Đề tài Vấn đề năng lượng trong mạng wireless sensor và đánh giá bằng mô phỏng (Slide)

VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSOR VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNGGiáo viên hướng dẫn: TS. Đinh Văn Dũng Thực hiện: SV. Phan Viết Thời HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNGKHOA VIỄN THÔNG 1Đề tài:Phần 1: Tổng quan mạng Wireless SensorPhần 2: Năng lượng trong mạng Wireless SensorPhần 3: Kết quả mô phỏngNội dung đề tài TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIRELESS SENSORKhái niệm Mô tả hệ thống Tổng quan về kiến trúc mạngứng dụng của mạng Sensor KHÁI NIỆM Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút Sensor không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... MÔ TẢ HỆ THỐNG Hệ thống tổng quátHệ thống WISENET MÔ HÌNH HỆ THỐNG TỔNG QUÁT  HỆ THỐNG WISENET TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MẠNGNgăn xếp giao thức mạng Sensor ỨNG DỤNG CỦA MẠNG SENSORỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ ỨNG DỤNG VỀ MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ ỨNG DỤNG TRONG GIA ĐÌNH CÁC ỨNG DỤNG THƯƠNG MẠI KHÁC ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰKiểm tra lực lượng, trang bị đạn dượcTheo dõi chiến trườngTrinh sát vùng và lực lượng đối phươngTìm mục tiêuĐánh giá thiệt hại của trận đánhTrinh sát và phát hiện các vũ khí hoá học, sinh học, hạt nhân ỨNG DỤNG VỀ MÔI TRƯỜNGPhát hiện cháy rừngVẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trườngPhát hiện lũ lụtCác tính toán cho nông nghiệp  ỨNG DỤNG TRONG Y TẾKiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con ngườiGiám sát và kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh việnQuản lý dược phẩm trong bệnh viện ỨNG DỤNG TRONG GIA ĐÌNHTự động hoá trong gia đìnhMôi trường thông minh CÁC ỨNG DỤNG THƯƠNG MẠI KHÁCĐiều khiển môi trường trong các toà nhà công sởBảo tàng tương tác thông minhPhát hiện trộm cắp xe hơiQuản lý sự kiểm kêGiám sát và theo dõi xe cộ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSORSự tiêu thụ năng lượng.Các giải pháp tiết kiệm năng lượng. SỰ TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNGNút Wireless Sensor là một thiết bị điện rất nhỏ nên chỉ được trang bị nguồn năng lượng hạn chế. Trong hầu hết các ứng dụng, việc tiếp thêm năng lượng là không thực hiện được. Cho nên, thời gian tồn tại của nút Sensor phụ thuộc chủ yếu vào tuổi thọ của nguồn năng lượng Trong các mạng đa liên kết và di động khác, việc tiêu thụ năng lượng là một vấn đề quan trọng trong thiết kế song không phải vấn đề chính vì nguồn năng lượng có thể được người sử dụng thay thế. Điều quan trọng hơn là vấn đề cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS). Tuy nhiên, trong các mạng Sensor, hiệu quả năng lượng là một vấn đề vô cùng quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ của mạng Nhiệm vụ chính của một nút Sensor trong trường Sensor là theo dõi các sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu. Công suất tiêu thụ bởi ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu. NĂNG LƯỢNG CHO TRUYỀN THÔNGPhần truyền thông số liệu bao gồm cả phát và thu số liệu, đồng thời tiêu thụ năng lượng nhiều nhất.Truyền thông trong mạng Sensor ở phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp.Công suất vô tuyến tiêu thụ được tính: Pc = Nt [ Pt ( Ton + Tst ) + Pout ( Ton )] + Nr [ Pr (Ron + Rst ) ]Trong đó, Pt/r là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu; Pout là công suất đầu ra của bộ phát; T/Ron là khoảng thời gian phát/thu trạng thái ON; T/Rst là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu; Nt/r là số lần mạch phát/thu chuyển mạch sang ON trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phương thức điều khiển truy nhập môi trường. Ton có thể viết lại bằng L/R , trong đó, L là kích thước gói, R là tốc độ số liệu.Với tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các bộ thu phát vô tuyến thường có PT và PR khoảng 20 dbm và Pout gần 0 dbm. Giá trị mục tiêu của Pc khoảng –20 dbm. NĂNG LƯỢNG CHO XỬ LÝNăng lượng cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành cho truyền thông số liệu.Bộ xử lý thường không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ. CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNGGiải pháp định tuyến.Giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn.Tận dụng các nguồn năng lượng trong tự nhiên. GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾNĐịnh tuyến tối ưu về năng lượng.Định tuyến số liệu tập trung. TẬN DỤNG CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TRONG TỰ NHIÊNTế bào quang điện.Các nguồn năng lượng khác. KẾT QUẢ MÔ PHỎNGMục đích mô phỏng.Mô hình mô phỏng.Một số kết quả:Sự tổn hao năng lượng của các nút.Tốc độ giảm năng lượng khi tăng số nút mạng.Tốc độ giảm năng lượng khi mật độ mạng không đổi.Nhận xét. MỤC ĐÍCH MÔ PHỎNGMục 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 HÌNH MÔ PHỎNGMô phỏng này được thực hiện với các mạng Sensor được triển khai theo hinh lưới vuông, trong bản đồ hinh vuông. KẾT QUẢSự tổn hao năng lượng của các nút.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. KẾT QUẢTốc 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). KẾT QUẢTốc 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. NHẬN XÉTMật độ nút sensor trong mạng 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 LUẬNKết quảNêu rõ cấu trúc tổng quan của mạng Wireless Sensor.Nghiên cứu sự tiêu thụ năng lượng của mạng Sensor và các biện pháp tiết kiệm năng lượng.Có một số kết quả mô phỏng thực tế và rút ra kết luận.Hướng phát triểnTìm hiểu rõ hơn về mạng Sensor và các ứng dụng của nó.Xin chân thành cảm ơn!