Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây 4

Hình 1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. 6

Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz 7

Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 9

Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây trong nông nghiệp 18

Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong giao thông 19

Hình 1.7. Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong dân dụng 20

Hình 2.1. Lược đồ giao thức S-MAC 29

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 97 trang tài liệu này.

Hình 2.2. Đồng bộ giữa các nút A,B với C,D. 30

Hình 2.3. Quan hệ định thời giữa nút nhận và các nút gửi 33

Hình 2.4. Minh họa tránh nghe lỏm 36

Hình 2.5. Chu kỳ thức ngủ của T-MAC 40

Hình 2.6. Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản 42

Hình 2.7: Minh họa truyền bất đối xứng 45

Hình 2.8: Minh họa thực hiện gửi sớm RTS. 46

Hình 2.9. Minh họa ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy 48

Hình 2.10. Minh họa các vấn đề với CSMA trong môi trường không dây. a) nút ẩn, b) nút hiện. 50

Hình 2.11. Khe thời gian LMAC 51

Bảng 2.1. Bảng cấu trúc thông điệp điều khiển của LMAC 52

Hình 2.12. Minh họa thuật toán phân tán để tìm kiếm khe thời gian rảnh rỗi của giao thức LMAC 55

Hình 3.1. Minh họa code của file omnetpp.ini 60

Hình 3.2. Minh họa giao diện lập trình trên Castalia 61

Hình 3.3. Minh họa năng lượng tiêu thụ của S-MAC và T-MAC trong mạng cảm biến không dây với số lượng 25 nút 66

Hình 3.4. Minh họa năng lượng tiêu thụ của S-MAC và T-MAC trong mạng cảm biến không dây với số lượng 49 nút 67

Hình 3.5: Minh họa tải cao điểm và mức năng lượng tiêu thụ (với 10 nút và 20 nút)

...................................................................................................................................68

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cùng với những tiến bộ trong công nghệ như vật liệu, điện tử,… đã tạo điều kiện thuận lợi xây dựng thế hệ mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) ngày càng hiện đại và ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của xã hội như công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng, giao thông và y tế.

Với ưu điểm như kích thước nhỏ ngọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm biến không dây đã trở thành 1 thành phần không thể thiếu trong xã hội hiện đại, nhất là trong xu thế IoT và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm thì việc tối ưu hiệu suất cho mạng cảm biến không dây, cũng như nâng cao hiệu năng của giao thức lớp mạng đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, trong đó việc phân tích và đánh giá giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây là một bước quan trọng để thực hiện công việc nghiên cứu này.

Kết quả đánh giá giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây sẽ cho phép nhà khoa học đưa ra những ưu điểm và nhược điểm của từng giao thức trong những điều kiện, môi trường khác nhau. Căn cứ vào kết quả đánh giá, các nhà khoa học sẽ thực hiện việc xây dựng thuật toán khắc phục những nhược điểm của giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây.

Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây”. Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu một số kỹ thuật, thuật toán của giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây, từ đó đưa ra những đánh giá cho từng loại giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây.

Bố cục của luận văn như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.

Chương 2: Một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây. Chương 3: Đánh giá giao thức lớp MAC trong WSNs

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1. Giới thiệu

Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc độ và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây. Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời.

Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng của các đối tượng thông minh. Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý và các cảm biến. Mạng cảm biến liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó các nút trong mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên [3].

Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động. Các nút giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng như hình 1.1.

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây.

Qua đó ta thấy rằng, các nút cảm biến được bố trí ở vị trí xa, khó đi lại hoặc không thuận lợi cho việc cung cấp nguồn năng lượng cho các nút cảm biến. Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả là chủ đề nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, trong đó có chủ đề kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây.

1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông thường, nó có một số đặc điểm nổi bật như sau:

- Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng... do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình.

- WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế & giao thức truyền vô tuyến riêng.

- Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến.

- Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).

- Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng.

- Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các node có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng.

1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.2. Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.

Hình 1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.

Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến.

Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút cảm biến. Các nút cảm biến giữ nhiệm vụ theo dõi xem nút nào là nút hàng xóm của chúng.

Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.

1.3.1. Lớp vật lý

Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô tuyến.

Lớp vật lý của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới.