Thạc Sĩ mạng cảm nhận không dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi t

MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM MỘT SỐ THÔNG SỐ QUA ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 2
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 5
MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 11
1.1. Giới thiệu 11
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến 12
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến 12
1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng 16
1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến . 17
1.2.3.1. Cấu trúc phẳng 17
1.2.3.2. Cấu trúc tầng 18
1.3. Ứng dụng 20
1.3.1. Ứng dụng trong quân đội 20
1.3.2. Ứng dụng trong môi trường 22
1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 23
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình . 23
1.4. Kết luận 23
CHƯƠNG 2: CÁC THỦ TỤC THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG 24
2.1 Tổng Quan . 24
2.2 Các giao thức MAC truyền thống . 24
2.2.1 Aloha và CSMA 24
2.2.2 Các vấn đề về nút ẩn và nút hiện 24
2.2.3 Thâm nhập môi trường và cảnh báo đụng độ (MACA). 25
2.2.4 IEEE 802.11 MAC 26
2.2.5 IEEE 802.15.4 MAC 26
2.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC 27
2.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11 27
2.3.2 Thâm nhập môi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS) 27
2.3.3 Mức tối thiểu hoá chi phí năng lượng thu nhàn rỗi 28
2.4.1. Đánh thức máy thu thứ cấp 28
2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp 28
2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER) . 29


-4-
2.4.5 Giao thức MAC tái cấu hình 31
2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ 32
2.5.1 Sensor MAC (S-MAC) . 32
2.5.2 Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC) 33
2.5.3 MAC thu thập số liệu (D-MAC) 33
2.5.4 Lập lịch ngủ trễ hiệu suất (DESS) 34
2.5.5 Lập lịch ngủ không đồng bộ 35
2.6 Các giao thức tự do tranh chấp . 36
2.6.1 MAC tình và sự khởi động (SMACS) 37
2.6.2 Lập lịch cơ bản BFS/DFS 37
2.6.3 MAC đồng bộ dành riêng . 38
2.6.4 Thâm nhập môi trường thích ứng lưu lưọng (TRAMA) 38
2.7 Lập lịch không tập trung 40
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐO KIỂM MẠNG WSN SỬ DỤNG PHƯƠNG
PHÁP LẬP LỊCH TẬP TRUNG 42
3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm: . 42
3.1.1. Mục đích: 42
3.1.2. Yêu cầu thực nghiệm: 42
3.2. Các thiết bị thực nghiệm: . 42
3.3 Giới thiệu VDK CC1010: 43
3.4 Tiến hành thực nghiệm 46
3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm và thuật toán: . 46
3.4.1.1 Đo khoảng cách D lớn nhất giữa các nút mạng để chúng có thể liên
lạc được với nhau : 46
3.4.1.2 Thời gian truyền nhận dữ liệu giữa nút cảm nhận và nút cơ sở . 49
3.4.1.3 Đo cường độ dòng điện của các nút mạng các trạng thái : ngủ,
truyền, nhận dữ liệu ở chế độ lập lịch tập trung 54
KẾT LUẬN 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 78
PHỤ LỤC 80
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng thông tin máy
tính di động được phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến di động
(wireless mobile sensor network), dạng không cấu trúc (ad-hoc mobile network) mới
xuất hiện, nhưng đã được nhiều nước, nhiều tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh, kinh
tế quan tâm.
Một lĩnh vực nổi bật của mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network-
WSN) là sự kết hợp việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ.
Thông qua mạng hình lưới (mesh networking protocols), những thiết bị này tạo ra một
sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Trong khi khả năng của từng thiết bị là rất
nhỏ, sự kết hợp hàng trăm thiết bị như vậy yêu cầu là phải có công nghệ mới.
Nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ sự phát
triển của những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và
đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập
trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó
là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông Trong một tương lai không
xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong
cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải
mạng nào cũng có được như mạng cảm biến.
Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết
bị nhỏ có thể tự thiết lập cẩu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi
theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc tình
trạng thiết bị.
Tính chất không dây của WSN có ưu điểm mềm dẻo, giá rẻ nhưng có nhiều
thách thức cần được giải quyết một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn
năng lượng bị giới hạn, các nút mạng cảm biến lại hoạt động ngoài môi trường rất
khó nạp lại năng lượng. Trong khi đó, yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của
mạng cảm nhận là năng lượng cung cấp. Mỗi nút cần được thiết kế quản lý năng lượng
cung cấp nội bộ để tối đa thời gian sống của mạng. Trong trường hợp mạng an ninh,
mỗi nút phải sống trong nhiều năm. Một nút bị lỗi sẽ làm tổn thương hệ thống an
ninh.Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử
dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau.
Nhận thấy tầm quan trọng của trong việc hạn chế tiêu thụ năng lượng tối đa
trong mạng cảm biến, tác giả đã đi vào nghiên cứu vấn đề “Mạng cảm nhận không
dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi
trường.”


-10-
Luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục và
tài liệu tham khảo.
Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây sẽ giới thiệu một cách tổng
quan về WSN, các dạng ứng dụng của WSN và đưa ra những tiêu chí đánh giá cho
WSN cũng như tiêu chí đánh giá một nút mạng cảm nhận.
Chương 2: Giới thiệu các thủ tục thâm nhập môi trường, chọn thủ tục lập lịch
tập trung đi sâu nghiên cứu.
Chương 3: Thực nghiệm đo kiểm mạng WSN sử dụng phương pháp lập lịch
tập trung.
Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt
được đồng thời cũng đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS. Vương Đạo Vy, Khoa
Điện tử viễn thông - Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, người đã
hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này.