Luận văn Mạng cảm nhận không dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi trường
-1-
TRƯỜNG ………………….
KHOA……………………….
----------
Báo cáo tốt nghiệp
Đề tài:
MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM MỘT SỐ
THÔNG SỐ QUA DDIEEUD KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG
-2-
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là luận văn nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ Luận văn khoa học nào khác. Các số liệu được trích dẫn tha khảo từ bài
báo, tài liệu gốc cụ thể.
Người viết cam đoan
Ngô Đức Nghị
-3-
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................2
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................5
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN .............................................11
1.1. Giới thiệu .........................................................................................................11
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến.................................................................................12
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến.....................................12
1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng............................................................................16
1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến..................................................17
1.2.3.1. Cấu trúc phẳng .....................................................................................17
1.2.3.2. Cấu trúc tầng........................................................................................18
1.3. Ứng dụng .........................................................................................................20
1.3.1. Ứng dụng trong quân đội ............................................................................20
1.3.2. Ứng dụng trong môi trường ........................................................................22
1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe ............................................................23
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình .............................................................................23
1.4. Kết luận............................................................................................................23
..............................24
CHƯƠNG 2: CÁC THỦ TỤC THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG
2.1 Tổng Quan........................................................................................................24
2.2 Các giao thức MAC truyền thống....................................................................24
2.2.1 Aloha và CSMA ..........................................................................................24
2.2.2 Các vấn đề về nút ẩn và nút hiện..................................................................24
2.2.3 Thâm nhập môi trường và cảnh báo đụng độ (MACA). ...............................25
2.2.4 IEEE 802.11 MAC.......................................................................................26
2.2.5 IEEE 802.15.4 MAC....................................................................................26
2.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC .............................................27
2.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11 .......................................................27
2.3.2 Thâm nhập môi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS) ..................27
2.3.3 Mức tối thiểu hoá chi phí năng lượng thu nhàn rỗi.......................................28
2.4.1. Đánh thức máy thu thứ cấp. ........................................................................28
2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp. ........................................................28
2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER)..........................29
2.4.5 Giao thức MAC tái cấu hình ........................................................................31
-4-
2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ........................................................................................32
2.5.1 Sensor MAC (S-MAC) ................................................................................32
2.5.2 Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC)...............................................................33
2.5.3 MAC thu thập số liệu (D-MAC) ..................................................................33
2.5.4 Lập lịch ngủ trễ hiệu suất (DESS)................................................................34
2.5.5 Lập lịch ngủ không đồng bộ.........................................................................35
2.6 Các giao thức tự do tranh chấp .......................................................................36
2.6.1 MAC tình và sự khởi động (SMACS) ..........................................................37
2.6.2 Lập lịch cơ bản BFS/DFS ............................................................................37
2.6.3 MAC đồng bộ dành riêng.............................................................................38
2.6.4 Thâm nhập môi trường thích ứng lưu lưọng (TRAMA) ...............................38
2.7 Lập lịch không tập trung .................................................................................40
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐO KIỂM MẠNG WSN SỬ DỤNG PHƯƠNG
PHÁP LẬP LỊCH TẬP TRUNG...............................................................................42
3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm:.................................................................42
3.1.1. Mục đích:....................................................................................................42
3.1.2. Yêu cầu thực nghiệm: .................................................................................42
3.2. Các thiết bị thực nghiệm:................................................................................42
3.3 Giới thiệu VDK CC1010: .................................................................................43
3.4 Tiến hành thực nghiệm ....................................................................................46
3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm và thuật toán:.................................................................46
3.4.1.1 Đo khoảng cách D lớn nhất giữa các nút mạng để chúng có thể liên
lạc được với nhau : ...........................................................................................46
3.4.1.2 Thời gian truyền nhận dữ liệu giữa nút cảm nhận và nút cơ sở..............49
3.4.1.3 Đo cường độ dòng điện của các nút mạng các trạng thái : ngủ,
truyền, nhận dữ liệu ở chế độ lập lịch tập trung................................................54
KẾT LUẬN ................................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................78
PHỤ LỤC...................................................................................................................80
-5-
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
STT
1
Từ viết tắt Tên tiếng Anh
ACKs
ADC
AEA
BFS
Acknowledgement
2
Analog To Digital Converter
Adaptive Election Algorithm
Breadth-First
3
4
5
CAP
Contention Access Period
Clear Channel Assessment
Code Division Multiple Access
Collision-Free Period
6
CCA
CDMA
CFP
7
8
9
CRC
CSMA
CTS
Cyclical Redundancy Check
Carrier Sense Medium Access
Clear To Send
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
DCF
Distributed Coordination Function
Delay-Efficient Sleep Scheduling
Depth-First
DESS
DFS
DIFS
D-MAC
FDMA
GTS
Distributed Inter-Frame Spacing
Data-Gathering Media Access Control
Frequency Division Multiple Access
Guaranteed Time Slots
ID
Identification
IEEE
Institute Of Electrical And Electronics Engineers
LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Networks
MAC Media Access Control
-6-
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
MACA
NAV
Medium Access With Collision Avoidance
Network Allocation Vector
Neighbor Protocol
NP
PAMAS
PAN
Power Aware Medium-Access With Signalling
Personal Area Network
PCF
Point Coordination Function
Radio Frequency
RF
RICER
RTS
Receiver-Initiated Cycle Receiver
Request To Send
SEP
Schedule Exchange Protocol
Sensor Media Access Control
Stationary Mac And Startup
Time Division Multiple-Access
Transmitter -Initiated Cycle Receptions
Timeout Media Access Control
Traffic-Adaptive Medium Access
Wake-Up Schedule Function
Wireless Sensor Network
S-MAC
SMACS
TDMA
TICER
T-MAC
TRAMA
WSF
WSN
-7-
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến ......................................................................................... 12
Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến. ............................................................................................ 13
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến........................................................................ 16
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến........................................................................ 17
Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến ........................................................................... 18
Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp........................................................... 18
....................................................................................... 21
Hình 1.7 Ứng dụng trong quân đội
Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường ................................................................................... 22
Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe ....................................................................... 23
Hình 2.1. Các vấn đề với CSMA căn bản trong môi trường không dây :................................ 25
Hình 2.2 Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 MAC............................................................... 27
Hình 2.3 Kỹ thuật lắng nghe công suất thấp của mẫu mào đầu. ............................................. 29
Hình 2.4(a) Ngủ không đồng bộ sử dụng TICER................................................................... 30
Hình 2.4(b) Ngủ không đồng bộ sử dụng RICER................................................................. 30
Hình 2.5 Các thành phần của B-MAC và các thiết bị bộ nhớ của chúng. ............................... 31
Hình 2.6 Chu trình hoạt động ngủ thức trong S-MAC ........................................................... 32
Hình 2.7 Lập lịch ngủ sole trong D-MAC ............................................................................. 34
Hình 2.8 A(7,3,1) thiết kế cho các khe đánh thức không đồng bộ .......................................... 36
Hình 2.9 Các cấp phát khe thời gian cho một cấy thu thập dữ liệu......................................... 37
Hình 2.10: Thủ tục TRAMA ................................................................................................. 40
Hình 2.11 Thuật toán lập lịch tập trung ................................................................................. 41
Hình 3.1: Sơ đồ khối của CC1010......................................................................................... 44
Hình 3.2 Chip CC1010 dùng thiết kế nút mạng cảm nhận ..................................................... 45
Hình 3.3. Màn hình hiển thị kết quả đo ................................................................................. 45
Hình 3.4 Sơ đồ thực nghiệm mạng WSN............................................................................... 46
Hình 3.5 Nạp phần mềm cho nút mạng WSN........................................................................ 47
Hình 3.6 Chuẩn bị đo mạng WSN ngoài trời......................................................................... 47
Bảng 3.1 Bảng số liệu đo khoảng cách truyền tín hiệu giữa các nút mạng ............................. 48
Hình 3.9 Giải thuật nút cơ sở ................................................................................................ 55
Hình 3.10 Giải thuật nút cảm nhận........................................................................................ 56
Hình 3.11. Thời gian hoạt động và ngủ của nút mạng Master và Slaver................................ 58
-8-
Hình 3.12 Giải thuật nút cơ sở trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ .......................... 59
Hình 3.15 Giải thuật nút cảm nhận trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ.................... 63
Hình 3.16 Sơ đồ chip CC1010, vị trí đánh dấu màu đỏ đo dòng điện tiêu thụ ........................ 66
Hình 3.17 Thực hiện đo dòng điện trên chip CC1010............................................................ 67
Bảng 3.2 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng ngủ .............................................................. 70
Bảng 3.3 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng truyền dữ liệu.............................................. 70
Bảng 3.4 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng nhận dữ liệu................................................ 71
Bảng 3.5 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng không truyền/nhận dữ liệu .......................... 71
Hình 3.18 Phần mềm viết trên môi trường Visual C++.......................................................... 72
Bảng 3.6 Bảng thống kê tổng hợp các chế độ hoạt động của nút mạng tham gia vào một phiên
gửi dữ liệu từ nút cơ sở tới nút cảm nhận .............................................................................. 73
Hình 3.19 Đồ thị tuổi thọ nút mạng tỉ lệ nghịch với số nút trong mạng.................................. 75
1
theo hàm T
.................................................................................................. 75
0.62N 0.38
Hình 3.20 Sơ đồ lập lịch cải tiến ........................................................................................... 76
-9-
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng thông tin máy
tính di động được phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến di động
(wireless mobile sensor network), dạng không cấu trúc (ad-hoc mobile network) mới
xuất hiện, nhưng đã được nhiều nước, nhiều tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh, kinh
tế… quan tâm.
Một lĩnh vực nổi bật của mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network-
WSN) là sự kết hợp việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ.
Thông qua mạng hình lưới (mesh networking protocols), những thiết bị này tạo ra một
sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Trong khi khả năng của từng thiết bị là rất
nhỏ, sự kết hợp hàng trăm thiết bị như vậy yêu cầu là phải có công nghệ mới.
Nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ sự phát
triển của những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và
đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập
trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó
là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai không
xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong
cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải
mạng nào cũng có được như mạng cảm biến.
Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết
bị nhỏ có thể tự thiết lập cẩu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi
theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc tình
trạng thiết bị.
Tính chất không dây của WSN có ưu điểm mềm dẻo, giá rẻ nhưng có nhiều
thách thức cần được giải quyết một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn
năng lượng bị giới hạn, các nút mạng cảm biến lại hoạt động ngoài môi trường rất
khó nạp lại năng lượng. Trong khi đó, yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của
mạng cảm nhận là năng lượng cung cấp. Mỗi nút cần được thiết kế quản lý năng lượng
cung cấp nội bộ để tối đa thời gian sống của mạng. Trong trường hợp mạng an ninh,
mỗi nút phải sống trong nhiều năm. Một nút bị lỗi sẽ làm tổn thương hệ thống an
ninh.Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử
dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau.
Nhận thấy tầm quan trọng của trong việc hạn chế tiêu thụ năng lượng tối đa
trong mạng cảm biến, tác giả đã đi vào nghiên cứu vấn đề “Mạng cảm nhận không
dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi
trường.”
-10-
Luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục và
tài liệu tham khảo.
Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây sẽ giới thiệu một cách tổng
quan về WSN, các dạng ứng dụng của WSN và đưa ra những tiêu chí đánh giá cho
WSN cũng như tiêu chí đánh giá một nút mạng cảm nhận.
Chương 2: Giới thiệu các thủ tục thâm nhập môi trường, chọn thủ tục lập lịch
tập trung đi sâu nghiên cứu.
Chương 3: Thực nghiệm đo kiểm mạng WSN sử dụng phương pháp lập lịch
tập trung.
Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt
được đồng thời cũng đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS. Vương Đạo Vy, Khoa
Điện tử viễn thông - Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, người đã
hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả
Ngô Đức Nghị
-11-
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
1.1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang
được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay
đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc
tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy
móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc
trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ…
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công
nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ
mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những
con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ
thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ
có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không
dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung
dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên .
Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần :
Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn,bộ phận cảm biến, bộ thu phát
không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp
giấy cho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của
con người
Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định
tuyến multihop
Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư
hỏng ở các nút
Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất
tính toán
Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu
cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến.
-12-
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không
dùng được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau:
Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều
lần số lượng nút trong mạng ad hoc.
Các nút cảm biến dễ bị lỗi.
Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.
Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng
bá, trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-
điểm.
Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ
nhớ.
Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (global
identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số
lượng lớn các nút cảm biến.
Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.
Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (1.1). Mỗi một
nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.
Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ
trên. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua
mạng Internet hoặc vệ tinh.
-13-
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu . Sink có thể là thực thể
bên trong mạng (là một nút cảm biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có
thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm
biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như
Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm
biến trong mạng.
Giới thiệu về nút cảm biến:
Cấu tạo của nút cảm biến như sau:
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình (1.2):
đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn
(a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những
thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location
finding
system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).
Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến.
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương
tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi
sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.
Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng
mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu
có độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các
nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định.
-14-
Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài
kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu
thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động,
và thích biến với sự biến đổi của môi trường.
Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến:
Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt
là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các
mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng
cảm biến như sau:
Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không
hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh
hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt
động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút
mạng không hoạt động.
Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm biến
được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng
dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có
khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các
nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh
chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai
sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý.
Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các
nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước
phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật
độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có
người kiểm soát, thích nghi với môi trường.
Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc
mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên
trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm
hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết
nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên
-15-
bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết
lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn
phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng
của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến
năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số
916MHz.
Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng
ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ
dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm
trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng
trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng
được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có
thể lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải
thiết lâp một cấu hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan
đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:
o Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn
xộn hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được
triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể
do con người hoặc robot đặt từng cái một.
o Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình
phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt
trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các
vật cản…), năng lượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.
o Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm
vào các nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy
thuộc vào sự thay đổi chức năng.
Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption) :
Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể
được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng
dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng
thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của
pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa
khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây
-16-
ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ
chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò
quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về
các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính
của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát
hiện ra các sự kiện, thực hiện
liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ
xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ
năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp
(communicating), và xử lý dữ liệu (data processing).
1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình
(1.3). Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý . Các mặt phẳng
quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả
nhất, định tuyến dữ
các nút cảm biến.
liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Mặt phẳng quản lý công suất : Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn
năng lượng của nó. Ví dụ : nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một
bản tin. Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm
biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham
gia vào quá trình định tuyến .
Mặt phẳng quản lý di động : có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng.
Mặt phẳng quản lý : Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút
trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực
hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.
-17-
Lớp vật lý : có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện
tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng
rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét
ở lớp vật lý,
ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân.
Lớp liên kết dữ liệu : lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện
các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì
môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều
khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả
năng tối thiểu hoá việc va
chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
Lớp mạng : Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo
nguyên tắc sau :
Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan
trọng
Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở
sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến.
Lớp truyền tải : chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông
qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp ứng dụng : Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng
khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến
1.2.3.1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều
ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với
sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi
truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với
một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số
để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu
quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến
-18-
1.2.3.2. Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop ( tùy thuộc
vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head).
Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức
xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến
Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ
liệu không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp,
cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và
cấp trên cùng
thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6).
Cấp 2: Phân phối
Cấp 1 : Tính toá
Cấp 0: Cảm nhận
Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
-19-
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng, do các lý do sau:
-Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm biến bằng việc định vị các
tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai
các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực
hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ
sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao. Thay vào đó, nếu một
số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một
số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu,
định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
-Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần
phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời
gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần
hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với
yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc tầng mà các
chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng
chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.
-Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút
yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc
phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong
W
mạng có n nút là
,
trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi
n
lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0.
kích cỡ mạng tăng
-Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc
phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân
cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi
một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc
giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này,
dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số
lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n . Các nghiên cứu khác đã thử cách
dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường
hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm
trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được
khi dùng cấu trúc tầng. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích
về tìm địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một
phần phân bố đến tập con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố định và
phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ
-20-
thuộc vào tân số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng
đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.
1.3. Ứng dụng
Như trên ta đã đề cập đến các lĩnh vực ứng dụng mạng cẳm biến không dây.Cụ
thể ta sẽ xem xét kỹ một số ứng dụng như sau để hiểu rõ sự cần thiết của mạng
cảm biến không dây.
Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như
cảm biến động đất, cảm biến từ trường tốc độ lấy mẫu thấp, cảm biến thị giác,
cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát vùng rộng
các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm:
Nhiệt độ.
Độ ẩm.
Sự chuyển động của xe cộ.
Điều kiện ánh sáng.
Áp suất.
Sự hình thành đất.
Mức nhiễu.
Sự có mặt hay vắng mặt một đối tượng nào đó.
Mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn.
Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng.
Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện
sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ bộ phận phát
động. Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn
nhiều vùng ứng dụng mới. Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội,
môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.
1.3.1. Ứng dụng trong quân đội
Mạng cảm biến không dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống
điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi
mục tiêu. Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể bị lỗi của mạng cảm biến
làm cho chúng hứa hẹn kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân đội. Vì mạng
cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp
và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của
quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng
cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường. Một vài ứng dụng quân đội của
mạng cảm biến là quan sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến
trường do thám địa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức
độ nguy hiểm của chiến trường, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa
học, sinh học, hạt nhân.
-21-
Giám sát lực lượng , trang thiết bị và đạn dược:
Các người lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân
đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng
việc sử dụng mạng cảm biến. Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể
gắn liền với
các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái. Những
được tập hợp lại tại các nút sink để gửi tới lãnh đạo trong quân
bản báo cáo này
đội. Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn.
Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường , đường mòn và
các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như
có thể theo dõi các hoạt động của quân địch. Khi các hoạt động này được mở
rộng và kế hoạch hoạt động mới được chuẩn bị một mạng mới có thể được triển
khai bất cứ thời gian nào khi theo dõi chiến trường.
Giám sát địa hình và lực lượng quân địch: mạng cảm biến có thể được
triển khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biến
cần nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về trong vài phút
trước khi quân địch phát hiện và có thể chặn lại chúng. Hình (1.7) cho ta hình dung
được về ứng dụng của mạng cảm biến trong hoạt động quân đội.
Hình 1.7 Ứng dụng trong quân đội
Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường: trước và sau khi tấn công mạng
cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy
hiểm của chiến trường.
Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân.
Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan
-22-
trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển
khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa
học có thể cung cấpcác thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm
tránh thương vong nghiêm trọng.
1.3.2. Ứng dụng trong môi trường
Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư
của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi
trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo
đạc lớn đối với việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh,
phát hiện sinh-hóa, nông nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi
trường vùng biển và bầu khí quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học
và địa lý, phát hiện lũ lụt, sắp đặt sự phức tạp về sinh học của môi trường và nghiên
cứu sự ô nhiễm.
Phát hiện cháy rừng: vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách
ngẫu nhiên, có chiến lược với mật độ cao trong rừng, các nút cảm biến sẽ dò tìm
nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng
không kiểm soát được. Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích
hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang học. Cũng vậy, chúng có thể
được trang bị cách thức sử dụng công suất có hiểu quả như là pin mặt trời bởi vì
các nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ hàng tháng và hàng năm. Các nút cảm
biến sẽ cộng tác với nhau để thực hiện cảm biến phân bố và khắc phục khó khăn,
như các cây và đá mà ngăn trở tầm nhìn
thẳng của cảm biến có dây.
Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường
Phát hiện lũ lụt: một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ. Một
vài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mức nước,
-23-
thời tiết. Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống cơ sở
dữ liệu đã được định nghĩa trước.
1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân,
các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý
bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và
bệnh nhân trong bệnh viện.
Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện : mỗi bệnh nhân được gắn một
nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ
có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất
máu, bác sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí
của họ trong
bệnh viện.
Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng
để đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự
dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong
trường hợp không có ai ở nhà.
1.4. Kết luận
Chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường... Qua đó
ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều
ứng dụng mới của
mạng cảm biến.
-24-
CHƯƠNG 2
CÁC THỦ TỤC THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG
2.1 Tổng Quan
Một đặc tính chủ yếu của giao tiếp mạng không dây là nó cung cấp một môi
trường chia sẻ kế thừa. Tất cả các giao thức điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)
dành cho các mạng quản lý cách sử dụng giao diện sóng vô tuyến để đảm bảo hiệu quả sử
dụng chia sẻ băng thông. Giao thức MAC thiết kế cho các mạng cảm biến không dây có
thêm mục tiêu quản lý sóng vô tuyến tích cực để bảo toàn năng lượng. Vì vậy, trong khi
các giao thức MAC truyền thống phải cân bằng thông lượng, độ trễ, và các quan hệ cân
bằng, giao thức MAC của WSN đặt vấn đề nhấn mạnh hiệu quả năng lượng.
Một chủ đề chung xuyên suốt tất cả các giao thức này là đặt các máy thu vô
tuyến ở chế độ năng lượng thấp “mode ngủ” có chu kỳ hoặc bất kỳ khi nào có thể khi
một nút không nhận hoặc không truyền.
2.2 Các giao thức MAC truyền thống.
Các giao thức MAC cạnh tranh cơ bản có một ưu điểm hơn so với cạnh tranh
tự do là lập lịch giao thức MAC trong trường hợp tốc độ dòng dữ liệu thấp, ở đó
chúng có đặc tính thời gian chờ thấp hơn và đáp ứng tốt hơn những biến đổi lưu
lượng nhanh..
2.2.1 Aloha và CSMA
Dạng đơn giản nhất của thâm nhập môi trường là phân khe Aloha và không phân
khe Aloha. Trong không phân khe Aloha, mỗi nút được xem như độc lập và truyền
một gói khi nó thâm nhập môi trường; nếu mà đụng độ xảy ra, các gói được truyền lại
sau khoảng thời gian ngẫu nhiên. Phiên bản phân khe của Aloha làm việc cũng tương
tự, nhưng nó cho phép truyền chỉ với những khe đồng bộ đặc biệt. Giao thức MAC cổ
điển khác là giao thức thâm nhập cảm nhận sóng mang (CSMA). Trong CSMA, một
nút muốn truyền đầu tiên phải lắng nghe kênh truyền xem nó có rỗi không. Nếu kênh
đang rỗi, nút sẽ tiến hành truyền. Nếu kênh đang bận, nút sẽ đợi sau một khoảng thời
gian ngẫu nhiên và sẽ truyền lại. CSMA với dò tìm miền đụng độ là kỹ thuật cơ bản sẻ
dụng trong IEEE 802.3/Ethernet.
2.2.2 Các vấn đề về nút ẩn và nút hiện.
CSMA truyền thống không cảnh báo được miền đụng độ và không hiệu quả trong các
mạng không dây do có 2 vấn đề chính : vấn đề các nút ẩn và các vấn đề các nút hiện.
Vấn đề các nút ẩn minh hoạ ở hình 2.1(a), ở đây nút A truyền tới nút B. Nút C,
nút mà nằm ngoài sóng của A, sẽ cảm nhận thấy kệnh truyền tới nút A đang rảnh và
cũng bắt đầu truyền tới nút B. Trong trường hợp này CSMA không phát hiện cảnh báo
xung đột được do A và C ẩn với nhau.
Vấn đề nút hiện được minh hoạ bởi hình 2.1 (b). Ở đây, trong khi nút B truyền
-25-
tới nút A, nút C có một gói dành cho nút D. Tại vì nút C nằm trong vùng phủ sóng của
nút B, nó sẽ cảm thấy là đường truyền đang bận và nó sẽ không truyền Tuy nhiên trên
lý thuyết tại vì nút D nằm ngoài vùng phủ sóng của nút B, và A nằm ngoài vùng phủ
sóng của C, có 2 phiên truyền mà không đụng độ với nhau. Việc trì hoãn việc truyền
bởi C sẽ làm lãng phí băng thông.
A B C D
A B C
(a)
(b)
Hình 2.1. Các vấn đề với CSMA căn bản trong môi trường không dây :
(a) nút ẩn , (b) nút hiện
Có hai vấn đề cần quan tâm trong mỗi một cảm biến : ở nút ẩn vấn đề các gói bị
đụng độ vì nút gửi không biết có nút khác đang sử dụng đường truyền, trong khi vấn
đề của nút hiện có sự lãng phí cơ hội truyền một gói vì nhận biết sai lệch của truyền
chống nhiễu.
2.2.3 Thâm nhập môi trường và cảnh báo đụng độ (MACA).
Giao thức MACA chỉ ra việc sử dụng hai bản tin điều khiển,có thể giải quyết vấn
đề nút ẩn và nút hiện. Các bản tin điều khiển gọi là yêu cầu gửi (RTS) và xoá gửi
(CTS). Bản chất của hệ thống này là khi một nút muốn gửi một bản tin, sẽ phát ra một
gói RTS tới nơi nhận của nó. Nếu mà nơi nhận của nó có thể nhận gói, nó sẽ phát ra
một gói CTS. Khi nút gửi nhận được CTS, nó bắt đầu truyền gói. Khi một nút gần lắng
nghe một địa chỉ RTS tới nút khác, nó sẽ ngăn chặn việc truyền của nó trong một
khoảng thời gian, đợi đến khi CTS tương ứng. Nếu một CTS không được nhận biết,
nút có thể bắt đầu việc truyền dữ liệu của nó. Nếu một CTS được nhận, bất chấp có
hay không RTS được nghe trước đó, một nút ngăn chặn việc truyền của nó với một
khoảng thời gian đủ để cho phép giao dịch dữ liệu tương ứng được hoàn thành.
Với một số giả định lý tưởng (ví dụ: bỏ qua những đụng độ RTS/CTS có thể, giả
sử rằng giao tiếp là 2 chiều, không mất gói, không có hiệu ứng bắt) chúng ta có thể
nhận thấy rằng lược đồ MACA có thể giải quyết được cả vấn đề nút ẩn và nút hiện. Sử
dụng các ví dụ đơn giản đầu tiên, nó có thể giải quyết vấn đề nút ẩn vì nút C có thể
nhận biết bản tin CTS và ngăn cản việc tranh chấp truyền của nó. Giống như vậy với
vấn đề nút hiện, mặc dù nút C nghe được RTS của nút B, nó sẽ không nhận CTS từ
nút A và vì vậy có thể truyền các gói của nó sau khoảng đợi đủ thời gian.
-26-
2.2.4 IEEE 802.11 MAC
Liên quan tới MACA là việc sử dụng rộng rãi chuẩn IEEE 802.11 MAC. Thiết bị
802.11 có thể được điều khiển ở mode hạ tầng cơ sở (kết nối đơn hop và các điểm
thâm nhập) hoặc adhoc mode (mạng đa hop). Nó có thể bao gồm 2 chức năng : chức
năng phối hợp phân tán (DCF) và chức năng phối hợp điểm (PCF). DCF là giao thức
CSMA-CA (thâm nhập đa cảm biến sóng mang với ngăn chặn đụng độ) với ACKs.
Nút đầu tiên sẽ kiểm tra liệu nó sẽ bị ngăn chặn truyền hoặc gửi trả lại do môi trường
đang bận; nếu môi trường không bận, nó sẽ đợi một khoảng DIFS (khoảng liên khung
phân tán) trước khi truyền. Bộ nhận của bản tin gửi một ẠCK trước đây nhận thành
công sau thời điểm SIFS (khoảng liên khung ngắn). Chức năng cảm nhận sóng mang
ảo RTS/CTS từ MACA được dùng, nhưng chỉ cho các gói unicat. Các nút với chi phí
thêm bản tin RTS/CTS ghi lại khoảng thời gian tráo đổi DATA-ACK tương ứng trong
NAV của chúng (định hướng cấp phát mạng) và trì hoãn thâm nhập trong khoảng thời
gian này.
Ở chức năng thứ 2, PCF, một điểm thâm nhập trung tâm phối hợp với thâm nhập
môi trường bằng hiệu ứng dò các nút khác cho các dữ liệu có chu kỳ. Nó rất hữu ích
cho các ứng dụng thời gian thực do nó có thể sử dụng giới hạn trễ đảm bảo.
2.2.5 IEEE 802.15.4 MAC
Chuẩn IEEE 802.15.4 MAC thiết kế cho các vùng mạng không dây cá nhân tốc
độ thấp (LR-WPAN), bao gồm các ứng dụng cảm nhận được gắn vào. Hầu hết các đặc
điểm của nó dành cho kích hoạt mode báo hiệu trong topo hình sao.
Ở mode kích hoạt báo hiệu ở mạng hình sao, IEEE 802.15.4 MAC sử dụng cấu
trúc siêu khung trong hình 2.2. Một siêu khung được xác định bởi tín hiệu báo hiệu
chu kỳ được gửi bởi bộ phối hợp PAN. Trong khoảng thời gian siêu khung có một pha
tích cực cho giao dịch giữa các nút, phối hợp PAN và pha không tích cực nó có thể
điều chỉnh phụ thuộc vào chu kỳ năng lương mong muốn. Thời điểm tích cực có 16
khe bao gồm 3 phần : phần báo hiệu, thời điểm thâm nhập tranh chấp(CAP) và thời
điểm xung đột tự do(CFP) điều này cho phép cấp phát các khe đảm bảo thời gian
(GTS). Sự xuất hiện miền đụng độ tự do cho phép dành riêng cho lập lịch thâm nhập.
Các nút giao dịch chỉ trên các khe đảm bảo thời gian, các nút còn lại có thể ngủ và chỉ
cần tỉnh dậy trước khi chúng được gán vào các khe GTS. Giao dịch trong thời điểm
CAP là thuật toán CSMA-CA đơn giản nó cho phép một thời điểm nhỏ giảm tiêu thụ
năng lượng lắng nghe kênh rỗi. Đánh giá giao thức này là sự thay đổi của nó và các
thông số có thể được thiết lập.
Trên lý thuyết chuẩn IEEE 802 có thể sử dụng cho các topo khác, mode kích hoạt
báo hiệu không xác định được chúng.
-27-
Hình 2.2 Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 MAC
2.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC
Hiệu quả năng lượng đạt được trong các giao thức MAC bởi việc tắt máy thu
sang chế độ ngủ khi có thể để tiết kiệm tiêu thụ năng lượng.
2.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11
Có nhiều cách lựa chọn về quản lý năng lượng trong kiến trúc 802.11. Các nút
thông báo cho các Access point biết khi nào chúng muốn đi vào trạng thái ngủ để mà
bất kỳ bản tin nào muốn gửi tới chúng sẽ được đưa vào bộ đệm AP. Các nút sẽ thức
dậy một cách định kỳ để kiểm tra bản tin bộ đệm. Vì vậy năng lượng sẽ được tiết kiệm
tối đa.
2.3.2 Thâm nhập môi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS)
PAMAS là một phần mở rộng của kỹ thuật MACA, nơi tín hiệu RTS/CTS thực
hiện trên một kênh vô tuyến riêng biệt từ việc trao đổi dữ liệu. Nó là một trong những
giao thức MAC cảm nhận năng lượng đầu tiên đưa ra cho các mạng không dây đa hop.
Trong PAMAS, các nút sẽ tắt máy thu sóng (đi vào trạng thái ngủ) bất kỳ khi nào
chúng không nhận hoặc gửi thành công. Đặc biệt khi chúng đi vào trạng thái ngủ
chúng vẫn nghe được một lan truyền lân cận tới nút khác, hoặc chúng xác định qua
kênh tín hiệu điều khiển RTS/CTS, tín hiệu mà nút lân cận nhận được. Khoảng thời
gian ngủ sẽ được đặt vào độ dài của phiên truyền đang diễn ra được hiện thị bởi tín
hiệu điều khiển nhận được của kênh thứ cấp. Nếu một phiên truyền được bắt đầu trong
khi một nút trong trạng thái ngủ, trước khi bị đánh thức, nút gửi các tín hiệu thăm dò
tới để xác định khoảng thời gian truyền và bao lâu nó có thể quay lại trạng thái ngủ.
Trong PAMAS, một nút chỉ có thể đặt vào trạng thái ngủ khi nó bị cấm nhận hoặc
truyền theo bất kỳ đường nào, để cho chất lượng trễ /thông lượng của mạng không lỗi.
Tuy nhiên có một vấn đề quan tâm là tổn hao năng lượng trong chế độ thu nhàn rỗi
(tức là điều kiện để một nút không có gói nào gửi và không có tín hiệu nào trên kênh
truyền).
-28-
2.3.3 Mức tối thiểu hoá chi phí năng lượng thu nhàn rỗi.
Trong khi PAMAS cung cấp các cách để tiết kiệm năng lượng , năng lượng có
thể tiết kiệm hơn nữa bởi việc giảm chế độ rảnh nhận. Yếu tố chính của vấn đề này là
cho phép bộ nhận ngủ trong phần lớn thời gian, trong khi vẫn đảm bảo một nút được
đánh thức và nhận khi một gói truyền đến nó. Dựa trên nền tảng cơ sở của các phương
pháp giải quyết vấn đề này, có 2 loại cạnh tranh cơ bản cho các giao thức MAC mạng
cảm nhận.
Phương pháp tiếp cận đầu tiên là việc không đồng bộ hoàn toàn và trả lời sử
dụng một bộ nhận hoặc kỹ thuật lắng nghe công suất thấp có chu kỳ để đảm bảo rằng
bộ nhận được đánh thức mỗi khi có tin truyền tới. Phương pháp tiếp cận thứ hai, với
nhiều biến thể khác nhau, sử dụng chu trình lập lịch ngủ chu kỳ cho các nút. Hầu hết
các bộ lập lịch kết hợp với một phương thức, đó là các bộ truyền nhận biết về thời
gian khi các bộ nhận của chúng được đánh thức.
2.4 Kỹ thuật ngủ không đồng bộ
Trong các kỹ thuật này , các nút thường giữ tỉ lệ chế độ ngủ mặc định, về chỉ thức
dậy trong một thời gian ngắn để kiểm tra các lưu lượng và gửi nhận bản tin.
2.4.1. Đánh thức máy thu thứ cấp.
Các nút cần kích hoạt chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng khi chúng không có
giao dịch và được đánh thức khi cần có các liên lạc cần thiết. Giải pháp đầu tiên là một
phần cứng trang bị cho mỗi nút cảm nhận với 2 máy thu. Trong mỗi phần cứng thiết
kế, máy thu sơ cấp là máy thu dữ liệu chính, phần còn lại đặt ở chế độ ngủ mặc định.
Máy thu thứ cấp là máy thu thức dậy công suất thấp được giữ nguyên hầu hết thời
gian. Nếu máy thu thức giấc của một nút, nhận được tín hiệu thức giấc của nút khác,
nó sẽ trả lời bằng việc thức dậy máy thu chính và bắt đầu nhận. Điều này đảm bảo
rằng máy thu sơ cấp chỉ được kích hoạt khi nút có dữ liệu gửi và nhận.Giả định cơ bản
để thúc đẩy cho vấn đề này là thiết kế của nó, khi tín hiệu thức giấc không cần phải xử
lý tín hiệu phức tạp, nó có thể được thiết kế tiêu thụ công suất thấp. Tuy nhiên một vấn
đề được đặt ra là tất cả các nút trong miền quảng bá tín hiệu của các nút truyền có thể
bị đánh thức.
2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp.
El Hoiydi và Hill và Culler phát triển độc lập cơ cấu giống nhau việc đánh thức
các máy thu ngủ. Trong kỹ thuật này, đề cập đến mẫu mở đầu hoặc lắng nghe công
suất thấp, bộ nhận thức giấc có chu kỳ để cảm nhận kênh truyền. Nếu không có tín
hiệu truyền nó sẽ tiếp tục ngủ. Nếu một nút muốn truyền, nó gửi một tín hiệu ưu tiên
đầu tiên để truyền gói. Trước khi phát hiện ra tín hiệu đầu, nút nhận sẽ thay đổi tới chế
độ nhận tích cực đầy đủ. Kỹ thuật được minh hoạ ở hình 2.3.
Tín hiệu thức giấc có thể được gửi với giao diện gói mức cao; tuy nhiên một
phương thức tiếp cận hiệu quả cao hơn là việc thực thi điều này trực tiếp trên lớp vật lý
– vì vậy tín hiệu thức giấc có thể không dài hơn xung RF. Nút dò sau đó chỉ kiểm tra
-29-
năng lượng máy thu trên kênh để xác định khi nào tín hiệu hiện hữu. Hill và Culler đã
tranh luận điều này có thể giảm bộ nhận kiểm tra chu trình hoạt động thấp bằng
0.00125%, cho phép thời gian sống tăng gấp 2000 lần so với một việc đánh thức gói
cùng mức(từ 1 tuần lên 38 năm). Chúng ta chú ý là biếu đồ này có khả năng đánh thức
các bộ nhận có thể trong một miền lân cận của bộ truyền đưa ra, tuy nhiên các cơ chế
này như là một thông tin trong tiêu đề có thể sử dụng đặt chúng quay trở lại trạng thái
ngủ nếu không có giao dịch nào cho chúng.
Preamble
Send data message
Sender
S
R
Receive
Active to receive
Preamble sampling
Hình 2.3 Kỹ thuật lắng nghe công suất thấp của mẫu mào đầu.
2.4.3 WiseMAC
Mẫu mở đầu lắng nghe công suất thấp có một khả năng thiếu sót : mẫu mở
đầu mà dài làm làm cho giảm thông lượng và tiêu thụ năng lượng cả bộ nhận và bộ
gửi. Giao thức WiseMAC được thiết lập trước tín hiệu mào đầu để sửa nhược điểm
này. Việc sử dụng thêm các gói ACK.
Mỗi nút sẽ học nhiều lần mẫu chu kỳ của các nút hàng xóm, và sử dụng các
thông tin này để gửi mẫu đánh thức ngắn tới kịp thời gian. Khoảng thời gian của mẫu
được xác định bởi độ lệch của xung đồng hồ kể từ mẫu đồng bộ cuối cùng.
Giả sử Tw là thời điểm mẫu nhận, độ lệch xung đồng hồ, và L là khoảng thời gian
giữa các giao tiếp, vì vậy khoảng thời gian của mẫu cần chỉ khi :
Các gói trong WiseMAC chứa hơn một bit (điều này đã nói trong chuẩn IEEE
802.11 giao thức tiết kiệm năng lượng) bộ truyền sử dụng để phát tín hiệu tới bộ nhận
nếu nó cần bộ nhận nhận tin.
2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER)
Giống như mẫu lắng nghe/mào đầu tiết kiệm năng lượng là kỹ thuật
TICER/RICER. Trong đó bộ truyền khởi động chu trình nhận (TICER) hình 6.4(a), như
là trong lắng nghe công suất thấp, các nút nhận sẽ thức giấc có chu kỳ và quan sát kênh
cho các tín hiệu từ bộ phát đến (điều này là yêu cầu đánh thức để gửi tín hiệu RTS). Bộ
-30-
gửi sẽ gửi chuỗi tín hiệu RTS trong một thời gian ngắn khi nó quét kênh truyền. Khi bộ
nhận phát hiện ra một tín hiệu RTS, nó sẽ trả lời lại với một tín hiệu CTS. Nếu bộ nhận
phát hiện một tín hiệu CTS tương ứng với RTS của nó, nó sẽ bắt đầu truyền các gói.
Do vậy vấn đề khác nhau cơ bản của mẫu mào đầu là trong TICER bộ gửi sẽ gửi một
chuỗi tín hiệu ngắn quãng thay vì một mẫu đơn lẻ dài, và đợi một tín hiệu rõ ràng từ
bộ nhận trước khi truyền dữ liệu.
Sender
Sleep
Sleep
RTS CTS
S
RTS
RTS
Sleep
Data
R
Receive
Hình 2.4(a) Ngủ không đồng bộ sử dụng TICER
Sender
S
Sleep
Beacon
Beacon
Beacon
Sleep
Data
R
Sleep
Receive
Hình 2.4(b) Ngủ không đồng bộ sử dụng RICER
Trong kỹ thuật bộ khởi động nhận chu trình (RICER), tranh chấp trong hình
2.4(b), một nút nhận thức dậy có chu kỳ để thực hiện một quan sát 3 pha gửi tín hiệu
đánh thức quan sát tuần tự. Một nguồn muốn đánh thức truyền và ở trạng thái quán sát.
Khi nó nghe nghe tín hiệu thức giấc từ bộ nhận, nó bắt đầu truyền dữ liệu. Bộ nhận
trong trạng thái quan sát sẽ xem xét phần bắt đầu của gói dữ liệu còn lại cho đến khi
gói được nhận hoàn thành.
Tuy nhiên, một vấn đề chi tiết gắn với kỹ thuật TICER/RICER là trong khi tín
hiệu đánh thức phức tạp RTS/CTS rất dễ bổ sung ở mức gói cao hơn, nó có thể thêm
khó khăn để thực hiện tín hiệu tương tự RF công suất thấp. Điều này buộc tín hiệu
truyền tới bộ nhận đúng, bộ nhận cần tự nó xác định duy nhất tới bộ truyền.
Tải về để xem bản đầy đủ
100 trang
25/05/2025
180
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Mạng cảm nhận không dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi trường", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_mang_cam_nhan_khong_day_va_danh_gia_bang_thuc_nghie.pdf
