Đánh giá vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor bằng mô phỏng
MỤC LỤC
Mô tả hệ thống
Số liệu đ−ợc định tuyến về phía bộ thu nhận (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển, nh− trong hình 1.1. 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 ng−ời dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor mote network).
Đặc điểm của mạng Wireless Sensor
Thông th−ờng, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với dn , trong đó 2 ≤ n < 4.Số mũ n gần 4 với antent tầm thầp và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng Sensor. Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (Impulse Radio-IR) từng đ−ợc sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đo khoảng cách, gần đây đ−ợc chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạng không dây trong nhà.
Sự tiêu thụ năng l−ợng
Có hai phương pháp truyền thông tin: thứ nhất là truyền thông thụ động sử dụng một máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật (Corner-cube-retroreflector (CCR)); thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các g−ơng chuyển. Trong đó, PT/R là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu; Pout là công suất đầu ra của bộ phát; T/Ron là khoảng thời gian phát/thu trạng thái ON; T/Rst là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu; NT/R là số lần mạch phát/thu chuyển mạch sang ON trong một.
Các giải pháp tiết kiệm năng l−ợng 1. Giải pháp định tuyến
Với PA là mức năng l−ợng hiện tại của nguồn nuôi tại nút (Available Power) và αi là năng l−ợng cần thiết để truyền một gói số liệu qua kết nối liên quan. Theo các tiêu chí khác nhau, có bốn ph−ơng pháp chọn đ−ờng có hiệu quả cao nhất về năng l−ợng. 1) Đường tổng mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại (PA:power available) cực đại: là. đ−ờng có tổng các mức năng l−ợng nguồn nuôi hiện tại của các nút liên quan lớn nhất. PA tổng đ−ợc tính bằng tổng các PA của mỗi nút dọc theo đ−ờng. Tuy nhiên, đ−ờng 2 lại bao gồm những nút trong đ−ờng 1 và một nút mở rộng. Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nh−ng nó không phải là đ−ờng có. hiệu suất năng l−ợng cao nhất. Nh− vậy, những đ−ờng nhận đ−ợc từ việc mở rộng các. đ−ờng có thể kết nối Sensor tới Sink sẽ không đ−ợc tính. đ−ờng có hiệu suất năng l−ợng cao nhất khi sử dụng ph−ơng pháp PA tối đa. 2) Đ−ờng năng l−ợng cực tiểu (ME: minimum energy): đ−ờng mà năng l−ợng tiêu thụ cực tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút Sensor đ−ợc gọi là đ−ờng ME. Nh− vậy đ−ờng ME là đ−ờng có tổng các α nhỏ nhất. 3) Đ−ờng có số b−ớc nhảy cực tiểu (MH: minimum hop): là đ−ờng có số liên kết từ nút Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất. Đ−ờng 3 trong ví dụ này là đ−ờng có hiệu suất cao nhất theo tiêu chí này. Lưu ý rằng phương pháp ME sẽ chọn ra đường tương tự nh− ph−ơng pháp MH khi năng l−ợng 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 l−ợng mà không có bất kì sự điều khiển năng l−ợng nào, MH là t−ơng đ−ơng với ME. 4) Đ−ờng có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đ−ờng mà dọc theo nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đ−ờng khác. Một kết nối truyền thông bao gồm một cặp khe thời gian hoạt động tại một tần số cố định đ−ợc chọn ngẫu nhiên (hoặc chuỗi nhảy tần). Đây là một sự lựa chọn có thể thực hiện trong mạng Sensor vì. băng thông đ−ợc phép sử dụng lớn hơn nhiều tốc độ truyền số liệu tối đa cho các nút Sensor. Phương pháp này tránh được sự bắt buộc phải đồng bộ trên diện rộng mặc dù việc truyền thông giữa các nút lân cận trong mạng con vẫn phải đ−ợc đồng bộ thời gian. Việc bảo tồn nguồn năng l−ợng là nhờ sử dụng tiến trình báo thức ngẫu nhiên trong giai đoạn kết nối và nhờ tắt thiết bị vô tuyến trong các khe thời gian rỗi. Giao thức EAR đảm bảo cung cấp dịch vụ thường trực cho các nút di động trong cả. hai điều kiện di động và cố định. ở đây, các nút di động đảm nhận toàn bộ việc điều khiển một quá trình kết nối và cũng nh− quyết định khi nào bỏ kết nối, do đó tối thiểu hóa phần phụ tải của bản tin. EAR là trong suốt đối với SMACS để SMACS hoạt động. cho đến khi đ−a đ−ợc các nút di động vào trong mạng. Trong mô hình này, mỗi nút di. động bất kỳ đều có một số các nút tĩnh trong vùng lân cận của nó. Một hạn chế của phương pháp chỉ định khe thời gian này là khả năng các thành viên thuộc về các mạng con khác nhau có thể không bao giờ đ−ợc kết nối. b) Truy nhập môi tr−ờng dựa trên CSMA: Các ph−ơng pháp dựa trên CSMA (đa truy nhập theo cảm biến lưu lượng) truyền thống là không thích hợp vì chúng đều hoạt động chủ yếu với lưu lượng phân bố ngẫu nhiên và có xu hướng hỗ trợ các dòng điểm - điểm.
Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor
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 đ−ợc 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++ nh−ng vẫn có đ−ợc 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 t−ợng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn nh− công tác với các Sensor lân cận để có đ−ợc thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tượng trước khi cảnh báo người giám sát về một hiện tượng giả định.
Thiết lập mã lập trình mô phỏng
- MESG_SIZE 256: là kích cỡ (byte) của bản trên chuyển tới Gateway hay điểm thu thập dữ liệu hoặc các nút thu dữ liệu khác đ−ợc liên lạc với nút Sensor (qua UDP, TCP. - TRANSMIT_FREQ là tần số mà một nút Sensor đ−ợc kích hoạt bởi các gói Phenom) sẽ chuyển một bản tin đến nút thu số liệu. Các nút không phải Sensor hay Phenomenon nút không đ−ợc định hình với một kênh Phenom Channel vì chúng chỉ có giao diện duy nhất đến mạng MANET (Mobile Ad- hoc Network - mạng di động sử dụng giao thức định tuyến Ad hoc) đ−ợc thực hiện với thuéc tÝnh - Phenom Channel "off".
Thực hiện mô phỏng 1. Mã ch−ơng trình
Trong chương 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 được lưu 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 đ−ợc định dạng gồm các tr−ờng cơ bản:. Với yêu cầu tính toán trong tr−ờng hợp này, ta chỉ cần quan tâm tới 4 tr−ờng đầu tiên và tr−ờng năng l−ợng. Dựa vào file Trace này chúng ta có thể thấy rõ năng l−ợng của node mạng sẽ giảm theo thời gian mỗi khi node mạng nhận, gửi dữ liệu hoặc cảm biến hiện t−ợng. Việc phân tích file trace đuợc thực hiện qua hai b−ớc:. - Tách file trace: Ta sẽ tách ra các tr−ờng cần thiết cho việc tính toán kết quả. - Tính kết quả: Dựa vào các trường đã tách ở trên, ta sử dụng các trường này để tính ra kết quả cần thiết. Sau đây là các b−ớc tiến hành cụ thể:. 1) Tính sự tiêu hao năng l−ợng của các node mạng. - Dùng lệnh sau trong của sổ cygwinX để tách lấy các sự kiện tại một node(trong tr−ờng hợp này la node1) nh− nhận, gửi gói, tr−ờng thời gian và mức năng l−ợng t−ơng ứng tại thời điểm đó. Sau lệnh này ta sẽ tách ra đ−ợc số liệu nằm ở file energy_node1.txt gồm 6 tr−ờng. D−ới đây là một đoạn file energy_node1.txt:. -Sau khi có đ−ợc file energy_node1.txt ta sử dụng lệnh sau để tính năng l−ợng cần mỗi khi node gửi hoặc nhận một gói dữ liệu:. Sau lệnh này ta sẽ tính đ−ợc số năng l−ợng cụ thể mỗi khi node1 nhận hoặc gửi dữ. Các số liệu này đ−ợc ghi vào file nlgiam_node1.txt Một đoạn trong file energy_node1_down.txt. T−ơng tự ta làm nh− vậy với các node khác ví dụ với node 2 ta dùng lệnh. 2)Tính tốc độ giảm năng l−ợng.
