Luận Văn Nghiên Cứu Phương Pháp Xác Định Vị Trí Nút Mạng Không Dây

Chuyên khảo phân tích Luận văn nghiên cứu phương pháp xác định vị trí nút mạng không dây, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Hoàng Anh Sơn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Vương Đạo Vy
• Trường học: Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Xác Định Vị Trí Nút Mạng Không Dây
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng cảm biến

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về vị trí nút mạng trong hệ thống mạng không dây. Mạng cảm biến không dây (WSN) đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều ứng dụng hiện đại, từ giám sát môi trường đến an ninh quân sự. Đặc điểm nổi bật của mạng cảm biến là khả năng tự tổ chức và phân bố ngẫu nhiên của các nút cảm biến. Điều này cho phép mạng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện địa hình phức tạp. Tuy nhiên, việc xác định vị trí chính xác của các nút là một thách thức lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của mạng. Các giao thức và thuật toán hiện có chưa hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của mạng cảm biến, đặc biệt là trong việc tiết kiệm năng lượng. Do đó, nghiên cứu về phương pháp xác định vị trí là rất cần thiết để cải thiện hiệu quả hoạt động của mạng.

1.1 Giới thiệu về mạng không dây

Mạng không dây đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ thông tin và truyền thông. Hệ thống mạng cảm biến không dây cho phép thu thập và truyền tải dữ liệu từ xa mà không cần dây dẫn. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, y tế, và an ninh. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất là xác định vị trí chính xác của các nút cảm biến. Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu mà còn tiết kiệm năng lượng, kéo dài tuổi thọ của mạng. Các phương pháp hiện tại như kỹ thuật RSSI và kỹ thuật điện kế đang được nghiên cứu và cải tiến để nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí.

II. Cơ sở lý thuyết của định vị nút mạng

Chương này tập trung vào các lý thuyết cơ bản liên quan đến định vị nút mạng trong mạng không dây. Việc xác định vị trí chính xác của các nút cảm biến là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của mạng. Các phương pháp định vị hiện tại bao gồm hệ thống định vị Beacon-based và các kỹ thuật ước lượng khoảng cách. Những phương pháp này sử dụng tín hiệu từ các nút lân cận để xác định vị trí của nút cảm biến. Tuy nhiên, độ chính xác của các phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mật độ nút, điều kiện môi trường và công nghệ sử dụng. Nghiên cứu về các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong mạng.

2.1 Pha phân khoảng

Pha phân khoảng là bước đầu tiên trong quá trình xác định vị trí nút mạng. Trong pha này, các nút cảm biến sẽ thu thập dữ liệu từ các nút lân cận và xác định khoảng cách giữa chúng. Các phương pháp như kỹ thuật RSSI và TDOA (Time Difference of Arrival) thường được sử dụng để ước lượng khoảng cách. Tuy nhiên, độ chính xác của các phương pháp này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiễu tín hiệu và sự thay đổi trong môi trường. Do đó, việc cải thiện các thuật toán ước lượng khoảng cách là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả của mạng cảm biến.

III. Định vị nút mạng trong WSN

Chương này trình bày các kỹ thuật và thuật toán để xác định vị trí nút mạng trong mạng không dây. Việc sử dụng các thuật toán định vị hiệu quả không chỉ giúp xác định vị trí chính xác mà còn tiết kiệm năng lượng cho mạng. Các kỹ thuật như kỹ thuật điện kế và hệ thống Ferret đã được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế. Những kỹ thuật này cho phép các nút cảm biến tự động xác định vị trí của mình mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của mạng mà còn kéo dài tuổi thọ của các nút cảm biến. Nghiên cứu về các thuật toán này sẽ giúp phát triển các giải pháp tối ưu cho việc xác định vị trí trong mạng cảm biến.

3.1 Tìm kiếm đối tượng đơn

Tìm kiếm đối tượng đơn là một trong những kỹ thuật quan trọng trong việc xác định vị trí nút mạng. Kỹ thuật này cho phép các nút cảm biến xác định vị trí của một đối tượng cụ thể trong mạng. Việc sử dụng kỹ thuật RSSI giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí. Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng gặp phải một số hạn chế như độ chính xác bị ảnh hưởng bởi nhiễu tín hiệu và khoảng cách giữa các nút. Do đó, việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện độ chính xác trong tìm kiếm đối tượng đơn là rất cần thiết.

IV. Giải một số bài toán định vị hình học

Chương này giải quyết một số bài toán định vị hình học trong mạng cảm biến. Việc xác định vị trí nút mạng thông qua các bài toán hình học không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Các phương pháp như xác định vị trí tương đối bằng ước lượng khoảng cách và xác định trục tọa độ thông qua khoảng cách đang được nghiên cứu và áp dụng. Những phương pháp này cho phép các nút cảm biến xác định vị trí của mình một cách chính xác mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài. Nghiên cứu về các bài toán định vị hình học sẽ giúp phát triển các giải pháp tối ưu cho việc xác định vị trí trong mạng cảm biến.

4.1 Định vị không ước lượng khoảng cách

Định vị không ước lượng khoảng cách là một phương pháp quan trọng trong việc xác định vị trí nút mạng. Phương pháp này cho phép các nút cảm biến xác định vị trí của mình mà không cần phải ước lượng khoảng cách giữa các nút. Việc sử dụng các thuật toán hình học giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí. Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp phải một số hạn chế như độ chính xác bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trong môi trường. Do đó, việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện độ chính xác trong định vị không ước lượng khoảng cách là rất cần thiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến, chương này sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các ứng dụng, thách thức đặt ra với mạng WSN. Chương 2 : Cơ sở lý thuyết, trong chương này sẽ đi nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của việc định vi. Tìm hiểu về một số các hệ thống định vị được sử dụng và các hệ thống định vị được sử dụng trong mạng WSN. Hoàng Anh Sơn – CT1002 5 Đồ án tốt nghiệp đai học Chương 3 : Định vị nút mạng trong WSN, trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu các kỹ thuật định vị và thuật toán để xác định vị trí.

Chương 4 : Giải một số bài toán định vị hình học, trong chương này ta sẽ đi xét một số ví dụ cụ thể để minh họa cho việc xác định vị trí nút mạng trong mạng WSN Phần kết luận trình bày những vấn đề đã nghiên cứu. Tác giả Hoàng Anh Sơn Hoàng Anh Sơn – CT1002 6 Đồ án tốt nghiệp đai học CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu về mạng không dây Trong những năm gần đây, với sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin, hệ thống mạng cảm biến đã và đang được phát triển. Nó được triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông. Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng.

Vị trí của các nút cảm biến không cần phải thiết kế xác định trước, điều này cho phép các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp. Điều đó cũng có nghĩa là các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng tự tổ chức. Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến. Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong.

Thay vì gửi đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiện các tính toán đơn giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu. Những ứng dụng của mạng cảm biến đòi hỏi nó phải có những kỹ thuật đặc biệt hơn so với các kỹ thuật áp dụng cho các mạng không dây phi cấu trúc (mạng ad-hoc). Mặc dù nhiều giao thức và giải thuật đã được thiết kế cho những mạng ad hoc không dây truyền thống, nhưng chúng chưa thỏa mãn những đặc tính và yêu cầu ứng dụng của mạng cảm biến. Khi số lượng lớn những nút cảm biến được triển khai mật độ dày thì những nút lân cận phân bố rất gần lẫn nhau, vì vậy truyền thông đa bước nhảy trong mạng cảm biến phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước Hoàng Anh Sơn – CT1002 7 Đồ án tốt nghiệp đai học nhảy truyền thống.

Hơn nữa, năng lượng phục vụ truyền dữ liệu có thể để ở mức thấp, chủ yếu dành cho các hoạt động chuyển đổi, xử lý. Truyền thông đa bước nhảy cũng khắc phục có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa trong giao tiếp không dây. Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là mức độ tiêu thụ điện phải thấp. Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm biến là có hạn và nói chung là không thể thay thế.

Bởi vậy, trong khi các mạng truyền thống tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng. Chúng phải có những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ của mạng hay thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao. Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao quanh đa dạng như: nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của phương tiện, điều kiện ánh sáng, sức ép, sự ô nhiễm, mức độ ồn, sự có mặt hoặc không những loại đối tượng nhất định, những đặc trưng hiện thời như tốc độ, hướng, và kích thước một đối tượng. Những nút cảm biến có thể được sử dụng cho cảm biến liên tục, phát hiện sự kiện, định danh sự kiện, cảm biến vị trí, và điều khiển cục bộ thiết bị khởi động.2 Cấu trúc của mạng cảm biến 1.

Nút cảm biến Một nút cảm biến được cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản như hình 1.1 gồm: Bộ phận cảm biến (Sensing Unit), bộ phận xử lý (Processing Unit), bộ phận thu phát (Transceiver Unit) và bộ phận cung cấp năng lượng (Power Unit). Ngoài ra, chúng cũng có thể có những thành phần bổ sung phụ thuộc ứng dụng Hoàng Anh Sơn – CT1002 8 Đồ án tốt nghiệp đai học như: Hệ thống định vị (Location Finding System); Bộ phận phát điện (Power Generator) và bộ phận quản lý di động (Mobilizer). Bộ phận cảm biến thường bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter - ADCs). Tín hiệu tương tự được sản sinh bởi những thành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tượng được chuyển đổi tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó được chuyển tới bộ phận xử lý.

Bộ phận xử lý thường liên quan đến một bộ phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau khác để thực hiện nhiệm vụ cảm biến được định trước. Bộ phận thu phát kết nối nút với mạng. Một trong những thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ phận cung cấp quản lý năng lượng. Bộ phận này có thể được hỗ trợ bởi một bộ phận tiếp thu năng lượng như pin mặt trời.

Nút cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ thuộc từng ứng dụng cụ thể. Hình 1 Thành phần của một nút cảm biến Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi hỏi kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao, vì vậy các nút cảm biến thường có hệ thống định vị vị trí. Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, nút cảm biến có thể được trang bị một bộ phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó được yêu cầu để thực hiện nhiệm vụ định trước. Tất cả những bộ phận cần phải tích hợp trong một mô đun có kích thước nhỏ.

Ngoài kích thước, nút cảm biến phải thỏa mãn yêu cầu: Hoàng Anh Sơn – CT1002 9 Đồ án tốt nghiệp đai học Tiêu thụ điện cực nhỏ. Hoạt động được ở mật độ cao. Có chi phí sản xuất thấp và không thiết yếu. Không có định danh và thực hiện tự quản trị.

Thích ứng với môi trường. Những nút cảm biến thường là không tác động được, tuổi thọ của một mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của những nguồn cung cấp năng lượng cho những nút. Vì kích thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến cũng trở thành một tài nguyên khan hiếm.2 Mạng cảm biến Như hình 1.1, chúng ta thấy, mạng cảm nhận bao gồm rất nhiều các node cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến. Các node này có khả năng thu thập dữ liệu thực tế, sau đó chọn đường (thường là theo phương pháp đa bước nhảy) để chuyển những dữ liệu thu thập này về node gốc.

Node gốc liên lạc với node quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh.1 Phân bố node cảm biến trong trường cảm biến Việc thiết kế mạng cảm nhận như mô hình trong Hình 1.1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Hoàng Anh Sơn – CT1002 10 Đồ án tốt nghiệp đai học Khả năng chịu lỗi: Một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động. Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn node, phụ thuộc vào từng ứng dụng mà con số này có thể vượt quá hàng trăm nghìn node. Do đó cấu trúc mạng phải có khả năng mở rộng để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

Giá thành sản xuất: Vì mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chí phí mỗi node là rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí mạng. Do vậy chi phí cho mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp. Tích hợp phần cứng: Vì số lượng node cảm biến trong mạng là nhiều nên node cảm biến cần phải có các ràng buộc phần cứng sau: kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, chi phí sản xuất thấp, thích ứng với môi trường, có khả năng tự cấu hình và hoạt động không cần sự giám sát. Môi trường hoạt động: Các node cảm biến thường là khá dày đặc và phân bố trực tiếp trong môi trường (kể cả môi trường ô nhiễm, độc hại hay dưới nước,.) => node cảm biến phải thích ứng với nhiều loại môi trường và sự thay đổi của môi trường.

Các phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm nhận, các node được kết nối với nhau trong môi trường không dây, môi trường truyền dẫn có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thết lập được sự hoạt động thống nhất chung cho các mạng này thì các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thê giới. Hoàng Anh Sơn – CT1002 11 Đồ án tốt nghiệp đai học Cấu hình mạng cảm nhận: Mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, do đó phải thiết lập một cấu hình ổn định. Sự tiêu thụ năng lượng: Mỗi node cảm biến được trang bị nguồn năng lượng giới hạn.

Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng là không thể thực hiện. Vì vậy thời gian sống của mạng phụ thuộc vào thời gian sống của node cảm biến, thời gian sống của node cảm biến lại phụ thuộc vào thời gian sống của pin.