Tìm hiểu các kỹ thuật xuyên lớp trong mạng cảm nhận

1 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết em xin chân thành thầy Nguyễn Trọng Thể giáo viên hƣớng 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 thông tin bảo bảo em 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 trƣờng Cuối em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng tạo điều kiện cho em đƣợc học tập thực hành Với kiến thức kỹ nhà trƣờng trang bị, hành trang tốt giúp em vào đời Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, tháng năm 2011 Sinh viên Trần Quang Lâm 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 CHƢƠNG 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: .9 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 Trƣờng hợp thiết kế xuyên lớp tối ƣu hóa WSN 12 1.2.1 Phƣơng pháp phân lớp: 13 1.2.2 Phƣơng pháp tiếp cận xuyên lớp .15 1.2.3 Ví dụ thiết kế xuyên lớp 17 1.2.4 Mục tiêu, vấn đề phƣơng pháp tiếp cận .18 1.3 Kết luận 19 CHƢƠNG : 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 tƣơng 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 ƣu 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 Hƣớng dẫn đề phòng lỗi thiết kế xuyên lớp 29 2.6 Kết luận 30 CHƢƠNG 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 Phƣơng 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 đƣờng định tuyến dựa góc 36 Hình 3.3 Năng lƣợng tiêu thụ trung bình cho khoảng cách D khác so với chu kỳ nhiệm vụ 44 Hình 3.4 Đƣờng đánh giá cho XLM với định tuyến góc định tuyến đồ thị địa lý mặc định 47 Hình 3.5 ( a) Thơng lƣợng 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 lƣợng 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 lƣợng 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 tƣơng tự sang tín hiệu số ARQ Automatic Repeat reQuest Tự động lặp lại yêu cầu CC-MAC Correlation based Giao thức Mối liên hệ hợp tác Collaborative-Medium Lớp điều khiển truy cập trung Access Control bình CDMA/OFD M Code Division Multiple Giao thức đa truy cập theo mã Access/Orthogonal phân chia tần số trực giao Frequency Division 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 GeRaF Geagraphical Forwarding 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 Gói tin gửi xóa Reliable Mức gói tiếp nhận Ramdom Thuật tốn chuyển tiếp địa lý ngẫu nhiên Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP Gói tin gửi trả lại kết RTS Request To Send S-MAC Sensor-Medium Control SNR Signal-to-Noise Radio TCP/IP Transfer Control Protocol / Giao thức điều khiển truyền tin Internet Protocol liên mạng Access Giao thức cảm nhận truy cập trung bình Tỷ số tín hiệu nhiễu Giao TDMA/MAC thức phân chia thời Time gian truy Divition cập điều Multiple khiển truy cập trung bình Access / Medium Access Control 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 lƣợng, đa chức năng, dễ mở rộng hoạt động cách dễ ràng đƣợc tập chung nghiên cứu Trong việc nghiên cứu mạng cảm biến đƣợc phát triển mạnh mẽ, đặc biệt hệ thống mạng cảm biến không dây ( wireless sensor network) Hiện có nhiều ứng dụng mạng cảm biến đƣợc triển khai Đó ứng dụng theo dõi giám sát, tự động hóa, y tế, quân đội an ninh…Trong tƣơng lai không xa , ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống ngƣời phát huy đƣợc hết điểm mạnh mạng WSNs Tuy nhiên, WSNs bị hạn chế tài ngun nhƣ: nhớ, khả tính tốn lƣợng Các nút mạng WSNs đƣợc trang bị pin, nên hạn chế lƣợng Do đó, sử dụng lƣợng vấn đề thiết kế mạng WSN Vì tất lớp kiến trúc giao thức ảnh hƣởng tới tiêu thụ lƣợng, phối hợp lớp thiết kế xuyên lớp dẫn đến việc tiêu thụ lƣợng 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 chƣơng, nội dung chƣơng tóm tắt nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây, chƣơng giới thiệu sơ tổng quan mạng cảm nhận không dây ( WSN), ứng dụng, ƣu điểm thách thức đặt , đồng thời đƣa phƣơng pháp tiếp cận xuyên lớp để giải thách thức mạng WSN Chƣơng 2: Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng cảm nhận, chƣơng nghiên cứu sở lý thuyết kỹ thuật xuyên lớp, tìm hiểu số kỹ thuật xuyên lớp sử dụng WSN Chƣơng 3: Tìm hiểu phân tích giao thức mơ-dun xun lớp (XLM), chƣơng 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 CHƢƠNG 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 trƣờng xung quanh , đƣợc triển khai ngẫu nhiên theo cấu trúc, sử dụng nguồn lƣợng hạn chế ( pin), có thời gian hoạt động lâu dài ( vài tháng đến vài năm) hoạt động môi trƣờng khắc nghiệt ( chất độc,ô nhiễm,nhiệt độ…) Hình 1-1:Minh họa mạng cảm biến Các nút cảm biến đƣợc phân phối khu vực đặc biệt để thu thập liệu,dữ liệu đƣợc xử lý gửi đến nút trung tâm tập hợp liệu ( sink), để thực bƣớc xử lý 1.1.2 Cấu trúc node cảm biến: Một node cảm biến đƣợc biết đến nhƣ mote ( kết hợp cảm biến với vi xử lý) Transceiver Power Source Sensor Microcontroller ADC Sensor External Memory 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 lƣợng 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 tƣơng tự sang tín hiệu số - Bộ nhớ:Lƣu trữ thông tin trƣớc 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 vơ tuyến) - Điểm trung tâm tập hợp liệu - Bộ phận xử lý liệu trung tâm Cảm biến có thẻ gồm hay dãy cảm biến Kích thƣớc đa dạng:1100mm;100-10000nm;10-1000ym… Do đặc tính mạng WSNs di động chủ yếu phục vụ cho ứng dụng quân nên địi hỏi tính bảo mật Ngày WSN mở rộng sang lĩnh vực thƣơng mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo nên tính thƣơng mại cao cho WSN 1.1.4 Đặc điểm WSN WSNs có số đặc điểm khác mạng khơng dây khác (mạng ad hoc),nhƣ tính chất hƣớng 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, nhƣ 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 cịn 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 lƣợng hiệu cho nút mạng quan trọng cho việc kéo dài tuổi thọ mạng Dữ liệu hƣớng hoạt động: Node nhƣ công cụ để lấy liệu từ mơi trƣờng 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 lƣu lƣợng liệu thông thƣờng đƣợc chuyển từ nhiều nguồn tới đích Quy mơ lớn: Kích thƣớc WSNs khác tùy vào ứng dụng, số mạng có số lƣợng 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 xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 45 3.2 Đánh giá thực Để có nhìn sâu sắc hoạt động giao thức, trƣớc 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 Trƣớc hết, chúng tơi trình bày mơ cho cấu trúc liên kết cảm biến 300 nút ngẫu nhiên 100*100 m2, tọa độ nút trung tâm ( 80,80) thông số mô cho nút cảm biến giao thức đƣợc đƣa 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] Trƣớc hết đƣa khái niệm sau đây: - Thơng lƣợng số trung bình bit/s mà nút sink nhận đƣợc mô Trong tính tốn gói tin đƣợc quan tâm đặc biệt, nhiều gói tin nhận đƣợc 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 đƣợc nút trung tâm tổng số gói tin tạo tất nút nguồn Kết quả, độ tin cậy truyền thông tổng thể đƣợc xác định - Năng lƣợng hiệu thƣớc đo quan trọng WSN, mô chúng tôi, xem xét việc tiêu thụ lƣợng trung bình cho nút chuyển tiếp gói tin nhận đƣợc nút trung tâm - Số hops số trung bình gói tin qua để đến đƣợc 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 đƣợc tạo nút nguồn với thời gian đƣợc nhận nút trung tâm, chậm trễ đợi chờ hàng đợi trì hỗn tranh chấp nút nhƣ hoạt động giao thức cụ thể 3.2.1 Tham số XLM Các tham số có ảnh hƣởng đến hoạt động XLM định tuyến dựa góc, ngƣỡng SNR ( ξTh) , giá trị chu kỳ nhiệm vụ ( δ) Chúng ta trình bày ảnh hƣởng tham số kể phần Hiệu định tuyến góc đƣợc thể hình 3.4 Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 47 Hình 3.4 Đƣờng 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 đƣờng không thành nút lƣới số lƣợng tất đƣờng 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%, δstat > 0.2, làm giảm tỷ lệ thất bại xuống 70% Lƣu 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 lƣợng 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 lƣợng tổng đƣợc hiển thị, trục x cho thấy giá trị chu kỳ nhiệm vụ δ , thông lƣợng đƣợc hiển thị cho ngƣỡng ξTh khác Tại trƣờng hợp công thức (3.10) Nói cách khác, nút tham gia tranh chấp định tuyến, không phân biệt giá trị SNR nhận đƣợc Trong trƣờng hợp khác hình 3.5 ( a) việc tăng ngƣỡng SNR ξTh cải thiện thông lƣợng đến giá trị định đó, giá trị thơng lƣợng 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 0.7 Trong hình 30(c), độ trễ end-to-end đƣợc thể Cho thấy rằng, tăng ngƣỡng SNR ξTh, cải thiện hiệu suất mạng đến giá trị định ξTh = 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, trƣờng hợp này, nút phát sóng gói chƣơng 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 đƣợc sử dụng Tại lớp giao vận, gói tin đƣợc bơm vào mức độ không đổi Kết nút sink nhận đƣợc 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 tƣơng ứng Giao thức CC-MAC đƣợc thực cách sử dụng rcorr = 7m, Tsss=5s Trong giao thức định tuyến 20% nút xa phạm vi phát sóng đƣợc đƣa vào danh sách đen nút gần nút sink đƣợc chọn làm bƣớc [PRR] : Dựa định tuyến địa lý PRR + CC-MAC+ ESRT : Cấu hình giao thức tƣơng tự nhƣ GEO + Các thuật tốn định tuyến Trong cấu hình này, định định tuyến dựa chất lƣợng kênh nút với nút gần nó, chất lƣợng kênh đƣợc đo theo mức tiếp nhận gói tin ( PRR), nút nhằm tối đa hóa PRR, kết tốt đƣợc chọn để thực bƣớc [PRR-SMAC]: Dựa định tuyến địa lý PRR + SMAC+ ESRT: Cấu hình giao thức tƣơng tự nhƣ PRR với thay lớp MAC giao thức SMAC Trong cấu hình này, chu kỳ nhiệm vụ đƣợc đề xuất thay hoạt động phân phối chu kỳ nhiệm vụ [DD-RMST]: Điều khiển khuếch tán + RMST: Trƣờng hợp bao gồm RMST, điều khiển khuếch tán, chƣơng trình CSMA đơn giản Giao thức RMST thực cho hop-by-hop phục hồi nhớ đệm, khơng có ARQ đƣợc sử dụng lớp liên kết nhƣ trình bày [70] DD- RMST đƣợc 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) đƣợc thực nhƣ mơ tả phần 3, với ngƣỡng 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 đƣợc 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 đƣợc gửi khung ngủ Mỗi nút xung quanh nút xét tiếp nhận đèn tín hiệu này, xác định thời gian hoạt động nút, thời gian đƣợc quy định đèn tín hiệu, trƣờng hợp PRR, PRR-SMAC, đèn tín hiệu đƣợc sử dụng nhƣ số chất lƣợng kênh Để tối ƣu 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 ) đƣợc sử dụng cảnh báo định tuyến đƣợc gửi với gói tin SYNC Tƣơng tự nhƣ vậy, gói SYNC piggybacked có gói tin hàng đợi Ở đây, DD-RMST đƣợc sử dụng cho hoạt động mà khơng có chu kỳ nhiệm vụ Tức là, δ =1 Do cấu hình DD-RMTS đƣợc 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 lƣợng 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 thông lƣợng XLM giao thức khác, thơng lƣợng đạt đƣợc cao giao thức lại, điều cho thấy lợi rõ ràng XLM Trong giao thức khác XLM, việc khai thác thông tin xuyên lớp khơng hiệu Ví dụ, PRR PRR-MAC, lựa chọn đƣờng dựa vào thơng tin vị trí chất lƣợng liên kết, mức độ tắc nghẽn nút cụ thể không đƣợc 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 tƣơng quan môi trƣờng 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 lƣợng PRR-SMAC cao so với GEO, PRR Tuy nhiên, XLM tốt thông lƣợng tổng cho dù số nút gửi thông tin hơn, điều cho thấy độ phân giải cao nút gửi liệu mức cao nút sink, dung lƣợng mạng đƣợc khai thác hiệu Lƣu ý thông số đạt đƣợc DD-RMST thấp đáng kể so với XLM, PRR, GEO, Flooding điều lí sau: Thứ nhất, cần phải tạo lƣu lƣợng bổ xung cho việc khơi phục gói liệu bị mất, điều làm tăng lƣu lƣợng bổ xung cho tranh chấp kênh không dây dẫn đến giảm công suất mạng Thứ hai, thông lƣợng giảm gói hƣớng dẫn điều khiển khuếch tán, đặc biệt quan tâm thăm dị gói tạo lƣu lƣợng đáng kể Độ tin cậy giao thức truyền thông đƣợc 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 thơng lƣợng cao hình 3.6 ( a), XLM 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, đƣờng dẫn chất lƣợng cao sau Tìm hiểu kỹ thuật xun 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 tƣơng đƣơng với RMST nhƣng với chi phí thấp đáng kể nhƣ phân tích phần Sự giảm độ tin cậy giao thức lớp chủ yếu số lƣợng đáng kể gói tạm ngừng truyền lại, đƣợc thể hình 3.6 ( c) Điều cho thấy nút khơng thể tìm thấy ý định bƣớc chúng chất lƣợng kênh nút chuyển sang trạng thái ngủ trƣớc nhận gói tin nào, điều tồi tệ chu kỳ nhiệm vụ nút mức thấp Trong hình ( a), mức tiêu thụ lƣợng trung bình gói tin đƣợc hiển thị Tại đây, giá trị cho GEO PRR δ = 0.1 không đƣợc hiển thị khơng có gói tin hiển thị nút trung tâm Có thể nói XLM tiêu thụ lƣợng đáng kể cho gói tin hiệu lƣợng 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 lƣợng 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 nhƣ hình 3.6 ( c), lãng phí lƣợng đáng kể cho gói liệu chuyển chúng đến nút xử lý trung tâm Từ MAC lớp mạng hoạt động độc lập, khơng thể tìm đƣợc nút đƣợc lựa chọn lớp định tuyến dẫn đến việc tiêu tốn đáng kể lƣợng Một kết hiệu lƣợng DD- RMTS thấp, cấu hình cho độ tin cậy 100% nhƣ hình 3.6 ( b) Nguyên nhân chức cấu trúc lớp : định tuyến, giao vận, MAC không ăn khớp với Nhƣ giải thích, lớp định tuyến gánh chịu đáng kể chi phí trì đƣờng dẫn end-to-end nguồn điểm đến Ngƣợc lại, XLM sử dụng kỹ thuật định tuyến thích nghi nên cung cấp đƣờng cho hiệu lƣợng cao Quan sát hình 3.7 ( a) lƣợng 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 lƣợng 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 đƣợc hình 3.7 ( b), số lƣợng trung bình hop đƣợc thể hình Kết quả, với DD-RMST cần số bƣớc nhảy để đƣa gói tin tới nút trung tâm so với giao thức lại, điều thuật toán định tuyến giao thức lớp thực đƣợc việc tìm số nhỏ bƣớc 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 lƣợng nhỏ bƣớc nhảy tối ƣu mặt định tuyến, nhƣng hiệu ứng khác nhƣ: chất lƣợng liên kết , mức độ tranh chấp, mức độ tắc nghẽn, tiêu thụ lƣợng tổng thể đòi hỏi cách tiếp cận xuyên lớp việc lựa chọn đƣờng để có đƣợc 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 trƣờng hợp δ = 0.2, δ = Khi tất nút hoạt động, gây Flooding số lƣợng tranh chấp ùn tắc lớn, dẫn đến thời gian chiếm dụng nhớ đệm cao Mặt khác chu kỳ nhiệm vụ ngắn, làm nút nhận đƣợc gói tin hết thởi gian cho chu kỳ nhiệm vụ mình, điều làm tăng độ trễ end-to-end Tƣơng 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 đƣợc 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 đƣợc ý, so sánh chất lƣợng 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, nhƣ đoạn giả mã phần 3.5 Vì vậy, chức đƣợc thực cho hiệu tồn diện có tính hệ thống Nhƣ giải thích phần 3, XLM khơng yêu cầu bảng không gian đệm cho chức lớp định tuyến lớp giao vận Định tuyến đƣợc thực dựa tiếp nhận chủ động mà không cần bảng định tuyến nút Nhƣ đoạn mã phần 3.5, việc thực XLM đơn giản nhỏ gọn Nhƣng với PRR-SMAC, cụ thể SMAC, trì bảng lịch trình cho nút chuyển tiếp để cung cấp đồng hóa chu kỳ giấc ngủ Tƣơng tự, DD-RMST, lớp định tuyến nút phải thực việc củng cố, chữa bảng lịch trình cho nguồn đến, bƣớc đƣờng đƣợc thêm vào Trong trƣờng hợp, nút nút nguồn, theo dõi nút xung quanh , có đƣờng 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 bƣớc 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 nƣớc ta kỹ thuật chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi cịn vấn đề mẻ với nhiều ngƣời Vì đồ án em xin trình bày tổng quan mạng cảm nhận, đồng thời giới thiệu kỹ thuật tối ƣu cho kỹ thuật xuyên lớp Em hy vọng giới thiệu cho ngƣời hiểu thêm mạng cảm nhận không dây kỹ thuật xuyên lớp Trong phạm vi đồ án này, trƣớc 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 nhƣ việc tối ƣu lƣợng sử dụng, tăng thông lƣợng mạng độ tin cậy mạng WSN Cuối cùng, đồ án đƣa mô-đun xuyên lớp (XLM) tối ƣu cho WSN Do kỹ thuật xuyên lớp vấn đề đƣợc xem xét nghiên cứu giới, em giới thiệu đƣợc lý thuyết, thực nghiệm vấn đề khó phần mềm có chƣa đáp ứng đƣợc Đồ án em nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu ngắn, nên em mong nhận đƣợc phê bình, thầy để đồ án em đƣợc hồn thiện Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trn Quang Lõm- CT1101- DHDLHP 58 TàI LIệU THAM KHảO [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 chƣơng 2, tìm hiểu kỹ thuật cho mạng cảm nhận WSNs Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng WSNs Trần Quang Lâm- CT1101- DHDLHP 20 CHƢƠNG : TÌM HIỂU CÁC KỸ THUẬT XUYÊN LỚP TRONG MẠNG... pháp tiếp cận xuyên lớp để giải thách thức mạng WSN Chƣơng 2: Tìm hiểu kỹ thuật xuyên lớp mạng cảm nhận, chƣơng nghiên cứu sở lý thuyết kỹ thuật xuyên lớp, tìm hiểu số kỹ thuật xuyên lớp sử dụng... hợp lớp thiết kế xuyên lớp dẫn đến việc tiêu thụ lƣợng 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