quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây (tóm tắt luận văn )

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG LÊ DOÃN TRUNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS HỒNG TRỌNG MINH Phản biện : Phản biện : Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng .năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: ‐ Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn Thơng LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Với phát triển ứng dụng nhanh chóng mạng cảm biến khơng dây vào linh vực xã hội: Quốc phòng, y tế, điều khiển, môi trường, nông nghiệp, hộ gia đình (nhà thơng minh)… Đây hội mở hướng kinh doanh đầy tiềm cho VNPT tỉnh thành Không giống mạng không dây tồn tại, nút mạng mạng cảm biến không dây có kích thước nhỏ có nguồn lượng hạn chế (rất khó khơng có khả nạp thêm), topo mạng khơng ổn định… Do kỹ thuật giao thức phát triển cho mạng không dây tồn áp dụng trực tiếp cho mạng cảm biến không dây Do nút mạng mạng cảm biến khơng dây có lượng hạn chế, tuổi thọ mạng lại phụ thuộc nút mạng, đồng nghĩa với việc phụ thuộc vào mức tiêu hao lượng nút mạng mà nguyên nhân tiêu hao lượng nút mạng hoạt động truyền thông Do quản lý tốt hoạt động truyền thơng nút mạng góp phần đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ tăng tính hiệu mạng Với mục đích nắm bắt tiến công nghệ lĩnh vực để phục vụ cho cơng tác đơn vị Vì tơi chọn đề tài nghiên cứu “Quản lý lượng mạng cảm biến không dây” làm đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Kể từ mạng cảm biến không dây đời, có nhiều giao thức định tuyến thiết kế sử dụng cho mạng Có thể liệt kê SPIN, LEACH, PEAGSIS, TEEN … Ngoài hướng nghiên cứu giao thức định tuyến việc nghiên cứu cải tiến giao thức có giúp mạng hoạt động ổn định cần thiết quan trọng LEACH giao thức định tuyến phân cụm thích nghi đề xuất Wendi B Heinzelman Các mục tiêu LEACH là: tăng tuổi thọ mạng, giúp mạng tiêu thụ lượng thấp, giảm số lượng thông điệp truyền thông tập hợp liệu Leach gọi "Giao thức thích nghi lượng hiệu cho nhóm mạng cảm biến khơng dây ” Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E (RCH) phát triển dựa tảng LEACH nghiên cứu nhiều cơng trình khoa học, hướng riêng SEPE (RCH) nghiên cứu trình bày luận văn MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Khảo sát, đánh giá phân tích tốn lượng mạng cảm biến khơng dây sử dụng giao thức SEP-E (RCH) với cấu hình chuẩn truyền thơng cụ thể Trong mạng phân bố có diện tích 100m x 100m với nút sink nằm ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu khảo sát thực minh chứng mô Sử dụng công cụ matlab để kiểm chứng mức độ tiết kiệm lượng giao thức nghiên cứu toán cụ thể nêu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết: Sưu tầm, nghiên cứu tài liệu tổng quan mạng cảm biến không dây, vấn đề liên quan đến tiêu thụ lượng mạng WSN (Giao thức định tuyến, cực tiểu lượng, quản lý nguồn công suất, tối ưu đường đi…) Nghiên cứu thực nghiệm: Đưa đề xuất cấu hình truyền thơng tối ưu mặt lượng; Tiến hành mô phỏng, so sánh đánh giá kết MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) áp dụng rộng rãi ngày thiếu hầu hết lĩnh vực đời sống xã hội Có nhiều vấn đề đặt mạng cảm biến không dây, vấn đề lượng, vấn đề đồng bộ, vấn đề mở rộng mạng Nhưng vấn đề quan tâm đặc biệt vấn đề lượng mạng cảm biến không dây Do đặc thù nút cảm biến mạng có nguồn lượng giới hạn, khơng có khả khó để bổ xung lương Việc làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ nút mạng nói riêng tồn mạng cảm biến nói chung Năng lượng sử dụng mạng cảm biến không dây sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, nhiệm vụ tiêu tốn lượng nhiều cơng tác truyền thơng nút mạng Do vậy, quản lý tốt hoạt động truyền thơng nút mạng đóng góp đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ mạng tăng tính hiệu mạng Trong q trình tìm hiểu nghiên cứu mạng cảm biến không dây, em lựa chọn đề tài “Quản lý lượng mạng cảm biến khơng dây” để tìm hiểu, nghiêm cứu luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông Luận văn bao gồm chương: Chương - Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương - Năng lượng mạng cảm biến khơng dây Chương – Phân tích đánh giá tổn hao lượng với giao thức định tuyến tiết kiệm lượng Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1.1 Giới thiệu chung Mạng cảm biến khơng dây (Wireless Sensor Network-WSN) hiểu đơn giản mạng liên kết nút mạng (node) với (bằng kết nối sóng vơ tuyến , hồng ngoại quang học), để phối hợp thực nhiệm vụ thu thập thông tin liệu phân tán với quy mô lớn điều kiện thời tiết điều kiện địa lí Việc thiết kế mơ hình mạng cảm biến khơng dây chuẩn để đáp ứng hàng loạt ứng dụng thực tế việc vơ khó khăn phức tạp Do đó, với loại ứng dụng cụ thể phải thiết kế mạng cảm biến không dây phù hợp với qui mô ứng dụng Thiết kế mạng cảm biến không dây cần đáp ứng số điểm chung sau: - Khả tự tổ chức mạng nút mạng - Sử dụng truyền thông không dây truyền đa bước - Triển khai nhanh với số lượng lớn phạm vi rộng - Năng lượng, dung lượng nhớ khả xử lý - Khả quảng bá phạm vi hẹp, nhiễu lớn - Định tuyến multihop 1.1.2 Cấu tạo nút cảm biến Hình 1.1: Cấu tạo nút cảm biến Nút cảm biến cấu tạo khối chức chính: - Bộ cảm biến (Sensing unit): Gồm khối chức năng: Khối cảm biến có chức cảm biến thay đổi môi trường; Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog to Digital Converter - ADC), có chức chuyển đổi tín hiệu tương tự nhận từ khối cảm biến sang tín hiệu số - Bộ xử lý (Processing unit): Được cấu tạo từ khối chức năng: Thiết bị xử lý (bộ xử lý) thiết bị lưu trữ (bộ nhớ); - Bộ thu phát (Transceiver unit): Có chức thu/phát tín hiệu, kết nối nút với nút khác mạng theo yêu cầu xử lý đưa - Bộ nguồn (Power Unit): Có chức cung cấp nguồn cho toàn hoạt động nút, tiêp nhận lượng bổ xung từ sinh lượng (nếu có) - Hệ thống tìm vị trí (Location Finding System): Trong số trường hợp địi hỏi độ xác cao số liệu cảm biến, hay định tuyến nút gắn thêm phận - Thiết bị di động (Mobilizer): Làm nhiệm vụ quản lý chuyển động cho nhiệm vụ định sẵn tùy thuộc vào nhiệm vụ mà nút cảm biến trang bị thêm phận - Bộ sinh lượng (Power Generator): Có chức tiếp nhận lượng bổ xung từ nguồn khác (năng lương mặt trời, lượng sinh học, lượng nhiệt… ), cung cấp lượng cho nguồn nút 1.1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Cấu trúc phân thành hai loại: Cấu trúc phăng cấu trúc tầng Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất nút ngang hàng đồng hình dạng chức Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng nút ngang hàng làm tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, nút gần sink đảm bảo vai trị tiếp sóng số lượng lớn nguồn Hình 1.3: Cấu trúc phẳng mạng cảm biến Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), 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) Hình 1.4: Cấu trúc tầng mạng cảm biến 1.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây ( Mơ hình OSI) Hình 1.6: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến  Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mang, phát tín hiệu, điều chế mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ sử dụng rộng rãi mạng cảm biến  Lớp liên kết liệu: Lớp có nhiệm vụ ghép luồng liệu, phát khung (frame) liệu, cách truy nhập đường truyền điều khiển lỗi  Lớp mạng: Được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:  Hiệu lượng luôn coi vấn đề quan trọng  Mạng cảm biến chủ yếu tập trung liệu  Tích hợp liệu sử dụng khơng cản trở cộng tác có hiệu nút cảm biến  Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết hệ thống có kế hoạch truy cập thông quamạng Internet mạng bên khác  Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, loại phần mềm ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây - Ứng dụng quân đội - Ứng dụng mơi trường - Ứng dụng chăm sóc sức khỏe - Tự động hố gia đình điện dân dụng - Giám sát điều khiển công nghiệp Kết luận chương Chương giới thiệu tổng quan đặc điểm, kiến trúc mạng cảm biến, phần cứng, phần mềm nút ứng dụng nhiều lĩnh vực dân quân sự, y tế, môi trường CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Sự tiêu thụ lượng Nhiệm vụ nút cảm biến trường cảm biến theo dõi kiện, xử lý nhanh số liệu cục truyền thông số liệu Cơng suất tiêu thụ ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông xử lý số liệu 2.1.1 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến Năng lượng tiêu thụ cảm biến thành phần tùy thuộc tùy theo ứng dụng cụ thể Việc cảm biến rời rạc tiêu thụ công suất nhỏ so với việc theo dõi tượng cách liên tục 2.1.2 Năng lượng cho truyền thông Đặc điểm truyền thông mạng cảm biến phạm vi ngắn cơng suất xạ thấp, chi phí lượng cho việc phát thu gần Trong mạch thu phát, trộn, tổng hợp tần số, dao động điều khiển điện áp, vịng khóa pha (PLL) khuếch công suất tiêu thụ công suất đáng kể Cơng suất tiêu thụ tính sau: PC = NT [ PT (TON + TST) + POUT ( TON)] + NR [ PR (RON + RST )] (2.1) Trong đó, PT/R cơng suất tiêu thụ phát / thụ, POUT công suất đầu phát, T/RON khoảng thời gian phát / thu trạng trái ON, T/RST khoảng thời gian khởi phát mạch phát/thu, NT/R số lần mạch phát/ thu chuyển sang ON đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ phương hướng điều khiển truy nhập môi trường 2.1.3 Năng lượng cho xử lý Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ nhiều so với lượng dành cho truyền thông số liệu Do ảnh hưởng chức suy giảm đường truyền theo khoảng cách nút cảm biến nên công suất tiêu thụ thu phát lớn khoảng cách truyền thơng tăng Trong đó, xử lý thường không phức tạp tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ 2.2 Các giải pháp tiết kiệm lượng 2.2.1 Giải pháp định tuyến Giao thức định tuyến không dây đa bước nhảy phù hợp nút cảm biến nút Sink cần thiết 10  Phương pháp định tuyến số liệu tập trung Định tuyến số liệu tập trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính sở Nguyên nhân cần phải đặt tên thuộc tính sở người sử dụng thường quan tâm tới truy vấn thuộc tính tượng truy vấn tới nút riêng lẻ Tập hợp số liệu kỹ thuật sử dụng để giải vấn đề trùng lặp chồng chéo định tuyến số liệu tập trung Trong kĩ thuật này, mạng cảm biến mô tả với cấu trúc phát đa điểm đảo ngược (hình 2.3) Hình 2.11: Ví dụ tập hợp số liệu  Các giao thức lớp mạng khác đề xuất cho mạng cảm biến: - Mạng truyền thông với lượng cực tiểu loại nhỏ (SMECN: Small Minimum Energy Commumication Network - Giao thức tràn (Fooding - Các giao thức thông tin cảm biến thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols for Information via Negotiation- SPIN - Định tuyến định liên tục (Sequential Assignment Routin- SAR - Phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy- LEACH - Phương thức truyền tin có hướng (Directed Diffusion 2.2.2 Giải pháp truy nhập mơi trường truyền dẫn Các giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn thực lớp liên kết liệu Yêu cầu giao thức MAC cho mạng cảm biến phải có tính chiến lược bảo tồn nguồn lương, quản lý di động khắc phục sai hỏng  Các giao thức MAC cho mạng cảm biến 11 - SMACS thuật toán EAR Giao thức SMACS (Self-oganization MAC for Sensor network) giao thức xây dựng sở hạ tầng phân tán cho phép nút thực nút lân cận chúng thiết lập tiến trình truyền/nhận cho thơng tin mà khơng cần tới nút chủ (nút master) toàn cục hay cục - Truy nhập môi trường dựa CSMA Các phương pháp dựa CSMA (Đa truy nhập theo cảm biến lưu lượng) truyền thơng khơng thích hợp chúng để hoạt động chủ yếu với lưu lượng phân bố ngẫu nhiên có xu hướng hỗ trợ dịng điểm- điểm độc lập Ngược lại, giao thức MAC cho mạng cảm biến phải có khả hỗ trợ biến đổi lưu lượng tuần hồn có tính tương quan cao, phương pháp truy nhập mơi trường truyền dẫn CSMA có hai thành phần quan trọng chế lắng nghe phương pháp làm giảm công suất (Backoff) - MAC sở lại ghép TDMA/FDMA Phương pháp MAC theo điều khiển trung tâm giới thiệu tài liệu (Nghiên cứu hoạt động cảm biến nhận biết lượng để thích ứng) Trong đó, nghiên cứu chi tiết hiệu điện tử lớp vật lý tưởng thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến Hệ thống tạo lên nút cảm biến bị hạn chế lượng liên lạc với trạm gốc đơn, gần cấp nguồn lượng cao (