Tổng quan công nghệ WSNs và kỹ thuật định tuyến tiếp kiệm năng lượng trong WSNs

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ==== ==== LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT HÀ NỘI 10-2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ==== ==== LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG HÀ NỘI 10-2008 MỤC LỤC Lời cam đoan i Mục lục .ii Danh mục từ viết tắt iii Danh mục hình vẽ .iv Mở đầu .v PHẦN I Tổng quan công nghệ WSNs I Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây(WSN) 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Kiến thức kỹ thuật mạng cảm biến 1.2 Miêu tả kỹ thuật 11 1.2.1 Khái niệm kiến trúc mạng 13 1.2.2 Thử thách khó khăn 21 1.3 Kết luận 25 2.Ứng dụng WSN 25 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Cơ sở 27 2.3 Phạm vi ứng dụng 30 3.Kĩ thuật mạng không dây 31 3.1 Giới thiệu 31 3.2 Kỹ thuật node cảm biến 32 3.2.1 Tổng quát 32 3.2.2 Hardware Software 33 3.3 Phân loại sensor 35 3.4 Các xu hướng WN 36 Các hệ thống kỹ thuật truyền không dây 38 4.1 Giới thiệu 38 4.2 Công nghệ rađiô 38 4.2.1 Sự lan Truyền suy giảm lan truyền 39 4.2.2 Điều chế 42 4.3 Kỹ thuật khơng dây sẵn có 43 4.4 Kết luận 44 Giao thức kiểm soát truy nhập trung gian cho WSNs 45 5.1Giới thiệu 45 5.2 Cơ sở 46 5.3 Nền tảng giao thức Mac 47 5.3.1 Các yêu cầu thực 48 5.3.2 Các giao thức phổ biến 52 5.4 Giao thức Mac cho WSNs 62 PHẦN II Giao thức định tuyến WSN 64 Giao thức Định tuyến cho mạng cảm biến không dây 64 6.1 Giới thiệu 64 6.2 Background 65 6.3 Phổ biến thu thập liệu 66 6.4 Thách thức định tuyến vấn đề thiết kế mạng WSNs 67 6.4.1 Quy mô thay đổi Thời gian - Đặc điểm bất biến 68 6.4.2 Sự giới hạn resource 68 6.4.3 Mơ hình liệu - Ứng dụng cảm ứng 69 6.5 Kế hoạch định tuyến mạng cảm biến không dây 69 6.5.1 Kỹ thuật định tuyến WSN 71 6.5.2 Flooding biến đổi 72 6.5.3 Giao thức cảm biến thông tin thông qua đàm phán SPIN 74 6.5.4 Phân cấp nhóm thích ứng cơng suất thấp (Leach) 80 6.5.5 Thu thập Năng lượng -Hiệu HT thông tin cảm biến 84 6.5.6 Khuếch tán trực tiếp 88 6.5.7 Định tuyến địa lý 94 6.6 Kết luận 101 PHẦN III Chương trình mơ giao thức chọn đường Leach 102 Kết luận 106 Tài liệu tham khảo 107 PHẦN I TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs I Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây(WSN) 1.1 Giới thiệu Một mạng cảm biến thành phần mà bao gồm có yếu tố cảm biến (theo tiêu chuẩn), điện tốn, viễn thơng, mà đưa cho người quản lý có khả cung cấp, quan sát tương tác với vật tượng môi trường chuyên biệt Các nhà quản lý khác lĩnh vực xây dựng, phủ, thương mại, cơng nghiệp Mơi trường giới vật lý, hệ thống sinh học or kết cấu IT Các hệ thống cảm biến mạng nhìn nhà quan sát kỹ thuật quan trọng mà phát triển chủ đạo vài năm tới cho plethora ứng dụng, mà ăn ninh quốc gia Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm , không bị giới hạn việc thu thập liệu, điều chỉnh, giám sát, đo lường y học từ xa Thêm vào việc cảm biến, điều đáng quan tâm khác điều khiển hoạt động Có bốn thành phần mạng cảm biến : - Việc lắp ráp cảm biến lắp đặt phân bố - Một mạng kết nối (thông thường, luôn với sở mạng không dây) - Một trung tâm tiêu điểm chùm thông tin - Thiết lập nguồn trung tâm điểm (hoặc trên) để xử lý tín hiệu liên kết, tiên lượng biến cố, truy vấn trạng thái, khai thác liệu Trong nội dung này, nút tính cảm biến coi phần mạng cảm biến, thực tế vàì tính tính thực hệ thống Bởi số lượng lớn liệu tiềm thu thập, 1.1.1 Kiến thức kỹ thuật mạng cảm biến - Những nhà nghiên cứu xem WSNs(mạng cảm biến không dây) lĩnh vực mẻ thú vị hệ thống mạng lớn nút mạng khơng dây có cơng suất thấp với lượng CPU nhớ, mạng kết hợp lớn mà có độ nhạy cao với môi trường Những cảm biến WSN sử dụng với nhiều mục đích, chức khả khác Lĩnh vực phát triển thúc đẩy tiến kỹ thuật thời gian gần kéo theo vơ vàn ứng dụng tiềm Mạng radar sử dụng việc điều khiển khơng lưu, mạng điện quốc gia, trạm khí tượng quốc gia phủ khắp mạng điểm đặt cách có hệ thống, tất ví dụ trước việc triển khai mạng cảm biến Tuy nhiên, tất hệ thống sử dụng máy tính giao thức truyền thông chuyên dụng, đắt đỏ Hiện có kế hoạch ứng dụng WSN tiết kiệm vào an tồn vật lý, chăm sóc sức khoẻ thương mại Mạng cảm biến mà lĩnh vực đa diện mà có liên quan tới ngành khác, số kể tới, vơ tuyến điện mạng, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo, quản lý liệu, cấu trúc hệ thống cho việc quản lý kết cấu sở thân thiện với với người điều hanh, tối ưu hoá tài nguyên, thuật toán quản lý công suất, công nghệ tảng( phần cứng phần mềm, chẳng hạn hệ điều hành) - Cơng nghệ cảm biến điều khiến gồm có cảm biến từ trường điện trượng, cảm biến tần số sóng vơ tuyến, cảm biến quang, điện quang hồng ngoại; rada, lase, cảm biến vị trí/ hướng; cảm biến địa chấn sóng áp suất; cảm biến liên quan tới vấn đề an ninh quốc gia Chúng ta xem cảm biến ngày thiết bị thông minh, không đắt tiền lắp đặt kèm thiết bị cảm biến; chúng điểm nút đa chức năng, không ràng buộc, công suất thấp, giá thành rẻ đặt cách hợp lý điểm nút chìm Một mục tiêu mang tính thương mại phát triển hồn thiện hệ thống học vi điện - dựa hệ cảm biến chiếm dung tích 1mm3 - Các cảm biến phát triển chủ yếu theo lối mật độ tập trung cao số lượng lớn; WSN gồm có nút phân dày đặc có hố trợ cảm biến, xử lý tín hiệu, hệ thống tính tốn nhúng, ghép nối; cảm biến liên kết theo cách lô gíc theo kiểu tự tổ chức( cảm biến bố trí theo chặng ngắn điểm điểm, xếp theo cặp chủ tớ ý) Kết cần phải có phương pháp thiết kế với tập luật kèm, không bị giới hạn, việc truyền thông tin, vấn đề mạng quản lý điều hành, bảo mật, tích hợp, tính khả dụng xử mạng cục Trong vài trường hợp, vài thách thức vân đề thu thập liệu từ WNs kết tới từ WNs bị đứt đoạn trạng thái pin yếu (ví dụ, chúng phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời để nạp điện) hỏng hóc Wn khác Thơng thường, số lớn đơn vị khách (64k trở lên) cần hỗ trợ hệ máy giải mã Bề rộng cảm biến tuân theo độ lớn kích cỡ vật lý; chúng (hoặc, vài thành phần nó) có độ rộng từ thiết bị cỡ nano tới cỡ meoscopic điểm, từ kích cỡ micro tới marco điểm khác Nanoscopic( gọi kích cỡ nano) đối tượng thiết bị có kích cỡ từ tới 100mm đường kính; kích cỡ meoscopic từ 10 đến 1000µm đường kính; kích cỡ macrcoscopic phạm vi mm tới m Ở mức gần cuối thang đo tìm thang đo khác, cảm biến sinh học, vi cảm biến bị động nhỏ (ví dụ Smart Dust - hệ thống truyền thơng, tính tốn cảm biến độc lập sử dụng quang phổ nhìn thấy để truyền dẫn) tập hợp "lab-on-a-chip" - Các cảm biến thành phần điểm đơn dãy dị đa điểm Các cảm biến bị động tự cấp lượng; xa chuỗi tiêu thụ lượng, vài cảm biến yêu cầu lượng tương đối thấp từ pin đường dẫn Ở điểm cao cuối chuỗi tiêu thụ lượng, vài cảm biến cần lượng lớn (ví dụ cho rada) - Các cảm biến tạo điều kiện cho việc trang bị điều khiển nhà máy, văn phòng, nhà, phương tiện, thành phố môi trường, đặc biệt làm cho cơng nghệ có sẵn trở nên khả dụng Với công nghệ mạng cảm biến (đặc biệt với mạng cảm bíên nhúng), thuyền, máy bay, tồ nhà tự dị lỗi cấu trúc (ví dụ vết nứt việc giảm sức chịu lực) - Chúng ta nhấn mạnh vào bật tiêu chuẩn mở hỗ trợ cho WSNs; việc tiêu chuẩn hoá đưa tới thương mại hố cơng nghệ, cuối để phát kiến trở thành công nghệ phổ biến, tiêu chuẩn mở mức thương mại hoá, chipsets, sản phẩm cần thiết đáp ứng dịch vụ thương mại đáp ứng mức hoạt động theo quan điêm tính tin cậy, giá cả, tính khả dụng, độ bền, tính đơn giản Sau mẫu phân loại chủ đề nghiên cứu tần suất công bố dựa qui mơ tiêu đề khoa học WSN gần - Phân phối, bố trí 9.70% - Dò mục tiêu 7.27% - Xác định vị trí 6.06% - Tập hợp liệu 6.06% - Định tuyển tổng hợp 5.76% - An ninh 5.76% - Giao thức MAC 4.85% - Truy vấn sở liệu 4.24% - Đồng hoá thời gian 3.64% - Các ứng dụng 3.33% - Truyền thẳng 3.33% - Tối ưu hoá thời gian sống 3.33% - Phần cứng 2.73% - Lớp truyền 2.73% - Thuật toán phân tán 2.73% - Định tuyến theo nguồn tài nguyên 2.42% - Lưu trữ 2.42% - Phần sụn(middleware) phân chia tác vụ 2.42% - Định cỡ 2.12% - Radio không dây đặc tính kết nối 2.12% - Giám sát mạng 2.12% - Định tuyến phương vị 1.82% - Nén 1.82% - Phân loại 1.52% - Dung tích 1.52% - Các kỹ thuật lớp kết nối 1.21% - Điều khiển cấu trúc liên kết 1.21% - Các điểm nút di động 1.21% - Dò ước lượng 1.21% - Hiện tượng khuếch tán 0.91% - Lập trình 0.91% - Điều khiển công suất 0.61% - Phần mềm 0.61% - Tự định tuyến 0.30% - Để đánh giá tầm quan trọng mức độ rủi ro tiêu chuẩn simplicityfostering việc tạo cơng nghệ có tính thực tế rộng, cần nghiên cứu phát triển hệ thống truy cập ngẫu nhiên không dây từ cuối thập niên 60 hệ thống LANs WLAN/2.5G/3G ngày nay; ARPAnet đầu năm 70 (ví dụ số nhiều,[1.24]) tới Internet ngày nay(ví dụ [1.25]); Voice Over Packet thập niên 70(ví dụ [1.26-1.60]) tới cơng nghệ Voice Over IP tại(ví dụ [1.31 1.32]); phương pháp nén video cuối năm 80 ( ví dụ [1.33]) tới cách mạng truyền dẫn video kỹ thuật số MPEG-2 MPEG-4 Xem hình 1.1 thể chuyển dịch trọng tâm ngành kỹ thuật theo thời gian Hình 1.1 : Chuyển dịch trọng tâm ngành kỹ thuật theo thời gian - Thật ra, chuyển đổi này, mạng cảm biến phát triển nhanh; lĩnh vực thu hút quan tâm lớn không từ giới học viện phủ mà cịn từ nhà phát triển, sản xuất, công ty, nhà phát minh, nhà sản xuất dụng cụ nguyên gốc Dựa theo nhà quan sát ngành công nghiệp, thị trường cảm biến không dây tư sắn sàng thương mại hoá Báo cáo thị trường nửa tỷ điểm nút mạng kỳ vọng chuyển sang sử dụng ứng dụng mạng không dây vào năm 2010, ứng vơi tỷ la - Việc thực WSNs cần phải giải giải thách thức mặt kỹ thuật; nhiên vào khoảng thời gian thích hợp tương lai, xu tiêu chuẩn hoá tối giản thách thức việc giải vấn đề trước điều dẫn đến đời linh kiện chipset có sẵn Một vấn đề nghiên cứu phát triển gần việc cải thiện vấn đề truyền thông công suất thấp với việc xử lý nút mạng giao thức kết nối tự xếp cho chi phí thấp Một thử thách quan trọng khác việc cần thiết mở rộng chế hoạt động tạm thời nút cảm biến bị giới hạn nguồn cấp lượng Cấu trúc sóng vơ tuyến rói riêng, bao gồm việc sử dụng mạch có cơng suất bé, phải lựa chọn cách phù hợp Theo thuật ngữ thực tiễn, ám việc tiêu thụ lượng cho cơng đoạn truyền tín hiệu qua kênh băng thông hẹp việc tiêu thụ lượng phù hợp với trình tiền xử lý nén liệu Người ta tìm kiếm hệ thống truyền thông không dây tiết kiệm lượng điển hình cho hệ thống WSNs Tiết kiệm lượng nhân tố quan trọng để đảm bảo cho hoạt động lâu dài hệ thống khơng xạ (một vài hệ thống xạ dựa nguồn lượng khác) - Hiệu suất lượng WSNs nói chung thực theo cách: o Hoạt động vòng bé o Xử lý nội mạng/mạng nội để làm giảm dung tích liệu(và giảm thời gian truyền) o Mạng có nhiều bước nhảy làm giảm yêu cầu cho việc truyền khoảng cách xa mát tín hiệu truyền hàm nghịch đảo theo cấp số mũ với khoảng cách Mỗi nút mạng cảm biến làm việc lặp, làm giảm vùng phủ sóng yêu cầu điểm nối theo cơng suất truyền - Mạng không dây thông thường thiết kế với dải điểm nối theo thứ tự 10, 100 hàng nghìn dặm Việc giảm dải điểm nối nén lượng liệu WSNs dẫn đến chi phí cho điểm kết nối khác với khác hệ thống thơng dẫn dẫn đến chi phí đáng kể, tỷ lệ cho sản phẩm số lượng định tuyến tỉ lệ thay đổi topological mạng Đinh tuyến địa lý, mặt khác, không cần trì trạng thái''nặng'' routers để theo dõi trạng thái Tơ pơ Nó địi hỏi thơng tin tơpo single-hop Tơ pơ, chẳng hạn vị trí lân cận tốt để thực định chuyển tiếp Bản chất tự -mô tả chất định tuyến địa lý, kết hợp với địa phương pháp tiếp cận để định cần thiết phải trì nội chẳng hạn cấu trúc liệu bảng định tuyến Do đó, việc kiểm sốt chi phí giảm đáng kể, tăng cường quy mơ lớn mạng Các thuộc tính làm cho định tuyến địa lý giải pháp khả thi cho định tuyến tài nguyên-chế cảm biến mạng cảm biến có nguồn tài nguyên bị hạn chế này.obliter- ates the need for maintaining internal data structures such as routing tables Chiến lược định tuyến Mục tiêu định tuyến địa lý để sử dụng thơng tin địa điểm để hình thành chiến lược định tuyến hiệu mà không cần yêu cầu flooding suốt mạng Để đạt mục tiêu này, gói liệu gửi đến nodes nằm khu vực xem chuyển tiếp Trong lộ trình này, gọi tắt geocasting, có nodes mà nằm khu chuyển tiếp rõ ràng phép để chuyển tiếp gói liệu [6.23,6.24] Các khu vực chuyển tiếp sta-tically xác định nguồn node, xây dựng theo kiểu động nodes trung cấp để loại trừ node mà gây đường vịng chuyển tiếp gói liệu Nếu node khơng có thơng tin điểm đến, tuyến đường bắt đầu tìm kiếm phát sóng trực tiếp, đầy đủ Nodes Trung cấp, với kiến thức tốt điểm đến, giới hạn khu chuyển tiếp để lưu lượng truy cập trực tiếp hướng điểm đến Ý tưởng giới hạn phạm vi điều chỉnh gói tuyên truyền cho khu vực xem tương ứng với property trungtâm liệu mạng cảm biến, điều quan tâm đến nội dung liệu, thay cảm biến, cung cấp liệu Các hiệu chiến lược phụ thuộc chủ yếu đường chuyển tiếp xác định cập nhật liệu dịch chuyển hướng điểm đến Nó phụ thuộc vào kết nối nodes khu thiết kế Một chiến lược lần thứ hai sử dụng định tuyến địa lý, gọi tắt định tuyến dựa vị trí, địi hỏi với định tuyến dựa vị trí yêu cầu node mà biến thơng tin vị trí lân cận trực tiếp [6.25,6.26] Một chế chuyển tiếp sau sử dụng nhờ mà node chuyển gói đến node lân cận gần để đến đích Một số số liệu đề xuất để xác định khái niệm gắn bó, bao gồm khoảng cách Euclidean đến điểm đến, khoảng cách dự kiến đến điểm đến node thẳng gia nhập điểm đến, chệch hướng hướng thẳng hướng điểm đến giao thức định tuyến dựa vị trí có khả kiểm sốt để giảm chi phí giảm lượng, flooding cho khám phá node tuyên truyền trạng thái có vị trí single hop, Hiệu lộ trình Tuy nhiên, phụ thuộc vào mạng mật độ, xác nodes địa phương, quan trọng hơn, quy định chuyển tiếp sử dụng để di chuyển lưu lượng liệu truy cập hướng điểm đến Trong phần sau đây, quy tắc chuyển tiếp thường sử dụng vị trí dựa định tuyến mô tả Kỹ thuật sử dụng để khắc phục thiếu thông tin vị trí cố mơ tả Phương pháp tiếp cận chuyển tiếp quan trọng đinh tuyến địa lý quy định sử dụng để chuyển tiếp lưu lượng truy cập hướng đích cuối Ở vị trí dựa định tuyến, node định hop dựa vị trí riêng mình, vị trí lân cận, điểm đến node Chất lượng định rõ ràng phụ thuộc vào độ mở rộng kiến thức tồn cầu Tơ pơ node [6,27] kiến thức local Tơ pơ dẫn đến suboptimal đường cực thuận, miêu tả hình 6,15, nơi mà node nắm giữ gói, làm cho định chuyển tiếp dựa vào kiến thức địa phương, Tơ pơ Tìm đường dẫn tối ưu yêu cầu kiến thức toàn cầu Tơ pơ Các chi phí cho tồn cầu kiến thức Tơ pơ địi hỏi, nhiên, điều hạn chế nguồn tài nguyên-hạn hẹp WSNs Để khắc phục vấn đề này, nhiều chiến lược chuyển tiếp đề xuất [6.286.32] Lộ trình định tuyến greedy chọn số lân cận điểm gần điểm đến Hình 6.16, node nắm giữ tin nhắn, MH node, chọn node GRS hop để chuyển tiếp tin nhắn Đó lưu ý việc lựa chọn trình sử dụng chương trình xem xét thiết lập nodes điểm đến gần với thời thông báo giữ Nếu thiết lập trống rỗng, chương trình khơng để tiến trình chuyển tiếpTrong hầu hết chiến lược chuyển tiếp-trong-R (MFR), nơi mà R đại diện cho phạm vi truyền, node truyền gói tới chuyển tiếp lân cận hướng điểm đến Dựa phương pháp tiếp cận này, hop lựa chọn để MH Hình 6.15 Globalized địa định chuyển tiếp Hình 6.16 Đinh tuyến địa lý chuyển tiếp chiến lược chuyển tiếp gói node MFR Đây cách tiếp cận greedy cận thị không thiết phải giảm đến mức tối thiểu, lại khoảng cách đến điểm đến Lịch trình tiến trình - tiếp - gần chọn node gần với trình chuyển tiếp Dựa lịch trình này, node NFP chọn MH để chuyển tiếp tin nhắn đến điểm hẹn node gần gần cách thay cho phương pháp tiếp cận này, node nắm giữ thông báo chọn gần số tất node lân cận điểm đến gần với điểm đến Lịch trình định tuyến compass chọn node với tối thiểu góc độ nối thẳng node điểm đến nối thẳng lân cận điểm đến Hình 6,16, node CMP lựa chọn hop để chuyển tiếp lưu lượng truy cập đến điểm đến Lịch trình chuyển tiếp Năng lượng-Thấp lựa chọn node địa phương với lượng nhỏ yêu cầu, thể phần Jun phần đo, để tiến trình chuyển tiếp hướng tới mục tiêu Trong cấu hình mạng hiển thị Hình 6,16, node lef chọn MH để di chuyển hướng lưu lượng truy cập tới điểm đến Như nêu trước đó, quy mô và-trung tâm liệu định tuyến địa lý làm cho định tuyến khả thi thay WSNs Ứng dụng giả định, địa điểm địa lý tất vùng lân cận nodes, thiết lập phụ, biết đến người giữ thông tin Những thông tin xác vị trí địa lý nodes thường có sẵn từ hệ thống định vị tồn cầu (GPS) Có thể số cài đặt, sensing nodes trang bị thiết bị GPS Trong đa số trường hợp, nhiên, tài nguyên lượng giới hạn node cảm biếns cấm việc sử dụng thiết bị GPS Để địa ngắn tới, chiến lược, có GPS-augmented ranh giới nodes truy cập vào thơng tin xác vị trí đề xuất [6,36] ] Nodes mà khơng có thiết bị GPS sử dụng loạt thuật tốn triangularization để xác định vị trí họ vị trí họ nodes lân cận Các chiến lược giả định node cảm biếns khơng cần phải có khả hiểu biết vị trí tọa độ Những chiến lược sử dụng ảo, ngược với vật lý, hệ thống phối hợp [6.36-6.39] Bằng cách sử dụng hệ thống phối hợp polar ảo, ví dụ, hiển thị biểu đồ nhãn đưa vào mạng Tô pô ban đầu Trong hệ thống này, node đưa nhãn mã hóa vị trí mạng Tơ pơ gốc điều kiện bán kính góc nhìn từ vị trí trung tâm [6,38] [6.38] Những tọa độ ảo không phụ thuộc vào tọa độ vật lý sử dụng có hiệu đinh tuyến địa lý cách sử dụng nhãn node Nó nhắc đến giá trị mà lịch trình dựa node cảm biến phối hợp ảo cần phải biết đến khoảng cách, khoảng tổng node Này, lần lượt, yêu cầu cập nhật định kỳ để trao đổi số node cảm biếns điểm tham chiếu Mặc dù đơn giản, phương pháp tiếp cận greedy định tuyến địa lý, khơng tìm thấy đường, tồn tại, đưa hiệu tuyến đường Điều thường xảy khi, trở ngại, ví dụ, khơng có node lân cận gần với điểm đến gói giữ Để minh họa vấn đề này, xem xét Hình 6,17, nơi node S1 nhu cầu để chuyển tiếp gói với điểm đến D Dựa phương pháp tiếp cận greedy, S1 phải lựa chọn lân cận gần tới điểm đến hop để chuyển tiếp gói Tuy nhiên, nodes S2 S3, hai xa điểm đến node S1 Các tiếp cận greedy mắc địa phương nhỏ , (tức là, node S1) khơng làm cho tiến trình chuyển tiếp Trong mơi trường WSN, nơi có cảm ứng thường nhúng vào môi trường hay triển khai khu vực bỏ trống khơng truy nhập có nhiều khả xảy Để circumvent voids, biểu đồ tiếng traversal quy định gọi tắt quy định bên phải đề nghị ,quy tắc trạng thái gói đến từ node Ni tới node Nj ,hop qua gói gói liên tiếp ngược chiều kim đồng hồ từ node Ni đến Nj với quan tâm tới ðNi , rìa Nj Þ Trên đồ thị với rìa mà qua (ví dụ, biểu đồ nonplanar), quy định bên phải khơng ngang mặt ranh giới Để loại bỏ rìa qua mà khơng có vành phân vùng graph, graph tương ứng với WSN chuyển đổi thành planar subgraph, tất vành loại bỏ qua Sau radio graph chuyển đổi, chu vi traversal, gói chuyển dọc theo chu vi void, sử dụng Chế độ gọi tắt mặt traversal Kết hợp traversal greedy với chu vi traversal, thuật toán định tuyến hoạt động sau Các thuật tốn định tuyến bắt đầu chế độ greedy, nơi có đầy đủ graph sử dụng Khi phương pháp tiếp cận greedy thất bại, node nhớ vị trí gói đánh dấu gói có chế độ chu vi gói Chu vi chế độ, sau sau cách dễ dàng planar graph traversal Trong chế độ này, gói successively gần bề mặt planar subgraph graph đầy đủ radio mạng kết nối Bề mặt định nghĩa khu vực lớn mặt phẳng khơng cắt cạnh graph Khi gói đạt đến node gần với điểm đến, chế độ reverts quay lại greedy Kết hợp greedy cách tiếp cận mặt traversal minh họa hình 6,18 Những số cho thấy bước gói sau để tiếp cận với loạt điểm đến Trên mặt, traversal sử dụng quy định bên phải để tiếp cận với cạnh qua node thẳng S1 để kết nối điểm đến D Tại cạnh đó, traversal di chuyển đến mặt liền kề đường thẳng kết nối S1 tới D Đó lưu ý hai mặt cuối mặt bên trong, mặt thứ ba mặt bên Đinh tuyến địa lý phương pháp tiếp cận hấp dẫn cho định tuyến WSNs chi phí thấp địa tương tác Sự tồn liên kết bất đối xứng , phân vùng mạng , liên kết xuyên tăng phức tạp phương pháp tiếp cận xem xét Biểu đồ Planar tốt đồ cần thiết Hình 6.17 Perimeter traversal on a planner graph 6.6 Kết luận Các thuộc tính WSNs đặc tính mơi trường node cảm biếns thường triển khai tạo thành vấn đề định tuyến khó khăn Trong chương này, tập trung vào vấn đề trung tâm để định tuyến WSNs mô tả chiến lược khác sử dụng để phát triển định tuyến giao thức cho mạng Ở phần chương thảo luận lớp học ứng dụng cảm biến đánh dấu độc đáo phân biệt tính “tự nhiên'''của mơ hình lưu lượng Trong phần hai chương cung cấp phân loại cách sơ lược định tuyến sử dụng để đáp ứng cân lượng hiệu Trong phần ba chương trình bày xem xét số giao thức giải vấn đề định tuyến WSNs Nhiều chiến lược bật lên giải pháp khả thi để vấn đề định tuyến Như việc áp dụng WSNs vào lĩnh vực khác trở nên rõ ràng, tiến mạng phần cứng công nghệ pin mở đường cho việc chi phí thực tế để triển khai có hiệu giao thức định tuyến PHẦN III Chương trình mơ giao thức chọn đường Leach Mơ giao thức LEACH cho mạng cảm biến không dây Mục đích Chương trình mơ giao thức LEACH cho mạng cảm biến khơng dây mơ thuật tốn phân nhóm nút LEACH q trình tiêu thụ lượng mạng cảm biến không dây Thuật tốn phân nhóm nút mạng Q trình hoạt động mạng giao thức LEACH chia thành vòng làm việc Mỗi vòng làm việc bắt đầu với q trình thiết lập nhóm nút cảm biến Trong giao thức LEACH, nút cảm biến tự đề xuất chúng trưởng nhóm thời điểm bắt đầu vòng làm việc thứ r+1 (bắt đầu từ thời điểm t) với xác suất Pi(t) cho nút thứ i Giá trị xác suất lựa chọn cho kỳ vọng nút trưởng nhóm cho vịng k, k số nhóm mạng Nghĩa N E[# CH ]   Pi(t ) *  k (1) i 1 Trong N tổng số nút mạng Để đảm bảo tất nút trưởng nhóm với số lần nhau, nút trưởng nhóm lần N/k vịng Kết hợp buộc lựa chọn giá trị xác suất trở thành trưởng nhóm cho nút i thời điểm t k  : Ci(t )   N Pi(t )   N  k * (r mod ) k   : Ci(t )  (2) Với r số vòng làm việc qua Ci(t)=0 nút i trưởng nhóm (r mod N/k) vịng làm việc gần ngược lại Trong chương trình mơ phỏng, nút tự tạo số ngẫu nhiên theo phân bố chuẩn đơn vị Nếu giá trị ngẫu nhiên nhỏ Pi(t) nút chọn trưởng nhóm Sauk hi xác định nút trưởng nhóm Các nút khác (khơng trưởng nhóm) kết hợp với nút trưởng nhóm gần để tạo thành nhóm cảm biến Mơ hình tiêu thụ lượng Các nút tiêu tốn lượng nhận gửi thông tin Để truyền tin l-bit khoảng cách d, lượng tiêu tốn là:   lEelec  l fs d : d  dcrossover (3) ETx (l , d )  ETx _ elec(l )  ETx _ amp (l , d )    lEelec  l mpd : d  dcrossover Với dcrossover   fs (nhận cân phương trình (3))  mp Để nhận tin trên, lượng tiêu tốn (4) ERx (l )  ERxelec(l )  lEelec Eelec lượng điện tử phụ thuộc vào yếu tố mã hóa giải mã số, lọc tín hiệu trước gửi cho khuếch đại Trong trường hợp nút trưởng nhóm, nút liên lạc với nút thành viên (q nút) để thu thập liệu Sau liệu nén gửi trạm trung tâm với kích thước tin lAG [bit] Khi lượng tiêu tốn nút trưởng nhóm là: (5) ECH  (q 1)ERx  qlEDA  ETx (lAG , dto tram ) Các điều kiện mô Trong thuật tốn LEACH, lượng tiêu tốn cho q trình hình thành nhóm (overhead)là nhỏ so với lượng tiêu tốn cho trình trao đổi liệu đo mơi trường Do phần lượng bỏ qua q trình phân tích giao thức LEACH chương trình mơ này, lượng bỏ qua Ngồi giá trị thơng số cho q trình mơ liệt kê bảng Thơng số Diện tích khu vực hoạt động Vị trí trạm trung tâm Số nút cảm biến (N) Số nhóm (k) Năng lượng ban đầu Năng lượng tiêu tán bit (Eelec) Hệ số tiêu tán không gian (fs) Hệ số suy giảm đa hướng (mp) Năng lượng nén liệu (EDA) Kích thước gói liệu (l = lAG) Giá trị 100m x 100m [50, 175] 100 0.1 [J] 50x10-9 [J/bit] 10-11 [J/bit/m2] 0.0013x10-12 [J/bit/m4] 5x10-9[J/bit] 4000 [bit] Kết mô 10 truc tiep LEACH Tong nang luong toan mang [J] 0 100 200 300 400 So vong lam viec [vong] 500 600 700 100 truc tiep LEACH Tong so nut hoat dong [nut] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 200 300 400 So vong lam viec [vong] 500 600 700 So sánh kết nối trực tiếp LEACH Kết nối trực tiếp Tuổi thọ mạng (từ đầu đến tất nút hết lượng): 230 vòng Vùng ổn định (từ đầu đến có nút hết lượng): 17 vịng Mạng 50% lượng sau 29 vòng LEACH Tuổi thọ mạng (từ đầu đến tất nút hết lượng): 397 vòng Vùng ổn định (từ đầu đến có nút hết lượng): 123 vòng Mạng 50% lượng sau 93 vòng Kết luận Luận văn nghiên cứu lý thuyết , tổng quan công nghệ mạng cảm biến không dây kỹ thuật giao thức định tuyến tiết kiệm lượng WSN Qua trình nghiên cứu ta tìm hiểu số điểm sau: Mạng cảm biến sử dụng ứng dụng khác chăm sóc sức khoẻ, quân sử dụng gia đình Mạng cảm biến vơ tuyến (WSN) bao gồm nút nhỏ có khả cảm biến, tính tốn trao đổi thơng tin vơ tuyến Các đặc điểm hệ thống cảm biến , tính cảm biến, đơn vị actuation sensing, đơn vị xử lý đơn vị giao tiếp, đơn vị công suất đơn vị, đơn vị ứng dụng độc lập khác, vấn đề thiết kế, hạn chế phần cứng, hạn chế công suất Nghiên cứu lớp vật lý số vấn đề kênh, dải tần số radio, băng thông, chế độ truyền, ảnh hưởng kênh Các kỹ thuật giao thức định tuyến tiết kiệm lượng mạng WSN, vấn đề thiết kế (ví dụ như, quy mô, di động, quyền lực nhận thức, tự tổ chức, đặt tên) Phân loại ngắn gọn định tuyến chiến lược dùng để cân cán cân phản ứng nhanh hiệu lượng,xem xét lại tổng số giao thức giải vấn đề định hướng WSNs Hướng nghiên cứu tiếp theo: dựa kết nghiên cứu luận văn, tiếp tục nghiên cứu sâu số hướng là: - Tìm hiểu kỹ thuật để sản xuất sensor có giá thành thấp - Từng bước ứng dụng mạng WSN vào Việt nam cách thích hợp - Nghiên cứu giao thức định tuyến với mục tiêu chung kéo dài thời gian sống mạng, nghiên cứu để cải tiến nhược điểm giao thức chọn đường Leach Tài liệu tham khảo Wireless sensor networks , Technology, Protocols, and Applications – Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati Wireless Sensor Networks, S Raghavendra, K M Sivalingam, T Znati Eds., Kluwer Academic, New York, 2004 Wireless Sensor Networks, Computer Networks: International Journal of Computer and Telecommunications Networking, Vol 43, No 4, Nov 2003 Cayirci, R Govindan, T Znati, M Srivastava, Editorial ‘‘Cougar: The Sensor Network Is the Database,’’ Cornell University, Ithaca, NY, http://www.cs.cornell.edu/database/cougar/ Sensor Network Applications,Computer Science Instructional Facility, University of California–Davis http://wwwcsif.cs.ucdavis.edu/~yick/sensor/Sensorapplication.htm Distributed Surveillance Sensor Network http://www.spawar.navy.mil/robots/undersea/dssn/dssn.html A Sensor Field Localization System’’ http://www.cs.berkeley.edu/ kamin/calamari/ Whitehouse, X Jiang, Maclay, ‘‘UCB Center Wins Funding to Develop Wireless Lighting Controls,’’ press release, Berkeley Wireless Research Center, University of California–Berkeley, Sept 24, 2004 J Adams, ‘‘Designing with 802.15.4 and ZigBee,’’ Industrial Wireless Applications Summit, San Diego, CA, Mar 9, 2004 10 Sensor Networks: Evolution, Opportunities, and Challenges,’’ Proceedings of the IEEE, Aug 2003 C Y Chong, S P Kumar, 11 Wireless Integrated Sensor Networks, Communications of the ACM, May 2000 G J Pottie, W J Kaiser DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Chuyển dịch trọng tâm ngành kỹ thuật theo thời gian Hình 1.2 Việc sắp xếp mạng cảm biến tiêu biểu 14 Hình 1.3 Thành phần của một node cảm biến 16 Hình 1.4 Giao thức chung cho mạng cảm biến 17 Hình 2.1.Loại WSN :Điểm- điểm, HT đơn single chung sử dụng định tuyến tĩnh 28 Hình 2.2 Loại WSNs: đa điểm - điểm, HT đa điểm sử dụng định tuyến động 28 Hình 2.3 Node hợp tác và bất hợp tác 29 Hình 3.1 Quá trình phát triển của sensor 32 Hình 3.2 Những thành phần cứng và mềm của WNs 34 Hình 3.3 Một vài giao thức mạng được hỗ trợ WNs 36 Hình 4.1 Radio propagation modes 40 Hình 4.4 Hiệu quả chương trình điều chế (không dây) điển hình 43 Hình 4.5 So sánh đồ họa có sẵn của giao thức 44 Hình 5.1 Mô tả mô hình tham chiếu OSI và các kiến trúc logic của dll cho chia sẻ truy cập trung gian mạng không dây 46 Hình 5.2 Collision avoidance using RTS/CTS handshake 60 Hình 6.1 Ứng dụng của mạng sensor 65 Hình 6.2 Multihop data và query forwarding 67 Hình 6.3 Flooding mạng liệu thông tin .72 Hình 6.4 Lưu lượng Flooding implosion 73 Hình 6.5 Lưu lượng Flooding bịchồng chéo 74 Hình 6.6 Hoạt động của giao SPIN bản 77 Hình 6.7 Giao thứcSPIN-PP three-way handshake 77 Hình 6.8 Hoạt động của giao SPIN BC bản 79 Hình 6.9 Mạng LEACH 81 Hình 6.10 Các phase LEACH 82 Hình 6.11 Trong ví dụ này được giả định tất cả các nodes có kiến thức toàn cầu 87 Hình 6.12 Sự lan truyền thông tin quan tâm 91 Hình 6.13 Thiết lập hướng ban đầu 92 Hình 6.14 Dữ liệu nhận được dọc theo đường tăng cường 93 Hình 6.15 Globalized địa và quyết định chuyển tiếp 97 Hình 6.16 Đinh tuyến địa lý chuyển tiếp chiến lược 98 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ==== ==== LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN... .v PHẦN I Tổng quan công nghệ WSNs I Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây(WSN) 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Kiến thức kỹ thuật mạng cảm biến 1.2 Miêu tả kỹ thuật ... lý thuật toán, phần cứng, phần mềm) Như lưu ý, để quản lý WSN, giao thức định tuyến cho WSNs cần phải nhận thức lượng Trung tâm liệu -trong -định tuyến mạng xử lý khái niệm quan trọng có liên quan