Nghiên cứu và thử nghiệm giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp trong mạng cảm biến không dây.

- 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.
- 1 1.2 Các kỹ thuật đƣợc dùng cho mạng cảm biến không dây.
- 2 1.2.1 Mô tả mạng cảm biến không dây.
- 2 1.2.2 Phần cứng và phần mềm của nút cảm biến.
- 4 1.2.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây.
- 6 1.2.4 Phân loại mạng cảm biến không dây dựa trên đồ hình mạng.
- 8 1.3 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây.
- 10 1.3.1 Năng lƣợng tiêu thụ.
- 12 1.4 Kiến trúc phân tầng mạng WSN.
- 12 1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây.
- 15 1.5.1 Giới hạn năng lƣợng.
- 15 1.6 Ứng dụng mạng cảm biến không dây.
- 19 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.
- 20 2.2.1 Triển khai nút cảm biến.
- 20 2.2.3 Mô hình báo cáo dữ liệu.
- 20 2.2.4 Tính không đồng nhất của nút cảm biến/ kết nối.
- 23 2.2.11 Tập hợp dữ liệu.
- 24 2.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến.
- 24 2.3.2 Tổng quan các giao thức dựa trên cấu trúc mạng.
- 28 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH PHÂN CẤP.
- 28 3.2 Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy.
- 29 3.2.1 Mô tả giao thức LEACH.
- 29 3.2.2 Hoạt động của giao thức LEACH.
- 37 3.3 Giao thức LEACH - C (LEACH – Centralized.
- 38 3.3.1 Mô tả hoạt động giao thức LEACH-C.
- 39 3.4 Giao thức STAT-CLUSTER.
- 41 3.5 Giao thức PEGASIS.
- 41 3.6 Một số ý tƣởng cải tiến giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp.
- 44 3.6.1 Cải tiến giao thức LEACH.
- 44 3.6.2 Cải tiến giao thức PEGASIS.
- 50 MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐÁNH GIÁ.
- Mô phỏng các giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp và đánh giá.
- 62 4.2.3 Thử nghiệm số nút mạng còn sống theo thời gian.
- 67 4.2.4 Thử nghiệm tổng số năng lƣợng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian.
- 72 4.2.5 Thử nghiệm tỉ lệ dữ liệu/ năng lƣợng.
- Tác giả luận văn Lê Gia Hòa DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BS Base Station Trạm cơ sở, nút gốc CH Cluster Head Nút chủ cụm CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập cảm biến sóng mang FDMA Frequency division multiple access Đa truy nhập phân chia theo tần số GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu LEACH Low energy adaptive clustering hierarchy Phân cấp cụm thích nghi với năng lƣợng thấp LEACH-C Low energy adaptive clustering hierarchy- Centralized LEACH – Tập trung MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi trƣờng truyền dẫn NAM Network Animator Mô tả mạng bằng hình ảnh động NS-2 Network Simulator version 2 Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2 Otcl Object-oriented tool command language Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hƣớng đối tƣợng PA Power available Mức năng lƣợng hiện tại PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems Tập hợp dữ liệu hiệu quả về năng lƣợng cho các hệ thống thông tin cảm biến QoS Quality of service Chất lƣợng dịch vụ SPIN Sensor protocols for information via negotiation Các giao thức thông tin sensor thông qua thỏa thuận STAT-CLUS Status Cluster Phân chia cụm một lần rồi cố định TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TORA Temporally Ordered Routing Algorithm Định tuyến bằng thuật toán tìm đƣờng tuần tự theo thời gian WINS Wireless Integrated network sensors Mạng các thiết bị cảm biến tích hợp thiết bị thu phát không dây WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng WSN Bảng 4.1: Phân cụm và chọn nút chủ cụm theo vòng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây Hình 1.2: Mạng đơn bƣớc (A) và mạng đa bƣớc (B) Hình 1.3: Phần cứng và phần mềm của nút Hình 1.4: Kiến trúc phẳng Hình 1.5: Kiến trúc phân cấp hai tầng Hình 1.6: Mạng hình sao đa bƣớc Hình 1.7: Mạng đa chặng lƣới và ô vuông Hình 1.8: Mạng phân cấp cụm hai tầng Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến Hình 1.10: Ứng dụng của WSN trong quân sự Hình 1.11: Ứng dụng cảnh báo cháy rừng Hình 1.12: Ứng dụng trong y tế Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến trong mạng WSN Hình 3.1: Cấu trúc của giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp Hình 3.2: Giao thức LEACH Hình 3.3: Các pha của giao thức LEACH theo thời gian Hình 3.4: Giải thuật thành lập cụm trong LEACH Hình 3.5: Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau Hình 3.6: Mô hình Leach ở pha ổn định Hình 3.7: Hoạt động của pha ổn định trong LEACH Hình 3.8: Hoạt động của LEACH trong một vòng Hình 3.9: Sự ảnh hƣởng của kênh phát sóng Hình 3.10: Pha thiết lập của LEACH – C Hình 3.11: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy Hình 3.12: Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS Hình 3.13: Biểu đồ giao thức E-LEACH Hình 3.14: Giao thức M-LEACH Hình 3.15: Định tuyến của giao thức Multihop-LEACH Hình 3.16: Định tuyến PEGASIS phân cấp Hình 4.1: Mô hình đơn giản của NS Hình 4.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS Hình 4.3: Sự tƣơng đồng giữa C++ và OTcl Hình 4.4: Kiến trúc của NS Hình 4.5: Sự hoạt động của NS Hình 4.6: Tổ chức thƣ mục NS2 Hình 4.7: Kiến trúc MIT Hình 4.8: Topo 100 nút mạng Hình 4.9: Số nút CH theo thời gian Hình 4.10: Số nút CH tối ƣu Hình 4.11: Tổng số nút còn sống theo thời gian Hình 4.12: Số phần trăm nút chết Hình 4.13: Tổng số nút còn sống theo thời gian Hình 4.14: Tổng số nút còn sống theo thời gian Hình 4.15: Tổng số nút năng lƣợng tiêu thụ theo thời gian Hình 4.16: Tỷ lệ nút/ số byte nhận đƣợc ở trạm gốc Hình 4.17: Tỷ lệ dữ liệu/ năng lƣợng MỞ ĐẦU 1.
- Lý do chọn đề tài: Ngày nay mạng không dây đã phổ biến ở gia đình, cơ quan hoặc nơi công cộng nhƣng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSN) mà mạng WSN đã có những ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống.
- Mạng cảm biến không dây là sự kết hợp của việc cảm nhận thông tin, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị cảm biến nhỏ.
- Thế mạnh của mạng WSN ở chỗ nó có khả năng triển khai một số lƣợng lớn các thiết bị cảm biến có khả năng tự thiết lập cấu hình cho hệ thống.
- theo thời gian thực.
- Nhƣợc điểm lớn nhất của hệ thống mạng cảm biến không dây là thời gian sống của các nút cảm biến là giới hạn vì chúng đƣợc cấp nguồn bởi pin.
- Những nghiên cứu mới nhất hiện nay liên quan đến hiệu quả năng lƣợng của mạng cảm biến không dây nhằm giúp hệ thống hoạt động hiệu quả, thời gian sống lâu hơn có nghĩa là mạng không dây ổn định hơn.
- Các nghiên cứu cho thấy giao thức định tuyến hiệu quả năng lƣợng giúp giảm mức tiêu thụ năng lƣợng cho các nút cảm biến nhờ vậy thời gian sống tăng lên.
- Trƣớc xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây.
- Căn cứ tình hình thực tế cần các hệ thống WSN để phục vụ cho nhiều lĩnh vực tôi đã chọn hƣớng nghiên cứu là “Nghiên cứu và thử nghiệm giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp trong mạng cảm biến không dây”.
- Luận văn gồm có 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Chƣơng 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Chƣơng 3: Giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp Chƣơng 4: Sử dụng NS2 để mô phỏng WSN, nghiên cứu và phân tích các giải thuật LEACH, LEACH-C, STAT-CLUS, PEGASIS.
- Mục đích nghiên cứu Luận văn này thực hiện với mục đích tìm hiểu nghiên cứu các phƣơng pháp xây dựng mạng cảm biến dựa trên các kỹ thuật, các giao thức định tuyến trên mạng không dây.
- Trên cơ sở đó, đề tài sẽ mô phỏng mạng không dây để nghiên cứu các vấn đề về năng lƣợng, thời gian sống, dữ liệu truyền và thời gian trễ trên trạm gốc.
- Để đáp ứng mục đích đề tài cần tìm hiểu về lý thuyết mạng cảm biến không dây, nghiên cứu và thử nghiệm một số giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp thông qua các phần mềm mô phỏng.
- Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng của mạng cảm biến không dây, Phần mềm mô phỏng để xây dựng và thử nghiệm mạng cảm biến.
- Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây, các giao thức định tuyến, đặc biệt đề tài tập trung nghiên cứu giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp.
- Đề tài đã tập trung nghiên cứu và thử nghiệm các giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp đó là các giao thức LEACH, LEACH C, STAT-CLUSTER, PEGASIS.
- 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN Wireless Sensor Network) là một trong những ngành công nghệ thông tin phát triển nhanh chóng, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Dây chuyền sản xuất công nghiệp, theo dõi sự thay đổi của môi trƣờng, khí hậu, theo dõi do thám các mặt trận quân sự nhƣ hạt nhân, sinh học hay hóa học, chẩn đoán sự hỏng hóc của thiết bị, tự động thu nhận thông tin của bệnh nhân để gửi thông báo cho bác sỹ, theo dõi và điều khiển giao thông v.v..
- Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ vi mạch, các hệ thống trên chip (SoC) có đầy đủ các chức năng: giao tiếp không dây, cảm biến, bộ xử lý và tính toán tín hiệu...đã tạo ra những thiết bị cảm biến có kích thƣớc nhỏ, đa chức năng, công suất tiêu thụ điện thấp, giá thành thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
- Mạng cảm biến không dây WSN là một mạng liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua các kết nối không dây, mỗi nút mạng có đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu, các nút mạng có số lƣợng lớn, đƣợc phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng năng lƣợng là pin có dung lƣợng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài khoảng vài tháng đến vài năm, có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt nhƣ: chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ.
- Các nút mạng thƣờng có chức năng cảm nhận, thu nhận các thông số môi trƣờng xung quanh nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động.
- Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm gốc (base station) bằng nhiều kỹ thuật khác nhau.
- Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các nút cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lƣợng của chúng.
- Giới hạn năng lƣợng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác nhau trong đó việc sử dụng các giao thức định tuyến có quản lý năng lƣợng sẽ làm thay đổi thời gian sống của các nút rất hiệu quả.
- 2 Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau.
- Hình thành bởi nhiều nút cảm biến, các nút có thể không đồng nhất, các nút có khả năng tự tổ chức.
- Các nút truyền thông vô tuyến và truyền đơn bƣớc hoặc đa bƣớc.
- Các nút bị giới hạn về năng lƣợng, bộ nhớ và khả năng xử lý.
- Giao thức mạng có thể thay đổi do môi trƣờng hoặc thay đổi số nút.
- 1.2 Các kỹ thuật đƣợc dùng cho mạng cảm biến không dây 1.2.1 Mô tả mạng cảm biến không dây Trong một mạng cảm biến không dây (hình 1.1) các nút cảm biến đƣợc triển khai trong một trƣờng cảm biến (Sensor field).
- Mỗi nút cảm biến đƣợc đặt phân tán trong trƣờng cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu.
- Mỗi nút cảm biến dựa vào quyết định của nó tùy theo nhiệm vụ, thông tin mà nó có và khả năng của nó về tính toán, truyền thông và tài nguyên năng lƣợng.
- Mỗi loại cảm biến đƣợc phân bố rải rác này có khả năng lựa chọn và định tuyến số liệu đến các cảm biến khác hoặc ngƣợc trở lại một hoặc nhiều trạm cơ sở (BS) bên ngoài.
- Một trạm cơ sở có thể là một nút cố định hoặc một nút di động nối với mạng cảm biến đến hạ tầng truyền thông đang tồn tại hoặc đến Internet và từ đó con ngƣời có thể truy cập vào dữ liệu.
- [1][3][8] Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây BS 3 Trong mạng WSN vì kỹ thuật giao tiếp không dây sử dụng cho các nút cảm biến có nhiều hạn chế nếu gặp vật cản hoặc khoảng cách quá xa.
- Đặc biệt khi khoảng cách giữa nút phát và nút thu càng xa nhau thì cần công suất phát sóng càng lớn.Vì vậy để giảm công suất tổng thể cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp.
- Đó là lý do đa số các mạng cảm biến không dây dùng giao tiếp đa bƣớc (multihop) đƣợc mô tả trong hình 1.2B.
- A B Hình 1.2: Mạng đơn bƣớc (A) và Mạng đa bƣớc (B) Mạng đơn bƣớc (single-hop) trong hình 1.2A cho thấy từ các nút con có thể gửi dữ liệu trực tiếp về nút gốc, mạng này thích hợp mạng nhỏ, có thể coi mạng đơn bƣớc là một trƣờng hợp đặc biệt của mạng đa bƣớc nếu xét trên một phạm vi nhỏ.
- Mạng đa bƣớc thật sự hiệu quả trong trƣờng hợp các nút có khoảng cách lớn, dữ liệu không thể gửi trực tiếp từ nút con về nút gốc thì dữ liệu sẽ đƣợc gửi thông qua các nút trung gian trƣớc khi tới nút gốc.
- Lợi ích thực sự của truyền đa bƣớc đôi khi không phải vì không thể truyền trực tiếp từ nút con tới nút gốc do khoảng cách xa mà trong truyền đa bƣớc sử dụng nút trung gian để giảm tải và chia sẻ tiêu thụ năng lƣợng giữa các nút.
- Nhƣ vậy các nút con ngoài nhiệm vụ thu nhận dữ liệu còn phải chuyển tiếp dữ liệu về nút gốc.
- Tuy truyền đa bƣớc có thể giải quyết bài toán về khoảng cách nhƣng lại gặp phải vấn đề là sử dụng năng lƣợng hiệu quả và xung đột khi có quá nhiều nút yêu cầu gửi dữ liệu tới một nút trung gian để chuyển tiếp, Điều này thể hiện trong mạng WSN hình cây, hình lƣới thì những nút càng gần nút gốc càng phải Nút cảm biến Nút gốc Nút trung gian 4 làm trung gian chuyển tiếp nhiều gói tin nên sẽ dễ bị tắt nghẽn và tổn hao năng lƣợng hơn nút khác.
- 1.2.2 Phần cứng và phần mềm của nút cảm biến Các thành phần trong một nút cảm biến đƣợc minh họa trên hình 1.3.
- Bản thân một nút cảm biến là một máy vi tính nhỏ nên một nút cảm biến có thể phân tích dựa trên phần cứng và phần mềm của nó nhƣ sau:[3.
- Hình 1.3: Phần cứng và phần mềm của nút Phần cứng của nút gồm có 4 thành phần chính: Bộ nguồn Bộ phát điện Sensor Thiết bị xử lý Bộ thu phát Hệ thống định vị Thiết bị di động ADC Thiết bị nhớ Bộ cảm biến Bộ xử lý Anten HARDWARE SOFTWARE 5  Bộ cảm biến thƣờng có hai thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tƣơng tự/ số (ADC).
- Các cảm biến thu đƣợc các tín hiệu tƣơng tự các sự kiện, sau đó sẽ đƣợc chuyển đổi sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC rồi đƣa tới bộ xử lý.
- Bộ xử lý với một bộ nhớ bên trong sẽ phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục tƣơng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ.
- Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến với nhau và với trạm gốc với nhau bằng kết nối không dây nhƣ là vô tuyến, hồng ngoại hoặc tín hiệu quang.
- Thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn.
- Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lƣợng cho nút cảm biến hoạt động trong vài tháng hoặc vài năm.
- Do hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và nhiệm vụ các cảm biến cần có sự nhận biết vị trí với độ chính xác cao.
- Vì vậy các nút cảm biến đƣợc tích hợp thêm hệ thống định vị.
- Sensor Drivers là những module quản lý các cấu hình cơ bản của phần tử cảm biến.
- Các ứng dụng cơ bản để ngƣời dùng sử dụng 1.2.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 1.2.3.1 Kiến trúc phẳng Trong kiến trúc phẳng (flat architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất cả hình dạng và chức năng.
- Các nút giao tiếp với trạm gốc bằng đa bƣớc sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng.
- Với phạm vi truyền cố định, các nút gần trạm gốc hơn sẽ đóng vai trò của bộ tiếp sóng cho các nút ở xa.
- Nếu tất cả các nút đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, cần chia sẻ thời gian để tránh xung đột.
- [2][14] Hình 1.4: Kiến trúc phẳng 1.2.3.2 Kiến trúc phân cấp Trong kiến trúc phân cấp (hierarchy architecture), các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào giải thuật định tuyến, kích cỡ của cụm) đến một nút đƣợc chọn, thƣờng gọi là nút chủ cụm (cluster head).
- Trong kiến trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nhóm nút có nhiệm vụ và chức năng định sẵn.
- Trong kiến trúc phân cấp thì chức năng cảm biến, tính toán và tập hợp dữ liệu đƣợc quy định tùy theo khả năng các nút.
- Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện định 7 tuyến, tập hợp dữ liệu của cụm, và cấp trên cùng thực hiện định tuyến, tập hợp dữ liệu của trƣờng cảm biến.
- Hình 1.5: Kiến trúc phân cấp hai tầng Mạng cảm biến xây dựng theo kiến trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn kiến trúc phẳng, do các lý do sau.
- Kiến trúc phân cấp giúp giảm thiểu số lƣợng các nút tham gia vào việc truyền dữ liệu trên khoảng cách dài với trạm gốc.
- Với kiến trúc phân cấp nếu thay vào đó một số lƣợng lớn các nút có cấu hình, chi phí thấp đƣợc chỉ định làm nhiệm vụ cảm biến, một số lƣợng nhỏ hơn các nút có cấu hình, chi phí cao hơn đƣợc chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, lúc này chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi, điều này làm tăng tuổi thọ cho mạng + Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lƣợng các nút để thỏa mãn yêu cầu điều kiện về băng thông và thời gian sống.
- Một cách áp dụng là dùng một kênh đơn lẻ trong kiến trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt