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

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 ACK ADC/DAC Adhoc ADV AODV APS BPSK CAP CFP CH CN CPU CSMA/CA CSMA/CD CTS D/A DSDV DSR EEPROM FFD FSK GTS ID IEEE IFS LEACH LR WPAN MAC MANET MANNASIM ME Analog/Digital Acknowledgement Analog Digital Converter/Digital Analog Converter Mạng tự hợp di động Advertise Ad-hoc On-Demand Distance Vector Application Provided Sublayer Binary Phase Shift Keying Contention Access Period Contention Free Period Cluster Head Common Node Central Processing Unit Carier Sense Multiple Access / Collision Avoidance Carier Sense Multiple Access / Collision Detection Clear To Send Digital/Analog Destination-Sequenced Distance Vector Dynamic Source Routing Electric Erase PROM Full Function Device Frequency Shift Keying Guaranteed Time Slots IDentifier Institute of Electrical and Electronic Engineers InterFrame Spacing Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Low Rate WPAN Media Access Control Mobile Adhoc Network Manna Simulator Group Minimum Energy 3 MH NAM NF NS-2 O-QPSK PA PDA PEGASIS PHY PSDU QoS RAM REQ RF RFD ROM RSSI RTS SMAC SMACS SNR SPIN TCP TMAC UDP WBAN Wi-Fi WLAN WMAN WPAN WSN WWAN ZDO ZMAC Minimum Hop Network Animator Noise Figure Network Simulator version 2 Offset Quadrature Phase Shift Keying Power Available Personal Digital Assistant Power-Efficient GAthering in Sensor Information Systems Physical PHY Service Data Unit Quality of Service Random Access Memory ReQuest Radio Frequency Reduced Function Device Read Only Memory Received Signal Strength Indication Request To Send Sensor MAC Self-oganization MAC for Sensor network Signal To Noise Ratio Sensor Protocols for Information via Negotiation Tranmisstion Control Protocol Timeout MAC User Datagram Protocol Wireless Body Area Network Wireless Fidelity Wireless Local Area Network Wireless Metropolitan Area Network Wireless Personal Area Network Wireless Sensor Network Wireless Wide Area Network Zero Differential Overlap 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 NS2. 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