Nghiên cứu và mô phỏng giao thức tìm đường trong mạng cảm biến không dây ứng dụng quân sự

ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống C4ISRT (military command, control, communications, computing, intelligence, servaillence, reconnaissance and targeting systems ) vì nó có các đặc tính triển khai nhanh, tự cấu hình, và chịu lỗi.Các ứng dụng của mạng cảm biến trong quân sự như là giám sát quân đội, giám sát trang thiết bị,vũ khí, khảo sát chiến trường,quân địch, dò tấn công bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch. Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc được gắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau và với đường và các biển báo giúp các phương tiện đi an toàn, tránh tai nạn giao thông, điều khiển luồng tốt hơn.

GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH): Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp : Mục đích của giao thức này là chọn ngẫu nhiên 1 node làm node chủ, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với node gốc được trải đều lên tất cả các node trên mạng. Giao thức đa truy nhập với báo hiệu (PAMAS), dùng kênh báo hiệu riêng biệt để tránh đụng độ, kết hợp âm báo bận (busy tone) với các gói RTS và CTS cho phép các node không hoạt động tắt các bộ thu phát. Để các node cùng lắng nghe và cùng ngủ tại 1 thời điểm, các node lân cận phải phối hợp lịch trình bằng cách lựa chọn thời gian biểu của nó và các node xung quanh mà nó biết, thông qua việc xây dựng 1 bảng thời gian làm việc.

Một node đang trong trạng thái lắng nghe, giả sử node này là node kế tiếp trên con đường định tuyến của gói RTS/CTS (node này có thế được chọn), node sẽ kéo dài thời gian lắng nghe để tránh nguy cơ gây ra trễ gói dữ liệu nếu nó được chọn. Ngay khi nhận được dữ liệu, node phát ra gói RTS để bắt đầu thủ tục bắt tay RTS/CTS với node lắng nghe, nếu node lắng nghe không nhận được gói RTS trong quá trình lắng nghe thích ứng, node trở lại trạng thái ngủ. Để điều tiết truy cập kênh truyền cho nhiều node cảm biến cùng tranh chấp, S- MAC dùng thủ tục dựa trên CSMA/CA, gồm cảm biến sóng mang vật lý và cảm biến sóng mang ảo, dùng hình thức bắt tay RTS/CTS để giảm vấn đề node ẩn, node hiện.

Các lớp tạo nên đặc điểm nổi bật của ZigBee là giá thành thấp, tiêu thụ công suất thấp, tin cậy trong truyền tải dữ liệu và dễ dàng lắp đặt.Dùng các thông số của IEEE 802.15.4, ZigBee tập trung vào lớp mạng, bảo mật và lớp ứng dụng, cung cấp các thông số cơ bản cho khả năng tương thích. Thiết kế lớp giao thức MAC rất quan trọng trong mạng WSNs, nó đảm bảo hiệu quả sử dụng năng lượng để kéo dài thời gian sống của mạng, tạo nên khả năng mở rộng phù hơp kích thước mạng, mật độ node và cấu hình mạng.

GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Khi một node phát đi một gói dữ liệu đến các node khác thì các node này sẽ gửi lại cho node đó một thông tin trả lời là đã nhận được và gói tin này được truyền qua nhiều chặng thông qua các node trung gian để đến trạm trung tâm. Cùng với những đặc tình của WSNs như tiết kiệm năng lượng và băng thông hạn chế cùng với những vấn đề như thỏa mãn yêu cầu lưu lượng và kéo dài thời gian sống của mạng thì thuật toán định tuyến càng trở lên cần thiết hơn. Một khi các giao thức và thuật toán định tuyến được chạy thì mỗi node trong mạng đều phải có một bảng định tuyến, cho biết node nào là node hàng xóm hợp lý nhất đề chuyển tiếp gói tin đến được đích bằng.

Giá trị ngưỡng tính toán dựa trên một biểu thức toán học có sự kết hợp phần trăm mong muốn hay xác suất trở thành node chính P ở vòng lặp hiện tại r, và tập hợp các node chưa được chọn làm node chính ở 1/P vòng trước đó – tập G. Nếu như thời gian ổn định trạng thái ngắn có thể làm tăng overhead (chi phí cho điều khiển giao thức), còn nếu thời gian ổn định trạng thái kéo dài thì lại làm năng lượng của các node bị sụt giảm nhanh chóng. Mục tiêu của giao thức định tuyến này là giảm năng lượng tiêu thụ và truyền dữ liệu thu thập được từ các node đến trạm gốc với độ trễ truyền dẫn nhỏ nhất trong khi vẫn cân bằng sự tiêu thụ công suất giữa các node trong mạng.

Sau khi nhận được dữ liệu từ bên phải của chuỗi, các node chính lại tiếp tục gửi một thẻ bài đến node cuối cùng bên trái của chuỗi, và quá trình tập hợp dữ liệu lại được thực hiện cho đến khi đến được node chính. Mục tiêu chính của giao thức này là tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng bằng cách tạo ra sự tương tác giữa các node cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân cận mạng.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH DÙNG OMNeT++

Mục đích chính của ứng dụng là mô phỏng hoạt động của mạng thông tin, tuy nhiên do tính phổ cập và linh hoạt của nó, OMNeT++ còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như mô phỏng các hệ thống thông tin phức tạp, các mạng kiểu hàng đợi (queing networks) hay các hệ thống đa xử lý và các hệ thống phần cứng phân tán khác(multiprocessors and other distributed hardware systems),hoặc đánh giá kiến truc của phần cứng(validating or hardware architectures). Mỗi kết nối (connection) hay còn gọi là liên kết (link) được tạo bên trong một mức đơn trong cấu trúc phân cấp của các module: bên trong một module kết hợp, một kết nối có thể được tạo ra giữa các cổng tương ứng của hai module con, hoặc giữa cổng của module con với cổng của module kết hợp. ● Ngôn ngữ mô tả topology – NED (file có phần mở rộng .ned): mô tả cấu trúc của module với các tham số, các cổng… Các file.ned có thể được viết bằng bất kỳ bộ soạn thảo hoặc bất kỳ bộ soạn thảo hoặc sử dụng chương trình GNED có trong OMNeT++.

Mục đích chính của giao diện người sử dụng là che những phần phức tạp bên trong cấu trúc của các mô hình đối với người sử dụng, dễ dàng điều khiển quá trình mô phỏng, và cho phép người sử dụng có khả năng thay đổi các biến hay các đối tượng bên trong của mô hình. Cỏc file xử lý của cỏc simple moduls là phần cốt lừi khi viết chương trỡnh mụ phỏng và được viết bằng ngôn ngữ C++ bằng cách kế thừa các lớp có sẵn của OmNet++, người viết triển khai các hoạt động của mạng như định tuyến, xử lí gói tin đến và đi, xác định hành vi của các simple modul được mô tả trong *.ned khi có sự kiện xảy ra với nó…. File *.sca (scalar file) lưu các giá trị thống kê có được sau khi kết thúc mô phỏng, ví dụ như số cuộc gọi đã thực hiện số cuộc gọi bị từ chối… Để xử lí kết quả thống kê đạt được, ta có thể viết một chương trình nhỏ hoặc sử dụng các công cụ có sẵn.

Vì vậy, các hành vi cảm biến được mô phỏng bằng cách tạo ra các kết nối giữa các đối tượng và các nút cảm biến trong chế độ ACTIVE mà vùng cảm nhận của chúng bao gồm các đối tượng, sau đó, đối tượng gửi một tin nhắn SENSOR_INFO cho tất cả các nút kết nối ở mỗi thời gian định sẵn. Để mô phỏng như một mạng lưới cảm biến trong môi trường mô phỏng, chúng ta cần một module manager để giúp mô phỏng các công việc như làm cho các kết nối giữa các nút, làm cho các kết nối giữa các nút và các đối tượng,và các kết quả mô phỏng. Nhìn chung, có bốn loại số liệu được xem xét khi so sánh hiệu suất trong ba phương pháp được lựa chọn: tổng năng lượng tiêu thụ , độ chính xác, chi phí cho mỗi điểm phát hiện, và thời gian trước khi các nút chết đầu tiên.

Trong phạm vi đồ án này, em đã nghiên cứu được những nét khái quát nhất về mạng cảm biến, những giao thức định tuyến hay được dùng trong mạng và mô phỏng, đánh giá được LEACH là một giao thức định tuyến phân cấp mà giúp tiết kiệm được năng lượng cho các nút hơn so với giao một giao thức định tuyến khác, qua đó kéo dài được thời gian sống cho mạng.