• Nenhum resultado encontrado

Định tuyến phân cấp trong WSN Final5

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Định tuyến phân cấp trong WSN Final5"

Copied!
58
0
0

Texto

(1)

Đề t

ài NCKHSV:

ĐỊNH TUYẾN PHÂN CẤP TRONG

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

WSN

Sinh viên: Nguyễn Hoàng Sơn – D07VT3 (chủ trì) Nguyễn Đình Quang – D07VT3 Lê Minh Ngọc – D08VT3 Vũ Mạnh Thắng – KHOA VIỄN THÔNG I ==========

(2)

MỤC LỤC...ii

DANH MỤC HÌNH...iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...v

LỜI NÓI ĐẦU...vi

Chương I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN...1

1.1. Khái niệm mạng cảm biến...1

1.1.1. Định nghĩa...1

1.1.2.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến...1

1.1.3. Đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến...1

1.1.4. Một số chuẩn mạng cảm biến...2

1.2. Mô hình giao thức mạng...2

1.2.1. Theo mô hình OSI...3

1.2.1. Theo mặt phẳng quản lý...4

1.3. Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến...4

1.3.1. Cấu trúc phẳng (flat architecture)...4

1.3.2. Cấu trúc tầng (tiered architecture)...5

1.4. Các kĩ thuật truyền dẫn sử dụng trong mạng cảm biến...8

1.4.1. Bluetooth...8 1.4.2. WLAN...8 1.4.3. Zigbee...9 1.5. Ứng dụng...9 1.6. Khả năng mở rộng và phát triển...10 1.7. Kết luận...11

Chương II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN...12

2.1. Thách thức trong vấn đề định tuyến...12

2.2. Các giao thức định tuyến...13

2.2.1. Định tuyến truyền trực tiếp...13

(3)

trong WSN

Chương III: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHÂN CẤP LEACH VÀ PEGASIS

18

3.1. LEACH...18

3.1.1. Tổng quan về LEACH:...18

3.1.2. Hoạt động của LEACH:...18

3.2. PEGASIS...24

3.2.1. Tổng quan về PEGASIS...24

3.2.2. Hoạt động của PEGASIS...24

3.3. So sánh PEGASIS với LEACH...29

3.3.1. Ưu điểm...29

3.3.2. Nhược điểm...30

Chương IV: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ĐỊNH TUYẾN TRONG WSN....31

4.1. Công cụ mô phỏng OMNet++...31

4.1.1. Giới thiệu OMNeT++...31

4.1.2. Mô hình trong OMNeT++...32

4.1.3. Hướng dẫn cài đặt OMNET trên Windows...35

4.2. Thực hiện mô phỏng...36

4.2.1. LEACH...38

4.2.2. PEGASIS...40

4.3. Kết luận...43

PHỤ LỤC...44

A1. LEACH topo...44

A2. PEGASIS topo...45

TÀI LIỆU THAM KHẢO...46 TÀI LIỆU THAM KHẢO

(4)

trong WSN

DANH MỤC HÌNH

HÌNH 1.1: MÔ HÌNH MẠNG CẢMBIẾN THÔNG THƯỜNG...1

HÌNH 1.2: KIẾN TRÚC GIAO THỨCCỦA MẠNG CẢMBIẾN...3

HÌNH 1.3: CẤU TRÚC PHẲNG...5 HÌNH 1.4: CẤU TRÚC TẦNG...5 HÌNH 1.5: CẤU TRÚC MẠNG PHÂN CẤP CHỨCNĂNG THEO LỚP...6 HÌNH 1.6: CẤU TRÚC MẠNG PHÂN LỚPXẾP TẦNG...6 HÌNH 1.7: CẤU TRÚC MẠNG PHÂN CẤP LOGIC...7 HÌNH 1.8: ỨNG DỤNG TRONGQUÂN SỰ...9

HÌNH 1.9: NGÔI NHÀ THÔNG MINH SỬDỤNG CẢMBIẾN...10

HÌNH 1.10: MẠNG WSN CẢNH BÁOCHÁY RỪNG...10

HÌNH 2.1: TRUYỀNTHÔNG ĐIỆP INTEREST...13

HÌNH 2.2: PHACÀI ĐẶT GRADIENT...14

HÌNH 2.3: ĐƯỜNGTRUYỀN DỮ LIỆU ĐƯỢC CHỌN CÓNĂNG LƯỢNG CAONHẤT...14

HÌNH 2.4: CÁC CHIẾN LƯỢC CHUYỂN TIẾP GÓI...16

HÌNH 2.5: GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN KHÔNG HIỆU QUẢ...17

HÌNH 3.1: TRẠNG THÁICÁC PHASE CỦA LEACH...18

HÌNH 3.2: LƯUĐỒ THUẬT TOÁN PHÂN BỐ CỦA LEACH...20

HÌNH 3.3: LƯUĐỒ HOẠT ĐỘNG ỔN ĐỊNH TRẠNG THÁICỦA LEACH...21

HÌNH 3.4: NHIỄU VÔ TUYẾN. NODE A TRUYỀNDỮ LIỆU ĐẾN NODE B GÂY NHIỄU ĐẾNNODE C...22

HÌNH 3.5: MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾNCHẠY GIAOTHỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH...23

HÌNH 3.6: XÂY DỰNG CHUỖI SỬDỤNG THUẬT TOÁN GREEDY...25

HÌNH 3.7: XỬ LÝ LỖI KHI MỘTNODE TRONGCHUỖI CHẾT...26

HÌNH 3.9: CẤU TRÚC MẠNG HÌNH CHUỖI...29

HÌNH 4.1. MÔ PHỎNG MẠNG TRONG OMNET++...31

HÌNH 4.2. CẤUTRÚC PHÂNCẤP MODULE TRONG OMNET++...32

HÌNH 4.3. CÁC KẾTNỐI TRONG OMNET++...34

HÌNH 4.4. TRUYỀN BẢNTIN...35

HÌNH 4.5. MÔ HÌNH MÔPHỎNG NÚT CẢMBIẾN...37

HÌNH 4.6. CHỌN NODECHỦ VÀ THUTHẬP DỮ LIỆU BẰNG LEACH...39

HÌNH 4.7. TẠO CHUỖIVÀ CHỌN NODECHỦ TRONG PEGASIS...40

HÌNH 4.8. THUẬT TOÁN CHỌN NODE CHỦCHẠY TRONGTỪNG NODE...41

HÌNH 4.9. THUẬT TOÁN THU THẬP DỮ LIỆU BẰNG TOKEN...42

(5)

trong WSN

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận theo sóng mang

DS-SS Direct Sequence - Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

GAF Geographic Adaptive Fidelity Chính xác tương thích địa lý

GEAR Geographic and Energy-Aware

Routing

Định tuyến dựa theo sự nhận biết về địa lý và năng lượng

IEEE Institute of Electrical and Electronic

Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử

ISM Industrial, scientific, and medical Công nghiệp, khoa học, y tế

LEACH Low-Energy Adaptive Clustering

Hierarchy

Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp

LEACH-C Low-Energy Adaptive Clustering

Hierarchy-Centralized

Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp - tập trung

LEACH-F Low-Energy Adaptive Clustering

Hierarchy-Fixed

Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp - Cố định

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

PAN Personal Area Network Mạng vùng cá nhân

PEGASIS Power-efficient Gathering in Sensor

Information System

Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SAR Sensor Aggregates Routing Giao thức cảm biến kết hợp

SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến

SPIN Sensor Protocols for Information via

Negotiation

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán

SPIN-BC Sensor Protocols for Information via

Negotiation - Broadcast media

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – môi trường quảng bá

SPIN-EC SPIN-PP with a low energy threshold Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – điểm điểm với mức

(6)

trong WSN

ngưỡng năng lượng thấp

SPIN-PP Sensor Protocols for Information via

Negotiation – Point to Point

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – điểm điểm

SPIN-RL SPIN-BC for lossy networks

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – môi trường quảng bá cho mạng suy hao

TDMA Task Assignment and Data

Advertisement Protocol

Đa truy nhập và phân chia theo thời gian

UWB Ultra-Wideband Băng siêu rộng

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay xã hội phát triển mạnh mẽ nên song song với đó là nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí, tự động hóa… không ngừng tăng lên. Những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng đầy đủ ở những khu vực xa xôi chật hẹp, và nhu cầu “mọi lúc mọi nơi” của người sử dụng. Do đó nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học kỹ thuật và công nghệ, sự phát triển của mạng cảm biến không dây WSN được tạo nên từ những cảm biến giá thành rẻ, đa chức năng và tiêu thụ ít năng lượng đã nhận được những sự chú ý đáng kể.

Bên cạnh những ưu thế có được, mạng WSN đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong đó đáng chú ý nhất là phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phân cấp để tìm đường đi giữa các node mạng qua đó kéo dài đáng kể thời gian sống của mạng WSN. Việc nghiên cứu này sẽ góp phần từng bước làm rõ hoạt động của giao thức định tuyến phân cấp đồng thời hướng tới cải thiện phương pháp định tuyến trong WSN đáp ứng nhu cầu ứng dụng của mạng thực tế.

Trước thực tế đó, được sự định hướng và chỉ dẫn của ThS. Nguyễn Thị Thu Hằng, nhóm sinh viên chúng em đã chọn tên đề tài “Định tuyến phân cấp trong mạng cảm

(7)

trong WSN

 Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến.  Chương II: Định tuyến trong mạng cảm biến.

 Chương III: Giao thức định tuyến phân cấp LEACH và PEGASIS.  Chương IV: Mô phỏng hoạt động định tuyến trong mạng WSN.

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Viễn Thông 1, đặc biệt tới ThS. Nguyễn Thị Thu Hằng và ThS. Nguyễn Ngọc Điệp, các thầy cô đã tận tình chỉ bảo và cho chúng em những lời khuyên quan trọng trong suốt quá trình chúng em nghiên cứu đề tài này.

Do kiến thức và khả năng của chúng em còn hạn chế nên đề tài này không tránh khỏi thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, các bạn sinh viên để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn nữa.

Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2010 Nhóm sinh viên

Chương I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

1.1. Khái niệm mạng cảm biến

1.1.1. Định nghĩa

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một cấu trúc mạng được tạo ra bởi sự liên kết của các node cảm biến với nhau trên một hệ thống kiến trúc mạng không dây linh hoạt, trong đó các node thường là các thiết bị đơn giản và nhỏ gọn, giá thành rẻ… tạo nên sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích, phản ứng lại với các sự kiện, hiện tượng xảy ra trong môi trường xung quanh.

1.1.2.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến

Một mạng cảm biến cơ bản bao gồm 4 phần:

 Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải rác.  Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (hữu tuyến hay vô tuyến).

 Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)  Bộ phận xử lí dữ liệu trung tâm

(8)

trong WSN

Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến thông thường

1.1.3. Đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến

Một node trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (Sensor) hoặc điều khiển (MCU - Micro Controller Unit) và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng node trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1 node mạng là giá thành thấp (10 – 50 USD) và kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2).

Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp, giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến.

Một trong những ưu điểm lớn của WNS là chi phí triển khai và lắp đặt được giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng. Mạng có thể được mở rộng theo ý muốn và tùy theo mục đích sử dụng mà có thể thiết kế các nút mạng sao cho phù hợp. Các nút cảm nhận có bộ vi xử lý bên trong thay vì gửi dữ liệu thô tới nút đích có thể xử lý đơn giản và gửi dữ liệu đã được xử lý theo yêu cầu.

Các nút mạng có thể hoạt động trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt chính vì vậy ngày nay WSN đã trở thành một giải pháp hấp dẫn vì mang đến sự tiện lợi về nhiều phương diện và đặc điểm trong nhiều trường hợp kể cả việc làm giảm sự nguy hiểm cho con người trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt. Một hệ thống WSN hoàn thiện có khả năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn của môi trường hoặc định vị sự di chuyển của các đối tượng trong phạm vi của nó.

(9)

trong WSN

Lớp vật lý Lớp liên kết dữ liệuLớp truyền tảiLớp ứng dụngLớp mạng

Do phạm vi ứng dụng cua WSN rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên thị trường. Một số chuẩn WSN được biết đến là:

 ALOHA system (U. of Hawaii)  PRNET system (U.S. Defense)  WINS (U. of California)  PicoRadio (U. of California)  MicroAMPS (M.I.T)

 MANET (Mobile ad-hoc Network)

 Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4

1.2. Mô hình giao thức mạng

Mô hình giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng và khi chia theo mặt phẳng quản lý thì bao gồm phần quản lý năng lượng, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ. Mô hình giao thức mà nút chủ và các nút cảm biến sử dụng được trình bày như trong hình 1.2:

Hình 1.2: Mô hình giao thức của mạng cảm biến

1.2.1. Theo mô hình OSI

- Lớp ứng dụng: Tùy từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng

dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng có một số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng sensor (SMP), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP).

qu ản n ăn g l ượ ng g ộn m v i đ hiệ d n ản ản qu qu

(10)

trong WSN

- Lớp truyền tải: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu khi ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) có thể là giao thức UDP hay TCP thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến yêu cầu các giao thức kiểu UDP do các nút cảm biến hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu .

- Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu cung cấp bởi lớp truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến ẩn chứa rất nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, năng lượng hạn chế… Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải tuân thủ các nguyên tắc sau:

✔ Tính hiệu quả về năng lượng phải được đặt lên hàng đầu. ✔ Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.

✔ Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

✔ Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí.

Nhìn chung, lớp mạng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng: định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Về mặt hoạt động, chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based).

- Lớp liên kết dữ liệu: chịu trách nhiệm ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu,

điều khiển lỗi và truy nhập môi trường. Nó đảm bảo giao tiếp điểm - điểm, điểm - đa điểm tin cậy. Môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động nên giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.

- Lớp vật lý: chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập

mã và tách sóng.

Bên cạnh đó, các phần quản lý công suất, quản lý di chuyển và quản lý nhiệm vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những phần này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ công suất tổng thể thấp hơn.

1.2.1. Theo mặt phẳng quản lý

-Phần quản lý năng lượng: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Tương tự, khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.

(11)

trong WSN

- Phần quản lý di động: phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút cảm biến lân cận. Nhờ đó, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.

- Phần quản lý nhiệm vụ: cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm nên một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó.

Những phần quản lý này cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

1.3. Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến

1.3.1. Cấu trúc phẳng (flat architecture)

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về mặt hình dạng và chức năng. Chúng giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng.

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng

Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết tất cả các nguồn đều sử dụng cùng một tần số để truyền dữ liệu, do đó chia sẻ thời gian là có thể. Mặc dầu vậy, hiệu quả chỉ đạt được khi có nguồn chia sẻ đơn lẻ như thời gian, tần số…

1.3.2. Cấu trúc tầng (tiered architecture)

Đối với cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ cụm (cluster head).

(12)

trong WSN

Trong cấu trúc này, các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc, mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.4: Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa tính toán, còn cấp cao nhất cùng phân phối dữ liệu (hình 1.5)

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Nói cách khác, những nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, mỗi lớp có thể đảm nhận một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Khi đó, các sensor ở cấp thấp nhất có vai trò là một bộ lọc thông dải đơn giản, tách nhiễu khỏi dữ liệu, đồng thời các nút ở cấp cao hơn ngừng lọc dữ liệu này. Sự phân tích chức năng của các mạng cảm biến phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các nút, còn gọi là sự phân

(13)

trong WSN

(14)

trong WSN

Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân lớp xếp tầng

Như vậy, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic bởi chúng đại diện thực hiện một nhiệm vụ cho các nút khác. Những chức năng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút. Những qui tắc logic này tạo nên mạng phân cấp logic (hình 1.7). và có thể thay phiên nhau định kì để đảm bảo sự công bằng.

(15)

trong WSN

Hình 1.7: Cấu trúc mạng phân cấp logic

Khi các nút có khả năng tính toán cao hơn hoạt động, các nhiệm vụ tính toán sẽ được chuyển sang các nút này từ các nút ít khả năng hơn. Nếu không có “computer servers” như vậy, một cụm các sensor cần chọn ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ như tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có nút có tài nguyên vật lý thích hợp thích hợp cho việc thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Một nút với hệ thống định vị toàn cầu (global positioning system - GPS) đóng vai trò chủ chốt trong việc định vị hoặc đồng bộ thời gian là một ví dụ. Do vậy, rất nhiều các mạng cảm biến hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp là điều tất yếu.

Qua những phân tích trên ta thấy mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng do:

- Tuổi thọ cao hơn mạng phẳng: trong trường hợp phải tính toán nhiều, một bộ xử lý nhanh, các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.

- Độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu cầu, thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng, qua

(16)

trong WSN

phân tích, thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là

    n W , trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ.

- Tính kinh tế của cấu trúc tầng: định vị các tài nguyên ở vị trí hoạt động hiệu quả nhất. Quả thực, nếu triển khai các phần cứng thống nhất, chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để mỗi nút thực hiện tất cả nhiệm vụ. Do số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, nên chi phí toàn mạng sẽ không cao. Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút với chi phí thấp thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút với chi phí cao hơn được chỉ định phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí toàn mạng sẽ giảm.

Tóm lại, dùng cấu trúc tầng đem lại sự tương thích giữa các chức năng trong mạng.

1.4. Các kĩ thuật truyền dẫn sử dụng trong mạng cảm biến

1.4.1. Bluetooth

Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện điện tử giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn bằng song vô tuyến thông qua băng tần chung ISM (Industrial Scientific Medical) trong dải tần 2,4 – 2,8 GHz dành riêng cho các thiết bị không dây trong công nghiệp, khoa học, y tế.

Đặc điểm của Bluetooth là công suất tiêu thụ thấp, giá thành rẻ . Bluetooth dùng kỹ thuật trải phổ, song công hoàn toàn . Khi kết nối điểm điểm .cho phép cùng lúc kết nối với 7 thiết bị đồng thời trong đó Bluetooth đóng vai trò như “master” còn các thiết bị khác đóng vai trò “slave”.

Bluetooth có thể giúp các thiết bị giao tiếp được với nhau ngay cả khi chúng không được để chung trong một phòng chỉ cần chúng được để trong khoảng cách tối đa là 100m, và tùy thuộc vào mức năng lượng của thiết bị đó. Các thiết bị có thể kết nối với nhau nằm trong 3 mức năng lượng:

• Mức 3 (1 mW): phổ biến nhất cho phép kết nối trong phạm vi 10m

• Mức 2 (2,5 mW): ít thấy nhất, cho phép kết nối trong phạm vi 20m

• Mức 3 (100 mW): là mức có phạm vi kết nối xa nhất, tối đa là 100m

Tuy nhiên Bluetooth cũng có những nhược điểm nhất đinh như tốc độ truyền tin thấp (khoảng 720kbps).

1.4.2. WLAN

Là mạng LAN không dây với đặc điểm nổi bật là tính linh động, tốc độ cao hơn và cung cấp cho số lượng người dùng với mật độ cao. Chuẩn IEEE802.11g và 802.11n là

(17)

trong WSN

cần thiết cho ứng dụng băng thông rộng và mật độ cao. Chuẩn IEEE802.11e là công nghệ cung cấp chất lượng dịch vụ cao qua giao tiếp không dây. Chuẩn IEEE802.11i đáp ứng tốt yêu cầu bảo mật thông tin.

Tuy vậy WLAN cũng mang một số đặc điểm hạn chế như môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công của người dùng là khá cao, tín hiệu bị nhiễu do tác động của các thiết bị khác. Bên cạnh đó, một mạng chuẩn với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét, nếu muốn mở rộng thì phải mua thêm repeater hay access point dẫn đến chi phí tăng.

1.4.3. Zigbee

Zigbee là một công nghệ được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE, đáp ứng cho sự phát triển rộng khắp của mạng WSN.Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 cung cấp chuẩn tốc độ dữ liệu thấp với thời gian sử dụng pin nhiều tháng tới nhiều năm và ít phức tạp.

Zigbee mang một số đặc điểm sau:

• Tốc độ truyền dữ liệu thấp

• Phạm vi hoạt động tốt của Zigbee là 10m – 75m.

• Sử dụng cấu hình chủ tớ cho phép kết nối tối đa 254 node mạng.

• Node mạng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các gói tin trong khoảng 15ms.

1.5. Ứng dụng

WSN có rất nhiều ứng dụng trong thực tế:

- Quân sự : theo dõi, định vị các mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công nguyên tử, sinh hóa, ….

Hình 1.8: Ứng dụng trong quân sự

- Y tế : giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển các trang thiết bị từ xa

(18)

trong WSN

- Gia đình : thiết kế ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, thiết bị sưởi ấm, giám sát an ninh

Hình 1.9: Ngôi nhà thông minh sử dụng cảm biến

- Môi trường : giám sát cháy rừng, thiên tai và các biến đổi khí hậu

- Thương mại : điều khiển trong môi trường công nghiệp và văn phòng, giám sát các phương tiện giao thông.

- Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn.

Hình 1.10: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

(19)

trong WSN

Tiếm năng của WSN là rất lớn nhưng những ứng dụng thực tế của nó thì chưa được khai thác triệt để. Một hệ thống mạng giao tiếp thông minh, tiện dụng, tiết kiệm năng lượng cùng với những ích lợi mà WSN đem lại sẽ khiến WSN trở nên phổ biến và là mối quan tâm lớn của con người trong thế kỷ 21. Khả năng mở rộng của mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào sự khắc phục các nhược điểm của chính nó.

Nhược điểm đầu tiên đó là năng lượng, vì các node sensor có kích thước nhỏ, nên nguồn của nó cũng ít, nếu như chúng ta có thể nạp lại năng lượng cho các sensor thì thời gian hoạt động và công suất phát của các node sẽ tăng lên.

Nhược điểm thứ hai là dải thông bị giới hạn do nguồn cung cấp cho việc phát tín hiệu bị hạn chế, hiện nay việc truyền dữ liệu giữa các node là khoảng 10-100Kbits/s. Do sự giới hạn băng thông gây nên sự khó khăn trong giao tiếp giữa các sensor, ảnh hướng đến việc đồng bộ hóa.

Hạn chế tiếp theo là về vi xử lý và bộ nhớ của các sensor. Tốc độ thấp gây nên khó khăn về việc xử lý thông tin. Bộ nhớ ít gây nên khó khăn trong việc lưu trữ và tổng hợp dữ liệu. Giải quyết được vấn đề này mà không làm tăng kích cỡ cũng như thời gian sống của các sensor thì việc mở rộng ứng dụng của mạng cảm biến không dây sẽ không còn là tương lai xa.

1.7. Kết luận

Khả năng ứng dụng của WSN là gần như vô hạn nhưng những ứng dụng thiết thực của nó lại chưa được khai thác triệt để. Một hệ thống mạng giao tiếp thông minh, tiết kiệm năng lượng cùng với khả năng áp dụng thực tế cao sẽ là một ưu thế tốt để WSN có thể phổ biến rộng khắp với giá thành rẻ - một chuẩn cho tương lai.

(20)

trong WSN

Chương II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN

2.1. Thách thức trong vấn đề định tuyến

Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng biểu lộ một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng. Chính những đặc tính này làm cho tập trung mũi nhọn vào yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây và không dây. Việc nhằm vào đặc tính này đã đưa ra một tập các thách thức lớn và riêng đối với WSN.

Chính vì những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức sau:

✔ Mạng cảm biến có một số lượng lớn các nút, cho nên ta không thể xây dựng được sơ đồ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai số lượng lớn các nút đó vì lượng mào đầu để duy trì ID quá cao.

✔ Dữ liệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và truyền đến sink.

✔ Các nút cảm biến bị ràng buộc khá chặt chẽ về mặt năng lượng, tốc độ xử lý, lưu trữ.

✔ Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khi được triển khai ngoại trừ một vài nút có thể di động.

✔ Mạng cảm biến là những ứng dụng riêng biệt.

✔ Việc nhận biết vị trí là vấn đề rất quan trọng vì việc tập hợp dữ liệu thông thường dựa trên vị trí.

✔ Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao vì các nút cảm biến thu lượm dữ liệu dựa trên hiện tượng chung.

Mục đích chính của mạng cảm biến là truyền thông dữ liệu trong mạng trong khi cố gắng kéo dài thời gian sống của mạng và ngăn chặn việc giảm các kết nối bằng cách đưa ra những kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt. Trong khi thiết kế các giao thức định tuyến, chúng ta thường gặp phải các vấn đề sau:

 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng  Ràng buộc về tài nguyên

 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến  Cách truyền dữ liệu

(21)

trong WSN

2.2. Các giao thức định tuyến

2.2.1. Định tuyến truyền trực tiếp

Truyền tin trực tiếp là một giao thức định tuyến dữ liệu ở trung tâm mạng WSN. Chức năng chính của giao thức là tiết kiệm năng lượng cho mạng bằng cách tạo ra sự tương tác giữa các node qua sự trao đổi thông điệp trong phạm vi lân cận.

Thành phần chính của giao thức này là gồm các thông điệp interests, data messages, gradients và reinforcements. Khi một node nào đó cần giữ liệu, nó sẽ phát quảng bá theo chu kỳ gói interests đến các node xung quanh để xác định xem có node nào có dữ liệu mà nó đang cần không. Hình 2.1 miêu tả quá trình truyền thông điệp interest.

Hình 2.1: Truyền thông điệp Interest.

Sau khi truyền thông điệp interest, trong mạng hình thành việc xây dựng gradient (có thể xem như hướng và tốc độ truyền) tại các node mạng hình thành liên kết giữa trạm gốc và các node có dữ liệu. Trong quá trình cài đặt gradient trạm gốc sẽ tạo ra nhiều tuyến. Đường có chất lượng tốt nhất sẽ được giữ lại trong khi các đường có năng lượng thấp hơn sẽ bị loại bỏ. Hình 2.2 mô tả quá trình pha cài đặt gradient.

(22)

trong WSN

Hình 2.2: Pha cài đặt Gradient

Sau khi thiết lập được đường truyền, quá trình truyền dữ liệu bắt đầu. Trong suốt quá trình truyền dữ liệu, nếu đường truyền bị hỏng hoặc năng lượng của mạng không đáp ứng được yêu cầu thì một đường truyền khác có năng lượng thấp hơn sẽ được sử dụng. Hình 2.3 mô tả đường truyền dữ liệu được chọn có năng lượng cao nhất.

(23)

trong WSN

Kỹ thuật truyền tin trực tiếp có hiệu suất sử dụng năng lượng cao, ổn định với môi trường có đặc tính động.

2.2.2. Định tuyến thông qua sự thỏa thuận

Đối tượng chính của định tuyến này là tính hiệu quả của việc phát thông tin từ một node nào đó đến tất cả các node trong mạng. Các giao thức đơn giản nhất là flooding và gossiping. Flooding yêu cầu mỗi node gửi một bản sao dữ liệu cho tất cả các node lân cận cho tới khi dữ liệu được truyền tới đích. Gossiping dùng tính ngẫu nhiên để giảm số bản sao và yêu cầu chỉ một node nhận được một gói dữ liệu và sau đó chuyển tiếp tới các node đã được chọn trước.

Sự đơn giản của flooding và gossiping do quy luật hoạt động đơn giản và không đòi hỏi cấu hình mạng phức tạp. Tuy nhiên, do các node được chọn trước nên có thể đường truyền dữ liệu không phải là đường có năng lượng cao nhất dẫn đến việc gây lãng phí tài nguyên mạng. Đặc điểm của giao thức này là các node cùng gửi bản sao dữ liệu gây ra bùng nổ các gói, sự trễ gói là giảm chất lượng của mạng.

Các gói sau khi nhận được gói quảng cáo, nếu muốn nhận gói dữ liệu phải gửi một gói yêu cầu cho các node nguồn. Do đó các node chỉ gửi dữ liệu cho các các node quan tâm, hạn chế khả năng bị bùng nổ gói như trong flooding và giảm đáng kể lưu lượng dư thừa trong mạng. Đây là đặc điểm của giao thức SPIN nhằm giải quyết hạn chế của giao thức truyền thống. Trong giao thức này, mỗi node mạng có thể theo dõi sự tiêu thụ năng lượng trước khi phát hay xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng xuống thấp, node sẽ ngừng gửi dữ liệu, việc truyền dữ liệu sẽ do một node khác có năng lượng cao hơn đảm nhiệm do đó SPIN giúp kéo dài thời gian sống của các node.

2.2.3. Định tuyến theo vị trí

Mục tiêu của giao thức này là dùng thông tin về vị trí để tìm ra tuyến liên lạc hiệu quả nhất từ nguồn tới đích. Trong giao thức này, một gói dữ liệu từ node nguồn sẽ được gửi tới các node trong phạm vi lân cận đã được khoanh vùng trước. Vùng giới hạn này sẽ do node nguồn quyết định hoặc cũng có thể do các node trung gian đảm nhiệm để tránh việc gói dữ liệu bị gửi lòng vòng trong mạng. Đặc điểm nổi bật của giao thức này là mỗi node chỉ cần biết thông tin về node lân cân trực tiếp của nó do đó giao thức này giảm đáng kể overhead và năng lượng tiêu thụ do quá trình truyền chỉ qua một chặng. Vì vậy giao thức này phù hợp với cấu hình mạng có năng lượng thấp. Tuy nhiên hiệu quả truyền tin còn phụ thuộc vào mật độ mạng, vị trí xác suất của các node và quan trọng hơn là quy ước truyền gói tới đích.

Phần quan trọng của giao thức này là quy ước truyền gói tới đích cuối cùng. Trong quá trình truyền tin, mỗi node sẽ quyết định bước tiếp theo dựa vào vì trí của nó, vị trí của các node lân cận và node đích. Do chất lượng của việc truyền tin phụ

(24)

trong WSN

thuộc vào sự hiểu biết của node đó về cấu hình toàn mạng, điểu này không phù hợp trong mạng WSN do năng lượng trong mạng là hạn chế. Để giải quyết vấn đề này một số các giải pháp đã được đưa ra. Dưới đây là một ví dụ cụ thể.

Xét mô hình như trên hình 2.4, node hiện tại có dữ liệu cần truyền là MH. Quá trình chọn lựa các node trung gian tiếp theo trên nguyên tắc node gần node đích hơn MH sẽ được chọn.

Chiến thuật most – forward - within – R (MFR) sẽ chọn node nằm xa MH nhất trong số các node nằm trong vùng được định sẵn. Theo đó, bước kế tiếp được chọn bởi MH để chuyển tiếp dữ liệu là MFR.

Một chiến thuật khác là nearest – forward – progress, lựa chọn node gần MH nhất. Do đó node NFP sẽ được chọn.

Mô hình compassing routing chọn node có góc nhỏ nhất được tạo bởi đường nối từ MH tới đích và từ MH tới node được chọn.Do đó CMP sẽ là node được chọn.

Mô hình low – energy forward chọn node tối thiểu năng lượng được yêu cầu .Node LEF sẽ được chọn.

Hình 2.4: Các chiến lược chuyển tiếp gói.

Mặc dù đơn giản, nhưng không phải lúc nào cũng tìm được tuyến hay định tuyến hiệu quả. Mô hình ở hình 2.5 cho thấy rõ hơn về trường hợp này. Node cần chuyển gói dữ liệu cho D, nhưng trong mô hình thì khoảng cách từ S2 và S3 tới D đều xa hơn so với khoảng cách từ S1 tới D.

(25)

trong WSN

Hình 2.5: Giải thuật định tuyến không hiệu quả

Định tuyến theo vị trí phù hợp với mạng WSN vì yêu cầu ít thông tin cho điều khiển và tương tác, tuy nhiên các liên kết bất đối xứng và các đường giao nhau làm tăng độ phức tạp của giao thức.

2.2.4. Định tuyến phân cấp.

Định tuyến phân cấp là loại định tuyến dự trên sự phân cấp theo cụm hoặc theo chuỗi, lợi dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định, sự mở rộng. Trong loại giao thức này các nút mạng được chỉ định hoặc tự tổ chức thành các cụm (hoặc chuỗi) trong đó một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác sẽ đóng vai trò là nút chủ. Nút chủ thực hiện phối hợp hoạt động trong cụm và chuyển tiếp thông tin giữa các cụm (hoặc chuỗi) với nhau. Việc tạo thành các cụm (hoặc chuỗi) có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và mở rộng thời gian sống của mạng.

Định tuyến phân cấp gồm 2 thuật toán tiêu biểu là : LEACH và PEGASIS. Cụ thể về 2 thuật toán này sẽ được đề cập rõ hơn trong chương III.

(26)

trong WSN

Chương III: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHÂN CẤP

LEACH VÀ PEGASIS

3.1. LEACH

3.1.1. Tổng quan về LEACH:

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp dùng trong mạng cảm biến WSN. Đây là giao thức thu thập và phân phát dữ liệu tới các sink, đặc biệt là các trạm cơ sở. Với mục tiêu chính của LEACH là:

 Kéo dài thời gian sống của mạng

 Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

 Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm số bản tin truyền trong mạng

3.1.2. Hoạt động của LEACH:

Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng (round), mỗi vòng được bắt đầu với pha thiết lập (set-up phase), khi các cluster tự thiết lập, sau đó là pha ổn định (steady-state phase), khi xảy ra quá trình truyền dữ liệu đến trạm gốc (base station). Để giảm thiểu chi phí overhead, trong đó pha ổn định dài hơn so với pha thiết lập.

Hình 3.1: Trạng thái các phase của LEACH

(27)

§Þnh tuyÕn ph©n cÊp

trong WSN

Ban đầu, khi các cluster được tạo, mỗi node quyết định có hay không trở thành cluster-head cho vòng hiện tại. Sự quyết định này dựa trên tỷ lệ phần trăm mong muốn trở thành cluster-head trong mạng (xác định ưu tiên) và số lần node đó đã trở thành cluster-head trước đó cho đến thời điểm hiện tại. Sự quyết định này được thực hiện bởi node lựa chọn một giá trị ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu giá trị này thấp hơn giá trị ngưỡng T(n), node đó sẽ trở thành cluster-head của vòng hiện tại. Ngưỡng T(n) được xác định bởi:

(

)

(

)

0

( )

1

mod 1/

P

T n

P r

P

= 

 −

P = tỉ lệ phần trăm mong muốn trở thành cluster-heads r = vòng hiện tại

G là tập các node chưa trở thành cluster-heads ở 1/P vòng trước đó.

Sử dụng ngưỡng này, mỗi node sẽ trở thành cluster-head ở một vài điểm trong 1/p vòng. Trong suốt vòng thứ 0 (r=0) mỗi node có một xác suất P để trở thành cluster-head. Các node là cluster-head ở vòng thứ 0 sẽ không thể là cluster-head ở 1/P vòng tiếp theo. Do đó, xác suất để các node còn lại trở thành cluster-head cần được tăng lên, và có ít node hơn có đủ điều kiện để trở thành cluster-head. Sau 1/P -1 vòng, T=1 cho các node chưa trở thành cluster-head, và sau 1/p vòng, tất cả các node một lần nữa đủ điều kiện để trở thành cluster-head. Phiên bản tiếp theo của giao thức này sẽ bao gồm một ngưỡng dựa trên năng lượng để tính toán cho các node có năng lượng không đồng đều. Trong trường hợp này, chúng ta giả sử rằng tất cả các node bằng đầu với năng lượng bằng nhau đồng đều giữa các node.

Mỗi node mà đã chọn chính nó trở thành cluster-head cho vòng hiện tại, nó quảng bá một bản tin Advertisement (ADV) cho các node còn lại, sử dụng giao thức non-persistent CSMA. Bản tin này là một bản tin nhỏ chứa ID của nút đó và một tiêu đề để phân biệt bản tin này như là một bản thông báo. Đối với pha “cluster-head-advertisement”, cluster-heads sử dụng giao thức CSMA MAC, và tất cả cluster-heads truyền bản tin Advertisement cùng năng lượng truyền dẫn. Các node non-cluster-head phải giữ bộ thu trong suốt quá trình pha thiết lập để lắng nghe bản tin advertisements của các node là cluster-head. Sau đó, mỗi non-cluster-head quyết định cluster mà nó thuộc về cho vòng hiện tại. Sự quyết định được dựa trên độ mạnh tín hiệu nhận được của bản tin Advertisement. Giả sử các kênh truyền là đối xứng, cluster-head có bản tin

n G

n G

∀ ∈

(28)

trong WSN

Advertisement được lắng nghe với cường độ tín hiệu lớn nhất là cluster-head cần ít năng lượng cần thiết cho liên lạc. Trong trường hợp của liên kết, một cluster-head ngẫu nhiên được chọn.

Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán phân bố của LEACH

3.1.2.2. Pha thiết lập nhóm (Cluster Set-Up Phase)

Sau khi mỗi node đã quyết định nhóm mà nó thuộc về, nó phải thông báo cho node cluster-head rằng nó sẽ là thành viên của nhóm. Mỗi nút truyền bản tin “yêu cầu liên kết” (join-request (REQ) trở lại nút đã được chọn cluster-head sử dụng non-persistent CSMA. Bản tin này là một bản tin ngắn chứa ID của nút, ID của cluster-head và một

(29)

trong WSN

tiêu đề. Trong suốt pha này, tất cả node là luster-head cần giữ trạng thái tiếp nhận bản tin.

3.1.2.3. Tạo định thời (Schedule Creation)

Các node là cluster-head nhận các bản tin về các node muốn là thành viên của nhóm. Dựa trên số lượng của node trong nhóm, cluster-head tạo một định thời TDMA thông báo cho các node thành viên thời điểm nó có thể truyền. Định thời này được quảng bá trở lại các node trong nhóm. Việc tạo định thời này nhằm tránh được xung đột giữa các node trong mạng, đồng thời giúp các node duy trì ở trạng thái chờ khi chưa đến phiên truyền, giúp tiết kiệm năng lượng.

3.1.2.4. Truyền dữ liệu (Data Transmission)

(30)

trong WSN

Một khi các nhóm được tạo và các định thời TDMA là cố định, dữ liệu có thể bắt đầu truyền đi. Giả sử các node luôn luôn có dữ liệu để truyền, nó sẽ truyền đi trong suốt thời gian đã định trước tới cluster-head. Việc truyền này sử dụng một lượng nhỏ năng lượng (lựa chọn dựa trên cường độ tín hiệu bản tin cluster-head advertisement ). Sóng radio của mỗi non-cluster-head có thể được tắt cho đến khi thời điểm cho phép truyền đã định trước, do đó giảm thiểu năng lượng tiêu thụ trong các node. Các node cluster-head cần giữ các bộ thu dữ liệu bật để nhận dữ liệu từ các node trong nhóm. Khi tất cả dữ liệu đã được nhận, cluster-head thực hiện chức năng xử lý tín hiệu để nén dữ liệu thành một tín hiệu duy nhất. Ví dụ: Nếu dữ liệu là audio hay các tín hiệu động đất, cluster-head có thể kết hợp các tín hiệu đơn lẻ thành một tín hiệu tổng hợp. Tín hiệu tổng hợp này có thể được gửi tới trạm gốc để giảm bớt kích thước bản tin truyền. Khi trạm gốc ở xa, sự truyền dữ liệu này tiêu tốn một lượng lớn năng lượng. Đây là trạng thái pha ổn định trong hoạt động của các mạng LEACH. Sau một thời gian nhất định được xác định ưu tiên, vòng tiếp theo bắt đầu với mỗi node xác định nếu nó nên trở thành cluster-head cho vòng hiện tại và quảng bá thông tin, như được miêu tả ở trên.

3.1.2.5. Multiple Clusters

Phần trước chúng ta đã mô tả làm sao các cluster đơn lẻ giao tiếp trong số các node trong cluster đó. Tuy nhiên, vô tuyến vốn là miền quảng bá. Chẳng hạn, truyền dẫn trong một cluster sẽ ảnh hưởng (và do đó làm suy biến) sự giao tiếp giữa các cluster gần nhau.

(31)

trong WSN

Ví dụ: Hình trên cho thấy phạm vi truyền thông của một node vô tuyến. Node A

trong khi truyền thông tin cho node B thì lại làm ảnh hưởng đến truyền dẫn của node C. Đề giảm bớt loại nhiễu này, mỗi cluster giao tiếp sử dụng mã CDMA khác nhau. Do đó, khi một node quyết định trở thành cluster-head, nó chọn ngẫu nhiên từ danh sách các mã trải phổ. Nó thông báo cho tất cả các node trong nhóm để sử dụng mã trải phổ này. Sau đó cluster-head lọc tất cả năng lượng mà nó nhận được sử dụng mã trải phổ đã định trước. Bởi vậy, năng lượng vô tuyến của các nhóm lân cận sẽ được lọc ra và không làm ảnh hưởng tới truyền dẫn của các node trong nhóm. Sự phân bổ kênh sao cho hiệu quả là một vấn đề khó khăn, thậm chí ngay cả khi có một trung tâm điều khiển riêng để chạy các thuật toán cần thiết. Khi không cần chú ý nhiều đến vấn đề hiệu quả băng thông thì sử dụng mã CDMA sẽ giải quyết được vấn đề đa truy cập trong một cách thức phân phối.

3.1.2.6. Nhóm phân cấp (Hierarchical Clustering)

LEACH có thể được mở rộng để thiết lập các nhóm phân cấp. Trong kịch bản này, cluster-head có thể giao tiếp với các siêu node là “super-cluster-head” và như vậy cho đến lớp trên nhất của phân cấp, tại điểm mà dữ liệu được truyền đến trạm gốc. Trong mạng lớn, sự phân cấp này có thể tiết kiệm được một lượng lớn năng lượng.

Hình 3.5: Mô hình mạng cảm biến chạy giao thức định tuyến LEACH

Trong phần trên chúng ta đã đề cập đến LEACH, một giao thức định tuyến dựa trên nhóm tối thiểu hóa năng lượng sử dụng bằng cách phân phối tải tới tất cả các node ở những điểm khác nhau về thời gian. LEACH out thực hiện các thuật toán nhóm tĩnh bằng cách yêu cầu các node tình nguyện trở thành các cluster-head năng lượng cao và thích nghi với các nhóm dựa trên các node mà được chọn làm cluster-head tại thời điểm xác định. Tại những thời điểm khác nhau, mỗi node có gánh nặng về dữ liệu thu được từ các node trong nhóm, hợp nhất dữ liệu để thu được một tín hiệu kết hợp, và

(32)

trong WSN

truyền tín hiệu kết hợp này tới trạm gốc. LEACH được phân bổ hoàn toàn, không đòi hỏi thông tin điều khiển từ trạm gốc, và các node không yêu cầu hiểu biết về mạng toàn cục để cho LEACH hoạt động.

Phân bổ dữ liệu trong số các node trong mạng là hiệu quả trong việc giảm năng lượng tiêu tán toàn diện và nâng cao thời gian sống của hệ thống.

3.2. PEGASIS

3.2.1. Tổng quan về PEGASIS

PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems -Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến) là họ giao thức định tuyến và tập hợp thông tin cho mạng WSN. PEGASIS thực hiện 2 nhiệm vụ:

• Kéo dài thời gian sống cho mạng.

• Đồng bộ năng luợng tại tất cả các node mạng và giảm độ trễ các gói dữ liệu.

3.2.1.1. Mô hình áp dụng

PEGASIS áp dụng trên mô hình mạng bao gồm tập hợp các node được phân bố đồng nhất trên một vùng địa lý. Trong đó mỗi node đều biết được thông tin về vị trí các node khác trong toàn mạng. Bên cạnh đó chúng cũng có khả năng điều khiển công suất và bao phủ một vùng tùy ý. Các node này cũng được trang bị bộ thu phát sóng sử dụng công nghệ CDMA.

Trách nhiệm của các node này là thu lượm và truyền dữ liệu đến các sink, thông thường là các trạm cơ sở. Mục đích để phát triển một cấu trúc định tuyến và một sơ đồ tập trung dữ liệu để giảm thiểu sự tiêu thụ công suất và truyền dữ liệu được tập trung đến trạm cơ sở với trễ truyền dẫn nhỏ nhất trong khi vẫn cân bằng sự tiêu thụ công suất giữa các node trong mạng.

3.2.1.2. Đặc trưng

Giao thức này đầu tiên hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của mạng nhờ đạt được việc tiêu thụ năng lượng đồng nhất và hiệu suất năng lượng cao qua tất cả các node trong mạng, thứ hai làm giảm trễ truyền dữ liệu đến sink.

Giải thuật này sử dụng mô hình cấu trúc dạng chuỗi.

3.2.2. Hoạt động của PEGASIS

3.2.2.1. PEGASIS cơ bản

a. Xây dựng chuỗi

Tạo một chuỗi các node cảm biến - mỗi node có thể nhận và truyền dữ liệu tới node bên cạnh . Quá trình thêm các node vào chuỗi được thực hiên tuân theo thuật toán Greedy. Bắt đầu với node xa sink nhất để đảm bảo các node ở xa sink đều có node lân cận gần nó vì trong thuật toán Greedy khoảng cách giữa các node sẽ tăng dần và các

(33)

trong WSN

node nằm trong chuỗi sẽ không được thăm lại, các node mạng được thêm dần vào chuỗi làm chuỗi lớn dần, kể từ node hàng xóm gần nhất.

Để xác định được node lân cận gần nhất mỗi node sẽ sử dụng cường độ tín hiệu để đo khoảng cách tới các node lân cận của nó. Sau khi xác định xong, các node sẽ điều chỉnh cường độ tín hiệu sao cho chỉ có node lân cận gần nhất nghe được.

Hình 3.6: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy

b. Chọn node chủ

Sau khi chuỗi được thành lập, bước tiếp theo là chọn node chủ. Một node trong chuỗi sẽ được trọn làm node chủ, trách nhiệm của node chủ là truyền dữ liệu tập hợp được tới trạm cơ sở. Vai trò node chủ sẽ bị dịch chuyển vị trí trong chuỗi sau mỗi vòng chu kỳ. Việc quay vòng node chủ trong chuỗi nhằm đảm bảo công bằng trong tiêu thụ năng lượng giữa các node trong mạng. Tuy nhiên cũng cần chú ý rằng việc thay đổi có khi dẫn đến node chủ rời xa trạm cơ sở (sink), khi đó node này lại cần yêu cầu công suất cao để truyền đến trạm cơ sở.

Node chủ được chọn bằng cách sau: ở vòng thứ i thì node thứ i mod N (N là số node trong mạng ) sẽ làm chủ.

c. Truyền dữ liệu

Việc tập trung dữ liệu trong mạng dọc theo chuỗi. Để tập hợp dữ liệu mỗi vòng, mỗi node sẽ nhận dữ liệu từ node hàng xóm và hợp nhất với dữ liệu nó thu nhận được và truyền đến node hàng xóm tiếp theo trong chuỗi.

Trong một vòng, chúng ta có thể sử dụng một cơ chế điều khiển token passing khởi tạo bởi node chủ để bắt đầu việc truyền tải dữ liệu từ 2 đầu của chuỗi. Chi phí là rất nhỏ vì kích thước thẻ bài là rất nhỏ. Đầu tiên node chủ sẽ gửi một thẻ bài tới node cuối cùng bên phải cuối chuỗi. Trong khi nhận được tín hiệu này node cuối sẽ gởi dữ liệu nó thu lượm được đến node lân cận theo chiều xuôi trong chuỗi, sau đó node này tập

(34)

trong WSN

3 4 5 6 7 8 2 1

trung dữ liệu và lại tiếp tục gửi đến node lân cận gần nó nhất, cứ như vậy cho đến khi gửi đến node chủ. Sau đó node chủ sẽ lại tập trung dữ liệu và gửi đến sink.

Ví dụ: Trong hình, node c2 là node chủ, và nó sẽ chuyển tiếp các thẻ bài trong chuỗi tới node c0, node c0 sẽ truyền dữ liệu của nó tới node c1, node c1 hợp nhất dữ liệu truyền đến nó và dữ liệu nó thu nhận được rồi tiếp tục truyền về node chủ. Sau khi nhận dữ liệu từ c1, node chủ c2 sẽ

chuyển tiếp các thẻ bài tới node c4 và mọi việc diễn ra tương tự, node c4 node truyền dữ liệu của nó tới node c3. Node c3 hợp nhất dữ liệu của node c4 với dữ liệu riêng của nó và sau đó truyền đến node chủ.Node c2 chờ nhận đủ dữ liệu từ cả hai hàng xóm và sau đó hợp nhất dữ liệu của nó với các dữ liệu của hàng xóm. Cuối cùng, node c2 truyền một bản tin đến BS.

d. Xử lý lỗi khi node chết

Khi một node bị chết, chuỗi sẽ được cập nhật lại bằng cách bỏ qua node đó trong chuỗi. Như trong hình 3 khi node 7 chết, node 8 sẽ cố gắng liên lạc với node 6.

Hình 3.7: Xử lý lỗi khi một node trong chuỗi chết.

3.2.2.2. PEGASIS cải tiến

a. Thay đổi phương pháp chọn node chủ

Trong giải thuật PEGASIS cơ bản, chúng ta thấy rằng mặc dù năng lượng đã được chia sẻ cho các node nhưng các node ở xa trạm BS sẽ bị tiêu thụ năng lượng nhiều hơn và do đó nhanh chóng chết đi. Như vậy sẽ ảnh hưởng đến thời gian sống của toàn mạng. Sau đây, ta đưa ra một cải tiến trong quá trình chọn node chủ để làm tăng thời gian sống của mạng. Chúng ta sẽ không cho các node ở xa trạm BS và có năng lượng thấp làm node chủ.

Tất cả các node sẽ tính toán tỉ số Rinhư sau:

R

i

=P

ai

/PT

xi

(35)

trong WSN

Trong đó: Pai : năng lượng của node i tại thời điểm hiện tại.

PTxi : năng lượng cần thiết để node i truyền đến trạm cơ sở.

Node cuối chuỗi sẽ bắt đầu gửi gói chứa giá trị Ri của nó về phía node hàng xóm trong chuỗi. Mỗi node nhận gói này sẽ so sánh giá trị hiện tại trong gói với giá trị R của nó. Nếu cao hơn, nó đơn giản sẽ chuyển tiếp gói, còn nếu nhỏ hơn, nó sẽ biến đổi gói với giá trị hiện tại của nó và chuyển tiếp đến node cạnh nó trong chuỗi. Node có giá trị R cao nhất sẽ là node chủ. Node chủ sẽ thông báo cho cách thành viên trong chuỗi biết. Việc bầu chọn node chủ được thực hiện theo một số vòng nào đó.

Số vòng để lựa chọn node chủ thay đổi thích ứng theo mức năng lượng hiện tại của mỗi node. Tại thời điểm bắt đầu, mức năng lượng của mỗi node khác nhau tương đối nhỏ và các node vẫn có mức năng lượng rất cao. Một khi được lựa chọn làm node chủ, node sẽ giữ vai trò này trong một số vòng. Sau đó nó khỏi tạo chu kỳ lựa chọn node chủ khác và do đó làm giảm số mào đầu liên kết với node chủ. Khi mức năng lượng của các node giảm thì số vòng để chọn lại node chủ cũng giảm và do đó tránh được một node tiêu thụ năng lượng quá nhiều khi làm node chủ. Khi mức năng lượng của node trở nên quá thấp, việc chọn node chủ sẽ diễn ra thường xuyên ở mỗi vòng. Kỹ thuật này đảm bảo các node có năng lượng cao và gần trạm BS sẽ có nhiều cơ hội làm node chủ hơn. Việc chọn node gần trạm BS làm node chủ sẽ giảm tổng chi phí truyền trong mạng.

Sau khi chọn node chủ. Node chủ sẽ truyền thẻ bài dọc theo chuỗi đến node cuối chuỗi. Node này bắt đầu cảm nhận dữ liệu và truyền đến node bên cạnh nó trong chuỗi. Node này sẽ tập hợp dữ liệu của nó và dữ liệu nhận được trong một gói và truyền đến node bên cạnh nó trong chuỗi. Cứ như thế, dữ liệu được truyền đến trạm cơ sở (BS).

b. Khắc phục trễ bằng chuỗi con

Mặc dù có những cải tiến đáng kể so với LEACH, nhưng PEGASIS vẫn tồn tại một số hạn chế, đáng kể nhất là trễ trong mạng khá lớn, đặc biệt là nếu kích thước mạng lớn thì chuỗi sẽ rất dài và số lượng bước nhảy rất cao khi truyền dữ liệu từ cuối chuỗi đến trạm cơ sở.

(36)

trong WSN

Hình 3.8: Khắc phục trễ của PEGASIS

Để khắc phục trễ chúng ta có thể chia mạng ra thành nhiều khu vực con, mỗi khu vực con này sẽ thiết lập nên một chuỗi. Tương ứng với mỗi chuỗi con sẽ có một node chủ. Các node chủ này lại có thể liên kết với nhau tạo thành chuỗi cấp cao hơn và chuỗi này sẽ lại chọn node chủ để truyền đến trạm BS.

c. Tập trung dữ liệu song song

Mặc dù đơn giản nhưng mô hình tập trung dạng chuỗi dễ gây ra trễ trước khi dữ liệu tập trung được truyền đến sink. Một phương pháp để giảm độ trễ này là tập trung dữ liệu song song dọc theo chuỗi, và sẽ càng giảm nhiều hơn nếu các node được trang bị bộ thu phát sử dụng CDMA.

Dạng đơn giản nhất là các node ở 2 phía node chủ lần luợt truyền dữ liệu đến khi đến node chủ. Để có chất luợng cao hơn các node đuợc cấp các bộ thu phát dùng CDMA để tránh can nhiễu giữa các node lân cận. Hình 3.9 minh họa giải thuật tập hợp dữ liệu song song.

(37)

trong WSN

Hình 3.9: Cấu trúc mạng hình chuỗi

Giả sử tất cả các node đề biết đuợc các thông tin chung và được liên kết thành chuỗi. N là số node tham gia vào chuỗi. Xét node 3 ở vị trí số 3 là node chủ trong vòng đang xét, ở mức đầu tiên các node được đánh số chẵn sẽ phát dữ liệu tập hợp được cho node bên phải của mình. Mức kế tiếp, các node đang giữ các dữ liệu tập hợp đó được đánh số lại và các node đánh số chẵn sẽ phát dữ liệu cho node ngay bên phải của nó. Ở mức cuối cùng, node 7 đuợc đánh số 1 là nút chứa dữ liệu lân cận cuối cùng của node chủ node 3. Node 7 sẽ gửi toàn bộ dữ liệu tập hợp trước đó cho node chủ. Sau đó node

Vị trí node Vị trí node Vị trí node

(38)

trong WSN

chủ sẽ phát toàn bộ dữ liệu của chuỗi cho trạm gốc. Thuật toán chuỗi song song tiết kiệm đáng kể năng luợng tiêu thụ tại các node và độ trể gói.

3.3. So sánh PEGASIS với LEACH

3.3.1. Ưu điểm

PEGASIS có những cải tiến đáng kể hơn so với LEACH về thời gian sống. PEGASIS tiết kiệm năng lượng ở một số giai đoạn. Cụ thể như sau:

 Việc tập hợp dữ liệu cục bộ, khoảng cách mà hầu như các node trong mạng truyền dữ liệu nhỏ hơn nhiều so với việc truyền dữ liệu của các node thành viên đến node chủ trong cụm của LEACH.

 Khối lượng dữ liệu node chủ trong PEGASIS nhận được nhiều nhất là hai bản tin trong khi đó của LEACH là 20 (nếu mạng có 100 node), nhiều hơn rất nhiều.  Chỉ có một node trong mạng truyền dữ liệu đến trạm cơ sở trong khi đó ở

LEACH có 5% số node truyền đến trạm cơ sở.

3.3.2. Nhược điểm

Mặc dù có những cải tiến đáng kể so với LEACH, nhưng PEGASIS vẫn tồn tại một số hạn chế như sau:

 Trễ trong mạng khá lớn, đặc biệt là nếu kích thước mạng lớn thì chuỗi sẽ rất dài và số lượng bước nhảy rất cao khi truyền dữ liệu từ cuối chuỗi đến trạm cơ sở.  Các node trong chuỗi phải biết cấu hình mạng và điều này không phải luôn luôn

dễ dàng đối với mạng cảm biến.

 Xảy ra hiện tượng thắt cổ chai tại node chủ. Tức là dữ liệu tập hợp được đến node chủ thì node chủ không còn đủ năng lượng truyền đến trạm BS nữa.

Feature PEGASIS LEACH

Khoảng cách truyền DL Nhỏ Lớn

Lượng DL node chủ nhận đc Nhiều nhất 2 bản tin ~20 bản tin (mạng 100 node) Số node truyền DL đến trạm

cơ sở Mỗi cụm chỉ 1 node 5% số node

Trễ Khá lớn (TL thuận với k.thước

mạng) TB

(39)

trong WSN

(40)

trong WSN

Chương IV: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ĐỊNH TUYẾN

TRONG WSN

4.1. Công cụ mô phỏng OMNet++

4.1.1. Giới thiệu OMNeT++

OMNeT++ là viết tắt của cụm từ Objective Modular Network Testbed in C++. OMNeT++ là một ứng dụng cung cấp cho người sử dụng môi trường để tiến hành mô phỏng hoạt động của mạng. Mục đích chính của ứng dụng là mô phỏng hoạt động mạng thông tin, tuy nhiên do tính phổ cập và linh hoạt của nó, OMNeT++ còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như mô phỏng các hệ thống thông tin phức tạp, các mạng kiểu hàng đợi (queueing networks) hay các kiến trúc phần cứng...

Hình 4.1. Mô phỏng mạng trong OMNeT++

OMNeT++ cung cấp sẵn các thành phần tương ứng với các mô hình thực tế. Các thành phần này (còn được gọi là các module) được lập trình theo ngôn ngữ C++, sau đó được tập hợp lại thành những thành phần hay những mô hình lớn hơn bằng một ngôn ngữ bậc cao (NED). OMNeT++ hỗ trợ giao diện đồ hoạ, tương ứng với các mô

Referências

Documentos relacionados

^deram estdar nossos mistrios' de onde tiraram' espero' saltares ensinamentos. ^deram estdar nossos mistrios' de onde tiraram' espero' saltares ensinamentos.

As 5 amostras de soro de indivíduos saudáveis, vacinados contra febre amarela utilizadas no teste imunoenzimático para o estudo de reação cruzada de IgM

Carga horária estudo: 4h Carga horária prática: 2h Carga horária teórica: 4h Carga Horária Total: 120h Duração: 12 semana(s) Objetivos.. Introduzir o estudo qualitativo das

Trindade MLZH, Caldas MA, Ramires JAF, Rochitte CE, Tsutsui JM, Nicolau JC, Mathias W Avaliação da extenção transmural do infarto agudo do miocárdio pela ecocardiografia com

Como resultado do mapeamento das atividades diárias e da definição das atividades definidas como críticas ao trabalho dos colaboradores avaliados, foram

Foi possível verificar ainda que, neste momento da sequência,       diversas concepções sobre a natureza da luz estão convivendo dentro do espaço escolar que       não

Como dados de base foram utilizados: (i) um inventário histórico das manifestações de instabilidade ocorridas na bacia do Rio Grande da Pipa (1434 movimentos de vertente,

Para tanto, foram escolhidos dois ambientes representativos da edificação – analisados para seis ângulos de incidência do fluxo do ar, três tipos de entorno e dois cenários (C0