Luận văn Thạc sĩ: Định tuyến trong mạng cảm biến phân cấp - Nguyễn Quang Đạo

Luận văn định tuyến trong mạng cảm biến phân cấp (WSN). Phân tích tổng quan, so sánh giao thức LEACH, PEGASIS và hướng dẫn mô phỏng thực tế trên OMNeT++.

• Tác giả: Nguyễn Quang Đạo
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Định tuyến Mạng Cảm biến Phân cấp
• Loại tài liệu: Luận văn cao học

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mạng Cảm Biến Không Dây WSN

Mạng cảm biến không dây (WSN - Wireless Sensor Network) là một hệ thống gồm nhiều nút cảm biến được triển khai trong một khu vực nhất định để thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các nút cảm biến có khả năng tự tổ chức thành mạng lưới và hoạt động độc lập. Mạng WSN được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, quân sự, y tế và công nghiệp. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của WSN là tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến. Do các nút được trang bị pin có công suất hạn chế và khó nạp lại, việc tối ưu hóa hiệu quả năng lượng trở thành yêu cầu cấp thiết. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều giao thức định tuyến khác nhau nhằm cải thiện tuổi thọ của mạng và hiệu suất truyền dữ liệu.

1.1. Kiến Trúc Một Nút Cảm Biến

Một nút cảm biến trong mạng WSN bao gồm các thành phần chính: bộ cảm biến (sensor), bộ xử lý (processor), bộ truyền thông (transceiver) và nguồn năng lượng (pin). Bộ cảm biến đo lường các đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. Bộ xử lý điều khiển hoạt động và xử lý dữ liệu. Bộ truyền thông cho phép giao tiếp với các nút khác. Nguồn năng lượng là yếu tố hạn chế chính trong thiết kế WSN, yêu cầu tối ưu hóa mọi thành phần để tiết kiệm điện năng.

1.2. Cấu Trúc Mạng Cảm Biến Không Dây

Mạng WSN thường có cấu trúc phân tán với một trạm gốc (base station/sink) và nhiều nút cảm biến (sensor nodes). Các nút cảm biến được phân bố trong khu vực giám sát và gửi dữ liệu đến trạm gốc. Mạng có thể hoạt động theo chế độ nhiều bước nhảy (multi-hop) để tăng phạm vi truyền. Cấu trúc này cho phép mạng hoạt động tự tổ chức mà không cần cơ sở hạ tầng cố định, giảm chi phí triển khai đáng kể.

II. Định Tuyến Trong Mạng Cảm Biến Phân Cấp

Định tuyến là quá trình lựa chọn đường đi tối ưu để truyền dữ liệu từ các nút cảm biến đến trạm gốc. Trong mạng WSN phân cấp, các nút được tổ chức thành các cụm (clusters) với mỗi cụm có một nút chủ cụm (Cluster Head - CH) đảm nhiệm việc thu thập và chuyển tiếp dữ liệu. Giao thức định tuyến phân cấp giúp giảm lượng truyền thông và tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Các thách thức chính trong định tuyến bao gồm: tính động của mạng khi các nút liên tục chuyển động, sự triển khai các nút mới, hạn chế năng lượng, bảo vệ dữ liệu, quản lý khoảng cách và nhất là việc hợp nhất, tập trung dữ liệu từ nhiều nguồn.

2.1. Các Thách Thức Trong Định Tuyến

Định tuyến hiệu quả trong WSN phải đối mặt với nhiều thách thức. Tính động của mạng khi các nút thường xuyên thay đổi vị trí làm phức tạp việc duy trì bảng định tuyến. Hạn chế năng lượng yêu cầu giao thức phải tối ưu hóa số lần truyền. Các nút có thể triển khai linh hoạt nhưng không dự đoán trước. Bảo vệ dữ liệu và quản lý khoảng cách giữa các nút cũng là vấn đề quan trọng cần xem xét khi thiết kế giao thức.

2.2. Phân Loại Các Giao Thức Định Tuyến

Các giao thức định tuyến trong WSN được phân loại thành ba nhóm chính: giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data-centric), giao thức dựa trên vị trí (location-based), và giao thức phân cấp (hierarchical protocols). Giao thức phân cấp như LEACH và PEGASIS được coi là hiệu quả nhất vì chúng tổ chức mạng thành các cấp bậc, giảm đáng kể lượng truyền thông và tiêu thụ năng lượng so với các loại khác.

III. Các Giao Thức Định Tuyến Phân Cấp LEACH và PEGASIS

LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là giao thức phân cấp đầu tiên được phát triển, sử dụng cơ chế phân cụm (clustering) để tổ chức mạng. Trong LEACH, các nút chủ cụm được chọn ngẫu nhiên trong mỗi vòng (round) để cân bằng tiêu thụ năng lượng. PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems) là cải tiến của LEACH, sử dụng cấu trúc chain thay vì cụm, cho phép dữ liệu được xử lý và hợp nhất dần dần qua các nút. PEGASIS giảm tiêu thụ năng lượng hơn LEACH vì chỉ một nút cần truyền trực tiếp đến trạm gốc. Cả hai giao thức đều có ưu nhược điểm riêng: LEACH đơn giản nhưng tốn nhiều năng lượng cho việc tổ chức cụm, PEGASIS hiệu quả hơn nhưng phức tạp và có độ trễ cao hơn.

3.1. Giao Thức LEACH Tổng Quan và Hoạt Động

LEACH hoạt động theo các vòng (rounds), mỗi vòng gồm hai giai đoạn: thiết lập cụm và truyền dữ liệu. Trong giai đoạn thiết lập, các nút quyết định có trở thành nút chủ cụm hay không dựa trên xác suất ngẫu nhiên. Nút chủ cụm quảng bá thông tin của mình, các nút khác lựa chọn cụm gần nhất để tham gia. Trong giai đoạn truyền dữ liệu, các nút thành viên gửi dữ liệu đến nút chủ cụm, sau đó CH gửi dữ liệu đến trạm gốc. Cơ chế này giúp giảm tiêu thụ năng lượng nhưng tạo ra overhead khi chuyển cụm.

3.2. Giao Thức PEGASIS Tổng Quan và Hoạt Động

PEGASIS tổ chức mạng thành một chain tuyến tính nơi mỗi nút chỉ cần giao tiếp với hai nút lân cận. Quá trình truyền dữ liệu diễn ra từ nút cuối đến nút đầu, dữ liệu được hợp nhất tại mỗi nút. Chỉ một nút được chọn ngẫu nhiên để gửi dữ liệu cuối cùng đến trạm gốc. Cách tiếp cận này giảm tiêu thụ năng lượng đáng kể so với LEACH nhưng tăng độ trễ truyền dữ liệu và phức tạp tính toán.

IV. Mô Phỏng Giao Thức Định Tuyến Trong WSN

Mô phỏng là phương pháp quan trọng để đánh giá hiệu suất của các giao thức định tuyến trước khi triển khai thực tế. OMNeT++ là công cụ mô phỏng mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng nghiên cứu WSN. OMNeT++ cho phép mô hình hóa chi tiết các thành phần của mạng, mô phỏng hoạt động của các nút cảm biến, và đo lường các chỉ số hiệu suất như tuổi thọ mạng, tiêu thụ năng lượng, độ trễ truyền, và tỷ lệ mất gói. Bằng cách mô phỏng các giao thức định tuyến khác nhau, người nghiên cứu có thể so sánh hiệu quả của chúng và đề xuất các cải tiến. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở dữ liệu đáng tin cậy để đánh giá và tối ưu hóa thiết kế mạng cảm biến.

4.1. Giới Thiệu Công Cụ OMNeT

OMNeT++ là nền tảng mô phỏng mã nguồn mở được xây dựng dựa trên mô hình mô-đun phân cấp. Nó cung cấp môi trường phát triển tích hợp (IDE) để tạo mô hình mạng phức tạp. OMNeT++ hỗ trợ nhiều thư viện mô phỏng WSN như INET, SimuLTE. Công cụ này cho phép người dùng định nghĩa các giao thức, cấu hình tham số mạng, chạy mô phỏng và phân tích kết quả. OMNeT++ sử dụng ngôn ngữ NED để mô tả cấu trúc mạng và C++ để triển khai logic giao thức, cung cấp sự linh hoạt và hiệu suất cao cho mô phỏng.

4.2. Thực Hiện Mô Phỏng PEGASIS

Mô phỏng PEGASIS trong OMNeT++ bao gồm các bước: định nghĩa cấu trúc chain mạng trong tệp NED, triển khai giao thức PEGASIS bằng C++, cấu hình các tham số mô phỏng như số lượng nút, năng lượng ban đầu, điều kiện truyền thông. Mô phỏng chạy trong nhiều vòng (rounds) để đánh giá hiệu suất dài hạn. Kết quả mô phỏng được thu thập và phân tích để so sánh PEGASIS với LEACH, đánh giá tuổi thọ mạng, tiêu thụ năng lượng, độ chính xác dữ liệu. Các chỉ số hiệu suất này giúp xác nhận tính hiệu quả của giao thức phân cấp trong thiết kế WSN thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I1: Dịnh tuyển trong mạng cảm biến. Chương II: Giao thức định tuyển phần cấp LEACH và PEGASIS. + & Chương IV: Mö phỏng hoạt dộng dịnh tuyến trong mạng WS5N. Chương, +* nay em tim hiểu hoạt động của mạng WSN qua mô phỏng có sẵn.

Bé hoàn thành được luận văn nảy, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về xnặt kiểu thức cũng như kinh nghiệm cúa cô giáo: 18. Trân Thị Ngọc Lan, người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận vấn. Mặc dù đã nỗ lực có gắng, song với thời gian hạn chế, quyển Juan văn chắc chắn không thể tránh khối thiểu sót, rất mong nhàn dược sự dong góp, chỉ bảo của thay giáo, cô giáo. Tầm xin chân thành câm ơn! Hà Nội ngày — tháng 3 năm 2015 l1ẹc viên Nguyễn Quang Đạo Nguyễn Quang Đạo, 12BKTTTI x Lun van cao hoc Tịnh tuyến trong mạng cảm biển phan cấp DANH MỤC HÌNH VẼ Tình 1.1: Mô hình của mạng cắm hiến.2: Thiết bị “mơte” của Hericeley .3: Các thành phần của một nút cảm biên w Tình 1.4: Câu trúc mựng cắm biển không dây.5: Kiến trúc giao thức của mạng, căm biển.6: Cau trúc phẳng, Hinb 1.7; Cau tric tang .8: Cầu trúc mạng phần cấp chức năng theo lớp.9: Cau tric mạng phân lớp xép tang Hình 1.10: Cầu trúc mạng phân cấp logic.11: Ngôi nhà thêng minh sử dụng cảm biến.12: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng Tình 2.1: Phân loại giao [hức chọn đường trong WSN Tlinh 2.2: Truyền gói trong flooding Tình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay của SPTN.4: Hoạt dộng của SPTX.5: Hoạt động co bản của Directed Diffusion Tình 2.6: Hoạt động của GAF Hình 2.7: Sự chuyên trang thai trong GAF.8: Tioạt động của GHAR.9: Chuyển tiếp địa lý đệ quy Hình 2.10: Tim điểm ngắn nhật dựa trên mô hình Voronol.

Tĩnh 2 Ì 1: Mô hình phân cap cia giao thc TEEN Hình 3.1: Trang thái các phase của LBACH.2: Lam để thuật toán phản bổ của LI4ACH1.3: Tam đồ hoạt động én định trạng thái của LEACH Tình 3.5: Mô hình mạng cẵm biếu chuy giao thức định Iuyễn IRACH. Nguyễn Quang Đạo, 12BKTTTI iv Luan van cao hoc Tịnh tuyến trong mạng cảm biển phan cấp REQ Request Ban bin yéu chu SAR Sensor Aggregales Routing Giao thức cảm biên kết hợp Sensor Management - SMP Giao thứo quản lý cảm biển Protocol SPTN Sensor Protocols for Giao thức thông tin cảm biến thông ` Information via Negotiation qua sự đảm phán Transmission Control Am. - TCP Giao thức điều khiển truyền tái Protocol Task Assigument and Data Da truy nhap va phan chia theo tha TDMA - - Advertisement Protocol gian WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biển không dây Wireless Local Area WLAN Mang Lan khéng day Network Nguyễn Quang Đạo, 12BKTTTI vii Luan van cao hoc Tịnh tuyến trong mạng cảm biển phan cấp THUẬT NGỮ VIẾT TÁT Từ viết tái. Tiếng Anh TiếngV ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đối tương bự - Số ADV Advertise Ban in quảng cáo BS Base station (Sink) Tram gốu cH Cluster Head Nut chu cum Code Division Multiple CDMA Đa truy nhập phân chứa theo mnã Access CSMA Carrier Sense Multiple ip Truy ty cậpcập đườngđường truyền truy: có lang lắng nghe nel Access song mang Geographic Adaptive : GAF Giải thuật chính xác theo địa lý Fidelity Geographic and Energy- : Định tuyển theo vùng địa lý sử dì GEAR Aware ¥ Ne ONS hiệu quả năng lượng Routing GPS Global Positioning 3ystem — Hệ thống định vụ toàn cầu ID Identifier Mã nhận dạng Institute of Llectrical and TEEE ; Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronic Engineers Industrial, scientific, and - : ISM Công nghiệp, khoa học, y tế medical Low-Energy Adaptive Giao thức phản cấp theo cụm.

LEACH ney phan cap. Clustering Tierarchy thich img nang luong thap MAC Media Access Control Diéu khién tray c4p duéng trryén Power-efficient Gathering in Tập rmg hiệu suat nang long tron PEGASIS. 8 pee ngang Sensor honnalion 8ystem — hệ thống thông tin cấm biến QoS Quality of Service Chat luong dich vu Nguyễn Quang Đạo, 12BKTTTI vị Luan van cao hoc Tịnh tuyến trong mạng cảm biển phan cấp THUẬT NGỮ VIẾT TÁT Từ viết tái. Tiếng Anh TiếngV ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đối tương bự - Số ADV Advertise Ban in quảng cáo BS Base station (Sink) Tram gốu cH Cluster Head Nut chu cum Code Division Multiple CDMA Đa truy nhập phân chứa theo mnã Access CSMA Carrier Sense Multiple ip Truy ty cậpcập đườngđường truyền truy: có lang lắng nghe nel Access song mang Geographic Adaptive : GAF Giải thuật chính xác theo địa lý Fidelity Geographic and Energy- : Định tuyển theo vùng địa lý sử dì GEAR Aware ¥ Ne ONS hiệu quả năng lượng Routing GPS Global Positioning 3ystem — Hệ thống định vụ toàn cầu ID Identifier Mã nhận dạng Institute of Llectrical and TEEE ; Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronic Engineers Industrial, scientific, and - : ISM Công nghiệp, khoa học, y tế medical Low-Energy Adaptive Giao thức phản cấp theo cụm.

LEACH ney phan cap. Clustering Tierarchy thich img nang luong thap MAC Media Access Control Diéu khién tray c4p duéng trryén Power-efficient Gathering in Tập rmg hiệu suat nang long tron PEGASIS. 8 pee ngang Sensor honnalion 8ystem — hệ thống thông tin cấm biến QoS Quality of Service Chat luong dich vu Nguyễn Quang Đạo, 12BKTTTI vị Lun van cao hoc Tịnh tuyến trong mạng cảm biển phan cấp LOI NOIDAU Treng những năm gần đây, cảng nghệ và truyền thông đã đạt được những bước phát triển ẩn tượng vả dang dỏng vai trẻ thiết yếu trong cuộc sóng của con người. Chính sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã làm cho hoạt động trao đổi thông tỉn trỡ thành một đặc trưng của xã hỏi hiện đại.

Tuy nhiên, xã hội cảng tiến bộ thì những nhu cầu của con người ngày cảng phong phú và khắt khe hơn. Đề đáp ứng được tắt yêu câu đó, đôi hỏi những người trong lnh vực nghiên cứu khoa hoc phải không ngĩmg sáng tạo để tìm ra rhững giải pháp công nghệ mới, không, những chỉ đáp ứng tốt nhu cầu hiện tại của xã hội. mà còn định hưởng cho những, tìng dụng mới trong tương lai. Sự ra đời của mạng cảm biến không dây WSN được đánh giá là một trong rhững ví dụ điển hình của những giải pháp công nghệ như vậy.

Mang WSN có những ưu thế vượt trội như khả năng ứng dụng phong phú, chỉ phí triển khai thấp do các núi mạng có giá thành rễ, tiêu thụ ít trắng lượng nhưng, van đảm báo khá năng cám biến vả truyền thông tất. Tuy nhiên, bắt cử một hệ thông, tảo có tính lình hoạt và ứng đụng rộng rãi cũng đều phãi đổi mặt với rất nhiều thách thức, và WRfN cũng không phải là một ngoại lệ, Một trong những thách thức lớn nhất của mạng cám biến là nguồn năng lượng của các mút cám biến bị giới hạn và không thé nap lại. Để giải quyết vẫn đẻ đó, hiện nay, rât nhiều hướng nghiên cứu đang tập trung vào việc lìm ra giải pháp để cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả nguồn nàng lượng cho mạng cảm biến nhưng đáng chú ý nhất là phương pháp sử đụng giao thức định tuyển phủ hợp. Kết quả ä rất nhiều giao thức định tuyển đã được đưa ra, trong đó, những giao thức định tuyển phan cấp được đánh giá là rất hiệu quả Để mắm bắt được muội công nghệ mới là mội.

việc rất khó khăn, đo đó, luận vẫn này em không tìm hiểu toàn bộ các giao thức dịnh tuyển mả tập trung vào tìm hiểu. “Định tuyển trong mạng căm biến phân cấp” Dề tài được trình bày trong 4 chương Nguyễn Quang Đạo, 12BKTTTI vi Luan van cao hoc Tịnh tuyến trong mạng cảm biển phan cấp THUẬT NGỮ VIẾT TÁT Từ viết tái. Tiếng Anh TiếngV ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đối tương bự - Số ADV Advertise Ban in quảng cáo BS Base station (Sink) Tram gốu cH Cluster Head Nut chu cum Code Division Multiple CDMA Đa truy nhập phân chứa theo mnã Access CSMA Carrier Sense Multiple ip Truy ty cậpcập đườngđường truyền truy: có lang lắng nghe nel Access song mang Geographic Adaptive : GAF Giải thuật chính xác theo địa lý Fidelity Geographic and Energy- : Định tuyển theo vùng địa lý sử dì GEAR Aware ¥ Ne ONS hiệu quả năng lượng Routing GPS Global Positioning 3ystem — Hệ thống định vụ toàn cầu ID Identifier Mã nhận dạng Institute of Llectrical and TEEE ; Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronic Engineers Industrial, scientific, and - : ISM Công nghiệp, khoa học, y tế medical Low-Energy Adaptive Giao thức phản cấp theo cụm. LEACH ney phan cap.

Clustering Tierarchy thich img nang luong thap MAC Media Access Control Diéu khién tray c4p duéng trryén Power-efficient Gathering in Tập rmg hiệu suat nang long tron PEGASIS. 8 pee ngang Sensor honnalion 8ystem — hệ thống thông tin cấm biến QoS Quality of Service Chat luong dich vu Nguyễn Quang Đạo, 12BKTTTI vị Lun van cao hoc Tịnh tuyến trong mạng cảm biển phan cấp Hình 3.6: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy.7: Xứ lý lỗi khi một node trong chuỗi chết.8: Khắc phục trễ của PEGASIS - - - 60 Hình 3.9: Cầu trúc mạng hình chuỗi.1: Mê phỏng mạng trong OMNeT++.2: Câu trúc phân cắp module trong OMNET I ¡ - - 66 Hình 4.3: Các kết nối trong OMNel+—.4: Truyền ban tin.5: Mô hình mô phông nút cảm biến.6: Chọn node chỗ và thu thập dữ liệu bằng LEACH.7: Tạo chuỗi và chọn nođe chủ trong PEGASTS. - 75 Tình 48: Thuật Loán chọn node chữ chạy trung Limg nođe - - 76 Hình 4.9: Thuật toàn thu thập đữ liệu bằng TOKHN. DANH MUC BANG BIEU Bảng 3.1: So sánh khá năng của PEGASIS và LHACH.Ô3 Nguyễn Quang Đạo, 12BKTTTI v Lun van cao hoc Tịnh tuyến trong mạng cảm biển phan cấp DANH MỤC HÌNH VẼ Tình 1.1: Mô hình của mạng cắm hiến.2: Thiết bị “mơte” của Hericeley .3: Các thành phần của một nút cảm biên w Tình 1.4: Câu trúc mựng cắm biển không dây.5: Kiến trúc giao thức của mạng, căm biển.6: Cau trúc phẳng, Hinb 1.7; Cau tric tang .8: Cầu trúc mạng phần cấp chức năng theo lớp.9: Cau tric mạng phân lớp xép tang Hình 1.10: Cầu trúc mạng phân cấp logic.11: Ngôi nhà thêng minh sử dụng cảm biến.12: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng Tình 2.1: Phân loại giao [hức chọn đường trong WSN Tlinh 2.2: Truyền gói trong flooding Tình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay của SPTN.4: Hoạt dộng của SPTX.5: Hoạt động co bản của Directed Diffusion Tình 2.6: Hoạt động của GAF Hình 2.7: Sự chuyên trang thai trong GAF.8: Tioạt động của GHAR.9: Chuyển tiếp địa lý đệ quy Hình 2.10: Tim điểm ngắn nhật dựa trên mô hình Voronol.

Tĩnh 2 Ì 1: Mô hình phân cap cia giao thc TEEN Hình 3.1: Trang thái các phase của LBACH.2: Lam để thuật toán phản bổ của LI4ACH1.3: Tam đồ hoạt động én định trạng thái của LEACH Tình 3.5: Mô hình mạng cẵm biếu chuy giao thức định Iuyễn IRACH .