Chương 1 ĐẶT VAN DE Những tiến bộ của khoa học công nghệ hiện nay đã kéo theo sự phát triển vượt bậc của mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network). Những nút cảm bién mới được cải tiễn về nhiều mặt: tốc độ thu thập thông tin, tốc độ xử lý và khả năng thu thập thông tin đa dạng. Mạng cảm biến cho phép truy nhập thông tin mọi lúc mọi nơi băng cách thu và truyền dữ liệu phân tán tạo một môi trường làm việc thông minh cho các ứng dụng. Cùng với việc bùng n6 của sự đa dang và da dụng của mạng cảm biến kéo theo những yêu cầu về năng lực hoạt động và hiệu suất của mạng cảm biến.
Do những đòi hỏi đáp ứng về thời gian gần như ngay lập tức của mạng cảm biến, tốc độ truyền tải thông tin trong mang cảm biến trở thành một van dé quan trong.Chinh vi vậy luận văn nảy sẽ tập trung nghiên cứu về van dé thời gian truyền dữ liệu trong mạng cảm biến. Luận văn trình bày thành hai phần với hai hướng nghiên cứu nhăm tối ưu thời gian truyền tải dữ liệu trong mạng WSN: e Lấy thời gian chờ trung bình khi truyền dữ liệu trong mạng làm đối tượng cần tối ưu và giải quyết bài toán thông qua việc chọn các thông số khả năng xử lý phù hợp cho các nút cảm biến trong mạng. e Lấy thời gian truyền dữ liệu tức thời trong mạng làm đối tượng cần tối ưu và giải quyết bài toán thông qua việc tìm các đường đi tức thời có độ trễ bé nhất. Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng WSN Chương 2 TONG QUAN VE MANG CẢM BIEN KHONG DAY 2.
Giới thiệu mạng cảm biến không dây: Từ những kiến thức được trình bày trong [13] , ta có thé tóm lượt tổng quan về mạng cảm biến không dây.Mạng cảm biến là một hệ thống hạ tầng bao gồm các phân tử có kha năng cảm biến (đo lường), tính toán , và giao tiếp với nhau cung cấp cho hệ thông quan lý kha năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện hiện tượng trong một môi trường nhất định. Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng cảm biên trong đó các kết nôi giữa các node cảm biên băng sóng vô tuyên. Ngày nay việc sử dụng mạng cảm biên đã trở nên rộng rãi với nhiêu ứng dụng trong nông nghiệp, chăn nuôi, công nghiệp, quân đội cho đến hệ thống báo động tại nhà. 1) Earthquake or eruption occurs 2) Nodes detect seismic event 3) Each node sends event report to base station ‘Pe GPS receiver for time sync Base station FreeWave at observatory , radio modem a Long-distance a radio link (4km) Hình 2.
Ứng dụng của mang cảm biến không dây trong dự báo thiên tai [Wikipedia] Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng WSN 2. Cấu trúc của một mạng cảm biến không dây: Một mạng cảm biến được cấu thành từ các thành phan chinh sau: ¢ Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân tán. - Kết ni liên kết các cảm biến (hữu tuyến hoặc vô tuyến) ¢ Điểm tập hợp dữ liệu (clustering) ¢ Hệ thong xử lý dữ liệu trung tâm m ReSen —— soro t —- ——e C) e Remote Sensor C) 2b uc p Single-hoO Wirlinkeles ss ` “4 ® / © Remote \ Sensor | \ Ca. Xi) VyClusteri ng Node ⁄ Singie-hop (also, intermediate C) l@ Pa Ps \ Muiti-hops processing node) \ Single-hop \ Yor ` fou~O links Wireless or wireline links Clustering Node (also, intermediate processing node) Sensor Field ( | Final Processing Node Hình 2.
Mô hình thông thường của một mang cam biến không dây [13] Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý, hay còn gọi là mote. Một nút cảm bién thông thường bao gồm các thành phan sau: - Bo cảm biến - BO vi xử ly tiêu hao ít năng lượng (low power processor) - Bo nhớ (memory) - Hé thống truyén tai dữ liệu (radio) - _ Nguồn năng lượng (power source) 10 Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng WSN 2. Công nghệ sử dụng trong mang WSN : 2. Tổng quan về công nghệ trong mạng WSN: Trong mạng WSN, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng.
Công nghệ cảm biến rất đa dạng từ cảm biến từ trường, nhiệt, ánh sáng. Có nhiều ứng dụng trong an ninh, sinh hóa. Mạng WSNs có một số đặc điểm như:công suất bị giới hạn, thời gian hoạt động bị hạn chế do nguồn cấp năng lượng, số lượng lớn các node cảm biến. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí: ¢ Chu kỳ hoạt động.
‹ Xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút cảm biến. ¢ Mô hình mạng. Phân loại mạng WSN: WSNs được phân ra làm 2 loại ,theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nodes sử dụng : Loại 1(CTWSNS): ¢ Sử dụng giao thức định tuyến động ‹ Các node tìm đường đi tốt nhất đến đích 11 Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng WSN ¢ Vai trò của các node sensor này với các node kế tiếp như là các trạm lặp (repeater) ¢ Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét). ¢ Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyên tiếp.
¢ Mạng phức tap. Loại 2 (C2WSNs): ‹ Mô hình đa diém-diém hay diém-diém, 1 kết nối radio đến node trung tâm. - Sử dụng giao thức định tuyến tinh. 1 node không cung cấp thông tin cho các node khác.
¢ Khoảng cách vai trăm mét. * Node chuyền tiếp không có kha năng xử lý dữ liệu cho các node khác. ‹ Hệ thống tương đối đơn giản. Trong Luận Văn này chúng ta sẽ nghiên cứu dựa trên mô hình mạng WSN loại 1 (CIWSNs).
Tiêu chuẩn trong mang WSN: Tiêu chuẩn tan số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.Hoat động tại tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y hoc(ISM), cung cấp đường truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet.4 được thiết kế dé bổ sung cho các công nghệ không dây như là Bluetooth, Wifi ,Ultrawideband (UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương mại. Truyền dữ liệu trong mang WSN: 2. Quá trình truyền sóng: Truyền di liệu dùng trong mang WSN thường là dạng sóng trong không gian tự do. Sóng phát ra từ nguôn đăng hướng và năng lượng sẽ tỉ lệ nghịch với khoảng cách : [1/(distanee)“].
Trong môi trường truyền không phải là không gian tự do ( cáp đồng trục, vật liệu xây dựng, tòa nhà, vật cản.) dữ liệu sẽ bi suy hao. 12 Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng WSN 2. Điều chế tín hiệu trong WSN: Dạng điều chế thường được dùng là điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha (PM). Một số dạng điều chế số tương ứng là ASK, FSK ,PSK, QAM.
Đối với kênh truyền số, dung lượng kênh truyền tối đa C của hệ thống đơn sóng mang có băng thông phổ W, định nghĩa bởi công thức Shannon: C = Wlogs(I+S/N) Trong đó: - S$ là công suat tín hiệu thu được. - N là công suât nhiêu ( kênh truyền giả sử có tác động nhiêu Gaussian) Per Baud (R/B) 10.0 _| + a ean Shannon's Limit —— 20am S49AM renal Sik 16Q0AM o—— 16PSK Modulation — ‘offic <i =1. = eTiiCieftOy 2 bể _—® MSK 1 bit/second/Hz _-— 8DPSK Y QPSK ai BPSK 1 bit/second/Hz Wr 4PSK / 40PSK QPSK 2 bits/second/Hz s / BPSK 3 bits/second/Hz 1.0 4 ¿—- 16PSK 4 bits/second/Hz ee BPSK BDPSK 16QAM 4 bits/second/Hz .“ = 2PSK 32QAM § bits/second/Hz SE 64QAM _ 6 bits/second/Hz L Lá 2560ANM 8 bits‘second/Hz 0.1 ' “ tu” Noise ` 0 = 5 10 1 = 20 atio F (dB) Hình 2.4 : Biểu đồ đánh giá hiệu qua các kỹ thuật điều chế số [13] 13 Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng WSN 2. Các giao thức không dây trong WSN Có nhiều giao thức không dây,được sử dụng khá rộng rãi là IEEE 802.1 1a/b/g/n wireless LANs, IEEE 802.15 4 (ZigBee), Man- scope IEEE 802.
Mỗi tiêu chuẩn có các ưu điểm và han chế riêng .7 mô tả một vai giao thức truyền dẫn không dây. | i WAN LONG Ũ (regional national) ¬ 1 ! MEDIUM PAN SHORT ~~ DATA RATE Paramé tric Sanger Applications Video based Sensor Ap pications (*) Up & 288 Mbps (# ) Upto 108 Mbps Hình 2.5 : Dé thị so sánh các giao thức truyền dan không dây phố bién[13] Bảng 2.6 sau đây sẽ đưa ra một vài so sánh giữa các giao thức IEEE Standard Dac tinh 802.4/ZigBee Khoang cach ~100m ~10—100m ~10m Tốc độ dit liệu ~2 — 54Mbps ~1— 3Mbps ~0.25Mbps Công suất tiêu thụ Trung bình Thap Cực thap Thời gian sông của pin Phút - vài giờ Giờ - vài ngày Ngày — vài nam Kích thước Lớn Nhỏ hơn Nhỏ nhật Ti số chi phí/độ phức tap >6 l 0.6 : Bang so sánh ưu khuyết các giao thức truyền dẫn không day[13] 14 Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng WSN 2. Giao thức vận hành mang không day: 2. Giao thức MAC : Các giao thức MAC ảnh hưởng đến tính hiệu quả và độ tin cậy trong quá trình truyền dữ liệu theo mô hình hop-by-hop.
Các giao thức MAC đang định nghĩa chuẩn IEEE 802 có thé không hoàn toàn thích hợp cho mang WSN vì van đề về mặt hiệu suất sử dụng năng lượng. Các giao thức MAC tổng quát có thé gây ton hao năng lượng do các nguyên nhân: e Việc đụng độ gói trên các kênh truyền dùng chungsẽ gây lãng phi do việc truyền lại gói tin. e Tiêu hao năng lượng do thông điệp điều khiến giao thức. e Overhearing va idle listening có thé gây lãng phi năng lượng.
Đề giao thức MAC có thể được sử dụng hiệu quả trong mạng WSN thì mạng phải có sự thiết kế hiệu quả sát với thực tế giảm các chỉ số đụng độ gói, overhead cho điêu khiên, giảm độ trê. < : sài ‘e! ‘o- — ad -®- Se i | ).„*# nsing range ee a, Event Hình 2.7 : Giao thức MAC trong mang WSN [13] 2. — Giao thức định tuyến : Mạng WSN dùng kiểu định tuyến dựa trên dữ liệu do những ưu điểm như dễ tập hợp dữ liệu. tiết kiệm năng lượng.
Các kỹ thuật định tuyến trong mạng WSN dùng nhiều kỹ thuật riêng dé giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. 15 Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng WSN 2.
