karol_11791
New Member
LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
Tổng quan về mạng cảm ứng không dây Wireless Sensor Netwơrk-WSN
Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin. Hiện nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng không dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm ứng được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai các ứng dụng của mạng cảm ứng không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống.
Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm ứng không dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô phỏng và đánh giá 3 giao thức cơ bản trong mạng cảm biến không dây. Đó là các giao thức LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER.
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
I.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…
Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên
Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài.
Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạng phạm vi ở nhà (Bluetooth). Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được hỗ trợ internet không dây. Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng với tính di động cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler. Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao. Bluetooth và Home RF đích đến là tại nhà. Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.
WSN khác với các mạng trên. Nó có 1 số lượng lớn các node. Khoảng cách giữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng trên. Do WSN hoàn toàn chỉ là các node, chi phí cho mỗi node là ít. Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều, bởi vì việc thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả. Tốc độ dữ liệu và tính di động trong WSN cũng thấp hơn.
Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhận không dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo thành một cách công khai, sẵn sàng để thương mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể dễ dàng sử dụng thiết bị này. Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley. Sự tiện ích của các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đã mang lại một vai trò đầy đủ trong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận không dây.
Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley
I.2 Cấu trúc mạng WSN
I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN
Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)
Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.
Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). 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 nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hay các nút lân cận tới các nút khác hay tới sink.
Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.
Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
Tất cả những thành phần này cần phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng 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.
I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần dùng giao tiếp multihop.
Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây.
Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần cấu hình các thông số một các tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị).
Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. cần kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.
Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:
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 nút lân cận
Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.4. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hay vệ tinh.
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 2
I.1 Giới thiệu 2
I.2 Cấu trúc mạng WSN 3
I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN 3
I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 5
I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN 6
I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN 8
I.4.1 Thời gian sống bên ngoài 8
I.4.2 Sự đáp ứng 9
I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) 9
I.4.4 Hiệu suất (Synergy) 9
I.4.5 Tính mở rộng (Scalability) 10
I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity) 10
I.4.7 Tự cấu hình 10
I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi 10
I.4.9 Thiết kế có hệ thống 10
I.5 Ứng dụng của mạng WSN 11
CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12
II.1 Giới thiệu 12
II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến 12
II.2.1 Tính động của mạng 12
II.2.2 Sự triển khai các node 12
II.2.3 Tính đến năng lượng 13
II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 13
II.2.5 Khả năng của các node 14
II.2.6 Tập trung/ hợp nhất dữ liệu 14
II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN 15
II.4 Các loại giao thức định tuyến 17
II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols) 17
II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 22
II.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) 25
CHƯƠNG III : KIẾN TRÚC GIAO THỨC LEACH 29
III.1 Giới thiệu 29
III.2 Tự định dạng cấu hình Cluster (Self – Configuring Cluster Formation) 31
III.2.1 Lựa chọn nút chủ của cụm (Determining Cluster- Head Nodes ) 31
III.2.2 Pha thiết lập (Set-up Phase) 32
III.2.3 Pha duy trì trạng thái – pha ổn định (Steady- state Phase) 33
III.2.4 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation) 36
III.3 LEACH – C 37
III.4 Stat-Clustering 38
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG LEACH BẰNG NS2 39
IV.1 Giới thiệu NS2 39
IV.1.1 Kiến trúc NS2 39
IV.1.2 Các đặc điểm NS2 41
IV.2 Các phần mềm dùng kết hợp với NS2 41
IV.2.1 NAM 41
IV.2.2 NSCRIPT 42
IV.2.3 XGRAPH 42
IV.2.4 TRACEGRAPH 43
IV.3 Mô phỏng WSN trên NS2 43
IV.3.1 Giả thiết 43
IV.3.2 Thực hiện mô phỏng cho 3 giao thức: Leach, Leach-C, Stat- Clus 43
IV.3.3 Kết quả mô phỏng 44
IV. 4 Kết luận 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53
LỜI KẾT 55
Hình 3.8: Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng.
Để giảm thiểu sự ảnh hưởng này, mỗi cluster trong LEACH sẽ trao đổi thông tin dùng cơ chế dãy trãi phổ trực tiếp DS-SS (directed-sequence spread spectrum) hay CDMA (Code Division Multiple Access). Mỗi một cụm sẽ dùng một mã trải phổ (spread code) duy nhất, tất cả các nút trong cụm phát dữ liệu của chúng tới nút chủ sẽ dùng mã trải phổ này và nút chủ sẽ lọc tất cả các nút có mã trải phổ này. Chú y rằng mỗi nút chủ chỉ cần một mã trải phổ đơn để lọc cho tất cả các tín hiệu đến nó mà sử dụng mã trải phổ giống nhau. Điều này cũng hơi khác với cơ chế CDMA mà mỗi nút sẽ có một mã trải phổ duy nhất.
Dữ liệu từ các nút chủ được gửi tới BS sẽ dùng một mã trải phổ cố định, và cũng dùng cơ chế CSMA để tránh xảy ra đụng độ với các nút chủ khác. Tuy là kênh truyền vô tuyến, nhưng khi một nút chủ có dữ liệu để gửi tới BS, nó sẽ phải lắng nghe xem có nút chủ nào phát dữ liệu không. Nếu không có nút nào phát thì nó sẽ phát dữ liệu tới BS, còn nếu có nút đang phát dữ liệu thì nó sẽ đợi để phát dữ liệu.
III.2.4 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation)
Tổng hợp dữ liệu trong mạng cảm biến giúp loại trừ đi những thông tin dư thừa, trùng lặp để thu được thông tin có ích về môi trường cảm biến. Việc tổng hợp dữ liệu có thể được thực hiện tại trạm gốc (Base Station- BS) hay thực hiện cục bộ tại nút chủ (Cluster Head- CH) của một cụm, điều này là tùy thuộc vào năng lượng tiêu thụ để tổng hợp dữ liệu so với năng lượng sử dụng để truyền những thông tin đó đi. Khi mà năng lượng cho truyền tin lớn hơn, thực hiện tổng hợp dữ liệu cục bộ tại nút chủ giúp giảm năng lượng tiêu thụ của toàn hệ thống do có ít dữ liệu hơn phải truyền về trạm gốc.
III.3 LEACH – C
LEACH – C cũng giống như LEACH thông thường, nó chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase) cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định (Steady – state Phase ) thì giống với LEACH. Trong LEACH thì mỗi nút sẽ có 1 xác suất để nó có thể được chọn làm nút chủ cụm (đã trình bày ở trên). Ở LEACH – C thì cụm và nút chủ cụm do BS lựa chọn.
Mỗi nút tự nó quyết định sẽ ở trong cụm nào, giải thuật này không đảm bảo được vị trí cũng như số lượng nút chủ trong toàn mạng. Tuy nhiên, việc dùng một giải thuật điều khiển trung tâm để hình thành cụm có thể tạo ra các cụm tốt hơn với các nút chủ phân tán trên toàn mạng. Giải thuật này gọi là LEACH – C (LEACH - Centralized) . LEACH – C có pha ổn định giống với LEACH (các nút gửi dữ liệu tới nút chủ và nút chủ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm gốc), nó chỉ khác LEACH ở pha thiết lập cụm. Trong pha thiết lập của LEACH – C, các nút sẽ gửi thông tin về trạng thái hiện tại của nó (bao gồm vị trí và năng lượng) về trạm gốc. Trạm gốc sau đó sẽ dùng thuật toán tối ưu để xác định ra các cụm và nút chủ cho vòng đó.
Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN
Hình 3.9: Pha thiết lập của LEACH – C.
Việc dùng trạm gốc BS để xác định cụm là tốt hơn so với việc hình thành cụm dùng giải thuật phân tán. Tuy nhiên, LEACH – C yêu cầu các nút phải gửi thông tin về vị trí của nó về BS tại thời điểm bắt đầu của mỗi vòng, thông tin này có thể bao gồm việc phải sử dụng GPS (Global positioning system) để xác định vị trí hiện tại của mỗi nút.
Để xác định được các cụm thích ứng tốt thì năng lượng phải được phân bố đều trên tất cả các nút trong mạng. Để làm được điều này, BS tính toán năng lượng trung bình của các nút. Nút nào mà có năng lượng nhỏ hơn mức năng lượng trung bình này sẽ không được chọn làm nút chủ ở vòng đó, những nút còn lại có năng lượng lớn hơn giá trị trung bình đó có thể là nút chủ. BS sẽ chạy giải thuật nhiều lần để chọn ra k nút tốt nhất trở thành nút chủ cũng như chọn ra được k cụm tối ưu.
Khi chọn được các nút chủ và các cụm tối ưu, trạm gốc sẽ gửi thông tin này tới tất cả các nút trong mạng. Việc này được thực hiện bằng việc quảng bá bản tin bao gồm ID của nút chủ cho mỗi nút. Nếu nút nào có ID trùng với ID trong bản tin nó sẽ trở thành nút chủ, các nút khác sẽ xác định khe thời gian của nó cho việc phát dữ liệu, và sẽ ở trạng thái sleep cho đến thời điểm nó phát dữ liệu về nút chủ.
III.4 Stat-Clustering
Stat-Clustering - phân chia cụm một lần rồi cố định, có nguyên tắc hoạt động tương tự với LEACH-C.BS sẽ căn cứ vào tọa độ và năng lượng hiện tại của các node để phân chia cấu hình mạng. Tuy nhiên. ở Stat-Clustering BS chỉ chia nhóm 1 lần và giữ nguyên cấu hình mạng đó để gửi dữ liệu.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Tổng quan về mạng cảm ứng không dây Wireless Sensor Netwơrk-WSN
Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin. Hiện nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng không dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm ứng được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai các ứng dụng của mạng cảm ứng không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống.
Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm ứng không dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô phỏng và đánh giá 3 giao thức cơ bản trong mạng cảm biến không dây. Đó là các giao thức LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER.
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
I.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…
Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên
Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài.
Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạng phạm vi ở nhà (Bluetooth). Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được hỗ trợ internet không dây. Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng với tính di động cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler. Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao. Bluetooth và Home RF đích đến là tại nhà. Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.
WSN khác với các mạng trên. Nó có 1 số lượng lớn các node. Khoảng cách giữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng trên. Do WSN hoàn toàn chỉ là các node, chi phí cho mỗi node là ít. Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều, bởi vì việc thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả. Tốc độ dữ liệu và tính di động trong WSN cũng thấp hơn.
Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhận không dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo thành một cách công khai, sẵn sàng để thương mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể dễ dàng sử dụng thiết bị này. Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley. Sự tiện ích của các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đã mang lại một vai trò đầy đủ trong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận không dây.
Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley
I.2 Cấu trúc mạng WSN
I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN
Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)
Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.
Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). 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 nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hay các nút lân cận tới các nút khác hay tới sink.
Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.
Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
Tất cả những thành phần này cần phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng 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.
I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần dùng giao tiếp multihop.
Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây.
Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần cấu hình các thông số một các tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị).
Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. cần kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.
Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:
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 nút lân cận
Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.4. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hay vệ tinh.
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 2
I.1 Giới thiệu 2
I.2 Cấu trúc mạng WSN 3
I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN 3
I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 5
I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN 6
I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN 8
I.4.1 Thời gian sống bên ngoài 8
I.4.2 Sự đáp ứng 9
I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) 9
I.4.4 Hiệu suất (Synergy) 9
I.4.5 Tính mở rộng (Scalability) 10
I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity) 10
I.4.7 Tự cấu hình 10
I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi 10
I.4.9 Thiết kế có hệ thống 10
I.5 Ứng dụng của mạng WSN 11
CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12
II.1 Giới thiệu 12
II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến 12
II.2.1 Tính động của mạng 12
II.2.2 Sự triển khai các node 12
II.2.3 Tính đến năng lượng 13
II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 13
II.2.5 Khả năng của các node 14
II.2.6 Tập trung/ hợp nhất dữ liệu 14
II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN 15
II.4 Các loại giao thức định tuyến 17
II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols) 17
II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 22
II.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) 25
CHƯƠNG III : KIẾN TRÚC GIAO THỨC LEACH 29
III.1 Giới thiệu 29
III.2 Tự định dạng cấu hình Cluster (Self – Configuring Cluster Formation) 31
III.2.1 Lựa chọn nút chủ của cụm (Determining Cluster- Head Nodes ) 31
III.2.2 Pha thiết lập (Set-up Phase) 32
III.2.3 Pha duy trì trạng thái – pha ổn định (Steady- state Phase) 33
III.2.4 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation) 36
III.3 LEACH – C 37
III.4 Stat-Clustering 38
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG LEACH BẰNG NS2 39
IV.1 Giới thiệu NS2 39
IV.1.1 Kiến trúc NS2 39
IV.1.2 Các đặc điểm NS2 41
IV.2 Các phần mềm dùng kết hợp với NS2 41
IV.2.1 NAM 41
IV.2.2 NSCRIPT 42
IV.2.3 XGRAPH 42
IV.2.4 TRACEGRAPH 43
IV.3 Mô phỏng WSN trên NS2 43
IV.3.1 Giả thiết 43
IV.3.2 Thực hiện mô phỏng cho 3 giao thức: Leach, Leach-C, Stat- Clus 43
IV.3.3 Kết quả mô phỏng 44
IV. 4 Kết luận 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53
LỜI KẾT 55
Hình 3.8: Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng.
Để giảm thiểu sự ảnh hưởng này, mỗi cluster trong LEACH sẽ trao đổi thông tin dùng cơ chế dãy trãi phổ trực tiếp DS-SS (directed-sequence spread spectrum) hay CDMA (Code Division Multiple Access). Mỗi một cụm sẽ dùng một mã trải phổ (spread code) duy nhất, tất cả các nút trong cụm phát dữ liệu của chúng tới nút chủ sẽ dùng mã trải phổ này và nút chủ sẽ lọc tất cả các nút có mã trải phổ này. Chú y rằng mỗi nút chủ chỉ cần một mã trải phổ đơn để lọc cho tất cả các tín hiệu đến nó mà sử dụng mã trải phổ giống nhau. Điều này cũng hơi khác với cơ chế CDMA mà mỗi nút sẽ có một mã trải phổ duy nhất.
Dữ liệu từ các nút chủ được gửi tới BS sẽ dùng một mã trải phổ cố định, và cũng dùng cơ chế CSMA để tránh xảy ra đụng độ với các nút chủ khác. Tuy là kênh truyền vô tuyến, nhưng khi một nút chủ có dữ liệu để gửi tới BS, nó sẽ phải lắng nghe xem có nút chủ nào phát dữ liệu không. Nếu không có nút nào phát thì nó sẽ phát dữ liệu tới BS, còn nếu có nút đang phát dữ liệu thì nó sẽ đợi để phát dữ liệu.
III.2.4 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation)
Tổng hợp dữ liệu trong mạng cảm biến giúp loại trừ đi những thông tin dư thừa, trùng lặp để thu được thông tin có ích về môi trường cảm biến. Việc tổng hợp dữ liệu có thể được thực hiện tại trạm gốc (Base Station- BS) hay thực hiện cục bộ tại nút chủ (Cluster Head- CH) của một cụm, điều này là tùy thuộc vào năng lượng tiêu thụ để tổng hợp dữ liệu so với năng lượng sử dụng để truyền những thông tin đó đi. Khi mà năng lượng cho truyền tin lớn hơn, thực hiện tổng hợp dữ liệu cục bộ tại nút chủ giúp giảm năng lượng tiêu thụ của toàn hệ thống do có ít dữ liệu hơn phải truyền về trạm gốc.
III.3 LEACH – C
LEACH – C cũng giống như LEACH thông thường, nó chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase) cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định (Steady – state Phase ) thì giống với LEACH. Trong LEACH thì mỗi nút sẽ có 1 xác suất để nó có thể được chọn làm nút chủ cụm (đã trình bày ở trên). Ở LEACH – C thì cụm và nút chủ cụm do BS lựa chọn.
Mỗi nút tự nó quyết định sẽ ở trong cụm nào, giải thuật này không đảm bảo được vị trí cũng như số lượng nút chủ trong toàn mạng. Tuy nhiên, việc dùng một giải thuật điều khiển trung tâm để hình thành cụm có thể tạo ra các cụm tốt hơn với các nút chủ phân tán trên toàn mạng. Giải thuật này gọi là LEACH – C (LEACH - Centralized) . LEACH – C có pha ổn định giống với LEACH (các nút gửi dữ liệu tới nút chủ và nút chủ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm gốc), nó chỉ khác LEACH ở pha thiết lập cụm. Trong pha thiết lập của LEACH – C, các nút sẽ gửi thông tin về trạng thái hiện tại của nó (bao gồm vị trí và năng lượng) về trạm gốc. Trạm gốc sau đó sẽ dùng thuật toán tối ưu để xác định ra các cụm và nút chủ cho vòng đó.
Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN
Hình 3.9: Pha thiết lập của LEACH – C.
Việc dùng trạm gốc BS để xác định cụm là tốt hơn so với việc hình thành cụm dùng giải thuật phân tán. Tuy nhiên, LEACH – C yêu cầu các nút phải gửi thông tin về vị trí của nó về BS tại thời điểm bắt đầu của mỗi vòng, thông tin này có thể bao gồm việc phải sử dụng GPS (Global positioning system) để xác định vị trí hiện tại của mỗi nút.
Để xác định được các cụm thích ứng tốt thì năng lượng phải được phân bố đều trên tất cả các nút trong mạng. Để làm được điều này, BS tính toán năng lượng trung bình của các nút. Nút nào mà có năng lượng nhỏ hơn mức năng lượng trung bình này sẽ không được chọn làm nút chủ ở vòng đó, những nút còn lại có năng lượng lớn hơn giá trị trung bình đó có thể là nút chủ. BS sẽ chạy giải thuật nhiều lần để chọn ra k nút tốt nhất trở thành nút chủ cũng như chọn ra được k cụm tối ưu.
Khi chọn được các nút chủ và các cụm tối ưu, trạm gốc sẽ gửi thông tin này tới tất cả các nút trong mạng. Việc này được thực hiện bằng việc quảng bá bản tin bao gồm ID của nút chủ cho mỗi nút. Nếu nút nào có ID trùng với ID trong bản tin nó sẽ trở thành nút chủ, các nút khác sẽ xác định khe thời gian của nó cho việc phát dữ liệu, và sẽ ở trạng thái sleep cho đến thời điểm nó phát dữ liệu về nút chủ.
III.4 Stat-Clustering
Stat-Clustering - phân chia cụm một lần rồi cố định, có nguyên tắc hoạt động tương tự với LEACH-C.BS sẽ căn cứ vào tọa độ và năng lượng hiện tại của các node để phân chia cấu hình mạng. Tuy nhiên. ở Stat-Clustering BS chỉ chia nhóm 1 lần và giữ nguyên cấu hình mạng đó để gửi dữ liệu.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links
Last edited by a moderator: