Chương 4 định tuyến không dây trong mạng cảm biến

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II BÁO CÁO MÔN HỌC MẠNG CẢM BIẾN NIÊN KHÓA 2017 – 2022 Giáo viên hướng dẫn PGS TS Trần Công Hùng CHƯƠNG[.]

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II

BÁO CÁO MÔN HỌC MẠNG CẢM BIẾN

NIÊN KHÓA: 2017 – 2022

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Trần Công Hùng

CHƯƠNG 4 ĐỊNH TUYẾN KHÔNG DÂY TRONG MẠNG CẢM BIẾN 4.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến là mạng không dây dày đặc gồm các nút không đồng nhất thu thập

và phổ biến dữ liệu Có nhiều ứng dụng như là :kiểm soát môi trường trong tòanhà, điều khiển và hướng dẫn robot trong môi trường tự động , nhà thông minh,nhận dạng…

Kết nối mạng một số lượng lớn các nút di động công suất thấp liên quan đếnviệc định tuyến, định địa chỉ và hỗ trợ cho các lớp dịch vụ khác nhau ở lớp mạng Cấu hình mạng cảm biến k dây gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn các nút nhỏ, rẻ,chạy bằng pin, trải rộng có moden k dây để thực hiện nhiệm vụ Một mối quan tâmquan trọng của mạng là thời gian tồn tại của mạng :khi các nút hết điện, kết nối sẽgiảm và mạng cuối cùng sẽ bị phân vùng và trở nên rối loạn chức năng

Giao thức EAR được xây dựng dựa trên nguyên tắc định địa chỉ dựa trên thuộctính EAR và khếch tán có định hướng thuộc về loại giao thức định tuyến phảnứng, nơi thông tin định tuyến giữa các nút chỉ được thiết lập theo yêu cầu và khi nócần thiết

4.2 Định tuyến năng lượng cho mạng cảm biến

Điều làm nên sự phổ biến là : các nút pico nhỏ nhẹ chi phí thấp, công suất thấp nênkhông cần thay pin thường xuyên, công suất dưới 100 microwatts nên có thể tự cấpnguồn

Các giao thức định tuyến có công suất thấp và có thể mở rộng với số lượng cácnút và khả năng chịu lỗi Giao thức phải đảm bảo kết nối mạng duy trì càng lâucàng tốt và trạng thái năng lượng của toàn bộ mạng phải cùng 1 thứ tự

Giao thức EAR đảm bảo khả năng tồn tài của mạng mang năng lượng thấp EARgiữ 1 tập hợp các đường dẫn tốt và chọn 1 bằng cách sử dụng xác suất Do đó cảithiện hiệu suất mạng

Chức năng chính của mạng cảm biến là: cảm biến, điều khiển và hành động.Tốc độ bit trong mạng cảm biến là khá thấp, khoảng vài trăm bit mỗi giây mỗi nút.Tốc độ cao nhất được hỗ trợ 10 kb/s

Ba lớp chính để thiết kế nút pico là : vật lý, phương tiện kiểm soát(MAC) và cáclớp mạng

- Lớp vật lý xử lý giao tiếp qua liên kết vật lý, trong đó liên quan đến việcđiều chế và mã hóa dữ liệu

- MAC cung cấp kiểm soát truy cập, kênh phân công, quản lý và kiểm soát

- Các lớp mạng có 2 chức năng chính : định địa chỉ nút và định tuyến

- Giao thức định tuyến vecto khoảng cách theo trình tự đích (DSDV)là giaothức chủ động dựa trên thuật toán Bellman-Ford cho các đường đi ngắnnhất, đảm bảo rằng k có vòng lặp trong bảng định tuyến

Định tuyến trạng thái liên kết (LSR) là 1 giao thức chủ động trong đó mỗi nút bịngập chi phí của tất cả các liên kết mà nó được kết nối trong toàn mạng

- Định tuyến vecto khoảng cách theo yêu cầu Ad Hoc (AODV) là 1 giao thứcđịnh tuyến dựa trên DSDV, với sự khác biệt là AODV tạo phản ứng

- Định tuyến nguồn động (DSR) là 1 giao thức phản ứng được khởi tạo tựnguồn và dựa trên khái niệm định tuyến nguồn, trong đó nguồn chỉ định toàn

bộ lộ trình sẽ ddouocj thực hiện bởi gói tin, thay vì chỉ bước tiếp theo

Giao thức EAR có 3 giai đoạn:

- Giai đoạn thiết lập hoặc tuyên truyền, trong đó lũ lụt quét các định tuyến từnguồn đến đích và mức năng lượng Hình thành nên bảng định tuyến

- Giai đoạn truyền dứ liệu : xảy ra khi đã chọn được con đường theo xác suấtmức năng lượng đã tính trước đó

- Bảo trì tuyến đường , đây là giai đoạn hoạt động để giữ lại các đường địnhtuyến trước đó

Ở giai đoạn thiết lập có 7 bước:

B1: Nút đích bắt đầu kết nối bằng cách làm ngập mạng trong hướng của nútnguồn

B6: Mỗi nút Nj có một số lân cận mà nó có thể định tuyến đến gói đích Nj sau đó

se tính toán chi phí trung bình :

B1: Nút nguồn gửi gói dữ liệu đến gần đó trong bảng bảng chuyển tiếp với xácsuất được chọn bằng xác suất trong bảng chuyển tiếp.

B2: Mỗi nút trung gian gửi gói dữ liệu đến một nút gần đó được chọn trong bảngchuyển tiếp

B3: Tiếp tục cho đến khi gói dữ liệu được chuyển đến nút đích

4.3 Danh sách thuật toán

Các nút điều khiển thường được điều khiển bằng pin và pin quá nhỏ, quá rẻ, quánhiều để xem xét thay thế và sạc lại Vì thế tiêu thụ năng lượn là một mối quan tâmlớn, đặt ra một hạn chế trong thiết kế Một hệ quả tức thì là việc truyền công suấtcủa các nút nên được giới hạn trong vài mét Hơn nữa các nút nên chuyển qau chế

Các nút pico sử dụng 2 kênh ở băng tần 1,9 Ghz Một chương trình khóa bật tắtđược sử dụng làm sơ đồ điều chế cung cấp tốc độ dữ liệu 10kbit/s mỗi kênh Mộtkênh được sử dụng cho các gói dữ liệu, kênh còn lại cho gói quản lý Các nút picocũng có thể sử dụng đài Bluetooth

Lớp MAC của các nút Pico sử dụng kết hợp CSMA với bộ thu theo chu kỳ lược

đồ, trong đó một nút chuyển sang chế độ ngủ định kỳ Giao tiếp chỉ diễn ra khi 1nút hoạt động

Bên cạnh lớp MAC, một số chức năng khác nhau được thực hiện giữa lớp vật lý vàlớp mạng:

- Hệ thống con phân bổ giúp các nút khám phá vị trí địa lý của chúng về tọa độ(x,y,z) trong mạng Các nút có thể xác định vị trí của chúng bằng cách sửdụng cường độ tín hiệu các phép đo với các nút của một vị trí đã biết hoặc tìm

ra vị trí của chúng

- Giao thức gán địa chỉ cục bộ xác định nút duy nhất cục bộ các địa chỉ Đơnnhất cục bộ có nghĩa là không có nút nào có 2 nút lân cận với cùng một địachỉ x, nhung x có thể được sử dụng lại phần xa hơn của mạng lưới

- Một thuật toán kiểm soát công suất và điều khiển cấu trúc liên kết chịu tráchnhiệm điều chỉnh công suất truyền của các nút pico để tìm 1 mạng thích hợpcấu trúc liên kết Mục tiêu là tìm một biểu đồ được kết nối tốt và tránh quáđiểm lân cận gần các nút Cần hạn chế công suất phát theo thứ tự để giảm sựucan thiệp của một nút với các nút lân cận của nó

- Cơ sở quản lý các điểm lân cận duy trì một bảng hiện có thể truy cập lân cậncủa một nút và tọa độ (x,y,z) của chúng Thông tin là thu được trực tiếp từthuật toán điều khiển cấu trúc liên kết

4.3.1 Định tuyến nhận biết năng lượng

Trong EAR và khuếch tán có hướng, định tuyến là trung tâm của dữ liệu và có tínhđến dữ liệu của lớp ứng dụng Phần chìm tạo ra một thông số kỹ thuật quan tâm(ispec), chỉ định loại dữ liệu mà nó quan tâm và vị trí địa lý hoặc khu vực nơi dữliệu này được mong đợi Vị trí được xác định bằng cách sử dụng tọa độ (x, y, z).

Để kích hoạt nhiều mô tả tập trung vào người dùng hơn, chẳng hạn như cửa sổ bêntrái trong phòng tiếp theo, cần có một mức chuyển hướng khác, ánh xạ những mô

tả này với các tọa độ không gian Giả định rằng mọi nút đều biết vị trí của chính nó(từ hệ thống con định vị) và bộ (loại, loại phụ) của nó, trong đó loại có thể là cảmbiến, thiết bị truyền động hoặc màn hình và loại phụ có thể là cảm biến nhiệt độ,cảm biến ánh sáng hoặc áp suất cảm biến Hơn nữa, mọi nút đều có một địa chỉ nútduy nhất cục bộ, được xác định bởi giao thức gán địa chỉ cục bộ

Các sơ đồ EAR và khuếch tán có hướng phân biệt giữa giai đoạn khám phá tuyếnđường và giai đoạn truyền dữ liệu Một lược đồ ngập lụt (ví dụ: ngập lụt theohướng) được sử dụng để tìm (các) nguồn Các cách tiếp cận ngập lụt có xu hướngkhông chỉ tìm thấy một tuyến đường duy nhất, mà là tất cả các tuyến đường Một

sự khác biệt giữa khuếch tán có hướng và EAR là khuếch tán có hướng giới thiệumột giai đoạn tăng cường Hậu quả là để liên lạc lâu hơn giữa nguồn và bộ phậnchìm, tất cả các gói dữ liệu đi theo cùng một tuyến, điều này có thể nhanh chónglàm cạn kiệt sức mạnh của nút dọc theo tuyến đó Ngược lại với điều này, phươngpháp EAR giữ lại hầu hết các tuyến có thể và chỉ những tuyến không hiệu quả mới

bị loại bỏ Trong giai đoạn truyền dữ liệu, tuyến gói được chọn ngẫu nhiên từ cáctuyến có sẵn Điều này làm giảm tải cho một nút trung gian cố định và tăng tuổithọ của pin Sơ đồ định tuyến nhận biết năng lượng (EAR) hoạt động như sau:

• Thông báo sở thích chứa (trong số các thông báo khác) đặc điểm kỹ thuật sởthích (ispec) và trường chi phí, được khởi tạo bằng 0 Phần chìm cũng bao gồm đặcđiểm kỹ thuật nút của riêng nó (vị trí, (loại, kiểu con) tuple, viết tắt là thông sốnút) Thông báo quan tâm được gửi đến những người hàng xóm của nó, nhữngngười ở gần khu vực mục tiêu hơn (của ispec)

• Khi nút i nhận được thông báo quan tâm từ nút ngược dòng j, nó sẽ thực hiện cáchành động sau:

- Ispec được chèn vào bộ nhớ đệm sở thích, cùng với địa chỉ nút của j, trườngchi phí nhận được và thông số kỹ thuật của nút chìm Nếu đã có một mụcnhập có cùng ispec và thông số kỹ thuật của nút trong bộ nhớ cache sở thích,thì nút đó sẽ không chuyển tiếp thông báo quan tâm nữa, để ràng buộc sốlượng gói quan tâm (Bằng cách tính đến cả ispec và thông số kỹ thuật củanút, một nút chìm duy nhất có thể đưa ra các sở thích khác nhau cùng mộtlúc) Khi chi phí nhận được đã rất cao, nút có thể chọn giảm lãi suất

- Khi ispec khớp với nút i, nó bắt đầu tạo dữ liệu được yêu cầu Ngoài ra, tôiphát thông điệp quan tâm cục bộ để truyền nó đến các nút lân cận cùng loại(cũng là nguồn dữ liệu tiềm năng)

- Nếu ispec không khớp với nút i, thì thông báo quan tâm sẽ được chuyển tiếp.Bước đầu tiên là cập nhật trường chi phí:

new cost field = cost field + metric(i,j),

- trong đó số liệu (i, j) đại diện cho chi phí để nút i truyền dữ liệu gói đến nút

j Có nhiều cách khác nhau để sử dụng trường này: e.g đặt số liệu (i, j) =const, tương đương với số liệu đếm bước nhảy và đặt số liệu (i, j) thànhnghịch đảo của năng lượng còn lại của nút i sẽ chỉ định một tuyến đường tốnkém đến một nút có năng lượng giảm Bằng cách này, một nút có nănglượng giảm ít có khả năng được chọn làm trình chuyển tiếp dữ liệu tiếp theo

- Bước chuyển tiếp cuối cùng cho nút i là gửi một bản sao quan tâm thông báocho các nút lân cận gần nguồn hơn và xa bồn rửa hơn về mặt địa lý Để làmđiều này, tôi sử dụng thông tin vùng lân cận do lớp MAC thu thập

- Khi một nút trung gian k nhận được một gói dữ liệu không phải là đích củachính nó, k phải chuyển tiếp gói dữ liệu này tới phần chìm Để làm như vậy,

nó tìm kiếm tất cả các sở thích trong bộ đệm sở thích mà dữ liệu phù hợp:gói dữ liệu chứa các trường kiểu và kiểu con mô tả dữ liệu và thông số nút(vị trí) của nguồn, được so sánh với các giá trị tương ứng của ispec được lưutrữ trong bộ nhớ cache quan tâm Các mục nhập bộ nhớ cache phù hợp chỉkhác nhau trong trường chi phí được lưu trữ và địa chỉ nút của các nút ngượcdòng Trong số các nút ngược dòng có thể có, một nút được chọn ngẫu nhiên

và xác suất là được ấn định tương ứng với các giá trị chi phí tương ứng

Đề án này khác với lược đồ EAR ở hai khía cạnh bên trong lược đồ EAR ban đầu:

- Các nút trung gian không lọc ra các bản sao thứ hai và sau của gói quan tâm

- Đối với mỗi gói lãi suất được chuyển tiếp, họ đặt trường chi phí thành giá trịtrung bình của chi phí của tất cả các tuyến đường đã biết cho đến nay

+) Do đó, lược đồ EAR có xu hướng tạo ra nhiều bản sao của thông báo quan tâmhơn, trong khi lược đồ được trình bày ở trên chỉ truyền tải chi phí của đường dẫnvới độ trễ tối thiểu và số bước nhảy giữa nút chìm và nút trung gian Hiện tại một

số lựa chọn thay thế khác có thể được xem xét:

- Sau khi nhận được bản sao đầu tiên của một thông báo quan tâm, một núttrung gian sẽ đợi một khoảng thời gian nhất định cho các gói tiếp theo Sauthời gian này, nó chỉ chuyển tiếp một gói với chi phí trung bình Tuy nhiên,cách tiếp cận này có xu hướng làm tăng sự chậm trễ Ngoài ra, thời gian chờđợi cũng khó tìm được những giá trị tốt

- Bản sao đầu tiên của một tin nhắn quan tâm ngay lập tức được gửi đi Cácbản sao tiếp theo được gửi đi, khi giá trị chi phí trung bình tích lũy khácnhiều so với giá trị được gửi gần đây nhất

4.3.2 Altruists or Friendly Neighbors

Trong một mạng cảm biến, không phải tất cả các nút đều là cùng một loại Khi có

bộ truyền động hoặc nút màn hình, chúng có thể được gắn vào nguồn điện vĩnhviễn hoặc có bộ xử lý mạnh hơn và nhiều bộ nhớ hơn các nút khác Cảm biến cópin hoặc nguồn điện vĩnh viễn Trong khi các cảm biến điều khiển bằng pin đượctrải rộng, các cảm biến có nguồn điện cố định được đặt cẩn thận để tăng tuổi thọmạng Những bất đối xứng này có thể được thảo luận ở các cấp độ khác nhau:

- Mức độ ứng dụng: một số nút có thể thực hiện tổng hợp và phân tích dữ liệuhoặc lọc dữ liệu Ví dụ đơn giản, tất cả các cảm biến nhiệt độ trong một khuvực địa lý nhỏ cung cấp các giá trị nhiệt độ tương tự cho một màn hình gatàu Nếu các gói đi qua cùng một nút trung gian, nó có thể tính toán chínhxác một số gói, tính nhiệt độ trung bình và chỉ chuyển tiếp một gói duy nhất

- Hai cách tiếp cận khác nhau để khai thác sự bất đối xứng là lược đồ phânnhóm và lược đồ vị tha Trong các lược đồ phân cụm, mạng được phân vùngthành các cụm Mỗi cụm có một đầu cụm, thực hiện hầu hết các công việc.Mỗi nút được liên kết với nhiều nhất là một đầu cụm và tất cả các thông tinliên lạc được chuyển tiếp qua đầu cụm Các chương trình này thường yêucầu các giao thức cho bầu cử người đứng đầu cụm và liên kết nút Với sựhiện diện của các nút di động, cả hai chức năng phải được thực hiện đủthường xuyên để duy trì trạng thái mạng nhất quán

- Trong chương trình phát sóng này, người vị tha sử dụng một gói thông báo

về lòng vị tha Giá trị lâu dài cho biết nút vị tha sẵn sàng thực hiện nhiềucông việc hơn trong cách tiếp cận trạng thái mềm trong bao lâu Các nútkhác trong vùng lân cận của người vị tha có thể tự do quyết định xem họ có

sử dụng dịch vụ do người vị tha cung cấp hay không Các giao thức vị thanhẹ hơn so với các phương pháp tiếp cận theo cụm, vì chúng chỉ liên quanđến một gói thông báo vị tha không thường xuyên, trong khi các phươngpháp tiếp cận theo cụm cần các giao thức bầu cử và liên kết theo cụm(thường được thực hiện với bắt tay hai chiều hoặc ba chiều, e.g trong tiêuchuẩn IEEE 802.11 )

Chúng tôi đưa ra giả định rằng chỉ các nút có quyền truy cập vào đường dây điệnmới gửi các gói thông báo vị thế, do đó, một nút có một số cơ sở để truy vấn loạinguồn điện của nó Có thể có các kế hoạch khác, trong đó xác suất nút trở thànhngười vị tha có thể phụ thuộc vào năng lượng còn lại của nó, số lượng người vị thatrong vùng lân cận của nó, thời gian trôi qua kể từ lần cuối cùng là người vị tha,v.v Mỗi nút nhận được gói thông báo vị tha sẽ lưu trữ địa chỉ nút phát hành trong

bộ đệm thay thế và bắt đầu bộ đếm thời gian cho mục nhập bộ đệm này theo thờigian tồn tại được chỉ định (Kích thước của bộ đệm thay thế và số bộ hẹn giờ songsong bị giới hạn bởi số lượng lân cận của nút) Nếu bộ đếm thời gian hết hạn, mụcnhập sẽ bị xóa khỏi bộ đệm thay thế Khi một nút tùy ý nhận một gói dữ liệu vàphải quyết định về trình chuyển tiếp dữ liệu tiếp theo, trước tiên nó sẽ tìm kiếm tất

cả các nút ngược dòng j và chi phí tương ứng cj của chúng từ bộ nhớ đệm quan

tâm Chi phí cj của các nút ngược dòng j là các nút thay thế (theo bộ đệm thay thế)

được giảm bởi một yếu tố cố định 0≥ α ≥ 1

- Điều này làm tăng xác suất người thay thế được chọn làm người chuyển tiếp

dữ liệu tiếp theo Giao thức EAR với lược đồ vị tha được ký hiệu là EAR +A

- Lưu ý rằng EAR + A hoạt động phần nào trái ngược với ý tưởng ban đầucủa EAR là phân phối tải chuyển tiếp suôn sẻ nhất có thể trên tất cả cáctuyến có sẵn Trên thực tế, tùy thuộc vào α, giao thức EAR + A ủng hộ cácnút vị tha Vấn đề với điều này là các nút đằng sau các altcoin cũng trải quatải chuyển tiếp tăng lên so với EAR Đây là một khía cạnh tích cực miễn làcác nút này cũng là những người vị tha Nếu không, các nút này có khả năng

bị cạn kiệt nhanh hơn các nút trong EAR Hơn nữa, kế hoạch vị tha có xuhướng tăng số bước nhảy trung bình được thực hiện bởi một gói dữ liệu

- Trong nhiều ứng dụng, độ tin cậy của mạng là một vấn đề quan trọng Sơ đồ

vị tha như được mô tả ở trên về cơ bản là một sơ đồ trạng thái mềm, vì cácthông báo vị tha chỉ có thời gian tồn tại hạn chế Hơn nữa, hoạt động củamạng không phụ thuộc quá nhiều vào những người vị tha Nếu một nút vịthế chết vì một lý do nào đó, các nút lân cận của nó có thông tin trạng tháikhông chính xác trong thời gian không lâu hơn thời gian tồn tại đã thôngbáo Nếu hết thời gian này, mạng sẽ trở lại chế độ bình thường Do đó, nhàthiết kế mạng có thể chọn có chấp nhận sự không chính xác để có thời giantồn tại lâu hơn và ít tốn kém hơn bởi các gói thông báo vị tha hay không

4.3.3 Phân tích lược đồ định tuyến nhận thức năng lượng và người thay thế

Mô hình được chia thành mô hình nút mô tả cấu trúc bên trong của một nút picođơn và mô hình kênh, xác định kênh vật lý và hành vi lỗi kênh Mô hình được xâydựng với giả định trạng thái ổn định: khởi tạo mạng (thuật toán cục bộ hóa, điềukhiển cấu trúc liên kết, gán địa chỉ cục bộ, xác định danh sách hàng xóm) đã đượcthực hiện và không phải là một phần của mô hình, hơn nữa, không có trạm di động

Một mô hình nút bao gồm một lớp MAC, một lớp mạng, một ứng dụng lớp và bộđiều khiển nút:

• Lớp ứng dụng của các nút chìm tạo ra lợi ích cho các nút khác (được chọn ngẫunhiên) Các sở thích bị hạn chế một cách giả tạo để khớp với một vị trí nút duynhất; trường hợp phổ biến hơn của một lợi ích chỉ định một khu vực địa lý lớn hơnđược dự đoán trước nhưng không được sử dụng Khi sở thích khớp với một nútnguồn, lớp ứng dụng nút nguồn sẽ tạo ra các gói dữ liệu ở một tốc độ nhất địnhtrong một khoảng thời gian nhất định Gói quan tâm (dữ liệu) có độ dài 288 (176)bit

• Lớp mạng thực hiện giao thức EAR và lược đồ EAR + A trên nó Chỉ số đo

lường chi phí metric(i, j) tỷ lệ nghịch với năng lượng còn lại của nút i, tức là số

liệu (i, j) = 1 / ri

•Trên lớp MAC, thử nghiệm đã sử dụng một giao thức CSMA đơn giản (Đa truycập theo nhận thức của nhà cung cấp dịch vụ) trong đó thời gian chờ được rút rađồng nhất trong một khoảng thời gian cố định (0 đến 100 mili giây) Phép toáncảm nhận sóng mang được giả định để chỉ ra sóng mang khi tại vị trí nút, mức tínhiệu tổng hợp từ các đường truyền nút khác nằm trên một ngưỡng nhất định

• Bộ điều khiển nút về cơ bản là sự trừu tượng hóa nguồn cung cấp năng nănglượng của nút Đối với các nút điều khiển bằng pin, thử nghiệm sử dụng chi phítính toán không đáng kể so với chi phí truyền hoặc nhận gói Một nút dành nănglượng để truyền một gói và nhận một gói dành cho nó (tức là với địa chỉ nút củachính nó hoặc địa chỉ quảng bá) Giả thiết sau tương ứng với sơ đồ radio đánhthức Truyền cần 4 miliwat và nhận cần 3 miliwat trong các nút pico Nếu một nútđược cấp nguồn bằng pin i có ít hơn 1% năng lượng còn lại ri, nó được coi là đãchết và không giao tiếp nữa

Mô hình kênh chỉ xem xét sự giao thoa lẫn nhau, được tính toán bằng mô hình suyhao đường truyền đơn giản: đối với một ăng ten đẳng hướng, công suất phát là PT

và khoảng cách d mét đến nút đích, công suất nhận được tại nút đích được cho bởi

Trong đó: g là hệ số tỷ lệ (kết hợp độ lợi ăng ten và bước sóng) và là số mũ suy

hao đường truyền Thử nghiệm sử dụng giả định lạc quan về γ=2 (số mũ nàythường thay đổi trong khoảng từ 2 đến 5, từ sự lan truyền trong không gian tự do lýtưởng đến sự suy giảm trên các chướng ngại vật) Đối với d <1 mét, thí nghiệm lấy

PR = PT × g Vượt quá một khoảng cách nhất định tùy thuộc vào PT và g tín hiệunằm dưới ngưỡng xác định trước và được coi là không thể phát hiện được Môhình kênh tính toán mức tín hiệu tổng thể tại một số vị trí địa lý bằng cách thêmcông suất nhận được đến từ tất cả các quá trình truyền đang diễn ra tại thời điểmnày Tính toán này được gọi khi bắt đầu và kết thúc quá trình truyền gói

Mô hình kênh cũng chịu trách nhiệm tạo ra lỗi gói tin Chiến lược này rất đơn giản:

nó đánh dấu một gói tin là có lỗi, nếu tỷ lệ cường độ tín hiệu của gói tin tại máythu so với tất cả các nhiễu dưới một số ngưỡng, được gọi là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễutối thiểu (SIR) Thử nghiệm sử dụng SIR là 10 để việc truyền song song có thểthành công, nếu khoảng

cách của chúng đủ lớn Chỉ kênh dữ liệu được sử dụng, kênh quản lý không được

mô hình hóa Kênh dữ liệu có tốc độ bit là 10 kbit / giây

Một thử nghiệm với Kịch bản Văn phòng Quy mô lớn (LSOSC) có ý nghĩa giốngnhư một ứng dụng kiểm soát vi khí hậu trong một văn phòng quy mô lớn (20 × 30

m như trong Hình 4.1) Vị trí nút không đồng nhất; gần cửa sổ mật độ cao hơnnhiều so với ở giữa phòng (có tổng cộng 121 nút) Một trạm giám sát duy nhất ởmột góc là điểm chìm duy nhất trong mạng này Chỉ nút theo dõi mới tạo ra sởthích cho ngẫu nhiên các cảm biến đã chọn, nhiều nhất một sở thích hoạt động bất

kỳ lúc nào Bên cạnh màn hình, một số cảm biến nhiệt độ được đặt ở vị trí chiếnlược có nguồn điện vô hạn (được đánh dấu là TI trong Hình 4.1) Một nút có thểtruyền trên 6 mét Đối với các thông báo về lòng vị tha, α = 0,01 và thời gian tồntại là 10 000 s Một nguồn tạo ra các gói dữ liệu sau mỗi 3 giây.

Trọng tâm là thời gian tồn tại của mạng Thử nghiệm này dựa trên

thời gian mà 50% trong tổng số các nút cần phải chết do cạn kiệt năng lượng (Mộtbiện pháp tương tự, liều gây chết 50% LD50 được sử dụng trong y tế để đánh giáhiệu quả của chất độc) Các biện pháp khả thi khác là thời gian cho đến khi nút đầutiên chết hoặc thời gian trước khi mạng của các nút còn sống được phân vùng lầnđầu tiên (tức là mất kết nối đầy đủ của nó) Tuy nhiên, chỉ số 50% có thể được ápdụng cho cả hai trường hợp, vì trong LSOSC, mạng không thể bị ngắt kết nối (do

vị trí được chọn của các nút có nguồn điện vô hạn và phạm vi truyền tải là 6 mét),trái ngược với USC

Kết quả cho kịch bản thống nhất thảo luận về thời gian chết trung bình của 50%nút so với tỷ lệ nút có nguồn điện không bị hạn chế

• Cả hai giao thức EAR và EAR + A đều có thể tận dụng lợi thế của các nút

có nguồn điện không hạn chế, ngay cả khi lo ngại rằng các nút trong vùnglân cận của các nút không bị hạn chế sẽ cạn kiệt nhanh hơn Do chỉ số nănglượng được sử dụng (chi phí tỷ lệ nghịch với năng lượng còn lại), các gói có

xu hướng đi ngày càng nhiều hơn qua các nút không bị hạn chế, khi các nútkhác cạn kiệt năng lượng Điều này mang lại gánh nặng chuyển tiếp từ cácnút khác.

• Lược đồ EAR + A mang lại một số lợi thế chính so với EAR, và tăng theo

tỷ lệ phần trăm của các nút không bị hạn chế Tuy nhiên, sơ đồ vị tha khôngphải lúc nào cũng tốt hơn, vì với tỷ lệ phần trăm nút không bị giới hạn cốđịnh, có một số hạt ngẫu nhiên mà EAR mang lại tuổi thọ mạng tốt hơn

• Thời gian trả lời sở thích trung bình (như đã tính đến tất cả các sở thích vàtất cả các nhu cầu) được định nghĩa là thời gian giữa một nút phát hành quantâm và nhận gói dữ liệu đầu tiên Đối với EAR + A, thời gian trả lời lãi suấttrung bình cao hơn đối với EAR Điều này có thể là do xu hướng của EAR +

A thiên về những người vị tha, đây có thể không phải là con đường ngắnnhất

• Thời gian trả lời lãi suất trung bình tương đối cao được xác định bởi cácphân tích có giá trị cao, chủ yếu từ giai đoạn đầu tiên của vòng đời mạng,khi tất cả các nút còn sống Chúng tôi xem xét thời gian cần thiết để quantâm đến được nút nguồn Nút nguồn ngay lập tức bắt đầu tạo các gói dữ liệu.Vấn đề ở đây nằm ở sự kết hợp giữa ngập lụt có hướng và giao thức CSMAkhông nhất quán: đối với một sở thích duy nhất, một số lượng lớn các góiquan tâm được tạo ra liên tiếp khi sở thích di chuyển về phía nguồn (ngậplụt) Tại thời điểm khi gói sở thích đầu tiên đến nguồn, nhiều bản sao củacùng sở thích được lưu trữ trong các nút ngược dòng Điều này có nghĩa làtại thời điểm gói quan tâm đầu tiên đến nguồn, khu vực xung quanh nguồn

bị tắc nghẽn bởi các gói quan tâm bổ sung Các gói dữ liệu phải thâm nhậpvào khu vực tắc nghẽn này, có thể mất nhiều thời gian do hoạt động củaCSMA và thiếu các ưu tiên của gói Thông lượng MAC không tăng bằngcách giảm kích thước cửa sổ dự phòng

• Trong LSOSC, thử nghiệm sử dụng 50% thời gian chết của các nút trungbình so với thời gian tồn tại của sở thích và khoảng thời gian tạo dữ liệu.Điều này tương ứng với việc thay đổi tỷ lệ giữa gói dữ liệu và gói quan tâm.Thời gian tồn tại của mối quan tâm càng lớn, thì càng có nhiều gói dữ liệuđược truyền cho mỗi mối quan tâm

• Đối với cả EAR và EAR + A, thời gian tồn tại của mạng tăng lên khi thờigian quan tâm tăng lên Điều này cho phép kết luận rằng lan truyền lãi suấtthực tế (sử dụng ngập lụt định hướng) đắt hơn so với truyền dữ liệu

• Lược đồ vị tha làm tăng đáng kể tuổi thọ mạng Lược đồ vị tha được thiết kếđặc biệt để cải thiện giai đoạn truyền dữ liệu trong khi không ảnh hưởng đếngiai đoạn lan truyền sở thích

• Chi phí tương đối cao của giai đoạn lan truyền sở thích có thể được giảithích bởi số lượng gói quan tâm tương đối lớn mà một nút duy nhất nhậnđược Con số này dành cho kịch bản LSOSC được phản ánh trực tiếp bởi độdài bộ nhớ cache sở thích, thường thay đổi trong khoảng từ 10 đến 20 Do

đó, một nút hạn chế công suất đốt năng lượng cho từ 10 đến 20 lần tiếp nhậngói và một lần truyền gói cho mỗi sở thích, trong khi không tham gia vàogiai đoạn truyền dữ liệu tương ứng Điều này cho thấy rằng khái niệm vị thacũng có thể được áp dụng cho giai đoạn truyền bá sự quan tâm.

• Các nút vị tha có thể được sử dụng trong mạng cảm biến vô tuyến pico Sơ

đồ này được áp dụng cho giai đoạn chuyển tiếp dữ liệu của giao thức EAR

vô tuyến pico và nó cho thấy rằng có thể đạt được những cải tiến đáng kểtrong thời gian tồn tại của mạng so với giao thức EAR đã được tối ưu hóatrọn đời Điều này đặc biệt đúng đối với trường hợp băng thông được sửdụng nhiều hơn cho việc truyền dữ liệu hơn là cho việc truyền lãi

4.4 TRUY VẤN TỔNG HỢP TRONG MẠNG CẢM BIẾN (AGGREGATE QUERIES IN SENSOR NETWORKS)

Có thể áp dụng giao diện truy vấn chung cơ sở dữ liệu để tổng hợp dữ liệu cho cácmạng chuyên dụng của các thiết bị cảm biến Tổng hợp được sử dụng như mộtcông cụ giảm dữ liệu Các phương pháp tiếp cận mạng tập trung vào ứng dụng cụthể các giải pháp Cách tiếp cận tổng hợp mạng được thúc đẩy bởi một mục đíchchung, Giao diện kiểu SQL (Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc) có thể thực thi cáctruy vấn qua bất kỳ loại dữ liệu cảm biến nào đồng thời cung cấp cơ hội cho tối ưuhóa

Những tiến bộ trong công nghệ máy tính đã dẫn đến việc sản xuất một loại thiết bịmáy tính: cảm biến thông minh không dây, chạy bằng pin Không giống như cáccảm biến truyền thống được triển khai khắp các tòa nhà, phòng thí nghiệm và thiết

bị ở khắp mọi nơi, những cảm biến mới này không chỉ là thiết bị thụ động điềuchỉnh điện áp dựa trên một số thông số môi trường: chúng là những máy tính hoànchỉnh, có khả năng lọc, chia sẻ và kết hợp các chỉ số cảm biến

Các thiết bị cảm biến nhỏ được gọi là motes Các motes được trang bị một radio,một bộ xử lý và một bộ cảm biến Một hệ điều hành làm cho nó có thể triển khaimạng lưới cảm biến chuyên dụng có thể xác định vị trí của nhau và định tuyến dữliệu mà không có bất kỳ kiến thức chi tiết nào về cấu trúc liên kết mạng

Mối quan tâm cụ thể là tổng hợp, tóm tắt các giá trị cảm biến hiện tại trong mộtphần hoặc toàn bộ mạng cảm biến và khi người dùng muốn biết các mẫu nhiệt độ ởcác vùng tương đối lớn, các chỉ số cảm biến riêng lẻ có giá trị nhỏ

Mạng cảm biến bị giới hạn về băng thông bên ngoài, tức là lượng dữ liệu có thểcung cấp cho một hệ thống ở bên ngoài Trong nhiều trường hợp, băng thông cósẵn bên ngoài là một phần nhỏ của băng thông nội bộ tổng hợp Do đó, tính toántổng hợp trong mạng cũng hấp dẫn từ một mạng quan điểm về hiệu suất và tuổithọ: trích xuất tất cả dữ liệu mọi lúc từ tất cả các cảm biến sẽ tiêu tốn một lượnglớn thời gian và năng lượng vì mỗi dữ liệu của từng cảm biến được định tuyến độclập qua mạng Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tổng hợp làm giảm đáng kể

lượng dữ liệu được định tuyến qua mạng, tăng thông lượng và kéo dài tuổi thọ củamạng cảm biến chạy bằng pin vì ít tải hơn được đặt ở chế độ giới hạn nguồn bộđàm.

Nghiên cứu mạng coi tập hợp là ứng dụng cụ thể kỹ thuật có thể được sử dụng đểgiảm lượng dữ liệu phải được gửi qua mạng Cơ sở dữ liệu tổng hợp được xem nhưmột kỹ thuật chung có thể được áp dụng cho bất kỳ dữ liệu nào, không phân biệtứng dụng Hệ thống cung cấp giao diện tổng hợp chung cho phép các truy vấn tổnghợp được đặt trên các mạng cảm biến Lợi ích của phương pháp này so với giảipháp mạng truyền thống như sau:

Bằng cách xác định ngôn ngữ mà người dùng sử dụng để thể hiện tổng hợp, chúngtôi có thể tối ưu hóa đáng kể tính toán của họ

Ngôn ngữ tổng hợp giống nhau có thể được áp dụng cho tất cả các kiểu dữ liệu, do

đó, các lập trình viên có thể phát hành SQL (Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc) khaibáo kiểu truy vấn thay vì triển khai các giao thức mạng tùy chỉnh để trích xuất dữliệu họ cần từ mạng

Tổng hợp cơ sở dữ liệu cơ bản (COUNT, MIN, MAX, SUM và AVERAGE)

có thể được thực hiện trong các mạng lưới cảm biến đặc biệt Cách tiếp cận chungnày tiết kiệm điện năng đáng kể Các truy vấn mạng cảm biến có thể được cấu trúcdưới dạng chuỗi thời gian tổng hợp và thích ứng với cấu trúc mạng đang thay đổi

Motes được trang bị bộ vi xử lý Atmel 4 MHz với 512 byte RAM (bộ nhớ truy cậpngẫu nhiên) và 8 kb không gian mã, RFM 917 MHz (Mô-đun tần số vô tuyến)radio chạy ở tốc độ 10 kb / s và 32 kb của EEPROM (Chỉ đọc có thể lập trình cóthể xóa điện tử) Một khe cắm mở rộng chứa nhiều loại bảng cảm biến bằng cách

để lộ một số đầu vào tương tự các đường truyền cũng như các bus nối tiếp chip Các tùy chọn cảm biến bao gồm: ánh sáng, nhiệt độ, từ trường, gia tốc (và độrung), âm thanh và công suất

chip-to-Phần cứng vô tuyến sử dụng một kênh duy nhất và khóa bật tắt Nó cung cấp mộtgiao diện cấp bit không có bộ đệm; phần còn lại của ngăn xếp thông tin liên lạc (tối

đa lớp thông báo) được thực hiện bởi phần mềm hệ điều hành Giống như tất cảcác radio đơn kênh, nó chỉ cung cấp một kênh bán duplex Triển khai này sử dụnggiao thức truy cập phương tiện CSMA (Carrier Sense Multiple Access) với sơ đồ

dự phòng ngẫu nhiên Tuy nhiên, việc gửi tin nhắn là không đáng tin cậy theo mặcđịnh các ứng dụng có thể xây dựng một lớp xác nhận Thông thường, một thôngđiệp xác nhận để có thể đạt được

Nguồn được cung cấp thông qua một bộ pin treo miễn phí hoặc một coin-cellđược gắn vào thông qua khe cắm mở rộng

Tuổi thọ hiệu quả của cảm biến được xác định bởi nguồn điện của nó Công suấttiêu thụ của mỗi nút cảm biến bị chi phối bởi chi phí truyền và nhận thông điệp,

bao gồm cả chi phí xử lý, trong đó gửi một bit dữ liệu cần khoảng 4000 nJ nănglượng, trong khi lệnh đơn trên bộ xử lý 5 mW chạy ở 4 MHz chỉ tiêu thụ 5 nJ Do

đó, về tiêu thụ điện năng, việc truyền một bit dữ liệu là tương đương với 800hướng dẫn Năng lượng này đánh đổi giữa giao tiếp và tính toán ngụ ý rằng nhiềuứng dụng sẽ được hưởng lợi bằng cách xử lý dữ liệu bên trong mạng thay vì chỉtruyền các kết quả đọc của cảm biến

Hệ điều hành cung cấp một số dịch vụ để đơn giản hóa viết chương trình thu thập

và xử lý dữ liệu cảm biến và truyền thông báo qua radio API (giao diện lập trìnhứng dụng) có thể gửi và nhận thông điệp và đọc từ các cảm biến Nhắn tin và mạngcác khía cạnh của hệ điều hành và cảm biến không dây có liên quan nhất đến sựtập hợp

Radio là một phương tiện phát sóng, nơi một cảm biến trong khoảng cách nghe cóthể nghe bất kỳ thông báo nào, bất kể cảm biến này có phải là dự định hay khôngngười nhận Các liên kết vô tuyến thường đối xứng: nếu cảm biến α có thể nghethấy cảm biến β, chúng tôi giả sử cảm biến β cũng có thể nghe thấy cảm biến α.Lưu ý rằng đây có thể không phải là giả định hợp lệ trong một số trường hợp: nếucường độ tín hiệu của α cao hơn, vì pin mới hơn hoặc tín hiệu của nó được khuếchđại nhiều hơn, β sẽ có thể nghe thấy α nhưng không trả lời nó

Mỗi loại thông điệp 30 byte có một id thông điệp (mã định danh) để phân biệt nó

từ các loại thông điệp khác Các nhà lập trình cảm biến viết thông điệp-ID cụ thểtrình xử lý được gọi bởi hệ điều hành khi một thông báo về ID thích hợp đượcnghe thấy trên radio Mỗi cảm biến có một ID cảm biến duy nhất để phân biệt nóvới các cảm biến khác Tất cả các thông điệp chỉ định cảm biến nhận (hoặc quảng

bá, nghĩa là tất cả những người nhận có sẵn), cho phép cảm biến bỏ qua các thôngđiệp không dành cho nó, mặc dù các thông điệp không được truyền phát vẫn phảiđược nhận bởi tất cả các cảm biến trong phạm vi, những cảm biến nhận thông điệpngoài ý muốn, sẽ bỏ qua thông điệp đó

Các cảm biến định tuyến dữ liệu bằng cách xây dựng một cây định tuyến Đây làmột trong nhiều các kỹ thuật khả thi có thể được sử dụng Một cái cây có thể đượcxây dựng và duy trì hiệu quả trong sự hiện diện của cấu trúc liên kết mạng đangthay đổi Một cảm biến chuyên dụng làm gốc Gốc là điểm mà từ đó cây địnhtuyến sẽ được xây dựng và dựa trên đó dữ liệu tổng hợp sẽ hội tụ Do đó, gốc làthường là cảm biến giao diện người dùng truy vấn với phần còn lại của mạng lưới.Phần mềm gốc phát đi một thông báo yêu cầu các cảm biến sắp xếp thành một câyđịnh tuyến; trong thông báo đó, nó chỉ định ID của chính nó và cấp độ hoặckhoảng cách từ gốc, là số không Bất kỳ cảm biến nào nghe được thông báo này sẽchỉ định cấp độ riêng là cấp độ trong thông điệp cộng thêm một, nếu cấp độ hiệntại của nó không phải là đã nhỏ hơn hoặc bằng mức trong thông điệp Cảm biếncũng chọn người gửi thông điệp với tư cách là nguồn gốc của nó, qua đó nó sẽ địnhtuyến các thông điệp tận gốc Mỗi cảm biến này sau đó sẽ phát lại thông báo địnhtuyến, chèn số nhận dạng và cấp độ của riêng nó Thông điệp định tuyến truyềnxuống cây, với mỗi nút phát lại thông báo cho đến khi tất cả các nút đã được chỉ