Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp trong mạng WSNs

1 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin chân thành thầy Nguyễn Trọng Thể giáo viên hướng dẫn em trình làm đồ án Thầy giúp em nhiều cung cấp cho em nhiều tài liệu quan trọng phục vụ cho trình tìm hiểu đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng cảm nhận” Sau đó, Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn công nghệ thơng tin bảo bảo em q trình học rèn luyện năm học vừa qua Đồng thời em cảm ơn bạn sinh viên lớp CT1101 gắn bó với em q trình học tập trường Cuối em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng tạo điều kiện cho em học tập thực hành Với kiến thức kỹ nhà trường trang bị, hành trang tốt giúp em vào đời Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, tháng năm 2019 Sinh viên Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU BẢNG LIỆT KÊ CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY ( WSN) 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.1.1 Khái niệm: .9 1.1.2 Cấu trúc node cảm biến: 1.1.3 Các thành phần WSN: 10 1.1.4 Đặc điểm WSN 10 1.1.5 Kiến trúc phân tầng .11 1.1.6 Ứng dụng mạng cảm biến 12 1.1.7 Sự khác WSN mạng truyền thống .12 1.2 Trường hợp thiết kế xuyên lớp tối ưu hóa WSN .12 1.2.1 Phương pháp phân lớp: .13 1.2.2 Phương pháp tiếp cận xuyên lớp .15 1.2.3 Ví dụ thiết kế xuyên lớp 17 1.2.4 Mục tiêu, vấn đề phương pháp tiếp cận 18 1.3 Kết luận 19 CHƯƠNG : TÌM HIỂU CÁC KỸ THUẬT XUYÊN LỚP TRONG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 20 2.1 Bối cảnh 20 2.2 Giao thức xuyên lớp cho mạng cảm biến không dây 21 2.2.1 Xét tương tác xuyên lớp cặp lớp 21 2.2.2 Động lực cho thiết kế XLM 23 2.2.3 Các công việc liên quan .24 2.2.4 Mô-đun xuyên lớp cho mạng cảm nhận không dây ( XLM) 25 Phân bố tài nguyên xuyên lớp .26 2.3.1 Tối ưu hóa khung làm việc 27 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 2.3.2 Khung chung cho vấn đề thiết kế xuyên lớp 27 2.4 Các vấn để nghiên cứu mở 28 2.5 Hướng dẫn đề phòng lỗi thiết kế xuyên lớp 29 2.6 Kết luận 30 CHƯƠNG 3: MÔ -ĐUN XUYÊN LỚP CHO MẠNG CẢM NHÂN KHÔNG DÂY ( XLM) 31 3.1 Giao thức XLM cho WSN 31 3.1.1 Các nhiệm vụ giao thức XLM 32 3.1.2 Khởi tạo truyền dẫn XLM 33 3.1.3 Tiếp nhận tranh chấp XLM 33 3.1.4 Định tuyến dựa góc XLM 34 3.1.5 Điều khiển tắc nghẽn cục XLM 36 3.1.6 Phân tích cơng suất XLM 41 3.2 Đánh giá thực 45 3.2.1 Tham số XLM 46 3.2.2 Các đánh giá so sánh 48 3.2.2.1 Các cấu hình giao thức 49 3.2.2.2 Các kết so sánh 51 3.2.2.3 Độ phức tạp triển khai XLM 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Minh họa mạng cảm biến Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc node sensor Hình 1.3 Phương pháp tiếp cận lớp 14 Hình 1.4 Ví dụ tham khảo kiến trúc với giao diện xác định (hình1.4.a) phá vỡ giao diện(hình 1.4.b 16 Hình 1.5 Các thiết kế xuyên lớp tham chiếu 16 Hình 1.6 Ví dụ minh họa thiết kế xuyên lớp 17 Hình 3.1 Minh họa định tuyến dựa góc 35 Hình 3.2 Một mẫu đường định tuyến dựa góc 36 Hình 3.3 Năng lượng tiêu thụ trung bình cho khoảng cách D khác so với chu kỳ nhiệm vụ 44 Hình 3.4 Đường đánh giá cho XLM với định tuyến góc định tuyến đồ thị địa lý mặc định 47 Hình 3.5 ( a) Thơng lượng trung bình; (b) Độ tin cậy trung bình ( c) Độ trễ trung bình so với giá trị khác chu kỳ nhiệm vụ 48 Hình 3.6 ( a) Năng lượng tiêu thụ trung bình gói ( b) Số hop trung bình (c) Độ trễ trung bình so với chu kỳ nhiệm vụ cho giao thức XLM 51 Hình 3.7 ( a) Năng lượng tiêu thụ trung bình gói tin ( b) Số hop trung bình ( c) Độ trễ trung bình so với chu kỳ nhiệm vụ giao thức 54 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng thông số mô 45 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP BẢNG LIỆT KÊ CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ tiếng anh Nghĩa tiếng việt Acknowledgmnt Gói tiếp nhận ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ARQ Automatic Repeat reQuest Tự động lặp lại yêu cầu CC-MAC Correlation Collaborative-Medium Access Control CDMA/OFD M Code Division Access/Orthogonal Frequency Multiplexing CTS Clear To Send DD-RMST Directed Diffusion- Reliable Điều khiển khuếch tán-Độ tin Multi Segment Transport cậy đa phân đoạn giao vận ESRT Event-to- Sink Transport Reliable Mức gói tiếp nhận GeRaF Geagraphical Forwarding Ramdom Thuật toán chuyển tiếp địa lý ngẫu nhiên Golbal ID Golbal Identification Định danh toàn cầu MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập trung bình OSI OpenSystems Interconnection Mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở PRR Packet Reception Rate Tỷ lệ gói tiếp nhận RF Radio Frequency Tần số sóng vơ tuyến ACK based Giao thức Mối liên hệ hợp tác Lớp điều khiển truy cập trung bình Multiple Giao thức đa truy cập theo mã phân chia tần số trực giao Division Gói tin gửi xóa Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP RTS Request To Send Gói tin gửi trả lại kết S-MAC Sensor-Medium Control SNR Signal-to-Noise Radio TCP/IP Transfer Control Internet Protocol TDMA/MAC Time Divition Multipletruy cập trung bình Access / Medium Access Control Access Giao thức cảm nhận truy cập trung bình Tỷ số tín hiệu nhiễu Protocol / Giao thức điều khiển truyền tin liên mạng Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ việc nghiên cứu mạng cho giá thành rẻ tiêu thụ lượng, đa chức năng, dễ mở rộng hoạt động cách dễ ràng tập chung nghiên cứu Trong việc nghiên cứu mạng cảm biến phát triển mạnh mẽ, đặc biệt hệ thống mạng cảm biến không dây ( wireless sensor network) Hiện có nhiều ứng dụng mạng cảm biến triển khai Đó ứng dụng theo dõi giám sát, tự động hóa, y tế, quân đội an ninh…Trong tương lai không xa , ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống người phát huy hết điểm mạnh mạng WSNs Tuy nhiên, WSNs bị hạn chế tài nguyên như: nhớ, khả tính tốn lượng Các nút mạng WSNs trang bị pin, nên hạn chế lượng Do đó, sử dụng lượng vấn đề thiết kế mạng WSN Vì tất lớp kiến trúc giao thức ảnh hưởng tới tiêu thụ lượng, phối hợp lớp thiết kế xuyên lớp dẫn đến việc tiêu thụ lượng hiệu Vì mà đồ án tốt nghiệp” Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng cảm nhận” nghiên cứu tổng quan mạng WSN, tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng cảm nhận, đặc biệt giao thức mo-dun xuyên lớp ( XLM) Đồ án gồm chương, nội dung chương tóm tắt sau: Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây, chương giới thiệu sơ tổng quan mạng cảm nhận không dây ( WSN), ứng dụng, ưu điểm thách thức đặt , đồng thời đưa phương pháp tiếp cận xuyên lớp để giải thách thức mạng WSN Chương 2: Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng cảm nhận, chương nghiên cứu sở lý thuyết kỹ thuật xuyên lớp, tìm hiểu số kỹ thuật xuyên lớp sử dụng WSN Chương 3: Tìm hiểu phân tích giao thức mô-dun xuyên lớp (XLM), chương nghiên cứu kỹ giao thức XLM , kiểm nghiệm so sánh với giao thức khác Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY ( WSN) 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.1.1 Khái niệm: Mạng cảm nhận không dây ( WSN) theo [ 1] hiểu đơn giản mạng liên kết node với kết nối sóng vơ tuyến ( RF connection) tạo thành mạng cộng tác, node thiết bị nhỏ có trang bị cảm biến cảm nhận mơi trường xung quanh , triển khai ngẫu nhiên theo cấu trúc, sử dụng nguồn lượng hạn chế ( pin), có thời gian hoạt động lâu dài ( vài tháng đến vài năm) hoạt động mơi trường khắc nghiệt ( chất độc,ơ nhiễm,nhiệt độ…) Hình 1-1:Minh họa mạng cảm biến Các nút cảm biến phân phối khu vực đặc biệt để thu thập liệu,dữ liệu xử lý gửi đến nút trung tâm tập hợp liệu ( sink), để thực bước xử lý 1.1.2 Cấu trúc node cảm biến: Một node cảm biến biết đến mote ( kết hợp cảm biến với vi xử lý) Transceiver Power Source Microcontroller External Memory Sensor ADC Sensor Hình 1.2 :Sơ đồ cấu trúc node sensor Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 10 Cấu trúc Node sensor bao gồm thành phần: - Nguồn lượng trì:Duy trì node sensor ( hạn chế) - Bộ thu phát:Truyền phát,thu tín hiệu cảm nhận - Sensor: Thiết bị cảm nhận - ADC:Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số - Bộ nhớ:Lưu trữ thông tin trước sau sử lý - Bộ xử lý: Một vi điều khiển máy tính nhỏ, mạch tích hợp có chứa lõi xử lý, nhớ đầu vào ( lập trình)/đầu 1.1.3 Các thành phần WSN: Có thành phần cấu tạo nên mạng cảm biến: - Các không gian phân phối theo mơ hình tập trung hay phân bố rải rác - Mạng liên kết cảm biến ( có dây hay vô tuyến) - Điểm trung tâm tập hợp liệu - Bộ phận xử lý liệu trung tâm Cảm biến có thẻ gồm hay dãy cảm biến Kích thước đa dạng:1100mm;100-10000nm;10-1000ym… Do đặc tính mạng WSNs di động chủ yếu phục vụ cho ứng dụng qn nên địi hỏi tính bảo mật Ngày WSN mở rộng sang lĩnh vực thương mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo nên tính thương mại cao cho WSN 1.1.4 Đặc điểm WSN WSNs có số đặc điểm khác mạng khơng dây khác (mạng ad hoc),như tính chất hướng liệu, cấu trúc giao thức mạng khác,WSNs đỏi hỏi kiến trúc ứng dụng nhạy cảm hơn, đồng thời đòi hỏi số dịch vụ bản, định vị đồng thời gian,để cho phép cộng tác hiệu thu thập liệu tốt Hơn nữa, kiến trúc nhiệm vụ WSN, nên dễ bị cơng Các đặc tính mạng phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Node mạng có tài nguyên hạn chế :Năng lực xử lý yếu , nhớ hạn chế tốc độ truyền thông thấp Nguồn nuôi PIN, mạng triển khai cách rắc miền địa hình phức tạp, node khơng giám sát khơng thể nạp thay PIN Vì vậy, vấn đề lượng hiệu cho nút mạng quan trọng cho việc kéo dài tuổi thọ mạng Dữ liệu hướng hoạt động: Node công cụ để lấy liệu từ mơi trường xung quanh Mơ hình truyền thơng mới: Khác với mơ hình truyền thơng khơng dây truyền thống điển hình ad-hoc end to end , cịn mơ hình WSNs có lưu lượng liệu thơng thường chuyển từ nhiều nguồn tới đích Quy mơ lớn: Kích thước WSNs khác tùy vào ứng dụng, số mạng có số lượng node cảm biến lớn quy mô thay đổi, điều khiến cho việc gỡ rối hay tổ chức lập trình gặp nhiều khó khăn Tìm hiểu kỹ thuật xun lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 45 3.2 Đánh giá thực Để có nhìn sâu sắc hoạt động giao thức, trước tiên điều tra tác động thông số hiệu suất mạng tổng thể giao thức XLM Sau đó, chúng tơi trình bày nghiên cứu so sánh XLM năm giao thức khác Trước hết, chúng tơi trình bày mơ cho cấu trúc liên kết cảm biến 300 nút ngẫu nhiên 100*100 m , tọa độ nút trung tâm ( 80,80) thông số mô cho nút cảm biến giao thức đưa bảng 3.1 Bảng thông số mô Trong mô phỏng, kiện xảy khu vực kiện tọa độ ( 20,20) với bán kính 20 m, mơ cho giá trị chu kỳ nhiệm vụ δ [ 0.1,1] Trước hết đưa khái niệm sau đây: - Thơng lượng số trung bình bit/s mà nút sink nhận mô Trong tính tốn gói tin quan tâm đặc biệt, nhiều gói tin nhận nút sink chất phát sóng số giao thức truyền lại Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 46 - Độ tin cậy tỷ số tổng số gói tin nhận nút trung tâm tổng số gói tin tạo tất nút nguồn Kết quả, độ tin cậy truyền thông tổng thể xác định - Năng lượng hiệu thước đo quan trọng WSN, mô chúng tôi, xem xét việc tiêu thụ lượng trung bình cho nút chuyển tiếp gói tin nhận nút trung tâm - Số hops số trung bình gói tin qua để đến với nút trung tâm, số liệu dùng để đánh giá hiệu suất định tuyến ứng dụng - Độ trễ thời gian trung bình thời gian gói tin tạo nút nguồn với thời gian nhận nút trung tâm, chậm trễ đợi chờ hàng đợi trì hỗn tranh chấp nút hoạt động giao thức cụ thể 3.2.1 Tham số XLM Các tham số có ảnh hưởng đến hoạt động XLM định tuyến dựa góc, ngưỡng SNR ( ξTh) , giá trị chu kỳ nhiệm vụ ( δ) Chúng ta trình bày ảnh hưởng tham số kể phần Hiệu định tuyến góc thể hình 3.4 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 47 Hình 3.4 Đường đánh giá cho XLM với định tuyến góc định tuyến đồ thị địa lý mặc định Trong thí nghiệm này, tỷ lệ thất bại định tuyến tỷ số số đường không thành nút lưới số lượng tất đường có mạng Kết cho thấy thất bại định tuyến tăng lên chu kỳ nhiệm vụ δ giảm xuống Tuy nhiên định tuyến dựa góc giới hạn thất bại lộ trình nhỏ 10%, δ stat > 0.2, làm giảm tỷ lệ thất bại xuống 70% Lưu ý tỉ lệ thất bại XLM với định tuyến góc tăng lên δ tiếp tục giảm, mạng trở nên phân vùng Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 48 Hình 3.5 (a) Thơng lượng trung bình; (b) Độ tin cậy trung bình; (c) Độ trễ trung bình so với giá trị khác chu kỳ nhiệm vụ Trong hình 3.5 ( a) thông lượng tổng hiển thị, trục x cho thấy giá trị chu kỳ nhiệm vụ δ , thông lượng hiển thị cho ngưỡng ξTh khác Tại trường hợp công thức (3.10) Nói cách khác, nút tham gia tranh chấp định tuyến, không phân biệt giá trị SNR nhận Trong trường hợp khác hình 3.5 ( a) việc tăng ngưỡng SNR ξ Th cải thiện thông lượng đến giá trị định đó, giá trị thơng lượng mạng lại giảm điều nói lên hoạt động XLM bảo thủ điều làm cho hiệu xuất mạng bị suy thối Trong hình 3.5 ( b), thấy độ tin cậy XLM cung cấp lớn 95% δ > 0.1 ξTh < = 10dB Tại δ = 0.1 có 10% nút mạng hoạt động thời điểm định Hơn nữa, ξTh = 15dB, độ tin cậy giảm xuống cịn 0.7 Trong hình 30(c), độ trễ end-to-end thể Cho thấy rằng, tăng ngưỡng SNR ξTh, cải thiện hiệu suất mạng đến giá trị định ξ Th = 10dB cho độ trễ thấp sử dụng giá trị cho đánh giá phần sau 3.2.2 Các đánh giá so sánh Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 49 Trong phần so sánh hiệu suất XLM với giao thức kiến trúc khác 3.2.2.1 Các cấu hình giao thức Flooding: Cấu hình cung cấp sở cho cấu hình khác, trường hợp này, nút phát sóng gói chương trình nút gần nút sink phát lại gói đến nút sink Tại lớp MAC, giao thức CSMA ( đa truy cập theo sóng mang) đơn giản sử dụng Tại lớp giao vận, gói tin bơm vào mức độ không đổi Kết nút sink nhận gói liệu, khơng kể gói liệu trùng lặp [GEO] : Định tuyến địa lý + CC-MAC+ESRT: Cấu hình giao thức bao gồm ESRT, định tuyến địa lý CC-MAC lớp giao vận, định tuyến, MAC tương ứng Giao thức CC-MAC thực cách sử dụng r corr = 7m, Tsss=5s Trong giao thức định tuyến 20% nút xa phạm vi phát sóng đưa vào danh sách đen nút gần nút sink chọn làm bước [PRR] : Dựa định tuyến địa lý PRR + CC-MAC+ ESRT : Cấu hình giao thức tương tự GEO + Các thuật toán định tuyến Trong cấu hình này, định định tuyến dựa chất lượng kênh nút với nút gần nó, chất lượng kênh đo theo mức tiếp nhận gói tin ( PRR), nút nhằm tối đa hóa PRR, kết tốt chọn để thực bước [PRR-SMAC]: Dựa định tuyến địa lý PRR + SMAC+ ESRT: Cấu hình giao thức tương tự PRR với thay lớp MAC giao thức SMAC Trong cấu hình này, chu kỳ nhiệm vụ đề xuất thay hoạt động phân phối chu kỳ nhiệm vụ [DD-RMST]: Điều khiển khuếch tán + RMST: Trường hợp bao gồm RMST, điều khiển khuếch tán, chương trình CSMA đơn giản Giao thức RMST thực cho hop-by-hop phục hồi nhớ đệm, khơng có ARQ sử dụng lớp liên kết trình bày [70] DD- RMST sử dụng đánh giá so sánh mà khơng có hoạt động chu kỳ nhiệm vụ Tức , δ =1 XLM: Đề xuất mơ-đun xun lớp (XLM) thực mô tả phần 3, với ngưỡng SNR ξTh =10dB Cách tiếp cận dựa tiếp nhận làm việc XLM không đặt yêu cầu cho giao tiếp rõ ràng, điều tạo chi phí lớn sử dụng thức lớp Hơn từ chu kỳ nhiệm vụ triển khai giải pháp xuyên lớp, nút Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 50 xung quanh nút xét lúc hoạt động Do , giao thức hoạt động có số sửa đổi sau: Theo đó, GEO, PRR, PRR-SMAC nút phát sóng đèn tín hiệu vị trí thời gian ngủ cịn lại để ngủ Đèn tín hiệu gửi khung ngủ Mỗi nút xung quanh nút xét tiếp nhận đèn tín hiệu này, xác định thời gian hoạt động nút, thời gian quy định đèn tín hiệu, trường hợp PRR, PRR-SMAC, đèn tín hiệu sử dụng số chất lượng kênh Để tối ưu hóa hiệu suất mạng, GEO PRR, có cảnh báo piggybacked có gói tin hàng đợi Trong PRR-SMAC, xuyên lớp pairwise (một cặp lớp khả thi cho việc thực xuyên lớp ) sử dụng cảnh báo định tuyến gửi với gói tin SYNC Tương tự vậy, gói SYNC piggybacked có gói tin hàng đợi Ở đây, DD-RMST sử dụng cho hoạt động mà khơng có chu kỳ nhiệm vụ Tức là, δ =1 Do cấu hình DD-RMTS tính tốn với δ =1 Tiếp theo, kết hoạt động với chu kỳ nhiệm vụ δ từ 0.1-1 trình bày mục 3.2.2.2 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 51 3.2.2.2 Các kết so sánh Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 52 Hình 3.6: (a) Năng lượng tiêu thụ trung bình gói.(b) Số hop trung bình (c) Độ trễ trung bình so với chu kỳ nhiệm vụ cho giao thức XLM Trong hình 3.6 ( a) so sánh thơng lượng XLM giao thức khác, thông lượng đạt cao giao thức cịn lại, điều cho thấy lợi rõ ràng XLM Trong giao thức khác XLM, việc khai thác thơng tin xun lớp khơng hiệu Ví dụ, PRR PRR-MAC, lựa chọn đường dựa vào thông tin vị trí chất lượng liên kết, mức độ tắc nghẽn nút cụ thể không xem xét, kết quan trọng so sánh XLM PRR-SMAC GEO PRR sử dụng CC-MAC lớp MAC Ở đây, CC-MAC sử dụng số nhỏ nút gửi thông tin khu vực kiện, nút đại diện cho tất nút khu vực XLM khai thác khai thác khoảng trống không gian tương quan môi trường truy cập Tuy nhiên, SMAC không khai thác điều mà tất nút bên khu vực kiện gửi thông tin tới nút trung tâm Giá trị thông lượng PRR-SMAC cao so với GEO, PRR Tuy nhiên, XLM tốt thông lượng tổng cho dù số nút gửi thơng tin hơn, điều cho thấy độ phân giải cao nút gửi liệu mức cao nút sink, dung lượng mạng khai thác hiệu Lưu ý thông số đạt DD-RMST thấp đáng kể so với XLM, PRR, GEO, Flooding điều lí sau: Thứ nhất, cần phải tạo lưu lượng bổ xung cho việc khơi phục gói liệu bị mất, điều làm tăng lưu lượng bổ xung cho tranh chấp kênh không dây dẫn đến giảm công suất mạng Thứ hai, thơng lượng giảm gói hướng dẫn điều khiển khuếch tán, đặc biệt quan tâm thăm dị gói tạo lưu lượng đáng kể Độ tin cậy giao thức truyền thông thể hình 3.6 ( b) Khơng phân biệt giá trị chu kỳ nhiệm vụ δ, XLM cung cấp độ tin cậy cao so với mơ hình giao tiếp xun lớp khác Nó có tính thích nghi với cấu trúc liên kết mạng, cho hiệu suất cao chu kỳ nhiệm vụ mức thấp Cùng với thông lượng cao hình 3.6 ( a), XLM cịn cho phép giao tiếp hiệu cao DD-RMST cung cấp độ tin cậy 100% , XLM 96% cho hoạt động khơng có chu kỳ nhiệm vụ, δ = Mục tiêu XLM ngăn chặn lỗi cách xây dựng liên kết phi tắc nghẽn, đường dẫn chất lượng cao sau Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 53 đảm bảo độ tin cậy cao kỹ thuật ARQ hop-by-hop Cách tiếp cận cho độ tin cậy tương đương với RMST với chi phí thấp đáng kể phân tích phần Sự giảm độ tin cậy giao thức lớp chủ yếu số lượng đáng kể gói tạm ngừng truyền lại, thể hình 3.6 ( c) Điều cho thấy nút khơng thể tìm thấy ý định bước chúng chất lượng kênh nút chuyển sang trạng thái ngủ trước nhận gói tin nào, điều tồi tệ chu kỳ nhiệm vụ nút mức thấp Trong hình ( a), mức tiêu thụ lượng trung bình gói tin hiển thị Tại đây, giá trị cho GEO PRR δ = 0.1 khơng hiển thị khơng có gói tin hiển thị nút trung tâm Có thể nói XLM tiêu thụ lượng đáng kể cho gói tin hiệu lượng cao, so sánh với giao thức khác Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 54 Hình 3.7 ( a) Năng lượng tiêu thụ trung bình gói tin ( b) Số hop trung bình ( c) Độ trễ trung bình so với chu kỳ nhiệm vụ giao thức Sự khác biệt này, chủ yếu phát sóng định kỳ gói đèn hiệu GEO PRR gói SYNC PRR-SMAC Hơn mức thời gian đáng kể dành cho truyền lại hình 3.6 ( c), lãng phí lượng đáng kể cho gói liệu khơng thể chuyển chúng đến nút xử lý trung tâm Từ MAC lớp mạng hoạt động độc lập, khơng thể tìm nút lựa chọn lớp định tuyến dẫn đến việc tiêu tốn đáng kể lượng Một kết hiệu lượng DD- RMTS thấp, cấu hình cho độ tin cậy 100% hình 3.6 ( b) Nguyên nhân chức cấu trúc lớp : định tuyến, giao vận, MAC khơng ăn khớp với Như giải thích, lớp định tuyến gánh chịu đáng kể chi phí trì đường dẫn end-to-end nguồn điểm đến Ngược lại, XLM sử dụng kỹ thuật định tuyến thích nghi nên cung cấp đường cho hiệu lượng cao Quan sát hình 3.7 ( a) lượng tiêu thụ cho gói tin XLM tối thiểu δ =0.2, điều phù hợp với phân tích tốn học mục 3.6 Chúng ta nhận thấy δ =0.2 cung cấp hiệu suất lượng cao hoạt động XLM Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 55 Mặt khác, lợi việc sử dụng lớp định tuyến riêng biệt giao thức lớp, thấy hình 3.7 ( b), số lượng trung bình hop thể hình Kết quả, với DD-RMST cần số bước nhảy để đưa gói tin tới nút trung tâm so với giao thức lại, điều thuật toán định tuyến giao thức lớp thực việc tìm số nhỏ bước nhảy Tuy nhiên, xét hiệu suất tổng thể XLM cho thấy, hiệu lớp định tuyến khơng thể tạo giao tiếp hiệu WSN Nói cách khác, số lượng nhỏ bước nhảy tối ưu mặt định tuyến, hiệu ứng khác như: chất lượng liên kết , mức độ tranh chấp, mức độ tắc nghẽn, tiêu thụ lượng tổng thể đòi hỏi cách tiếp cận xuyên lớp việc lựa chọn đường để có hiệu tổng thể cho mạng WSN Trong hình 3.7 ( c), XLM có độ trễ end-to-end so sánh với PRR GEO cho độ trễ nhỏ sử dụng định tuyến dựa vị trí địa lý Mặt khác, PRR-SMAC cho độ trễ cao lịch trình nhóm nút Hình 3.7 ( c) cho thấy rõ ràng, DD-RMST khơng có cân độ tin cậy độ trễ ( cấu hình cho độ trễ cao cấu hình khác) Các độ trễ end-to-end cho Flooding cao đáng kể ứng với trường hợp δ = 0.2, δ = Khi tất nút hoạt động, gây Flooding số lượng tranh chấp ùn tắc lớn, dẫn đến thời gian chiếm dụng nhớ đệm cao Mặt khác chu kỳ nhiệm vụ ngắn, làm nút nhận gói tin hết thởi gian cho chu kỳ nhiệm vụ mình, điều làm tăng độ trễ end-to-end Tương tự, độ trễ end-to-end XLM tăng δ giảm, điều hiển nhiên Từ hình 3.6 ( c), với δ = 0.1 , 14% số gói truyền giàm thời gian chờ tái phát sóng Do thực tế, nút gửi khơng thể tìm thấy nút lân cận đáp ứng hạn chế công thức (3.10) mục 3, kết độ trễ tăng truyền lại 3.2.2.3 Độ phức tạp triển khai XLM Việc thực mơ-đun XLM Trong đó, việc thực thiết kế xuyên lớp ý, so sánh chất lượng thiết kế xuyên lớp thiết kế giao thức kiến trúc lớp truyền thống Trong kiến trúc truyền thống , lớp có ranh giới rõ ràng Cấu trúc nhiều lớp dẫn đến chậm trễ tính tốn phải xử lý gói tin cách Ví dụ, Tiny OS , lớp phải đợi cho lớp thấp xử lý gói tin từ đệm cho gói tin tất lớp XLM, trộn chức Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 56 lớp giao vận, định tuyến, MAC thành mô-đun giao tiếp thống nhất, thực xuyên lớp cách xem xét mối liên hệ với lớp vật lý hiệu ứng kênh, đoạn giả mã phần 3.5 Vì vậy, chức thực cho hiệu toàn diện có tính hệ thống Như giải thích phần 3, XLM không yêu cầu bảng không gian đệm cho chức lớp định tuyến lớp giao vận Định tuyến thực dựa tiếp nhận chủ động mà không cần bảng định tuyến nút Như đoạn mã phần 3.5, việc thực XLM đơn giản nhỏ gọn Nhưng với PRR-SMAC, cụ thể SMAC, trì bảng lịch trình cho nút chuyển tiếp để cung cấp đồng hóa chu kỳ giấc ngủ Tương tự, DD-RMST, lớp định tuyến nút phải thực việc củng cố, chữa bảng lịch trình cho nguồn đến, bước đường thêm vào Trong trường hợp, nút nút nguồn, theo dõi nút xung quanh , có đường dẫn đến nút trung tâm tin nhắn thăm dò Tại lớp giao vận, RMST yêu cầu ngăn xếp riêng biệt để làm chỗ cất dấu liệu cục bộ, giúp hỗ trợ việc phục hồi liệu bị tất bước nhảy Những yêu cầu hoạt động giao thức lớp ngăn xếp giao thức cấu trúc nội lớp, nơi chiếm nhớ để dùng cho giao tiếp nút cảm biến thêm không gian ngăn xếp giao tiếp, để phát triển ứng dụng cho mạng WSN Mặt khác sử dụng thận trọng không gian mã thực chức giao tiếp lớp XLM cung cấp cho hiệu cao WSN Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 57 KẾT LUẬN Mạng cảm nhận không dây hệ thống có nhiều ứng dụng thực tế Tuy nhiên nước ta kỹ thuật chưa ứng dụng rộng rãi cịn vấn đề mẻ với nhiều người Vì đồ án em xin trình bày tổng quan mạng cảm nhận, đồng thời giới thiệu kỹ thuật tối ưu cho kỹ thuật xuyên lớp Em hy vọng giới thiệu cho người hiểu thêm mạng cảm nhận không dây kỹ thuật xuyên lớp Trong phạm vi đồ án này, trước hết giới thiệu mạng cảm biến không dây ( WSN) Tiếp theo, giới thiệu kỹ thuật xuyên lớp, kỹ thuật cải tiến giúp tăng tuổi thọ mạng việc tối ưu lượng sử dụng, tăng thông lượng mạng độ tin cậy mạng WSN Cuối cùng, đồ án đưa mô-đun xuyên lớp (XLM) tối ưu cho WSN Do kỹ thuật xuyên lớp vấn đề xem xét nghiên cứu giới, em giới thiệu lý thuyết, thực nghiệm vấn đề khó phần mềm có chưa đáp ứng Đồ án em nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu ngắn, nên em mong nhận phê bình, thầy để đồ án em hồn thiện Tìm hiểu kỹ thuật xun lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 58 TµI LIƯU THAM KH¶O [1] C S Raghavendra, Krishna M Sivalingam and Taieb Znati, “Wireless Sensor Networks”, Kluwer Academic Publishers, 2004 [2] Liang Song, “Cross Layer Design in Wireless Sensor Networks”, Phd Thesis, De-partment of Electrical and Computer Engineering, University of Toronto, p.2, 2006 [3] “ The State of the Art in Cross-Layer Design for Wireless Sensor Networks ” Tommaso Melodia, Mehmet C Vuran, and Dario Pompili, Georgia Institute of Technology, dario}@ece.gatech.edu Atlanta, GA 30332, {tommaso, mcvuran, [4] “ A Cross-Layer Protocol for Wireless Sensor Networks “, Ian F Akyildiz Mehmet C Vuran ă Ozgă ur B Akan Middle East Technical University, Atlanta, GA 30332 06531, Ankara, Turkey Email: {ian, mcvuran}@ece.gatech.edu Email:akan@eee.metu.edu.tr [5] “ Correlation-based cross-layer communication in wireless sensor networks ” Georgia Institute of Technology,August 2007 [6] ” Cross-Layer Optimization for Sensor Networks ” Yuecheng Zhang and Liang Cheng, Department of Electrical and Computer Engineering, Lehigh University, zhy2@lehigh.edu, Department of Computer Science and Engineering, Lehigh University, cheng@cse.lehigh.edu , 19 Memorial Drive West, Bethlehem, PA 18015, USA [7] Design challenges for energy-constrained ad hoc wireless networks , Wireless Communications, IEEE [see also IEEE Personal Communications], vol.9, no.4, pp 8- 27, Aug., 2002 [8] “Cross Layer Design in Wireless Sensor Networks”, Phd Thesis, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Toronto, p.2, 2006 [9] “Cross-Layer Design: A Survey and the Road Ahead” Vineet Srivastava and Mehul Motani, IEEE communication magazine, December 2005 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 59 [10] “Cross-layer optimization for high density sensor networks: Distributed passive routing decisions," Skraba, P., Aghajan, H., and Bahai, in Proc Ad-Hoc, Now '04, (Vancouver), July 2004 [11] ” Geographic random forwarding (GeRaF) for ad hoc and sensor networks: multihop performance," Zorzi, M and Rao, R IEEE Trans Mobile Computing,vol 2, pp 337{348, Oct.-Dec 2003 [12] “ RMST: Reliable data transport in sensor networks," Stann, F and Heidemann, J in Proc IEEE SNPA '03, (Anchorage, Alaska), pp 102{112, April 2003 [13] Stann, F and Heidemann, J., \RMST: Reliable data transport in sensor networks," in Proc IEEE SNPA '03, (Anchorage, Alaska), pp 102{112, April 2003 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP ... thức xuyên lớp Trong chương 2, tìm hiểu kỹ thuật cho mạng cảm nhận WSNs Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 20 CHƯƠNG : TÌM HIỂU CÁC KỸ THUẬT XUYÊN LỚP TRONG MẠNG... 2: Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng cảm nhận, chương nghiên cứu sở lý thuyết kỹ thuật xuyên lớp, tìm hiểu số kỹ thuật xuyên lớp sử dụng WSN Chương 3: Tìm hiểu phân tích giao thức mơ-dun xun lớp. .. WSN Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 14 Hình 1.3 : Phương pháp tiếp cận lớp Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 15 - Lớp giao