giao thức định tuyến phân cấp 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 són

Bộ môn: Mạng Viễn Thông

KHOA VIỄN THÔNG I

==========

Hà Nội, T11/2010

MỤC LỤC

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

2.2.2 Định tuyến thông qua sự thỏa thuận 15

2.2.3 Định tuyến theo vị trí 15

2.2.4 Định tuyến phân cấp 17

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

DANH MỤC HÌNH

HÌNH 1.1:MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN THÔNG THƯỜNG 1

HÌNH 1.2:KIẾN TRÚC GIAO THỨC CỦA MẠNG CẢM BIẾN 3

HÌNH 1.3:CẤU TRÚC PHẲNG 5

HÌNH 1.4:CẤU TRÚC TẦNG 5

HÌNH 1.5:CẤU TRÚC MẠNG PHÂN CẤP CHỨC NĂNG THEO LỚP 6

HÌNH 1.6:CẤU TRÚC MẠNG PHÂN LỚP XẾP TẦNG 6

HÌNH 1.7:CẤU TRÚC MẠNG PHÂN CẤP LOGIC 7

HÌNH 1.8:ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ 9

HÌNH 1.9:NGÔI NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CẢM BIẾN 10

HÌNH 1.10:MẠNG WSN CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 10

HÌNH 2.1:TRUYỀN THÔNG ĐIỆP INTEREST 13

HÌNH 2.2:PHA CÀI ĐẶT GRADIENT 14

HÌNH 2.3:ĐƯỜNG TRUYỀN DỮ LIỆU ĐƯỢC CHỌN CÓ NĂNG LƯỢNG CAO NHẤT 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 THÁI CÁC PHASE CỦA LEACH 18

HÌNH 3.2:LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN PHÂN BỐ CỦA LEACH 20

HÌNH 3.3:LƯU ĐỒ HOẠT ĐỘNG ỔN ĐỊNH TRẠNG THÁI CỦA LEACH 21

HÌNH 3.4:NHIỄU VÔ TUYẾN.NODE A TRUYỀN DỮ LIỆU ĐẾN NODE B GÂY NHIỄU ĐẾN NODE C 22

HÌNH 3.5:MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN CHẠY GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH 23

HÌNH 3.6:XÂY DỰNG CHUỖI SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GREEDY 25

HÌNH 3.7:XỬ LÝ LỖI KHI MỘT NODE TRONG CHUỖI CHẾT 26

HÌNH 3.9:CẤU TRÚC MẠNG HÌNH CHUỖI 29

HÌNH 4.1.MÔ PHỎNG MẠNG TRONG OMNET++ 31

HÌNH 4.2.CẤU TRÚC PHÂN CẤP MODULE TRONG OMNET++ 32

HÌNH 4.3.CÁC KẾT NỐI TRONG OMNET++ 34

HÌNH 4.4.TRUYỀN BẢN TIN 35

HÌNH 4.5.MÔ HÌNH MÔ PHỎNG NÚT CẢM BIẾN 37

HÌNH 4.6.CHỌN NODE CHỦ VÀ THU THẬP DỮ LIỆU BẰNG LEACH 39

HÌNH 4.7.TẠO CHUỖI VÀ CHỌN NODE CHỦ TRONG PEGASIS 40

HÌNH 4.8.THUẬT TOÁN CHỌN NODE CHỦ CHẠY TRONG TỪNG NODE 41

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

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

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 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

biến không dây WSN” Đề tài được trình bày trong 4 chương:

 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

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

1.1.4 Một số chuẩn mạng cảm biến

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)

- 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 vật lý Lớp liên kết dữ liệu Lớp mạng Lớp truyền tải

- 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

- 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)

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

biệt theo logic Ví dụ, một tập hợp con các nút với khả năng truyền thông ở phạm vi

rộng có thể tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.6)

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

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

phân tích, thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là  

- 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

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

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

1.6 Khả năng mở rộng và phát triển

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

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

2.2 Các giao thức định tuyến

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

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

Hình 2.3: Đường truyền dữ liệu được chọn có năng lượng cao nhất

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

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

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

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

3.1.2.1 Pha quảng bá (Advertisement Phase)

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

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

Advertisement được lắng nghe với cường độ tín hiệu lớn nhất là cluster-head cần ít

 nếu n  G

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

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

tin