Luận Văn Tìm hiểu các kỹ thuật xuyên lớp trong mạng cảm nhận

Đồ án tốt nghiệp năm 2011
Đề tài: Tìm hiểu các kỹ thuật xuyên lớp trong mạng cảm nhận


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC HÌNH VẼ 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU . 5
BẢNG LIỆT KÊ CÁC TỪ VIẾT TẮT . 6
LỜI MỞ ĐẦU 8
CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY ( WSN) 9
1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 9
1.1.1 Khái niệm: . 9
1.1.2 Cấu trúc của node cảm biến: . 9
1.1.3 Các thành phần của WSN: . 10
1.1.4 Đặc điểm của WSN . 10
1.1.5 Kiến trúc phân tầng 11
1.1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến . 12
1.1.7 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống 12
1.2 Trường hợp thiết kế xuyên lớp và tối ưu hóa trong WSN . 12
1.2.1 Phương pháp phân lớp: 13
1.2.2 Phương pháp tiếp cận xuyên lớp . 15
1.2.3 Ví dụ về thiết kế xuyên lớp . 17
1.2.4 Mục tiêu, vấn đề và phương pháp tiếp cận . 18
1.3 Kết luận . 19
CHƯƠNG 2 : TÌM HIỂU CÁC KỸ THUẬT XUYÊN LỚP TRONG
MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY . 20
2.1 Bối cảnh . 20
2.2 Giao thức xuyên lớp cho mạng cảm biến không dây 21
2.2.1 Xét tương tác xuyên lớp của các cặp lớp 21
2.2.2 Động lực cho thiết kế XLM 23
2.2.3 Các công việc liên quan 24
2.2.4 Mô-đun xuyên lớp cho mạng cảm nhận không dây ( XLM) . 25
2. 3 Phân bố tài nguyên xuyên lớp 26
2.3.1 Tối ưu hóa khung làm việc . 27
2.3.2 Khung chung cho các vấn đề thiết kế xuyên lớp 27
2.4 Các vấn để nghiên cứu mở 28
2.5 Hướng dẫn đề phòng các lỗi trong thiết kế xuyên lớp 29
2.6 Kết luận . 30
CHƯƠNG 3: MÔ -ĐUN XUYÊN LỚP CHO MẠNG CẢM NHÂN
KHÔNG DÂY ( XLM) 31
3.1 Giao thức XLM cho WSN . 31
3.1.1 Các nhiệm vụ trong giao thức XLM . 32
3.1.2 Khởi tạo truyền dẫn trong XLM . 33
3.1.3 Tiếp nhận và tranh chấp trong XLM . 33
3.1.4 Định tuyến dựa trên góc trong XLM . 34
3.1.5 Điều khiển tắc nghẽn cục bộ trong XLM 36
3.1.6 Phân tích công suất XLM . 41
3.2 Đánh giá thực hiện . 45
3.2.1 Tham số XLM . 46
3.2.2 Các đánh giá so sánh 48
3.2.2.1 Các cấu hình giao thức 49
3.2.2.2 Các kết quả so sánh . 51
3.2.2.3 Độ phức tạp của triển khai XLM . 55
KẾT LUẬN 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ việc
nghiên cứu những mạng cho giá thành rẻ tiêu thụ ít năng lượng, đa chức năng, dễ
mở rộng và hoạt động một cách dễ ràng đang được tập chung nghiên cứu. Trong đó
việc nghiên cứu về mạng cảm biến đang được phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là hệ
thống mạng cảm biến không dây ( wireless sensor network).
Hiện nay có rất nhiều ứng dụng của mạng cảm biến được triển khai. Đó là
các ứng dụng theo dõi giám sát, tự động hóa, y tế, quân đội và an ninh 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
của mạng WSNs.
Tuy nhiên, WSNs bị hạn chế về tài nguyên như: bộ nhớ, khả năng tính toán
và năng lượng. Các nút mạng WSNs được trang bị pin, nên rất hạn chế về năng
lượng. Do đó, sử dụng năng lượng là một trong những vấn đề chính trong thiết kế
mạng WSN. Vì tất cả các lớp của kiến trúc giao thức đều ảnh hưởng tới tiêu thụ
năng lượng, do đó sự phối hợp giữa các lớp bằng một thiết kế xuyên lớp sẽ dẫn đến
việc tiêu thụ năng lượng hiệu quả.
Vì vậy mà đồ án tốt nghiệp” Tìm hiểu các kỹ thuật xuyên lớp trong mạng
cảm nhận” sẽ đi nghiên cứu tổng quan về mạng WSN, tìm hiểu các kỹ thuật xuyên
lớp trong mạng cảm nhận, đặc biệt là giao thức mo-dun xuyên lớp ( XLM)
Đồ án này gồm 3 chương, nội dung của các chương tóm tắt như sau:
Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây, chương này sẽ giới thiệu
sơ tổng quan của mạng cảm nhận không dây ( WSN), các ứng dụng, ưu điểm và
thách thức đặt ra , đồng thời đưa ra các phương pháp tiếp cận xuyên lớp để giải
quyết các thách thức cơ bản của mạng WSN.
Chương 2: Tìm hiểu các kỹ thuật xuyên lớp trong mạng cảm nhận, trong
chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu cơ sở lý thuyết của kỹ thuật xuyên lớp, tìm
hiểu một số các kỹ thuật xuyên lớp sử dụng hiện nay trong WSN.
Chương 3: Tìm hiểu và phân tích giao thức mô-dun xuyên lớp (XLM), trong
chương này chúng ta nghiên cứu kỹ giao thức XLM , kiểm nghiệm và so sánh nó
với các giao thức khác


CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY ( WSN)
1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây
1.1.1 Khái niệm:
Mạng cảm nhận không dây ( WSN) theo [ 1] có thể hiểu đơn giản là mạng liên
kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến ( RF connection) tạo thành mạng
cộng tác, mỗi node là một thiết bị nhỏ có trang bị cảm biến có thể cảm nhận môi trường
xung quanh nó , được triển khai ngẫu nhiên hoặc theo cấu trúc, sử dụng nguồn năng
lượng hạn chế ( pin), có thời gian hoạt động lâu dài ( vài tháng đến vài năm) và có thể
hoạt động trong môi trường khắc nghiệt ( chất độc,ô nhiễm,nhiệt độ )
Hình 1-1:Minh họa một mạng cảm biến
Các nút cảm biến được phân phối trong một khu vực đặc biệt để thu thập dữ
liệu,dữ liệu được xử lý và gửi đến một nút trung tâm tập hợp dữ liệu ( sink), để thực
hiện bước xử lý tiếp theo
1.1.2 Cấu trúc của node cảm biến:
Một node cảm biến được biết đến như là một mote ( kết hợp cảm biến với bộ
vi xử lý)
Cấu trúc Node sensor bao gồm các thành phần:
- Nguồn năng lượng duy trìuy trì node sensor ( hạn chế)
- Bộ thu phát:Truyền phát,thu tín hiệu cảm nhận - Sensor: Thiết bị cảm nhận
- ADC:Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
- Bộ nhớ:Lưu trữ thông tin trước và sau khi sử lý
- Bộ xử lý: Một vi điều khiển là một máy tính nhỏ, trên một mạch tích hợp
duy nhất có chứa một lõi xử lý, bộ nhớ và đầu vào ( lập trình)/đầu ra
1.1.3 Các thành phần của WSN:
Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:
- Các không gian phân phối theo mô hình tập trung hay phân bố rải rác
- Mạng liên kết giữa các cảm biến ( có dây hay vô tuyến)
- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu
- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm
Cảm biến có thẻ gồm 1 hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng:1-100mm;100-10000nm;10-1000ym
Do đặc tính của mạng WSNs là di động và chủ yếu phục vụ cho các ứng
dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật. Ngày nay WSN mở rộng sang lĩnh vực
thương mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thương mại cao cho WSN
1.1.4 Đặc điểm của WSN
WSNs có một số đặc điểm khác các mạng không dây khác (mạng ad
hoc),như tính chất hướng dữ liệu, do vậy cấu trúc các giao thức mạng cũng
khác,WSNs đỏi hỏi một kiến trúc ứng dụng nhạy cảm hơn, đồng thời đòi hỏi một số
dịch vụ cơ bản, như định vị và đồng bộ thời gian,để cho phép cộng tác hiệu quả và
thu thập dữ liệu tốt . Hơn nữa, do kiến trúc và nhiệm vụ của WSN, nên nó dễ bị tấn
công. Các đặc tính của mạng còn phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể
Node mạng có tài nguyên hạn chế :Năng lực xử lý yếu , bộ nhớ hạn chế và
tốc độ truyền thông thấp. Nguồn nuôi bằng PIN, mạng triển khai bằng cách rắc trên
miền địa hình phức tạp, node không giám sát do đó không thể nạp hoặc thay PIN.
Vì vậy, vấn đề năng lượng hiệu quả cho các nút mạng là rất quan trọng cho việc
kéo dài tuổi thọ của mạng.
Dữ liệu hướng hoạt động: Node như một công cụ để lấy dữ liệu từ môi
trường xung quanh.
Mô hình truyền thông mới: Khác với mô hình truyền thông không dây
truyền thống điển hình ad-hoc là end to end , còn mô hình trong WSNs có lưu lượng
dữ liệu thông thường được chuyển từ nhiều nguồn tới một đích .
Quy mô lớn: Kích thước của WSNs khác nhau tùy vào từng ứng dụng, một
số mạng có số lượng node cảm biến rất lớn và quy mô thay đổi, điều này khiến cho
việc gỡ rối hay tổ chức lập trình gặp nhiều khó khăn.
Yêu cầu thời gian thực: Có một số ứng dụng đòi hỏi xử lý dữ liệu tức thì,
các cảm nhận kịp thời thu dữ liệu và truyền sẽ tăng khó khăn trong việc gửi tín hiệu.
Độ trễ trong quá trình cảm nhận dữ liệu lớn có thể là vô ích.
1.1.5 Kiến trúc phân tầng
Kiến trúc bao gồm các lớp vả các mặt phẳng quản lý, các mặt phẳng quản lý này
làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo một 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.
Mặt phẳng quản lý công suất:
Quản lý cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó Ví dụ: Nó có thể tắt bộ
thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của cảm biến thấp nó sẽ
broadcast sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp
và 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 node, các node
giữ việc theo dõi xem node láng riềng nào của chúng.
Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ:
Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan
tâm.không phải tất cả các nút đều thực hiện cảm nhận ở cùng một thời điểm.
Lớp vật lý:
Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu,
điều chế và mã hóa tín hiệu
Lớp liên kết dữ liệu:
Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ liệu,
cách truy cập đường truyền và điều khiển lỗi
Lớp mạng:
Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc:
. Hiệu quả năng lượng luôn được coi là vấn đề quan trọng
. Mạng cảm nhận chủ yếu là tập hợp dữ liệu
. Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu
quả của các node cảm biến.
Lớp truyền tải dữ liệu:
Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng
internet hoặc các mạng bên ngoài khác.


TµI LIÖU THAM KH¶O
[1] C. S. Raghavendra, Krishna M. Sivalingam and Taieb Znati, “Wireless
Sensor Networks”, Kluwer Academic Publishers, 2004.
[2] Liang Song, “Cross Layer Design in Wireless Sensor Networks”, Phd
Thesis, De-partment of Electrical and Computer Engineering, University of
Toronto, p.2, 2006.
[3] “ The State of the Art in Cross-Layer Design for Wireless Sensor
Networks ” Tommaso Melodia, Mehmet C. Vuran, and Dario Pompili, Georgia
Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, {tommaso, mcvuran,
dario}@ece.gatech.edu
[4] “ A Cross-Layer Protocol for Wireless Sensor Networks “, Ian F.
Akyildiz Mehmet C. Vuran ¨ Ozg¨ ur B. Akan. Middle East Technical University,
Atlanta, GA 30332 06531, Ankara, Turkey. Email: {ian, mcvuran}@ece.gatech.edu
Email:[email protected]
[5] “ Correlation-based cross-layer communication in wireless sensor
networks ”. Georgia Institute of Technology,August 2007.
[6] ” Cross-Layer Optimization for Sensor Networks ” Yuecheng Zhang
and Liang Cheng, Department of Electrical and Computer Engineering, Lehigh
University, [email protected], Department of Computer Science and Engineering,
Lehigh University, [email protected] , 19 Memorial Drive West, Bethlehem,
PA 18015, USA
[7] Design challenges for energy-constrained ad hoc wireless networks ,
Wireless Communications, IEEE [see also IEEE Personal Communications], vol.9,
no.4, pp. 8- 27, Aug., 2002.
[8] “Cross Layer Design in Wireless Sensor Networks”, Phd Thesis,
Department of Electrical and Computer Engineering, University of Toronto, p.2,
2006.
[9] “Cross-Layer Design: A Survey and the Road
Ahead” Vineet Srivastava and Mehul Motani, IEEE communication
magazine, December 2005.
[10] “Cross-layer optimization for high density sensor networks: Distributed
passive routing decisions," Skraba, P., Aghajan, H., and Bahai, in Proc. Ad-Hoc,
Now '04, (Vancouver), July 2004.
[11] ” Geographic random forwarding (GeRaF) for ad hoc and sensor
networks: multihop performance," Zorzi, M. and Rao, R IEEE Trans. Mobile
Computing,vol. 2, pp. 337{348, Oct.-Dec. 2003.
[12] “ RMST: Reliable data transport in sensor networks," Stann, F. and
Heidemann, J in Proc. IEEE SNPA '03, (Anchorage, Alaska), pp. 102{112, April 2003.
[13] Stann, F. and Heidemann, J., \RMST: Reliable data transport in sensor
networks," in Proc. IEEE SNPA '03, (Anchorage, Alaska), pp. 102{112, April
2003.