MÔ PHỎNG MẠNG WIRELESS SENSOR

Sau đây là các bước tiến hành cụ thể: 1 Tính sự tiêu hao năng lượng của các node mạng - Dùng lệnh sau trong của sổ cygwinX để tách lấy các sự kiện tại một nodetrong trường hợp này la nod

: MÔ PHỎNG MẠNG WIRELESS SENSOR

4.1 Mục đính mô phỏng

Mục đích của phần mô phỏng này là xem xét mối quan hệ giữa hoạt động của node mạng với năng lượng dự trữ của nó Ban đầu, mỗi nút Sensor được định cấu hình với một khối năng lượng xác định Mỗi khi nút Sensor thực hiện một hành động như nhận một tín hiệu cảm biến, thu hoặc phát các gói tin vô tuyến, xử lý tín hiệu, nguồn năng lượng dự trữ của nút đó sẽ bị khấu trừ theo công suất được định nghĩa trước cho từng thành phần Khi nút Sensor không có hành động nào, năng lượng sẽ được khấu trừ theo công suất rỗi (Idle power)

Mô phỏng này được thực hiện với các mạng Sensor được triển khai theo hình lưới vuông, trong bản đồ hình vuông Khoảng cách giữa các nút sensor là d, khoảng cách

vô tuyến ¿d√2 để một nút có khả năng phát cho 8 nút lân cận Khoảng ảnh hưởng của nút Phenomenom (hiện tượng mục tiêu) là ¿d√2 Kịch bản triển khai trường Sensor được minh hoạ trong hình 4.1

Hình 4.1: Kịch bản triển khai trường Sensor trong mô phỏng

Kiểu hiện tượng mục tiêu được chọn là khí Carbon Monoxit (CO) được biểu diễn bằng một nút Phenomenon đơn di chuyển một cách ngẫu nhiên trong trường Sensor

Số lượng điểm thu thập số liệu (Sink) là 1, được đặt trên biên của trường Sensor Thang năng lượng sử dụng trong cấu hình node (trong phần node-configure):

- rx Power.175 chỉ ra 175mW tiêu thụ cho việc nhận một gói kích thước bất kỳ

- tx Power 175 chỉ ra 175mW tiêu thụ cho việc phát một gói kích thước bất kỳ

- Sensor Power 000 00175 chỉ ra 1.75W tiêu thụ khi nhận 1 gói quảng bá Phenom

- Inctial Energy 0.5 chỉ ra tổng năng lượng dự trữ là 0.5J (hay 0.5 W/s).

4.2 Thực hiện mô phỏng

4.2.1 Mã chương trình

Các tuỳ chọn về môi trường mạng được khai báo như sau:

set val(chan) Channel/WirelessChannel ;# Kiểu kênh

set val(prop) Propagation/TwoRayGround ;# Kiểu phát vô tuyến

set val(netif) Phy/WirelessPhy ;# Kiểu giao tiếp mạng

set val(mac) Mac/802_11 ;# Kiểu MAC

set val(PHENOMmac) Mac ;# Kiểu MAC Phenomenon

set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;# Kiểu hàng đợi

set val(ll) LL ;# Kiểu lớp liên kết số liệu

set val(ant) Antenna/OmniAntenna ;# Kiểu antent

set val(ifqlen) 50 ;# Số gói cực đại trong hàng đợi

set val(nn) 26 ;# Tổng số nút Sensor và Sink

set val(rp) AODV ;# Giao thức định tuyến

set val(x) 451 ;# Chiều dài bản đồ (m)

set val(y) 451 ;# Chiều rộng bản đồ (m)

set val(engmodel) EnergyModel

set val(txPower) 0.175 ;# Công suất truyền (mW)

set val(rxPower) 0.175 ;# Công suất nhận (mW)

set val(sensePower) 0.00000175; ;# Công suất cảm biến (mW)

set val(idlePower) 0.0 ;# Công suất khấu trừ rỗi (mW)

set val(initeng) 0.5 ;# Năng lượng ban đầu (J)

Một đoạn chương trình chính:

# Main Program

# ======================================================================

# Khoi tao bien toan cuc

set ns_ [new Simulator]

set tracefd [open phenom11.tr w]

$ns_ trace-all $tracefd

set namtrace [open phenom11.nam w]

$ns_ namtrace-all-wireless $namtrace $val(x) $val(y)

Trong chương trình chính đã định nghĩa tên File số liệu đầu ra (Trace, NAM) và thiết lập kiểu kênh, giao thức, nút Thiết lập toạ độ cho các nút và khai báo các sự kiện xảy

ra trong thời gian mô phỏng

Sau khi đã có mã đầu vào được lưu trong file phenom.tcl ta bắt đầu chạy mô phỏng bằng lệnh: nam phenom trong cửa sổ X Sau khi chạy xong ta có thể quan sát hình ảnh bằng ứng dụng NAM trong ns-2

4.2.1 Phân tích kết quả

Việc tính toán kết quả dựa trên việc phân tích file Trace File Trace được định dạng gồm các trường cơ bản:

[sự kiện] [thời gian] [số thứ tự nút] [mức Trace] [số thứ tự gói] [kiểu gói] [kích thước gói][địa chỉ Mac][năng lượng còn lại] [kiểu hiện tượng]

Các sự kiện trong trường sự kiện gồm r (nhận gói), s (gửi gói), D (mất gói), f (chuyển tiếp gói); trường thời gian chỉ ra thời điểm xảy ra sự kiện; trường mức Trace chỉ ra sự kiện này thuộc phạm vi (mức độ) mô phỏng nào (tác nhân (như udp), lớp liên kết số liệu (MAC) hay mức vật lý, )

Với yêu cầu tính toán trong trường hợp này, ta chỉ cần quan tâm tới 4 trường đầu tiên

và trường năng lượng

r 1.026254208 _7_ RTR - 0 AODV 48 [0 ffffffff 8 800] [energy 0.499860] - [8:255 -1:255 30 0] [0x2 1 1 [26 0] [8 4]] (REQUEST)

r 1.026254343 _4_ RTR - 0 AODV 48 [0 ffffffff 8 800] [energy 0.499860] - [8:255 -1:255 30 0] [0x2 1 1 [26 0] [8 4]] (REQUEST)

r 1.026254343 _2_ RTR - 0 AODV 48 [0 ffffffff 8 800] [energy 0.499860] - [8:255 -1:255 30 0] [0x2 1 1 [26 0] [8 4]] (REQUEST)

r 1.026254346 _14_ RTR - 0 AODV 48 [0 ffffffff 8 800] [energy 0.499860] - [8:255 -1:255 30 0] [0x2 1

1 [26 0] [8 4]] (REQUEST)

Dựa vào file Trace này chúng ta có thể thấy rõ năng lượng của node mạng sẽ giảm theo thời gian mỗi khi node mạng nhận, gửi dữ liệu hoặc cảm biến hiện tượng

Việc phân tích file trace đuợc thực hiện qua hai bước:

- Tách file trace: Ta sẽ tách ra các trường cần thiết cho việc tính toán kết quả

- Tính kết quả: Dựa vào các trường đã tách ở trên, ta sử dụng các trường này để tính

ra kết quả cần thiết

Sau đây là các bước tiến hành cụ thể:

1) Tính sự tiêu hao năng lượng của các node mạng

- Dùng lệnh sau trong của sổ cygwinX để tách lấy các sự kiện tại một node(trong trường hợp này la node1) như nhận, gửi gói, trường thời gian và mức năng lượng tương ứng tại thời điểm đó

$ cat energy.tr | grep "_1_" | awk ' { printf ("%c\t%f\t%s\t%s\t%s\t%f\n", $1, $2, $3,

$4, $7, $14)} ' >energy_node1.txt

Sau lệnh này ta sẽ tách ra được số liệu nằm ở file energy_node1.txt gồm 6 trường Dưới đây là một đoạn file energy_node1.txt:

s 1.068626 _1_ MAC AODV 0.493780

s 1.069666 _1_ RTR AODV 0.493640

s 1.070016 _1_ MAC AODV 0.493640

r 1.071847 _1_ MAC AODV 0.493360

r 1.071872 _1_ RTR AODV 0.493360

D 1.071978 _1_ MAC AODV 0.493220

-Sau khi có được file energy_node1.txt ta sử dụng lệnh sau để tính năng lượng cần mỗi khi node gửi hoặc nhận một gói dữ liệu:

$ cat energy_node1.txt awk ' { dif=old2-$2; if(dif>0) printf ("%c\t%f\t%f\n", $1,

$2, dif)} ' >energy_node1_down.txt

Sau lệnh này ta sẽ tính được số năng lượng cụ thể mỗi khi node1 nhận hoặc gửi dữ liệu Các số liệu này được ghi vào file nlgiam_node1.txt

Một đoạn trong file energy_node1_down.txt

r 1.027420 0.000280

r 1.028410 0.000140

s 1.029232 0.000140

r 1.035203 0.000840

r 1.036073 0.000140

s 1.036579 0.000140

Tương tự ta làm như vậy với các node khác ví dụ với node 2 ta dùng lệnh

$ cat energy.tr | grep "_2_" | awk ' { printf ("%c\t%f\t%s\t%s\t%s\t%f\n", $1, $2, $3,

$4, $7, $14)} ' >energy_node2.txt

Và lệnh: $ cat energy_node2.txt awk ' { dif=old2-$2; if(dif>0) printf ("%c\t%f\t%f\ n", $1, $2, dif)} ' >nlgiam_node2.txt

2)Tính tốc độ giảm năng lượng

Từ các file energy_node.txt ta có thể tính được tốc độ giảm năng lượng của mỗi node và tổng năng lượng cho việc gửi dữ liệu và tổng năng lượng cho việc nhận dữ liệu

- Tốc độ giảm năng lượng = Tổng năng lượng tiêu tốn/ thời gian khảo sát

4.2 Kết quả

Kết quả được biểu diễn bằng các bảng và đồ thị tương ứng

4.2.1 Sự tổn hao năng lượng

Ta xét một mạng sensor gồm 25 nút được bố trí đều trong một diện tích có kích thước 651x651(m2) Khi đó mật độ mạng là 60nut/1km2

Số thứ

tự nút nhận dữ liệuNăng lượng Năng lượnggửi dữ liệu Tổn hao nănglượng do mất

gói

Năng lượng cảm biến

Tổng năng lượng tiêu tốn

Bảng 4.2: Suy hao năng lượng của các nút sensor

Khảo sát sự tiêu tốn năng lượng của các nút sensor

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Số thứ tự nút

Năng lượng nhận dữ liệu Năng lượng gửi dữ liệu Năng lượng hao phí do mất gói Năng lượng cảm biến Tổng năng lượng tiêu tốn

Hình 4.2: Đồ thị suy hao năng lượng của các nút sensor

4.2.2 Tốc độ giảm năng lượng khi tăng số nút mạng

Trong phần này ta sẽ khảo sát tốc độ giảm năng lượng trung bình của các nút mạng khi số nút sensor thay đổi còn kích thước mạng cố định 651x651(m2)

Số nút Sensor Công suất truyền

giữa các nút (w)

Năng lượng tiêu tốn trung bình (j)

Tốc độ giảm năng lượng trung bình của mạng(j/s)

Bảng 4.3: Tốc độ giảm năng lượng

Khảo sát tốc độ giảm năng lượng trung bình của mạng

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

Số nút Sensor

Tốc độ giảm năng lượng

Hình 4.3: Đồ thị tốc độ giảm năng lượng trung bình của mạng

4.2.3 Tốc độ giảm năng lượng khi mật độ mạng không đổi

Trong phần này ta sẽ thay đổi số lượng nút sensor trong mạng đồng thời cũng thay đổi diện tích khảo sát để đảm bảo mật độ mạng là 60sensor/1km2

bình(j)

Tốc độ giảm (j/s)

Bảng 4.4: Tốc độ giảm năng lượng trung bình của mạng

Khảo sát tốc độ giảm năng lượng của mạng

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Số nút Sensor

Tốc độ giảm năng lượng

Hình 4.4: Tốc độ giảm năng lượng

4.2 Đánh giá

Qua kết quả mô phỏng ở trên, ta thấy với một mạng cố định năng lượng cho việc nhận dữ liệu chiếm tỉ lệ lớn nhất, tiếp đến là năng lượng cho việc cảm biến dữ liệu và năng lượng cho việc gửi dữ liệu chiếm tỉ lệ thấp nhất

Mật độ nút sensor trong mạng cũng ảnh hưởng rất nhiều tới việc tiêu thụ năng lượng của các nút mạng mật độ càng cao thì tốc độ giảm năng lượng của các nút sensor càng giảm Điều này được giải thích là do công suất phát của các nút sensor giảm Do đó khi thiết kế mạng chúng ta phải hết sức chú ý tới mật độ nút mạng

Khi mật độ mạng được giữ cố định thì số nút sensor lại là yếu tố ảnh hưởng tới tốc

độ tiêu thụ năng lượng của các nút sensor Có 3 khoảng chính khi tăng số nút sensor sẽ ảnh hưởng mạnh tới tốc độ tiêu thụ năng lượng của các nut sensor

- Khoảng thứ nhất: Dưới 100 nút, tốc độ tiêu thụ năng lượng trung bình của các nút khoảng 0.28j/s đây là một tốc độ giảm trung bình

- Khoảng thứ hai: Từ 100 đến 700 nút, tốc độ giảm năng lượng của mạng ổn định

ở mức thấp khoảng 0.1j/s

- Khoảng thứ ba: Từ 700 nút trở nên, khi này tốc độ giảm năng lượng của các nút mạng tăng đột biến

Qua đây ta thấy khi xây dựng mạng trong khoảng thứ hai là đảm bảo tiết kiệm năng lượng nhất Tuy nhiên trong trường hợp cần triển khai trong một phạm vi lớn thì ta lên chọn số nút sensor lớn hơn 1200 nút để đảm bảo tiết kiêm về năng lượng

KẾT LUẬN

Các mạng Sensor với giá thành thấp, có khả năng triển khai trong nhiều điều kiện địa

lý khí hậu phức tạp, đặc biệt là các khả năng xử lý cộng tác và chịu được các hư hỏng

sự cố đã đem lại một cuộc cách mạng trong lĩnh vực cảm biến và thu thập thông tin Điều này đã mạng lại nhiều lợi ích thiết thực cho cuộc sống, cho sản xuất và cho khoa học Trong tương lai, mạng Sensor có thể sẽ là một phương tiện cần thiết và thông dụng như máy tính cá nhân và điện thoại di động hiện nay

Trong tương lai mạng sensor hoàn toàn có thể được áp dụng ở nước ta, do đó việc nghiên cứu tìm hiểu các vấn đề liên quan tới mạng là hết sức cần thiết

Đồ án đạt được kết quả:

- Khái quát tổng quan về mạng sensor cũng như các ứng dụng của nó

- Nêu rõ vai trò năng lượng trong mạng sensor và các biện pháp tiết kiệm năng lượng

- Giới thiệu phần mềm mô phỏng mạng sensor, và các thiết lập cơ sở ban đầu cho việc mô phỏng mạng, trong đó có việc thiết lập cấu hình nguồn năng lượng cho nút mạng

- Tiến hành mô phỏng mạng, từ đó rút ra quy luật giảm năng lượng của các nút mạng

Vấn đề cần quan tâm:

- Các công nghệ nền tảng để phát triển mạng sensor

- Các vấn đề về đồng bộ Sensor, các thuật toán định vị, các thuật toán cộng tác Sensor

- Khả năng mở rộng của mạng

Hiện tại mạng sensor đã được triển khai rộng, tuy nhiên chúng vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu Do đó việc nắm bắt các công nghệ mới và các giải pháp phát triển mạng là hết sức cần thiết

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Anna Hác (University of Hawait at Manoa, Honolulu, USA), Wireless Sensor Network Designs, Nhà suất bản Jonh Wiley and Sons

2 Edgar H Callaway, Wireless Sensor Network – Architectures and Protocol, Nhà suất bản CRC

3 Đinh Văn Dũng (Viện khoa học kỹ thuật bưu điện), Sensor Network Intallation Guide, Bản Pdf

4 The Network Simulator - ns-2

<http://www.isi.edu/nsnam/ns/>

5 The ns Manual

<http://www.isi.edu/nsnam/ns/nsdocumentation.Html>

6 NRL’s Sensor Network Extension to ns-2

<http://nrlsensorsim.pf.itd.nrl.navy.mil/>

7 NS-2 by Example

<http://nile.wpi.edu/NS/>

8 Ian Downard, SIMULATING SENSOR NETWORKS IN NS-2, Naval Research Laboratory Code 5523, 4555 Overlook Ave, Washington DC, 20375-5337

http://nrlsensorsim.pf.itd.nrl.navy.mil/

9 Q.Hao, D.J.Holding, Y.Peng, K.J.Blow (Aston university), "Energy Efficiency Design Challenge in Sensor Network: A survey"