Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng

tery" Bëi mçi nguån cã mét thêi gian tån t¹i giíi h¹n, ®Ó tr¸nh node háng khi vËn hµnh, ph¶i cã chØ thÞ khi nguån mét chiÒu gÇn hÕt thêi gian sèng, khi ®ã ta cã thÓ thay thÕ chóng. Mçi lo¹i nguån cã mét c¸ch biÓu hiÖn kh¸c nhau khi s¾p kÕt thóc chu kú sèng, v× vËy nguyªn lý x¸c ®Þnh n¨ng l­îng cßn l¹i cña nguån ph¶i phï hîp víi chÊt ho¸ häc cÊu thµnh lªn nguån. ViÖc x¸c ®Þnh râ thêi gian tån t¹i cßn l¹i kh«ng chØ lµ chøc n¨ng cña nguån mµ cßn lµ chøc n¨ng cña t¶i träng (the load). Nãi ®óng ra, t¶i träng sÏ x¸c ®Þnh ®iÓm kÕt thóc thêi gian sèng cña nguån, bëi viÖc x¸c ®Þnh thêi ®iÓm mµ nguån kh«ng cung cÊp ®ñ n¨ng l­îng cÇn cho t¶i träng. Th«ng th­êng lµ kh«ng cung cÊp ®ñ ®iÖn ¸p tiªu chuÈn, T¶i träng còng x¸c ®Þnh dßng ®iÖn t¹i ®iÖn ¸p nµy ®­îc ®¶m b¶o, dßng ®iÖn cho bëi c¸c node m¹ng c¶m biÕn th× rÊt bÊt æn cïng dßng ®Ønh kh¸ cao gi¸n ®o¹n víi c¸c chu kú kh¸ dµi cña sù tiªu thô dßng thÊp. Tuy nhiªn hiÖn tr¹ng dßng nµy kh«ng lµm gi¶m thêi gian sèng cña nguån. Do ®ã m¹ch ph¸t hiÖn nguån thÊp (low battery) lµ hÕt søc quan träng ®Ó gi¸m s¸t viÖc v­ît ng­ìng t¹m thêi. Mét c¸ch ®Ó thùc hiÖn ®iÒu nµy lµ chØ kÝch ho¹t m¹ch ph¸t hiÖn nguån thÊp sau chu kú dßng ®Ønh cao khi ®ã ®iÖn ¸p nguån cã gi¸ trÞ thÊp nhÊt. M¹ch ph¸t hiÖn nguån thÊp ®­îc vËn hµnh nh­ tÇng ®Çu cña thñ tôc "gi¶m Êm"(warm down), chóng ®­îc sö dông ®Ó lµm c¸c node m¹ng tõ chÕ ®é tÝch cùc sang chÕ ®é nghØ. Mét ­u ®iÓm cña c¸ch tiÕp cËn nµy lµ chØ mét c«ng suÊt nhá ®­îc sö dông cho m¹ch ph¸t hiÖn.Dï nhá nh­ng nã còng lµ ®¸ng kÓ khi so s¸nh víi c«ng suÊt trung b×nh tiªu thô bëi node m¹ng. Mét ­u ®iÓm kh¸c lµ ®iÖn ¸p nguån sÏ æn ®Þnh h¬n ®iÒu nµy dÉn tíi sù vËn hµnh tin cËy h¬n cña viÖc c¶nh b¸o nguån thÊp §Ó n©ng cao thêi gian sèng cña nguån, tØ lÖ dßng trung b×nh trªn dßng ®Ønh ®­îc lµm gi¶m ë cuèi thêi gian sèng cña nguån ®Ó dßng ®Ønh ®­îc gi¶m. §iÒu nµy ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch xen kÏ c¸c ho¹t ®éng cña m¹ch nguån cao ®Ó chóng kh«ng ho¹t ®éng ®ång thêi. B»ng c¸ch lµm gi¶m t¶i dßng ®Ønh trªn nguån, ngay lËp tøc ®iÖn ¸p r¬i däc ®iÖn trë trong cña nguån cã thÓ ®­îc gi¶m khi ®ã ®iÖn ¸p cùc sÏ lín h¬n ng­ìng nguån thÊp(low battery) M¹ch ph¸t hiÖn nguån thÊp rÊt quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh mét ng­ìng chÝnh x¸c. Mét node m¹ng c¶m biÕn cã thÓ cã thêi gian sèng cña nguån lµ 1 n¨m. NÕu qu¸ thêi gian nµy, ®iÖn ¸p cùc cña nã d­íi 0.5v, vµ nÕu cho r»ng ®iÖn ¸p r¬i lµ tuyÕn tÝnh theo thêi gian th× ®iÖn ¸p sÏ sôt kho¶ng 1,37mV/ngµy, t­¬ng ®­¬ng víi 10mV/tuÇn.Mét sai sè ng­ìng d­¬ng (ng­ìng lín h¬n gi¸ trÞ yªu cÇu) sÏ trùc tiÕp lµm gi¶m gian sèng cña node m¹ng do sù c¶nh b¸o nguån thÊp tr­íc khi nã thùc sù cÇn thiÕt. Mét sai sè ng­ìng ©m (ng­ìng thÊp h¬n gi¸ trÞ yªu cÇu) sÏ lµm t¨ng thêi gian sèng cña node m¹ng. HiÖn t­îng trÔ trong m¹ch ph¸t hiÖn nguån thÊp còng rÊt quan träng. Mét ®iÖn ¸p r¬i Ýt h¬n 10nV/tuÇn lµ sù thay ®æi rÊt chËm, ®Æc biÖt lµ víi c«ng nghÖ SoC(low-cost system-on-a-chip). Tuy nhiªn ®iÖn ¸p nguån chÞu ¶nh h­ëng cña mét l­îng nhiÔu ®¸ng kÓ g©y ra bëi nhiÒu nguyªn nh©n trong m¹ch sè. NhiÔu nµy g©y ra hiÖn t­îng sai lÖch trong c¶nh b¸o nguån thÊp(Low battery) khi ®iÖn ¸p nguån gÇn víi gi¸ trÞ ng­ìng. Do ®iÖn ¸p r¬i lµ rÊt chËm nªn hiÖn t­îng sai lÖch nµy cã thÓ duy tr× nhiÒu h¬n mét tuÇn. Mét gi¶i ph¸p ®­a ra lµ chèt c¶nh b¸o nguån thÊp t¹i lÇn ®Çu tiªn v­ît ng­ìng th× kh«ng ®­îc mong ®îi. §iÒu nµy kh«ng chØ lµm gi¶m tuæi thä cña nguån mµ cßn kh«ng x¸c ®Þnh ®­îc chÝnh x¸c c¸c t¸c ®éng g©y ra bëi nhiÔu. Mét gi¶i ph¸p gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy lµ sö dông hiÖn t­îng trÔ trong m¹ch ph¸t hiÖn nguån thÊp(low battery). HiÖn t­îng trÔ nµy cã thÓ lÊy Ýt nhÊt 2 khu«n d¹ng: continuous-time hoÆc sampled hystrsis. 2.3.3.3. C¶nh b¸o "Low Battery" Cã nhiÒu tÝn hiÖu c¶nh b¸o nguån ®­îc t¹o ra, nã ph¶i trùc tiÕp t¸c ®éng tíi ng­êi sö dông ®Ó qu¶n lý c¸c ho¹t ®éng cña nguån. C¸c biÓu t­îng quen thuéc vÒ tÝn hiÖu c¶nh b¸o nguån thÊp(low battery) ®­îc thÊy trªn camera, cell phone vµ c¸c PDA cã thÓ ®­îc sö dông trong c¸c øng dông nh­ nguyªn lý m¸y tÝnh c¸ nh©n kh«ng d©y(wrireless PC) n¬i mµ ng­êi sö dông chê ®Ó thÊy c¸c tÝn hiÖu c¶nh b¸o. Chó ý r»ng ng­êi sö dông cã thÓ gÆp nhiÒu vÊn ®Ò ë c¸c node m¹ng kh«ng ®­îc hiÓn thÞ vµ ë nh÷ng n¬i khã ®Ó qu¶n lý. Th­êng th× bøc ®iÖn c¶nh b¸o ®­îc göi lu©n phiªn th«ng qua m¹ng c¶m biÕn tíi mét node ®ang ch¹y c¸c tiÖn Ých tr¹ng th¸i m¹ng. Mét tiÖn Ých tr¹ng th¸i m¹ng lµ mét cæng n¬i mµ ng­êi sö dông cã thÓ qu¶n lý tr¹ng th¸i cña m¹ng. Phô thuéc vµo c¸c øng dông, tiÖn Ých tr¹ng th¸i m¹ng cã thÓ lµ: Mé xö lý nÒn ch¹y trªn mét node m¹ng Mét xö lý ®ang ch¹y trªn phÇn chuyªn dông cña phÇn cøng(nh­ lµ Laptop hoÆc PDA) ®­îc ®Þnh kú truy nhËp vµo m¹ng. Mét xö lý ®ang ch¹y t¹i cæng node m¹ng(nÕu cã), ë ®©y ng­êi sö dông cã thÓ truy cËp c¸c tiÖn Ých th«ng qua m¹ng Internet. Trong nhiÒu c¸c øng dông, tiÖn Ých tr¹ng th¸i m¹ng lµ vÊn ®Ò then chèt quyÕt ®Þnh tíi thµnh c«ng cña viÖc thiÕt kÕ m¹ng. MÆc dï m¹ng cã thÓ tù tæ chøc vµ tù vËn hµnh nh­ng ng­êi sö dông mét m¹ng lín vÉn ph¶i ch¾c ch¾n m¹ng ®¶m b¶o c¸c chøc n¨ng cña nã; H¬n n÷a trong nhiÒu c¸c øng dông ®Æc biÖt trong tr­êng hîp khÈn cÊp tr¹ng th¸i m¹ng ph¶i h÷u dông . NÕu c¶nh b¸o nguån thÊp ®­îc göi th«ng qua chÝnh m¹ng c¶m biÕn, th× node m¹ng ph¶i ®­îc thiÕt kÕ ®Î chøc n¨ng thu ph¸t lµ chøc n¨ng sau cïng trong c¸c ®iÒu khiÓn. Cßn c¸c ch¾c n¨ng kh¸c cña node nh­ sù vËn hµnh Sensor, Actuators vµ giao diÖn ng­êi sö dông ph¶i chÊp nhËn sö dông nguån thÊp ®Ó ®¶m b¶o cho chøc n¨ng truyÒn nhËn ®­îc thùc hiÖn vµ tÝn hiÖu c¶nh b¸o nguån thÊp ®­îc göi C¸c nguyªn lý thiÕt kÕ node m¹ng c¶m biÕn ®Ó node cã kh¶ n¨ng ®iÒu hoµ nguån thÊp: - Node m¹ng chØ göi bøc ®iÖn "thay ®æi tr¹ng th¸i" ®¬n tíi vÞ trÝ trung t©m chØ khi nµo c¶nh b¸o nguån thÊp ®­îc thiÕt lËp. Nguyªn lý nµy tèi ­u ho¸ mµo ®Çu l­u l­îng m¹ng nh­ng còng cung cÊp mét th«ng tin tèi thiÓu. - Node m¹ng cã thÓ göi bøc ®iÖn "cËp nhËt tr¹ng th¸i m¹ng" mét c¸ch ®Þnh kú tíi gèc m¹ng. MÆc dï nguyªn lý nµy lµm dµi bøc ®iÖn vËn hµnh m¹ng nh­ng nã cung cÊp th«ng tin quan träng tíi ng­êi sö dông. - NÕu m¹ng kh«ng hç trî bøc ®iÖn "cËp nhËt tr¹ng th¸i m¹ng", node cã thÓ chia sÎ th«ng tin tr¹ng th¸i nguån tíi tÊt c¶ c¸c node l©n cËn. Node nµy cã thÓ tr¶ lêi c¸c truy vÊn liªn quan tíi tr¹ng th¸i cña nã nÕu nã cã thÓ thùc hiÖn ®­îc ®iÒu nµy. Khi nguån cña nã háng c¸c node l©n cËn sÏ th«ng b¸o cho m¹ng lý do node háng. 2.3.4. TËn dông c¸c nguån n¨ng l­îng trong tù nhiªn Trong nhiÒu tr­êng hîp, viÖc lÊy n¨ng l­îng trùc tiÕp tõ m«i tr­êng cã thÓ ®¶m b¶o cho viÖc vËn hµnh c¸c node m¹ng c¶m biÕn. N¨ng l­îng nµy ng­êi ta gäi lµ n¨ng l­îng s¹ch vµ thuËt ng÷ "energy scavenging" bao gåm quang n¨ng, ®éng n¨ng vµ c¸c nguån n¨ng l­îng kh¸c. C¸c node m¹ng tËn dông n¨ng l­îng s¹ch ®­îc gäi lµ "live off the land" ®Ó thay thÕ cho nguån n¨ng l­îng sö dông bëi chÝnh nã. NÕu ®­îc thiÕt kÕ hîp lý c¸c node m¹ng sö dông n¨ng l­îng s¹ch cã thÓ rÊt nhá bëi chóng kh«ng cÇn mang theo nguån chøa n¨ng l­îng. Nguån n¨ng l­îng ®­îc lÊy tõ m«i tr­êng cã biÕn ®éng rÊt lín vµ chóng cã thÓ ®­îc ng¾t trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng. Th«ng th­êng viÖc ng¾t nguån sÏ ®­îc dù ®o¸n tr­íc, nh­ lµ viÖc thay ®æi chu kú cña thiÕt bÞ chuyÓn ®éng. Trong tr­êng hîp kh¸c viÖc ng¾t nguån lµ do sù cè, do ®ã dù b¸o thèng kª th­êng ®­îc sö dông. X¸c suÊt nguån ngõng ho¹t ®éng lµ rÊt lín bëi v× c«ng suÊt tõ m«i tr­êng ®ñ cho vËn hµnh kh«ng thÓ ®¶m b¶o ë tÊt c¶ thêi gian. Do ®ã ng­êi thiÕt kÕ ph¶i chän mét møc ®é tin cËy dùc trªn c¸c kiÓu nguån n¨ng l­îng s¹ch kh¸c nhau vµ thiÕt kÕ node m¹ng phï hîp víi yªu cÇu. VÝ dô, viÖc ®¸nh gi¸ hÖ thèng n¨ng l­îng mÆt trêi ph¶i ®Ò cËp ®Õn hiÖu øng giíi h¹n thêi gian chiÕu s¸ng. ViÖc thiÕt kÕ ph¶i hç trî cho sù vËn hµnh ban ®ªm hay nh÷ng lóc kh«ng cã ¸nh s¸ng. H¬n n÷a viÖc thiÕt kÕ còng ph¶i chó ý ®Õn vÞ trÝ cña c¸c miÒn vïng kh¸c nhau, bëi v× thêi tiÕt khÝ hËu vµ thêi gian chiÕu s¸ng cña mÆt trêi ë c¸c vïng kh¸c nhau lµ kh¸c nhau. Do ®ã ng­êi thiÕt kÕ ph¶i ®¶m b¶o mét møc ®é tin cËy dùa trªn dùa trªn ®é kh¶ dông cña mÆt trêi ë vÞ trÝ thiÕt kÕ. Mét ®Æc ®iÓm chung cña hÇu hÕt c¸c nguån n¨ng l­îng s¹ch lµ c«ng suÊt trung b×nh thÊp chØ kho¶ng 1mW hoÆc thÊp h¬n. MÆc dï c«ng suÊt trung b×nh cÇn cho node m¹ng c¶m biÕn cã thÓ thÊp h¬n c«ng suÊt trung b×nh cña nguån n¨ng l­îng s¹ch nh­ng c«ng suÊt ®Ønh cÇn cho node m¹ng th× lu«n lín h¬n c«ng suÊt tøc thêi nhá nhÊt cung cÊp bëi nguån. §Ó ®¸p øng yªu cÇu c«ng suÊt ®Ønh nµy vµ ®Ó hç trî sù biÕn ®éng ®Çu ra cña c¸c nguån n¨ng l­îng s¹ch. HÇu hÕt c¸c nguån n¨ng l­îng s¹ch ph¶i cã m¹ch ®iÒu hoµ c«ng suÊt. M¹ch ®iÒu hoµ c«ng suÊt ®Æt gi÷a nguån c«ng suÊt vµ t¶i ®Ó ®¶m b¶o phï hîp gi÷a dßng vµ ®iÖn ¸p t¹i ®Çu ra cña nã thÝch hîp víi yªu cÇu cña t¶i. §ång thêi ph¶i phï hîp dßng vµ t¶i yªu cÇu t¹i ®Çu vµo cña nguån. HÇu hÕt c¸c m¹ch ®iÒu hoµ c«ng suÊt yªu cÇu mét phÇn tö l­u tr÷ n¨ng l­îng thø cÊp, th«ng th­êng lµ nguån thø cÊp hoÆc tô ®iÖn. VÒ b¶n chÊt nguån n¨ng l­îng s¹ch lµ nh÷ng dßng ch¶y nhá n¹p cho thiÕt bÞ l­u tr÷ thø cÊp tõ ®©y n¨ng l­îng ®­îc chuyÓn tíi node m¹ng. Nguån n¨ng l­îng thø cÊp cã mËt ®é n¨ng l­îng lín h¬n so víi tô ®iÖn, do ®ã chóng cã thÓ c«ng suÊt ®Ønh cao h¬n trong chu kú dµi h¬n. Tuy nhiªn chóng còng cã tèc ®é n¹p l¹i cao h¬n nªn lµm t¨ng sù tiªu thô c«ng suÊt trung b×nh. Tuú thuéc vµo sù chän lùa c«ng nghÖ, qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi ®iÖn ¸p cã thÓ ®­îc thùc hiÖn tr­íc hoÆc thiÕt bÞ l­u tr÷ thø cÊp, hoÆc sau thiÕt bÞ nµy hoÆc lµ c¶ tr­íc vµ sau hoÆc lµ kh«ng. Mét nh©n tè ®­îc ®Ò cËp trong suèt qu¸ tr×nh thiÕt kÕ hÖ thèng cung cÊp n¨ng l­îng s¹ch lµ c¸ch thøc thùc hiÖn bËt vµ t¾t nguån. T¹i thêi ®iÓm bËt, thiÕt bÞ l­u tr÷ thø cÊp cã thÓ ®ang ®­îc n¹p v× vËy m¹ch ®iÒu hoµ c«ng suÊt sÏ kh«ng thÓ cung cÊp cho t¶i cho tíi thêi ®iÓm cuèi cña qu¸ tr×nh n¹p. §©y lµ mét khã kh¨n bëi v× m¹ch ®iÒu hoµ c«ng suÊt kh«ng cã hoÆc kh«ng ®ñ ®Çu ra trong suèt thêi gian nµy, m¹ch ®iÒu khiÓn ph¸t hiÖn ra ®iÒu kiÖn khëi ®éng vµ gi¸m s¸t tr¹ng th¸i n¹p cña thiÕt bÞ l­u tr÷ thø cÊp vµ cuèi cïng kÕt nèi t¶i tíi ®Çu ra cña m¹nh ®iÒu hoµ c«ng suÊt. Nguån c«ng suÊt s¹ch cã thÓ cã ®Æc tÝnh biÕn ®éng lín v× vËy viÖc thiÕt kÕ c¸c m¹ch ®iÒu khiÓn gÆp ph¶i th¸ch thøc lín. H¬n n÷a, chóng cßn ph¶i ®¶m b¶o cung cÊp ®ñ n¨ng l­îng cho node m¹ng ho¹t ®éng ngay c¶ khi nguån n¨ng l­îng s¹ch t¹m thêi gi¸n ®o¹n. M¹ch khëi ®éng ph¶i kh«ng g©y ¶nh h­ëng tíi chøc n¨ng ®iÒu hoµ node cho tíi khi viÖc ®iÒu hoµ ®­îc ph¸t hiÖn. §Ó chøc n¨ng t¾t nguån cña hÖ thèng cã thÓ ®­îc thùc hiÖn trong khi n¨ng l­îng vÉn kh¶ dông trong thiÕt bÞ l­u tr÷ thø cÊp. NÕu n¨ng l­îng s¹ch ®­îc sö dông trùc tiÕp cho viÖc vËn hµnh khi ®ã mét mét nguån nhá cã thÓ ®­îc thùc hiÖn ®Ó cung cÊp m¹ch ®iÒu khiÓn. 2.3.1.1. TÕ bµo quang ®iÖn HiÖn nay hÇu hÕt c¸c c«ng nghÖ nguån s¹ch sö dông c¸c tÕ bµo quang ®iÖn ®Ó thu n¨ng l­îng mÆt trêi. C¸c tÕ bµo nµy ®­îc ®Æt t¹i vÞ trÝ ®Ó cã thÓ thu ®­îc nhiÒu n¨ng l­îng mÆt trêi nhÊt vµ ®­îc sö dông t¹i c¸c node m¹ng mµ nguån chÝnh vµ nguån s¬ cÊp kh«ng kh¶ thi, c¸c vÞ trÝ nµy th­êng lµ c¸c vïng xa. C«ng suÊt ®iÖn ®­îc lÊy ra tõ c¸c tÕ bµo quang ®iÖn t­¬ng øng víi diÖn tÝch cña tÕ bµo vµ mËt ®é chiÕu s¸ng cña mÆt trêi. §iÖn ¸p cùc cña tÕ bµo gièng víi ®iÖn ¸p cña diode b¸n dÉn vµ cã c­êng ®é kh¸ lín. Trong khi dßng ra phô thuéc trùc tiÕp vµo c­êng ®é chiÕu s¸ng. Dßng ra cña c¸c tÕ bµo quang ®iÖn t¨ng khi nhiÖt ®é t¨ng. HiÖn t¹i cã rÊt nhiÒu lo¹i tÕ bµo quang ®iÖn kh¸c nhau vµ hÇu hÕt lµ c¸c tÕ bµo silicon. Chóng cã gi¸ hîp lý vµ kh¶ n¨ng c¶m nhËn ¸nh s¸ng ë b­íc sãng gÇn 800nm. Cã 3 lo¹i tÕ bµo silicon th­êng ®­îc sö dông: monocrystalline, polycrystalline, vµ amorphous. C¸c tÕ bµo monocrystalline cã hiÖu suÊt rÊt cao (kho¶ng 15%) vµ cã gi¸ cao nhÊt. TÕ bµo amorphous cã hiÖu suÊt thÊp nhÊt (kho¶ng 6%) vµ còng cã gi¸ rÎ nhÊt. Cßn l¹i lµ c¸c tÕ bµo polycrystalline cã hiÖu suÊt kho¶ng 14%. Do c¸c node m¹ng c¶m biÕn yªu cÇu c«ng suÊt thÊp do ®ã c¸c tÕ bµo amorphous ®­îc sö dông nhiÒu nhÊt. Do mËt ®é c«ng suÊt chiÕu s¸ng cña mÆt trêi t¹i bÒ mÆt tr¸i ®Êt kho¶ng 100mW/cm2 nªn chØ cÇn 4cm2 tÕ bµo amorphous cã hiÖu suÊt 6% cã thÓ s¶n suÊt kho¶ng 25mW (nÕu ®­îc chiÕu s¸ng hoµn toµn ) t­¬ng øng víi dßng ®iÖn 50mA. §iÖn ¸p m¹ch hë Voc cña tÕ bµo Si kho¶ng 0,5V. §­îc kÕt hîp víi ®iÖn ¸p chuÈn c«ng nghiÖp cho m¹ch tÝch hîp. Do ®ã c¸ tÕ bµo ph¶i ®­îc ®Æt nèi tiÕp ®Ó t¨ng ®iÖn ¸p ra. §iÖn ¸p ra lµ t­¬ng ®èi æn ®Þnh so víi sù biÕn ®éng cña c­êng ®é chiÕu s¸ng. Tuy nhiªn trong vµi øng dông c¸c tÕ bµo quang ®iÖn kh«ng ®­îc sö dông víi sù ®iÒu chØnh lín. Trong hÇu hÕt c¸c tr­êng hîp viÖc ®iÒu hoµ c«ng suÊt ph¶i ®­îc sö dông ®Ó cung cÊp dßng trong kho¶ng thêi gian mµ c¸c tÕ bµo quang ®iÖn bÞ che tèi vµ kh«ng thÓ t¹o ra dßng ®ñ m¹nh ®Ó cung cÊp cho t¶i. ViÖc thiÕt kÕ m¹ch ®iÒu hoµ c«ng suÊt ph¶i chó ý tíi c¸c nh©n tè ¶nh h­ëng tíi tÕ bµo quang ®iÖn. Mét vÝ dô vÒ m¹ng c¶m biÕn kh«ng d©y sö dông c¸c tÕ bµo quang ®iÖn lµ ch­¬ng tr×nh vi h¹t th«ng minh ( Smart Dust ) t¹i tr­êng ®¹i häc California. C¸c vi h¹t trong hÖ thèng ®­îc kÕt nèi víi nhau bëi ®­êng quang thay cho truyÒn dÉn v« tuyÕn. V× kÕt nèi ®­îc thùc hiÖn bëi sîi quang nªn viÖc yªu cÇu thªm c¸c thiÕt bÞ chiÕu s¸ng nªn chóng lµ kh«ng cÇn thiÕt. 2.3.1.2. C¸c nguån n¨ng l­îng kh¸c C¸c nguån n¨ng l­îng kh¸c gåm ®éng n¨ng, c¬ n¨ng…HiÖn t¹i c¸c lo¹i nguån nµy ch­a ®­îc ®Ò suÊt cho m¹ng sensor. Tuy vËy chóng ®­îc nghiªn cøu vµ h­íng ph¸t triÓn cho c¸c dù ¸n t­¬ng lai. Ch­¬ng III : PhÇn mÒm m« pháng n¨ng l­îng cho m¹ng Wireless Sensor 3.1. M« h×nh ho¸ m« pháng Trªn c¬ së ph©n tÝch bµi to¸n m« pháng vµ x¸c ®Þnh râ môc tiªu vµ kÕ ho¹ch, viÖc m« h×nh ho¸ m« pháng nh»m trõu t­îng ho¸ hÖ thèng thùc b»ng m« h×nh kh¸i niÖm, mét tËp c¸c quan hÖ to¸n häc vµ logic liªn quan ®Õn c¸c thµnh phÇn vµ cÊu tróc cña hÖ thèng. ViÖc x©y dùng m« h×nh lµ cùc k× quan träng. M« h×nh ®­îc x©y dùng cµng chi tiÕt vµ tæng qu¸t th× m« pháng cµng gÇn thùc tÕ. Ngoµi ra, tÝnh hiÖu qu¶ vµ kh¶ n¨ng më réng, tøc lµ cã thÓ sö dông lµm nÒn ®Ó ph¸t triÓn thªm, cña m« h×nh còng rÊt ®­îc quan t©m. Ngoµi ra, v× viÖc x©y dùng mét m« h×nh chi tiÕt, tæng qu¸t cho toµn hÖ thèng lµ rÊt khã thùc hiÖn nªn th­êng viÖc m« h×nh ho¸ sÏ tËp trung vµo c¸c vÊn ®Ò cÇn quan t©m trong hÖ thèng, c¸c phÇn kh¸c chØ cÇn ®¶m b¶o møc ®é chÝnh x¸c trong c¸c ¶nh h­ëng cña chóng tíi hÖ thèng. 3.1. M« h×nh nguån n¨ng l­îng M« h×nh nguån ®­îc x©y dùng trªn c¬ chÕ khÊu trõ n¨ng l­îng. Mét nót Sensor cã ba thµnh phÇn tiªu thô n¨ng l­îng chÝnh lµ thiÕt bÞ c¶m biÕn, thiÕt bÞ thu ph¸t v« tuyÕn vµ bé xö lý víi c¸c c¬ chÕ tiªu thô n¨ng l­îng kh¸c nhau. C¸c thµnh phÇn nµy l¹i cã thÓ ho¹t ®éng ë c¸c tr¹ng th¸i kh¸c nhau víi tèc ®é tiªu thô n¨ng l­îng kh¸c nhau. M« h×nh nguån n¨ng l­îng cung cÊp kh¶ n¨ng m« pháng tr¹ng th¸i nguån n¨ng l­îng cña nót. Ban ®Çu, mçi nót Sensor ®­îc ®Þnh cÊu h×nh víi mét khèi n¨ng l­îng x¸c ®Þnh. Mçi khi nót Sensor thùc hiÖn mét hµnh ®éng nh­ nhËn mét tÝn hiÖu c¶m biÕn, thu hoÆc ph¸t c¸c gãi tin v« tuyÕn, xö lý tÝn hiÖu, nguån n¨ng l­îng dù tr÷ cña nót ®ã sÏ bÞ khÊu trõ theo c«ng suÊt ®­îc ®Þnh nghÜa tr­íc cho tõng thµnh phÇn. Khi nót Sensor kh«ng cã hµnh ®éng nµo, n¨ng l­îng sÏ ®­îc khÊu trõ theo c«ng suÊt rçi (Idle power). Víi c¸c m¹ng Sensor hiÖn nay, nhÊt lµ víi c¸c m¹ng kh«ng cã kh¶ n¨ng t×m nguån n¨ng l­îng bªn ngoµi, vÝ dô nh­ sö dông c¸c tÊm pin mÆt trêi th× tuæi thä cña nguån n¨ng l­îng lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh thêi gian tån t¹i cña m¹ng. Do ®ã, c¸c thuËt to¸n vµ giao thøc ®­îc sö dông cho m¹ng Sensor ®Òu ph¶i chó ý ®Õn hiÖu qu¶ sö dông nguån n¨ng l­îng. Víi viÖc m« h×nh ho¸ nguån n¨ng l­îng cho nót Sensor, m«i tr­êng m« pháng cung cÊp kh¶ n¨ng kh¶o s¸t hiÖu qu¶ sö dông nguån n¨ng l­îng cña c¸c thuËt to¸n, c¸c giao thøc vµ c¸c c¸ch tæ chøc, triÓn khai nót kh¸c nhau ®­îc ¸p dông cho m¹ng Sensor. M« h×nh nµy cßn cung cÊp mét sè c¬ chÕ khÊu trõ nguån trong thùc tÕ ®· ®­îc kiÓm chøng b»ng thùc nghiÖm 3.3. ThiÕt kÕ phÇn mÒm m« pháng m¹ng Wireless Sensor Trong thiÕt kÕ phÇn mÒm (cßn ®­îc gäi lµ chuyÓn ®æi m« h×nh), m« h×nh m« pháng ®­îc ph¸t triÓn b»ng mét ng«n ng÷ lËp tr×nh nµo ®ã. Trong ®å ¸n nµy, viÖc m« pháng m¹ng Sensor ®­îc thùc hiÖn trªn phÇn mÒm m« pháng m¹ng NS-2 ®· më réng cho m«i tr­êng m¹ng Sensor. Do ®ã, phÇn tiÕp theo sÏ tr×nh bµy vÒ phÇn mÒm NS-2 vµ phÇn më réng NRL’Sensorsim trªn NS-2 cho m« pháng m¹ng Sensor 3.3.1. PhÇn mÒm NS-2 a) Giíi thiÖu NS-2 NS-2 ( Network Simulator phiªn b¶n 2) lµ ch­¬ng tr×nh m« pháng m¹ng theo ph­¬ng ph¸p m« pháng c¸c sù kiÖn rêi r¹c. NS-2 hç trî m« pháng m¹ng cã d©y vµ kh«ng d©y, TCP, UDP , c¸c giao thøc truyÒn th«ng ®iÓm-®a ®iÓm vµ ®Þnh tuyÕn kh¸c,.v.v. NS-2 ®­îc viÕt b»ng C++ vµ ng«n ng÷ h­íng ®èi t­îng Tcl (Otcl: object-oriented tool command language). NS-2 cã mét lÞch sö kh¸ dµi, b¾t nguån tõ c¸c phÇn mÒm REAL cña UCB (1989) vµ NEST cña Colombia (1992). §Õn n¨m 1995, NS-2 ®­îc ph¸t triÓn trong dù ¸n VINT (Virtual InterNet Testbed hay nÒn kiÓm thö Internet ¶o). VINT lµ dù ¸n hîp t¸c gi÷a AT&T Reseach, Lawrence Berkeley National Laboratory, ETH TIK, Xerox PARC, UCB-Berkeley vµ USC/ISI. HiÖn nay, Ns ®ang tiÕp tôc ®­îc ph¸t triÓn trong c¸c dù ¸n SAMAN vµ CONSER, cïng víi sù hîp t¸c cña nhiÒu nhµ nghiªn cøu vµ ACIRI. Nh÷ng tæ chøc ®· ®ãng gãp ®¸ng kÓ vµo NS-2 lµ UCB Daeledus, UMU Monarch vµ Sun MicroSystems. So víi c¸c phÇn mÒm m« pháng m¹ng kh¸c, NS-2 cã nh÷ng ­u thÕ sau: NS-2 cã m· nguån më miÔn phÝ. NS-2 cã kiÕn tróc më, t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho viÖc më réng NS-2 ®­îc ph¸t triÓn tõ c¸c phÇn mÒm næi tiÕng trªn thÕ giíi nh­ REAL, NEST nªn nã cã nh÷ng ®iÓm m¹nh vµ ®· kh¾c phôc ®­îc nh÷ng yÕu ®iÓm cña c¸c phÇn mÒm nµy NS-2 hç trî c¸c tÝnh n¨ng c¬ b¶n cña m¹ng IP, tõ ®ã cã thÓ ph¸t triÓn thªm c¸c phÇn tö m¹ng. NS-2 cã cÊu tróc modul, rÊt thuËn tiÖn cho viÖc nghiªn cøu t×m hiÓu vµ ph¸t triÓn. Nh×n tõ phÝa ng­êi sö dông , NS-2 lµ ch­¬ng tr×nh biªn dÞch m· Otcl ®­îc liªn kÕt tíi th­ viÖn C++ . C¸c ®èi t­îng c¬ së nh­ tcp, CBR,..®­îc x©y dùng trong C++. §Çu vµo NS-2 lµ tËp m· lÖnh Otcl , ®Çu ra lµ c¸c tËp tin m« pháng tiÕn tr×nh theo yªu cÇu ®­îc thÓ hiÖn trong tËp lÖnh Otcl. TËp lÖnh Otcl ( m· nguån ) Ch­¬ng tr×nh biªn dÞch Otcl KÕt qu¶ m« pháng C¸c th­ viÖn C++ NS-2 H×nh 3.1: CÊu tróc ch­¬ng tr×nh NS-2 KÕt qu¶ m« pháng cã thÓ quan s¸t b»ng h×nh ¶nh m« t¶ trùc quan víi øng dông Nam ( the Network Animator ), b»ng ®å thÞ (sö dông Xgraph) hoÆc cã thÓ ®­îc xö lý b»ng c¸c tËp lÖnh tuú chän. Víi cÊu tróc nµy, viÖc sö dông NS-2 trë lªn ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu so víi sö dông trùc tiÕp C++ nh­ng vÉn cã ®­îc nh÷ng tÝnh n¨ng cña C++. Víi nh÷ng ®Æc ®iÓm trªn, NS-2 thùc sù lµ mét c«ng cô phÇn mÒm h÷u Ých cho viÖc häc tËp, nghiªn cøu m¹ng th«ng tin, gióp cho viÖc thùc hµnh m¹ng trë lªn hiÖu qu¶ h¬n. b) C¬ chÕ ho¹t ®éng cña phÇn mÒm NS-2 Ho¹t ®éng cña NS-2 ®­îc chia thµnh hai phÇn lµ phÇn d÷ liÖu (®­îc x©y dùng trong C++) vµ phÇn ®iÒu khiÓn (®­îc x©y dùng trong Otcl). §Ó gi¶m thêi gian xö lý gãi vµ sù kiÖn, thêi biÓu sù kiÖn vµ c¸c ®èi t­îng thµnh phÇn m¹ng c¬ b¶n trong phÇn sè liÖu ®­îc viÕt vµ biªn dÞch b»ng C++. C¸c ®èi t­îng ®­îc biªn dÞch nµy ®­îc t¹o s½n vµ ®­îc liªn kÕt tíi Otcl qua bé th«ng dÞch Otcl. Mçi ®èi t­îng C++ nµy ®­îc ®iÒu khiÓn vµ ®­îc thiÕt lËp c¸c tham sè th«ng qua mét ®èi t­îng ®iÒu khiÓn t­¬ng øng trong Otcl. C¸c ®èi t­îng C++ kh«ng cÇn ®iÒu khiÓn hoÆc chØ ho¹t ®éng néi t¹i trong phÇn C++ th× kh«ng cÇn liªn kÕt ®Õn Otcl. T­¬ng tù, còng cã mét sè ®èi t­îng (kh«ng n»m trong phÇn d÷ liÖu) cã thÓ ho¹t ®éng hoµn toµn chØ trong Otcl. C¸c ®èi t­îng ®iÒu khiÓn trong Otcl ®­îc ¸nh x¹ 1-1 tíi c¸c ®èi t­îng cÇn ®iÒu khiÓn trong C++. Nh­ vËy, cÊu tróc ph©n cÊp c¸c ®èi t­îng nµy trong hai phÇn C++ vµ Otcl lµ t­¬ng tù nhau. Quan hÖ gi÷a C++ vµ Otcl ®­îc minh häa trªn h×nh 3.2. H×nh 3.2: TÝnh ®èi ngÉu gi÷a C++ vµ Otcl H×nh 3.3 chØ ra kiÕn tróc NS-2. Trong kiÕn tróc nµy, ng­êi sö dông (kh«ng ph¶i ng­êi ph¸t triÓn NS-2) ë vÞ trÝ gãc d­íi bªn tr¸i. D÷ liÖu ®Çu vµo lµ tËp lÖnh Otcl ®­îc ph©n tÝch bëi líp Tcl. ViÖc thiÕt lËp vµ ch¹y m« pháng trong Tcl sö dông c¸c ®èi t­îng trong th­ viÖn Otcl. Thêi biÓu c¸c sù kiÖn vµ hÇu hÕt c¸c thµnh phÇn m¹ng ho¹t ®éng trong C++ vµ ®­îc liªn kÕt tíi Otcl. ViÖc nµy ®­îc thùc hiÖn bëi líp tclcl. Ch­¬ng tr×nh NS-2 cã nhiÒu phiªn b¶n ch¹y trªn c¸c hÖ ®iÒu hµnh kh¸c nhau vµ víi c¸c yªu cÇu cµi ®Æt kh¸c nhau. Trong ®å ¸n nµy, phiªn b¶n ns-allinone-2.27, ch¹y trªn Windows trong m«i tr­êng Cygwin/X ®­îc sö dông ®Ó t×m hiÓu mét sè c¸c tÝnh chÊt cña m¹ng Wireless Sensor. Cygwin/X cung cÊp mét giao diÖn ch­¬ng tr×nh øng dông (API) gièng nh­ hÖ ®iÒu hµnh UNIX trªn khu«n d¹ng Windows do NS-2 kh«ng ch¹y trùc tiÕp trªn Windows. Thêi biÓu c¸c sù kiÖn NS-2 C¸c thµnh phÇn m¹ng Tcl 8.0 Otcl tclcl H×nh 3.3: KiÕn tróc tæng quan cña NS-2 M«i tr­êng ns - 2 lµ c«ng cô hÕt søc linh ho¹t trong viÖc nghiªn cøu c¸c ®Æc tÝnh cña m¹ng c¶m biÕn kh«ng d©y (Wireless Sensor network) v× nã cã s½n c¸c m« h×nh cho m¹ng ad-hoc kh«ng d©y, cã rµng buéc vÒ n¨ng l­îng. Trong ns - 2, mét m¹ng Sensor cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh víi nhiÒu tæ hîp c¸c ®Æc tÝnh nh­ thùc tÕ. M«i tr­êng m¹ng di ®éng trong ns - 2, cung cÊp sù hç trî lÉn nhau gi÷a c¸c giao thøc nh­ h×nh 3.12 Líp øng dông CBR FTP Telnet Líp giao vËn TCP UDP Líp m¹ng DSDV DSR TORA AODV OLSR Líp liªn kÕt sè liÖu 802.11 TDMA SMAC Líp vËt lý C¸c kiÓu ph¸t v« tuyÕn víi suy gi¶m bËc 4 : trong kh«ng gian tù do, mÆt ®Êt hai tia, bãng phñ. Antent ®é lîi ®¬n. H×nh 3.4: C¸c giao thøc ®­îc hç trî trong NS-2 m« pháng m¹ng kh«ng d©y Víi c¬ së nµy, ta chØ cÇn thªm vµo NS-2 mét sè ®èi t­îng vµ thuéc tÝnh ®Ó m« pháng m¹ng Sensor. 3.3.2. C¬ së ph¸t triÓn m« pháng m¹ng Sensor trªn nÒn NS-2 C¬ së duy nhÊt cßn thiÕu trong NS-2 cho m« pháng m¹ng Sensor lµ viÖc ®Þnh nghÜa mét "Phenomenon" (hiÖn t­îng). VÝ dô nh­ chÊt ho¸ häc, ©m thanh,... c¸c ®èi t­îng nµy cã thÓ di chuyÓn vµ kÝch ho¹t c¸c Sensor ë gÇn qua mét kªnh nh­ phÈm chÊt kh«ng khÝ hay rung ®éng mÆt ®Êt. Khi mét Sensor ph¸t hiÖn tÝn hiÖu tõ mét hiÖn t­îng trong kªnh nµy, Sensor sÏ ph¶n øng tuú theo øng dông ®­îc ®Þnh nghÜa bëi ng­êi sö dông NS-2. C¸c øng dông nµy sÏ quy ®Þnh viÖc Sensor lµm g× khi ph¸t hiÖn ra hiÖn t­îng môc tiªu. VÝ dô, Sensor cã thÓ ®Þnh kú göi th«ng b¸o ®Õn mét sè ®iÓm thu thËp sè liÖu nÕu nã cßn tiÕp tôc ph¸t hiÖn thÊy hiÖn t­îng, hoÆc cã thÓ lµm mét sè viÖc phøc t¹p h¬n nh­ c«ng t¸c víi c¸c Sensor l©n cËn ®Ó cã ®­îc th«ng tin cô thÓ chi tiÕt h¬n vÒ hiÖn t­îng tr­íc khi c¶nh b¸o ng­êi gi¸m s¸t vÒ mét hiÖn t­îng gi¶ ®Þnh. Mçi m¹ng Sensor cã mét øng dông duy nhÊt nh­ gi¸m s¸t ®éng ®Êt, m«i tr­êng, PhÇn më réng NS-2 cung cÊp c¸c kh¶ n¨ng tr×nh diÔn c¸c øng dông Sensor. Víi c¸c øng dông nµy, chóng ta cã thÓ nghiªn cøu ho¹t ®éng cña c¬ së h¹ tÇng m¹ng d­íi c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nhau. C¬ së cña viÖc x©y dùng m« h×nh m¹ng Sensor trong NS-2 ®­îc minh ho¹ trong h×nh 3.5. H×nh 3.5: C¬ së x©y dùng m« h×nh m¹ng Sensor sö dông NS-2 M« h×nh tr×nh diÔn cña c¸c hiÖn t­îng trong NS-2 ®­îc x¸c ®Þnh víi c¸c gãi qu¶ng b¸ ®­îc chuyÓn qua mét kªnh ®­îc chØ ®Þnh. Ph¹m vi ¶nh h­ëng cña hiÖn t­îng lµ tËp hîp c¸c nót cã thÓ nhËn ®­îc c¸c gãi Phenom qu¶ng b¸ trªn kªnh nµy. M« h×nh nµy sÏ tu©n theo qu¶ng b¸ bÊt cø kiÓu ph¸t vµ truyÒn nµo (kh«ng gian tù do, mÆt ®Êt 2 tia hay bãng phñ, bao gåm c¶ c¸c cÊu h×nh nót hiÖn t­îng. C¸c kiÓu ph¸t nµy phñ sãng theo d¹ng gÇn trßn nh­ng c¸c h×nh d¹ng kh¸c còng cã thÓ cã ®­îc b»ng c¸ch thay ®æi ph¹m vi cña c¸c gãi Phenon vµ di chuyÓn mét c¸ch thÝch hîp mét tËp c¸c nót hiÖn t­îng ph¸t cïng kiÓu. ViÖc ph¸t qu¶ng b¸ c¸c gãi Phenom ®­îc hoµn thµnh nhê "giao thøc ®Þnh tuyÕn Phenom", qu¶ng b¸ c¸c gãi Phenom víi tèc ®é xung x¸c ®Þnh. Khi mét gãi Phenom ®­îc nhËn bëi mét nót trªn kªnh Phenomenon (kªnh hiÖn t­îng), mét th«ng b¸o vÒ sù kiÖn nµy sÏ ®­îc chuyÓn ®Õn øng dông Sensor cña nót ®ã. 3.3.3. C¸c ®Þnh d¹ng míi trong NS-2 Gi¶ sö cã c¸c nót hiÖn t­îng (Phenomenon) kÝch ho¹t c¸c nót Sensor, l­u l­îng c¸c nót Sensor t¹o ra mçi khi ph¸t hiÖn thÊy hiÖn t­îng phô thuéc vµo chøc n¨ng cña m¹ng. VÝ dô, c¸c m¹ng thiÕt kÕ ®Ó ®Ó hiÖu chØnh ®Ých b»ng hiÖu øng n¨ng l­îng sÏ t¹o ra nhiÒu l­u l­îng Sensor ®Õn Sensor h¬n m¹ng thiÕt kÕ ®Ó cung cÊp cho gi¸m s¸t viªn c¸c d÷ liÖu ch­a qua xö lý. Chøc n¨ng nµy phô thuéc vµo øng dông cña Sensor vµ phô thuéc vµo ®Æc tÝnh l­u l­îng kÕt hîp víi m¹ng ®­îc m« pháng. §èi t­îng vµ chøc n¨ng ®­îc ®Þnh nghÜa trong c¸c file sau: - Phenom / Phenom.cc, h: Chøa giao thøc ®Þnh tuyÕn Phenom sö dông cho viÖc ph¸t tÝn hiÖu tõ c¸c hiÖn t­îng. Nã bao gåm c¸c tham sè cho tèc ®é xung vµ kiÓu hiÖn t­îng (Bôi cabon, ®éng ®Êt m¹nh, ®éng ®Êt nhÑ, tiÕng ån hay lo¹i chung). C¸c kiÓu nµy ®­îc ®Æt tªn ®Ó nhËn d¹ng c¸c nguån hiÖn t­îng trong file trace (®Çu ra m« pháng). Tèc ®é xung lµ tham sè duy nhÊt ®iÒu khiÓn viÖc ph¸t tÝn hiÖu tõ mét hiÖn t­îng. H×nh 3.6: H×nh ¶nh m« t¶ m¹ng Sensor (®­îc lÊy tõ øng dông NAM trong NS-2) víi 25 tr¹m Sensor ®­îc triÓn khai theo h×nh l­íi trªn diÖn vu«ng, 20 nót Phenomenon (m« t¶ ®¸m m©y khÝ gas-hiÖn t­îng cÇn c¶m biÕn) di ®éng vµ mét tr¹m thu thËp sè liÖu (ë gãc trªn bªn ph¶i). C¸c nót sÉm mµu (mµu ®á) lµ c¸c nót ®ang c¶m biÕn ®­îc hiÖn t­îng, c¸c nót nh¹t mµu (mµu xanh l¸ c©y) lµ c¸c nót kh«ng quan s¸t thÊy hiÖn t­îng. C¸c vßng trßn to m« t¶ viÖcph¸t sãng tÝn hiÖu cña c¸c nót.C¸ckhèi nhá mµu ®en biÓu thÞ c¸c gãi tin trong m¹ng. - Senso nets-NRL / Senso agent.cc, h: ®Þnh nghÜa c¸c agent Sensor, c¸c agent lµ ®iÓm cuèi, n¬i c¸c gãi thuéc líp m¹ng ®­îc t¹o ra vµ ph©n t¸ch, xö lý . C¸c nót Sensor sö dông mét t¸c nh©n Sensor liªn kÕt ®Õn kªnh Phenomenon ®Ó tiÕp nhËn c¸c gãi tin Phenom vµ sö dông mét t¸c nh©n TCP hay UDP ®Ó liªn kÕt ®Õn kªnh cña m¹ng v« tuyÕn ®Ó t¹o c¸c gãi tin ®­îc göi ®i tõ øng dông Sensor. C¸c t¸c nh©n Sensor ho¹t ®éng nh­ mét èng dÉn, qua ®ã c¸c gãi tÝn Phenom ®­îc nhËn vµ xö lý bëi c¸c øng dông Sensor. C¸c t¸c nh©n Sensor kh«ng thùc sù quan t©m ®Õn néi dung cña gãi Phenom, nã chØ ®¬n gi¶n ®¸nh dÊu c¸c gãi nhËn ®­îc vµ chuyÓn ®Õn øng dông Sensor. Agent nµy ®­îc ®Þnh nghÜa trong Sensor agent.cc. - Sensornets-NRL / Sensorapp.cc, h : øng dông Sensor ®­îc ®Þnh nghÜa trong file nµy tËn dông mµu nót vµ t¹o ra c¸c th«ng b¸o Sensor ®Ó chØ ra nót t­¬ng øng ph¸t hiÖn ra hiÖn t­îng ( 4 biÕn m«i tr­êng cã thÓ ®­îc sö dông lµ: SILENT_PHENOMENON, DISABLE_COLORS, MESG_SIZE vµ TRANSMIT_FREQ). Cô thÓ, khi nót ®ang nhËn gãi Phenom, øng dông nµy thay ®æi mµu nót thµnh ®á, kÝch tho¹t mét biÕn toµn côc "alarm" vµ göi mét th«ng b¸o Sensor (MESG_SIZE byte) ®Õn nót sink (nót thu thËp sè liÖu) cña kÕt nèi UDP, TCP sau mçi chu kú lµ TRANSMIT_FREQ gi©y. Khi mét nót kh«ng nhËn ®­îc mét Phenom packet trong thêi gian chê (SILENT_PHENOMENON gi©y), th× mµu nót trë vÒ mµu xanh l¸ c©y. NÕu mµu nót ®­îc yªu cÇu ®Ó biÓu thÞ møc n¨ng l­îng thay v× tr¹ng th¸i c¶nh b¸o Sensor th× øng dông bÞ t¾t víi viÖc ®Æt DISABLE_COLOR. - Sensornets-NRL / Phenom_packet.h: File nµy ®Þnh nghÜa cÊu tróc gãi Phenom. Cã 5 kiÓu hiÖn t­îng (CO, HEAVY - GEO, LIGHT - GEO, SOUND, and TEST - PHENOMENON) t­¬ng øng víi cacbon monoxide (chÊt carbon monoxide CO), Heavy Seismic actyvity (®éng ®Êt m¹nh), Light Seismic activy (®éng ®Êt nhÑ), Audible Sound (©m thanh), sime Phenomenon (kiÓu chung). C¸c kiÓu nµy cã thÓ ®­îc sö dông m« pháng víi nhiÒu nót hiÖn t­îng vµ cã thÓ dÔ dµng nhËn ra vµ ph©n biÖt víi c¸c hiÖn t­îng kh¸c mµ nót Sensor ph¸t hiÖn, b»ng c¸ch nh×n vµo file trace. 3.3.4. Thay ®æi trong NS-2 H×nh 3.7 ra s¬ ®å c©y NS - 2 më réng m« pháng m¹ng Sensor víi c¸c bæ sung (nh¸nh bªn ph¶i) vµ hiÖu chØnh (nh¸nh bªn tr¸i). C¸c chØnh söa trong NS-2 ®­îc thùc hiÖn trong c¸c file sau : - Trace / cmu-trace.cc, h: Líp CMUTrace ®­îc sö dông ®Ó in c¸c phÇn quan träng cña mét gãi vµo file trace. V× phÇn më réng sö dông kiÓu gãi míi cho c¸c hiÖn t­îng nªn cÇn ph¶i ®Þnh d¹ng gãi t­¬ng øng trong file nµy. - Tcl / lib / ns-lib.tcl: Thµnh phÇn nµy tr×nh bµy vÒ cÊu h×nh nót ®­îc chØ ra trong tËp lÖnh NS-2. PhÇn më réng sö dông kiÓu nót míi (c¸c nót Sensor vµ Phenomenon). V× thÕ, ®· thªm vµo mét sè ®iÓm vµo chøc n¨ng ®Þnh cÊu h×nh nót (node-configure) ®Ó phï hîp víi c¸c kiÓu nµy. NS-2.27/ H×nh 3.7: S¬ ®å bæ sung vµ chØnh söa NS-2 - Tcl / lib / ns-mobilenode.tcl: Trong NS-2, dung l­îng s½n cã cho viÖc lËp m¹ng kh«ng d©y ®a kªnh ®­îc sö dông ®Ó ph¸t c¸c lo¹i tÝn hiÖu hiÖn t­îng kh¸c nhau. B»ng viÖc sö dông kªnh riªng cho c¸c hiÖn t­îng, ta cã thÓ m« pháng m«i tr­êng vËt lý riªng cho tõng lo¹i hiÖn t­îng nh­ trong thùc tÕ. Nh­ vËy, c¸c nót Sensor cÇn 2 giao diÖn: mét víi kªnh 802.11 vµ mét víi kªnh Phenom. Kh¶ n¨ng ®a giao diÖn ("Multi - homed") ®­îc bæ xung trong ns-mobilnode.tcl. - Common / packet-h: Mçi gãi trong ns -2 ®­îc liªn kÕt víi mét kiÓu riªng tuú thuéc vµo giao thøc t­¬ng øng nh­ TCP, ARP, AODV, FTP, .v.v..V× giao thøc ph¸t tÝn hiÖu hiÖn t­îng lµ míi nªn ph¶i ®Þnh nghÜa kiÓu gãi t­¬ng øng trong file tiªu ®Ò packet.h. - Mac/ Wireless-phy.cc: ns -2 cã gåm m« h×nh n¨ng l­îng cho c¸c nót kh«ng d©y ®­îc sö dông ®Ó nghiªn cøu lîi Ých cña c¸c kü thuËt duy tr× n¨ng l­îng kh¸c nhau. Nh­ viÖc nghØ ho¹t ®éng hay tËn dông c¸c mËt ®é m¹ng tèi ­u. M« h×nh nµy gåm c¸c ®Æc tÝnh chØ ra c¸c yªu cÇu c«ng suÊt cña c¸c gãi ph¸t vµ nhËn hay tr¹ng th¸i rçi trong thêi gian m¹ng kh«ng ho¹t ®éng tÝch cùc. ViÖc c¶m biÕn hiÖn t­îng lµ mét qu¸ tr×nh cã thÓ tiªu thô n¨ng l­îng t¹i mét tèc ®é kh¸c, nªn ®©y lµ vÊn ®Ò quan träng cÇn xem xÐt. Trong mac / Wireless-phy.cc cung cÊp kh¶ n¨ng chØ ra c«ng suÊt tiªu thô cña c¸c nót trong khi c¶m biÕn c¸c hiÖn t­îng. Mét sè söa ®æi kh¸c ®­îc thùc hiÖn ë mac / mac.cc, tcl / lib / ns-namsupp.tcl vµ queue / priqueue.cc. Mét sè söa ch÷a trong thñ tôc ®Þnh mµu nót, bæ sung kiÓu gãi Phenom vµo tæ chøc NS-2 ®­îc thùc hiÖn ®Ó ®¬n gi¶n ho¸ giao diÖn ®Õn kªnh Phenomenon trªn nót Sensor. 3.4. ThiÕt lËp m· lËp tr×nh m« pháng 3.4.1. ThiÕt lËp kªnh hiÖn t­îng vµ kªnh d÷ liÖu C¸c nót Phenomenon sÏ ph¸t trªn mét kªnh kh¸c víi c¸c nót Sensor ®Ó tr¸nh sù tranh chÊp t¹i líp vËt lý. Mäi nót Phenomenon cÇn ®Þnh cÊu h×nh trªn cïng mét kªnh ngay c¶ khi chóng ph¸t tõ c¸c kiÓu hiÖn t­îng kh¸c nhau. LÖnh sau thiÕt lËp kªnh v« tuyÕn vµ kªnh cña c¸c hiÖn t­îng (Kªnh Phenomenon): set chan 1 [new $val(chan)] set chan 2 [new $val(chan)] 3.4.2. ThiÕt lËp mét giao thøc MAC cho kªnh Phenomenon Chän mét líp MAC sö dông cho viÖc ph¸t Phenomenom qua kªnh Phenomenon. ViÖc sö dông 802.11 lµ kh«ng thÝch hîp v× kªnh Phenomena lµ kªnh tù nhiªn nªn nã ph¸t mµ kh«ng cÇn ®iÒu khiÓn t¾c nghÏn vµ tranh chÊp. C¸c lÖnh sau thiÕt lËp c¸c thñ tôc ®iÒu khiÓn truy nhËp m«i tr­êng v« tuyÕn vµ m«i tr­êng Phenomenon: set val(mac) Mac/802 11 set val(PHENOMmac) Mac 3.4.3. ThiÕt lËp c¸c nót Phenomenon víi giao thøc "®Þnh tuyÕn" Phenom Sö dông nót-config gièng nh­ c¸c nót di ®éng nh­ng chØ râ giao thøc ®Þnh tuyÕn Phenom, c¸c hiÖn t­îng ®­îc ph¸t ®i theo c¸c ph­¬ng thøc ®­îc ®Þnh nghÜa trong Phenom / Phenom.cc. Ngoµi ra ph¶i ®Þnh h×nh kªnh vµ líp MAC tr­íc khi chØ ra viÖc qu¶ng b¸ Phenomenon. Mét vÝ dô thiÕt lËp cÊu h×nh nót Phenomenon mÉu nh­ sau: $ns node-config \ -adhocRouting PHENOM \ -Channel $chan 1 \ -llType LL \ -macType $val(PHENOMmac) \ -ifqType Queue/DropTail/PriQueue \ -ifqLen 50 \ -antType Antenna/OmniAntenna \ -phyType Phy/WirelessPhy \ -topoInstance $topo \ -agentTrace ON \ -routerTrace ON \ -macTrace ON \ -movementTrace ON \ -propType Propagation/TwoRayGround 3.4.4. ThiÕt lËp tèc ®é vµ kiÓu xung cña Phenomenon Hai tham sè sö dông ®Ó thay ®æi tuú biÕn Phenomena ®­îc chØ ra a. Pulserate Float. - Ploat ph¶i lµ mét sè thùc - M« t¶ tÇn sè mét nót Phenomenon qu¶ng b¸ tÝn hiÖu cña nã. - MÆc ®Þnh lµ mét lÇn ph¸t trªn 1 gi©y b. Phenomenon Pattern - Pattern: kiÓu hiÖn t­îng, ph¶i lµ mét trong c¸c tõ kho¸ sau: CO, HEAVE-GEO, LIGHT-GEO, SOUND, TEST-PHENOMENON t­¬ng øng víi oxit carbon CO, ®éng ®Êt nÆng, ®éng ®Êt nhÑ, tiÕng ®éng vµ mét sè kiÓu hiÖn t­îng chung kh¸c. - Tuú chän nµy ®­îc sö dông chñ yÕu cho viÖc m« pháng c¸c hiÖn t­îng béi nót (nhiÒu nót hiÖn t­îng kÕt hîp) nªn dÔ dµng ph©n biÖt viÖc nót Sensor ®ang c¶m biÕn hiÖn t­îng nµo b»ng viÖc nh×n vµo trace file. - MÆc ®Þnh TEST-PHENOMENON Sau ®©y, minh ho¹ viÖc ®Æt tham sè ®Ó ph¸t tÝn hiÖu tõ Carbon Oxit 10 lÇn/s [$node (0) set ragent ] \ pulserate .1 ; [$node (0) set ragent ] \ Phenomenon CO ; 3.4.5. §Þnh h×nh nót Sensor Nót Sensor ph¶i ®­îc ®Þnh h×nh víi thuéc tÝnh “Phenom chanell” vµ thuéc tÝnh “Wireless Channel”. Kªnh Phenom Channel ph¶i cïng lo¹i víi kªnh mµ ta Ên ®Þnh cho Phenomenon. Kªnh cßn l¹i ®­îc sö dông ®Ó truyÒn c¸c b¸o c¸o cña Sensor. CÊu h×nh nót Sensor cÇn ph¶i chØ ra mét giao thøc MAC cho kªnh Phenomenon vµ mét giao thøc MAC (nh­ MAC/802-11) cho kªnh chia sÎ víi c¸c nót kh«ng d©y kh¸c. §iÒu nµy ®­îc thùc hiÖn víi c¸c thuéc tÝnh Phenom mactype vµ mactype. Phenom mactype ph¶i cïng kiÓu víi MAC cña c¸c nót Phenom vµ Mactype ph¶i cïng kiÓu víi MAC cña c¸c nót kh¸c cïng tham gia m¹ng IP. C¸c lÖnh sau minh häa vÝ dô ®Þnh h×nh cho mét nót Sensor : $ns node-config \ -adhocRouting $val(rp) \ -Channel $chan 2 \ -macType $val(mac) \ -PHENOMChannel $chan 1 \ -PHENOMmacType $val(PHENOMmac) NÕu muèn, mét nót Sensor cã thÓ ®­îc ®Þnh h×nh víi mét khèi n¨ng l­îng nhÊt ®Þnh sÏ ®­îc khÊu trõ tõ nguån dù tr÷ cña nót mçi lÇn nhËn mét tÝn hiÖu Phenomenon qu¶ng b¸ hay ph¸t vµ nhËn c¸c gãi tin b¸o c¸o. §Ó thiÕt lËp tÝnh chÊt nµy, ph¶i thªm c¸c tham sè trong phÇn node-configure cña nót Sensor. -energyModel EnergyModel \ -rxPower 0.175 \ -txPower 0.175 \ -sensePower 0.00000175; \ -idlePower 0.0 \ -initialEnergy 0.5 Trong ®ã: - rx Power.175 chØ ra 175mW tiªu thô cho viÖc nhËn mét gãi kÝch th­íc bÊt kú. - tx Power 175 chØ ra 175mW tiªu thô cho viÖc ph¸t mét gãi kÝch th­íc bÊt kú - Sensor Power .000 00175 chØ ra 1.75mW tiªu thô khi nhËn 1 gãi qu¶ng b¸ Phenom. - Inctial Energy 5 chØ ra tæng n¨ng l­îng dù tr÷ lµ 5J. Chó ý: M« h×nh n¨ng l­îng trong NS-2 sö dông mµu s¾c ®Ó minh ho¹. §Ó tr¸nh nhÇm lÉn trong m« t¶ nam viÖc ®Þnh mµu nót trong øng dông h×nh ¶nh Sensor sÏ bÞ t¾t víi ®Þnh nghÜa DISABLE_COLOR trong Sensorapp.cc. Trong bæ xung DISABLE_COLOR, mét sè tham sè nót Sensor kh¸c còng ®­îc ®­îc chØ ra trong Sensorapp.cc. SILENT_PHENOMENON: lµ kho¶ng thêi gian (s) yªn lÆng cÇn thiÕt ®Ó Sensor ®i vµo tr¹ng th¸i t¾t c¶nh b¸o. VÝ dô: # define SILENT_PHENOMENON .2 - MESG_SIZE 256: lµ kÝch cì (byte) cña b¶n trªn chuyÓn tíi Gateway hay ®iÓm thu thËp d÷ liÖu hoÆc c¸c nót thu d÷ liÖu kh¸c ®­îc liªn l¹c víi nót Sensor (qua UDP, TCP …). VÝ dô: # define MESG_SIZE 256 - TRANSMIT_FREQ lµ tÇn sè mµ mét nót Sensor ®­îc kÝch ho¹t bëi c¸c gãi Phenom) sÏ chuyÓn mét b¶n tin ®Õn nót thu sè liÖu. Sau mçi kho¶ng thêi gian TRANSMIT_FREQ, nót Sensor ph¸t ®i mét th«ng b¸o (MESG_S1ZE byte) ®Õn Gateway vµ trong mçi kho¶ng nµy, nót Sensor cß thÓ nhËn ®­îc mét hay nhiÒu gãi PHENOM. VÝ dô: # define TRANSMIT_FREQ 0.1 3.4.6. ThiÕt lËp c¸c nót Non-Sensor (®iÓm thu thËp d÷ liÖu, Gateway) C¸c nót kh«ng ph¶i Sensor hay Phenomenon nót kh«ng ®­îc ®Þnh h×nh víi mét kªnh Phenom Channel v× chóng chØ cã giao diÖn duy nhÊt ®Õn m¹ng MANET (Mobile Ad-hoc Network - m¹ng di ®éng sö dông giao thøc ®Þnh tuyÕn Ad hoc) ®­îc thùc hiÖn víi thuéc tÝnh - Phenom Channel "off". VÝ dô: $ns node-config \ -adhocRouting $val(rp) \ -Channel $chan 2 \ -PHENOMChannel "off" 3.4.7. G¾n kÕt c¸c t¸c nh©n Sensor LÖnh nµy t¹o ra mét t¸c nh©n Sensor cho mçi nót Sensor vµ g¾n kÕt t¸c nh©n nµy víi nót t­¬ng øng. Ngoµi ra, ph¶i chØ ra r»ng tÊt c¶ c¸c gãi tin ®Õn tõ kªnh Phenome ®Òu ®­îc nhËn bëi Sensor Agent.VÝ dô: set Sensor ($i) [new \ Agent/SensorAgent] $ns attach-agent $node ($i) \ $Sensor ($i) [$node ($i) set ll (1)] \ up-target $Sensor ($i) 3.4.8. G¾n kÕt mét t¸c nh©n UDP vµ øng dông Sensor cho mçi nót ViÖc c¸c nót Sensor ph¶n øng thÕ nµo khi chóng ph¸t hiÖn ra hiÖn t­îng môc tiªu ®­îc ®Þnh nghÜa trong øng dông Sensor. VÝ dô nh­ chóng sÏ th«ng b¸o th«ng tin vÒ hiÖn t­îng tíi ®iÓm thu thËp d÷ liÖu qua UDP. ThÝ dô sau minh ho¹ viÖc thiÕt lËp øng dông Sensor: set src ($i) [new Agent/UDP] $ns attach-agent $node ($i) \ $src ($i) $ns connect $src ($i) $sink set app ($i) [new \ Application/SensorApp] $app ($i) attach-agent $src ($i) 3.4.9. Khëi ®éng øng dông Sensor Nót Sensor cã thÓ nhËn c¸c gãi Phenom ngay khi Sensor Agent ®­îc g¾n tíi nót. Nh­ng nót chØ cã ph¶n øng khi øng dông Sensor ®­îc g¾n kÕt vµ khëi ®éng. $ns at 5.0 "$app ($i) start \ $Sensor ($i)" Ch­¬ng IV: M« pháng m¹ng Wireless Sensor 4.1. Môc ®Ýnh m« pháng Môc ®Ých cña phÇn m« pháng nµy lµ xem xÐt mèi quan hÖ gi÷a ho¹t ®éng cña node m¹ng víi n¨ng l­îng dù tr÷ cña nã. Ban ®Çu, mçi nót Sensor ®­îc ®Þnh cÊu h×nh víi mét khèi n¨ng l­îng x¸c ®Þnh. Mçi khi nót Sensor thùc hiÖn mét hµnh ®éng nh­ nhËn mét tÝn hiÖu c¶m biÕn, thu hoÆc ph¸t c¸c gãi tin v« tuyÕn, xö lý tÝn hiÖu, nguån n¨ng l­îng dù tr÷ cña nót ®ã sÏ bÞ khÊu trõ theo c«ng suÊt ®­îc ®Þnh nghÜa tr­íc cho tõng thµnh phÇn. Khi nót Sensor kh«ng cã hµnh ®éng nµo, n¨ng l­îng sÏ ®­îc khÊu trõ theo c«ng suÊt rçi (Idle power). M« pháng nµy ®­îc thùc hiÖn víi c¸c m¹ng Sensor ®­îc triÓn khai theo h×nh l­íi vu«ng, trong b¶n ®å h×nh vu«ng. Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c nót sensor lµ d, kho¶ng c¸ch v« tuyÕn ®Ó mét nót cã kh¶ n¨ng ph¸t cho 8 nót l©n cËn. Kho¶ng ¶nh h­ëng cña nót Phenomenom (hiÖn t­îng môc tiªu) lµ . KÞch b¶n triÓn khai tr­êng Sensor ®­îc minh ho¹ trong h×nh 4.1. H×nh 4.1: KÞch b¶n triÓn khai tr­êng Sensor trong m« pháng KiÓu hiÖn t­îng môc tiªu ®­îc chän lµ khÝ Carbon Monoxit (CO) ®­îc biÓu diÔn b»ng mét nót Phenomenon ®¬n di chuyÓn mét c¸ch ngÉu nhiªn trong tr­êng Sensor. Sè l­îng ®iÓm thu thËp sè liÖu (Sink) lµ 1, ®­îc ®Æt trªn biªn cña tr­êng Sensor. Thang n¨ng l­îng sö dông trong cÊu h×nh node (trong phÇn node-configure): - rx Power.175 chØ ra 175mW tiªu thô cho viÖc nhËn mét gãi kÝch th­íc bÊt kú. - tx Power 175 chØ ra 175mW tiªu thô cho viÖc ph¸t mét gãi kÝch th­íc bÊt kú - Sensor Power .000 00175 chØ ra 1.75mW tiªu thô khi nhËn 1 gãi qu¶ng b¸ Phenom. - Inctial Energy 0.5 chØ ra tæng n¨ng l­îng dù tr÷ lµ 0.5J (hay 0.5 W/s). 4.2. Thùc hiÖn m« pháng 4.2.1. M· ch­¬ng tr×nh C¸c tuú chän vÒ m«i tr­êng m¹ng ®­îc khai b¸o nh­ sau: set val(chan) Channel/WirelessChannel ;# KiÓu kªnh set val(prop) Propagation/TwoRayGround ;# KiÓu ph¸t v« tuyÕn set val(netif) Phy/WirelessPhy ;# KiÓu giao tiÕp m¹ng set val(mac) Mac/802_11 ;# KiÓu MAC set val(PHENOMmac) Mac ;# KiÓu MAC Phenomenon set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;# KiÓu hµng ®îi set val(ll) LL ;# KiÓu líp liªn kÕt sè liÖu set val(ant) Antenna/OmniAntenna ;# KiÓu antent set val(ifqlen) 50 ;# Sè gãi cùc ®¹i trong hµng ®îi set val(nn) 26 ;# Tæng sè nót Sensor vµ Sink set val(rp) AODV ;# Giao thøc ®Þnh tuyÕn set val(x) 451 ;# ChiÒu dµi b¶n ®å (m) set val(y) 451 ;# ChiÒu réng b¶n ®å (m) set val(engmodel) EnergyModel set val(txPower) 0.175 ;# C«ng suÊt truyÒn (mW) set val(rxPower) 0.175 ;# C«ng suÊt nhËn (mW) set val(sensePower) 0.00000175; ;# C«ng suÊt c¶m biÕn (mW) set val(idlePower) 0.0 ;# C«ng suÊt khÊu trõ rçi (mW) set val(initeng) 0.5 ;# N¨ng l­îng ban ®Çu (J) Mét ®o¹n ch­¬ng tr×nh chÝnh: # 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 ch­¬ng tr×nh chÝnh ®· ®Þnh nghÜa tªn File sè liÖu ®Çu ra (Trace, NAM) vµ thiÕt lËp kiÓu kªnh, giao thøc, nót. ThiÕt lËp to¹ ®é cho c¸c nót vµ khai b¸o c¸c sù kiÖn x¶y ra trong thêi gian m« pháng. Sau khi ®· cã m· ®Çu vµo ®­îc l­u trong file phenom.tcl ta b¾t ®Çu ch¹y m« pháng b»ng lÖnh: nam phenom trong cöa sæ X. Sau khi ch¹y xong ta cã thÓ quan s¸t h×nh ¶nh b»ng øng dông NAM trong ns-2. 4.2.1. Ph©n tÝch kÕt qu¶ ViÖc tÝnh to¸n kÕt qu¶ dùa trªn viÖc ph©n tÝch file Trace. File Trace ®­îc ®Þnh d¹ng gåm c¸c tr­êng c¬ b¶n: [sù kiÖn] [thêi gian] [sè thø tù nót] [møc Trace] ---- [sè thø tù gãi] [kiÓu gãi] [kÝch th­íc gãi][®Þa chØ Mac][n¨ng l­îng cßn l¹i] [kiÓu hiÖn t­îng]. C¸c sù kiÖn trong tr­êng sù kiÖn gåm r (nhËn gãi), s (göi gãi), D (mÊt gãi), f (chuyÓn tiÕp gãi); tr­êng thêi gian chØ ra thêi ®iÓm x¶y ra sù kiÖn; tr­êng møc Trace chØ ra sù kiÖn nµy thuéc ph¹m vi (møc ®é) m« pháng nµo (t¸c nh©n (nh­ udp), líp liªn kÕt sè liÖu (MAC) hay møc vËt lý, ....). Víi yªu cÇu tÝnh to¸n trong tr­êng hîp nµy, ta chØ cÇn quan t©m tíi 4 tr­êng ®Çu tiªn vµ tr­êng n¨ng l­îng. 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) Dùa vµo file Trace nµy chóng ta cã thÓ thÊy râ n¨ng l­îng cña node m¹ng sÏ gi¶m theo thêi gian mçi khi node m¹ng nhËn, göi d÷ liÖu hoÆc c¶m biÕn hiÖn t­îng. ViÖc ph©n tÝch file trace ®uîc thùc hiÖn qua hai b­íc: - T¸ch file trace: Ta sÏ t¸ch ra c¸c tr­êng cÇn thiÕt cho viÖc tÝnh to¸n kÕt qu¶ - TÝnh kÕt qu¶: Dùa vµo c¸c tr­êng ®· t¸ch ë trªn, ta sö dông c¸c tr­êng nµy ®Ó tÝnh ra kÕt qu¶ cÇn thiÕt. Sau ®©y lµ c¸c b­íc tiÕn hµnh cô thÓ: 1) TÝnh sù tiªu hao n¨ng l­îng cña c¸c node m¹ng - Dïng lÖnh sau trong cña sæ cygwinX ®Ó t¸ch lÊy c¸c sù kiÖn t¹i mét node(trong tr­êng hîp nµy la node1) nh­ nhËn, göi gãi, tr­êng thêi gian vµ møc n¨ng l­îng t­¬ng øng t¹i thêi ®iÓm ®ã. $ 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 lÖnh nµy ta sÏ t¸ch ra ®­îc sè liÖu n»m ë file energy_node1.txt gåm 6 tr­êng. D­íi ®©y lµ mét ®o¹n 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 cã ®­îc file energy_node1.txt ta sö dông lÖnh sau ®Ó tÝnh n¨ng l­îng cÇn mçi khi node göi hoÆc nhËn mét gãi d÷ liÖu: $ 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 lÖnh nµy ta sÏ tÝnh ®­îc sè n¨ng l­îng cô thÓ mçi khi node1 nhËn hoÆc göi d÷ liÖu. C¸c sè liÖu nµy ®­îc ghi vµo file nlgiam_node1.txt Mét ®o¹n 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 T­¬ng tù ta lµm nh­ vËy víi c¸c node kh¸c vÝ dô víi node 2 ta dïng lÖnh $ 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 Vµ lÖnh: $ 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)TÝnh tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng Tõ c¸c file energy_node.txt ta cã thÓ tÝnh ®­îc tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng cña mçi node vµ tæng n¨ng l­îng cho viÖc göi d÷ liÖu vµ tæng n¨ng l­îng cho viÖc nhËn d÷ liÖu. - Tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng = Tæng n¨ng l­îng tiªu tèn/ thêi gian kh¶o s¸t 4.2. KÕt qu¶ KÕt qu¶ ®­îc biÓu diÔn b»ng c¸c b¶ng vµ ®å thÞ t­¬ng øng. 4.2.1. Sù tæn hao n¨ng l­îng Ta xÐt mét m¹ng sensor gåm 25 nót ®­îc bè trÝ ®Òu trong mét diÖn tÝch cã kÝch th­íc 651x651(m2). Khi ®ã mËt ®é m¹ng lµ 60nut/1km2. Sè thø tù nót N¨ng l­îng nhËn d÷ liÖu N¨ng l­îng göi d÷ liÖu Tæn hao n¨ng l­îng do mÊt gãi N¨ng l­îng c¶m biÕn Tæng n¨ng l­îng tiªu tèn 1 0.019285 0.046183 0.003525 0.09376 0.162753 2 0.065298 0.033406 0.01526 0.112968 0.226932 3 0.056915 0.05568 0.002437 0.113328 0.22836 4 0.160718 0.02309 0.004672 0.026297 0.214777 5 0.139551 0.02305 0.00042 0.019622 0.182643 6 0.038426 0.046769 0.001325 0.108743 0.195263 7 0.109089 0.040506 0.018258 0.074516 0.242369 8 0.130553 0.021261 0.010534 0.071392 0.23374 9 0.074877 0.027988 0.013917 0.117594 0.234376 10 0.15393 0.023981 0.005717 0.038833 0.222461 11 0.047487 0.03308 0.000406 0.152266 0.233239 12 0.137623 0.034856 0.022823 0.049413 0.244715 13 0.074405 0.037263 0.005593 0.119159 0.23642 14 0.189775 0.028786 0.010324 0.017346 0.246231 15 0.164631 0.01053 0.006003 0.041165 0.222329 16 0.217707 0.00711 0.005957 0 0.230774 17 0.201076 0.031669 0.010278 0.015522 0.258545 18 0.133041 0.020647 0.010764 0.033383 0.197835 19 0.215369 0.01945 0.016523 0.008967 0.260309 20 0.220979 0.02205 0.00547 0.000409 0.248908 21 0.193351 0.022085 0 0 0.215436 22 0.163264 0.003814 0.076103 0 0.243181 23 0.21931 0.028433 0.002297 0.002453 0.252493 24 0.146921 0.020228 0.002425 0.021554 0.191128 25 0.040937 0.003478 0.002703 0 0.047118 Bảng 4.2: Suy hao n¨ng l­îng cña c¸c nót sensor H×nh 4.2: §å thÞ suy hao n¨ng l­îng cña c¸c nót sensor 4.2.2. Tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng khi t¨ng sè nót m¹ng Trong phÇn nµy ta sÏ kh¶o s¸t tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng trung b×nh cña c¸c nót m¹ng khi sè nót sensor thay ®æi cßn kÝch th­íc m¹ng cè ®Þnh 651x651(m2). Sè nót Sensor C«ng suÊt truyÒn gi÷a c¸c nót (w) N¨ng l­îng tiªu tèn trung b×nh (j) Tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng trung b×nh cña m¹ng(j/s) 15 0.3187 0.8018702188 0.080187021876 25 0.1 0.2826000000 0.028260000000 37 0.04 0.1183298067 0.011832980669 58 0.01919 0.0438586242 0.004385862420 79 0.006 0.0090531975 0.000905319748 150 0.00166 0.0006454619 0.000064546188 240 0.0006 0.0000530490 0.000005304904 410 0.000174 0.0000086468 0.000000864676 585 0.0000778 0.0000018869 0.000000188685 715 0.0000572 0.0000009930 0.000000099299 900 0.0000285 0.0000002816 0.000000028160 1200 0.0000154 0.0000000685 0.000000006845 1400 0.000012 0.0000000146 0.000000001462 1612 0.0000074 0.0000000206 0.000000002061 B¶ng 4.3: Tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng H×nh 4.3: §å thÞ tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng trung b×nh cña m¹ng 4.2.3. Tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng khi mËt ®é m¹ng kh«ng ®æi Trong phÇn nµy ta sÏ thay ®æi sè l­îng nót sensor trong m¹ng ®ång thêi còng thay ®æi diÖn tÝch kh¶o s¸t ®Ó ®¶m b¶o mËt ®é m¹ng lµ 60sensor/1km2. Sè nót Sensor N¨ng l­îng tiªu tèn trung b×nh(j) Tèc ®é gi¶m (j/s) 15 0.2826 0.02826 25 0.285502 0.02855 37 0.285502 0.02855 58 0.317106 0.031711 79 0.123958 0.012396 150 0.115942 0.011594 240 0.112774 0.011277 410 0.083108 0.008311 585 0.071784 0.007178 715 0.098671 0.009867 900 0.541801 0.05418 1200 0.138967 0.013897 1400 0.293757 0.029376 B¶ng 4.4: Tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng trung b×nh cña m¹ng H×nh 4.4: Tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng 4.2. §¸nh gi¸ Qua kÕt qu¶ m« pháng ë trªn, ta thÊy víi mét m¹ng cè ®Þnh n¨ng l­îng cho viÖc nhËn d÷ liÖu chiÕm tØ lÖ lín nhÊt, tiÕp ®Õn lµ n¨ng l­îng cho viÖc c¶m biÕn d÷ liÖu vµ n¨ng l­îng cho viÖc göi d÷ liÖu chiÕm tØ lÖ thÊp nhÊt. MËt ®é nót sensor trong m¹ng còng ¶nh h­ëng rÊt nhiÒu tíi viÖc tiªu thô n¨ng l­îng cña c¸c nót m¹ng mËt ®é cµng cao th× tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng cña c¸c nót sensor cµng gi¶m. §iÒu nµy ®­îc gi¶i thÝch lµ do c«ng suÊt ph¸t cña c¸c nót sensor gi¶m. Do ®ã khi thiÕt kÕ m¹ng chóng ta ph¶i hÕt søc chó ý tíi mËt ®é nót m¹ng. Khi mËt ®é m¹ng ®­îc gi÷ cè ®Þnh th× sè nót sensor l¹i lµ yÕu tè ¶nh h­ëng tíi tèc ®é tiªu thô n¨ng l­îng cña c¸c nót sensor. Cã 3 kho¶ng chÝnh khi t¨ng sè nót sensor sÏ ¶nh h­ëng m¹nh tíi tèc ®é tiªu thô n¨ng l­îng cña c¸c nut sensor. Kho¶ng thø nhÊt: D­íi 100 nót, tèc ®é tiªu thô n¨ng l­îng trung b×nh cña c¸c nót kho¶ng 0.28j/s ®©y lµ mét tèc ®é gi¶m trung b×nh. Kho¶ng thø hai: Tõ 100 ®Õn 700 nót, tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng cña m¹ng æn ®Þnh ë møc thÊp kho¶ng 0.1j/s. Kho¶ng thø ba: Tõ 700 nót trë nªn, khi nµy tèc ®é gi¶m n¨ng l­îng cña c¸c nót m¹ng t¨ng ®ét biÕn. Qua ®©y ta thÊy khi x©y dùng m¹ng trong kho¶ng thø hai lµ ®¶m b¶o tiÕt kiÖm n¨ng l­îng nhÊt. Tuy nhiªn trong tr­êng hîp cÇn triÓn khai trong mét ph¹m vi lín th× ta lªn chän sè nót sensor lín h¬n 1200 nót ®Ó ®¶m b¶o tiÕt kiªm vÒ n¨ng l­îng. KÕt luËn C¸c m¹ng Sensor víi gi¸ thµnh thÊp, cã kh¶ n¨ng triÓn khai trong nhiÒu ®iÒu kiÖn ®Þa lý khÝ hËu phøc t¹p, ®Æc biÖt lµ c¸c kh¶ n¨ng xö lý céng t¸c vµ chÞu ®­îc c¸c h­ háng sù cè ®· ®em l¹i mét cuéc c¸ch m¹ng trong lÜnh vùc c¶m biÕn vµ thu thËp th«ng tin. §iÒu nµy ®· m¹ng l¹i nhiÒu lîi Ých thiÕt thùc cho cuéc sèng, cho s¶n xuÊt vµ cho khoa häc. Trong t­¬ng lai, m¹ng Sensor cã thÓ sÏ lµ mét ph­¬ng tiÖn cÇn thiÕt vµ th«ng dông nh­ m¸y tÝnh c¸ nh©n vµ ®iÖn tho¹i di ®éng hiÖn nay. Trong t­¬ng lai m¹ng sensor hoµn toµn cã thÓ ®­îc ¸p dông ë n­íc ta, do ®ã viÖc nghiªn cøu t×m hiÓu c¸c vÊn ®Ò liªn quan tíi m¹ng lµ hÕt søc cÇn thiÕt. §å ¸n ®¹t ®­îc kÕt qu¶: Kh¸i qu¸t tæng quan vÒ m¹ng sensor còng nh­ c¸c øng dông cña nã. Nªu râ vai trß n¨ng l­îng trong m¹ng sensor vµ c¸c biÖn ph¸p tiÕt kiÖm n¨ng l­îng. Giíi thiÖu phÇn mÒm m« pháng m¹ng sensor, vµ c¸c thiÕt lËp c¬ së ban ®Çu cho viÖc m« pháng m¹ng, trong ®ã cã viÖc thiÕt lËp cÊu h×nh nguån n¨ng l­îng cho nót m¹ng. TiÕn hµnh m« pháng m¹ng, tõ ®ã rót ra quy luËt gi¶m n¨ng l­îng cña c¸c nót m¹ng. VÊn ®Ò cÇn quan t©m: - C¸c c«ng nghÖ nÒn t¶ng ®Ó ph¸t triÓn m¹ng sensor - C¸c vÊn ®Ò vÒ ®ång bé Sensor, c¸c thuËt to¸n ®Þnh vÞ, c¸c thuËt to¸n céng t¸c Sensor. - Kh¶ n¨ng më réng cña m¹ng. HiÖn t¹i m¹ng sensor ®· ®­îc triÓn khai réng, tuy nhiªn chóng vÉn ®ang tiÕp tôc ®­îc nghiªn cøu. Do ®ã viÖc n¾m b¾t c¸c c«ng nghÖ míi vµ c¸c gi¶i ph¸p ph¸t triÓn m¹ng lµ hÕt søc cÇn thiÕt. Tµi liÖu tham kh¶o 1. Anna H¸c (University of Hawait at Manoa, Honolulu, USA), Wireless Sensor Network Designs, Nhµ suÊt b¶n Jonh Wiley and Sons. 2. Edgar H. Callaway, Wireless Sensor Network – Architectures and Protocol, Nhµ suÊt b¶n CRC. 3. §inh V¨n Dòng (ViÖn khoa häc kü thuËt b­u ®iÖn), Sensor Network Intallation Guide, B¶n Pdf. 4. The Network Simulator - ns-2. 5. The ns Manual. 6. NRL’s Sensor Network Extension to ns-2. 7. NS-2 by Example 8. Ian Downard, SIMULATING SENSOR NETWORKS IN NS-2, Naval Research Laboratory Code 5523, 4555 Overlook Ave, Washington DC, 20375-5337 9. Q.Hao, D.J.Holding, Y.Peng, K.J.Blow (Aston university), "Energy Efficiency Design Challenge in Sensor Network: A survey".