Nguyên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây

iv Tóm tắt Các điều kiện về môi trường, năng lượng, băng thông, bộ nhớ và khả năng xử lý trong mạng cảm biến không dây làm cho nó luôn là thách thức của những nhà nghiên cứu.. Trong đó

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ

CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

S K C0 0 4 6 0 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ CHO MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

i

LÝ LỊCH CÁ NHÂN

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Thị Thu Trang Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 23/10/1989 Nơi sinh: Bình Dương

Quê quán: BắcTân Uyên, Bình Dương Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp 1, Tân Mỹ, Bắc Tân Uyên, Bình Dương

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

Fax: E-mail: nguyentrang039@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ …

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 2/2012

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM

Ngành học: Công nghệ điện tử viễn thông

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:Giải pháp thoại VOIP cho trường

Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:2/2012 tại trường Đại

học sư phạm kỹ thuật TP HCM

Người hướng dẫn:Th.S Phan Thanh Toản

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2012 – 1/2013 Trường Trung cấp nghề Thủ Dầu Một Giáo viên 1/2013 – đến nay Trường Trung cấp nghề Việt Hàn Bình Dương Giáo viên

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 8 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thị Thu Trang

iii

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành thành công luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cám

ơn chân thành tới tất cả mọi cá nhân và tập thể đã tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến, khích lệ tinh thần để tôi hoàn thành luận văn của mình

Đầu tiên, tôi muốn bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Dương Hoài Nghĩa đã tận tình, tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn và định hướng cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn của mình đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt khóa học và tốt nghiệp

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cám ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này

Một lần nữa tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 8 năm 2015

Nguyễn Thị Thu Trang

iv

Tóm tắt

Các điều kiện về môi trường, năng lượng, băng thông, bộ nhớ và khả năng xử lý trong mạng cảm biến không dây làm cho nó luôn là thách thức của những nhà nghiên cứu Trong đó làm thế nào để duy trì tối đa tuổi thọ mạng là vấn đề cấn

thiết.Đề tài“Nghiên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải nhằm nâng cao tuổi

thọ cho mạng cảm biến không dây”tập trung vào mô hình cân bằng tải với mức

tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến của toàn mạng được phân bố đồng đều từ

đó kéo dài tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây Qua các số liệu mô phỏng trên Matlab như sự phân bố năng lượng còn lại của các nút cảm biến khi có một nút cảm biến cạn kiệt năng lượng, sự thay đổi về bán kính phạm vi liên lạc hay số nút cảm biến trong một diện tích không đổi cũng như sử dụng mô phỏng Monte Carlo đã chứng minh được hiệu quả của phương án định tuyến cân bằng tải.Giải pháp được

đề xuất là bổ sung thêm vào giải thuật định tuyến đường đi ngắn nhất với trọng số là

tỉ lệ nghịch của năng lượng còn lại của mỗi nút cảm biến Như vậy, việc một nút được lựa chọn là nút trung gian không chỉ dựa vào khoảng cách từ nút nguồn đến trạm gốc mà còn phụ thuộc vào năng lượng còn lại của nút đó

v

Abstract

Conditions of environment, energy, bandwidth, memory and processing capability in wireless sensor networks make it always a challenge of researchers.In particular, how to maintain the network's maximum lifetime isa necessary issues.Research topics routing algorithm load balancing to improve lifetime for wireless sensor networks focusing on load balancer models with energy consumption of sensor nodes are uniformly distributed to extend the life of wireless sensor network.Through the Matlab simulation data such as the distribution of the remaining energy of sensor nodes when a sensor node was energy depletion, the change in radius communication range or number of sensor nodes in a constant area, as well as using Monte Carlo simulations have demonstrated the effectiveness

of the alternative load balancing routing.The proposed solution is added to the algorithm shortest path routing with weights that are inversely proportional to the residual energy of each sensor node.Thus, the selection of intermediate node is not only based on the distance from the source node to the base station but also depends

on the remaining energy of the node

vi

MỤC LỤC

TRANG Trang tựa

1.4 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 3

2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 5 2.2 Giới thiệu về IEEE 802.15.4 MAC 8 2.2.1 Phương thức mạng và cấu trúc siêu khung 8

2.2.2 Quản lý khe thời gian đảm bảo 10 2.2.3 Chế độ truyền dữ liệu 10 2.3 Một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 11

3.4 Tổng hợp và phân phối dữ liệu cân bằng 24 3.4.1 Tổng hợp nhận thức tại 24 3.4.2 Giới hạn thời hạn chuyển tiếp 26 3.5 Định tuyến cân bằng năng lượng 28 3.5.1 Năng lượng tiêu hao trung bình trên mỗi tuyến đường 28 3.5.2 Năng lượng và xác suất tin cậy 30 3.5.3 Xác suất chuyển tiếp gói dữ liệu 31 3.5.4 Mô hình cân bằng năng lượng 32 3.5.5 Sự tiêu thụ năng lượng trên mỗi nút cảm biến chuyển tiếp 34

Chương 4:MÔ PHỎNG ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI 38

4.2 Phương pháp định tuyến 39 4.3 Các trường hợp mô phỏng 41 4.3.1 Phân bố đều các nút cảm biến 41 4.3.1.1 Sự tổng hợp và chuyển tiếp các gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân

4.3.1.2 Phân bố năng lượng còn lại tại các nút cảm biến phân bố đều 46

R trong phân bố ngẫu nhiên 53

ix

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT/KÝ HIỆU KHOA HỌC

ADC: Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số APs: Access Points Các điểm truy cập

AoA: Angle of Arrival Góc tới

B-MAC: Bluetooth - MAC Giao thức MAC cho Bluetooth BS: Base Station Trạm gốc

CSMA: Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang CSI: Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

DSP: Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số

EAR: Energy-Aware Routing Định tuyến nhận thức năng lượng HC: Hop Count Số chặng

IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineering Viện kỹ thuật điện và điện tử

LQI: Link Quality Indicator Chỉ số chất lượng liên kết

MAC: Medium access control Điều khiển truy cập môi trường MANET: Mobile ad hoc Network Mạng tùy biến không dây

MTU: Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền cực đại

PDF: Probability Distribution Function Hàm phân bố xác suất

SNR: Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPR: Shortest Path Routing Định tuyến đường đi ngắn nhất PRR: Packet Reception Ratio Tỉ lệ tiếp nhận gói dữ liệu

PLR: Packet Loss Ratio Tỉ lệ mất gói dữ liệu

QoS: Quality of Service Chất lượng dịch vụ

x

RF: Radio Frequency Tần số vô tuyến

LBR: Load-Balancing Routing Định tuyến cân bằng tải

RSSI: Received Strength Signal Indicator Chỉ số báo hiệu cường độ tín hiệu thu

TDMA: Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian THL: Time Has Lived Thời gian đã sống

ToA: Time of Arrival Thời điểm đến

WSNs: Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây

xii

Hình 4 18: Năng lượng còn lại tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR) 52Hình 4 19: Năng lượng còn lại tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (SPR) 53Hình 4 20: Mật độ phân bố ngẫu nhiên 80 nút cảm biến 54Hình 4 21: Mật độ phân bố 100 nút cảm biến 54Hình 4 22: Định tuyến đường đi ngắn nhất theo N và R 55Hình 4 23: Định tuyến cân bằng tải theo N và R 55Hình 4 24: Hàm phân phối và hàm mật độ xác suất 57

xiii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4 1: Các thông số mô phỏng 39Bảng 4 2: Thông số mô phỏng Monte Carlo 56Bảng 4 3: Kỳ vọng toán học và phương sai 58

1

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Một mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm một số nút, mỗi nút thường

có năng lượng nhỏ và không được nạp lại Trong kiến trúc mạng WSN, dữ liệu được truyền từ nút nguồnđến trạm gốc thông qua các nút trung giansử dụng giao tiếp không dây, giao tiếp này được thực hiện bằng vô tuyến Việc truyền hoặc nhận, ngay cả vô tuyến công suất thấp cũng tốn nhiều năng lượng nên vô tuyến phải được

sử dụng một cách khôn ngoan để tránh sự suy giảm không cần thiết của năng lượng Cuối cùng, cạn kiệt năng lượng tại mỗi nút làm cho nó ngừng hoạt động, dẫn đến mất mát của thu thập dữ liệu và cung cấp dữ liệu Trong khi sự cạn kiệt của một số nút có thể chấp nhận được mặc dù không mong muốn, nhưng sựcạn kiệt của một số nút quan trọng nhất định trong một môi trường định tuyến multihop có thể gây ra phân vùng mạng làm cho dữ liệu có thể không được truyền đến trạm gốc, làm giảm tính hữu ích của mạng

Có nhiều giao thức định tuyến nhận thức năng lượng được đưa ra trong [1], [2] Một trong những giao thức nhận thức năng lượng phổ biến nhất là định tuyến nhận thức năng lượng EAR đã được đề xuất trong [2] Giao thức định tuyến nhận thức năng lượng là giao thức tìm định tuyến có chi phí năng lượng thấp và sử dụng định tuyến đó cho tất cả quá trình truyền dẫn Tuy nhiên, đây không phải là phương

án giải quyết tối ưu để tăng thời gian sống của mạng bởi vì việc sử dụng định tuyến

có chi phí năng lượng thấp thường xuyên dẫn đến sự cạn kiệt năng lượng của các nút cảm biến dọc theo những tuyến đường và dẫn đến phân vùng mạng

Giao thức định tuyến đường đi ngắn nhất SPR [3], [4] là giao thức cung cấp một phương pháp đơn giản trong quá trình lựa chọn nút chuyển tiếp bằng cách liên kết ngay lập tức với các nút lân cận có khoảng cách ngắn nhất trong phạm vi liên lạc của chúng Đường định tuyến là đường ngắn nhất để các nút cảm biến chuyển các gói dữ liệu về trạm gốc và tránh được các vòng lặp Định tuyến đường đi ngắn

2

nhất cũng giúp cho các nút cảm biến tiết kiệm được năng lượng trong quá trình chuyển gói dữ liệu Tuy nhiên, phương pháp này cũng không thực sự tối ưu cho việc tối đa thời gian sống của mạng do định tuyến đường ngắn nhất chỉ phù hợp với cấu trúc mạng tĩnh, cấu trúc mạng động hoặc hỗn hợp thì hiệu quả sử dụng thấp Quá trình định tuyến liên tục sử dụng các đường định tuyến ngắn nhất dẫn đến các nút cảm biến dọc theo đường định tuyến, đặc biệt là các nút gần trạm gốc được nhiều nút lựa chọn sẽ nhanh chóng cạn kiệt năng lượng làm cho mạng có thể phân vùng hoặc đột ngột dừng hoạt động

Để khắc phục sự cố này, đề tài nghiên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây được đề xuất Các tuyến đường sử dụng năng lượng gần mức tối ưu kết hợp với khoảng cách ngắn nhất từ nút nguồn đến trạm gốc nhằm đảm bảo sự cân bằng năng lượng cho mạng Năng lượng của mạng sẽ tiêu hao đồng đều trên các nút cảm biến nhờ đó mà kéo dài được thời gian sống của toàn mạng

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn làcân bằng sự tham gia vào quá trình định tuyến của các nút cảm biến sao cho tổng số gói dữ liệu nhận được tại trạm gốc là nhiều nhất hoặc tuổi thọ của mạng cảm biến không dây là lâu nhất

Luận văn này góp phần vào kiến thức học thuật trong các lĩnh vực phát triển

đề án định tuyến đáng tin cậy và tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Dựa trên thuật toán đường đi ngắn nhất Đề án bổ sung thêm trọng số là nghịch đảo của năng lượng còn lại của nút đó Khi một tuyến đường được thiết lập, chúng không chỉ dựa vào khoảng cách ngắn nhất để truyền dữ liệu đến trạm gốc mà còn dựa vào năng lượng còn lại của nút cảm biến Những nút cảm biến có năng lượng còn lại lớn hơn sẽ được ưu tiên hơn trong quá trình lựa chọn tuyến đường

3

1.4 Khách thể và đối tượng nghiên cứu

Đề án nghiên cứu dựa trên 100 nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên trên diện tích 500x500 m2 và một trạm gốc Mỗi nút lần lượt truyền dữ liệu thu thập được về cho trạm gốc Dựa trên định tuyến đường đi ngắn nhất, đề án đề xuất bổ sung thêm trọng số là nghịch đảo năng lượng còn lại của mỗi nút nhằm cân bằng năng lượng của mỗi nút cảm biến từ đó duy trì được tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây

1.5 Giả thuyết nghiên cứu

Với thuật toán định tuyến đường đi ngắn nhất của Floyd-Warshall thì chúng chỉ dựa vào khoảng cách ngắn nhất mà thiết lập tuyến đường Từ đó một số nút quan trọng gần trạm gốc sẽ bị lạm dụng một cách đáng kể, làm cho tuổi thọ của mạng không được duy trì lâu Giả thuyết đưa thêm trọng số năng lượng còn lại vào trong điều kiện lựa chọn tuyến đường Tuyến đường được lựa chọn với năng lượng cao hơn và khoảng cách ngắn hơn, giúp năng lượng của các nút được sử dụng một cách đồng đều hơn, từ đó tuổi thọ của toàn mạng được duy trì lâu hơn

1.6 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu trên 100 nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trên diện tích 500x500m2 và một trạm gốc Bán kính phạm vi liên lạc giữa hai nút cảm biến là 100m Năng lượng ban đầu của mỗi nút cảm biến là 1 đơn vị năng lượng Khi cảm biến tham gia vào quá trình định tuyến sẽ tiêu hao một mức năng lượng gọi là năng lượng phát bằng 0.0005 đvnl Nút cảm biến sẽ tiêu hao một mức năng lượng thu 0.0001 đvnl nếu nút đó là nút trung gian giữa nút nguồn đến trạm gốc

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn được thực hiện theo mạng lưới chuẩn 802.16 Luận văn mô phỏng,

so sánh các thuật toán nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây

Luận văn dựa trên thuật toán tìm đường đi ngắn nhất của Floyd-Warshall Từ

đó đề xuất thêm trọng số là tỷ lệ nghịch của năng lượng còn lại của nút cảm biến để tối đa hóa tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây

4

Dựa vào phần mềm mô phỏng Matlab 2013a, mô phỏng một mạng cảm biến với 100 nút và một trạm gốc Mô phỏng cho lần lượt từ nút cảm biến truyền dữ liệu thu thập được về cho trạm gốc Mô phỏng dừng lại khi một nút cảm biến đầu tiên hết hạn

1.8 Kế hoạch thực hiện

Thời gian thực hiện Nội dung thực hiện

23/2/2015 – 20/3/2015 Nghiên cứu định tuyến cân bằng tải

20/3/2015 – 20/6/2015 Mô phỏng thuật toán định tuyến cân bằng tải

20/6/2015 – 20/7/2015 So sánh phương pháp định tuyến cân bằng tải và

phương pháp định tuyến đường đi ngắn nhất 20/7/2015 – 20/8/2015 Viết báo cáo luận văn tốt nghiệp