Nghiên cứu giải thuật phân tuyến cân bằng năng lượng mạng wsn

  • Số trang: 56 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 15 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG MẠNG WSN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG MẠNG WSN NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VƢƠNG ĐẠO VY HÀ NỘI – 2014 1 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn tốt nghiệp là kết quả của việc nghiên cứu và thực hiện của cá nhân tôi, không sao chép bất cứ nội dung văn bản của tác giả nào. Các tài liệu tham khảo được liệt kê đầy đủ và trích dẫn rõ ràng. Đỗ Tuấn Anh 2 Lời nói đầu Với những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã đặt sự chú ý lớn hơn đến những mạng gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng. Ngày nay, người ta đang tập trung xây dựng các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm biến được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh... Tuy nhiên hiện nay, mạng cảm biến không dây đang gặp phải nhiều khó khăn, thách thức, một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây là nguồn năng lượng hạn chế và thường không thể nạp lại. Do đó có khá nhiền nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai, các ứng dụng của mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống con người. Trong luận văn này, em sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các giao thức cũng như các giao thức định tuyến thường được sử dụng, sử dụng phần mềm mô phỏng mạng để đánh giá giao thức LEACH, đề xuất giải pháp mới giúp tăng hiệu quả sử dụng giao thức giúp kéo dài thời gian sử dụng của mạng cảm biến không dây. Luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Chương 3: Mô phỏng giao thức định tuyến LEACH Chương 4: Tổng kết Để có thể hoàn thành luận văn này, em đã được học hỏi những kiến thức quý giá của các thầy cô, bạn bè trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Em xin trân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Vương Đạo Vy – Khoa Điện tử Viễn Thông – Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, tháng 4 năm 2014 Đỗ Tuấn Anh 3 MỤC LỤC Lời nói đầu ............................................................................. Error! Bookmark not defined. Danh sách hình vẽ ................................................................. Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........ Error! Bookmark not defined. 1.1 Giới thiệu.................................................................. Error! Bookmark not defined. 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây ......................... Error! Bookmark not defined. 1.2.1 Cấu trúc node mạng ........................................... Error! Bookmark not defined. 1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây........... Error! Bookmark not defined. 1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây.......... Error! Bookmark not defined. 1.3.1 Khả năng chịu lỗi: .............................................. Error! Bookmark not defined. 1.3.2 Khả năng mở rộng: ............................................ Error! Bookmark not defined. 1.3.3 Chi phí sản xuất: ................................................ Error! Bookmark not defined. 1.3.4 Phần cứng: ......................................................... Error! Bookmark not defined. 1.3.5 Môi trường hoạt động: ....................................... Error! Bookmark not defined. 1.3.6 Tiêu thụ năng lượng: .......................................... Error! Bookmark not defined. 1.3.7 Tính bảo mật: ..................................................... Error! Bookmark not defined. 1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ................ Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not defined. 2.1 Giới thiệu.................................................................. Error! Bookmark not defined. 2.2 Các vấn đề cần lưu ý đối với giao thức định tuyến .. Error! Bookmark not defined. 2.2.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến ............. Error! Bookmark not defined. 2.2.2 Tài nguyên hạn chế ............................................ Error! Bookmark not defined. 2.2.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ............ Error! Bookmark not defined. 2.2.4 Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ...... Error! Bookmark not defined. 4 2.3 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây .... Error! Bookmark not defined. 2.3.1 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centic protocols) ......... Error! Bookmark not defined. 2.3.2 Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) ............. Error! Bookmark not defined. 2.3.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) ....... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG GIAO THỨC LEACH ....................... Error! Bookmark not defined. 3.1 NS2 ........................................................................... Error! Bookmark not defined. 3.1.1 Giới thiệu ........................................................... Error! Bookmark not defined. 3.1.2 Kiến trúc NS2 .................................................... Error! Bookmark not defined. 3.1.3 C++ và Otcl ........................................................ Error! Bookmark not defined. 3.1.4 Các đặc tính của NS-2 ....................................... Error! Bookmark not defined. 3.2 Lý thuyết về LEACH ............................................... Error! Bookmark not defined. 3.3 Mô phỏng mạng cảm biến không dây trên NS-2 ..... Error! Bookmark not defined. 3.3.1 Bài toán mô phỏng ............................................. Error! Bookmark not defined. 3.3.2 Cấu trúc phần mềm ............................................ Error! Bookmark not defined. 3.3.3 Mô phỏng ........................................................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 4 TỔNG KẾT ......................................................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... Error! Bookmark not defined. 5 Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Hình 1.3 Cấu trúc phẳng Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Hình 2.1 Hiện tượng bản tin kép Hình 2.2 Hiện tượng chồng chéo Hình 2.3 Cơ chế của SPIN Hình 2.4 Các pha trong Directed Diffusion Hình 2.5 Chuỗi trong PEGASIS Hình 2.6 Ví dụ về lưới ảo trong GAF Hình 3.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng Hình 3.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS Hình 3.3: Kiến trúc của NS-2 Hình 3.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu Hình 3.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B Hình 3.6 Giao thức LEACH Hình 3.7 Time-line hoạt động của LEACH Hình 3.8 Giải thuật hình thành cluster trong LEACH Hình 3.9 Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau (nút đen là nút chủ) 6 Hình 3.10 Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái Hình 3.11 Hoạt động của pha ổn định trong LEACH Hình 3.12 Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng Hình 3.13 Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng Hình 3.14 Đồ thị so sánh năng lượng sử dụng khi có và không có tổng hợp dữ liệu cục bộ Hình 3.15 Mô hình cấu trúc phần mềm xây dựng trên NS-2 Hình 3.16 Mô hình mạng Hình 3.17 Số node sống giảm theo thời gian Hình 3.18 Đồ thị thay đổi vị trí trạm cơ sở Hình 3.19 Đồ thị thay đổi số node trong mạng Hình 3.20 Đồ thị thay đổi năng lượng ban đầu của node mạng 7 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chương mở đầu này sẽ giới thiệu chung nhất về mạng cảm biến không dây cũng như các thành phần của mạng, cấu trúc của 1 node mạng, các yếu tố cần xem xét khi nghiên cứu về mạng cảm biến cũng như các ứng dụng thực tiễn vô cùng hữu ích trong nhiều lĩnh vực cuộc sống của mạng cảm biến không dây. Ngoài ra cũng sẽ đề cập đến một số khó khăn, thách thức cần cải thiện của mạng để đáp ứng tốt hơn với nhu cầu càng ngày càng cao của con người. 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây có 2 chức năng quan trọng là: mạng và cảm nhận. Mạng cảm biến không dây gồm các node liên kết với nhau bằng sóng vô tuyến với các node thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có khả năng cảm nhận thông tin từ môi trường tùy thuộc yêu cầu, giá thành thấp... Mạng thường có số node mạng lớn, được phân bố trên một diện tích nhất định, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường là pin), có thời gian duy trì từ vài tháng đến vài năm, có thể được triển khải ở những môi trường khắc nghiệt nhằm nhiệm vụ giám sát, cảnh báo... Các node mạng có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng..., định vị, theo dõi, thông báo các thông tin về mục tiêu cần giám sát. Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm trung tâm để xử lý thông tin. Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây là mạng được triển khai với số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có nguồn năng lượng hạn chế, có khả năng cảm nhận, tính toán và thông tin liên lạc với các thiết bị khác nhằm mục đích phát hiện, giám sát, điều khiển trong môi trường nhất định. Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:  Có khả năng tự tổ chức, tự vận hành.  Truyền thông tin quảng bá trong phạm vi nhất định.  Triển khai với mật độ nhất định tùy thuộc yêu cầu và có khả năng kết nối giữa các node cảm biến.  Cấu hình mạng có thể thay đổi định kỳ tùy thuộc vào sự suy giảm các node còn sống.  Có giới hạn về mặt năng lượng, công suất, bộ nhớ, phạm vi thu phát. 8 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1 Cấu trúc node mạng Để xây dựng nên mạng cảm biến không dây trước hết phải chế tạo và phát triển các node mạng cảm biến giúp cấu thành nên mạng. Các node phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo mục đích sử dụng cụ thể: Các node phải có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả, có các thiết bị cảm biến có độ tin cậy cao, có khả năng tính toán và có bộ nhớ lưu trữ đáp ứng đủ yêu cầu, phải có khả năng thu phát sóng vô tuyến để thông tin liên lạc với các node khác và trạm cơ sở. Mỗi node cảm biến được cấu thành bởi 4 phần cơ bản: bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý( a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn ( a power unit). Ngoài ra còn có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc ứng dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn ( a power generator) và bộ phận di dộng (mobilizer). Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến  Các bộ phận cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC).  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.  Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ nhất định.  Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các node lân cận tới các node khác hoặc tới base station. 9  Một trong số các phần quan trọng nhất của một node mạng cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn thường là một số loại pin có năng lượng hạn chế. Để các node có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó nên có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng 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. Vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó. 1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây 1.2.2.1 Cấu trúc mạng Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của toàn mạng. Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần đáp ứng những yếu tố kĩ thuật như:  Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính thì giao tiếp trực tiếp giữa 2 node mạng sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hoặc vật cản. Đặc biệt là khi node phát và node thu cách nhau càng xa thì càng cần công suất càng lớn. Vì vậy cần có các node trung gian để làm node chuyển tiếp làm giảm công suất tổng thể. Do đó các mạng cảm biến không dây cần dùng giao tiếp multihop.  Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của toàn mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây.  Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Chẳng hạn như các node có thể tự xác định vị trí của nó thông qua các node khác.  Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node cảm biến không thu thập đủ dữ liệu cần phải có nhiều node cùng tham gia cộng tác hoạt động để thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node tự thu thập dữ liệu rồi gửi ngay 10 dữ liệu đó đến trạm cơ sở thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều node trong 1 phân vùng nhất định, xử lý sơ bộ sau đó mới gửi tới trạm cơ sở giúp tiết kiệm băng thông và năng lượng tiêu thụ. Do đó, cấu trúc mạng mới cần thiết kế thỏa mãn các yêu cầu như:  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 node lân cận nhau. Các node cảm biến được phân bố trong 1 vùng cảm biến như hình dưới. Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm cơ sở. Dữ liệu được định tuyến lại đến trạm cơ sở bởi cấu trúc đa điểm. Các trạm cơ sở có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây a, Cấu trúc phẳng (flat architecture) 11 Hình 1.3 Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ chuyển tiếp. Với phạm vi truyền cố định, các node gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lượng lớn nguồn tiêu thụ. Giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng 1 tần số để truyền dữ liệu, vì vậy cần 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 hoặc tần số. b, Cấu trúc phân cấp (tiered architecture) Trong cấu trúc phân cấp, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc vào kích thước của cụm đến node định sẵn, thường là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các node tạo thành một hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi node ở 1 mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã được định sẵn. 12 Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các node. Những chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng phân phối dữ liệu. Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Các nhiệm vụ xác định có thể được phân chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp này, các cảm biến ở cấp thấp nhất đóng vài trò là bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi 13 tín hiệu, trong đó các node ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này và thực hiện các chức năng như tính toán, phân phối dữ liệu. Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn mạng cấu trúc phẳng bởi các lý do sau:  Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí 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 node chỉ cần 1 lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các node cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng nhất định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không quá cao. Thay vào đó, nếu số lượng lớn các node có chi phí thấp được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ, chi phí toàn mạng sẽ giảm xuống.  Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng. Khi cần tính toán nhiều thì 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 node 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 phân cấp mà các chức năng mạng được phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ giúp tăng thời gian sống của toàn mạng.  Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các node 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 node trong mạng có n  W  , trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi kích cỡ  n  node là  mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi node sẽ giảm về 0. Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc phân cấp 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 node ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm 14 sink 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 phân cấp 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 phân cấp. 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 node, một phần phân bố đến tập con của các node. Giả thiết rằng các node đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần 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 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây 1.3.1 Khả năng chịu lỗi: Một số các node 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 node mạng không hoạt động. 1.3.2 Khả năng mở rộng: Khi triển khai mạng cảm biến nghiên cứu một hiện tượng nào đó, số lượng các node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Những kiểu mạng mới phải có khả năng làm việc với số lượng các node này và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm biến. 1.3.3 Chi phí sản xuất: 15 Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node 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 node cảm biến phải giữ ở mức thấp. 1.3.4 Phần cứng: Ngoài kích cỡ nhỏ,càng nhỏ càng tốt ra, các node 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 ứng với môi trường. 1.3.5 Môi trƣờng hoạt động: Các node 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. 1.3.6 Tiêu thụ năng lƣợng: Các node mạng có nguồn năng lượng giới hạn. Trong một số điều kiện nhất định, việc bổ sung nguồn cho các node là không thể thực hiện được. Vì thế thời gian sống của node cảm biến phụ thuộc phần nhiều vào pin. Việc duy trì và quản lý năng lượng của node đóng vai trò quan trọng do sự cố nếu xảy ra với một vài node có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn mạng. 1.3.7 Tính bảo mật: Trong mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan trọng, đặc biệt là trong quân sự. Việc truyền tín hiệu không dây luôn tiềm ẩn rủi ro mất thông tin, bị đánh cắp thông tin rất lớn. Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận. Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin, điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bít xác thực… 1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 16 a, Ứng dụng trong môi trường:  Phát hiện cháy rừng: Bằng việc triển khai mạng cảm biến không dây trong rừng, mỗi node mạng sẽ thu thập các thông tin cần thiết như nhiệt độ, độ ẩm, khói... sau đó gửi về trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, cảnh báo và phát hiện ra cháy. Điều này sẽ giúp sớm phát hiện và ngăn chặn các thảm họa cháy rừng.  Cảnh báo lũ lụt: Hệ thống được triển khai bao gồm các node cảm biến về lượng mưa, mực nước. Các node cảm biến cung cấp các thông tin cho hệ thống xử lý trung tâm để phân tích và cảnh báo sớm.  Giám sát các hiện tượng địa chấn: Có thể triển khai mạng cảm biến gồm các node cảm biến về sự rung chuyển trên mặt đất hoặc trong lòng đất giúp cảnh báo sớm động đất, sóng thần, núi lửa phun trào. b, Ứng dụng trong y học:  Giám sát trong y tế và chuẩn đoán: Trong tương lai không xa, các node cảm biến có thể đủ nhỏ, đủ tin cậy để gắn lên cơ thể người giúp giám sát sức khỏe con người, cảnh báo các nguy cơ bệnh tật nhờ đó có thể phát hiện sớm và chữa bệnh dễ dàng hơn. c, Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày: Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai trong nhà giúp đo nhiệt độ. Không những thế chúng còn có thể phát hiện ra sự di chuyển trong nhà và thông báo đến các thiết bị báo động trong trường hợp cảnh báo có trộm. d, Trong lĩnh vực công nghiệp:  Trong kinh doanh: việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa sẽ được giải phóng. Các kiện hàng có thể gắn các node cảm biến chỉ cần tồn tại trong thời gian lưu trữ. Trong mỗi lần kiểm kê, người ta chỉ cần quảng bá 1 bản tin tới kho lưu trữ. Tất cả các kiện hàng sẽ tự động trả lời bản tin đó giúp bộc lộ thông tin về kiện hàng. Việc này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa số lượng lớn. e, Trong lĩnh vực nông nghiệp:  Ứng dụng trong trồng trọt: Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai giúp giám sát và duy trì độ ẩm đất trong trồng trọt. 17  Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cần triển khai các cảm biến giúp dễ dàng theo dõi và giám sát tình trạng môi trường sống cho gia súc, gia cầm. g, Trong quân sự:  Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong quân sự như giám sát quân đội, giám sát các trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, đối phương, thăm dò, tấn công bằng vũ khí công nghệ cao. Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây có thể chia làm 2 loại là:  Giám sát môi trường tĩnh.  Giám sát môi trường động. 18 CHƢƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đề xuất rất nhiều các giải thuật mới để giải quyết hiệu quả hơn vấn đề định tuyến dữ liệu. Các giải thuật định tuyến cần đáp ứng được các yêu cầu về mặt ứng dụng và cấu trúc cũng như các đặc điểm riêng của mạng tùy vào yêu cầu thiết kế. Chương này trình bày ba loại giao thức thông dụng thường được dùng trong mạng cảm biến không dây, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location-based protocol). 2.1 Giới thiệu Định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều thách thức do bản chất mạng cảm biến không dây có những đặc điểm riêng biệt khác hẳn so với các loại mạng khác:  Trong mạng cảm biến không dây, số lượng các node là rất lớn, nên ta không thể xây dựng 1 chế độ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các node cảm biến, vì thế không thể áp dụng giao thức dựa trên IP.  Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây, các luồng dữ liệu cảm biến đều là từ nhiều nguồn khác nhau cùng truyền về 1 node sink xác định.  Lưu lượng thông tin truyền từ các node cảm biến sẽ có lượng thừa đáng kể vì có thể các cảm biến trong cùng 1 vùng lân cận có thể phát đi cùng 1 dữ liệu. Những thông tin dư thừa đó cần được xử lý sơ bộ bởi các giải thuật trước khi truyền đi giúp tăng hiệu quả sử dụng băng thông cũng như tiết kiệm năng lượng.  Các node cảm biến bị hạn chế bởi năng lượng truyền tải, năng lượng sử dụng, quá trình xử lý và lưu trữ dữ liệu. Do đó nguồn năng lượng của node cần được quản lý chặt chẽ. 2.2 Các vấn đề cần lƣu ý đối với giao thức định tuyến
- Xem thêm -