Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây.

- 9 1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây [2.
- 9 1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến.
- 10 1.1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây.
- Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
- 13 1.2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây.
- 16 1.2.1 Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến.
- 16 1.2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến.
- 19 1.3 Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây[1.
- 22 1.3.2 Truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây.
- 24 1.4 Một số giao thức trong mạng cảm biến không dây.
- 15 Hình 1.3 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây.
- 5 Mô hình truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây.
- 5 Số cảm biến còn hoạt động qua các sự kiện.
- 6 Năng lượng còn lại của từng cảm biến sau 600 sự kiện.
- Vấn đề định tuyến và truyền dữ liệu theo nhiều kênh trong mạng cảm biến đặt ra những thách thức không nhỏ bởi các giao thức cần đơn giản nhưng có khả năng thích nghi tốt, tiết kiệm năng lượng hiệu quả để có thể hoạt động được với số lượng nút cảm biến lớn có năng lượng giới hạn đồng thời giao thức định tuyến cần tự điều chỉnh trong trường hợp một số nút cảm biến gặp lỗi gây thay đổi cấu trúc mạng.
- Chính vì vậy, luận văn tập trung vào xây dựng giao thức định tuyến đa kênh trên cơ sở phân cụm, phân cấp hướng sự kiện với mục đích đáp ứng những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây đồng thời giao thức phải tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu suất, thông lượng cho toàn mạng.
- Bố cục của luận văn được trình bày như sau: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu về mạng cảm biến không dây và các vấn đề định tuyến và truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây.
- Chương 2: Phát biểu bài toán, định hướng giải pháp và thiết kế giao thức Tìm hiểu bài toán mạng cảm biến không dây, những vấn đề gặp phải khi xây dựng bài toán theo phương pháp truyền đa kênh.
- Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau.
- Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các node cảm biến.
- Mạng cảm biến không dây có những sự khác biệt rất lớn so với các mạng có dây và mạng không dây thông thường.
- chính là các thách thức cơ bản đối với các nhà nghiên cứu về mạng cảm biến không dây.
- Một node mạng cảm biến thường có kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt từ vài đến vài chục cm), khả năng tính toán hạn chế, dung lượng bộ nhớ nhỏ, nguồn cung cấp năng lượng có giới hạn.
- Đây chính là các thử thách cơ bản hay các tiêu chí thiết kế quan trọng nhất đối với các nhà nghiên cứu về mạng cảm biến không dây.
- 1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng.
- Do vậy các cảm biến không dây phải dùng giao tiếp đa chặng.
- Trang 11/68  Sử dụng hiệu quả năng lượng: để kéo dài thời gian sống của toàn mạng, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng là kỹ thuật quan trọng của mạng cảm biến không dây.
- Tự cấu hình: Mạng cảm biến không dây phải cấu hình các thông số một cách tự động như các node có thể xác định vị trí của nó thông qua các node khác (tự định vị.
- Ví dụ, thông tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng.
- Hoặc dữ liệu có thể được các node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được hướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu.
- 1.1.3.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho các ứng dụng cụ thể.
- Vì có một số phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau.
- Có thể phân loại ứng dụng của mạng cảm biến trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.
- 1.1.4.1 Ứng dụng trong quân đội Mạng cảm biến không dây có thể là một phần tích hợp trong hệ thống điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu.
- Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm.
- Những node cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container ở cảng.
- Mỗi một container là một node mạng trong mạng cảm biến và có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực.
- Kiến trúc của giao thức định tuyến trong mạng cảm biến chịu ảnh hưởng từ nhiều yêu cầu đặt ra.
- Dưới đây là một số thách thức và vấn đề có ảnh hưởng tới quá trình định tuyến trong mạng cảm biến: Sự phân bố các nút mạng: có thể là định trước hay ngẫu nhiên.
- Trong phân bố định trước, các cảm biến được đặt vị trí và dữ liệu sẽ được định tuyến qua các tuyến đường đã định trước.
- Theo đó, các nút cảm biến sẽ bật cảm biến và bộ truyền dẫn theo chu kỳ, cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu cần thiết sau những chu kỳ không đổi.
- Trang 17/68 Tính không đồng nhất giữa nút và liên kết: Việc tồn tại sự không đồng nhất giữa các nút cảm biến có thể làm gia tăng các vấn đề liên quan đến định tuyến dữ liệu.
- Ngay cả việc đọc và báo cáo dữ liệu của các cảm biến này cũng ở tốc độ khác nhau phụ thuộc vào ràng buộc chất lượng dịch vụ, và có thể sử dụng nhiều mô hình báo cáo dữ liệu khác nhau.
- Tính chịu lỗi: Việc lỗi ở nút cảm biến không thể để ảnh hưởng tới tác vụ chung của mạng.
- Khả năng thích ứng: Số lượng các nút cảm biến đặt trên khu vực cảm biến có thể lên tới hàng trăm, hàng nghìn hay nhiều hơn.
- Bất kì một phương thức định tuyến nào cũng phải có khả năng hoạt động với một số lượng rất lớn các nút cảm biến.
- Thêm vào đó, các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến phải đủ linh hoạt để đáp ứng lại các sự kiện trong môi trường.
- Tính di động của mạng: Trong một số trường hợp tính di động của trạm gốc hoặc các nút cảm biến là cần thiết.
- Thông thường, băng thông yêu cầu cho dữ liệu cảm biến là nhỏ, từ khoảng 1-100kb/s.
- Sự gộp dữ liệu: Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các gói tin giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp cho số lượng các giao tiếp có thể giảm xuống.
- Base StationSensor Node Trang 20/68  Định tuyến phẳng: được thiết kế cho mạng với các nút cảm biến đồng nhất.
- Định tuyến phân cấp: được đưa ra với mục tiêu tăng cường khả năng thích nghi và tiết kiệm năng lượng cho mạng thông qua việc phân nhóm các nút cảm biến.
- Ngược lại, tất cả các nút thành viên trong nhóm thực hiện cảm biến môi trường và chuyển dữ liệu thu thập được tới nhóm trưởng.
- Định tuyến theo vị trí: là họ giao thức sử dụng vị trí chính xác của nút cảm biến để chọn tuyến đường.
- Vị trí địa lý của nút cảm biến có thể được lấy trực tiếp sử dụng thiết bị định vị GPS hoặc gián tiếp thông qua trao đổi dữ liệu về cường độ tín hiệu nhận được ở mỗi nút.
- 1.3 Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây[1] Mạng cảm biến không dây là mạng lưới các thiết bị nhỏ bao gồm cả hai khả năng cảm biến và giao tiếp với nhau.
- Ngày nay nhiều nền tảng phần cứng mạng cảm biến như MICAZ, Telos v.v.
- Truyền thông đa kênh là khả năng các cảm biến có thể giao tiếp với nhau trên nhiều tần số nhằm mục đích làm giảm nhiễu, tăng băng thông, giảm thời gian truyền tin, tăng hiệu năng mạng.
- 1.3.2 Truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây Các giao thức truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây đều có tác dụng cải thiện công suất, giảm thời gian phân phối dữ liệu, giảm nhiễu nhờ tăng khả năng truyền song song, khai thác nhiều kênh truyền.
- Đã có nhiều giao thức đa kênh cho mạng cảm biến không dây được nghiên cứu, phát triển.
- Tuy nhiên chúng không áp dụng được trong lĩnh vực WSN do giới hạn về năng lượng và khả năng tính toán của các cảm biến.
- Giao thức được thiết kế cho loại lưu lượng nhiều một của ứng dụng thu thập dữ liệu 1.4 Một số giao thức trong mạng cảm biến không dây Có rất nhiều giao thức đã được nghiên cứu và phát triển trong mạng cảm biến không dây.
- E(i) là năng lượng còn lại của nút  I(i) là mô tả dữ liệu cảm biến được ARPEES sẽ tiến hành chọn lại nhóm trưởng và tuyến đường mới sau mỗi round gửi dữ liệu.
- 1.4.2 Giao thức OEDSR [16] Giao thức OEDSR (Optimized Energy - Delay Sub - network Routing) là giao thức được sử dụng trong mạng cảm biến không dây.
- Các nút trong nhóm sẽ lựa chọn một trong các nhóm trưởng đó để truyền dữ liệu cảm biến về, phụ thuộc vào khoảng cách từ nó tới nhóm trưởng đó.
- Các thế hệ mới của các bộ thu phát sóng thương mại sử dụng trong các nút cảm biến cũng hỗ trợ truyền thông đa kênh.
- Do cảm biến có giới hạn về tài nguyên phần cứng, có năng lượng nhỏ, các giao thức dùng để liên kết các cảm biến khoảng cách truyền ngắn nên việc thiết kế giao thức ứng dụng phương pháp truyền đa kênh cần phải giải quyết các vấn đề sau.
- Giao thức phải tiết kiệm năng lượng do năng lượng các cảm biến nhỏ.
- Giới hạn về phần cứng nên các cảm biến chỉ thực hiện các tính toán đơn giản.
- Số lượng các nút cảm biến nhiều nên dữ liệu có thể bị dư thừa, cần có cơ chế xử lý dữ liệu dư thừa.
- Trang 32/68 2.2 Giải pháp Các giao thức định tuyến phân cấp theo sự kiện đang là xu hướng nghiên cứu hiện nay với nhiều ưu điểm và giải quyết khá tốt các vấn đề của mạng cảm biến không dây như: khả năng thích nghi tốt hơn với mọi loại kích thước mạng, giảm dữ liệu cảm biến dư thừa và số bản tin điều khiển sử dụng.
- Cảm biến có hỗ trợ bộ thu phát đa kênh  Vị trí các nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên trên vùng cần nghiên cứu.
- Các cảm biến có vị trí cố định và cùng loại.
- Mô tả giao thức: Mỗi cảm biến sẽ có 2 thông số chính là Năng lượng và Level.
- Năng lượng: chính là lượng pin còn lại của mỗi cảm biến.
- Level: Level của cảm biến được xác định như sau: Cảm biến nào có thể liên lạc trực tiếp với trung tâm thì có Level = 1.
- Cứ như vậy công thức xác định Level như sau: Li = Min (Lj) với Lj là Level của các cảm biến mà nó có thể liên lạc.
- Thông thường trạm gốc sẽ quảng bá thông tin về vị trí của nó tới tất cả các nút cảm biến trong mạng để giúp các nút này có được định hướng trong việc định tuyến dữ liệu.
- Pha thành lập cụm: Khi một sự kiện xảy ra, các nút nằm trong phạm vi sự kiện sẽ được kích hoạt và tiến hành đo thông số cảm biến.
- Nếu thông số này vượt ngưỡng các nút sẽ tiến hành quảng bá thông tin về dữ liệu cảm biến và năng lượng còn lại tới các nút lân cận.
- Trường hợp có nhiều nhóm trưởng các nút trong nhóm sẽ dựa vào thông số khoảng cách hay năng lượng để lựa Trang 34/68 chọn một trong các nhóm trưởng đó để gửi dữ liệu cảm biến về.
- Nhóm trưởng có nhiệm vụ nhận dữ liệu cảm biến từ các nút trong nhóm, thực hiện phân tích loại bỏ dữ liệu dư thừa và nén dữ liệu thành các bản tin gửi về trạm gốc.
- Các gói tin dữ liệu cảm biến sẽ được truyền đi theo tuyến đường cố định này cho tới khi sự kiện kết thúc.
- 1 Mô hình giao thức phân cấp, phân cụm 2.3.2 Mô hình năng lượng Để đánh giá sự tiêu hao năng lượng của cảm biến trong quá trình hoạt động một mô hình năng lượng được sử dụng trong quá trình truyền nhận dữ liệu (như hình 2.2.
- Năng lượng tiêu hao của các cảm biến trong quá trình hoạt động chủ yếu là do truyền nhận dữ liệu, năng lượng tiêu hao do tính toán và cảm biến là nhỏ.
- 2 Mô hình truyền thông và năng lượng 2.3.3 Giao thức truy cập môi trường [1] Để đánh giá trễ và mức độ tranh chấp môi trường truyền cần phải xem xét hoạt động của lớp MAC của các cảm biến.
- Các cảm biến hoạt động trên tần số 2.4 GHz có 16 Trang 39/68 kênh tần số trực giao.
- Trong giai đoạn này các nút trao đổi thông tin với nhau để xác định Level của mỗi cảm biến và danh sách các nút trong bảng định tuyến.
- Các cảm biến nào nhận được bản tin quảng bá này sẽ có Level 1.
- Quá trình này sẽ lan truyền đến khi các cảm biến tìm được Level của mình.
- 2 Ví dụ bảng định tuyến của một nút Kết thức giai đoạn khởi tạo các nút cảm biến sẽ xác định được các thông số của mỗi nút như: Level, danh sách bảng định tuyến.
- Số nút cảm biến còn hoạt động qua các sự kiện: Số nút cảm biến còn hoạt động thể hiện khả năng cân bằng năng lượng của giao thức.
- Mỗi giao thức tiết kiệm năng lượng mà không có tính cân bằng thì một số nút cảm biến sẽ hết năng lượng rất nhanh, dẫn tới tuổi thọ của mạng sẽ giảm.
- c) Mức độ cân bằng năng lượng giữa các cảm biến.
- Để đánh giá mức độ cân bằng năng lượng giữa các cảm biến em tiến hành đo lương lượng còn lại của các cảm biến tại một thời điểm.
- Các cụm trưởng sau khi thu thập dữ liệu của các cảm biến sẽ truyền dữ liệu về BS trên nhiều kênh khác nhau, từ đó việc tiêu thụ năng lượng được chia đều cho các cảm biến.
- 4.2.2.3 Nhận xét chung Giao thức được mô phỏng và chạy thử nghiệm trong điều kiện lý tưởng (không có nhiễu, các cảm biến cố định, tại một thời điểm chỉ xảy ra một sự kiện.
- Trang 66/68 KẾT LUẬN Truyền thông trong mạng cảm biến không dây là một lĩnh vực nghiên cứu rộng lớn bao gồm nhiều giao thức để định tuyến và truyền dữ liệu khác nhau.
- Cân bằng năng lượng giữa các cảm biến tốt.
- Trang 67/68 TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] VŨ MẠNH HÙNG, “Truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây”, đồ án tốt nghiệp đại học k53, trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt