Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây

  • Số trang: 25 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 19 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG iso 9001 : 2000 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đề tài :Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây Giáo viên hƣớng dẫn :Th.s Hoà Quang Dự Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Hạnh Lớp CT701 Khoá 7 Hải phòng tháng 7 năm 2007 1 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1, Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm nhận không dây,Khái niệm,Yêu cầu của WSN, Ưu nhược điểm của WSN,Kiến trúc,Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế giới và Việt Nam hiện nay. 2, Nghiên cứu, xây dựng một mạng cảm nhận không dây kiến trúc CLUSTER với cách thức chon nút gốc, cách thức quản lý các nút mạng trong một CLUSTER,cách thức giao tiếp giữa các nút mạng, cách thức xử lý sự cố khi một nút trong CLUSTER bi hỏng, hoặc thêm bớt một nút mạng trong một CLUSTER 3, Viết chương trình truyền dữ liệu giữa các nút mạng làm cơ sở để xây dựng các ứng dụng thực tế của mạng cảm nhận không dây, ví dụ: xây dựng hệ thống đo khí tượng dự báo thời tiết, cảnh báo thảm họa môi trường… 2 Chƣơng 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây 1.1Khái niệm mạng cảm nhận không dây: WSN là một mạng không dây, mà các nút mạng là các vi điều khiển sau khi đã được cài đặt các phần mềm nhúng, kết hợp với các bộ phát sóng vô tuyến cùng với các cảm biến và nó có khả năng thu nhận ,xử lý dữ liệu từ môi trường xung quanh nút mạng và từ các nút mạng khác truyền tới 1.2. Yêu cầu của mạng cảm nhận không dây: + Các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít + Các nút mạng có thời gian sống dài + Độ bao phủ rộng + Mạng phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng. + Tích hợp ADC để có thể ghép nối với cảm biến tương tự + kích thước vật lý nhỏ + Bảo mật và tốc độ thu thập thông tin hiệu quả giá thành rẻ 3 và tính dễ triển khai Chƣơng 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây 1.3.Ƣu nhƣợc điểm của WSN: 1.3.1 Ƣu điểm của WSN: + Tính linh hoạt + Tiết kiệm được chi phi xây lắp + Dễ dàng sử dụng và cài đặt + Dễ dàng mở rộng hệ thống mạng 1.3.2 Nhƣợc điểm của WSN: + Mạng cảm nhận không dây có thể cho mọi người truy cập ở bất kỳ đâu nhưng do thiết bị di động có màn hình hiển thị nhỏ nên khi hiển thi thông tin gặp khó khăn + Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không dây chậm + An toàn bảo mật thông tin trên mạng phức tạp 4 Chƣơng 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây 1.4. Các Kiến trúc của mạng cảm nhận không dây: 1.4.1 Mạng đơn : Tất cả các nút liên lạc trực tiếp tới trạm gốc Base Station 1.4.2 Mạng liên kết bước : Các nút ở xa truyền dữ liệu tới trạm gốc thông qua các nút trung gian, Nút trung gian tiêu hao năng lượng nhiều 5 Chƣơng 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây 1.4. Các Kiến trúc của mạng cảm nhận không dây: 1.4.3 Mạng liên kết bó : Nhóm các nút gần nhau tập hợp dữ liệu và đánh dấu một nút giữ việc truyền thông với trạm gốc. Base Station 1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế giới và Việt Nam hiện nay. 1.5.1 Ứng dụng WSN ở Trên thế giới 1.5.2 Ứng dụng WSN ở Việt Nam 6 CHƢƠNG II : Kiến trúc nút WSN II.1 Bộ vi xử lý: Xử lý dữ liệu thu thập từ môi trường và tín hiệu truyền nhận giữa các nút II.2 Bo mạnh: Bao gồm nguồn nuôi, ăng ten ,các cổng giao tiếp và là nơi để tích hợp các thiết bị như : bộ cảm biến , bộ lưu trữ dữ liệu,bộ truyền thông… II.3 Bộ lƣu trữ: Kiến trúc bộ lưu trữ phải nhỏ: sử dụng bộ nhớ DRAM và Flash. II.4 Bộ truyền thông: Mô hình truyền thông thường được đề cập trong WSN hiện thời là việc truyền thông đa bước theo kiến trúc bó. các kết quả hiện thời chỉ ra rằng việc truyền thông đa bước theo kiến trúc bó sẽ tiết kiệm được năng lượng II.5 Bộ cảm biến, bộ khởi động: Có rất nhiều loại cảm biến (quang, cơ, nhiệt....) bộ cảm biến như là đôi mắt của mạng cảm nhận không dây còn bộ khởi động như là cơ bắp của nó 7 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER III.1 Giới thiệu chung về kiến trúc CLUSTER Trong mạng tổ chức thành một tập hợp của những bó các nút, mỗi nút thuộc về một bó,mỗi bó có NID và CID.Các nút trong bó thực hiện một giải thuật để chọn nút đầu bó và các thành viên khác. Tất cả các nút thành viên trong bó truyền dữ liệu của chúng tới nút đầu bó, nút đầu bó nhận dữ liệu từ các thành viên trong bó, thực hiện xử lý và truyền dữ tới trạm gốc. 8 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Ƣu điểm:Tiết kiệm năng lượng truyền từ các nút tới trạm gốc,nhanh chóng, tiện dụng tránh xung đột,dễ dàng mở rộng kích thước mạng Nhƣợc điểm: Năng lượng tại các nút đầu bó tiêu hao nhanh, phải có giả thuật chon nút đầu bó,phải quản lý được kích thước bó,giao thức truyền thông giữa các nút tránh xung đột. Chu kỳ thiết lập bó:Các nút đầu bó được chọn sẽ quảng bá thông điệp thông báo đến các nút lân cận. Các nút lân cận sẽ tiếp nhận các thông điệp của các nút đầu bó và lựa chọn để trở thành nút thành viên của bó, bằng cách gửi lại một thông điệp tới nút đầu bó mà nó tham gia. Nút đầu bó tiếp nhận các thông điệp, rồi tạo ra lịch trình gửi tới các nút thành viên để thông báo khung thời gian làm việc 9 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Giải thuật chọn nút đầu bó – Trƣờng hợp 1 Mỗi nút tự bầu chọn chính mình thành nút đầu bó với xác suất Pi(t) trong tổng số N nút mạng Với k: số lƣợng nút đầu bó Để đảm bảo mỗi nút trở thành nút đầu bó duy nhất một lần trong mỗi N/k vòng, đánh dấu Ci(t) = 0 nếu nút đã là nút đầu bó trong vòng hiện tại và Ci(t) = 1 nếu ngược lại.Mỗi cá nhân nút chọn làm nút đầu bó trong vòng r với xác suất Pi(t) Giá trị: N - k*(r mod N/k) đại diện cho số lượng các nút chưa được chọn Sử dụng r mod N/k bảo đảm bắt đầu lại sau khi tất cả các nút đã được chọn lọc 10 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Giải thuật chọn nút đầu bó – Trƣờng hợp 2 Các nút có mức năng lượng cao hơn sẽ có xác suất trở thành nút đầu bó cao hơn các nút khác Như vậy, xác suất mỗi nút được chọn dựa trên mức năng lượng của mỗi nút và mức năng lượng tổng thể của các nút trong bó Với Ei(t) là mức năng lượng của nút i Chú ý rằng giải thuật này yêu cầu mỗi nút cần phải biết giá trị Etotal(t), để xác định chính xác giá trị thời gian hoạt động và năng lượng tiêu thụ 11 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Sơ đồ thiết lập bó Đúng Nút i là đầu bó Thông báo trạng thái nút đầu bó Sai Đợi thông báo của các nút đầu bó Đợi các thông báo join-REQ của các nút Gửi các thông báo joinREQ tới nút đầu bó đã chọn Tạo lịch trình TDMA và gửi các thành viên của bó t=0 Đợi lịch trình làm việc từ nút đầu bó t=0 Thực hiện giai đoạn trạng thái ổn định trong t=Tround giây 12 Hình 3.4: sơ đồ thiết lập bó CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Truyền dữ liệu trong chế độ bytemode: các bit trong thanh ghi dịch 8 bit được chuyển tới bộ điều chế.Nó sẽ nạp dữ liệu mới từ thanh ghi RFBUF, sẽ có 1 yêu cầu ngắt được sinh ra để RFBUF có thể nạp dữ liệu Trong chế độ bitmode: tại mỗi thời điểm chỉ có 1 bit được đưa vào bộ đệm. Vì vậy thanh ghi dịch sẽ nạp 1 bit mới từ RFBUF sau mỗi bit được truyền đi. Để có thể ghi 1 bit mới vào RFBUF, Để có thể bắt đầu truyền dữ liệu 1 cách nhanh chóng thì byte hoặc bit đầu tiên phải được nạp vào thanh ghi RFBUF. Sau đó nó sẽ được nạp vào thanh ghi dịch và 1 yêu cầu ngắt sẽ được sinh ra cho byte/bit thứ 2. 13 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Nhận dữ liệu Khi nhận dữ liệu bộ đệm sẽ làm các công việc ngược lại so với quá trình truyền dữ liệu. Từng bit 1 trong bộ giải mã được chuyển vào thanh ghi dịch dữ liệu được đưa sang RFBUF và yêu cầu ngắt được sinh ra. trong chế độ bytemode Các byte phải được đọc trong 1 chu kỳ byte (chu kỳ 8 Baud đối với mã NRZ và chu kì 16 Baud đối với mã Manchester). Nếu không thì dữ liệu cũ sẽ bị ghi đè. Trong chế độ bitmode việc nạp đệm dữ liệu diễn ra tương tự nhưng tại một thời điểm chỉ có một bit được nạp vào. Vì vậy khi bit dữ liệu mới đến từ bộ giải mã thì thanh ghi dịch sẽ lưu trữ nó và lưu bit cuối cùng vào RFBUF.0. Nó sẽ sinh ra một yêu cầu ngắt để có thể nhận được bit dữ liệu. 14 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) Giao thức truyền thông tránh xung đột Lộ trình trong mạng:giao thức DSR (Dynamic Source Routing) là giao thức định tuyến phản ứng sử dụng định tuyến nguồn (source routing) đặc trưng cho giao thức theo yêu cầu (on-demand protocol). Tiêu đề của các gói tin dữ liệu chứa thứ tự các nút mà gói tin cần phải đi qua để tới đích. Do vậy, các nút trung gian chỉ cần giữ liên lạc với các nút hàng xóm ngay sát cạnh mình để chuyển tiếp các gói tin. Ngược lại, nút nguồn cần phải biết thứ tự của toàn bộ các chặng để đạt tới đích. III.5.2Các giao thức bao gồm . DSR (Dynamic Source Routing) bao gồm 2 giai đoạn: Route Discovery (Phát hiện đường) Route Maintenance (Duy trì đường) 15 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) Giao thức MAC (giao thức điều khiển truy cập) nhiệm vụ cơ bản của giao thức MAC là tránh xung đột để hai nút bất kì không truyền thông tại cùng 1 thời điểm. Có rất nhiều giao thức MAC được phát triển TDMA (Time division multiple access). CDMA (Code division multiple access). S-MAC (Sensor MAC), một giao thức MAC mới được thiết kế dành riêng cho mạng cảm nhận không dây Trong đó việc giảm bớt tiêu thụ năng lượng là mục đích chính 16 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER giới hạn nút trong bó(quản lý kích thƣớc bó) Tránh việc có quá nhiều hay quá ít các nút trong một bó, đảm bảo kết nối tốt và tránh xung đột.Gọi A là nút đầu bó ,n(A) là số các nút nhỏ nhất và N(A) là số các nút lớn nhất trong một bó , khi đó số khả thi được đưa ra là N(A) = 8 với 3bit địa chỉ được gán cho một bó. Nếu không đủ số nút cho một bó thì nút đầu bó giữ tín hiệu join và tăng bán kính(r) truyền lên : r = k.r (là giới hạn số lượng các nút mới) với k>1. Do đó xuất hiện giá trị Rmax , Nếu r>Rmax thì thuật toán sẽ kết thúc 17 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) khả năng tự cấu hình: khả năng tự động tổ chức và duy trì mạng mà không cần sự can thiệp của người quản trị mạng là một yêu cầu đối với mạng cảm nhận không dây kiến trúc bó. Bao gồm 4 giai đoạn : Giai đoạn cấu hình : các nút mạng bắt đầu tập hợp lại thành bó. Giai đoạn duy trì :Mỗi nút mạng phát ra đều đặn một tín hiệu “ I`m alive”, nó thông báo cho các nút lân cận của nó bảng định tuyến và nó vẫn còn trong mức độ năng lượng hoạt động. Tiến trình này được gọi là sự kiểm tra hoạt động, một nút mạng sẽ hỏi các nút khác để biết nếu nó còn đang hoạt động. Giai đoạn cấu hình lại : Một nút khi phát hiện ra nút lân cận bị lỗi hoặc một bó bị phân chia, và nó cập nhật bảng định tuyến của nó. Nếu một bó bị chia cắt, bó đó sẽ cố gắng kết nối vào một bó hiện tại khác trong khi vẫn giữ nguyên sự cân bằng của về cấp độ trong mạng. 18 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER khả năng cấu hình lại khi thêm nút hoặc nút bị hỏng: Quá trình khám phá:Mỗi nút tạo cho mình một bán kính truyền r để phát tín hiệu “Hello”Nếu nhận được tín hiệu “I am here” còn khả năng kết nạp vào bó thì nó ghi nhận bán kính truyền r Quá trình cấu hình mạng: lắng nghe lời mời kết nối của nút đầu bó. Nếu có, nó sẽ phát tín hiệu “join-repuest”. Nếu nhận được tín hiệu chấp nhận “join-confim” nó sẽ trả lời bằng tín hiệu ACK và kết nối với bó đó. Ngược lại, nó sẽ quay trở lại giai đoạn nghe. Nếu không có lời mời nào thì nó sẽ trở thành nút đầu bó với địa chỉ ban đầu là 000. Sau đó nó phát tín hiệu mời kết nối “join . 19 CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Quá trình duy trì cấu hình mạng: Cứ sau 30giây các nút phát một tín hiêu kiểm tra “I am alive”và nghe xem có tín hiệu trả lời ACK từ các nút trong bó không .khi nhận được tín hiệu kiểm tra thì các nút gửi lại ACK để báo cho nút đó biết rằng nó vẫn đang hoạt động. Nếu trong khoảng thời gian là 6 lần mà không nhận được một ACK từ nút đó trong bó thì nó sẽ coi như nút bị lỗi Quá trình tự cấu hình lại mạng:Nếu phát hiện ra một nút hay một đường liên kết bị lỗi, nút đó sẽ quay trở lại quá trình khám phá từ đầu 20
- Xem thêm -