bài giảng MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÀI GIẢNG MÔN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Giảng viên: ThS Trần Thục Linh Điện thoại/E-mail: 0914932955/thuclinh_dt@yahoo.com Bộ môn: Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử Học kỳ/Năm biên soạn: 2/2011 Nội dung học phần  Chương 1- Giới thiệu chung  Chương 2- Kiến trúc nút đơn  Chương 3- Kiến trúc mạng  Chương 4- Lớp vật lý  Chương 5- Giao thức MAC  Chương 6- Các giao thức lớp liên kết  Chương 7- Đặt tên đánh địa  Chương 8- Đồng thời gian  Chương 9- Định vị xác định vị trí  Chương 10- Điều khiển Topology www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Tài liệu học tập  Tài liệu chính:  Slide giảng  Bài giảng Mạng cảm biến không dây, Vũ Anh Đào, Trần Thục Linh, Học viện CNBCVT, 2010  Tài liệu tham khảo:  [1] Holger Karl Andreas Willig, Các giao thức kiến trúc cho mạng cảm biến không dây, NXB Wiley, ISBN: 978-0-470-09510-2, 6/2005  [2] Holger Karl, Slide “Ad hoc and Sensor Networks”  [3] Satya Sanket Sahoo, Slide “Sensor Networks”, Reference: MOBICOM 2002 Tutorial T5 Wireless Sensor Networks (CSCI 6760) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Yêu cầu môn học  Sinh viên phải đọc trước slide giảng trước lên lớp  Tích cực trả lời đặt câu hỏi lớp qua email GV  Điểm môn học:  Chuyên cần: 10 %  Kiểm tra kỳ: 10 %  Tự học, tự nghiên cứu: 10 %  Thi kết thúc: 70 % www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Chương 1- Giới thiệu chung  Mục đích chương:  Cung cấp hiểu biết mạng ad hoc mạng cảm biến, lĩnh vực áp dụng  Sự giống khác  Những hạn chế www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Nội dung  Hạ tầng cho WSN?  Các mạng ad hoc (di động)  Các mạng cảm biến không dây  So sánh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Mạng vô tuyến dựa hạ tầng  Mạng vơ tuyến điển hình: dựa hạ tầng     VD: GSM, UMTS, … Các trạm gốc nối với mạng xương sống hữu tuyến Các thực thể di động giao tiếp vô tuyến với trạm gốc Lưu lượng thực thể di động khác chuyển tiếp trạm gốc mạng xương sống hữu tuyến  Sự di động hỗ trợ chuyển mạch từ trạm gốc tới trạm gốc khác  Hạ tầng mạng xương sống yêu cầu cho tác vụ quản lý er s Gateways h k rt Fu twor ne Server www.ptit.edu.vn IP backbone Router GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Mạng vô tuyến dựa hạ tầng- Hạn chế?  Trong trường hợp sau:  Hạ tầng khơng có sẵn - Vd: vùng có thảm họa hay thiên tai  Quá đắt không thuận tiện cho việc thiết lập mạng? – Vd: khu vực hẻo lánh hay công trường lớn  Khơng có thời gian để thiết lập mạng? – Vd: chiến dịch quân www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Ứng dụng cho mạng có hạ tầng tự  Tự động hóa sàn nhà máy  Khắc phục thảm họa  Truyền thông từ xe đến xe ad      c ho Mạng quân sự: xe tăng, người lính, … Tìm chỗ đậu xe trống thành phố mà khơng cần hỏi server Tìm kiếm cứu hộ tuyết lở Mạng cá nhân (đồng hồ, kính, PDA, thiết bị y tế, …) … www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Nội dung  Hạ tầng cho WSN?  Các mạng ad hoc (di động)  Các mạng cảm biến không dây  So sánh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 10 Mạng ad hoc (di động)  Cố gắng xây dựng mạng không cần hạ tầng, sử dụng khả thiết lập mạng thành viên tham gia  Đó gọi mạng ad hoc – mạng xây dựng “cho mục đích đặc biệt”  Vd: máy tính xách tay phịng hội nghị – mạng ad hoc đơn bước nhảy www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 11 Các vấn đề/các thách thức mạng ad hoc  Do khơng có hạ tầng trung tâm nên vấn đề trở nên khó khăn nhiều  Các vấn đề     Thiếu thực thể trung tâm cho tổ chức sẵn có Phạm vi truyền thông vô tuyến bị hạn chế Sự di chuyển thành viên mạng Các thực thể hoạt động pin www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 12 Khơng có thực thể trung tâm ! Tự tổ chức  Khơng có thực thể trung tâm (một trạm gốc chẳng hạn), thành viên tham gia buộc phải tự tổ chức chúng thành mạng (self-organization)  Liên quan đến (giữa nút):  Điều khiển truy cập đường truyền – khơng trạm gốc định tài nguyên truyền dẫn, bắt buộc phải định mơ hình phân bố  Tìm kiếm tuyến đường từ thành viên tham gia đến thành viên khác www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 13 Phạm vi hạn chế ! Đa bước nhảy  Đối với nhiều kịch bản, yêu cầu truyền thơng với nút ngang hàng bên ngồi phạm vi truyền thông trực tiếp  Truyền thông trực tiếp bị hạn chế khoảng cách, vật cản,…  Giải pháp: Mạng đa bước nhảy (multi-hop network) ? www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 14 Di động ! Các giao thức thích nghi, phù hợp  Trong nhiều (không phải tất cả) ứng dụng mạng ad hoc, thành viên di chuyển quanh mạng  Trong mạng tế bào: đơn giản chuyển giao (hand over) tới trạm gốc khác  Trong mạng ad hoc di động (MANET):  Việc di chuyển làm thay đổi mối quan hệ láng giềng  Phải bù cho  Vd: tuyến mạng phải bị thay đổi  Phức tạp kích thước  Khó hỗ trợ số lượng lớn nút www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 15 Các thiết bị hđộng pin ! Vận hành NL hiệu  Thường thành viên mạng ad hoc lấy lượng từ pin  Mong muốn: chạy tgian dài cho  Các thiết bị đơn lẻ  Toàn thể mạng  Giao thức kết nối mạng hiệu mặt lượng  Vd: sử dụng tuyến đường đa bước nhảy với tiêu thụ NL thấp (NL/bit)  Vd: tính đến dung lượng pin sẵn có thiết bị  Làm cách để giải xung đột tối ưu hóa khác nhau? www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 16 Nội dung  Hạ tầng cho WSN?  Các mạng ad hoc (di động)  Các mạng cảm biến không dây  Đặc điểm & Cấu trúc mạng  Các ứng dụng  Các yêu cầu & chế  So sánh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 17 Các mạng cảm biến không dây  Các thành viên ví dụ trước thiết bị gần gũi với người sử dụng, tương tác với người  Khái niệm thay thế: Thay tập trung vào tương tác người, tập trung vào tương tác với môi trường  Mạng nhúng môi trường  Các nút mạng trang bị với cảm biến cấu chấp hành để đo/tác động môi trường  Các nút xử lý thông tin truyền thông vô tuyến với ! Mạng cảm biến không dây (WSN)  hay: Mạng cảm biến chấp hành không dây (WSAN) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 18 Đặc điểm  Số lượng nút cảm biến lớn -> xây dựng quy tắc cho địa tồn cục triển khai phần điều khiển cho việc thiết lập ID cao  Hầu hết ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nguồn tới nút gốc  nút cảm biến bị hạn chế công suất, khả xử lý dung lượng nhớ  Các nút WSN thường có vị trí cố định (một số ứng dụng: nút di động)  Các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng  Vị trí nút cảm biến đóng vai trị quan trọng việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí  Số liệu lựa chọn nút cảm biến WSN thường dựa vào tượng chung, có độ dư thừa www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 19 Cấu trúc mạng WSN  Mạng điểm – điểm www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 20 Cấu trúc mạng WSN  Mạng điểm – đa điểm www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 21 Cấu trúc mạng WSN  Mạng đa điểm – đa điểm Tải FULL (file ppt 40 trang): bit.ly/2LtgFOa Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 22 Nội dung  Hạ tầng cho WSN?  Các mạng ad hoc (di động)  Các mạng cảm biến không dây  Đặc điểm & Cấu trúc mạng  Các ứng dụng  Các yêu cầu & chế  So sánh Tải FULL (file ppt 40 trang): bit.ly/2LtgFOa Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 23 Ví dụ ứng dụng WSN  Các hoạt động cứu trợ thảm họa  Thả nút cảm biến từ máy bay lên khu vực có cháy rừng  Mỗi nút đo nhiệt độ  Tạo “bản đồ nhiệt độ”  Lập đồ đa dạng sinh học  Sử dụng nút cảm biến để giám sát động vật hoang dã  Các tòa nhà (hoặc cầu) thơng minh  Giảm lãng phí n/lượng việc điều khiển độ ẩm, thơng gió điều hòa (HVAC) phù hợp  Cần tham số đo thời gian chiếm giữ phòng, nhiệt độ, dòng khơng khí, …  Giám sát stress học sau trận động đất www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 4252769 Trang 24 ... Mạng nhúng môi trường  Các nút mạng trang bị với cảm biến cấu chấp hành để đo/tác động môi trường  Các nút xử lý thông tin truyền thông vô tuyến với ! Mạng cảm biến không dây (WSN)  hay: Mạng. .. động)  Các mạng cảm biến không dây  So sánh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 10 Mạng ad hoc (di động)  Cố gắng xây dựng mạng không cần... Topology www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang Tài liệu học tập  Tài liệu chính:  Slide giảng  Bài giảng Mạng cảm biến không dây, Vũ Anh Đào, Trần