Đề xuất thuật toán định tuyến real time cho mạng cảm biến không dây và xây dựng thư viện hỗ trợ trên nền tảng NS2

Đề xuất thuật toán định tuyến real time cho mạng cảm biến không dây và xây dựng thư viện hỗ trợ trên nền tảng NS2 Đề xuất thuật toán định tuyến real time cho mạng cảm biến không dây và xây dựng thư viện hỗ trợ trên nền tảng NS2 luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Đề xuất thuật toán định tuyến real-time cho mạng cảm biến không dây và xây dựng thư viện hỗ trợ trên nền tảng NS2” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những tham khảo

và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Học viên

Nguyễn Thành Trung

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Mạng cảm biến không dây (WSNs) được sử dụng trong nhiều ứng dụng quan trọng, chẳng hạn như theo dõi địch trên chiến trường, báo động khẩn cấp và phát hiện thảm họa Trong các ứng dụng như vậy, việc cung cấp QoS (Quality of Service) trong miền thời gian là không thể thiếu Hơn nữa, do sự đa dạng của dữ liệu cảm giác, việc cung cấp QoS nên hỗ trợ không chỉ một mà là nhiều mức độ hạn chế độ trễ Do một

số đặc điểm như hạn chế về cung cấp năng lượng, khả năng lưu trữ và khả năng tính toán của các nút cảm biến, đảm bảo việc truyền tin kịp thời trong WSN là một vấn đề khó khăn Để khắc phục những hạn chế này, một số giao thức định tuyến địa lý dựa trên QoS nhẹ và không trạng thái đã được đề xuất Các giao thức hiện tại hoạt động tốt trong các mạng mà không định tuyến hố (tức là, các khu vực không có cảm biến hoạt động) Tuy nhiên, với sự xuất hiện của các hố định tuyến, chúng phải chịu đựng cái gọi là hiện tượng cực tiểu địa phương và tắc nghẽn xung quanh ranh giới hố Nội dung luận văn xem xét sự hiện diện của các hố định tuyến và đề xuất một giao thức định tuyến đảm bảo cận trên của độ trễ của tin được gọi là DEHA có thể hỗ trợ nhiều độ trễ khác nhau Ý tưởng chính là xây dựng một cơ chế giúp các nút mạng nhận ra sự có mặt của hố trước khi truyền tin, dựa trên thông tin về hố mạng và yêu cầu về thời gian truyền tin, nút nguồn sẽ tính toán đường truyền tin đảm bảo các yêu cầu về cân bằng tải và độ trễ của gói tin Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức được

đề xuất hoạt động tốt hơn các giao thức hiện có về một số chỉ số hiệu suất, bao gồm

tỷ lệ gói tin đến đích, hiệu suất năng lượng và cân bằng tải

ABSTRACT OF THESIS

Wireless sensor networks (WSNs) are used in many mission-critical applications, such as target tracking on a battlefield, emergency alarms, and disaster detection In such applications, QoS provisioning in the timeliness domain is indispensable Moreover, because of the diversity of sensory data, QoS provisioning should support not only one but multiple levels of end-to-end delay constraints As a result of several characteristics such as the limitations on the energy supply, available storage and computational capacity of the sensor nodes, guaranteeing timely delivery in WSNs is

a challenging problem To overcome these limitations, several lightweight and stateless QoS-based geographic routing protocols have been proposed The existing protocols work well in networks without routing holes (i.e., regions with no working sensors) However, with the occurrence of routing holes, they suffer from the so-called local minimum phenomenon and traffic congestion around the hole boundary

In this paper, we consider the presence of routing holes and propose a guaranteed geographic routing protocol called DEHA that can support multiple end-to-end delay levels The main idea is to achieve early awareness of the presence of a routing hole and then to utilize this awareness in determining a routing path that can avoid the hole Simulation results show that our protocol outperforms the existing protocols in terms of several performance metrics, including packet delivery ratio, energy efficiency and load balancing

delay-LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành luận văn với đề tài ‘Đề xuất thuật toán định tuyến real-time cho mạng cảm biến không dây và xây dựng thư viện hỗ trợ trên nền tảng NS2’, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thanh Hùng – Trưởng bộ môn Công nghệ phần mềm, và TS Nguyễn Phi Lê - Giảng viên Bộ môn Công nghệ phần mềm, Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện luận văn, em cũng cảm ơn các thầy/cô, các bạn trong nhóm nghiên cứu về mạng cảm biến không dây (WSNs) đã có những đóng góp ý kiến

để Luận văn được hoàn thiện

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã cung cấp cho em những kiến thức về các môn cơ sở ngành và chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ

em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Hà Nội, ngày tháng 3 năm 2019

Học viên

Nguyễn Thành Trung

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN 3

ABSTRACT OF THESIS 4

LỜI CẢM ƠN 5

DANH MỤC CÁC HÌNH 8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10

1.1 Giới thiệu chung 10

1.2 Mục đích của đề tài 18

1.3 Sự cần thiết của đề tài 18

1.4 Cấu trúc luận văn 22

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP 23

2.1 Định nghĩa 23

2.2 Đề xuất 25

2.2.1 Tổng quan chung 25

2.2.2 Đề xuất: Xác định đường đi ngắn nhất phù hợp 26

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO THỨC 29

3.1 Tổng quan về giao thức 29

3.2 Xác định hố 29

3.3 Phát tán thông tin về hố 32

3.4 Chuyển tiếp gói tin 33

3.5 Thuật toán chuyển tiếp gói tin 36

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG THƯ VIỆN NS2 VÀ THỰC NGHIỆM, KẾT LUẬN 40 4.1 Tổng quan về NS2 40

4.2 Bộ thư viện NS2 44

4.3 Môi trường thí nghiệm 50

4.4 Cài đặt tham số 51

4.5 Kịch bản thí nghiệm 52

4.6 Chỉ số đánh giá 53

4.6.1 Tỷ lệ gói tin tới đích 53

4.6.2 Hiệu quả năng lượng 53

4.6.3 Chỉ số cân bằng tải BI (Balance index) 53

4.7 Kết quả thí nghiệm 53

4.7.1 Tỉ lệ gói tin tới đích 53

4.7.2 Hiệu quả năng lượng 55

4.7.3 Chỉ số cân bằng tải BI (Balance index) 56

4.8 Kết luận 57

4.9 Phát triển kết quả nghiên cứu 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Cấu trúc mạng cảm biến 11

Hình 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 14

Hình 3 Ứng dụng WSNs trong theo dõi chiến trường 15

Hình 4 Ứng dụng trong theo dõi cơ chế sinh học trên cơ thể người 16

Hình 5 Ứng dụng trong theo dõi cảnh báo cháy rừng 17

Hình 6: Hai vấn đề nghiêm trọng mà các giao thức hiện tại có thể gặp phải 21

Hình 7 Minh họa các định nghĩa 24

Hình 8 Minh họa đường đi ℋ-bypassing Euclide 25

Hình 9 Minh họa đề xuất 26

Hình 10 Mô phỏng đa giác F thông qua phép biến đổi 27

Hình 11 Quy tắc TENT 30

Hình 12 Kết quả thu được sau khi sử dụng phương pháp xác định hố 31

Hình 13 Mô phỏng tham số alpha khi phát tán thông tin hố 32

Hình 14 Mô phỏng NS, khởi tạo và thiết lập 40

Hình 15 Luồng các sự kiện cho file tcl chạy trong NS 42

Hình 16 Kiến trúc thư mục cài đặt NS2 43

Hình 17 Mô phỏng các kịch bản thí nghiệm 52

Hình 18 Kết quả thống kê tỷ lệ gói tin tới đích của các thuật toán 54

Hình 19 So sánh hiệu quả năng lượng 55

Hình 20 So sánh giá trị BI 56

Hình 21: Minh họa minh chứng của Đề xuất 61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Từ viết tắt, Thuật ngữ Tên đầy đủ/Ý nghĩa

BCD Boundary Coordinates Determination

End-to-end Delay Cận trên thời gian truyền tin

GPS Global Positioning System

Hop-to-hop Speed Vận tốc truyền tin giữa hai nút kề nhau

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày

1.1.1 Cấu trúc mạng cảm biến

Các nút cảm biến được phân bố trong một vùng cảm biến như hình 1 Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink

Hình 1 Cấu trúc mạng cảm biến

Dữ liệu được định tuyến đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị như máy tính xách tay tương tác với mạng, hoặc một gateway nối với mạng khác lớn hơn

1.1.2 Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến

Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên, đặc biệt là năng lượng

• Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Trong quá trình vận hành, một vài nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, hư hỏng vật lý hoặc ảnh hưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động

• Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu hay theo dõi một sự vật hiện tượng, số lượng các nút cảm biến được triển khai có thể đến hàng nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể tăng lên hàng trăm nghìn Do đó cấu trúc mạng cần có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút

• Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các nút cảm biến cần phải có một số ràng buộc về phần cứng như kích thước nhỏ, mức tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự vận hành và hoạt động không cần

có người kiểm soát, thích nghi với môi trường

• Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các sự vật hiện tượng để theo dõi Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi, dưới đáy biển, trong những vùng ô nhiễm, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

• Phương tiện truyền dẫn: Các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học

• Cấu hình mạng cảm biến (Network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định Chúng ta có thể kiểm tra các vấn

đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:

o Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc xếp theo trật tự trong vùng theo dõi Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một

o Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích hợp, sự cố, và nhiệm vụ cụ thể

o Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào

sự thay đổi chức năng

• Sự tiêu thụ năng lượng (Power consumption): Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng

giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào thời gian sống của pin Trong mạng cảm biến, mỗi một nút có thể đóng một vai trò vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Đó là lý do vì sao mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing)

• Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai các nút cảm biến theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải đảm bảo ở mức phù hợp

1.1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Kiến trúc bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý, các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo một cách có hiệu quả nhất, định tuyến

dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến

Hình 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

• Lớp vật lý (Physical Layer): Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu…

• Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer): Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ liệu, cách truy cập đường truyền và điều khiển lỗi

• Lớp mạng (Network Layer): Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc lấy hiệu quả năng lượng luôn được coi là vấn đề quan trọng; Mạng cảm nhận chủ yếu là tập hợp dữ liệu Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến

• Lớp truyền tải dữ liệu (Transport Layer): Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng internet hoặc các mạng bên ngoài khác

• Lớp ứng dụng (Application Layer): Tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng

• Mặt phẳng quản lý công suất (Power Management Plane): Quản lý cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó Ví dụ: Nó có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin Khi mức công suất của cảm biến thấp nó sẽ phát tán sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và không thể tham gia vào quá trình định tuyến

• Mặt phẳng quản lý di động (Mobility Management Plane): Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút, các nút giữ việc theo dõi xem nút lân cận nào của chúng

• Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane): Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm, không phải tất cả các nút đều thực hiện cảm nhận ở cùng một thời điểm

1.1.4 Ứng dụng

a Ứng dụng trong quân sự

Hình 3 Ứng dụng WSNs trong theo dõi chiến trường

Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu Các đặc tính

triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn Một số ứng dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân

b Ứng dụng trong y tế và giám sát sức khoẻ

Hình 4 Ứng dụng trong theo dõi cơ chế sinh học trên cơ thể người

Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện

c Ứng dụng trong giám sát môi trường và ngành nông nghiệp

Hình 5 Ứng dụng trong theo dõi cảnh báo cháy rừng

Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến không dây bao gồm theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ

vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt;

vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn

1.2 Mục đích của đề tài

Đề xuất thuật toán định tuyến thời gian thực (real-time) trong mạng cảm biến không dây, nhằm trong điều kiện địa hình phức tạp, đảm bảo các yêu cầu :

- Đảm bảo độ trễ cho phép của gói tin

- Giảm hiện tượng cực tiểu địa phương trong mạng

- Giảm tắc nghẽn xung quanh vùng hố

Xây dựng thư viện hỗ trợ triển khai thuật toán trên nền tảng NS2 và thực nghiệm,

so sánh, đánh giá

1.3 Sự cần thiết của đề tài

Mạng cảm biến không dây (WSNs) bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến nhỏ thu thập thông tin từ môi trường xung quanh của chúng và báo cáo cho trạm gốc WSN đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như giám sát chiến đấu, báo động khẩn cấp và phát hiện thảm họa Trong nhiều ứng dụng của WSN, dữ liệu giác quan được yêu cầu phải được gửi đến trạm gốc trong một giới hạn thời gian đã định trước Ví dụ, trong một ứng dụng giám sát chiến đấu, một gói dữ liệu cảm biến mang thông tin về việc phát hiện kẻ thù chỉ có hiệu lực trong một thời gian ngắn, và do đó,

nó sẽ được truyền đến trạm gốc trong thời hạn thích hợp Hơn nữa, dữ liệu cảm giác trong nhiều ứng dụng WSN có sự đa dạng cao về các ràng buộc về thời gian truyền tin, do đó dữ liệu ràng buộc thời gian truyền tin và dữ liệu không có ràng buộc thời gian truyền tin có thể cùng tồn tại Ví dụ, trong một ứng dụng phát hiện cháy, dữ liệu cảm biến mang thông tin về nhiệt độ cao bất thường là rất quan trọng (vì chúng có thể là dấu hiệu xảy ra cháy) nên được gửi đến trạm gốc càng sớm càng tốt, trong khi

đó dữ liệu thông tin khác định kỳ báo cáo nhiệt độ bình thường, việc ràng buộc về thời gian truyền tin có thể được bỏ qua

Việc đảm bảo thời gian truyền tin nhất định trong WSN là một vấn đề khó khăn

do một số đặc điểm của các mạng này, ví dụ như nguồn cung cấp năng lượng hạn chế, khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến, quy mô lớn của mạng và sự không đáng tin cậy của các liên kết không dây

Định tuyến địa lý [1] [2], hoạt động theo cách phân tán và khai thác thông tin địa

lý địa phương của các nút cảm biến, được sử dụng rộng rãi trong các WSN vì tính đơn giản và hiệu quả của nó Kiểu định tuyến này thường giả định:

a) mỗi nút mạng biết vị trí của nó và vị trí của các nút hàng xóm

b) nguồn phát của thông báo biết vị trí đích của nó

Giao thức định tuyến như vậy thường bắt đầu với một chiến lược tham lam, theo

đó mỗi nút chọn bên cạnh nút gần đích nhất để trở thành nút chuyển gói tin tiếp theo Trong các tài liệu nghiên cứu trước đây, một số giao thức định tuyến địa lý dựa trên QoS, chẳng hạn như SPEED [3], MMSPEED [4], EQGOR [5], DARA [6], và LOCALMOR [7], đã được đề xuất

SPEED [3]: Giao thức này nhằm mục đích duy trì tốc độ truyền tải mong muốn theo chiều ngang trong mạng cảm biến bằng cách chiếm cả lưu lượng ở lớp mạng và gói quản lý gửi đến lớp MAC Như được chỉ ra ở hình dưới, SNGF là mô-đun định tuyến chịu trách nhiệm chọn nút lân cận có thể hỗ trợ tốc độ truyền theo yêu cầu NFL và Backpressure Rerouting là hai mô-đun để giảm hoặc chuyển hướng lưu lượng khi tắc nghẽn xảy ra, để SNGF có nút phù hợp có thể truy cập để lựa chọn Ước tính

độ trễ là yếu tố mà nút xác định xem có xảy ra tắc nghẽn hay không Hơn nữa, việc trao đổi đèn hiệu cung cấp cho vùng địa lý của các nút lân cận SNGF có thể thực hiện định tuyến dựa trên địa lý

Hình 6 Kiến trúc của giao thức SPEED

MMSPEED [4] (Giao thức định tuyến đa đường đa tốc độ đảm bảo QoS trong mạng cảm biến không dây): Đây là giao thức mở rộng của giao thức SPEED Việc đảm bảo QoS ở đây là đảm bảo thời gian và độ tin cậy Nhiều mức độ QoS được cung cấp trên miền thời gian bằng việc đảm bảo việc truyền gói ở nhiều tốc độ Đối với vấn đề tin cậy, nhiều yêu cầu tin cậy khác nhau được đảm bảo bằng việc chuyển tiếp

đa đường theo xác suất Cơ cấu đảm bảo QoS này được thực hiện theo cách cục bộ

mà không cần thông tin tổng thể về mạng bằng cách chuyển tiếp thêm các gói mang thông tin địa lý cục bộ bù đắp cho sự thiếu chính xác của quyết định cục bộ khi gói

đi tới đích Bằng cách này MMSPEED có thể đảm bảo yêu cầu đầu cuối một cách cục bộ, cần thiết cho các mạng cảm biến động cỡ lớn cần có khả năng thích nghi và

mở rộng

Hình 7 Kiến trúc của MMSPEED

EQGOR [5]: Thuật toán được đề xuất dựa trên việc khai thác một giao thức định tuyến địa lý cơ hội (Geographic opporturistic) để đảm bảo QoS trên các yếu tố về độ trễ, độ tin cậy và mức tiêu thụ năng lượng EQGOR đã hình thành vấn đề cung cấp QoS như là một vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu, đa ràng buộc và đề xuất một giải pháp heuristic

Trong các giao thức kể trên, các ràng buộc QoS end-to-end delay (độ trễ) thường được phân chia thành các ràng buộc hop-to-hop speed (vận tốc truyền tin) Trong

miền thời gian, các giao thức hiện có đảm bảo thời gian truyền tin bằng cách đưa ra các quyết định định tuyến dựa trên tốc độ tối thiểu, chẳng hạn như một nút hàng xóm

có tốc độ truyền tin cao hơn có thể được chọn làm nút giao nhận tiếp theo Bởi vì tốc

độ hop-to-hop truyền thống tỉ lệ thuận với việc đảm bảo đúng yêu cầu truyền tin đến đích, các gói tin cuối cùng có xu hướng được định tuyến dọc theo đường nối nguồn tới đích Cách tiếp cận này hoạt động tốt trong các mạng có mật độ nút cao Tuy nhiên, khi trong mạng xuất hiện một hố định tuyến (tức là, một vùng không có các nút cảm biến có khả năng giao tiếp), các giao thức địa lý dựa trên QoS hiện có bị hai vấn đề sau:

- Vấn đề cực tiểu địa phương (Hình 6 (a)): Các gói có thể dừng tại các nút trên

ranh giới hố vì không có hàng xóm nào có tốc độ hop-to-hop dương tới đích Vấn đề này dẫn đến tỷ lệ mất gói tin cao

- Tắc nghẽn xung quanh ranh giới hố (Hình 6 (b)): Khi các gói tin gặp phải ranh

giới hố, chúng có xu hướng được định tuyến dọc theo ranh giới vì giới hạn tốc

độ hop-to-hop Hiện tượng này dẫn đến tắc nghẽn xung quanh ranh giới lỗ, mà cuối cùng có thể dẫn đến các vấn đề như mở rộng hố và thời gian truyền tin tăng lên

Hình 8: Hai vấn đề nghiêm trọng mà các giao thức hiện tại có thể gặp phải

Do đó, nghiên cứu của luận văn này có sự xuất hiện của các hố định tuyến khi đưa ra các quyết định định tuyến và đề xuất giao thức định tuyến địa lý được đảm bảo

cận trên của độ trễ gói tin, gọi là DEHA (DElay-guaranted routing protocol with Hole

Avoidance) có thể làm giảm bớt hai các vấn đề được đề cập ở trên Ý tưởng chính

của nghiên cứu là đạt được nhận biết sớm về sự tồn tại của một hố giữa nút hiện tại

và đích đến Nhận biết này sẽ giúp hướng dẫn "uốn cong" đường đi được lựa chọn xung quanh hố một cách thông minh và hiệu quả Đặc biệt, đối với mỗi gói tin, ta xác

định một khu vực cấm (forbidden area) xung quanh hố mà từ đó gói được giữ đi Một

mặt, kích thước và vị trí của khu vực bị cấm là khác nhau giữa các gói khác nhau để cân bằng tải qua mạng Mặt khác, kích thước của khu vực cấm được điều chỉnh theo yêu cầu độ trễ từ nguồn đến đích để đảm bảo rằng gói tin sẽ đến đích đúng lúc

1.4 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương:

Chương 1 – Tổng quan: Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây và ứng dụng, các vấn đề tồn tại và đề xuất ý tưởng nghiên cứu

Chương 2 – Đề xuất phương pháp: Đề xuất phương pháp xác định đường đi ngắn nhất phù hợp với cận trên của độ trễ gói tin

Chương 3 – Thiết kế giao thức: Trình bày phương pháp thiết kế giao thức dựa trên đề xuất đưa ra tại chương 2

Chương 4 – Xây dựng thư viện NS2 và thực nghiệm, kết luận: Giới thiệu về NS2,

bộ thư viện NS2 được xây dựng cho giao thức đề xuất tại Chương 3; Xây dựng kịch bản thí nghiệm và kết quả, kết luận

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP

2.1 Định nghĩa

2.1.1 Một số định nghĩa

End-to-end delay: Cận trên thời gian truyền tin (hay độ trễ tối đa thời gian truyền

gói tin đến đích để đảm bảo yêu cầu đề ra)

Hop-to-hop speed: Vận tốc truyền tin giữa hai nút kề nhau Vận tốc này được tính

bằng tỉ số của khoảng cách giữa hai nút và thời gian truyền tin từ nút này đến nút kia

Convex hull: Đa giác lồi nhỏ nhất bao quanh hố

2.1.2 Giả định

Giả định rằng mỗi nút biết vị trí riêng của nó (sử dụng GPS hoặc dịch vụ định vị khác) và các nút của các hàng xóm của nó (thông qua các gói tin thông báo hàng xóm); ngoài ra, nút nguồn cũng biết vị trí của nút đích

Một hố định tuyến được xác định là một đa giác không tự giao nhau có đỉnh là tất cả các nút cảm biến, 𝑆1, , 𝑆𝑛, với các điều kiện sau đây:

• Bên trong nó không chứa bất kỳ nút cảm biến nào

• Khoảng cách Euclide giữa 𝑆𝑖 và 𝑆𝑖+1 nằm trong phạm vi truyền (∀𝑖 =

đó, áp dụng các định nghĩa và ký hiệu sau đây :

• Ký hiệu | | biểu thị chiều dài Euclide; ví dụ: |𝐴𝐵| là chiều dài Euclide giữa hai điểm A và B, và |𝑙| là chiều dài Euclide của đường 𝑙

• 𝑝𝒬 biểu thị chu vi của 𝒬

• Cho A và B là hai điểm trên ranh giới của 𝒬; {𝐴 ∼ 𝐵}𝒬+ và {𝐴 ∼ 𝐵}𝒬− biểu thị các đoạn ranh giới của 𝒬 từ A đến B theo chiều ngược chiều kim đồng hồ

và theo chiều kim đồng hồ Vỏ lồi của 𝒬 được xác định là một đa giác lồi hoàn toàn bao phủ 𝒬 và có cùng các đỉnh như 𝒬

• ℋ biểu thị thân lồi của hố Gọi 𝑁 là một điểm tùy ý bên ngoài 𝒬; khi đó, một đỉnh giới hạn xem của 𝒬 liên quan đến 𝑁 được xác định là một đỉnh 𝑄𝑖 của 𝒬 sao cho đường đi qua 𝑁 và 𝑄𝑖 không giao nhau với 𝒬 Rõ ràng, đối với mỗi nút 𝑁 nằm ngoài một đa giác 𝒬, có hai đỉnh giới hạn xem của 𝒬 đối với 𝑁 Lấy 𝑄𝑖và 𝑄𝑗 là hai đỉnh giới hạn xem của đa giác 𝒬 đối với nút 𝑁; khi đó, góc giới hạn xem từ 𝑁 đến 𝒬 được xác định là góc được hình thành giữa hai véc

tơ 𝑁𝑄⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ và 𝑁𝑄𝑖 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ chứa 𝒬 𝑗

• Cho (s, t) là hai nút tùy ý bên ngoài 𝒬 Khi đó, đường đi Euclide ngắn nhất của (s, t), đặt là ℒ𝒬(𝑠, 𝑡), được xác định là đường đứt đoạn ngắn nhất từ s đến t nằm ngoài Q Lưu ý rằng nếu st không giao nhau với 𝒬 , khi đó ℒ𝒬(𝑠, 𝑡) ≡ st

Hình 9 Minh họa các định nghĩa

2.2 Đề xuất

2.2.1 Tổng quan chung

Cận trên của độ trễ gói tin (hay còn gọi là thời gian truyền tin, end-to-end delay)

tỉ lệ thuận với chiều dài đường dẫn định tuyến; do đó, một cách tiếp cận phổ biến để giảm thiểu độ trễ gói tin là chuyển tiếp gói tin dọc theo đường đi ngắn nhất nối nguồn

và đích Trong các giao thức hiện có, đường đi ngắn nhất giữa hai nút luôn được xác định là phân đoạn đường thẳng kết nối chúng Tuy nhiên, khi một hố có mặt giữa hai nút, các gói tin không thể được định tuyến qua hố, và do đó, việc chuyển tiếp các gói

dữ liệu dọc theo một đường đi ngắn nhất trở thành không thể Đề xuất sau đây giúp chúng ta tìm đường đi ngắn nhất giữa hai nút khi có một hố định tuyến giữa chúng Gọi (s, t) là hai nút bên ngoài thân lồi ℋ(của hố) sao cho đường giao nhau cắt ℋ Gọi 𝐻𝑠1, 𝐻𝑠2, 𝐻𝑡1, 𝐻𝑡2 là các đỉnh giới hạn của ℋ đối với s và t, rằng 𝐻𝑠1, 𝐻𝑡1 nằm bên phải và 𝐻𝑠2, 𝐻𝑡2nằm ở bên trái của 𝑠𝑡⃗⃗⃗ Khi đó, đường đi ngắn nhất từ s đến t là đường đi ngắn nhất ℋ-bypassing Euclide của (s, t) (Hình 8)

Hình 10 Minh họa đường đi 𝓗-bypassing Euclide

Việc chuyển tiếp các gói tin dọc theo đường đi ngắn nhất có thể giúp giảm thời gian truyền tin Hơn nữa, nó cũng ngăn chặn các gói tin đến các nút ranh giới hố và

do đó làm giảm bớt vấn đề cực tiểu địa phương Tuy nhiên, lưu ý rằng tất cả các đường đi ngắn nhất của hố đi qua phải đi qua các đỉnh của thân lồi ℋ Do đó, nếu tất

cả các gói tin được chuyển tiếp dọc theo các đường đi ngắn nhất của hố, dẫn tới các nút xung quanh ranh giới của hố phải xử lý thông tin nhiều hơn các nút khác Do đó, vấn đề thứ hai (tức là, tắc nghẽn xung quanh hố) vẫn còn

2.2.2 Đề xuất: Xác định đường đi ngắn nhất phù hợp

Để giải quyết vấn đề này, cần phải cân bằng tải trên toàn bộ mạng thay vì tập trung vào một vùng đặc biệt Ý tưởng của nghiên cứu là đặt trước đường dẫn ngắn hơn (gần hố hơn) cho dữ liệu cần thời gian truyền tin nhỏ hơn trong khi vẫn cho phép

dữ liệu sử dụng đường dẫn dài hơn (cách xa hố hơn) mà vẫn đảm bảo thời gian truyền tin Để làm như vậy, đối với mỗi gói, ta xác định một khu vực cấm cụ thể mà từ đó gói phải ở lại Kích thước của khu vực cấm này là tỷ lệ thuận với cận trên của độ trễ gói tin

Đặc biệt, kích thước của khu vực cấm được tính toán để đảm bảo rằng chiều dài của con đường ngắn nhất bỏ qua khu vực bị cấm không vượt quá khoảng cách mà gói tin được ước tính có khả năng di chuyển trong thời gian truyền tin cần thiết

Hình 11 Minh họa đề xuất

Xét một ví dụ, như được minh họa trong hình 9 Trong trường hợp này, các nút nguồn có một gói mà nó phải gửi đến đích t trong vòng 15 giây Đường màu xanh (sHt) biểu diễn đường đi ngắn nhất đi qua hố từ s và t Giả sử rằng chiều dài của con đường ngắn nhất này là 100 m Hơn nữa, người ta ước tính rằng các gói tin có thể đi dọc theo con đường ngắn nhất này chỉ trong vòng 10 giây Để giảm ùn tắc xung quanh

hố trong khi đảm bảo rằng thời gian truyền tin vẫn được đảm bảo trong giới hạn cho phép, gói tin được chuyển tiếp dọc theo một con đường dài hơn, có chiều dài có thể lên đến 150 m, thay vì đường đi ngắn nhất Để làm điều này, một khu vực cấm F được xây dựng, và các gói tin được chuyển tiếp dọc theo con đường ngắn nhất bỏ qua khu vực cấm này Kích thước của F được xác định sao cho chiều dài của đường đi ngắn nhất F-bypassing từ s đến t không vượt quá 150 m Trong giao thức của chúng tôi, khu vực cấm được xác định như một hình ảnh của đa giác lồi ℋ thông qua phép biến đổi homothetic mà trung tâm được chọn ngẫu nhiên để nằm bên trong ℋ và hệ số thang đo được tính dựa trên đề xuất

Gọi ℱ là một ảnh của thân lồi ℋ thu được qua phép biến đổi với hệ số tỷ lệ ξ Cho s và t là hai nút tùy ý bên ngoài ℋ Khi đó, |𝐿ℱ(𝑠, 𝑡)| ≤ |𝐿ℋ(𝑠, 𝑡)| + (ξ − 1)𝑝ℋ , trong đó 𝑝ℋ là chu vi của ℋ

Hình 12 Mô phỏng đa giác F thông qua phép biến đổi

Chứng minh của đề xuất này được trình bày trong phụ lục Từ đề xuất này, nó có thể được suy luận rằng nếu một gói tin m được ước tính có khả năng di chuyển một khoảng cách ℒ lớn hơn ℒℋ(𝑠, 𝑡) trong yêu cầu về thời gian truyền tin, thì m nên được định tuyến dọc theo khu vực cấm ℱ là ảnh của ℋ thu được thông qua phép biến đổi với hệ số ℒ− ℒℋ(𝑠,𝑡)

𝑝 ℋ (nghĩa là, với hệ số tỷ lệ này, |𝐿ℱ(𝑠, 𝑡)| sẽ bé hơn hoặc bằng ℒ)

Lưu ý rằng sự ngẫu nhiên của việc xác định tâm I làm tăng sự đa dạng của các vùng

bị cấm và do đó cải thiện sự cân bằng tải của mạng

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO THỨC

xa hố thì không Nếu một gói được khởi tạo tại một nút nguồn bên ngoài vùng phổ biến (không có thông tin về hố), nó được chuyển tiếp tới đích cho đến khi nó đạt đến một nút trung gian bên trong vùng phổ biến Khi gói tin nằm trong vùng này, nút chuyển tiếp sẽ xác định một vùng cấm F dựa trên Đề xuất đã nêu Gói sau đó được chuyển tiếp dọc theo F - đường đi ngắn nhất thông qua các nút trung gian có thể cung cấp tốc độ hop-to-hop mong muốn

3.2 Xác định hố

Các nút có thể kiểm tra xem chúng có nằm trên

ranh giới của một hố hay không bằng cách sử dụng

quy tắc TENT: Người ta đã chứng minh rằng một

nút cảm biến p nằm trên ranh giới hố nếu tồn tại

hai lân cận u và v của p sao cho tâm của đường

tròn ngoại tiếp tam giác puv nằm ngoài phạm vi

truyền của p Quy tắc TENT kiểm tra tất cả các cặp

lân cận của nút cảm biến p để xác định xem có bất

kỳ cặp lân cận nào tồn tại trong điều kiện trên

không

Các nút ranh giới sau đó tạo ra một thông báo Xác định tọa độ ranh giới (BCD)

và chuyển tiếp nó dọc theo ranh giới hố bằng cách sử dụng quy tắc tay phải để thu thập thông tin Quy tắc bàn tay phải là một thuật toán chuyển tiếp hỗ trợ phát hiện và chuyển tiếp một thông điệp xung quanh tất cả các nút biên Giả sử rằng nút ranh giới hiện tại là ti và nút ranh giới trước đó là ti-1; sau đó, quy tắc bàn tay phải xác định nút ranh giới tiếp theo ti+1 như sau: Vẽ một tia l với hướng titi-1 và quét xung quanh tingược chiều kim đồng hồ; sau đó, ti+1 là hàng xóm đầu tiên của ti gặp l Để biết thêm chi tiết, xem [9]

Hình 13 Quy tắc TENT

Để tránh chi phí, mỗi nút biên sẽ loại tất cả các thông điệp BCD có tọa độ x của nút tạo nhỏ hơn hoặc bằng tọa độ x của riêng nó (nếu tọa độ x của nút tạo ra giống với nút hiện tại, thì thông báo là bị loại nếu tọa độ y của người sáng tạo cũng nhỏ hơn hoặc bằng tọa độ của nút hiện tại) Do đó, chỉ có một thông điệp BCD di chuyển xung quanh ranh giới hố Thông điệp BCD này là thông điệp có tọa độ x là lớn nhất trong

số các tọa độ x của tất cả các nút biên Nút tạo thông điệp BCD này được gọi là

BCD-initiator Để giảm chi phí nên sẽ không sử dụng thông tin đầy đủ của lỗ hổng trong

định tuyến mà thay vào đó sử dụng thông tin của đa giác lồi bao quanh nó Do đó, thông điệp BCD không chỉ thu thập thông tin về ranh giới hố mà còn xấp xỉ ranh giới

hố bằng đa giác lồi của nó bằng cách sử dụng thuật toán được mô tả trong [10] Khi

thông điệp BCD trở về BCD-initiator, nó đã thu thập tọa độ của tất cả các đỉnh của

đa giác lồi của hố

Hình 14 Kết quả thu được sau khi sử dụng phương pháp xác định hố