Câu hỏi ôn tập Mạng Cảm Biến - WSN

Câu hỏi ôn tập Mạng Cảm Biến - WSN Câu 1: Phân tích đặc điểm của mạng cảm biến không dây. Các node kích thước nhỏ, giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ. Các node giới hạn về nguồn năng lượng, băng thông Các node phân bố dày đặc Các node dễ bị hư hỏng Giao thức mạng thay đổi thường xuyên, quản lý phức tạp Câu 2: Hãy so sánh MANET và WSN. -MANET: là mạng di động ad hoc với kết nối các node không có hạ tầng mạng, định tuyến thay đổi lớn,… +Laptop, máy di động kết nối với nhau tạo ra một mạng. -WSN: là một mạng ad hoc di động được tạo nên từ các bộ cảm biến. Giống nhau (sự tương đồng) Tự tổ chức: tự tính toán cấu hình (địa chỉ, định tuyến, đk NL,…) Tính đa chặng Nhiễu: Môi trường mưa, gió, vật cản,… Bảo mật: Rất khó do không khí Khác nhau Tính di động: node MANET di động, thường WSN cố định (di động ở node, di động bộ thu) Năng lượng: WSN có các yêu cầu về năng lượng và các vấn đề bảo dưỡng chặt chẽ hơn. Phạm vi: WSN có thể lớn hơn nhiều (mặc dù còn đang tranh cãi) Ứng dụng: WSN có ứng dụng tương tác môi trường lưu lượng khác nhau(nghỉ). Độ tin cậy và chất lượng dịch vụ QoS: WSN các nút cá thể có thể bị bỏ qua (vấn đề mạng), QoS khác nhau do các ứng dụng khác nhau. Câu 3: Vẽ cấu trúc trong phần cứng của node cảm biến và nêu chức năng của các bộ phận cấu thành một node cảm biến? Bộ điều khiển Nơi thu nhận dl từ các sensor, quyết định thời gian gửi dl (gt liên lạc), ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành. Nơi lưu trữ các dữ liệu trung gian Là lõi của nút, sử dụng các bộ vi đk (FPGA, ASIC) Thiết bị liên lạc Mỗi node sẽ có cả bộ thu và phát sóng để kết nối với nhau Là bộ phận truyền thông các nút, biến đổi các dòng dl từ bộ đk thành sóng radio Các node mạng sử dụng sóng radio bởi khả năng truyền đi xa, truyền dữ liệu với tỉ lệ lỗi chấp nhận được. Tần số sóng radio thường dùng: từ 433MHz tới 2.4GHz. Các trạng thái hoạt động của bộ thu phát Truyền: Là phần phát được kích hoạt, anten bức xạ năng lượng Nhận: Là phần thu được kích hoạt. Nghỉ: Là trạng thái thu dữ liệu và tắt chế độ theo dõi Ngủ: Các phần quang trọng được tắt. Liên quan thời gian hồi phục và NL khởi động Tiết kiệm NL thức chờ thông tin. Lãng phí NL khởi tạo hđ (không truyền, nhận). Điều khiển NL phức tạp. Đặc điểm của bộ thu phát Cung cấp gd cho lớp MAC bắt đầu truyền dẫn khung, truyền gói tin đến bộ nhớ trong nó. ĐK công suất tiêu thụ, sử dụng hiệu quả NL, thiết lập thời gian phù hợp trong trạng thái ngủ, nghỉ. Mỗi máy có tần số sóng mang (kênh) khác nhau nhằm giải quyết vấn đề tắc nghẽn (lớp MAC: FDMA, đa kênh CSMA/ALOHA) Kiến trúc của bộ thu phát Cảm biến/cơ cấu chấp hành Cảm biến chia 3 nhóm Cảm biến thụ động, đa hướng: nhằm xác định sự biến đổi của các đại lượng vật lý tại các vị trí xác định. Cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, cảm biến chuyển động, áp suất, hóa học... Phát hiện các hóa chất độc hại bị rò rỉ tại các nhà máy, kho chứa Cảm biến thụ động, đơn hướng: Cảm biến theo một hướng nhất định, tuy nhiên vẫn có thể thay đổi hướng cảm biến nếu cần thiết. (Camera) Cảm biến chủ động: Chủ động thăm dò, tìm kiếm trong môi trường. Hệ thống định vị vật dưới nước bằng siêu âm Các radar cảm biến Cảm biến động đất (tạo ra sóng có biên độ rộng khi có các vụ nổ nhỏ) Nguồn cung cấp Cung cấp NLcho các node mạng, qđ sự sống node Có khả năng tìm kiếm NL môi trường ngoài bù phần NL đã mất. Có các loại: Pin, ắc quy thông thường Chuyển đổi DC – DC Các nguồn năng lượng đặc biệt khác Bộ định vị: KT định tuyến, các nhiệm vụ cảm ứng cần độ chính xác cao về vị trí. Bộ di động: theo dõi dịch chuyển các node. Câu 4: Nêu nguyên lý hoạt động của một node cảm biến? Toàn bộ node cảm biến được nuôi bằng một bộ nguồn riêng. Bộ nguồn có nhiệm vụ cung cấp toàn bộ năng lượng cho các khối trong node cảm biến hoạt động. Bộ điều khiển thực hiện 2 chức năng chính là xử lý và lưu trữ dữ liệu. Theo sơ đồ trên ta thấy, cảm biến trong node sẽ nhận tín hiệu phi điện từ môi trường bên ngoài,sau đó nó biến đổi tín hiệu này thành dạng tín hiệu điện gửi tới bộ điều khiển. Đồng thời, hệ thống định vị và thiết bị liên lạc cũng gửi dữ liệu về bộ điều khiển. Sau khi xử lý các dữ liệu được đưa về, bộ điều khiển lưu trữ dữ liệu này lại đồng thời gửi cho tín hiệu điều khiển cho các thiết bị liên lạc và khối cảm biến/cơ cấu chấp hành để thực thi. Câu 5: Nêu các trạng thái hoạt động của bộ thu phát trong node cảm biến? Các trạng thái hoạt động của bộ thu phát Truyền: Là phần phát được kích hoạt, anten bức xạ năng lượng Nhận: Là phần thu được kích hoạt. Nghỉ: Là trạng thái thu dữ liệu và tắt chế độ theo dõi Ngủ: Các phần quang trọng được tắt. Liên quan thời gian hồi phục và NL khởi động Tiết kiệm NL thức chờ thông tin. Lãng phí NL khởi tạo hđ (không truyền, nhận). Điều khiển NL phức tạp. Câu 6: Phân tích các loại chuyển động trong WSN. Nút di chuyển Giám sát chăn nuôi (nút trên súc vật) Tự đẩy đi hoặc bằng ngoại lực; có mục đích hoặc ngẫu nhiên Bộ chứa (thu) di động Đối tượng di chuyển Bộ chứa (thu) di động Là nút di động nhưng lại không phải là một phần của WSN Người yêu cầu thông tin qua PDA di động Đối tượng di chuyển (giao thức phù hợp) Sự kiện, đối tượng được giám sát di chuyển xung quanh (hoặc mở rộng, co lại) Các nút WSN khác nhau trở thành “có trách nhiệm” giám sát một sự kiện như vậy. Câu 7: So sánh mạng truyền thông đơn bước nhảy và mạng đa bước nhảy. So sánh mạng đơn và đa bước nhảy Một vấn đề chung: phạm vi thông tin vô tuyến bị hạn chế Chủ yếu là do hạn chế về CS truyền dẫn, suy hao đường truyền, các vật cản Tùy chọn: các mạng đa bước nhảy Gửi các gói tới một nút trung gian Nút trung gian gửi tiếp gói đó tới đích Mạng đa bước nhảy Lưu và gửi tiếp Câu 8: So sánh giao thức ALOHA và CSMA trong giao thức MAC không dây thông thường. Giao thức ALOHA: -Điều chỉnh truy cập việc chia sẻ đường truyền giữa các user đang tranh chấp. -Không đòi hỏi điều khiển trung tâm, thêm bớt node dễ. -Nguyên lý: + Tại node phát: Sau khi phát dữ liệu, node lắng nghe trong khoảng thời gian quy định trước. + Tại node thu: Nếu nhận được dữ liệu gửi bản tin xác nhận ACK về node phát trước khi hết khoảng thời gian chờ. Quá trình truyền thành công. + Phát không nhận được ACK, cho rằng dữ liệu mất do lỗi đường truyền hoặc đụng độ, truyền lại. Sau 1 số lần, dữ liệu vẫn sai, không phát lại. Pure ALOHA: Node phát dl ngay khi nó sẵn sàng Truy cập kênh bất đồng bộ: chiều dài gói khác nhau, kênh tt chia thành các khe thời gian khác nhau. Thời gian đụng độ tăng do có gói dài. Dùng cho lưu lượng tải thấp, node truy cập trong tg ngắn (tải tăng, số đụng độ tăng, giảm chất lượng) . Slotted ALOHA (phân khe): Kênh truyền được gh truy cập Các node tt đồng bộ: Kênh tt chia thành các khe thời gian bằng nhau, độ dài các gói bằng nhau. Thời gian đụng độ giảm. Hạn chế: Tải tăng, cần có sự phát triển giao thức truy cập môi trường mới. Node có dl cần phát trước khi truyền phải lắng nghe xem kênh truyền có bận không? Giao thức CSMA – đa truy nhập cảm nhận sóng mang Node nghe ngóng môi trường- cảm nhận sóng mang Giao thức giảm can nhiễu giữa các gói Phụ thuộc vào giải thuật dùng để chờ trạng thái kênh truyền chuyển từ bận sang rỗi. Có 2 loại giao thức: Nonpresistent-không liên tục, không kiên trì. Presistent-liên tục, kiên trì. Giao thức truyền không liên tục: Node có dl và sẵn sàng phát sẽ nghe trạng thái kênh truyền. Nếu kênh rỗi, node phát gói dl, node chờ gói xác nhận đúng ACK Nếu kênh truyền bận, chờ khoảng tg định trước, cảm nhận lại kênh truyền Quá trình lặp cho tới khi phát thành công. Giao thức truyền liên tục: Nếu kênh truyền bận,lắng nghe liên tục , kênh vừa chuyển sang rỗi node phát gói của mình. Câu 9: Nhằm giảm ảnh hưởng node ẩn, node hiện sử dụng phương pháp nào trong giao thức MAC? Nhằm loại bỏ hoặc giảm ảnh hưởng 2 loại node ẩn và node hiện bằng 2 cách Dùng âm báo bận Dựa trên việc tránh đụng độ CSMA Âm báo bận: Dùng 2 kênh: Kênh dữ liệu (node phát) và kênh điều khiển (node thu) Trước khi phát gói, node phát kiểm tra có âm báo bận từ node thu không? Kênh rỗi phát dl Bắt đầu nhận dl, node thu phát th trên kênh đk báo bận Phát âm báo bận trong suốt quá trình nhận dl Tránh đụng độ CSMA/CA Sử dụng thủ tục bắt tay RTS (ready to send), CTS (clear to send) Node phát cảm nhận sóng mang để xem có node nào đang truyền hay không. Nếu không, node gửi gói RTS báo là muốn dl cho node cần gửi. Nếu kênh truyền rỗi, node nhận gửi trả lời bằng gói CTS để biết node sẵn sàng nhận. Node phát nhận được gói CTS, gửi dl cho node nhận Câu 10: Phân tích node ẩn, node hiện trong giao thức MAC. Phân tích thủ tục RTS/CTS xảy ra trong hình vẽ dưới đây? Node ẩn: Là node nằm trong vùng node thu, nằm ngoài vùng node phát A gửi dl B theo CSMA(A cảm nhận kênh truyền, rỗi gửi) A chưa hoàn thành phát gói B thì C phát B. C dùng cảm nhân kênh CSMA, A và C ngoài tầm nhau, C không nghe đc tín hiệu từ A(A đang gửi cho B). C thấy kênh rỗi nên phát gói. Kết quả B nhận đồng thời 2 gói, đụng độ xảy ra tại thu, cả 2 gói đều hỏng. Node hiện: Node nằm trong vùng node phát, nằm ngoài vùng node thu B gửi dl cho A theo CSMA (B cảm nhận kênh truyền, rỗi gửi) nhưng đang gửi sang C. C cũng gửi dl cho D theo CSMA, lắng nghe trạng thái kênh truyền. C thấy B đang gửi cho mình, dừng phát sang D, sự trễ là không cần thiết vì D nằm ngoài B, nên C truyền sang D được. Phân tích thủ tục RTS/CTS như hình trên: A thấy kênh rỗi gửi RTS cho B yêu cầu được truyền dữ liệu cho B. B đang rỗi nên gửi lại CTS cho A. Do phát quảng bá nên B cũng phát CTS cho C. Trong khi đó, D lại muốn truyền dữ liệu cho C nên gửi gói RTS cho C. C đang nhận CTS từ B nên xảy râ đụng độ -> gói tin hỏng. Do nhận được gói CTS từ B nên A gửi dữ liệu cho B. Gói tin từ D gửi sang cho C bị hỏng nên D lại gửi lại gói RTS cho C để yêu cầu lại. C nhận được RTS từ D, chấp nhận yêu cầu nên gửi lại gói CTS cho D. Do truyền quảng bá nên C cũng truyền CTS cho B. Nhưng lại trùng với thời điểm mà A đang truyền dữ liệu cho B nên xảy ra đụng độ, gói tin lại bị hỏng khi A truyền cho B. Câu 11: Nêu ảnh hưởng node ẩn, node hiện trong WSN? Phân tích thủ tục RTS/CTS xảy ra trong hình vẽ dưới đây: Ảnh hưởng của node ẩn, node hiện trong WSN: - Gây đụng độ, xung đột dữ liệu xảy ra tại node phát hoặc node thu, làm hỏng gói dữ liệu. - Gây lãng phí năng lượng do phải gửi lại gói tin bị hỏng trong mạng. - Gây khó khăn trong cấu hình mạng. Phân tích thủ tục RTS/CTS trong hình trên: A gửi RTS cho B, đồng thời C gửi RTS cho D. B đang rỗi nên chấp nhận yêu cầu nhận dữ liệu, gửi lại gói CTS cho A. Do phát quảng bá nên B cũng gửi CTS cho C. Đúng thời điểm này, C muốn gửi dữ liệu cho D nên phát gói RTS. Do phát quảng bá nên C cũng gửi gói RTS cho B. D đang rỗi nên chấp nhận, nó gửi gói CTS lại cho C. Tại B xảy ra xung đột giữa CTS do B phát quảng bá cho C và RTS do C phát quảng bá cho B. A sau khi nhận được gói CTS từ B, A sẽ gửi dữ liệu cho B. Đồng thời lúc đó, C gửi dữ liệu cho D. Do phát quảng bá nên dữ liệu được phát quảng bá từ C sang B. Xung đột dữ liệu xảy ra tại B làm hỏng gói dữ liệu. Câu 12.Phân tích giao thức dựa trên lịch trình phân cấp nhóm thích ứng năng lượng thấp LEACH trong lớp MAC của WSN. - các node được sắp xếp thành các nhóm (cluster) - Mỗi nhóm chọn ra một node chủ (cluster head) - clusterhead và các cluster trao đổi thông tin theo TDMA - clusterhead truyền thông điệp nhận được từ các node tới trạm cơ sở -Trạm cơ sở là thiết bị cao cấp, quản lý toàn bộ các clusterhead. - các clusterhead lập sẵn lịch trình theo TDMA, phát lịch cho tất cả các node trong nhóm. - BS sẽ phát tín hiệu xung đồng bộ cho tất cả các node - Giảm can nhiễu giữa các cluster dùng giản đồ phân chia mã dựa vào máy phát. - Liên lạc từ clusterhead đến BS dùng CSMA - Giao thức được tổ chức thành các chu kỳ, mỗi chu kỳ gồm 2 bước: Bước thiết lập và bước ổn định Bước thiết lập: tự ứng cử node chủ dựa vào cường độ tín hiệu thu được ( lớn nhất) -bước thông báo: Dùng gói tin thông báo để node chủ báo cáo với các node lân cận Các node chủ dùng CSMA để cạnh tranh môi trường Bước thiết lập nhóm: Các node thông báo cho node chủ biết qua CSMA Node chủ biết số lượng thành viên và cách nhận dạng Lịch trình TDMA: Chọn mã CDMA ngẫu nhiên Thông báo mã trong bước con lịch trình thông báo. *) ưu điểm §Không xảy ra đụng độ §Hạn chế lãng phí NL gây ra do tranh chấp §Tránh nghe lén hay thu gói không cần thiết nhờ điều chỉnh khe tg trong khi thu phát vô tuyến, khe tg khác thì ngủ. §Thời gian sống node kéo dài do node hđ vơis chu kỳ nhiệm vụ ngắn hơn. *) Nhược điểm: §Hạn chế khả năng mở rộng, khó thích ứng với node di động và khả năng mở rộng mạng do sử dụng TDMA yêu cầu các node thành cluster, cấu trúc này hạn chế vì chỉ liên lạc với node chủ §Giao thức có sự đồng bộ tốt về thời gian: Với WSN khó vì hạn chế NL, phân bố mạng . Tăng giá thành. §Thay đổi node chủ , các node vào ra một nhóm. Gây chiều dài khung, phân bổ khe thời gian hiệu chỉnh lại. Gây giá thành tăng, chậm hđ chung hệ thống §Cần có thêm kỹ thuật FDMA, CDMA tạo thông tin giữa các nhóm. Có can nhiễu. Câu 13. Dựa vào yếu tố nào để đưa ra định tuyến ngang hàng và phân cấp? Mô tả yếu tố này? Dựa vào cấu trúc mạng +) ngang hàng Các nút đều ngang hàng, đồng nhất trong hình dạng và chức năng. § Các nút giao tiếp với BS qua multihop, sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng § Nút nào gần BS sẽ làm bộ tiếp sóng với lượng lớn nguồn đến. +) phân cấp Mạng chia thành các cụm, mỗi cụm có một nút chủ cụm. § Nút trong cụm thu thập dl, gửi singlehop hoặc multihop tới nút chủ cụm § Các nút tạo thành hệ thống cấp bậc, mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Câu 14. Mô tả giao thức định tuyến thác lũ FLOODING? Tại sao ít dụng giao thức này trong WSN? § Là kỹ thuật chung dùng phát tán TT, tìm đường dùng trong mạng có dây và không dây adhoc § Đơn giản, dễ cài đặt nhưng chiếm dụng băng thông toàn mạng § Khi một nút mạng cần gửi một gói tin tới một nút đích, sẽ gửi tới tất cả các nút liền kề. § Các nút này nhận gói, kiểm tra, nếu không phải thì gửi tiếp cho tới khi tới đích. *) ít được dùng trong WSN vì: Có thể xuất hiện vòng lặp truyền tin trên mạng § Có nhiều gói tin dư thừa § Có thể nút đích nhận được nhiều gói tin giống nhau § Có thể nút đích nhận được các gói tin không theo trật tự được gửi. Gây sai lệch dữ liệu Gặp bất lợi khi dùng trong WSN Câu 15. Mô tả giao thức định tuyên SPIN? Nêu hạn chế giao thức này. SPIN: Giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. § Các nút sẽ biết về nội dung dữ liệu trước khi dữ liệu được truyền trong mạng § Sử dụng thủ tục bắt tay 3 bước: § A gửi bản tin quảng cáo dữ liệu ADV tới B. § Tại B, có mong muốn nhận gói nên gửi REQ yêu cầu dl cần quan tâm. § Tại A, gửi bản tin DATA có chứa dữ liệu được cảm biến và kèm mào đâu miêu tả dữ liệu đó. § A gửi đến B quảng cáo ADV § B quan tâm gửi yêu cầu, A gửi dl tới B § B gửi quảng cáo tới các nút khác nhưng chỉ có C, E, G quan tâm…. § Cho tới khi đến đích Hạn chế: Các nút trung gian không quan tâm đến dl nào, khi đó dl không thể đến được đích Câu 16.Mô tả giao thức định tuyến theo vị trí. § Dùng TT về vị trí để tìm ra tuyến liên lạc hiệu quả từ nguồn đến đích § Thiết bị phát đi yêu cầu 1 hiện tượng xảy ra trong một khu vực nào đó . TT đưa đến đích kèm theo vị trí thiết bị như là địa chỉ của nó § Giao thức này phù hợp với mạng có nguồn năng lượng hạn chế và khả năng mở rộng hệ thống. § Quá trình định tuyến:sử dụng quy tắc right-hand và face traversal §Nút S1 chuyển dữ liệu đến S8 §Tuyến 1 từ S1 đến S2 §Tuyến 2 đến S3, giao với đường thẳng nối nguồn và đích, giảm hiệu quả định tuyến §Tuyến 4 từ S2 đến S4 §S1 thẳng S4 là đường cắt ngang không đi qua