Luận Văn Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng

Mục lục

Mục lục 1
Thuật ngữ viết tắt 4
Lời nói đầu 6
Chương I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor 7
1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây 7
1.2. Nền tảng phát triển mạng 7
1.2.1. Mạng Ad hoc không dây 7
1.2.2. Nền tảng công nghệ 10
1.3. Mô tả hệ thống 12
1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát 12
1.3.2. Hệ thống WISENET 13
1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng 17
1.4.1. Lớp ứng dụng 18
1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor 18
1.4.1.2. Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu 19
1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu 20
1.4.2 Lớp giao vận 20
1.4.3 Lớp mạng 21
1.4.4. Liên kết liên mạng 21
1.4.5 Lớp liên kết số liệu 22
1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn 22
1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi 23
1.4.6 Lớp vật lý 24
1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor 25
1.5.1. Kích thước vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp 25
1.5.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 26
1.5.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế 26
1.5.4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng 26
1.5.5. Hoạt động tin cậy 27
1.6. ứng dụng của mạng Sensor 27
1.6.1. ứng dụng trong quân sự 27
1.6.2. ứng dụng về môi trường 29
1.6.3. ứng dụng trong y tế 30
1.6.4. ứng dụng trong gia đình 30
1.6.5. Các ứng dụng thương mại khác 31
Chương II : Năng lượng trong mạng Wireless Sensor 33
2.1. Tính đặc thù của mạng 33
2.1.1. Hạn chế phần cứng 33
2.1.2. Môi trường hoạt động 34
2.1.3. Môi trường truyền dẫn 35
2.2. Sự tiêu thụ năng lượng 36
2.2.1. Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến 37
2.2.2. Năng lượng cho truyền thông 37
2.2.3. Năng lượng cho xử lý 38
2.3. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng 38
2.3.1. Giải pháp định tuyến 38
2.3.1.1. Các phương pháp định tuyến tối ưu về năng lượng 39
2.3.1.2. Phương pháp định tuyến số liệu tập trung 40
2.3.1.3. Các giao thức lớp mạng khác được đề xuất cho mạng Sensor 41
2.3.2. Giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn 46
2.3.2.1. Yêu cầu với giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) cho mạng sensor 46
2.3.2.2. Các giao thức MAC cho mạng sensor 47
2.3.2.3. Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng 50
2.3.3. Quản lý nguồn công suất 50
2.3.3.1 Thời gian tồn tại 51
2.3.3.2 Phát hiện nguồn thấp "Low Battery" 51
2.3.3.3. Cảnh báo "Low Battery" 53
2.3.4. Tận dụng các nguồn năng lượng trong tự nhiên 54
2.3.1.1. Tế bào quang điện 55
2.3.1.2. Các nguồn năng lượng khác 56
Chương III : Phần mềm mô phỏng năng lượng cho mạng Wireless Sensor 57
3.1. Mô hình hoá mô phỏng 57
3.1. Mô hình nguồn năng lượng 57
3.3. Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor 58
3.3.1. Phần mềm NS-2 58
3.3.2. Cơ sở phát triển mô phỏng mạng Sensor trên nền NS-2 61
3.3.3. Các định dạng mới trong NS-2 62
3.3.4. Thay đổi trong NS-2 64
3.4. Thiết lập mã lập trình mô phỏng 66
3.4.1. Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu 66
3.4.2. Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon 66
3.4.3. Thiết lập các nút Phenomenon với giao thức "định tuyến" Phenom 66
3.4.4. Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon 67
3.4.5. Định hình nút Sensor 68
3.4.6. Thiết lập các nút Non-Sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) 69
3.4.7. Gắn kết các tác nhân Sensor 70
3.4.8. Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng Sensor cho mỗi nút 70
3.4.9. Khởi động ứng dụng Sensor 70
Chương IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor 71
4.1. Mục đính mô phỏng 71
4.2. Thực hiện mô phỏng 72
4.2.1. Mã chương trình 72
4.2.1. Phân tích kết quả 73
4.2. Kết quả 74
4.2.1. Sự tổn hao năng lượng 75
4.2.2. Tốc độ giảm năng lượng khi tăng số nút mạng 77
4.2.3. Tốc độ giảm năng lượng khi mật độ mạng không đổi 78
4.2. Đánh giá 79
Kết luận 80
Tài liệu tham khảo 81




Lời nói đầu

Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều ứng dụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất kỳ điều kiện và vùng địa lý nào. Có nhiều phương pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin trong đó mạng Wireless Sensor hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới và đang dần xâm nhập vào nước ta.
Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng Wireless Sensor như vấn đề năng lượng, vấn đề đồng bộ sensor, vấn đề mở rộng mạng . Năng lượng luôn là yếu tố quan trọng của tất cả các loại mạng. Với mạng Wireless Sensor do tính đặc thù của mạng là hạn chế về phần cứng và ứng dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lượng càng trở lên quan trọng.
Trước thực tế này, được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, em đã chọn đề tài đồ án: “Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng”.
Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng lượng trong mạng Wireless Sensor, từ đó đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng và tận dụng các nguồn năng lượng sạch trong tự nhiên.
Đồ án gồm 4 chương:
1 - Chương I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor
2 - Chương II : Năng lượng trong mạng Wireless Sensor
3 - Chương III : Phần mềm mô phỏng cho mạng Wireless Sensor
4 - Chương IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor
Do còn hạn chế về kiến thức và năng lực nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, đã hướng dẫn em về chuyên môn cũng như phương pháp làm việc để em có thể hoàn thành đồ án. Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô trong Khoa viễn thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính - viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này.