Đánh giá năng lượng trong mạng không dây cảm biến bằng mô phỏng

Mô tả hệ thống

Hệ thống WISENET a) Giới thiệu hệ thống WISENET

Một hệ điều hành thời gian thực đợc gọi là TinyOS (Tiny Operation System) đợc sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà vẫn cung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạt động tập trung đồng thêi. b) Sơ đồ hệ thống WISENET. Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data Analysis Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần chính là trạm chủ (Server), trạm ngời dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor mote network).

Đặc điểm của mạng Wireless Sensor

Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng Sensor, việc tối thiểu hoá năng lợng đợc coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đờng. Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (Impulse Radio-IR) từng đợc sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đo khoảng cách, gần đây đợc chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạng không dây trong nhà.

Năng lợng trong mạng Wireless Sensor 2.1. Tính đặc thù của mạng

Các giải pháp tiết kiệm năng lợng 1. Giải pháp định tuyến

Với PA là mức năng lợng hiện tại của nguồn nuôi tại nút (Available Power) và αi là năng lợng cần thiết để truyền một gói số liệu qua kết nối liên quan. Theo các tiêu chí khác nhau, có bốn phơng pháp chọn đờng có hiệu quả cao nhất về năng lợng. 1) Đờng tổng mức năng lợng nguồn nuôi hiện tại (PA:power available) cực đại: là đ- ờng có tổng các mức năng lợng nguồn nuôi hiện tại của các nút liên quan lớn nhất. PA tổng đợc tính bằng tổng các PA của mỗi nút dọc theo đờng. Theo phơng pháp này, đ- ờng 2 đợc lựa chọn. Tuy nhiên, đờng 2 lại bao gồm những nút trong đờng 1 và một nút mở rộng. Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nhng nó không phải là đờng có hiệu suất năng lợng cao nhất. Nh vậy, những đờng nhận đợc từ việc mở rộng các đờng có thể kết nối. Sensor tới Sink sẽ không đợc tính. Loại trừ đờng 2, đờng 4 là đờng có hiệu suất năng l- ợng cao nhất khi sử dụng phơng pháp PA tối đa. 2) Đờng năng lợng cực tiểu (ME: minimum energy): đờng mà năng lợng tiêu thụ cực tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút Sensor đợc gọi là đờng ME. đờng ME là đờng có tổng các α nhỏ nhất. Trong ví dụ này, đờng 1 là đờng ME. 3) Đờng có số bớc nhảy cực tiểu (MH: minimum hop): là đờng có số liên kết từ nút Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất. Đờng 3 trong ví dụ này là đờng có hiệu suất cao nhất theo tiêu chí này. Lu ý rằng phơng pháp ME sẽ chọn ra đờng tơng tự nh phơng pháp MH khi năng lợng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các liên kết đều nh nhau, tức là tất cả α ở mọi liên kết đều bằng nhau. Vì thế, khi các nút phát quảng bá. với cùng mức năng lợng mà không có bất kì sự điều khiển năng lợng nào, MH là tơng. đơng với ME. 4) Đờng có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đờng mà dọc theo nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đờng khác. Mặc dù phơng pháp này tránh đợc vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tại một nút bất kỳ, nhng nó phải mất một thời gian khá dài để truyền bản tin tới tất cả các nút Sensor. d) Các giao thức thông tin Sensor thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols for Information via Negotiation-SPIN): một họ các giao thức có khả năng thích ứng đợc gọi là SPIN đợc thiết kế để khắc phục nhợc điểm của giao thức tràn (Flooding) cổ điển bằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên. Họ giao thức SPIN đợc thiết kế dựa trên hai ý tởng cơ bản: 1) Các nút Sensor hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồn năng lợng bằng cách chỉ gửi các số liệu mô tả về số liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ số liệu; 2) Các nút Sensor phải giám sát sự thay đổi trong tài nguyên năng lợng của chóng. Tr- ớc khi gửi bản tin DATA, Sensor phát quảng bá một bản tin ADV gồm một bản mô tả. Nếu một nút Sensor lân cận quan tâm đến số liệu này, nó sẽ gửi một bản tin REQ về số liệu và bản tin DATA sẽ đ- ợc gửi tới nút Sensor này nh các bớc 2 và 3 trên hình 2.3. Kết quả là tất cả các nút Sensor trong toàn mạng Sensor có nhu cầu về số liệu này sẽ nhận đợc bản sao của số liệu. Lu ý rằng SPIN dựa trên định tuyến số liệu tập trung trong đó các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo đối với số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cÇu. e) Định tuyến chỉ định liên tục (Sequential Assignment Routing-SAR): một tập hợp các các thuật toán thực hiện các hoạt động tổ chức, quản trị và quản lý di động trong mạng Sensor đợc đề xuất.

Mô hình nguồn năng lợng

Kết quả mô phỏng có thể quan sát bằng hình ảnh mô tả trực quan với ứng dụng Nam ( the Network Animator ), bằng đồ thị (sử dụng Xgraph) hoặc có thể đợc xử lý bằng các tập lệnh tuỳ chọn. Với cấu trúc này, việc sử dụng NS-2 trở lên đơn giản hơn nhiều so với sử dụng trực tiếp C++ nhng vẫn có đợc những tính năng của C++. Với những đặc điểm trên, NS-2 thực sự là một công cụ phần mềm hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu mạng thông tin, giúp cho việc thực hành mạng trở lên hiệu quả. b) Cơ chế hoạt động của phần mềm NS-2. Ví dụ, Sensor có thể định kỳ gửi thông báo đến một số điểm thu thập số liệu nếu nó còn tiếp tục phát hiện thấy hiện tợng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn nh công tác với các Sensor lân cận để có đợc thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tợng trớc khi cảnh báo ngời giám sát về một hiện tợng giả định.

Mô phỏng mạng Wireless Sensor

• Thực hiện mô phỏng 1. Mã chơng trình

Trong chơng trình chính đã định nghĩa tên File số liệu đầu ra (Trace, NAM) và thiết lập kiểu kênh, giao thức, nút. Thiết lập toạ độ cho các nút và khai báo các sự kiện xảy ra trong thời gian mô phỏng. Sau khi đã có mã đầu vào đợc lu trong file phenom.tcl ta bắt đầu chạy mô phỏng bằng lệnh: nam phenom trong cửa sổ X. Sau khi chạy xong ta có thể quan sát hình ảnh bằng ứng dụng NAM trong ns-2. Phân tích kết quả. Việc tính toán kết quả dựa trên việc phân tích file Trace. File Trace đợc định dạng gồm các trờng cơ bản:. Với yêu cầu tính toán trong trờng hợp này, ta chỉ cần quan tâm tới 4 trờng đầu tiên và trờng năng lợng. Dựa vào file Trace này chúng ta có thể thấy rõ năng lợng của node mạng sẽ giảm theo thời gian mỗi khi node mạng nhận, gửi dữ liệu hoặc cảm biến hiện tợng. Việc phân tích file trace đuợc thực hiện qua hai bớc:. - Tách file trace: Ta sẽ tách ra các trờng cần thiết cho việc tính toán kết quả. - Tính kết quả: Dựa vào các trờng đã tách ở trên, ta sử dụng các trờng này để tính ra kết quả cần thiết. Sau đây là các bớc tiến hành cụ thể:. 1) Tính sự tiêu hao năng lợng của các node mạng. Các mạng Sensor với giá thành thấp, có khả năng triển khai trong nhiều điều kiện địa lý khí hậu phức tạp, đặc biệt là các khả năng xử lý cộng tác và chịu đợc các h hỏng sự cố đã đem lại một cuộc cách mạng trong lĩnh vực cảm biến và thu thập thông tin.