Đồ án tốt nghiệp đại học
................oOo................
BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless
Sensor và đánh giá bằng mô phỏng
Đồ án tốt nghiệp đại học
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.
Hà Nội ngày 31 tháng 10 năm 2005
Sinh viên
Phan Viết Thời
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I . Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIRELESS SENSOR
1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Các thiết bị cảm biến (Sensor) được kết nối thành mạng, phối hợp với nhau để thực
hiện các nhiệm vụ với quy mô lớn, được đặt nhiều hy vọng nhằm cách mạng hóa trong
lĩnh vực thu thập thông tin ở bất kì điều kiện và vùng địa lý nào. Mạng cảm biến
không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử
dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực
hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết
trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink)
và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút Sensor không dây có
thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra
môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp;
y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình
địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây
truyền thống được.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng
mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến
hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một
môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không
dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như
các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở
các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp...
1.2. Nền tảng phát triển mạng
Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc không dây
và được thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ công nghệ.
1.2.1. Mạng Ad hoc không dây
Mạng Ad hoc không dây là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, được triển
khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện như để
tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp,.v.v.
Mạng Ad hoc không cần các thành phần cơ sở hạ tầng như tổng đài, trạm thu phát gốc
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I . Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
hay bất kì một trung tâm điều khiển nào. Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc
được liên kết động với nhau một cách tuỳ ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên
ngoài. Tất cả các nút này đều có thể hoạt động như một bộ định tuyến nhờ khả năng
tìm và duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng. Các giao thức định tuyến trong mạng
Ad hoc có thể chia thành hai loại:
- Các giao thức định tuyến theo bảng: mỗi nút mạng sẽ duy trì và cập nhật thông tin
định tuyến tới mọi nút mạng khác.
- Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: Việc định tuyến chỉ được thực hiện khi có
yêu cầu chuyển gói, nhờ cơ chế tìm đường.
Hiện nay có bốn giao thức định tuyến được sử dụng trong mạng Ad hoc:
a) Định tuyến theo chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự
Trong Định tuyến theo chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự (Destination-Sequenced
Distance-Vector - DSDV), mọi trạm di động đều có một bảng định tuyến trong đó ghi
các đích hiện tại, số các bước nhảy để đến được đích và số thứ tự được gán cho nút
đích. Số thứ tự này được sử dụng để phân biệt các tuyến và như vậy tránh được sự
hình thành các vòng lặp. Các trạm định kỳ gửi bảng định tuyến của nó cho các nút lân
cận của nó. Một trạm cũng gửi bảng định tuyến nếu một thay đổi đáng kể trong bảng
so với lần gửi cập nhật cuối cùng được phát hiện. Như vậy, việc cập nhật được thực
hiện cả theo thời gian và theo sự kiện.
Các bảng định tuyến có thể được gửi cập nhật theo hai cách: chuyển toàn bộ (“full
dump”) hay cập nhật phần gia tăng. Theo cách chuyển toàn bộ, bảng định tuyến sẽ
được gửi trọn vẹn đến các nút lân cận và nó có thể bao gồm nhiều gói tin. Ngược lại,
theo cách cập nhật phần gia tăng, chỉ những mục ghi mới của bảng định tuyến so với
lần cập nhật cuối cùng mới được gửi đi và phải vừa trong một gói tin. Khi mạng tương
đối ổn định, các gói cập nhật phần gia tăng được sử dụng để tránh việc lưu lượng tăng
cao và việc chuyển toàn bộ (full dump) ít được sử dụng hơn. Trong các mạng thay đổi
nhanh, số lượng các gói cập nhật phần gia tăng có thể trở lên rất lớn nên việc chuyển
toàn bộ bảng được thực hiện thường xuyên hơn.
b) Định tuyến bằng thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian
Định tuyến bằng thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian (Temporally Ordered
Routing Algorithm - TORA) là một giao thức định tuyến trên cơ sở một thuật toán
“đảo liên kết” (“Link Reversal”). Nó được thiết kế để tìm các tuyến đường theo yêu
cầu, cung cấp nhiều tuyến tới một đích, thiết lập tuyến nhanh và giảm tới mức tối thiểu
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I . Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
phần phụ tải (overhead) bằng thuật toán khoanh vùng chống lại các thay đổi về hình
trạng mạng có thể sảy ra. Việc tối ưu định tuyến (tìm đường ngắn nhất) được coi là thứ
yếu và việc định tuyến với các đường dài hơn được sử dụng thường xuyên để tránh
phần phụ tải khi tìm đường mới.
Hoạt động của giao thức TORA được hình dung giống như đưa nước chảy dốc
xuống qua một mạng các đường ống và hướng tới một điểm đích. Các đường ống mô
tả các liên kết giữa các nút mạng, các điểm nối các đường ống này mô tả các nút mạng
và nước chảy trong các ống mô tả các gói tin được định tuyến hướng tới đích. Mỗi nút
có một độ cao so với đích được tình toán bởi giao thức định tuyến và độ cao giảm dần
trên tuyến, nhờ vậy có thể chuyển gói tin một cách tuần tự để tới đích.
c) Giao thức định tuyến nguồn động
Điểm cơ bản của giao thức định tuyến nguồn động ( Dynamic Source Routing -
DSR) là việc sử dụng định tuyến nguồn. Tức là, nơi gửi nhận biết được hoàn toàn
tuyến đường gồm các liên kết dẫn tới đích. Các tuyến đường này được lưu trong bộ
nhớ định tuyến (Route Cache). Các gói dữ liệu mang theo thông tin định tuyến nguồn
trong tiêu đề gói. Khi một nút trong mạng Ad hoc muốn gửi một gói tin tới một đích
mà nó chưa nhận biết được tuyến đường, nó sẽ sử dụng một tiến trình tìm đường
(Route Discovery) để xác định một tuyến. Tiến trình tìm đường sẽ gửi tràn lan vào
trong mạng các gói yêu cầu tuyến (Route Request-RREQ). Mỗi nút nhận được RREQ
lại tiếp tục quảng bá nó, trừ khi nút đó là nút đích hoặc có một tuyến tới đích được lưu
trong bộ nhớ định tuyến. Các nút này trả lời các gói RREQ bằng các gói hồi âm định
tuyến (Route Reply-RREP). Các gói này được định tuyến trở lại nguồn. Các gói
RREQ và RREP cũng được định tuyến theo nguồn. Các gói RREQ lập lên một tuyến
xuyên qua mạng. Gói RREP định tuyến trở lại nguồn bằng cách đi ngược trở lại theo
tuyến đường này. Thông tin về tuyến được mang trở lại bằng gói RREP và được lưu
tại nguồn để sử dụng.
Nếu một liên kết trên một tuyến bị sự cố, nút nguồn được thông báo bằng một gói lỗi
(Route Error-RERR). Nguồn sẽ xoá tuyến này trong bộ nhớ định tuyến và bắt đầu một
tiến trình tìm đường mới nếu tuyến này còn cần thiết. Trong DSR không cần một cơ
chế đặc biệt nào để phát hiện các vòng lặp định tuyến.
d) Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời
Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời (Ad hoc On-Demand
Distance- Vector Routing - AODV) có điểm giống DSR là nó cũng tìm các đường có
yêu cầu thông qua một bằng một tiến trình tìm đường tương tự. Tuy nhiên, AODV sử
