Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3.1 Mô hình hoá mô phỏng Trên cơ sở phân tích bài toán mô phỏng và xác định rõ mục tiêu và kế hoạch, việc Mô hình hoá mô phỏng nhằm trừu tượng hoá hệ thống thực bằng mô hình khái niệm, một tập các quan hệ toán học và logic liên quan đến các thành phần và cấu trúc của hệ thống. Việc xây dựng mô hình là cực kì quan trọng. Mô hình được xây dựng càng chi tiết và tổng quát thì mô phỏng càng gần thực tế. Ngoài ra, tính hiệu quả và khả năng mở rộng, tức là có thể sử dụng làm nền để phát triển thêm, của mô hình cũng rất được quan tâm. Ngoài ra, vì việc xây dựng một mô hình chi tiết, tổng quát cho toàn hệ thống là rất khó thực hiện nên thường việc mô hình hoá sẽ tập trung vào các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống, các phần khác chỉ cần đảm bảo mức độ chính xác trong các ảnh hưởng của chúng tới hệ thống. Hiện nay, có rất nhiều mô hình mô phỏng mạng cảm biến không dây đã được xây dựng. Mỗi mô hình đặt trọng tâm vào các vấn đề cần quan tâm trong mạng có thể là hoạt động của các lớp cao, dạng tín hiệu vật lý, hay về vấn đề năng lượng, v.v . Phần tiếp theo sẽ giới thiệu hai trong số các mô hình này. 3.1.1 Mô hình SWAN theo dõi mức độ ô nhiễm môi trường a/ Kịch bản mô phỏng Mô hình này được xây dựng để mô phỏng hoạt động của mạng cảm biến không dây với ứng dụng theo dõi sự ô nhiễm do hoá chất rò rỉ từ các đường ống dẫn. Mô hình được xây dựng bởi viện công nghệ bảo mật, trường cao đẳng Dartmouth (Institute for Security Technology Studies (ISTS) Dartmouth College) kết hợp với viện công nghệ BBN. Hình 3.1 minh hoạ kế hoạch triển khai thực tế của các cảm biến. Nút giám sát (Monitor) được đặt trong trường cảm biến. Trong bản đồ này, màu nền biểu thị mức độ ô nhiễm hoá chất thể hiện bằng cường độ tín hiệu có thể cảm biến được. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . Hình 3.: Kịch bản triển khai mạng cảm biến không dây theo dõi ô nhiễm hoá học trong thực tế. b/ Cơ cấu mô phỏng mở rộng Dartmouth Tập đoàn S3 đã phát triển cơ cấu mô phỏng mở rộng SSF (Scalable Simulation Framework), một giao diện đơn giản cho việc xây dựng các mô hình mô phỏng. SSF cung cấp các mô hình với khả năng biểu diễn mối liên hệ của các thành phần trong mô hình một cách có hệ thống và có cấu trúc. Tổng thể mô phỏng được áp đặt bởi hệ giao tiếp lập trình ứng dụng API (Appl ication Program Interface) của SSF sẽ tách mô hình khỏi sự phức tạp của việc quản lý danh sách sự kiện và việc xử lý cụ thể theo thời gian. API định nghĩa năm lớp cơ bản: thực thể (entity), tiến trình (process), kênh ra (outChannel), kênh vào (inChannel) và sự kiện (event). Một đối tượng thực thể (entity) chứa các biến trạng thái và đối tượng tiến trình (process) mô tả các trạng thái biến đổi thế nào trong đáp ứng lại các tương tác với các thực thể khác theo thời gian. Mỗi thực thể có một liên kết thời gian giúp cho việc đồng bộ trong một trục thời gian cục bộ. Các thực thể có khả năng xem xét các biến trạng thái của các thực thể khác. Các liên kết thời gian cung Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . cấp các đầu mối cơ bản cho việc lập trình sự kiện đồng thời để chắc chắn rằng các trạng thái trong tương lai của một thực thể không ảnh hưởng tới các trạng thái trước của thực thể khác. Sự trao đổi số liệu giữa các thực thể được thực hiện thông qua một kênh biểu thị một dòng các sự kiện theo một phương hướng duy nhất giữa hai thực thể. Trong thực tế, kênh là một khái niệm được xây dựng bởi các định nghĩa và ánh xạ của hai lớp đối tượng: kênh ra (outChannel) và kênh vào (inChannel). Trong truyền thông xảy ra giữa hai thực thể, kênh ra của một thực thể phải được ánh xạ tới kênh vào của một thực thể khác. Cơ cấu mô phỏng mở rộng Dartmouth (DaSF) thực thi mô phỏng hệ thống với API của SSF. Từ nguyên dạng ban đầu, DaSSF được thiết kế cho các hệ thống hiệu năng cao, do đó, được áp dụng cho các nền máy tính song song. Tuy nhiên, nó cũng có thể chạy trong các hệ thống xử lý đơn. Qua các thí nghiệm quy mô lớn, DaSSF đã chứng tỏ hiệu năng cao trong các mô hình Internet đa giao thức với mười nghìn thực thể mạng phức tạp tốc độ lên tới một triệu sự kiện mạng một giây. Các thí nghiệm khác cũng chỉ ra rằng DaSSF có thể mô phỏng ba triệu thực thể mạng đơn giản. Trong trường hợp này, tốc độ xử lý gần tỷ lệ với số lượng bộ xử lý. DaSSF đạt được mục tiêu hiệu năng do áp dụng các kỹ thuật giảm đến mức tối thiểu bộ nhớ sử dụng và năng lực xử lý cho tiến trình. c/ Bộ định tuyến WiroKit của BBN WiroKit được phát triển bởi viện công nghệ BBN là một bộ định tuyến di động cho các mạng Ad hoc không dây. Nó được thiết kế để chạy mà không cần sửa chữa trong mô phỏng hay trong nền phần cứng thực tế. Tức là các định nghĩa giao diện giống nhau được sử dụng trong mã chạy một mô phỏng và mã chạy bên trong đơn vị vô tuyến di động. Thiết kế này tuân theo phương pháp hướng đối tượng, trong thực tế, WiroKit được chứa hoàn toàn trong một đối tượng đơn. Đặc trưng này là yếu tố cần thiết cho các môi trường mô phỏng, vì nó cho phép nhiều bản sao của WiroKit thực thi trên một không gian địa chỉ đơn. Yêu cầu về nền máy tính để chạy WiroKit là rất thấp. Nó hoạt động hoàn toàn trên cơ sở mã cho các giao thức định tuyến, cơ chế chuyển tiếp, tiến trình đơn tuyến (thực hiện các công việc lần lượt theo một chuỗi) và quản lý hàng đợi, bộ nhớ. Hầu như không cần đến hệ điều hành mà chỉ cần đặt trong một nền máy Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . tính mà WiroKit được phân một phần bộ nhớ tại thời điểm khởi động, truy nhập theo thời gian thực và một khối lượng nhỏ nhất trong tổng chu trình đơn vị xử lý (CPU) cho việc thực thi chuỗi công việc chính. Đối tượng định tuyến WiroKit nhận các gói từ các lớp giao thức cao hơn, các gói này được tổ chức thành các khung phù hợp với bộ điều giải (Modem: modulator/demodulator) vô tuyến. Ngược lại, WiroKit nhận các khung từ bộ điều giải vô tuyến rồi tách thành các gói phù hợp với các giao thức bậc cao hơn. Trong WiroKit, bất kì giao thức định tuyến nào cũng có thể được sử dụng miễn là cùng một hệ giao tiếp lập trình ứng dụng (API). Tính linh hoạt này cho phép các đối tượng định tuyến này có thể ứng dụng vào mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến phân phối thông tin tới mọi nơi (“what is where”) trong mạng cảm biến, các node cảm biến sẽ chuyển tiếp thông báo (Datagrams- Forwarding) qua các liên kết để tới đích. Hiệu quả của hầu hết các giao thức này định tuyến tỷ lệ nghịch với số lượng node mạng. Chi phí của giao thức tăng theo bình phương (hoặc cao hơn) số lượng node mạng. Chi phí này có thể là lưu lượng điều khiển qua không gian, bộ nhớ node hay yêu cầu đơn vị xử lý (CPU) của node. Cơ chế chuyển tiếp các gói phi kết nối chịu trách di chuyển các bản tin qua các liên kết dọc theo đường từ nguồn tới đích. Việc này được hoàn thành nhờ việc phổ biến thông tin đến mọi nơi bởi các giao thức định tuyến. Có nhiều hiệu quả quan trọng trong cơ chế nay. Ví dụ như việc tập hợp các gói tin vào các khung vô tuyến đơn để tăng hiệu quả kênh truyền và giảm công suất tiêu thụ, tiến trình khi nhận tín hiệu vô tuyến có thể đưa vào trạng thái nghỉ để tăng tuổi thọ nguồn acquy và các hiệu quả tương tự. Trong thực tế, vấn đề quan trọng nhất của các cơ chế chuyển tiếp là thuật toán chuyển tiếp theo đường ngắn nhất tức là định hướng bản tin từ nguồn tới điểm thu qua số lượng đường truyền dẫn vô tuyến nhỏ nhất, WiroKit con tập hợp các gói vào một khung vô tuyến đơn. d/ Kiến trúc mô phỏng mạng cảm biến không dây Ad hoc (SWAN) SWAN ra đời từ sự tích hợp của hai thành phần cơ bản là phần mềm DaSSF và WiroKit của BBN. Trong khi WiroKit cung cấp các chức năng định tuyến trong các mô hình mạng Ad hoc không dây thì DaSSF có nhiệm vụ gắn kết cấu trúc các mô hình con với nhau. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . Hình 3.2 chỉ ra các thành phần chính của SWAN và dòng số liệu giữa các thành phần này. Môi trường mô phỏng có bốn mô hình con chính: mô hình địa lý (Terrain Model), mô hình phân tán chùm (Plume Disperson Model), mô hình kênh vô tuyến (RF Channel Model) và mô hình node (Node Model). Mô hình địa lý là một bản đồ tĩnh thống nhất trong cả mô hình phát tán chùm và mô hình vô tuyến. Vì cả hai mô hình này đều hoạt động trong cùng một môi trường địa lý nên chúng phải được định hướng theo cùng một sự mô tả. Theo đó, các cản trở trên đường truyền sóng vô tuyến cũng có mặt trên đường đi của các chùm tín hiệu từ các hiện tượng mục tiêu. Trong hoạt động hiện tại của SWAN, địa hình phẳng được sử dụng nên cả tín hiệu từ các hiện tượng và tín hiệu vô tuyến đều có thể phát tự do qua không gian giả định. Mô hình địa lý (Terrain Model) giữ vị trí rất quan trọng trong các phát triển xa hơn của cơ cấu này. Hình 3.: Cơ cấu SWAN Để xây dựng một mô hình node cho các cảm biến thông minh, WiroKit được sử dụng như một mô hình con. Trong cách này, môi trường cần thiết cho hoạt Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . động của WiroKit được đáp ứng. Như một bộ định tuyến, WiroKit nhận các gói số liệu từ mô hình cảm biến không dây, xác định nơi kế tiếp chúng phải chuyển đến để tới được node giám sát (Monitor node) và tạo ra các gói vô tuyến mang theo thông tin định tuyến. Cuối cùng, các gói vô tuyến này được chuyển tới bộ điều giải (modem) vô tuyến để chuyển sang dạng tín hiệu điện từ. Trong mô hình này, modem mô tuyến được bỏ qua vì không cần nghiên cứu chi tiết dạng tín hiệu vô tuyến. Đầu ra từ WiroKit được chuyển thẳng ra mô hình kênh vô tuyến (RF Channnel Model). Ngược lại, WiroKit có thể nhận đầu vào từ mô hình kênh vô tuyến khi các gói vô tuyến được chuyển qua trên đường tới đích, các node trung gian nhận và chuyển chúng theo hướng thích hợp. Hình 3.: Phân tích các thành phần trong môi trường mô phỏng Mô hình này có thể mô phỏng hoạt động của các mạng cảm biến có số node rất lớn, lên đến 10 nghìn node với thời gian khảo sát tương đối dài (có thể đến 1000s). Một ví dụ về kết quả mô phỏng như hình 3.4. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . Hình 3.: Khảo sát thông lượng và độ trễ trung bình trong mạng cảm biến 3.1.2 Mô hình của trường Đại học Los Angeles California Mô hình được xây dựng bởi nhóm nghiên cứu Sung Park, Andreas Savvides, Mani B.Srivastava thuộc phòng thí nghiệm “Networked Emebedded Systems”, khoa Điện tử trường Đại học Los Angeles California. Mô hình này được tham khảo để phát triển phần mềm mô phỏng sử dụng trong đồ án này. MÔ HÌNH CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC LOS ANGELES CALIFORNIA a/ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG Trong kịch bản mô phỏng, một tập các node mạng không dây trang bị các kiểu cảm biến khác nhau được triển khai trong một vùng xác định (trường cảm biến) để thực hiện các nhiệm vụ cảm biến môi trường. Các kết quả cảm biến được xử lý trong mạng và các báo cáo được chuyển đến các node Gateway hay điểm thu thập dữ liệu thông qua các kết nối không dây. Kết quả này có thể chuyển đến trực tiếp người sử dụng hay đưa qua mạng Internet. Kịch bản này được mô tả trên hình 3.5. Node cảm biến Node người sử dụng Node cảm biến Đích Đích Node cảm biến Internet Node người sử dụng Gateway Node cảm biến Hình 3.: Kịch bản mạng cảm biến Trong môi trường mô phỏng này, một kịch bản mạng cảm biến điển hình bao gồm ba kiểu node : 1) Các node cảm biến, quan sát trực tiếp môi trường; 2) Các node đích (target node) tạo ra các kích thích cảm biến tác động đến các cảm biến bằng các kênh cảm biến thông qua sự biến thiên của các đại lượng vật lý như các chấn động, âm thanh, hồng ngoại, .Ví dụ, xe cộ đang di chuyển tạo ra các chấn động mặt kích thích các cảm biến địa chấn hay âm thanh kích thích các cảm biến thính giác; 3) Các node người sử dụng (User node) đưa ra kết quả của mạng cảm biến cho người sử dụng. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . b/ Xây dựng Hình 3.6 chỉ ra kiến trúc mô hình ba kiểu node được xây dựng từ các khối cơ sở của môi trường mô phỏng. Hình 3.: Kiến trúc mô hình các node: cảm biến, đích, người sử dụng. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng . Trong mô hình này, mỗi node cảm biến được trang bị một ngăn xếp giao thức mạng không dây và một hay nhiều ngăn xếp cảm biến tương ứng với các kiểu cảm biến khác nhau của node cảm biến. Vai trò của ngăn xếp giao thức cảm biến là phát hiện và xử lý các kích thích cảm biến trên kênh cảm biến và hướng chúng tới lớp ứng dụng, nơi xử lý và cuối cùng là chuyển các kết quả tới một node người sử dụng dưới dạng báo cáo cảm biến. Mỗi ngăn xếp cảm biến làm việc với một loại đối tượng cần cảm biến. Ngăn xếp giao thức mạng không dây đảm nhận việc thông tin giữa node cảm biến với các node cảm biến khác và với các node User hay gateway. Mỗi node còn được trang bị bổ xung một mô hình nguồn tương ứng với các phần cứng sản xuất và tiêu thụ năng lượng. Mô hình này bao gồm một bộ cung cấp năng lượng (acquy), và một tập các thành phần tiêu thụ năng lượng (CPU, Bộ thu phát vô tuyến, các cảm biến) . Mỗi thành phần tiêu thụ năng lượng có thể ở một trong các trạng thái và cách thức hoạt động khác nhau tượng ứng với các kiểu tiêu thụ năng lượng khác nhau. Ví dụ, bộ thu phát vô tuyến có thể ở các trạng thái nghỉ (sleep mode), trạng thái nhận tín hiệu (receive mode) hay một trong các trạng thái phát tương ứng với các tốc độ kí hiệu, các phương thức điều chế và công suất phát khác nhau. Tương tự, CPU cũng có thể ở trong trạng thái nghỉ, một trong nhiều trạng thái tích cực tương ứng với điện áp và tần số khác nhau. Các thuật toán trong mạng và ngăn xếp cảm biến điều khiển sự thay đổi kiểu tiêu thụ năng lượng. Ví dụ, giao thức MAC có thể thay đổi kiểu thu phát vô tuyến từ nghỉ sang nhận tín hiệu. Ngược lại, hoạt động của các thuật toán này lại phụ thuộc vào các kiểu hoạt động này. Ví dụ, thời gian được tính bởi lớp vật lý trong ngăn xếp giao thức phụ thuộc vào tốc độ số liệu của phương thức thu phát vô tuyến hiện tại. Tất cả các cơ chế trên được thực hiện nhờ các thuật toán đưa ra các sự kiện thay đổi kiểu hoạt động của các thực thể tiêu thụ năng lượng và thuật toán đọc các giá trị tham số thích hợp từ các thực thể này. Các node đích (Target node) đại diện cho các đối tượng môi trường là mục tiêu cần cảm biến, quan sát như các chất hóa học (ví dụ CO), các vi sinh vật , .v.v. Các node đích được xây dựng trên thành phần cơ bản là ngăn xếp cảm biến. Ngăn xếp cảm biến đảm nhận việc phát các tín hiệu của node đích như âm thanh, chấn động, . quảng bá trong môi trường thông qua kênh cảm biến. Vì việc phát này mô phỏng sự phát tán tự nhiên của tín hiệu từ các hiện tượng nên các giao thức phát không có cơ chế điều khiển tắc nghẽn và chống tranh chấp. Ngăn xếp cảm biến của mỗi node đích tương ứng với một ngăn xếp cảm biến của node cảm biến. [...]... chi tiết một ứng dụng (giám sát môi trường sống) đã được triển khai dựa trên công nghệ cảm biến không dây (chương 2) - Thực hiện mô hình hoá và tìm hiểu thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây dựa trên phần mềm mô phỏng mạng NS-2, viết các mô tả mã lập trình cho việc mô phỏng mạng cảm biến không dây (chương 3) - Thực hiện mô phỏng mạng cảm biến không dây, và đánh giá phân tích một số tham... lưu thông 3.2 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây Trong thiết kế phần mềm (còn được gọi là chuyển đổi mô hình) , mô hình mô phỏng được phát triển bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó Trong đồ án này, việc mô phỏng mạng cảm biến được thực hiện trên phần mềm mô phỏng mạng NS-2 đã mở rộng cho môi trường mạng cảm biến Do đó, phần tiếp theo sẽ trình bày về phần mềm NS-2 và phần mở rộng NRL’Sensorsim... quan về mạng cảm biến không dây với những hiểu biết về nền tảng của công nghệ mạng cảm biến không dây, các nhân tố ảnh hưởng đến mạng không dây, đặc điểm và kiến trúc tổng quan mạng cảm biến không dây (chương 1) - Tìm hiểu các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây bằng việc tìm hiểu về các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây, các lĩnh vực đã áp dụng công nghệ cảm biến không dây và tìm... mạng Chương 3 Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng d/ NGĂN XẾP CẢM BIẾN VÀ KÊNH CẢM BIẾN Ngăn xếp cảm biến mô phỏng các hoạt động tạo, phát hiện và xử lý các tín hiệu cảm biến Trong mô hình node cảm biến nêu trên, ngăn xếp cảm biến là một điểm thu số liệu (sink) có nhiệm vụ kích hoạt lớp ứng dụng mỗi khi phát hiện thấy một sự kiện cảm biến Một tập các chức năng kích hoạt khác nhau từ các phương pháp cảm. .. Đại học mạng Chương 3 Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng Các node User là các điểm thu thập số liệu từ mạng cảm biến để tương tác trực tiếp với người sử dụng hoặc chuyển qua mạng Internet Các node User được xây dựng trên ngăn xếp giao thức mạng không dây Ngăn xếp giao thức mạng không dây đảm bảo thông tin giữa node User với các node cảm biến Hình 3.: Kiến trúc mô hình mạng cảm biến không dây Hình 3.7... nhận được từ một cảm biến địa chấn và dạng tín hiệu mô phỏng của các chấn động mặt đất do sự di chuyển của xe cộ Hình 3.: Ví dụ về mô phỏng dạng tín hiệu a) Tín hiệu địa chấn thực tế, b) Tín hiệu địa chấn mô phỏng Đồ án tốt nghiệp Đại học mạng Chương 3 Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng Các môi trường cảm biến trong thực tế được mô hình hoá thành các kênh cảm biến, nơi các sự kiện cảm biến như các tín... phát triển trên nền phần mềm mô phỏng mạng NS (Network Simulator) vì phần mềm này đã có sẵn cơ sở để mô phỏng các mạng IP nói chung (cả mạng có dây và không dây) và có tính mở rất cao Việc Tổ chức node cảm biến phụ thuộc vào nhiệm vụ của mạng Ví dụ, để theo dõi các loài thú hoang dã trong một khu rừng, các cảm biến có thể được triển khai đồng đều trong khu rừng Tuy nhiên, với mạng cảm biến được triển khai... 3.7 minh hoạ mô hình mạng cảm biến trong môi trường mô phỏng Trong mô hình tổ chức mạng, kênh không dây (Wireless Channel) và kênh cảm biến (Sensor Channel) được xây dựng với hai cơ chế truyền thông riêng Trong kịch bản mô phỏng điển hình, một node đích sẽ di chuyển qua một nhóm node cảm biến được triển khai trong trường cảm biến Các node đích này phát ra các tín hiệu quảng bá trên kênh cảm biến trong... node cảm biến nằm trong phạm vi này, có thể nhận được các tín hiệu cảm biến trên cơ sở hoạt động của ngăn xếp cảm biến tương ứng Khi node cảm biến nhận thấy các tín hiệu cảm biến được là đáng chú ý, nó sẽ chuyển các gói tin về sự kiện này thông qua kênh không dây đến node User Bằng cách phân tách kênh cảm biến và kênh không dây, mô hình mạng này giúp cho việc mô phỏng và phân tích hoạt động của mạng cảm. .. và phân tích hoạt động của mạng cảm biến trở lên dễ dàng hơn khi các sự kiện cảm biến hiện tượng mục tiêu và các sự kiện phát và nhận gói trong truyền thông không dây có Đồ án tốt nghiệp Đại học mạng Chương 3 Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng thể diễn ra đồng thời Ngoài ra, với việc cho phép một node cảm biến có thể liên kết tới nhiều kênh cảm biến, môi trường mô phỏng có khả năng cung cấp các phân . Đại học Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng mạng. MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3.1 Mô hình hoá mô phỏng Trên cơ sở. không dây Hình 3.7 minh hoạ mô hình mạng cảm biến trong môi trường mô phỏng. Trong mô hình tổ chức mạng, kênh không dây (Wireless Channel) và kênh cảm biến