Đề tài Wireless Sensor Network

[WSNs] Page 1 HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG BÁO CÁO MÔN: THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỀ TÀI: WIRELESS SENSOR NETWORK. GVHD: VŨ VĂN TẤN. NHÓM SINH VIÊN: NGUYỄN ĐỨC HIỆP. NGUYỄN QUANG TÂY. NGUYỄN TIẾN THỊNH. TP.HCM 21-11-2010. [WSNs] Page 2 Mục Lục Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây............................................... 4 1.1 Giới thiêu: ..................................................................................................................4 1.1.1: Các thành phần co bản tạo nên một mạng cảm biến.....................................4 1.1.2: Hiệu quả sử dụng công suất của WSN dựa trên 3 yếu tố .............................4 1.1.3: Một vài dặc diểm của mạng cảm biến: .........................................................4 1.2 Tổng quan kỹ thuât: ...................................................................................................4 1.2.1: Cảm biến:......................................................................................................4 1.2.2: kỹ thuật truyền vô tuyên: ..............................................................................4 1.2.3: Phần mềm ứng dụng: ....................................................................................5 Chương 2: Kỹ thuật mạng cảm biến không dây .................................................. 5 2.1 Node ...........................................................................................................................5 2.2 Phần cứng và phần mềm ............................................................................................6 2.2.1: Phần cứng: ....................................................................................................6 2.2.2: Phần mềm: ....................................................................................................6 2.3 Phân loại theo mô hình phân bố ................................................................................6 2.3.1: Category 1 WSN:..........................................................................................6 2.3.2: Category 2 WSN:..........................................................................................7 2.4 Môi trường hoạt động của WSN: ...............................................................................7 2.5 Công nghệ hiện nay: ..................................................................................................7 Chương 3: Giao thức diều khiển truy cập trong mạng WSN ............................. 8 3.1 Giao thức cho WSN....................................................................................................8 3.2 Giao thức MAC cho WSN ..........................................................................................8 Chương 4: Định tuyến ............................................................................................ 9 4.1 Vấn đề định tuyến.......................................................................................................9 4.1.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu: ...................................................................9 4.1.2 Thiết kế và thách thức trong định tuyến: .......................................................9 4.1.2.1: Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian:......................9 4.1.2.2: Tài nguyên hạn chế: ..........................................................................9 4.2 Giao thức định tuyến..................................................................................................9 4.2.1 Giải thuật đinh tuyến cho mạng:....................................................................9 4.2.2 Định tuyến theo vị trí: ....................................................................................10 4.2.2.1: Nguyên lý:.........................................................................................10 4.2.2.2: Ưu nhược: .........................................................................................10 Chương 5: Giao vận ................................................................................................ 11 5.1: Yêu cầu thiết kế trong giao vân ................................................................................11 5.2: Các giao thức điều khiển giao vận đang dùng .........................................................11 5.2.1: Giao thức điều khiển giao vận đang dùng: ...................................................12 5.2.2: Tắc nghẽn:.....................................................................................................13 5.2.3: Khôi phục gói bị mất: ...................................................................................13 [WSNs] Page 3 Chương 6: Quản lý mạng cảm biến không dây.................................................... 13 6.1 Quản lý mạng và các kiểu quản lý truyền thống: ......................................................13 6.1.1: Yêu cầu trong quản lý mạng:........................................................................13 6.1.2: Các kiểu quản lý truyền thống: .....................................................................14 6.2 Vấn đề thiết kế quản lý mạng .....................................................................................15 Chương 7: Ứng dụng mạng cảm biến không dây ................................................ 15 7.1: Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia ..........................................................15 7.2: Ứng dụng trong bảo vệ môi trường ..........................................................................15 7.3: Ứng dụng trong thương mai .....................................................................................15 7.4: Ứng dụng trong y học ...............................................................................................16 Tài liệu tham khảo: ......................................................................................... 17 [WSNs] Page 4 1. TỔNG QUANG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. 1.1 Giới thiệu: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần lien lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện, hiên tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Hình 1 : Mô hình mạng cảm biến không dây. 1.1.1 Có 4 thành phần cơ bản tạo nên 1 mạng cảm biến: - Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải. - Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hoặc vô tuyến). - Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu . - Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm. 1.1.2 Hiệu quả sử dụng công suất của WSN dựa trên 3 yếu tố: - Chu kỳ hoạt động ngắn. - Xử lý tín hiệu nội bộ tại các node để giảm thời gian truyền. - Mô hình dạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền . 1.1.3 Một vài đặc điểm của mạng cảm biến: - Các node phân bố dày đặc. - Các node dễ hỏng. - Giao thức mạng thay đổi thường xuyên. - Node bị giới hạn về khả năng tính toán,công suốt, bộ nhớ. - Không được thống nhất toàn hệ thống vì số lượng node nhiều. 1.2 Tổng quan kĩ thuật 1.2.1 Cảm biến: - Chức năng cơ bản. - Xử lý tín hiệu. - Nén và phát hiện,sửa lỗi. - Phân chia Cluster. - Tự phân nhóm. [WSNs] Page 5 1.2.2 Kỹ thuật truyền vô tuyến: - Dãy truyền sóng. - Sự hư hại đường truyền. - Kỹ thuật điều chế. - Giao thức mạng. 1.2.3 Phần mềm ứng dụng: - Hệ điều hành. - Phần mềm mạng. - Phần mềm kết nối cơ sở dữ liệu trực tiếp. - Phần mềm middleware. - Phần mềm quản lý dữ liệu. 2. KỸ THUẬT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. 2.1 Node. Hình 2: Các thành phần trong một Node. Các thành phần cấu tạo nên một Node : - Một cảm biến (1 hay một dãy cảm biến). - Đơn vị xử lý. - Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến. - Nguồn cung cấp. - Các phần ứng dụng khác. Các node có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu tới trung tâm. [WSNs] Page 6 Hình 3: Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến. 2.2 Phần cứng và phần mềm: 2.2.1 Phần cứng: - Nguồn cung cấp. - Lưu trữ và tính toán. - Cảm biến. - Liên lạc. 2.2.2 Phần mềm: - Hệ điều hành. - WSN Sensor Driver. - Bộ xử lý thông tin. - Bộ xử lý dữ liệu. Hình 4: Phần cứng và mềm của Node. [WSNs] Page 7 2.3 Phân loại theo mô hình phân bố: 2.3.1 Category 1 WSN (C1WSN). - Hệ thống lưới kết nối đa đường giữa các node qua kênh truyền vô tuyến sử dụng giao thức định tuyến động,các node tìm đường đi tôt nhất đến đích . - Vai trò của các node như các trạm lặp với khoảng cách rất lớn. - Xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp.  Mạng phức tạp. 2.3.2 Category 2 WSN (C2WSN) - Mô hình điểm-điểm hay đa điểm-điểm, chủ yếu là các liên kết đơn giữa các node (single hop), dùng giao thức định tuyến tĩnh. - Một node không cung cấp thông tin cho các node khác. - Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho node khác. - Khoảng cách vài trăm mét.  Mạng đơn giản. Hình 5: Mô hình mạng. 2.4 Môi trường hoạt động của WSNs. Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố: - Nguồn cung cấp: Các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp. - Liên lạc: Giới hạn về băng thông, nhiễu kênh truyền, ảnh hưởng đến độ tin cậy, chất lượng dịch vụ và độ bảo mật của hệ thống. - Tính toán: Các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn, ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu. 2.5 Công nghệ hiện nay: - Kích thước, giá thành và công suất tiêu thụ của node giảm, sự thông minh của node phải tăng lên. hệ thống cảm biến kết hợp các kỹ thuật tiên tiên như công nghệ nano, mạng phân bố, thông tin vô tuyến băng rộng… [WSNs] Page 8 - Việc tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng. Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ giúp mạng WSNs ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, có khả năng giao tiếp với các mạng khác, giao diện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn. Các nghiên cứu đang hướng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân bố, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại, hỗ trợ hiệu quả cho các quá trình ra quyết định. 3. GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP TRONG WSNs. Mạng không dây dừa trên truyền sóng điện từ qua môi trường không khí, tuân theo các đăc tính truyền sóng nên việc đối xử với các node trong mạng phải như nhau, để đạt được điều này việc sử dụng giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) là cần thiết. 3.1 Mô hình giao thức cho WSNs. Xuất phát từ mô hình OSI, giao thức MAC được xây dựng ở lớp thấp của lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer_DDL). Lớp cao của DDL được xem như lớp điều khiển logic (LLC). Lớp MAC nằm ngay trên lớp vật lý và nó cung cấp các chức năng sau: - Kết hợp dữ liệu vào frame để gửi . - Tách frame thu được để lấy thông tin kiểm tra lỗi khôi phục lai thông điệp. Hình 6: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc liên kết lớp dữ liệu. Lớp LLC của DDL cung cấp giao diện trực tiếp cho lớp cao hơn nhằm mục đích ngăn cách lớp cao với các lớp thấp hơn phía dưới 3.2 Các giao thức MAC cho mạng WSNs. - Schedule-Based Protocols: giao thức tạo ra sự sắp đặt trước để điều tiết truy cập tài nguyên tránh xung đột giữa các node, thông thường các tài nguyên là thời gian, băng tần… - Random Access-Based Protocols: giao thức truy cập ngẫu nhiên dựa trên sự tranh chấp, không đòi hỏi sự phối hợp giữa các node đang truy cập kênh truyền. Các node đụng độ ngừng một khoảng [WSNs] Page 9 thời gian trước khi thử truy cập trở lại kênh truyền. 4. ĐỊNH TUYẾN. 4.1 Vấn đề định tuyến. 4.1.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu. Để thực hiện việc trao đổi thông tin từ các node đến base station thì phải có một đường kết nối trực tiếp tuy nhiên với kết nối này thì sự suy giảm năng lượng một cách nhanh chóng. Do đó làm hạn chế khả năng bao phủ rộng của mạng. Do đó để giải quyết nhược điểm này thì dữ liệu trao đổi giữa các node cảm biến và các trạm được truyền đa chặng(Multihop). Các liên kết này có thể kéo dài khoảng cách và tạo ra một đường linh hoạt. Phương pháp này làm giảm đáng kể can nhiễu giữa các node đang tranh chấp truy cập kênh truyền đặc biệt là trong WSN mật độ cao. Hình 7: Mô hình định tuyến. Trong Multihop các node trung gian phải tham gia vào việc truyền tải các gói dữ liệu giữa nguồn và đích. Xác định node trung chuyển là vấn đề lớn trong giải thuật đinh tuyến bảo đảm sự chính xác tính ổn định và khả năng tối ưu. 4.1.2 Thiết kế và thách thức trong định tuyến. 4.1.2.1 Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian. Các node cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lưu trữu và thông tin hạn chế do giới hạn nguồn năng lượng cung cấp, mật độ cảm biến cũng có thể rất it hoặc dày đặc. Trong mang WSNs các node ở trạng thái động và khả năng thích ứng cao do yêu cầu tự phân bố và tiết kiệm năng lượng. Các node phải tự điều chỉnh hoạt động để đáp ứng với sự thất thường không thể đoán trước của các kết nối không dây. 4.1.2.2 Tài nguyên hạn chế. Vấn đề nguồn năng lượng cung cấp cho số lượng node của mạng hoạt động. [WSNs] Page 10 Khả năng thiết kế một giải thuật định tuyến đủ thông minh cho mạng hoạt động với hiệu quả cao nhất đang là vấn đề lớn. 4.2 Các giao thức định tuyến. 4.2.1 Các giải thuật định tuyến cho mạng. - Proactive(khởi tạo trước): dựa trên sự phân phát theo chu kỳ thông tin để đạt được bản định tuyến nhất quán và chính xác đến tất cã các node của mạng. Cấu trúc mạng có thể bằng phẳng hay phân cấp. Trong phương pháp này cấu trúc phẳng thì tìm đường đi tối ưu hơn. - Reactive(phản ứng): xây dựng tuyến đến một đích nào đó theo nhu cầu. Giải thuật này thường không chuyển tài thông tin qua tất cã các node của mạng. Do đó chúng dựa trên định tuyến động để tìm ra đường đi. - Hybrid(hỗn hợp): dựa trên cấu trúc mạng để tạo nên tính ổn định và khả năng mở rộng cho các mạng có kích thước lớn. Giải thuật này chia mạng ra thành các cluster, do số lượng lớn và tính di động khi các node vào hay ra khỏi các cluster. Giải thuật này kết hợp Proactive trong các cluster và Reactive cho sự liên kết các cluster. Các kỹ thuật định tuyến: - Dạng 1: giao thức dành cho mạng có kiến trúc phẳng tối thiểu cho overhead để xây dựng cho hạ tầng mạng và có khả năng tìm ra nhiều đường liên lạc giữa các node với sai số cho phép. - Dang 2: dùng trong mạng có cấu trúc tiết kiệm năng lượng, ổn định và khả năng mở rộng. Các node mạng được sắp xếp vào các cluster trong đó một node mạng lớn nhất có vai trò như một cluster head. Cluster head có vai trò phối hợp hoạt động của các node trong cluster và chuyển thông tin giữa các cluster. Việc phân hoạch giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng. - Dạng 3: dùng phương pháp data-centric để phân bổ yêu cầu trong mạng. Phân nhiệm vụ cho các node và định rõ một thuộc tính riêng biệt cho các node. Kiểu thông tin có thể dùng như Broastcasting, anycasting, Geo-casting.. - Dạng 4: dùng vị trí để chỉ ra một node cảm biến. Định tuyến dựa trên vị trí rất hữu ích cho các ứng dụng mà vị trí của node trong vùng địa lý có thể được hỏi bởi node nguồn. Yêu cầu như thế có thể định rõ vùng nào đó mà các hiện tượng quan tâm có thể xảy ra hay lân cận với điểm đặc biệt nào đó trong vùng hoạt động của mạng. 4.2.2 Định tuyến theo vị trí. 4.2.2.1 Nguyên lý: Dùng thông tin về vị trí để tìm ra tuyến liên lạc hiệu quả từ nguồn đến đích. Khi đó các node sẽ giữ vai trò chuyển tiếp gói(forwarding), do đó nó phải hiểu biết về cấu hình toàn mạng. - Forwarding:  Most-forward-within-R(MFR): chọn node nằm xa nhất trong số các node nằm trong vùng phủ R  Nearest-forward-progress(NFP):chọn node gần nhất. node NFP được chọn để nhận dữ liệu từ node MH. Đây là node gần nhất tính từ MH  Compass routing chọn node có góc nhỏ nhất tạo bởi đường thẳng nối MH tơi node được chọn theo đó CMP được chọn.  Low energy forward chọn node tối thiểu năng lượng được yêu cầu, node LEF được chọn để chuyển. [WSNs] Page 11 Hình 8: Mô hình chọn node truyền theo năng lượng. - Giải thuật không tối ưu:Đường đi tối ưu từ S1 đến D là đường nối trực tiếp từ S1 đến D. Hình 9: Giải thuật định tuyến không hiệu quả. - Giải thuật tối ưu:  Right-hand: một gói xuất phát từ node Ni muốn truyền đến gói Nj, xung quanh có nhiều node lân cận thì tuyến truyền được chọn kế tiếp là tuyến truyền đầu tiên theo quy tắc ngược chiều kim đồng hồ tính từ đường thẳng nối NiNj. Tuy nhiên giản đồ này gặp phải trường hợp khi tuyến cắt ngang đường thẳng nối nguồn và đích.  face traversal: giải thuật tránh các đường cắt ngang, nên tuyến được chọn kế tiếp theo quy tắc Right-hand giao với đường thẳng NiNj [WSNs] Page 12 Hình 10: Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến. 4.2.2.2 Ưu nhược. - Ưu: định tuyến theo vị trí phù hợp cho mạng WSN vì yêu cầu ít thông tin cho điều khiển và tương tác cục bộ giữa các node. - Nhược: các liên kết bất đối xứng và các đường giao nhau làm tăng độ phức tạp của giao thức. 5. GIAO VẬN: 5.1 Yêu cầu thiết kế trong giao vận. Mạng WSN được thiết kế với các tiêu chí bảo tồn năng lượng, điều khiển tắc nghẽn, độ tin cậy trong phân phối dữ liệu, an ninh và quản lý. Hai tiêu chí quan trọng là điều khiển tắc nghẽn và khôi phục dữ liệu bị mất. - Thực thi điều khiển tắc nghẽn và phân phát dữ liệu tin cậy. Dùng kỹ thuật hop-to-hop để điều khiển tắc nghẽn và khôi phục gói bị mất vì nó giảm mất gói và tiết kiệm năng lượng - Các giao thức giao vận phải làm đơn giản quá trình xây dựng kết nối, cải thiện lưu lượng và độ trễ thấp. - Giao vận trong WSN phải tránh mất nhiều gói đến mức có thể vì mất gói tương đương với lãng phí năng lượng. - Giao thức giao vận phải đảm bảo sự công bằng giữa các node. - Dùng nhiều dạng kết hợp các giao thức để cải thiện chất lượng. 5.2 Các giao thức điều khiển giao vận. 5.2.1 Các giao thức điều khiển giao vận đang dùng. Nhiều giao thức lớp giao vận được thiết kế cho mạng WSN như bảng sau. Điều khiển tắc nghẽn lên, xuống. Đảm bảo tin cậy hướng lên, xuống. CODA (congestion detection and avoidance), ESRT(Event to sink releable transport), RMST(releable multisegment transport), PSFQ(pump slowly, Fetch quickly), GARUDA. [WSNs] Page 13 Thuộc tính CODA ESRT RMST PSFQ GARUDA Hướng upstream upstrea m upstrea m downstrea m downstrea m Tắc nghẽn - Cung cấp - Phát hiện Có Bộ đệm và điều khiển kênh truyền Thụ động Bộ đệm Không - Không - Không - Độ tin cậy - Cung cấp - Gói hay ứng dụng - Phát hiện mất gói - E2E or HbH - ACK hay NACK Không - - - - Có ứng dụng không E2E ACK Có Gói Có HbH NACK Có Gói Có HbH NACK Có Gói Có HbH NACK Tiết kiệm năng lượng Tốt khá - - - 5.2.2 Tắc nghẽn. Hai phương thức điều khiển tắc nghẽn là end to end và hop to hop. Trong end to end node nguồn phát hiệ tắt nghẽn. Trong hop to hop node trung gian phát hiện tắt nghẽn và thông báo cho các node gốc. Phương pháp này loại tắt nghẽn nhanh hơn, giảm mất gói và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với end to end. - Hiệu suất sử dụng năng lượng tắt nghẽn: = ( )( ) ( )( . ) = ( )( ) . ( ) Trong đó Ec là tỷ lệ năng lượng trung bình yêu cầu để gởi một gói thành công. - End to end: = ( )( ) . ( ) = . = - Hop by hop: = ( )( ) . ( ) = . = Từ đó ta thấy hiệu quả sử dụng năng lượng của End to end phụ thuộc vào chiều dài tuyến(H) trong khi đó Hop by Hop không phụ thuộc vào chiều dài tuyến nên tỷ số hiệu suất cao hơn. 5.2.3 Khôi phục gói bị mất. - Cache: dung kỹ thuật Hop by hop và dựa trên lưu trữ tại các node trung gian mà nó gởi qua cho tới khi node gần nó nhận được gói thành công hay khi timeout xảy ra. - Noncache: dùng kỹ thuật End to end ARQ tức là yêu cầu lặp lại tự động. Hình dưới đây so sánh đặc tính kỹ thuật khôi phục gói bị mất hop by hop và end to end trong lớp giao vận. So sánh số lần phát cần thiết để gởi 10 gói qua mạng trong 10 bước. [WSNs] Page 14 Hình 11: So sánh số lần truyền yêu cầu để gởi 10 gói trong 10 bước của Hop by Hop và End to End. - Khi tỷ lệ thành công dưới 0.95 thì số lần truyền lại của End to end tăng gấp đôi dẫn đến hiệu quả năng lượng tăng gấp đôi. 6. QUẢN LÝ MẠNG WSNs. 6.1 Yêu cầu quàn lý mạng và c