Nghiên cứu kiến trúc hệ thống tiêu thụ ít năng lượng cho mạng sensor

  • 36 trang
  • file .pdf
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
HỒ ĐỨC ÁI
NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC HỆ THỐNG
TIÊU THỤ ÍT NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG SENSOR
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
HỒ ĐỨC ÁI
NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC HỆ THỐNG
TIÊU THỤ ÍT NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG SENSOR
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số: 60 48 15
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Đình Việt
HÀ NỘI - 2011
MỤC LỤC
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................3
MỞ ĐẦU ............................................................................................5
Chương 1- GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................6
1.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG WLAN [24] ......................................6
1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WSN) VÀ ỨNG DỤNG ...............................................................6
1.2.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây ..............6
1.2.2 Công nghệ phát triển mạng [10] ..................6
1.2.3 Ứng dụng của WSN [5], [8] .....................7
1.3 CHUẨN 802.11 CHO MẠNG WLAN [24] ...............................7
1.4 CÁC CHUẨN KHÁC CÓ THỂ ÁP DỤNG CHO WLAN [20] 8
1.4.1 Giới thiệu về chuẩn 802.15 ....................8
1.4.2 Phân loại mạng WPAN theo chuẩn 802.15 ..........8
1.4.3 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs [4], [10] ...........8
1.5 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG WSN [7], [10].....................................10
1.5.1 Tài nguyên phần cứng và khả năng xử lý ...........11
1.5.2 Kích thước vật lý nhỏ, giá thành rẻ ...............11
1.5.3 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao ...........11
1.5.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng .............11
1.5.5 Hoạt động tin cậy ..........................11
1.6 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN......................11
2.1 GIỚI THIỆU ...........................................................................12
2.1.1 OPNET [12] ..............................12
2.1.2 TOSSIM [12]..............................12
2.1.3 OMNeT++ và các phần mở rộng ...............12
2.1.4 NS-2 và các phần mở rộng ....................13
2.2 NS-2 VÀ MÔ-ĐUN MỞ RỘNG MANNASIM .......................13
2.2.1 NS-2 [2], [21] ...............................13
2.2.2 Mannasim Framework [14], [22]..................13
Chương 3- KIẾN TRÚC HỆ THỐNG WSN.....................................14
3.1 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .................14
3.1.1 Giới thiệu [8] .......................14
3.1.2 Kiến trúc phân tầng trong mạng sensor [7], [17] .......15
3.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG CỦA NÚT SENSOR [7], [8], [17] ......16
3.2.1 Các thành phần của nút sensor ................16
1
3.2.2 Một số ví dụ về nút sensor ................... 17
3.3. SỰ TIÊU TỐN NĂNG LƯỢNG CỦA NÚT SENSOR [8] ...... 17
3.3.1 Tiêu thụ năng lượng của vi điều khiển ............ 19
3.3.2 Bộ nhớ ................................. 19
3.3.3 Bộ thu phát vô tuyến “Radio” .................. 19
3.3.4 Mối quan hệ giữa tính toán và truyền thông ......... 19
3.3.5 Công suất tiêu thụ của các cảm biến .............. 19
Chương 4- CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG WSN . 19
4.1 GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN .................................................... 19
4.1.1 Các phương pháp định tuyến tối ưu về năng lượng .. 20
4.1.2 Một số giao giao thức định tuyến............... 20
4.2 GIẢI PHÁP TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN 21
4.2.1 Giới thiệu .............................. 21
4.2.2 Một số giao thức MAC ..................... 21
4.3 SỬ DỤNG CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TỰ NHIÊN ........ 22
4.4 GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC HỆ THỐNG NÚT SENSOR ........ 22
4.5 KẾT LUẬN ............................................................................. 24
5.1 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ
TỪNG THÀNH PHẦN ĐẾN NÚT SENSOR KHI TRIỂN KHAI HỆ
THỐNG MẠNG............................................................................ 24
5.1.1 Thí nghiệm mô phỏng ...................... 25
5.1.2 Kết quả và đánh giá ....................... 26
5.2 ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG ........... 28
5.2.2 Về mặt lý thuyết .......................... 29
5.2.3 Về thực nghiệm .......................... 29
5.3 HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP BẰNG MÔ PHỎNG ............. 29
5.3.1 Thí nghiệm mô phỏng ...................... 29
5.3.2 Kết quả và đánh giá ....................... 31
2
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A/D Analog/Digital
ACK Acknowledgement
ADC/DAC Analog Digital Converter/Digital Analog
Converter
Adhoc Mạng tự hợp di động
ADV Advertise
AODV Ad-hoc On-Demand Distance Vector
APS Application Provided Sublayer
BPSK Binary Phase Shift Keying
CAP Contention Access Period
CFP Contention Free Period
CH Cluster Head
CN Common Node
CPU Central Processing Unit
CSMA/CA Carier Sense Multiple Access / Collision
Avoidance
CSMA/CD Carier Sense Multiple Access / Collision
Detection
CTS Clear To Send
D/A Digital/Analog
DSDV Destination-Sequenced Distance Vector
DSR Dynamic Source Routing
EEPROM Electric Erase PROM
FFD Full Function Device
FSK Frequency Shift Keying
GTS Guaranteed Time Slots
ID IDentifier
IEEE Institute of Electrical and Electronic
Engineers
IFS InterFrame Spacing
LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
LR WPAN Low Rate WPAN
MAC Media Access Control
MANET Mobile Adhoc Network
MANNASIM Manna Simulator Group
ME Minimum Energy
3
MH Minimum Hop
NAM Network Animator
NF Noise Figure
NS-2 Network Simulator version 2
O-QPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying
PA Power Available
PDA Personal Digital Assistant
PEGASIS Power-Efficient GAthering in Sensor
Information Systems
PHY Physical
PSDU PHY Service Data Unit
QoS Quality of Service
RAM Random Access Memory
REQ ReQuest
RF Radio Frequency
RFD Reduced Function Device
ROM Read Only Memory
RSSI Received Signal Strength Indication
RTS Request To Send
SMAC Sensor MAC
SMACS Self-oganization MAC for Sensor network
SNR Signal To Noise Ratio
SPIN Sensor Protocols for Information via
Negotiation
TCP Tranmisstion Control Protocol
TMAC Timeout MAC
UDP User Datagram Protocol
WBAN Wireless Body Area Network
Wi-Fi Wireless Fidelity
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
WPAN Wireless Personal Area Network
WSN Wireless Sensor Network
WWAN Wireless Wide Area Network
ZDO Zero Differential Overlap
ZMAC Zebra MAC
4
MỞ ĐẦU
Khái niệm mạng cảm biến không dây – WSN (tiếng Anh) có thể được
giải thích dựa trên một phương trình đơn giản như sau:
Sensors + CPU + Radio => Hàng ngàn ứng dụng tiềm năng
Trong đó sensor là bộ cảm biến, có chức năng cảm nhận một hoặc một
số đại lượng đặc trưng cho môi trường tại vị trí đặt sensor hoặc xung quanh
nó, rồi biến đổi thành tín hiệu điện và gửi cho CPU. CPU thường là một vi
xử lý chuyên dụng, đơn giản, rẻ tiền, tiêu thụ ít năng lượng: có chức năng
nhận dữ liệu (tín hiệu) chủ yếu từ sensor, xử lý và quyết định việc gửi dữ liệu
đã xử lý tới đơn vị radio (đơn vị thu phát vô tuyến) để truyền đi.
Hầu hết các nút cảm biến đều sử dụng nguồn pin, bị hạn chế về năng
lượng trong khi yêu cầu về thời gian sống của nút cao có thể hàng năm, do
đó việc nghiên cứu, khám phá vấn đề tiêu thụ năng lượng cho WSN được ưu
tiên hàng đầu. Với tầm quan trọng của năng lượng trong WSN nên việc
“Nghiên cứu kiến trúc hệ thống tiêu thụ ít năng lượng cho mạng sensor” là
hết sức cần thiết. Trong khuôn khổ luận văn này tôi tập trung nghiên cứu, tìm
hiểu về kiến trúc mạng cảm biến không dây và những vấn đề liên quan, từ đó
đánh giá, đề xuất cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho WSN. Luận văn
được trình bày trong 5 chương như sau:
Chương 1- Giới thiệu chung: Trình bày tổng quan về WLAN, WSN,
các đặc điểm, các lĩnh vực ứng dụng, các chuẩn không dây.
Chương 2- Mô phỏng WSN: Trong quá trình nghiên cứu WSN, việc
tìm hiểu công cụ mô phỏng là rất cần thiết, tìm hiểu chi tiết về bộ công cụ
mô phỏng đó là NS-2 + MANNASIM.
Chương 3- Kiến trúc hệ thống mạng cảm biến không dây: Nghiên cứu
kiến trúc WSN, kiến trúc nút mạng cảm biến không dây, các thành phần tiêu
tốn năng lượng.
Chương 4- Các giải pháp tiết kiệm năng lượng: như định tuyến, điều
khiển truy nhập đường truyền, kiến trúc nút sensor.
Chương 5- Đánh giá, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho WSN:
Đề xuất, đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng bằng cách sử dụng radio
nhiều mức công suất.
5
Chương 1- GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG WLAN [24]
Năm 1985, Ủy ban truyền thông liên bang Mỹ quyết định “mở cửa”
một số băng tần của dải sóng không dây (900 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz) và
tiểu ban 802.11 đã ra đời. Chuẩn mới chính thức được ban hành năm 1997 và
các kỹ sư ngay lập tức bắt đầu nghiên cứu một thiết bị mẫu tương thích với
nó. Năm 1999, 2000 đã cho ra đời chuẩn 802.11b, 802.11a. Wi-Fi sau đó tiếp
tục được thúc đẩy nhờ sự phổ biến mạnh mẽ của kết nối Internet băng rộng
tốc độ cao trong các hộ gia đình và trở thành phương thức dễ nhất để cho
phép nhiều máy tính chia sẻ một đường truy cập băng rộng. Sau đó tiếp tục
ra đời các chuẩn như 802.11g, 802.11n…
1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WSN) VÀ ỨNG DỤNG
1.2.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây - WSN bao gồm một tập hợp các thiết bị
cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang
học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán. Mạng này có
thể liên kết trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông
qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ
tinh. Các nút sensor không dây có thể được triển khai cho các mục đích
chuyên dụng như giám sát môi trường, sức khỏe, theo dõi mục tiêu, dò tìm
đối tượng... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong
bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm mà con người khó
tiếp cận.
1.2.2 Công nghệ phát triển mạng [10]
Việc phát triển mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ mạng
MANET và được thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ
công nghệ.
Mạng MANET
Mạng MANET là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, được
triển khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng,
thuận tiện như để tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên
trong một cuộc họp.
Công nghệ
Công nghệ điện tử phát triển rất mạnh mẽ trong mấy thập kỷ qua đã
chế tạo ra các thiết bị điện tử rất nhỏ, giá rẻ với công suất thấp và phân hóa
chức năng cao, các bước tiến trong công nghệ mạng không dây và trong lĩnh
6
vực vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thu
thập dữ liệu.
Hạn chế quan trọng nhất của các nút sensor là yêu cầu phải giảm đến
tối thiểu công suất tiêu thụ. Các nút sensor chỉ tích trữ được nguồn năng
lượng hạn chế và thường không được thay thế. Vì vậy, trong khi các mạng
truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cao thì
kiến trúc WSN phải chú trọng đến sự bảo tồn nguồn năng lượng.
1.2.3 Ứng dụng của WSN [5], [8]
Hiện nay WSN được ứng dụng khá nhiều trong việc thực hiện các
nhiệm vụ như : giám sát, dò tìm, theo dõi, điều khiển. Các lĩnh vực ứng dụng
nổi bật của WSN bao gồm : Môi trường, an ninh, giao thông, công nghiệp,
thương mại, quân sự... Deborah Estrin[5] chỉ ra rằng "Toàn bộ các lĩnh vực là
phép loại suy đến tình hình Internet cách đây 30 năm". Sau đây là một số lĩnh
vực cụ thể :
Ứng dụng công nghiệp
Giám sát môi trường và môi trường sống
Tòa nhà tự động
Giao thông
Giám sát Cơ sở hạ tầng
Chăm sóc sức khỏe
Các ứng dụng quân sự
Ứng dụng trong an ninh
Có rất nhiều ứng dụng WSN mà cộng đồng đang tập trung nghiên cứu
tuy nhiên vẫn không có ứng dụng nào trong số các ứng dụng đó có thể được
phân loại là một ứng dụng điển hình. Việc thiếu các tiêu chuẩn, chi phí cao
của các nút cảm biến và các nguồn lực hạn chế về bộ nhớ, năng lượng và
năng lực xử lý của các nút cảm biến giới hạn việc sử dụng rộng rãi của các
ứng dụng WSN. Ngoài ra để xây dựng các ứng dụng với WSN cho một lĩnh
vực cụ thể thường sẽ cần đến các chuyên gia của lĩnh vực cụ thể khác nhau
để làm việc cùng nhau trong một nhóm. Ví dụ, thiết kế hệ thống thủy lợi
thông minh sẽ đòi hỏi các kỹ sư thủy lợi, kỹ sư nông nghiệp cùng với các kỹ
sư điện cùng cộng tác để xây dựng hệ thống.
1.3 CHUẨN 802.11 CHO MẠNG WLAN [24]
WLAN là một loại mạng cục bộ - LAN nhưng việc kết nối giữa các
thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như trong mạng LAN
thông thường, môi trường truyền thông của các thành phần trong mạng là
không khí. Các thành phần trong mạng sử dụng sóng điện từ để truyền thông
với nhau qua môi trường này. Trong phần này ta sẽ nghiên cứu các hiện
tượng đặc trưng của mạng WLAN là hiện tượng “trạm ẩn”, “trạm lộ”, dẫn
7
đến không thể sử dụng giao thức CSMA/CD cho mạng LAN có dây thông
thường. Giao thức CSMA/CA được sử dụng trong mạng WLAN.
Giao thức CSMA/CA
Vì môi trường truyền sóng vô tuyến là môi trường dùng chung nên
WLAN phải áp dụng các cơ chế để ngăn chặn hiện tượng xung đột giống
như trong mạng LAN có dây. WLAN đã sử dụng giao thức CSMA/CA
(Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance) để tránh xung đột.
CSMA/CA cũng có nhiều điểm tương tự như CSMA/CD được dùng trong
mạng LAN có dây. Điểm khác biệt lớn nhất giữa CSMA/CA và CSMA/CD
là CSMA/CA tránh xung đột và có sử dụng cơ chế biên nhận - ACK để xác
nhận thay vì tùy ý sử dụng môi trường truyền khi thấy môi trường truyền
“rỗi”. CSMA/CA dẫn đến việc phát ra nhiều dữ liệu điều khiển trên WLAN,
làm cho chi phí về dải thông chiếm đến xấp xỉ 50% dải thông sẵn có của
WLAN.
1.4 CÁC CHUẨN KHÁC CÓ THỂ ÁP DỤNG CHO WLAN [20]
1.4.1 Giới thiệu về chuẩn 802.15
Nhóm làm việc WPAN 802.15 bắt đầu chuẩn hoá mạng Bluetooth như
là một chuẩn của IEEE vào năm 1999. Công việc này hoàn thành bởi nhóm 1
(TG1) với chuẩn IEEE 802.15.1, dựa trên các đặc điểm kĩ thuật chi tiết của
Bluetooth v1.1. Công việc xa hơn nữa là cập nhật chuẩn này thành Bluetooth
v1.2 được tiến hành bởi nhóm 1a (TG1a). Trong lúc đó nhóm làm việc
802.15 cũng đảm nhận phát triển những thí nghiệm cần thiết về việc cùng tồn
tại của IEEE 802.11b và Bluetooth. Kết quả của công việc này là việc đề
xuất chuẩn 802.15.2 vào năm 2003. Trong quá trình chuẩn hoá các chuẩn
liên quan tới Bluetooth, nhóm công tác 802.15 (802.15 Working Group) đã
phát triển thêm hai chuẩn công nghệ WPAN, gồm chuẩn 802.15.3 truyền tốc
độ cao và 802.15.4 truyền tốc độ thấp.
1.4.2 Phân loại mạng WPAN theo chuẩn 802.15
- Mạng không dây theo chuẩn 802.15.4, hay LR -WPAN (Low-Rate
WPAN): Chuẩn 802.15.4 là chuẩn truyền thông có tốc độ truyền dữ liệu
thấp, các ứng dụng chuẩn này thường là các mạng có tốc độ truyền thấp, tiêu
hao ít năng lượng, dễ dàng di chuyển.
1.4.3 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs [4], [10]
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 được bổ sung vào họ tiêu chuẩn mạng
không dây IEEE 802. Nó cung cấp các chức năng dung hòa giữa tốc độ cao
và cấu trúc mạng đáp ứng yêu cầu công suất tiêu thụ và giá thành thấp.
Hình 1.1 là mối quan hệ chuẩn IEEE 802.15.4 và Zigbee Alliance
trong các lớp kiến trúc mạng không dây Zigbee. Những lớp này tạo nên đặc
điểm nổi bật của Zigbee như giá thành thấp, công suất thấp, tin cậy trong
truyền dữ liệu và dữ dàng lắp đặt.
8
Dùng các thông số của IEEE 802.15.4, Zigbee tập trung vào thiết kế
liên quan đến lớp mạng, bảo mật và lớp ứng dụng; cung cấp các thông số cho
khả năng tương thích.
Hình 1.1 Mô hình tham chiếu 802.15.4 và Zigbee
- Lớp ứng dụng: Gồm lớp phụ APS, lớp đối tượng thiết bị Zigbee
(ZDO) và các đối tượng ứng dụng được định nghĩa bởi nhà sản xuất.
- Lớp bảo mật gồm các dịch vụ bảo mật cơ bản theo mô hình bảo mật
IEEE 802.15.4, đảm bảo sự an toàn dữ liệu và hạ tầng mạng.
- Lớp mạng cung cấp các chức năng đòi hỏi sự định hình mạng và phát
hiện thiết bị, liên kết hay phân chia, quản lý cấu hình, quản lý lớp MAC, định
tuyến và an ninh. Ba topo mạng là: hình sao, hình lưới, hình cây.
- Sau đây ta tìm hiểu sâu hơn về Lớp vật lý và lớp MAC.
a) Lớp vật lý (PHY)
Theo IEEE 802.15.4, đường truyền không dây có thể hoạt động ở 3
khoảng tần số chính thức sau: 868 MHz, 902-928MHz và 2.4 GHz. Dựa trên
các dải tần đó, tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dạng lớp vật lý.
Bảng 1.1 Kênh truyền và tần số
Tần số trung tâm Số lượng kênh Kênh Tần số kênh trung
(MHz) (N) tâm (MHz)
868 1 0 868.3
915 10 1-10 906+2(k-1)
2450 16 11-26 2405+5(-11)
- Trải phổ chuỗi trực tiếp dùng BPSK hoạt động tại dải tần 868 MHz,
tốc độ dữ liệu 20kbps.
- Trải phổ chuỗi trực tiếp dùng BPSK hoạt động tại dải tần 915 MHz,
tốc độ dữ liệu 40kbps.
- Trải phổ chuỗi trực tiếp dùng O-QPSK hoạt động tại dải tần 2.4GHz,
tốc độ dữ liệu 140kbps.
9
Cấu trúc khung dữ liệu của lớp vật lý IEEE 802.15.4 được miêu tả ở
hình 1.2 Preamble là trường đầu tiên của khung, gồm 32 bit dùng cho đồng
bộ ký tự. Trường tiếp theo xác định chiều dài đơn vị dữ liệu của lớp PHY
(PSDU). Trường tiếp theo định nghĩa header của PHY. Trường PSDU có thể
mang tối đa 127 byte dữ liệu.
Hình 1.2 Cấu trúc khung của lớp vật lý
b) Lớp MAC
Các dạng thiết bị và topo
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 phân biệt các thiết bị dựa trên khả năng và
độ phức tạp về phần cứng thiết bị. Có 2 dạng: FFD (Full Function Device) và
RFD (Reduced Function Device.
- FFD là thiết bị có chức năng đầy đủ được trang bị nguồn cung cấp và
bộ nhớ đủ cho tất cả các chức năng xử lý trong mạng, nó có khả năng giao
tiếp với mọi thiết bị trong mạng và còn có khả năng giao tiếp với thiết bị bên
ngoài mạng.
- RFD là thiết bị đơn giản, chỉ bao gồm giao diện vật lý đáp ứng tiêu
chuẩn lớp MAC IEEE 802.15.4 với khả năng xử lý hạn chế, công suất tiêu
thụ thấp.
Một FFD có thể làm việc với nhiều FFD và RFD, trong khi đó một
RFD chỉ làm việc với một FFD.
Cấu trúc siêu khung “Super Frame”
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một cấu trúc siêu khung theo tùy
chọn. Định dạng của siêu khung do PAN coordinator quy định. Hình 1.4 bắt
đầu bằng beacon và được chia thành 16 khe. Khe đầu tiên dùng để phát
beacon. Mục đích chính của trường beacon là dùng để đồng bộ các thiết bị
tham gia vào mạng, xác nhận PAN, mô tả cấu trúc siêu khung. Các khe còn
lại được dùng bởi các “competing device” trong thời kỳ truy cập tranh chấp -
CAP.
1.5 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG WSN [7], [10]
10
1.5.1 Tài nguyên phần cứng và khả năng xử lý
Số lượng các bộ điều khiển độc lập, khả năng của chúng, sự tinh vi của
liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều
so với các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến hay bộ truyền
động (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều
khiển đơn.
1.5.2 Kích thước vật lý nhỏ, giá thành rẻ, chủ yếu dùng nguồn pin
Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ
và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng
cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu
nhất định về khả năng hoạt động, kéo theo đó là giá thành hạ. Việc sử dụng
phần mềm phải đạt được hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng. Cần
có những giải pháp để hạn chế tiêu tốn năng lượng.
1.5.3 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là
cảm biến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm
các hoạt động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ: thông
tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác
và truyền lên mạng, dữ liệu có thể được nút cảm biến nhận từ các nút cảm
biến khác.
1.5.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho
ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của
nó.
1.5.5 Hoạt động tin cậy
Các thiết bị nút mạng cảm biến thường có số lượng lớn, được triển
khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật
mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị
giới hạn bởi kích thước và công suất của nút mạng. Việc tăng độ tin cậy của
các thiết bị lẻ là điều cốt yếu.
1.6 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Trong nội dung khuôn khổ luận văn, tôi tập trung nghiên cứu các vấn
đề sau:
- Nghiên cứu tổng quan về mạng không dây, mạng sensor, các lĩnh
vực ứng dụng, các chuẩn áp dụng cho các loại mạng này và đặc điểm ràng
buộc của WSN.
- Nghiên cứu, cài đặt thực nghiệm công cụ mô phỏng để mô phỏng
mạng sensor.
- Nghiên cứu tìm hiểu về kiến trúc của mạng sensor và sự tiêu tốn
năng lượng của nó.
11
- Nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho WSN.
- Đánh giá, đề xuất cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho WSN.
Chương 2- MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 GIỚI THIỆU
Hiện nay có khá nhiều công cụ mô phỏng mạng nói chung và mạng
cảm biến không dây nói riêng, để có cách nhìn nhận và đánh giá tổng quan
về các công cụ mô phỏng ta đi tìm hiểu một số công cụ mô phỏng và đánh
giá ưu nhược điểm của các công cụ. Các công cụ thường được sử dụng hiện
nay như NS-2, Mannasim, OMNet++, Castalia, MIXIM, OPNet, TOSSIM...
2.1.1 OPNET [12]
OPNET là phần mềm mô phỏng thương mại của Opnet Technologies,
Inc. Nó cũng có bản miễn phí dành cho nghiên cứu, nó có giao diện đồ họa
cho cấu hình kịch bản và phát triển mô hình mạng. Mã nguồn dựa trên
C/C++, có nhiều chức năng cho phép phân tích và vẽ biểu đồ dữ liệu ra.
Opnet không hỗ trợ nhiều cho việc mô phỏng mạng WSN, chẳng hạn như
vấn đề năng lượng. Vậy nên sử dụng OPNET là không thích hợp cho việc
mô phỏng WSN.
2.1.2 TOSSIM [12]
Một điển hình của các bộ mô phỏng WSN là TOSSIM, một phần của
TinyOS. TOSSIM cho phép mô phỏng TinyOS toàn bộ các ứng dụng bằng
cách thay thế vài thành phần cấp thấp với việc triển khai mô phỏng. Nó là
một bộ mô phỏng sự kiện rời rạc, nơi các sự kiện mô phỏng đại diện cho các
ngắt phần cứng, các sự kiện hệ thống cao cấp và các nhiệm vụ.
Mô đun ứng dụng TinyOS và phần mềm TOSSIM được biên dịch và
liên kết thành một thư viện phần mềm. Trình thông dịch Python có thể được
sử dụng với thư viện này để xác định cấu trúc liên kết, cấu hình và chạy mô
phỏng, v.v. Ngoài ra, ứng dụng C++ liên quan đến thư viện có thể được sử
dụng thay vì Python. Python tiếp cận dễ dàng hơn cho phép tương tác năng
động với mô phỏng và kiểm tra các biến của một chương trình chạy trên
TinyOS. C++ không cho phép kiểm tra biến, nhưng nhanh hơn và do đó phù
hợp hơn cho các mô phỏng hiệu suất cao.
TOSSIM có ba thiếu sót, đó là: tất cả các nút mô phỏng chạy mã ứng
dụng, không có mô hình tiêu thụ năng lượng, thiếu tài liệu hướng dẫn chi
tiết.
2.1.3 OMNeT++ và các phần mở rộng
OMNeT++ [23] là công cụ mô phỏng mã nguồn mở, có phiên bản chạy
trên Windows, viết từ C++, cho phép nhúng và viết thêm nhiều mô đun để
12
phục vụ cho những nhóm ứng dụng riêng. OMNET++ có 2 mô đun mở rộng
là Castalia [19] và MIXIM cho phép mô phỏng khá đầy đủ mạng WSN.
2.1.4 NS-2 và các phần mở rộng
NS2 cũng là một công cụ mô phỏng mã nguồn mở, được sử dụng rất
nhiều trong mô phỏng mạng, là một bộ mô phỏng sự kiện rời rạc. Có thể bổ
sung mở rộng các mô đun để mô phỏng từng loại mạng cụ thể, một trong số
đó là MANASIM. MANASIM là mô đun được viết thêm vào NS-2 để phục
vụ cho mô phỏng WSN, nó sẽ trình bày chi tiết tại mục 2.2.
Thông qua nghiên cứu, tìm hiểu, cài đặt thử nghiệm khá nhiều công cụ
để mô phỏng mạng WSN phục vụ nghiên cứu của luận văn, tôi thấy 2 công
cụ Castalia và MANASIM đáp ứng tốt nhất cho mô phỏng WSN. Mặc dù
vậy việc cài đặt và sử dụng MANASIM cũng gặp khá nhiều khó khăn, tốt
khá nhiều thời gian. Tôi đã lựa chọn bộ công cụ NS2 + Mannasim để mô
phỏng đánh giá các kết quả trình bày trong Chương 5 của luận văn này.
2.2 NS-2 VÀ MÔ-ĐUN MỞ RỘNG MANNASIM
2.2.1 NS-2 [2], [21]
Giới thiệu NS-2
NS-2 là chương trình mô phỏng mạng theo phương pháp mô phỏng
các sự kiện rời rạc. NS-2 hỗ trợ mô phỏng mạng có dây và không dây, các
giao thức giao vận TCP, UDP, các giao thức truyền thông điểm-đa điểm và
các giao thức định tuyến khác nhau v.v. NS-2 được viết bằng C++ và ngôn
ngữ hướng đối tượng Tcl (Otcl: object-oriented tool command language).
So với các phần mềm mô phỏng mạng khác, NS-2 có những ưu thế
sau:
- NS-2 có mã nguồn mở miễn phí, liên tục được bổ sung và hoàn thiện.
- Có cộng đồng người sử dụng rất đông đảo, chủ yếu thuộc các trường
đại học trên thế giới.
- NS-2 có kiến trúc mở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng
- NS-2 được phát triển từ các phần mềm nổi tiếng trên thế giới như
REAL, NEST nên nó có những điểm mạnh và đã khắc phục được những yếu
điểm của các phần mềm này.
- NS-2 hỗ trợ các tính năng cơ bản của mạng IP, từ đó có thể phát triển
thêm các phần tử mạng.
- NS-2 có cấu trúc module, thuận tiện cho việc nghiên cứu và phát
triển.
2.2.2 Mannasim Framework [14], [22]
Bản thân NS2 không có sẵn các thư viện để mô phỏng WSN, tuy
nhiên có khá nhiều mô đun mở rộng cho phép patch NS2 để mô phỏng được
WSN, chẳng hạn NRL SensorSim hay MANNASIM. Sau đây là phần trình
bày và sử dụng MANNASIM.
13
Giới thiệu MANNASIM
MannaSim là sản phẩm của nhóm nghiên cứu Manna, thuộc khoa công
nghệ thông tin, Trường Đại học Federal De Minas Gerais, Braxin. Nó được
phát triển vào những năm 2005-2006.
Mannasim là môi trường mô phỏng WSN gồm 2 tiện ích: Mannasim
Framework và Script Generator Tool.
- Mannasim Framework là một mô đun mô phỏng WSN dựa trên NS-
2. Mannasim được mở rộng từ NS-2 bằng cách thêm vào các mô đun để phát
triển và phân tích nhiều ứng dụng WSN khác nhau.
- Script Generator Tool (SGT) là một tiện ích để tạo script TCL với
giao diện dễ sử dụng, được xây dựng dựa trên java và độc lập với Mannasim
Framework.
Mục tiêu của Mannasim là phát triển một bộ mô phỏng chi tiết, chính
xác có thể mô hình hóa các nút cảm biến khác nhau và các ứng dụng nhằm
cung cấp thử nghiệm đa năng cho các thuật toán và giao thức. Nhiều thách
thức làm cho các nghiên cứu về mạng cảm biến thực sự rất khó được triển
khai và không khả thi về tài chính. Trong giai đoạn hiện nay của công nghệ,
một cách thực tế để nghiên cứu WSN là thông qua các mô phỏng có thể cung
cấp một quan điểm có ý nghĩa về hành vi và hiệu suất của các thuật toán
khác nhau.
Chương 3- KIẾN TRÚC HỆ THỐNG WSN
3.1 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
3.1.1 Giới thiệu [8]
a) Hình trạng mạng
Do đặc điểm và ứng dụng của mạng WSN nên Tô pô của mạng cảm
biến không dây thường được sử dụng với 2 dạng đó là: dạng ngang hàng và
dạng hình sao, cụm.
- Dạng ngang hàng
- Dạng hình sao
b) Giao thức của mạng [16]
- Giao thức tầng Giao vận: UDP, TCP.
- Giao thức tầng mạng: Thuộc giao thức của MANET như: AODV,
DSR, DSDV, TORA; Một số giao thức triển khai riêng cho WSN như: SPIN,
Rumor, LEACH, PEGASIS,… Có thể phân loại giao thức tầng mạng thành 3
nhóm đó là: Data-centric, Hierarchical, Location-based.
- Giáo thức tầng MAC: MAC 802.11, MAC 802.15.4, SMAC, BMAC,
TMAC, ZMAC…
c) Các kịch bản mạng WSN
14
- Một hệ thống mạng WSN gồm các thành phần cơ bản như sau:
+ Source
+ Sink (Base Station)
+ Access Point:
- Đơn chặng và đa chặng:
+ Đơn chặng “Single Hop” trong trường hợp các nút source chuyển dữ
liệu trực tiếp đến sink. Thường ứng dụng trong mạng hình sao không phân
cấp.
+ Đa chặng “Multi Hop” trong trường hợp các nút source chuyển dữ
liệu gián tiếp đến sink, có nghĩa là dữ liệu phải qua ít nhất một nút trung
gian, chẳng hạn như access point. Thường ứng dụng cho mạng có phân cấp.
3.1.2 Kiến trúc phân tầng trong mạng sensor [7], [17]
Như được mô tả trên hình 3.2, kiến trúc phân tầng bao gồm: lớp ứng
dụng (Upper Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network
Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), khối
quản lý năng lượng (Power Management Plane), khối quản lý di động
(Mobility Management Plane) và khối quản lý nhiệm vụ (Task Management
Plane).
Hình 3.2 Kiến trúc phân tầng mạng cảm biến
Khối quản lý năng lượng quản lý việc một nút cảm biến sử dụng năng
lượng của nó như thế nào. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau
khi nhận một bản tin từ một trong các nút lân cận. Ngoài ra, khi mức năng
lượng của nút cảm biến thấp, nút cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các nút lân
15
cận rằng mức năng lượng của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc
định tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm
biến và gửi thông điệp. Khối quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động
của nút cảm biến. Với việc nhận biết được các nút cảm biến lân cận, nút cảm
biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng. Khối quản lý
nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể.
Không phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực hiện nhiệm
vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một vài nút cảm biến thực
hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng.
Những khối quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút cảm biến có thể làm
việc cùng với nhau để có hiệu quả về năng lượng, có thể định tuyến số liệu
trong một mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm
biến. Nếu không, mỗi nút cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ mà thôi.
3.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG CỦA NÚT SENSOR [7], [8], [17]
3.2.1 Các thành phần của nút sensor
Khi lựa chọn các thành phần phần cứng cho một nút cảm biến không
dây, yêu cầu của ứng dụng đóng vai trò quyết định, chủ yếu là vấn đề kích
thước, chi phí, và tiêu thụ năng lượng của các nút, đảm bảo chất lượng truyền
thông và tính toán là chấp nhận được, nhưng sự đánh đổi giữa tính năng và
chi phí là rất quan trọng. Trong một số trường hợp, một nút cảm biến nhỏ
hơn 1 cc, nặng ít hơn 100g, có thể rẻ hơn hơn 1 USD, và tiêu thụ năng lượng
dưới 100 μW. Trong tương lai thậm chí kích thước các nút giảm xuống bằng
hạt bụi. Trong nhiều ứng dụng thực tế, kích thước của một nút không phải là
quá quan trọng, và sự thuận tiện, tiết kiệm năng lượng và chi phí quan trọng
hơn.
Hình 3.3 Tổng quan về các thành phần phần cứng chính
a) Bộ điều khiển
16
Bộ điều khiển là cốt lõi của một nút cảm biến không dây. Nó thu thập
dữ liệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu, quyết định khi nào gửi/nhận dữ liệu
từ/đến các nút cảm biến khác, nó là đơn vị xử lý trung tâm (CPU) của nút.
Bộ nhớ
Các thành phần bộ nhớ khá đơn giản. Cần thiết có một bộ nhớ truy cập
ngẫu nhiên (RAM) để lưu trữ các giá trị của cảm biến, các gói tin từ các nút
khác...
c) Thiết bị truyền nhận
- Các thiết bị truyền thông được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các
nút với nhau. Sự lựa chọn đầu tiên là các môi trường truyền dẫn - những lựa
chọn thông thường bao gồm: tần số vô tuyến, truyền thông quang học và siêu
âm; phương tiện truyền thông khác như điện cảm từ tính chỉ được sử dụng
trong trường hợp rất cụ thể. Trong số những lựa chọn này, tần số vô tuyến
(RF) dựa trên thông tin liên lạc đến nay là một trong những môi trường tốt
nhất vì nó phù hợp nhất với yêu cầu của ứng dụng WSN nhất: Nó cung cấp
phạm vi truyền thông tương đối dài và tốc độ dữ liệu cao, tỷ lệ lỗi chấp nhận
được, chi phí năng lượng hợp lý. Như vậy, RF là mối quan tâm lớn nhất. Đối
với một hệ thống không dây dựa trên RF, tần số sóng mang cần được chọn
lựa cẩn thận, thường sử dụng tần số liên lạc giữa khoảng 433 MHz và 2,4
GHz.
d) Cảm biến
Cảm biến có thể được tạm phân loại thành ba loại:
- Thụ động, cảm biến đa hướng
- Thụ động, cảm biến chùm tia hẹp
- Cảm biến chủ động
Trong thực tế, cảm biến rất đa dạng, phục vụ cho nhiều đặc thù ứng
dụng của mạng. Các thông số cơ bản bao gồm: tính chính xác, tin cậy, tiêu
thụ năng lượng, chi phí, kích thước.
e) Nguồn điện cung cấp của các nút cảm biến
Đối với các nút cảm biến không dây, nguồn cung cấp điện năng là một
thành phần quan trọng của hệ thống. Có hai khía cạnh: Thứ nhất, lưu trữ
năng lượng và cung cấp năng lượng trong các hình thức cần thiết; thứ hai, cố
gắng để bổ sung năng lượng tiêu thụ “scavenging” từ một số nguồn điện bên
ngoài nút cảm biến theo thời gian.
3.2.2 Một số ví dụ về nút sensor
Họ Mica Motes
Nút EYES
Btnodes
3.3. SỰ TIÊU TỐN NĂNG LƯỢNG CỦA NÚT SENSOR [8]
17
Để giảm điện năng tiêu thụ của các thành phần này, cần thực hiện từ
cấp độ chip và công nghệ sử dụng cho các lớp thấp trong kiến trúc nút mạng:
Thiết kế chip năng lượng thấp nhất là điểm khởi đầu cho hiệu quả năng
lượng nút cảm biến. Nhưng đây chỉ là một giải pháp.
Hình 3.5 Năng lượng tiết kiệm và năng lượng vô ích đối với trạng thái ngủ
Đối với một bộ điều khiển, các trạng thái điển hình là hoạt động
“Active”, nhàn rỗi “Idle”, và ngủ “Sleep”, điều này sẽ làm giảm năng lượng
tiêu thụ của nó, tuy nhiên việc chuyển giữa các trạng thái cũng làm tiêu tốn
năng lượng và tăng độ trễ.
Hình 3.5 minh họa quá trình chuyển trạng thái và sự ảnh hưởng năng
lượng và thời gian trễ. Tại thời điểm t1, quyết định có hay không một thành
phần chuyển sang chế độ chế độ ngủ, để giảm điện năng tiêu thụ từ P active
sang Psleep.
Nếu không chuyển sang chế độ ngủ, giả sử sự kiện tiếp theo xảy ra tại
thời điểm tevent, thì tổng năng lượng của E active = Pactive * (tevent - t1) (3.1) đã
được chi tiêu vô ích, do việc chạy không tải.
Nếu chuyển các thành phần sang chế độ ngủ thì cần một thời gian cho
đến khi τdown mới đạt tới chế độ ngủ; để đơn giản hóa ta giả định rằng điện
năng tiêu thụ trung bình trong giai đoạn này là (P active + Psleep) / 2. Sau đó là
Psleep kéo dài cho đến khi tevent.
Tổng điện năng tiêu thụ là:
Esleep=τdown *(Pactive + Psleep) / 2 + (tevent - t1 - τdown) * Psleep
(3.2)
Như vậy năng lượng tiết kiệm là:
Esaved = (tevent - t1) * P active - (τdown *(Pactive + Psleep) / 2 + (tevent - t1 -
τdown)*Psleep) (3.3)
Hình trên cũng cho thấy, khi chuyển từ trạng thái Psleep sang Pactive cần
mất một thời gian trễ τup, và tiêu hao năng lượng gọi là Eoverhead, với giả sử
18