Mô hình được xây dựng bởi nhóm nghiên cứu Sung Park, Andreas Savvides, Mani B.Srivastava thuộc phòng thí nghiệm “Networked Emebedded Systems”, khoa Điện tử trường Đại học Los Angeles California. Mô hình này được tham khảo để phát triển phần mềm mô phỏng sử dụng trong đồ án này.
MÔ HÌNH CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC LOS ANGELES CALIFORNIA
a/ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG
Trong kịch bản mô phỏng, một tập các node mạng không dây trang bị các kiểu cảm biến khác nhau được triển khai trong một vùng xác định (trường cảm biến) để thực hiện các nhiệm vụ cảm biến môi trường. Các kết quả cảm biến được xử lý trong mạng và các báo cáo được chuyển đến các node Gateway hay điểm thu thập dữ liệu thông qua các kết nối không dây. Kết quả này có thể chuyển đến trực tiếp người sử dụng hay đưa qua mạng Internet. Kịch bản này được mô tả trên hình 3.5.
Hình 3.5: Kịch bản mạng cảm biến
Trong môi trường mô phỏng này, một kịch bản mạng cảm biến điển hình bao gồm ba kiểu node : 1) Các node cảm biến, quan sát trực tiếp môi trường; 2) Các node đích (target node) tạo ra các kích thích cảm biến tác động đến các cảm biến bằng các kênh cảm biến thông qua sự biến thiên của các đại lượng vật lý như các chấn động, âm thanh, hồng ngoại, ...Ví dụ, xe cộ đang di chuyển tạo ra các chấn động mặt kích thích các cảm biến địa chấn hay âm thanh kích thích các cảm biến thính giác; 3) Các node người sử dụng (User node) đưa ra kết quả của mạng cảm biến cho người sử dụng.
Node cảm biến Node người sử dụng Node cảm biến Đích Đích Node cảm biến Internet Node người sử dụng Node người sử dụng Gateway Gateway Node cảm biến
b/ Xây dựng
Hình 3.6 chỉ ra kiến trúc mô hình ba kiểu node được xây dựng từ các khối cơ sở của môi trường mô phỏng.
Trong mô hình này, mỗi node cảm biến được trang bị một ngăn xếp giao thức mạng không dây và một hay nhiều ngăn xếp cảm biến tương ứng với các kiểu cảm biến khác nhau của node cảm biến. Vai trò của ngăn xếp giao thức cảm biến là phát hiện và xử lý các kích thích cảm biến trên kênh cảm biến và hướng chúng tới lớp ứng dụng, nơi xử lý và cuối cùng là chuyển các kết quả tới một node người sử dụng dưới dạng báo cáo cảm biến. Mỗi ngăn xếp cảm biến làm việc với một loại đối tượng cần cảm biến. Ngăn xếp giao thức mạng không dây đảm nhận việc thông tin giữa node cảm biến với các node cảm biến khác và với các node User hay gateway. Mỗi node còn được trang bị bổ xung một mô hình nguồn tương ứng với các phần cứng sản xuất và tiêu thụ năng lượng. Mô hình này bao gồm một bộ cung cấp năng lượng (acquy), và một tập các thành phần tiêu thụ năng lượng (CPU, Bộ thu phát vô tuyến, các cảm biến) . Mỗi thành phần tiêu thụ năng lượng có thể ở một trong các trạng thái và cách thức hoạt động khác nhau tượng ứng với các kiểu tiêu thụ năng lượng khác nhau. Ví dụ, bộ thu phát vô tuyến có thể ở các trạng thái nghỉ (sleep mode), trạng thái nhận tín hiệu (receive mode) hay một trong các trạng thái phát tương ứng với các tốc độ kí hiệu, các phương thức điều chế và công suất phát khác nhau. Tương tự, CPU cũng có thể ở trong trạng thái nghỉ, một trong nhiều trạng thái tích cực tương ứng với điện áp và tần số khác nhau. Các thuật toán trong mạng và ngăn xếp cảm biến điều khiển sự thay đổi kiểu tiêu thụ năng lượng. Ví dụ, giao thức MAC có thể thay đổi kiểu thu phát vô tuyến từ nghỉ sang nhận tín hiệu. Ngược lại, hoạt động của các thuật toán này lại phụ thuộc vào các kiểu hoạt động này. Ví dụ, thời gian được tính bởi lớp vật lý trong ngăn xếp giao thức phụ thuộc vào tốc độ số liệu của phương thức thu phát vô tuyến hiện tại. Tất cả các cơ chế trên được thực hiện nhờ các thuật toán đưa ra các sự kiện thay đổi kiểu hoạt động của các thực thể tiêu thụ năng lượng và thuật toán đọc các giá trị tham số thích hợp từ các thực thể này.
Các node đích (Target node) đại diện cho các đối tượng môi trường là mục tiêu cần cảm biến, quan sát như các chất hóa học (ví dụ CO), các vi sinh vật , .v.v. Các node đích được xây dựng trên thành phần cơ bản là ngăn xếp cảm biến. Ngăn xếp cảm biến đảm nhận việc phát các tín hiệu của node đích như âm thanh, chấn động,... quảng bá trong môi trường thông qua kênh cảm biến. Vì việc phát này mô phỏng sự phát tán tự nhiên của tín hiệu từ các hiện tượng nên các giao thức phát không có cơ chế điều khiển tắc nghẽn và chống tranh chấp. Ngăn xếp cảm biến của mỗi node đích tương ứng với một ngăn xếp cảm biến của node cảm biến.
Các node User là các điểm thu thập số liệu từ mạng cảm biến để tương tác trực tiếp với người sử dụng hoặc chuyển qua mạng Internet. Các node User được xây dựng trên ngăn xếp giao thức mạng không dây. Ngăn xếp giao thức mạng không dây đảm bảo thông tin giữa node User với các node cảm biến.
Hình 3.7: Kiến trúc mô hình mạng cảm biến không dây
Hình 3.7 minh hoạ mô hình mạng cảm biến trong môi trường mô phỏng. Trong mô hình tổ chức mạng, kênh không dây (Wireless Channel) và kênh cảm biến (Sensor Channel) được xây dựng với hai cơ chế truyền thông riêng. Trong kịch bản mô phỏng điển hình, một node đích sẽ di chuyển qua một nhóm node cảm biến được triển khai trong trường cảm biến. Các node đích này phát ra các tín hiệu quảng bá trên kênh cảm biến trong một phạm vi xác định. Các node cảm biến nằm trong phạm vi này, có thể nhận được các tín hiệu cảm biến trên cơ sở hoạt động của ngăn xếp cảm biến tương ứng. Khi node cảm biến nhận thấy các tín hiệu cảm biến được là đáng chú ý, nó sẽ chuyển các gói tin về sự kiện này thông qua kênh không dây đến node User. Bằng cách phân tách kênh cảm biến và kênh không dây, mô hình mạng này giúp cho việc mô phỏng và phân tích hoạt động của mạng cảm biến trở lên dễ dàng hơn khi các sự kiện cảm biến hiện tượng mục tiêu và các sự kiện phát và nhận gói trong truyền thông không dây có thể diễn ra đồng thời. Ngoài ra, với việc cho phép một node cảm biến có thể liên
kết tới nhiều kênh cảm biến, môi trường mô phỏng có khả năng cung cấp các phân tích về hoạt động phức tạp của node cảm biến khi chúng phản ứng lại nhiều tín hiệu cảm biến nhận được đồng thời như chấn động, nhiệt độ, âm thanh,...
c/ TỔ CHỨC NODE VÀ TẠO LƯU LƯỢNG
Trong việc nghiên cứu hoạt động của một mạng cảm biến không dây, yếu tố cốt yếu là kịch bản triển khai toàn bộ bao gồm hình trạng mạng, phạm vi vô tuyến, phạm vi cảm biến, quỹ đạo của các mục tiêu cảm biến và các lưu lượng sự kiện kết quả, quỹ đạo của các node User và các lưu lượng truy vấn. Tất cả các yếu tố này góp phần tạo lên các thiết kế với sự thoả hiệp tốt nhất, từ đó có thể đánh giá hiệu quả của các thuật toán hay giao thức mới dưới các kịch bản triển khai khác nhau. Để nghiên cứu các hiệu quả này, cần phải phát triển các công cụ tạo lập và quan sát các kịch bản mô phỏng chi tiết cung cấp khả năng xây dựng hình trạng và lưu lượng mạng. Các công cụ này có thể được phát triển trên nền phần mềm mô phỏng mạng NS (Network Simulator) vì phần mềm này đã có sẵn cơ sở để mô phỏng các mạng IP nói chung (cả mạng có dây và không dây) và có tính mở rất cao.
Việc Tổ chức node cảm biến phụ thuộc vào nhiệm vụ của mạng. Ví dụ, để theo dõi các loài thú hoang dã trong một khu rừng, các cảm biến có thể được triển khai đồng đều trong khu rừng. Tuy nhiên, với mạng cảm biến được triển khai cho nhiệm vụ phòng thủ đường biên thì các cảm biến phải được triển khai theo đường được xác định rõ. Trong một số trường hợp khác, các cảm biến có thể được triển khai tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng. Trong môi trường mô phỏng, người sử dụng có thể tổ chức node theo các đồ hình khác nhau tuỳ theo yêu cầu nhiệm vụ của mạng.
Ngoài việc tổ chức node, các yêu cầu lưu lượng cũng có nhiều loại khác nhau.Lưu lượng mạng cảm biến được phân thành ba kiểu chính: 1) Lưu lượng Người sử dụng đến node cảm biến: được hình thành từ các lệnh và truy vấn từ người sử dụng đến mạng. 2) Lưu lượng node cảm biến đến người sử dụng: gồm các báo cáo từ cảm biến đến người sử dụng. 3) Lưu lượng node cảm biến đến node cảm biến: hình thành do nhu cầu cộng tác xử lý các sự kiện cảm biến trong mạng trước khi thông báo đến người sử dụng. Kiểu lưu lượng cuối cùng là phức tạp nhất và nó phụ thuộc vào phương pháp cảm biến.
d/ NGĂN XẾP CẢM BIẾN VÀ KÊNH CẢM BIẾN
Ngăn xếp cảm biến mô phỏng các hoạt động tạo, phát hiện và xử lý các tín hiệu cảm biến. Trong mô hình node cảm biến nêu trên, ngăn xếp cảm biến là một điểm thu số liệu (sink) có nhiệm vụ kích hoạt lớp ứng dụng mỗi khi phát hiện thấy một sự kiện cảm biến. Một tập các chức năng kích hoạt khác nhau từ các phương pháp cảm biến đơn giản đến các chức năng xử lý tín hiệu tinh vi đều được thực hiện bởi ngăn xếp cảm biến. Trong mô hình node đích, ngăn xếp cảm biến hoạt động như một nguồn tín hiệu. Ngăn xếp cảm biến của một node đích chứa dạng tín hiệu đặc trưng cho kiểu mục tiêu cảm biến. Tín hiệu này được phát trong các môi trường khác nhau (mặt đất, không khí, nước,.v.v.), nơi mà các mục tiêu di chuyển. Hình 3.8 chỉ ra dạng tín hiệu thực tế nhận được từ một cảm biến địa chấn và dạng tín hiệu mô phỏng của các chấn động mặt đất do sự di chuyển của xe cộ.
Hình 3.8: Ví dụ về mô phỏng dạng tín hiệu. a) Tín hiệu địa chấn thực tế, b) Tín hiệu địa chấn mô phỏng
Các môi trường cảm biến trong thực tế được mô hình hoá thành các kênh cảm biến, nơi các sự kiện cảm biến như các tín hiệu địa chấn, âm thanh hoặc hồng ngoại được lưu thông.