nghệ “ WSNs Mạng cảm biến không dây” Với hàng loạt ứng dung hưu ích xu phát triển Tính ứng dụng cao ,giá thành thấp, khả hoạt động tính xác cao, ứng dụng quân nói lĩnh vực, Với ưu điểm khả ứng dụng ,mạng cảm biến phát triển rộng rãi Việt Nam Tuy nhiên để ứng dựng triển khai công nghệ kiên thức WSN vô phong phú đề tài cung cấp cho bạn mảng kiến thức nhỏ công nghệ “ Mạng cảm biến không dây –WSNs-Đặc điểm lớp liên kết liệu” Nội dung đề tài bao gồm: Chương giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây-WSns, bao gồm khái niệm, ứng dụng nhân tố ảnh hưởng Chương Đặc điểm lớp liên kếp liệu bao gồm điều khiển thâm nhập môi trường, thách thức, chế CSMA, thâm nhập cạnh tranh, thâm nhập đặt chỗ trước, thâm nhập kết hợp,trọng tâm chương sâu nghiên cứu cụ thể giao thức thuộc chế CSMA S-MAC, Chương nội dung đề tài Chương Giải tập ứng dụng S-MAC Để hoàn thành đề tài này: Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Vương Đạo Vy giảng viên trường ĐH Công Nghệ -ĐH Quốc Gia HN dành chút thời gian để hướng dấn giúp đỡ em suốt thời gian qua để hoàn thành đề tài SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -6- CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu: WSNs bao gồm nút cảm biến nhỏ triển khai với mật độ lớn, hoạt động mát phát điện chuyển tiếp liệu hai mạng Mỗi nút bao gồm:  Các cảm biến  Một vi xử lý  Bộ thu phát  Nguồn cung cấp Đặc điểm:  Vị trí nút cảm biến không cần phải chế tạo xác định trước  Cố định phẩm trang bị pin dung lượng hạn chế  Bộ thu phát cung cấp kết nối không dây để giao tiếp,quan sát tượng  Thực tính toán đơn giản truyền tải liệu cần thiết phần xử lý 1.1.1 Nền tảng vi cảm ứng:  Có khả xử lý thơng tin chỗ  Có chứa hệ thống nhúng có khả tương tác với mơi trường Module mạng khơng dây:  Là thành phần mạng cảm biến  Có khả giao tiếp nhớ lập trình nơi mà mã ứng dụng cư trú Một motes (vi cảm biến) thƣờng bao gồm:  Một vi điều khiển  Bộ thu phát  Nguồn điện SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -7 Đơn vị nhớ vài cảm biến A sensor board (bảng mạch cảm biến):  Đ t râ  Bảng cảm biến bao gồm khu vực tạo mẫu  Được sử dụng để kết nối cảm biến bổ sung tuỳ chỉnh A programming board (bảng lập trình): gọi bảng cổng  Cấp nhiều giao diện bao gồm Ethernet, Wi-Fi, USB, cổng nối tiếp  Dùng để thu thập liệu từ  Được kết nối với bảng lập trình để tải ứng dụng vào nhớ lập trình Mỗi loại cảm biến khác tùy thuộc vào chức ứng dụng chúng.Có thể chia thành tảng sau: Nền tảng cấp thấp  Hạn chế khả xử lý, nhớ,truyền thông thu phát để giảm chi phí tiêu hao lượng  Cung cấp sở hạ tầng kết nối thông qua mạng đa bước nhảy  Thường dùng công nghiệp, y tế, khoa học, (ISM) băng tần cấp phát hồn tồn miễn phí hầu Một số tảng phát triển năm qua như: Mica, Mica2, MicaZ, nút IRIS Nền tảng cấp cao: Hạn chế hoàn toàn nhược điểm tảng cấp thấp  Khả xử lý cao  Dung lượng bố nhớ lớn  Tốc độ xử lý nhanh Một số tảng cấp cao phát triển như: Stargate, Stargate NetBridge, Imote Imote2… Bảng1.1 Phần cứng vi cảm biến SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -8- a trang bị hai thu phát: Bluetooth radio lượng thấp b phụ thuộc vào thiết bị truyền thông kết Ngồi số tảng phát triển thể Hình 1.1 Hình 1.1 Lịch sử phát triển tảng vi cảm biến: Chuẩn hóa tảng: Do tính khơng đồng nút cảm biến vấn đề tương thích để thực úng dụng SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -9IEEE 802.15.4 chuẩn đời để đắp ứng đặc điểm kỹ thuật công nghệ liệu tốc độ thấp thu phát không dây với tuổi thọ Pin cao dài độ phức tạp  IEEE 802.15.4 trở thành chuẩn phổ biến cho lớp PHY MAC truyền thơng lượng  IEEE 802.15.4 thành lập để phát triển mạng lưới lượng thấp ác khu vực khác ZigBee Các chuẩn ZigBee phát triển liên minh ZigBee tập đoàn công nghiệp bán dẫn quốc tế phi lợi nhuận hang đầu nhà sản xuất cung cấp công nghệ cao Đặc điểm:  Được thiết kế dựa theo giải pháp chuẩn mạng không dây  Hỗ trợ liệu tốc độ thấp  Tiêu thụ điện  Bảo mật độ tin cậy cao  Được sử dụng cho mục đích định tuyến WirelessHART  WirelessHART dựa chuẩn IEEE 802.15.4 lớp PHY cho băng thông 2.4GHz Hơn nữa, giao thức MAC dựa TDMA xác định để cung cấp nhiều chế độ thông điệp  Tự phát thông báo ngoại lệ, Ad Hoc yêu cầu đáp lại, chuyển khối tự động phân đoạn liệu lớn 6LoWPAN Tích hợp IPv6 để truyền thơng với internet, thay có tiêu đề đơn khối , bốn loại tiêu đề sử dụng theo kiểu gói tin gửi Ngồi ra, kỹ thuật nén khơng trạng thái sử dụng để giảm kích thước tiêu đề từ 40 byte đến khoảng byte, mà thích hợp cho WSNs SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 10 - 1.1.2 Phần mềm Ngoài tảng phần cứng tiêu chuẩn, số tảng phần mềm phát triển đặc biệt cho WSNs Nền tảng sử dụng nhiều là: TinyOSI :là điều hành mã nguồn mở hệ thống thiết kế cho mạng cảm biến không dây nhúng: Đặc điểm:  Giảm thiểu kích thước mã cung cấp tảng linh hoạt để thực giao thức giao tiếp  Có thể tiếp tục sửa đổi hay cải tiến  TinyOS dựa mơ hình xử lý hướng kiện  Cung cấp công cụ giao diện đồ họa người Ngoài TinyOS, nhiều tảng phần mềm hệ điều hành giới thiệu gần như: liteOS, Contiki LiteOS: hệ điều hành đa luồng cung cấp trừu tượng giống Unix: Contiki: hệ điều hành mã nguồn mở đa nhiệm phát triển để sử dụng nhiều tảng bao gồm vi điều khiển MSP430 TI Atmel AVR 1.1.3 Kiến trúc WSN giao thức stack Các nút cảm biến thường phân tán khu vực cảm biến Hình1.2.Mỗi nút cảm biến phân tán có khả thu thập truyền liệu góp (sink) đến người dùng cuối thông qua truyền thông multi-hop.Sink giao tiếp với người dùng cuối thông qua internet vệ tinh loại mạng không dây (như WiFi, mạng lưới, hệ thống di động, WiMAX, vv), kết nối trực tiếp đến người dùng Trong WSNs nút cảm biến có chức kép khởi tạo liệu liệu định tuyến.Do đó, truyền thơng thực hai lý do: Chức nguồn: Các nút nguồn có chức truyền thơng để truyền tải gói liệu chúng đến Sink Chức định tuyến: Bộ cảm biến tham gia vào nút chuyển tiếp gói tin nhận từ nút khác đến địa điểm đường dẫn đa bước nhảy đến Sink SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 32 Điều cho phép truyền tải lưu lượng truy cập vòng đai với chậm trễ thấp Hơn nữa, chi phí chuyển lời mở đầu chia sẻ nhiều gói liệu Tổng kết:  Nhìn chung, giao thức dựa tranh chấp cung cấp khả mở rộng chậm trễ thấp hơn, Khi so sánh với giao thức dựa đặt chỗ giải thích  Việc tiêu thụ lượng cao  Các giao thức dựa tranh chấp thích ứng với thay đổi truyền lưu lượng áp dụng cho ứng dụng ứng dụng dựa kiện  Các yêu cầu đồng hóa phân nhóm giao thức dựa đặt chỗ làm cho giao thức dựa tranh chấp thuận lợi tình mà yêu cầu khơng thể hồn thành 2.4 Thâm nhập môi trƣờng dựa đặt chỗ Giao thức dựa đặt chỗ có ưu truyền thơng tự xung đột từ nút truyền liệu vùng dành riêng Do đó, chu kỳ nhiệm vụ nút giảm dẫn đến tăng hiệu lượng Gần giao thức đa truy cập dựa phân chia thời gian TDMA Là giao thức nút truyền thông theo nguyên tắc siêu khung: Cấu trúc siêu khung gồm phần chính: Hình 2.12 Tổng quan cấu trúc siêu khung giao thức MAC dựa TDMA Giai đoạn liệu bao gồm: nhiều khe thời gian sử dụng cảm biến để truyền thông tin Giai đoạn đặt chỗ: sử dụng nút để dự trữ khe thời gian họ cho truyền thông thông qua đại diện trung tâm, tức đầu cụm nút khác SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 33 - Các phương án tranh chấp cho giao thức đặt chỗ, nguyên tắc phân bổ khe cắm, kích thước khung hình, cách tiếp cận khác giao thức phân cụm giải thích TRAMA  Dựa cấu trúc khe thời gian sử dụng hệ thống phân phối chọn lựa dựa yêu cầu lưu lượng nút  Là phương án dựa giao thức MAC  Thông tin lạc nút thực thơng qua khe  Các nút điều phối vào giấc ngủ hoạt động TRAMA bao gồm giai đoạn chính: Phát nút lân cận: Trong giai đoạn này,các nút cần thông tin nút lân cận chúng Hình 2.13 Cấu trúc khung TRAMA Trao đổi lƣu lƣợng thông tin truy cập Các nút thông báo nút nhận dự định chúng thông tin lưu lượng.Cụ thể hơn, nút dự định gửi gói tin đến nút, thơng báo cho nút giai đoạn đặc biệt này.Do đó, cách thu thập thơng tin lưu lượng từ nút khác, nút tạo lịch trình Thiết lập lịch trình Dựa vào thông tin lưu lượng từ nút lân cận, nút xác định khe để truyền nhận gói tin khung.Những kế hoạch sau trao đổi nút Truyền liệu: Dựa thơng tin thiết lập lịch trình, nút chuyển sang chế độ hoạt động bắt đầu truyền thông khe định SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 34 - Cấu trúc siêu khung TRAMA thể hình 2.13 Bao gồm:  Khe cắm tín hiệu khoảng thời gian đặt chỗ  Khe truyền giai đoạn liệu Các thành phần TRAMA  Các giao thức lân cận (NP)  Giao thức trao đổi lịch trình (SEP)  Thuật tốn lựa chọn thích nghi (AEA) Mỗi nút thông tin nút lân cận sử dụng hai bước nhảy NP nó.Các thơng tin giao thông nút tập hợp SEP cách sử dụng khe cắm tín hiệu, tức là, thời gian đặt phòng.Mỗi nút tính tốn ưu tiên định sử dụng AEA mà khe thời gian sử dụng.Các nút ngủ vùng giao chúng khơng có gói liệu để gửi nhận Đánh giá chất lƣợng:  TRAMA làm tăng hiệu lượng so với giao thức dựa tranh chấp thời gian ngủ dài nút  Cấu trúc truyền thông khe -thời gian TRAMA giảm tỷ lệ va chạm  Các khe thời gian xác định theo chế lựa chọn phân phối cho  Nút xác định lịch trình riêng  Điều giúp cho thuật toán phân cụm phân phối khe  So với giao thức dựa tranh, chậm trễ tăng 3-4 lần độ lớn  Sự chậm trễ end-to-end tỷ lệ thuận với chiều dài khung hình  Xác định chiều dài khung tối ưu quan trọng để giảm thiểu độ trễ Tổng kết:  Giao thức dựa TDMA cải thiện lượng  TDMA yều cầu cần phải có sở hạ tầng SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 35  Khi công suất kênh TDMA cố định, có khe thời lượng khe số khe khung lưu lại thay đổi số lượng người sử dụng lưu thông loại tương ứng  Các giao thức dựa TDMA gây độ trễ cao cấu trúc khung 2.5 Thâm nhập môi trƣờng dựa kết hợp  Các giao thức thâm nhập dựa tranh chấp đặt chỗ cấp ưu nhược điểm khó khăn việc thâm nhập môi trường  Giao thức dựa tranh chấp đòi hỏi chi phí lớn  Khi số lượng tranh chấp lớn việc xảy xung đột việc truyền bị hạn chế  Đối với giao thức dựa đặt chỗ trước giảm thiệu xung đột ó dấn đến tình trạng tranh chấp giũa nút Dẫn đến phương pháp thứ đề xuất WSN : thâm nhập môi trường dựa kết hợp: Zebra-MAC:  Để cung cấp hoạt động thích ứng dựa mức độ tranh chấp ZEBRA-MAC kết hợp ưu điểm MAC lại  Cấu trúc truyền thông Z-MAC dựa vào khe thời gian tương tự giải pháp dựa TDMA  Mỗi slot dự kiến giao cho nút  Sự khác biệt giải pháp dựa TDMA khe bị đánh cắp nút khác khơng sử dụng  Z-MAC hoạt động CSMA theo tranh chấp thấp giống TDMA theo tranh chấp cao Z-MAC bao gồm: Giai đoạn thiết lập: Phát lân cận  Được thực lần nút để thu thập thông tin hai-bước nhảy vùng lân cận SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 36 -  Trong gian đoạn nút phát bước nhảy vùng lân cận  Khi kết thúc nhiều lần trao đổi thông điệp, nút thông báo bước nhảy khu vực  Các ảnh hưởng xảy bước nhảy nút thiết bị ẩn Phân công khe  Phân công khe thực giao thức DRAND  Đảm bảo lịch trình phát sóng nút gán khe không trùng với các khe hai bước nhảy nút lân cận Trao đổi khung cục Đồng hóa thời gian Giai đoạn truyền thơng Ví dụ: 2.5 Một cấu trúc liên kết mẫu nút thể hình 2.14 (a), nơi kết nối nút minh họa hình elip.Theo cấu trúc liên kết này, DRAND tạo giao thoa vô tuyến đồ hình 2.14 (b) Các trường hợp: Nút C cần đưa khe để thân mơ tả hình 2.14 (c).Node C phát sóng thơng điệp yêu cầu trực tiếp tới nút lân cận, A, B D Nếu khơng có xung đột, nút trả lời thơng điệp viện trợ (Hình 2.14 (d)).Theo đó, nút C cho thấy khe đặc biệt dành riêng phát sóng thơng điệp hình 2.14(e) Mỗi nút lân cận lựa chọn khe giao tiếp cho bước nhảy nút C, E F, thể hình 2.14(f) SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 37 - Hình 2.14 Hoạt động giao thức DRAND Nơi nút C từ chối thông điệp nút D Nếu node C không nhận thông điệp viện trợ từ tất nút lân cận, phát thông điệp thất bại thể hình 2.14 (h) biết khơng thể phân bổ khe Kết là,va chạm bị ngăn chặn Đánh giá chất lƣợng  Z-MAC cung cấp giao tiếp tương tác số nút cảm biến tải lưu lượng thay đổi So với giao thức dựa tranh  Z-MAC cải thiện thông tải lưu lượng truy cập cao trì độ trễchấp nhận cho lưu lượng truy cập thấp so với TDMA  Z-MAC phát triển cho kịch cụ thể, nơi mà nút cảm biến điện thoại di động có khả truyền thơng liên tục Do đó, khơng áp dụng cho tập hợp lớn ứng dụng WSN, nơi mà mạng tĩnh SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 38 - CHƢƠNG 3: GIẢI BÀI TOÁN ỨNG DỤNG S-MAC 3.1 Đặt vấn đề: Ye, Heidemann Estrin mô tả báo "Giao thức MAC hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây" phương pháp S-MAC họ.Theo đó, nút phải tự đồng theo thời gian.Mặt khác, chu kỳ thời gian ngủ lắng nghe khác nhiều.Một số nút theo lịch trình nhiều nhóm riêng chúng nhiều cụm lân cận.Các tác giả mô tả cấu đồng cụm riêng a) Điều đặc biệt để nói nút lưu trữ nhiều cấu biết tồn nhiều cụm, đặc biệt đồng bộ? b) Các tác giả không giải phần a Làm để giải nó? Trước tiên vào giải vấn đề quay lại nội dung với giao thức S-MAC 3.2 Giới thiệu giao thức S-MAC: Giao thức đề xuất Ye et al, đặt tên S-MAC, giao thức điều khiển thâm nhập môi trường mạnh mẽ cho mạng cảm biến không dây.Với thành công mặt giảm thiểu lượng độ bền nó.Đây giao thức mạng TinyOS, hệ điều hành phổ biến cho số tảng có sẵn nút WSN Đặc điểm:  S-MAC giảm tiêu thụ lượng cách cho phép nút tắt radio định kì chúng (và tài ngun khác khơng có việc làm) nhập vào trạng thái lượng giấc ngủ thấp Chu kỳ nhiệm vụ nút tỷ số thời gian thức (tức khơng trạng thái ngủ) với tổng thời gian  S-MAC truy cập kênh dựa tranh chấp,nó sử dụng chương trình điều phối tương tự IEEE 802.11  Quá trình tranh chấp lên kế hoạch S-MAC đòi hỏi nhiều thời gian đồng hóa lỏng lẻo so với giao thức dựa TDMA  Các nút S-MAC sử dụng phần cứng rẻ tiền thuật toán đồng hóa thời gian đơn giản Khơng bị hạn chế khả mở rộng thương kết hợp với giao thức TDMA SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 39 -  SMAC thiết kế tốt, đại diện vấn đề cảm biến giao thức MAC 3.3 Các đề xuất: Tránh xung đột overhearing: Trong S-MAC nút tiết kiệm lượng cách ngủ (tức tắt máy thu chúng bất lỳ tài nguyên phần cứng khác mà nút trạng thái giấc ngủ), định kỳ thức dậy lắng nghe để kiểm tra có nút lân cận muốn giao tiếp với nó.Thời hạn lắng nghe khoảng thời gian ngủ cố định hệ thống theo yêu cầu ứng dụng Hinh 3.1 Khung S-MAC Sau khoảng thời gian lắng nghe thời gian ngủ gồm khung hình 3.1.Các nút mà cần phải gửi liệu khởi đầu trình giao tiếp, khoảng thời gian lắng nghe nút nhận dự định, sau tiếp tục truyền liệu thời gian mà thông thường khoảng thời gian ngủ.Các nút khác ngủ trở lại tắt radio họ, tránh overhearing chờ lắng nghe Như hình 3.1 cho thấy, việc lắng nghe chia thành ba khoảng thời gian nhỏ.Hai số khoảng thời gian sử dụng cho việc trao đổi RTS kiểm soát khung CTS để tránh vấn đề đầu cuối ẩn.Giao thức sử dụng thiết bị vật lý cảm biến sóng mạng ảo để tránh xung đột.Một nút mà nghe RTS khung CTS dành cho đồng thời nút khác sử dụng giá trị để xác định nút phải kiềm chế không truyền Một nút với khung điều khiển để truyền tải cách ngẫu nhiên chọn khe cắm khoảng phụ thích hợp.Nếu phát khơng có truyền tải vào cuối khe lựa chọn ngẫu nhiên, bắt đầu gửi khung điều khiển Sau trao đổi thành công khung điều khiển RTS-CTS, nút gửi nhận giữ tỉnh táo giao tiếp.Các nút khác khu vực vào trạng thái ngủ SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 40 - Lựa chọn trì lịch trình: Kể từ nút ngủ định kì đồng thời tắt radio(sóng vơ tuyến), nút phải biết lắng nghe lịch trình giấc ngủ nút lân cận mà muốn giao tiếp.Các nút trao đổi lịch trình họ cách phát sóng thường xuyên khung điều khiển đặc biệt, khung đồng SYNC.Có khoảng thời gian phụ dành riêng cho khung đồng khoảng thời gian lắng nghe.Các khung điều khiển đồng phát sóng cách sử dụng giao thức CSMA / CA Giao thức đòi hỏi nút để phát sóng khung đồng lần thời gian đồng hóa xác định trước.Hình 3.1.Một nút xây dựng bảng lịch trình nút lân cận cách nghe khung đồng bộ.Khung đồng cho phép nút lựa chọn lịch trình nó bắt đầu truyền.Các thủ tục nêu tuân nút S-MAC cho việc lựa chọn lịch trình để xây dựng bảng lịch trình nút lân cận Một nút để nghe chương trình phát sóng vùng thời gian xác định trước dài thời gian đồng hóa.Nếu khơng nghe thấy khung đồng hợp lệ(có chứa lịch trình từ nút lân cận), tự ý chọn lịch trình cho bắt đầu theo sau Nếu nút nhận lịch trình từ nút lân cận trước lựa chọn cơng bố lịch trình riêng nó, thơng qua lịch trình nhận bắt đầu làm theo nó.Các nút thơng báo lịch trình lịch trình riêng cách phát sóng khung đồng trình lắng nghe thời gian dự kiến Nếu nút nhận lịch trình khác sau lựa chọn cơng bố lịch trình, có hai trường hợp để xem xét: a Nếu nút khơng có nút lân cận khác, hủy bỏ lịch trình trước chọn, bắt đầu theo tiến độ b Nếu nút theo lịch trình với nhiều nút lân cận, bắt đầu thức dậy vào khoảng thời gian lắng nghe lịch trình nhận, ngồi việc theo lịch trình trước (đó lịch trình tiếp tục phát sóng định kỳ riêng đồng khung hình.) Khi nút chọn lịch trình cách sử dụng thủ tục mơ tả trên, tiếp tục phát sóng lịch trình khung đồng lần khoảng thời gian đồng hóa SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 41 - 3.4 Vấn đề với nhiều lịch trình Một nút chứa nhiều lịch trình.Ví dụ: Nếu nút, bắt đầu truyền, thấy lịch trình số nút lân cận.Nút sau lịch trình chia sẻ cho hình thành cụm ảo.Hình cho thấy ví dụ tình Trước bắt đầu truyền nút M, cô lập hai cụm ảo nút tồn tại.Các nút A, B Hình 3.2 Cơ chế ngủ trƣớc sau nút M tham gia vào mạng C theo lịch trình (lịch trình 1); nút X, Y Z theo lịch trình (lịch trình 2) Các vòng tròn xung quanh nút phạm vi thông tin liên lạc nút M bắt đầu, nghe ban đầu bao trùm thời gian đồng hóa, nhận khung đồng khung tương ứng với lịch trình.Sau M áp dụng lịch trình (ví dụ lịch trình 2) riêng nó, cơng bố lịch trình khung đồng nó.Tuy nhiên, phải thức dậy thời gian lắng nghe lịch trình khác.Như M có chu kỳ nhiệm vụ cao hơn, tiêu thụ nhiều lượng Như ta rút đặc điểm để giải vấn đề tốn là: Một nút với nhiều lịch trình:  Có chu kỳ nhiệm vụ cao hơn, tiêu thụ nhiều lượng 3.5 Mô Monte Carlo xuất nhiều lịch trình Theo mơ cảm biến khơng dây mạng hệ thống nút cảm biến đặt ngẫu nhiên, với mật độ xác suất thống nhất, khu vực kích thước 11 km x km.Các nút bắt đầu truyền theo thứ tự lựa chọn ngẫu nhiên Số lượng nút mạng lựa chọn cho nút có số quy định trung bình nuta lân cận, k.Mục tiêu nghiên cứu để ước tính phần nhỏ nút yêu cầu phải thức dậy lắng nghe nhiều SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 42 - lịch trình.Hình 3.3 cho thấy ví dụ mạng lưới sử dụng thí nghiệm mơ thực nghiên cứu Trong mạng cảm biến không dây hiển thị hình, nút có, trung bình, bốn nút lân cận (k = 4) Phạm vi thông tin liên lạc nút 0,2km (tức nút trực tiếp gửi khung tới nút phạm vi 0,2 km, tương tự nhận liệu) Các nút hiển thị biểu tượng : + , е, x, W, v.v Hình 3.3 Mô Monte Carlo Các nút mà tuân theo lịch trình chia sẻ chung biểu tượng.Các nút yêu cầu phải thức dậy thời gian nhiều lịch trình vẽ vòng tròn nhỏ xung quanh.Trong hệ thống có 40 nút.Mười hai số 40 nút theo hai lịch trình Nói cách khác, số lượng trung bình lịch trình nút mạng cảm biến không dây 1,3.Trái ngược với giả định nêu , xuất nút mà phải tuân theo nhiều lịch trình khơng phải Các nút phải tn theo lịch trình có nhiều tiêu thụ lượng cao hơn, tuổi thọ ngắn Mơ Monte Carlo bên cho thấy thực cho hệ thống mạng với nút cảm biến với phạm vi phát khác có giá trị khác k, số lượng trung bình nút lân cận Số lượng trung bình lịch trình theo nút mơ WSNs cao 1, đặc biệt hệ thống đa bước nhảy lượng thấp mà ngân sách, phạm vi nút radio nhỏ.Trung bình nút giữ tỉnh táo lâu (có chu kỳ nhiệm vụ cao hơn) trường hợp theo có lịch trình Điều nghiêm trọng thực tế tất nút không làm theo số lịch trình Các nút mà theo số lượng lớn lịch trình làm cạn kiệt pin sớm nhiều nút khác tạo lỗ hổng phạm vi cảm biến định tuyến khó khăn SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 43 - Kết luận thứ hai rút :  Làm cạn kiệt nguồn pin  Tạo lỗ hổng phạm vi cảm biến  Định tuyến khó khăn 3.6 Đề xuất sửa đổi: WSN sử dụng giao thức S-MAC có tỷ lệ cao nút thức dậy thời gian nhiều lịch trình.Điều tác động xấu đến tuổi thọ kết nối WSN với nút lượng hạn chế Trong phần đề xuất sửa đổi giao thức S-MAC.Giao thức sửa đổi yêu cầu kết nối thiết lập hai (hoặc hơn) cụm ảo cô lập (sau lịch trình lựa chọn độc lập) giới thiệu nút vùng phổ biến cụm, tất nút cụm tạo thành đơn cụm thơng qua lịch trình cụm Quá trình sáp nhập cụm đảm bảo rằng, ngoại trừ thời gian ngắn cụm sáp nhập, nút theo chu kỳ xác, tránh vấn đề liên quan với nhiều lịch trình Khi cụm hợp nhất, lịch trình cụm kết hợp chọn để lịch trình chung cụm thành lập lớn hơn.Quá trình sáp nhập cụm yêu cầu lịch trình cụm cá nhân xác định.Trong phiên sửa đổi S-MAC, lịch trình xác định nút định danh.Các lịch trình định danh lựa chọn theo cách tuyến tính.Khi bị lập, lịch trình phổ biến lựa chọn cụm sáp nhập lịch trình với định danh cao Định dạng khung Khung đồng S-MAC có trường mà giữ nút định danh nút gửi, lĩnh vực khác mà kết thúc thời gian ngủ tại.Những trường sử dụng máy thu phát định danh nút gửi (phát lân cận) để tìm hiểu lịch trình ngủ Các phiên sửa đổi SMAC trình bày đòi hỏi lĩnh vực khác khung đồng để giữ định danh lịch trình nút gửi.Mỗi khung đồng không xác định nút gửi, xác định lịch trình nút gửi tiếp theo.Đây sửa đổi cần thiết định dạng khung hình S-MAC Ngồi cách giải có cách giải nhƣ sau: SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 44 - Cách thứ nhất: Một nút theo lịch trình ban đầu nó.Nút biết cụm lân cận, nhiên cụm hoạt động nút coi ngủ Trong thời gian nút lân cận đồng hóa vào lúc bắt đầu giai đoạn lắng nghe.Tuy nhiên, nút coi không tham gia đồng hóa Cách thứ hai: Các nút lân cận thêm thông tin đồng hóa (SYNC) vào gói liệu chúng, Nút nhận tự đồng hóa, chế gọi pigyy-backing Kết luận: Vậy với đề xuất Ye, Heidemann Estrin chia làm hai ý: Thứ nhất: điểm đặc biệt nút nhiều lịch trình :  Có chu kỳ nhiệm vụ cao hơn, tiêu thụ nhiều lượng  Làm cạn kiệt nguồn pin  Tạo lỗ hổng phạm vi cảm biến  Định tuyến khó khăn Thứ hai: Sự đồng nút nhiều lịch trình: Một nút theo lịch trình ban đầu Nút biết cụm lân cận, nhiên cụm hoạt động nút coi ngủ.Trong thời gian nút lân cận đồng hóa vào lúc bắt đầu giai đoạn lắng nghe.Tuy nhiên, nút coi khơng tham gia đồng hóa Các nút lân cận thêm thơng tin đồng hóa (SYNC) vào gói liệu chúng, Nút nhận tự đồng hóa, chế gọi pigyy-backing SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 45 - KẾT LUẬN Số lượng lớn giải pháp khiến cộng đồng nghiên cứu năm qua thực hiện tượng WSN.Một phần kiến thức WSN đề cập đề tài đặc biệt đặc điểm lớp liên kết liệu nói chế thâm nhâp mơi trường S-MAC Về mặt lý thuyết: Trong đề tài giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không bào gồm khái niệm, hạn chế ,các ứng dụng WSN.Đặc điểm lớp liên kết liệu trường hợp ngoại lệ phần lớp liên kết liệu đặc biệt giao thức thâm nhâp môi trường Hạn chế đề tài: Mạng cảm biến không dây lĩnh vực nghiên cứu vô rộng, kiến thức đề cập đề tài phần nhỏ kiến thức mạng cảm biến.Mặc dù nghiên cứu cách thâm nhập môi trường lớp liên kết ta thấy nhiều vấn đề đề cập Tuy nhiên hạn chế mặt thời gian nên đề tài khái quát Tính ứng dụng: Kiến thức mạng cảm biến vô cùng.Tuy nhiên đề tài giúp người có thêm kiến thức WSN.Làm tài liệu tham khảo để phát triển mạng cảm biến không dây.Giúp người hiểu thêm cấu trúc mạng đặc biệt lớp liên kết liệu Hƣớng phát triển: Với kiến thức đưa đề tài nhiều hạn chế Tuy giúp ích cho người việc nghiên cứu ứng dụng đề tài khoa học sau SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 46 - TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] lan F Akyildiz Series in Communication and Networking [2] IPv6 over low power WPAN working group http://tools.ietf.org/wg/6lowpan/ [3] TinyOS.Available at http://www.tinyos.net/ [4] ZigBee Alliance http://www.zigbee.org/ [5] Boomerang shooter detection system http://bbn.com/boomerang [6] E A Basha, S Ravela, and D Rus Model-based monitoring for early warning flood detection.In Proceedings of ACM SenSys’08, pp 295–308, Raleigh, NC, USA, November 2008 [7] Somnath Ghosh, Prakash Veeraraghavan, Samar Singh, and Lei Zhang Department of Computer Science and Computer Engineering [8] W Ye, J Heidemann, and D Estrin An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks.In Proceedings of IEEE INFOCOM’02, volume 3, pp 1567–1576, New York, USA, June 2002 [9] W Ye, J Heidemann, and D Estrin Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks IEEE/ACM Transactions on Networking, 12(3):493–506, June 2004 SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 ... –WSNs -Đặc điểm lớp liên kết liệu Nội dung đề tài bao gồm: Chương giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây- WSns, bao gồm khái niệm, ứng dụng nhân tố ảnh hưởng Chương Đặc điểm lớp liên kếp liệu. .. cấp liên kết mạng với mạng bên mạng cảm biến khác, lệnh kiểm soát hệ thống, Internet Lớp vận chuyển: Giúp trì lưu lượng liệu ứng dụng mạng cảm biến Lớp ứng dụng:  Quản lý ứng dụng  Quản lý mạng. .. liên kết cảm biến mạng Truyền thông Tiêu thụ điện 1.3.1 Hạn chế phần cứng Một thiết bị cảm biến không dây thường bao gồm bốn thành phần bản: Đơn vị cảm biến: bao gồm hai đơn vị nhỏ hơn: cảm biến