Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong wsns

Tr-ờng đại học vinh Khoa điện tử viễn thông - - đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: Các giải pháp nâng cao hiệu sử dụng l-ợng wsns Giáo viên h-ớng dẫn : ThS Nguyễn Thị Kim Thu Sinh viên thực : Phan Văn Hợp Lớp : 47K - §TVT vinh - 05/ 2011 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển khoa học công nghệ, mạng cảm biến không dây đời phát triển với hàng loạt ứng dụng tiềm công nghiệp, quân sự, y tế … Bên cạnh đó, tiến vượt bậc lĩnh vực thông tin vô tuyến điện tử giúp tạo node cảm biến với kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp với công suất tiêu thụ thấp, đáp ứng nhu cầu khác ứng dụng Nhưng mạng cảm biến không dây phải đối mặt với thách thức thiết kế, đặc biệt hạn chế mặt lượng node cảm biến chúng thường chạy pin Chính có đặc điểm riêng khác biệt so với mạng vô tuyến truyền thống mà mạng cảm biến không dây địi hỏi phải có thiết kế phần cứng phần mềm riêng phù hợp Tuy nhiên, nhờ tính ưu điểm bật mà mạng cảm biến không dây đã, nghiên cứu, phát triển ứng dụng rộng rãi đời sống Đồ án “Các giải pháp nâng cao hiệu sử dụng lượng WSNs” giới thiệu tổng quan cấu trúc ứng dụng mạng cảm biến không dây, với thiết kế giao thức truy nhập, định tuyến riêng phù hợp với mạng Cấu trúc đồ án gồm ba chương Chương giới thiệu tổng quan khái niệm, cấu trúc, đặc điểm, phân loại ứng dụng mạng cảm biến khơng dây Chương phân tích đặc điểm riêng biệt mạng cảm biến không dây để từ đặt mục tiêu thiết kế giao thức điều khiển truy nhập môi trường phù hợp, cụ thể hai giao thức S-MAC T-MAC với kahả tiết kiệm lượng cao cho mạng cảm biến không dây Chương giới thiệu vấn đề định tuyến mạng cảm biến khơng dây Trong đưa lý mà mạng cần phải định tuyến, phân loại từ tìm hiểu ngun lý hoạt động số giao thức định tuyến Flooding Spin Mặc dù cố gắng thời gian có hạn nên chắn đồ án cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận ý kiến đánh giá góp ý thầy Em xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Thị Kim Thu thầy cô giáo khoa Điện tử viễn thông, Trường đại học Vinh tận tình bảo, tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp TĨM TẮT Mạng cảm biến khơng dây mạng tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết vô tuyến để phối hợp thực nhiệm vụ cảm biến phân tích phản ứng lại đối tượng mục tiêu Đây công nghệ với nhiều ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Tuy nhiên node cảm biến thường chạy pin khó thay nên mạng bị giới hạn lớn mặt lượng, kéo dài tuổi thọ cho mạng trở thành mục tiêu thiết kế phần cứng phần mềm Các nghiên cứu tắt thu phát vô tuyến node không dùng đến cách nhanh để tiết kiệm lượng Chính mà giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC hầu hết thiết kế dựa đặc điểm Trong số giao thức MAC S-MAC T-MAC hai giao thức tối ưu phù hợp cho mạng cảm biến không dây, với nhiều ưu điểm khả tiết kiệm lượng cao Việc định tuyến mạng cảm biến không dây giúp tiết kiệm lượng đồ án giới thiệu số giao thức định tuyến đơn giản đạt mục tiêu thiết kế ABSTRACT Wireless sensor networks are collections of sensors that use wireless links to collaborate for a common task such as sensing, analyzing and respon to object This is new technology which contains variety of application in many field However sensor nodes are usually operated by battery so wireless sensor networks are limitted in expectation of life Therefore extending life time of wireless sensor network becomes an improtant target in designing hardware and sofware for WSNs Many experiments have shown that turing off the radio is best way to reduce energy consumption Among MAC protocol S-MAC and T-MAC have been reckoned to be the most optimal and suitable protocols for WSNs because of their advantages and great saving energy ability Routing also helps WSNs save energy and this project will introduce some routing protocols which have not only a stable routing ability but also a great help in reducing energy consumption MỤC LỤC Lời nói đầu……………………………………………………………… …… Tóm tắt …….……………………………………………………………… … Mục lục………………………………………………………… …… ………3 Danh mục hình vẽ…….…………………………………………………… .5 Thuật ngữ viết tắt….… …………………………………………………… …6 Chương Tổng quan mạng cảm biến không dây……………………… …7 1.1 Giới thiệu……………………………………………………………… 1.2 Cấu trúc mạng…… …………………………………………………… 1.3 Node cảm biến… ……………………………………………………….12 1.4 Đặc điểm mạng cảm biến không dây……………………… … … 15 1.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây….………………………… 18 Chương Thiết kế giao thức điều khiển truy nhập môi trường cho mạng cảm biến không dây…………………………………………………………………26 2.1 Vấn đề tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây ……… 26 2.2 Giao thức S-MAC………………………………………………….….…31 2.2.1 Thực chu kỳ thức ngủ………………………………….… 31 2.2.1.1 Lược đồ bản………….……………………………… 32 2.2.1.2 Lựa chọn trì lịch biểu……… ……………… …33 2.2.1.3 Duy trì đồng hóa………….……………………… …34 2.2.2 Tránh xung đột nghe thừa…………………………………… 36 2.2.2.1 Tránh xung đột………………………………………… 37 2.2.2.2 Tránh nghe thừa………….…………………………… 38 2.2.3 Xử lý thông điệp………………………………………………… 38 2.2.4 Tiết kiệm lượng gia tăng trễ ……………………………39 2.3 Giao thức T-MAC… ………………………………………………… 41 2.3.1 Lược đồ bản………………………………………………… 42 2.3.2 Phân nhóm dồng bộ……………………………………………43 2.3.3 Truyền lại RTS chọn TA T-MAC………………… … 44 2.3.3.1 Khoảng tranh chấp cố định……………………… …… 44 2.3.3.2 Truyền lại gói RTS……………………………….………45 2.3.3.3 Xác định khoảng thời gian TA………………………… 45 2.3.3.4 Tránh nghe thừa………………………………………….46 2.3.4 Truyền thông bất đối xứng……………………………….……….46 2.4 Kết luận ………………………………………………….……… …49 Chương Định tuyến mạng cảm biến không dây……………………….51 3.1 Vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây…………………….51 3.2 Phân loại giao thức định tuyến………………………………………… 55 3.3 Giao thức định tuyến Flooding………………………………………… 56 3.4 Giao thức định tuyến SPIN………………………………………………58 Kết luận……………………………………………… …………………… 63 Tài liệu tham khảo…………………………….… ……………………………64 Đối chiếu thuật ngữ Anh-Việt………………………………………………….65 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình mạng cảm biến thơng thường Hình 1.2 Cấu trúc mạng WSN loại C1WSNs Hình 1.3 Cấu trúc mạng WSN loại C2WSNs Hình 1.4 Các thành phần node cảm biến Hình 1.5 Sự phát triển cơng nghệ chế tạo cảm biến Hình 2.1 Thực chu kỳ thức/ ngủ Hình 2.2 Node A B có lịch khác đồng với node C, D khác Hình 2.3 Mối quan hệ thời gian node thu nhiều node phát Hình 2.4 Node nên ngủ A truyền liệu cho B ? Hình 2.5 Tiết kiệm lượng thời gian ngủ thời gian 30ms Hình 2.6 Lược đồ T-MAC Hình 2.7 Node B C nằm biên giới cụm ảo nên sử dụng nhiều lịch Hình 2.8 Trao đổi liệu Hình 2.9 Hiện tượng ngủ sớm Hình 2.11 Gửi sớm RTS Hình 2.12 Thực ưu tiên gửi đệm Hình 2.13 So sánh mức tiêu thụ lượng CDMA, S-MAC T-MAC Hình 3.1 Phân loại giao thức định tuyến Hình 3.2 Flooding gói liệu mạng thơng tin Hình 3.3 Bùng nổ lưu lượng Flooding Hình 3.4 Vấn đề chồng lấn Flooding Hình 3.5 Hoạt động giao thức SPIN Hình 3.6 Thủ tục bắt tay giao thức SPIN-PP Hình 3.7 Giao thức SPIN-BC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ACK Gói xác nhận Acknowledge CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang CTS Clear to send Sẵn sàng nhận CS Carrier Sense Cảm biến sóng mang ES Energy Saving Tiết kiệm lượng DS Delay Sleep Trễ ngủ DS Data Send Gói liệu gửi FRTS Future Request To Send Gửi sớm RTS FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số Access IEEE Institute of Electrical and Electronic Học viện kỹ sư điện điện tử Engineers MAC Điều khiển truy nhập môi trường Medium Access Control MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng Ad-hoc di động NAV Network Allocation Vector Vecto phân phối mạng QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RTS Ready to send Sẵn sàng gửi S-MAC Sensor Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường cho mạng cảm biến Sensor Protocols for Information Định tuyến thông tin dựa dàn via Negotiation xếp liệu SYNC Synchronisation Đồng TIM Traffic Indication Maps Bản đồ dẫn luồng TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây SPIN Chương Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) mạng bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại quang học) để phối hợp thực nhiệm vụ cảm biến phân tích phản ứng lại đối tượng mục tiêu Các node cảm biến mạng có chức cảm biến: cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động Các node giao tiếp với truyền liệu trung tâm cách gián tiếp kỹ thuật đa chặng Các node cảm biến thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố cách khơng có hệ thống phạm vi hoạt động rộng, sử dụng nguồn lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài từ vài tháng đến vài năm hoạt động mơi trường khắc nghiệt chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao Lưu lượng liệu lưu thông WSN thấp không liên tục Do để tiết kiệm lượng, node cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động trạng thái nghỉ khác Thông thường thời gian node trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều Mạng cảm biến liên kết trực tiếp với node quản lý giám sát viên hay gián tiếp thông qua node chủ (Sink) môi trường mạng công cộng Internet hay vệ tinh Các node cảm biến không dây triển khai cho mục đích chun dụng giám sát an ninh, kiểm tra môi trường, tạo khơng gian thơng minh, khảo sát, xác hóa nơng nghiệp, y tế Lợi chủ yếu chúng khả triển khai loại hình địa lý kể môi trường nguy hiểm sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống Việc kết hợp cảm biến thành mạng lưới ngày tạo nhiều khả cho người Các vi cảm biến với xử lý bên thiết bị vơ tuyến hồn tồn gắn kích thước nhỏ Chúng hoạt động môi trường dày đặc với khả xử lý tốc độ cao Do đó, với mạng cảm biến khơng dây ngày nay, người ta khám phá nhiều tượng khó thấy trước Ngày nay, mạng cảm biến không dây ứng dụng nhiều lĩnh vực cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái môi trường sinh vật phức tạp, v.v 1.2 Cấu trúc mạng Hình 1.1 cho thấy mơ hình cấu trúc mạng cảm biến thông thường Node cảm biến Node cảm biến Node trung tâm Đa chặng Đơn chặng Node trung tâm Kết nối vơ tuyến Node xử lý Hình 1.1 Mơ hình mạng cảm biến thơng thường Có bốn thành phần cấu tạo nên mạng cảm biến: - Node cảm biến - Kết nối node cảm biến - Node trung tâm tập hợp liệu - Node xử lý liệu Các node cảm biến liên kết theo giao thức đa chặng, phân chia cụm chọn node có khả tốt làm node trung tâm, tất node loại truyền node xử lý Nhờ vậy, lượng băng thông kênh truyền sử dụng hiệu Tuy nhiên, thấy cấu trúc mạng phức tạp giao thức phân chia Cluster định tuyến trở nên khó khăn Mạng cảm biến khơng dây phân thành hai loại sau :  Loại 1(C1 WSNs): - Sử dụng giao thức định tuyến động - Các node tìm đường tốt đến đích - Vai trị node cảm biến với node trạm lặp - Khoảng cách lớn (hàng ngàn mét) - Khả xử lý liệu node chuyển tiếp - Mạng phức tạp Node trung tâm Node định tuyến động Node định tuyến động Node đầu cuối Hình 1.2 Cấu trúc mạng WSN loại C1WSNs  Loại (C2 WSNs): - Mơ hình đa điểm - điểm hay điểm - điểm, sử dụng kết nối vô tuyến đến node trung tâm - Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh 10 phép di chuyển thay đổi vị trí (mặc dù với độ di chuyển thấp) - Do số lượng node cảm biến lớn nên xây dựng quy tắc cho địa toàn cục triển khai phần điều khiển cho việc thiết lập ID cao Vì vậy, giao thức dựa IP truyền thống khơng áp dụng cho WSN - Khác với mạng thơng tin nói chung, hầu hết ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nguồn tới node gốc - Các node cảm biến bị hạn chế công suất, khả xử lý dung lượng - Các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng - Vị trí node cảm biến đóng vai trị quan trọng việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí Hiện chưa thích hợp cho việc sử dụng phần cứng hệ thống định vị tồn cầu cho mục đích Các phương pháp xác định vị trí node cảm biến thường dựa vào cường độ tín hiệu từ số điểm xác định - Số liệu lựa chọn node cảm biến WSN thường dựa vào tượng chung, có độ dư thừa Các giao thức định tuyến phải khắc phục độ dư thừa để sử dụng hiệu băng thơng Tóm lại, định tuyến WSN cần phải quan tâm đến đặc tính riêng WSN với yêu cầu ứng dụng cấu trúc [8] Mặc dù ứng dụng mạng WSN lớn, nhiên mạng có số hạn chế giới hạn nguồn công suất, khả tính tốn độ rộng băng thơng Một mục tiêu thiết kế WSN kéo dài thời gian sống mạng tránh suy giảm kết nối nhờ kỹ thuật quản lý lượng Việc thiết kế giao thức định tuyến WSN bị ảnh hưởng số yếu tố Vấn đề phải giải triệt để đạt hiệu truyền tin WSN Dưới tóm tắt số khó khăn vấn đề chọn đường thiết kế mạng WSN 55  Phân bố node: Việc phân bố node WSN phụ thuộc vào ứng dụng thực tay phân bố ngẫu nhiên Khi phân bố tay, số liệu định tuyến thông qua đường xác định trước Tuy nhiên phân bố nút ngẫu nhiên tạo cấu trúc định tuyến đặc biệt (ad-hoc) Liên lạc node cảm biến thường có cự ly ngắn hạn chế lượng băng thơng Do việc định tuyến thực qua nhiều bước nhảy  Tiêu thụ lượng khơng làm độ xác: Các node cảm biến sử dụng giới hạn cơng suất để thực tính tốn truyền tin môi trường vô tuyến Thời gian sống node cảm biến phụ thuộc nhiều vào thời gian sử dụng pin Trong WSN đa bước nhảy, node đóng hai vai trị truyền số liệu định tuyến Một số node cảm biến hoạt động sai chức lỗi nguồn cơng suất gây thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng phải định tuyến lại gói tổ chức lại mạng  Phương pháp báo cáo số liệu: Việc báo cáo số liệu WSN phụ thuộc vào ứng dụng chia thành báo cáo theo thời gian, theo kiện, theo yêu cầu lai ghép phương pháp Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với ứng dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ Khi đó, node cảm biến bật phận cảm biến phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xác định Trong phương pháp báo cáo theo kiện theo yêu cầu, node cảm biến phản ứng tức thay đổi giá trị thuộc tính cảm biến xuất kiện xác định để trả lời yêu cầu tạo node gốc hay node khác mạng Do vậy, phương pháp phù hợp với ứng dụng phụ thuộc thời gian Cũng sử dụng kết hợp phương pháp Giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo số liệu vấn đề sử dụng lượng chọn đường 56  Tính khơng đồng node/tuyến: Trong nhiều nghiên cứu, tất node cảm biến giả thiết đồng (nghĩa có khả tính tốn, khả truyền tin có cơng suất nhau) Tuy nhiên, tuỳ theo ứng dụng mà node cảm biến có vai trò khả khác Các node cảm biến không đồng tạo số vấn đề kỹ thuật liên quan đến chọn đường Ví dụ, số ứng dụng cần kết hợp cảm biến để giám sát nhiệt độ, áp suất, độ ẩm môi trường, phát chuyển động nhờ âm thanh, chụp ảnh ghi hình vật chuyển động Ngồi ra, việc đọc báo cáo số liệu từ cảm biến có tốc độ khác tuỳ theo QoS thuộc nhiều mơ hình báo cáo số liệu khác Ví dụ, giao thức phân cấp rõ node chủ nhóm khác so với node cảm biến bình thường khác Những node chủ nhóm chọn từ node cảm biến phân bố node mạnh node cảm biến khác công suất, băng thông nhớ Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới node gốc tập trung nhóm node chủ nhóm  Khả chống lỗi: Một số node cảm biến bị lỗi bị ngắt thiếu công suất, hỏng phần cứng bị nhiễu môi trường Sự cố node cảm biến không ảnh hưởng tới nhiệm vụ toàn mạng cảm biến Nếu có nhiều node bị lỗi, giao thức định tuyến điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải thành cập tuyến tới node gốc Việc cần thiết phải điều chỉnh cơng suất phát tốc độ tín hiệu tuyến để giảm tiêu thụ lượng gói phải định tuyến lại qua vùng mạng có cơng suất khả dụng lớn  Tính động mạng: Trong nhiều nghiên cứu, node cảm biến giả thiết cố định Tuy nhiên số ứng dụng, node gốc node cảm biến di chuyển Khi tin chọn đường từ tới node di chuyển gặp phải vấn đề đường liên lạc, cấu hình mạng, lượng, độ rộng băng Tuy nhiên, đối tượng di chuyển (ví dụ ứng dụng dị tìm/theo dõi mục tiêu) Các kiện cố định cho phép 57 mạng làm việc chế độ phản ứng (tạo lưu lượng cần báo cáo) kiện chuyển động hầu hết ứng dụng yêu cầu phải báo cáo định kỳ cho node gốc  Khả định cỡ: số lượng node cảm biến hàng trăm, hàng nghìn nhiều Bất kỳ phương pháp định tuyến phải có khả làm việc với số lượng lớn node cảm biến  Môi trường truyền dẫn: Trong mạng cảm biến đa bước nhảy, node thông tin kết nối qua môi trường vơ tuyến Các đặc tính kênh vơ tuyến pha đinh, tỷ lệ lỗi ảnh hưởng đến hoạt động mạng cảm biến Nói chung, độ rộng băng yêu cầu số liệu cảm biến thấp, khoảng từ 1-100 kb/s Liên quan đến môi trường truyền dẫn việc thiết kế MAC Một phương pháp thiết kế MAC cho mạng cảm biến sử dụng giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) tiết kiệm lượng so với giao thức đa truy nhập khác đa truy nhập theo sóng mang (CSMA) (ví dụ IEEE 802.11) Cơng nghệ Bluetooth sử dụng  Khả giám sát: Trong WSN, node cảm biến giám sát vùng xác định Vùng giám sát môi trường node cảm biến bị giới hạn cự ly độ xác, giám sát phạm vi nhỏ Do đó, vùng giám sát tham số thiết kế quan trọng WSN  Kết hợp số liệu: Vì node cảm biến tạo số liệu dư thừa nên gói tương tự từ nhiều node kết hợp lại để giảm số lượng truyền dẫn Việc kết hợp số liệu từ nhiều nguồn khác theo hàm kết hợp xác định Kỹ thuật sử dụng để đạt hiệu lượng tối ưu hoá việc truyền số liệu số giao thức định tuyến  Chất lượng dịch vụ: Trong số ứng dụng, số liệu phân phối khoảng thời gian xác định cảm nhận tượng khơng số liệu trở nên vơ dụng Vì vậy, giới hạn trễ việc phân phối số liệu tiêu khác ứng dụng phụ thuộc thời 58 gian Tuy nhiên số ứng dụng khác việc tiêu thụ cơng suất (ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian sống mạng) lại quan trọng Khi lượng gần hết, mạng yêu cầu giảm chất lượng kết để giảm mức tiêu thụ lượng nút kéo dài thời gian sống toàn mạng 3.2 Phân loại giao thức định tuyến Việc định tuyến WSN chia thành định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp định tuyến dựa theo vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng Trong định tuyến ngang hàng, tất nút thường có vai trị chức Trong định tuyến phân cấp, node đóng vai trị khác mạng Trong định tuyến dựa theo vị trí vị trí node cảm biến sử dụng để chọn đường số liệu Một giao thức định tuyến coi thích ứng tham số hệ thống điều khiển để thích ứng với trạng thái mạng mức lượng khả dụng Những giao thức chia thành giao thức định tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết dựa vào QoS tuỳ theo chế hoạt động giao thức [8] Ngoài ra, giao thức định tuyến chia thành ba loại chủ động, tương tác lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích Trong giao thức chủ động, tất đường tính tốn trước có u cầu, giao thức tương tác đường tính toán theo yêu cầu Các giao thức lai ghép kết hợp hai quy tắc Khi node cảm biến cố định, thích hợp với giao thức định tuyến theo bảng với giao thức tương tác Một lượng công suất đáng kể sử dụng để tìm đường thiết lập giao thức tương tác Một số giao thức khác dựa vào định thời thơng tin vị trí Để khái qt, sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng chế hoạt động giao thức (tiêu chuẩn định tuyến) Việc phân loại so sánh giao thức định tuyến WSN hình 3.1 [8] 59 Giao thức chọn đường SWN Cấu trúc mạng Chọn đường ngang hàng Chọn đường phân cấp Chế độ hoạt động Chọn đường theo vị trí Chọn đường hỏi/đáp Chọn đường đa đường Chọn đường theo yêu cầu Chọn đường theo Qos Chọn đường liên kết Hình 3.1 Phân loại giao thức định tuyến [8] 3.3 Giao thức định tuyến Flooding Flooding kỹ thuật chung thường dùng truyền thơng tin tìm đường mạng có dây khơng dây ad-hoc Kỹ thuật định tuyến đơn giản khơng địi hỏi cấu hình mạng tốn thuật tốn tìm đường phức tạp Flooding dùng phương pháp phản ứng lại, node nhận gói điều khiển hay liệu gởi đến tất node xung quanh Sau truyền, gói theo tất đường Nếu khơng bị kết nối, gói đến đích Hơn nữa, cấu hình mạng thay đổi, việc truyền gói theo tuyến Hình 3.2 minh họa quy ước flooding mạng A F B C E D H G Hình 3.2 Định tuyến Flooding gói liệu mạng Flooding dạng đơn giản làm gói bị chép lại cách 60 không giới hạn qua node mạng Để ngăn chặn gói vịng khơng xác định mạng, trường gọi “trường đếm chặng” (Hop Count) thêm vào gói Đầu tiên, trường đếm chặng đặt giá trị xấp xỉ đường kính mạng Khi gói qua mạng, trường đếm chặng bị giảm sau bước bước tính lần truyền từ node sang node Khi trường đếm chặng 0, gói bị bỏ Một cách tương tự dùng thêm vào trường “thời gian sống” (time-tolive), trường ghi lại thời gian mà gói phép tồn mạng Khi hết thời gian này, gói khơng truyền Flooding cải tiến cách xác nhận gói liệu nhất, node mạng bỏ gói nhận (A,p) A D B (A,p) (A,p) C (A,p) Hình 3.3 Bùng nổ lưu lượng Flooding Mặc dù đơn giản quy luật hoạt động phù hợp với cấu hình mạng có chi phí thấp Flooding gặp nhiều bất lợi áp dụng cho mạng cảm biến không dây Nhược điểm Flooding gặp phải vấn đề bùng nổ lưu lượng gói liệu node Như hình 3.3, tượng không mong muốn gây gói gởi đến node Nhược điểm thứ hai vấn đề chồng lấn (Overlap) Vấn đề chồng lấn mơ tả hình 3.4 chồng lấn xảy hai node gởi gói đến node Nhược điểm thứ ba nhược điểm nguy hiểm flooding lãng phí lượng Quy luật đơn giản flooding khơng xem xét đến hạn chế nguồn lượng node Năng lượng node suy giảm nhanh chóng, giảm đáng kể thời gian sống mạng 61 q s r B A (q,r) C (s,r) Hình 3.4 Vấn đề chồng lấn Flooding Để giải nhược điểm nêu trên, hướng gọi Gossiping Tương tự Flooding, Gossiping dùng qui luật đơn giản khơng địi hỏi cấu hình mạng đắt tiền hay thuật tốn định tuyến phức tạp Khác với Flooding, gói liệu phát quảng bá đến tất node, Gossiping yêu cầu node gởi gói vừa nhận đến node lựa chọn ngẫu nhiên Khi nhận gói, node lân cận lại chuyển tiếp gói đến node lựa chọn ngẫu nhiên khác Q trình tiếp tục đến gói đến đích đến hay trường đếm chặng bị giới hạn Gossiping tránh vấn đề bùng nổ lưu lượng mạng cách giới hạn số gói mà node gởi đến node lân cận Tuy nhiên độ trễ gói đích lớn, đặc biệt mạng có kích thước lớn, có liên kết tạo thành thời điểm [3] 3.4 Giao thức định tuyến SPIN SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) họ giao thức dựa thỏa thuận để phát tán thông tin mạng cảm biến không dây Mục tiêu giao thức tính hiệu việc phát thông tin từ node đến tất node khác mạng Các giao thức đơn giản Flooding Gossiping Flooding địi hỏi node gởi gói liệu đến tất node lân cận với thơng tin đến đích Gossiping dùng tính ngẫu nhiên để giảm số yêu cầu có node nhận gói liệu sau chuyển tiếp cách ngẫu nhiên đến node chọn trước Giao thức Flooding Gossiping có ngun lý hoạt động đơn giản khơng địi hỏi cấu hình phức tạp Tuy nhiên, đặc điểm giao thức trễ gói làm 62 giảm chất lượng mạng lưu lượng tải, gây bùng nổ gói chồng lấn gói vùng phân bố Các giao thức đơn giản Flooding Gossiping khơng tính đến nguồn lượng làm giảm cách đáng kể thời gian sống mạng Mục tiêu giao thức SPIN giải hạn chế giao thức truyền thống Nguyên lý họ giao thức thỏa thuận liệu thích nghi tài nguyên mạng Thỏa thuận liệu (Data Negotiation) yêu cầu node phải “học” nội dung liệu trước phát liệu node mạng Spin dùng gói mơ tả trước phát gói liệu thực Các node thu nhận gói quảng cáo muốn nhận gói liệu thực phải gởi gói yêu cầu cho node nguồn Do gói liệu thực gởi cho gói quan tâm, hạn chế khả bị bùng nổ gói Flooding giảm đáng kể lưu lượng dư thừa mạng Ngồi việc dùng khóa mơ tả liệu (Meta Data Descriptors) loại trừ khả chồng lấn node yêu cầu liệu cần quan tâm Thích ứng tài nguyên mạng cho phép node dùng giao thức Spin điều chỉnh hoạt động theo trạng thái lượng Mỗi node mạng theo dõi tiêu thụ lượng trước phát hay xử lý liệu Khi mức lượng xuống thấp, node giảm hay ngừng hoàn tồn hoạt động chuyển tiếp gói cho node khác Việc node lượng nhiều thực Chính mà SPIN giúp kéo dài thời gian sống node Spin thực việc thỏa thuận truyền liệu thông qua dạng thơng điệp Đầu tiên gói ADV, dùng để quảng cáo cho gói liệu mà node muốn phát Node có liệu phát gói ADV chứa mơ tả liệu thực đến node xung quanh Dạng thứ gói REQ, dùng để yêu cầu node nguồn phát gói liệu quảng bá trước Một node mạng nhận gói ADV thể mong muốn nhận gói liệu thực cách phát thông điệp REQ Dạng thứ DATA, chứa liệu thực Gói DATA thường lớn gói ADV REQ Việc hạn chế gói dư thừa làm giảm đáng kể lượng tiêu thụ node 63 Hình 3.5 Hoạt động giao thức SPIN [3] Hoạt động giao thức SPIN minh họa hình 3.5 Node nguồn A phát gói ADV quảng cáo gói liệu mà muốn phát Node B nhận gói ADV thể mong muốn nhận gói liệu quảng cáo theo mơ tả gói ADV Vì B gởi gói REQ cho A Sau A gởi gói liệu thực cho B Node B sau nhận liệu lại phát gói ADV cho node C, D, E, F, G Chỉ có node C, E, G quan tâm đến gói Các node phát thơng điệp REQ cho node B Ngay sau B gởi liệu cho C,E,G Q trình diễn gói liệu đến đích mong muốn ADV A REQ B DATA Hình 3.6 Thủ tục bắt tay giao thức SPIN-PP Dạng đơn giản họ giao thức SPIN SPIN-PP, thiết kế cho mạng liên lạc điểm - điểm (Point-to-Point) Thủ tục bắt tay ba bước hình 3.6 - Bước 1: node A phát gói ADV quảng cáo cho gói liệu thực - Bước : node B quan tâm đến gói liệu nên gởi gói REQ yêu cầu liệu 64 - Bước 3: node A đáp ứng yêu cầu gởi gói liệu thực cho B Giao thức thỏa thuận node để tránh nguy bị bùng nổ gói vấn đề chồng lấn giao thức Flooding Gossiping Theo mơ giao thức SPIN hiệu gấp 3,5 lần so với Flooding đạt tốc độ liệu cao gần tối ưu so với lý thuyết Một loại khác SPIN-EC, kết hợp kỹ thuật quan sát nguồn lượng dựa mức ngưỡng Một node tham gia vào hoạt động giao thức node hồn thành tất hoạt động mà không làm giảm lượng mức cho phép Khi node nhận gói quảng cáo, khơng gởi thơng điệp REQ xác định nguồn lượng khơng đủ để gởi gói REQ nhận gói DATA Kết mô cho thấy giao thức SPIN-EC tăng 60% liệu đơn vị lượng so với flooding Cả SPIN-PP SPIN-EC thiết kế cho liên lạc điểm-điểm Một loại giao thức Spin khác SPIN-BC, thiết kế cho mạng quảng bá Trong loại mạng này, tất node dùng chung kênh truyền Khi node gởi gói liệu qua kênh quảng bá, gói nhận tất node khác phạm vi node Giao thức SPIN-BC không yêu cầu node sau nhận thông điệp ADV phải đáp lại gói REQ Thay vào node chờ khoảng thời gian, giám sát kênh truyền Nếu node nghe thấy thông điệp REQ phát từ node khác, nghĩa node mong muốn nhận gói liệu từ node nguồn, node hủy gói yêu cầu nó, loại bỏ khả gói REQ dư thừa mạng Khi nhận gói REQ từ node mạng, node nguồn gởi thông điệp DATA lần, nhận nhiều gói yêu cầu giống từ node mạng Hoạt động giao thức SPIN-BC miêu tả hình 3.7 Trong mơ hình này, node có liệu node A, gởi gói ADV để giới thiệu liệu cho node lân cận Tất node nghe thấy thông điệp này, node C phát trước gói REQ để yêu cầu gói liệu từ node A Vì gói phát quảng bá nên node B D nghe gói ngưng việc phát gói REQ Node 65 E F khơng quan tâm bỏ qua gói Khi nghe gói REQ từ node C, node A phát gói liệu cho C Tất node nhận gói Trong mơi trường quảng bá, SPIN-BC giúp tiết kiệm lượng cách hạn chế gói dư thừa mạng Hình 3.7 Giao thức SPIN-BC [3] Giao thức cuối thuộc họ SPIN giao thức SPIN-RL, phát triển từ SPIN-BC Để tăng độ tin cậy cải thiện lỗi thông điệp suy hao kênh truyền gói ADV REQ phát quảng bá lặp lại theo chu kỳ Nếu node gởi yêu cầu nhận gói liệu sau khoảng thời gian định trước chưa nhận node yêu cầu lại lần Hơn nữa, độ tin cậy cải thiện việc phát lại gói mơ tả liệu metadata theo chu kỳ Các node SPIN-RL hạn chế số lần phát lại thông điệp DATA Sau gởi thông điệp DATA, node chờ hết khoảng thời gian trước đáp ứng cho yêu cầu khác cho liệu tương tự Họ giao thức SPIN giải nhược điểm Flooding Gossiping Giao thức SPIN có khả tiết kiệm lượng cao tốc độ phân phát liệu lớn so với Flooding Gossiping Tuy nhiên, thỏa thuận cục khơng đủ để bao bọc hết tồn mạng để tất node có nhu cầu nhận gói quảng bá sau gói liệu mong muốn Trường hợp xảy node trung gian không quan tâm đến gói liệu bỏ qua thơng điệp ADV tương ứng sau nhận gói Điều hạn chế việc sử dụng SPIN ứng dụng đặc biệt giám sát phát xâm nhập bảo vệ cơng trình trọng yếu [3] 66 KẾT LUẬN Trong mạng cảm biến không dây node cảm biến thường chạy pin nên tuổi thọ mạng ngắn Các nghiên cứu thu phát vơ tuyến ngun nhân gây lãng phí lượng tắt thu phát vơ tuyến không dùng đến cách nhanh để tiết kiệm lượng Trong việc tắt, bật thu phát vô tuyến điều khiển giao thức MAC mà tiết kiệm lượng trở thành mục tiêu thiết kế giao thức MAC Trong số giao thức MAC S-MAC T-MAC hai giao thức trội với khả tiết kiệm lượng cao Để tiết kiệm lượng S-MAC sử dụng ba kỹ thuật chính: thực chu kỳ thức/ngủ, tránh xung đột nghe thừa cuối xử lý thông điệp Tuy nhiên S-MAC nhiều nhược điểm khả tiết kiệm lượng hạn chế, gấp 2-6 lần so với giao thức thông thường IEEE 802.11 Giao thức T-MAC phát triển dựa SMAC có nhiều cải tiến quan trọng, đặc biệt kỹ thuật truyền gói tin cụm có độ dài khác ngủ khoảng thời gian cụm Các thử nghiệm cho thấy T-MAC tiết kiệm lượng tới 96% mà linh động trường hợp lưu lượng mạng khác Bên cạnh giao thức truy nhập giao thức định tuyến quan trọng mạng cảm biến không dây Với kiểu mạng truyền đa chặng mạng cảm biến khơng dây định tuyến giúp truyền gói tin theo đường ngắn nhất, truyền tin nhanh hơn, xung đột hơn, từ giúp tiết kiệm lượng Đây lĩnh vực mới, kết nghiên cứu chưa nhiều quan tâm phát triển Mặc dù giao thức Flooding Spin giới thiệu đồ án có khả tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến không dây chúng chưa thật tối ưu Chính mà cần có giao thức định tuyến tối ưu phù hợp cho mạng cảm biến không dây 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wei Ye, John Heidemann, Deborah Estrin, “An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks” [2] J.M Van Dam, “An Adaptive Energy-Efcient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”, tháng 6/2003 [3] Đỗ Duy Tân, “Wireless Sensor Networks, kỹ thuật, giao thức ứng dụng ”, tháng 8/2009 [4] Nguyễn Duy Thanh, “Định tuyến mạng cảm biến không dây”, tháng 4/2009 [5] http://svptit.org, “Wireless Sensor Network Evolution”, Truy cập lần cuối ngày 25/05/2011 [6] http://vbeg.org/forum, “Cấu trúc mạng cảm biến không dây” Truy cập lần cuối ngày 25/05/2011 [7] http://icttn.com/4r, “Tổng quan mạng cảm biến không dây” Truy cập lần cuối ngày 25/05/2011 [8] Phạm Bảo Sơn, “Mạng cảm biến vô tuyến đánh giả tiêu giao thức chọn đường LEACH”, http:// tapchibcvt.gov.vn.htm 68 DANH MỤC ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT Backoff Delay Trễ lùi Carrier Sense Delay Trễ cảm biến sóng mang Control Packet Overhead Gói tin điều khiển Clustering Phân cụm Clustering Node Node trung tâm Data Negotiation Thỏa thuận liệu Duration Field Trường độ dài phát Early Sleeping Hiện tượng ngủ sớm Future Request To Send Gửi sớm RTS Final Processsing Node Node xử lý Fixed Contention Interval Khoảng tranh chấp cố định Follower Node đồng thu Hop count Trường đếm chặng Idle Listening Nghe rỗi Meta Data Descriptors Khóa mơ tả liệu Message Passing Xử lý thông điệp Propagation Delay Trễ truyền lan Processsing Delay Trễ xử lý Queuing Delay Trễ hàng đợi Overhearing Nghe thừa Overlap Chồng lấn Time to live Thời gian sống Tranmisstion Delay Trễ truyền dẫn Sensor node Node cảm biến Schedule Table Lịch biểu Sleeping Delay Trễ ngủ Synchronizer Node đồng Virtual Clustering Cụm ảo 69 ... hết thời gian Các giải pháp chia thành loại: giải pháp dựa TDMA, giải pháp sử dụng phần cứng đặc biệt giải pháp dựa chu kỳ thức/ngủ giao thức dựa tranh chấp  Giải pháp tiết kiệm lượng dựa TDMA... không dây đã, nghiên cứu, phát triển ứng dụng rộng rãi đời sống Đồ án ? ?Các giải pháp nâng cao hiệu sử dụng lượng WSNs? ?? giới thiệu tổng quan cấu trúc ứng dụng mạng cảm biến khơng dây, với thiết... hỏi phần cứng phức tạp, giá thành cao không phù hợp phần cứng rẻ  Sử dụng phần cứng đặc biệt Một giải pháp tiết kiệm lượng đầy hứa hẹn sử dụng phần cứng báo hiệu đặc biệt để thông báo kết nối