Đánh giá hiệu suất năng lượng của mạng cảm biến không dây bằng mô phỏng
MỤC LỤC
Mô tả hệ thống
Mô tả hệ thống tổng quát
Mỗi nút Sensor đợc phát tán có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới ngời dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor. Số liệu đợc 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 a) Giới thiệu hệ thống WISENET
- Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu môi tr- ờng và lu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý. Khi nhận đợc một yêu cầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web này nhận số liệu từ cơ sở dữ liệu (SQL Database), phân tích và đa lại trang theo yêu cầu đến máy tính ngời dùng.
Đặc điểm của mạng Wireless Sensor
Trong khi một phơng pháp điều chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô tuyến. Ngợc lại, các hệ thống thông thờng, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển đợc liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp.
Năng lợng trong mạng Wireless Sensor 2.1. Tính đặc thù của mạng
Hạn chế phần cứng
Bộ xử lý của một nút Sensor nguyên bản khác, gọi là àAMPS (à-Adaptive Multi-domain Power aware Sensors-Vi cảm biến nhận biết năng lợng đa miền thích ứng), có một vi xử lý 59 – 206 MHz SA – 1110 sử dụng hệ điều hành đa nhiệm à-OS. Vì các nút Sensor thờng đợc triển khai ngẫu nhiên và hoạt động tự động, nên chúng cần phải có một hệ thống tìm đờng.
Môi trờng hoạt động
Thông thờng, các nút Sensor còn đợc trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS có độ chính xác nhỏ hơn 5m. Nhờ vậy, chúng có thể tự động tìm vị trí thích hợp và có khả năng định vị chính xác các hiện tợng đích.
Môi trờng truyền dẫn
Do các hạn chế về phần cứng và sự cân bằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mang thuộc dải tần rất cao (UHF). Một hớng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi trờng truyền dẫn quang học.
Sự tiêu thụ năng lợng
Trong mạch thu phát, các bộ trộn, các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khoá pha (PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể. 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 đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phơng thức điều khiển truy nhập môi trờng.
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 đờng 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, đờng 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. đờng 2, đờng 4 là đờng có hiệu suất năng lợng 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. Nh vậy 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. Bộ thu nhận (Sink) yêu cầu các nút Sensor báo cáo về trạng thái xung quanh hiện tợng. Số liệu từ nhiều nút Sensor đợc tập hợp lại khi chúng tới cùng một nút trên đờng đến nút Sink nếu chúng cùng chỉ về một thuộc tính của hiện tợng. Trong ví dụ trên, nút Sensor E tập hợp số liệu từ các nút Sensor A và B. Trong khi đó, nút Sensor F tập hợp số liệu từ các nút Sensor C và D. Việc tập hợp số liệu có thể đợc hiểu nh là một nhóm các phơng pháp tự động kết hợp số liệu tới từ nhiều nút Sensor thành một tập thông tin có nghĩa. Về mặt này, việc tập hợp số liệu đợc xem nh là hợp nhất số liệu. Ngoài ra, sự cẩn trọng là rất cần thiết khi tập hợp số liệu bởi các đặc trng của số liệu, nh vị trí của những nút Sensor báo cáo, không cho phép. đợc bỏ sót. Những đặc trng nh vậy có thể rất cần thiết cho một ứng dụng nào đó. Các giao thức lớp mạng khác đợc đề xuất cho mạng Sensor. a) Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu loại nhỏ ( SMECN : Small Minimum Energy Communication Network ): giao thức MECN đợc phát triển để tính toán một mạng con có hiệu suất năng lợng cao trong một mạng truyền thông nhất định.
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 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 hơn. 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.
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 đợc liên lạc với nút Sensor (qua UDP, TCP …). - TRANSMIT_FREQ là tần số mà một nút Sensor đợc 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 đợc 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) đợc thực hiện với thuộc tính - Phenom Channel "off".
Mô phỏng mạng Wireless Sensor
- Thực hiện mô phỏng 1. Mã chơng trình
- Kết quả
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 dông 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:. [địa chỉ Mac][năng lợng còn lại] [kiểu hiện tợng]. 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. Qua kết quả mô phỏng ở trên, ta thấy với một mạng cố định năng lợng cho việc nhận dữ liệu chiếm tỉ lệ lớn nhất, tiếp đến là năng lợng cho việc cảm biến dữ liệu và năng lợng cho việc gửi dữ liệu chiếm tỉ lệ thấp nhất.
