Nghiên cứu một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây (tt)

1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN) nghiên cứu, phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác như: giám sát mơi trường, khí hậu, giám sát tình trạng hoạt động máy móc, thiết bị, giám sát bệnh nhân, giám sát điều khiển giao thông, Hơn với phát triển nhanh chóng lĩnh vực công nghệ cao, kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, mạch cảm biến, xử lý tính tốn tín hiệu, tạo cảm biến khơng dây có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, giúp tăng khả ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây lĩnh vực đời sống xã hội Vấn đề tiết kiệm lượng, nhằm kéo dài tuổi thọ mạng, cảm biến chủ yếu sử dụng nguồn lượng pin có cơng suất nhỏ khó thay Một hướng giải nghiên cứu ứng dụng giao thức định tuyến có khả tích hợp truyền liệu hiệu quả, giảm mức tiêu hao điện đến tối thiểu, qua tăng thời gian sống nút mạng mạng Theo hướng nghiên cứu này, luận văn tập trung nghiên cứu, mô đánh giá số giao thức định tuyến WSN khía cạnh tiết kiệm lượng Tổng quan vấn đề nghiên cứu Các mạng cảm biến không dây dạng mạng ad-hoc quan tâm nghiên cứu ứng dụng năm gần nhờ phát triển công nghệ mạch điện tử, điều khiển kết nối không dây Tuổi thọ nút mạng mạng kéo dài nhờ cơng nghệ tối ưu hóa sử dụng lượng Nhiều vấn đề mạng cảm biến không dây quan tâm nghiên cứu mô hình mạng, kích thước nút, vấn đề cấp điện, vấn đề định tuyến truyền liệu, tối ưu hóa sử dụng tiết kiệm lượng… Luận văn tập trung nghiên cứu nội dung sau:  Tổng quan mạng cảm biến không dây  Các loại giao thức định tuyến WSN  Một số giao thức định tuyến tiết kiệm lượng Mục đích nghiên cứu  Nghiên cứu số giao thức định tuyến tiết kiệm lượng WSN  Mô đánh giá số giao thức định tuyến nhằm đưa khuyến nghị sử dụng giao thức định tuyến tiết kiệm lượng WSN Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Một số giao thức định tuyến tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây  Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn môitrường mô Phương pháp nghiên cứu  Nghiên cứu lý thuyết  Thử nghiệm môi trường mô Nội dung luận văn  MỞ ĐẦU  Chương 1: Tổng quan WSN vấn đề định tuyến tiết kiệm lượng  Chương 2: Một số giao thức định tuyến tiết kiệm lượng WSN  Chương 3: Thử nghiệm mô số giao thức định tuyến tiết kiệm lượng  KẾT LUẬN CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ VẤN ĐỀ ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây nhà nghiên cứu xem lĩnh vực “thú vị” việc liên kết mạng không dây nút mạng có kích thước nhỏ (thậm chí hạt bụi với đường kính tính đơn vị nanô mét) Cơ sở hạ tầng WSN bao gồm phần cảm biến, phần xử lý tính tốn phần truyền thông Khi nghiên cứu WSN, đặc điểm quan trọng then chốt thời gian sống nút cảm biến giới hạn lượng chúng Các nút cảm biến yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn nói chung khơng thể thay nguồn cung cấp Do đó, mạng truyền thơng tập trung vào đạt dịch vụ chất lượng cao, giao thức mạng cảm biến phải tập trung vào bảo tồn cơng suất Mạng cảm biến có số đặc điểm sau:  Có khả tự tổ chức, 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 việc yếu dần (fading) hư hỏng nút  Các giới hạn lượng, cơng suất, nhớ cơng suất tính tốn Chính đặc tính đưa chiến lược yêu cầu thay đổi thiết kế mạng cảm biến 1.1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.1.1.1 Thành phần mạng cảm biến không dây Các nút cảm biến phân bố phân tán trường cảm biến Mỗi nút cảm biến có khả thu thập số liệu chọn đường để gửi liệu tới trạm gốc (sink) Việc chọn đường để tới sink theo multi-hop, sink liên lạc với người dùng qua mạng khác Internet hay vệ tinh Như thấy rằng, WSN bao gồm thành phần chính:  Tập nút cảm biến, trang bị cảm biến cho một vài ứng dụng cụ thể  Mạng kết nối, thường mạng vơ tuyến  Sink hay trạm gốc thực thể bên mạng (là nút cảm biến) hay ngồi mạng (như máy tính tương tác với mạng cảm biến, gateway cho mạng khác lớn Internet  Tập tài nguyên để xử lý liệu nhằm đưa cảnh báo, định hướng hay kết thống kê mà người dùng mong muốn Ngồi ra, thấy rằng, WSN gồm thành phần đặc trưng khác người dùng trường cảm biến Trong đó, người dùng quan an ninh, tổ chức xã hội hay cá nhân người dùng đơn lẻ sở hữu nó… Cịn trường cảm biến giới vật lý, hệ thống sinh học hay hóa học 1.1.1.2 Nút cảm biến (Sensor Node) Mỗi nút cảm biến cấu thành thành phần minh họa Hình 1.2: Đơn vị cảm biến (a sensing unit), Đơn vị xử lý (a processing unit), Đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit), Bộ nguồn (a power unit) Ngồi có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) Đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tương tự-số (Analog Digital Convert – ADC) Dựa tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo sensor chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đưa vào xử lý Đơn vị xử lý thường kết hợp với lưu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục làm cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Một số phần quan trọng nút mạng cảm biến nguồn Các nguồn thường hỗ trợ phận lọc tế bào lượng mặt trời Ngồi có thành phần phụ khác phụ thuộc vào ứng dụng 1.1.1.3 Một số cấu trúc đặc trưng WSN  Cấu trúc phẳng (Flat Structure) Trong cấu trúc phẳng tất nút ngang hàng đồng hình dạng chức Các nút giao tiếp với sink sử dụng nút ngang hàng làm tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, nút gần sink đảm bảo vai trò tiếp sóng số lượng lớn nguồn Tuy nhiên phương pháp có hiệu với điều kiện có nguồn chia sẻ đơn lẻ, thời gian, tần số  Cấu trúc tầng (Tiered Structure) Trong cấu trúc tầng cụm tạo giúp tài nguyên cụm gửi liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ cụm) đến nút định sẵn, thường gọi nút chủ (cluster head - CH) Trong cấu trúc nút tạo thành hệ thống cấp bậc mà nút mức xác định thực nhiệm vụ định sẵn  Cấu trúc phân cấp WSN Trong cấu trúc tầng chức cảm nhận, tính tốn phân phối liệu khơng đồng nút Những chức phân theo cấp, cấp thấp thực tất nhiệm vụ cảm nhận, cấp thực tính tốn, cấp thực phân phối liệu Cấu trúc tầng hoạt động hiệu cấu trúc phẳng, lý sau:  Cấu trúc tầng giảm chi phí chi mạng cảm biến việc định vị tài nguyên vị trí mà chúng hoạt động hiệu Mạng cấu trúc tầng có tuổi thọ cao cấu trúc mạng phẳng  Về độ tin cậy: mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện băng thông thời gian sống Do kích cỡ mạng tăng lên thông lượng nút giảm Việc nghiên cứu mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề Tóm lại, việc tương thích chức mạng đạt dùng cấu trúc tầng Đặc biệt người ta tập trung nghiên cứu tiện ích tìm địa  Đặc điểm cấu trúc WSN Như ta biết đặc điểm mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến, nút cảm biến có giới hạn ràng buộc tài nguyên đặc biệt lượng khắt khe Một số đặc điểm bật mạng cảm biến sau:  Khả chịu lỗi: Một số nút cảm biến không hoạt động thiếu lượng, hư hỏng vật lý ảnh hưởng môi trường  Khả mở rộng: Khi nghiên cứu tượng, số lượng nút cảm biến triển khai đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào ứng dụng số vượt hàng triệu  Giá thành sản xuất : Vì mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phí nút quan trọng việc điều chỉnh chi phí toàn mạng  Ràng buộc phần cứng : Vì số lượng nút mạng nhiều nên nút cảm biến cần có ràng buộc phần cứng  Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến thiết lập dày đặc, gần trực tiếp bên tượng để quan sát  Phương tiện truyền dẫn : Ở mạng cảm biến multihop, nút kết nối phương tiện khơng dây Các đường kết nối tạo nên sóng vơ tuyến, hồng ngoại phương tiện quang học  Cấu hình mạng cảm: Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút triển khai trường cảm biến Chúng triển khai vòng hàng chục feet nút Mật độ nút lên tới 20 nút/m3 Chúng ta kiểm tra vấn đề liên quan đến việc trì thay đổi cấu hình pha sau: o Pha tiền triển khai triển khai: nút cảm biến đặt lộn xộn xếp theo trật tự trường cảm biến o Pha hậu triển khai: sau triển khai, thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí nút cảm biến, khả đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển vật cản…) o Pha triển khai lại: Sau triển khai cấu hình, ta thêm vào nút cảm biến khác để thay nút gặp cố tùy thuộc vào thay đổi chức  Sự tiêu thụ lượng: Các nút cảm biến khơng dây, coi thiết bị vi điện tử trang bị nguồn lượng giới hạn (