Luận văn: Nghiên cứu & thử nghiệm định tuyến phân cấp trong mạng WSN

Luận văn nghiên cứu giao thức định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến không dây (WSN), phân tích và mô phỏng các giải thuật LEACH, PEGASIS.

• Tác giả: Lê Gia Hòa
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Kim Khánh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Giao thức định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến không dây
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giao thức Định tuyến Phân cấp trong Mạng Cảm biến Không dây

Giao thức định tuyến phân cấp là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây (WSN). Mạng WSN được tạo thành từ hàng ngàn nút cảm biến nhỏ, được cấp nguồn bởi pin có dung lượng giới hạn. Do đó, việc phát triển các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng là yêu cầu cấp bách để kéo dài thời gian hoạt động của hệ thống. Mô hình phân cấp chia mạng thành các cụm (clusters) với các nút đầu cụm (cluster heads) đóng vai trò trung gian, giúp giảm khoảng cách truyền dữ liệu và tiêu thụ năng lượng. Phương pháp này đã chứng minh hiệu quả trong các ứng dụng giám sát môi trường, y tế, và công nghiệp.

1.1. Khái niệm Mạng Cảm biến Không dây

Mạng cảm biến không dây là hệ thống gồm nhiều nút cảm biến tự thiết lập, có khả năng thu thập, xử lý và truyền thông dữ liệu. Mỗi nút cảm biến bao gồm phần cứng (cảm biến, bộ xử lý, bộ phát sóng) và phần mềm (hệ điều hành, ứng dụng). WSN được ứng dụng rộng rãi trong giám sát thực thời, từ đó nâng cao hiệu suất quản lý và giảm chi phí vận hành.

1.2. Thách thức Chính trong WSN

Các thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây bao gồm: giới hạn năng lượng (pin có dung lượng hạn chế), giới hạn băng thông (khả năng truyền tải dữ liệu), giới hạn phần cứng (bộ xử lý yếu), và nhiễu bên ngoài. Việc tối ưu hóa giao thức định tuyến là giải pháp then chốt để vượt qua những hạn chế này.

II. Các Giao thức Định tuyến Phân cấp Phổ biến

Trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, có nhiều giao thức định tuyến phân cấp được phát triển với mục tiêu tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng. Các giao thức này sử dụng mô hình phân cấp (hierarchical clustering) để chia mạng thành các cụm nhỏ, giúp giảm quãng đường truyền dữ liệu. Những giao thức tiêu biểu bao gồm LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy), LEACH-C (LEACH Centralized), PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems), và STAT-CLUSTER. Mỗi giao thức có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn giao thức phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống và đặc tính của môi trường triển khai.

2.1. Giao thức LEACH

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một trong những giao thức định tuyến hiệu quả nhất được sử dụng rộng rãi. LEACH chia mạng thành các cụm (clusters) với nút đầu cụm (cluster heads) được lựa chọn ngẫu nhiên theo từng vòng. Các nút thường gửi dữ liệu đến cluster head, sau đó cluster head thực hiện tổng hợp dữ liệu (data aggregation) trước khi gửi tới trạm gốc. Phương pháp này giúp giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng so với các giao thức khác.

2.2. Giao thức PEGASIS

PEGASIS là cải tiến của LEACH, sử dụng mô hình chuỗi (chain-based model) thay vì cụm. Mỗi nút chỉ truyền dữ liệu đến nút láng giềng gần nhất trong chuỗi, giảm năng lượng tiêu thụ cho truyền phát. Giao thức định tuyến PEGASIS đạt hiệu suất cao hơn LEACH trong việc kéo dài thời gian sống mạng (network lifetime) nhờ cơ chế truyền dữ liệu hiệu quả hơn.

III. Mô phỏng và Đánh giá Giao thức Định tuyến

Để đánh giá hiệu suất của các giao thức định tuyến phân cấp, các nhà nghiên cứu sử dụng các công cụ mô phỏng như NS2 (Network Simulator 2). NS2 cung cấp môi trường mô phỏng chi tiết cho mạng cảm biến không dây, cho phép kiểm tra hiệu suất thông qua các thị số quan trọng. Quá trình mô phỏng bao gồm: thiết lập cấu trúc mạng, triển khai các nút cảm biến, áp dụng giao thức định tuyến, và theo dõi các chỉ số như tiêu thụ năng lượng, số lượng nút còn sống theo thời gian, và tỉ lệ dữ liệu nhận được. Thông qua mô phỏng, có thể so sánh hiệu suất của các giao thức khác nhau và đưa ra khuyến nghị cho ứng dụng thực tế. Các kết quả mô phỏng cho thấy LEACH và PEGASIS có hiệu suất vượt trội trong việc tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng.

3.1. Công cụ NS2 và Quá trình Mô phỏng

NS2 là một trình mô phỏng mạng mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi để mô phỏng mạng cảm biến không dây. Công cụ này cho phép các nhà nghiên cứu tạo các kịch bản mô phỏng phức tạp với hàng trăm nút cảm biến. Các thao tác mô phỏng bao gồm: cấu hình tôpô mạng, thiết lập các tham số giao thức, chạy mô phỏng, và phân tích kết quả chi tiết qua các file trace.

3.2. Các Chỉ số Đánh giá Hiệu suất

Để đánh giá giao thức định tuyến phân cấp, các chỉ số quan trọng bao gồm: tiêu thụ năng lượng toàn mạng, số nút còn sống theo thời gian, tỉ lệ gói dữ liệu nhận được ở trạm gốc, và hiệu quả năng lượng (energy efficiency). Những chỉ số này giúp xác định hiệu suất tối ưu của từng giao thức trong các điều kiện khác nhau.

IV. Ứng dụng và Hướng phát triển Tương lai

Giao thức định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến không dây đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, bao gồm: giám sát môi trường, y tế thông minh, nông nghiệp chính xác, và công nghiệp 4.0. Các ứng dụng này yêu cầu các hệ thống WSN hoạt động liên tục trong thời gian dài với tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Hướng phát triển tương lai của giao thức định tuyến bao gồm: kết hợp machine learning để tối ưu hóa lựa chọn cluster heads, sử dụng năng lượng tái tạo (pin năng lượng mặt trời), và phát triển các giao thức thích ứng với các điều kiện mạng động. Các nghiên cứu mới cũng tập trung vào việc tối ưu hóa tổng hợp dữ liệu (data aggregation) và giảm độ trễ truyền dữ liệu (latency) trong khi vẫn duy trì tiết kiệm năng lượng.

4.1. Ứng dụng Thực tế của WSN

Mạng cảm biến không dây được triển khai thành công trong: giám sát môi trường thực thời (nhiệt độ, độ ẩm, chất ô nhiễm), hệ thống y tế thông minh (theo dõi sức khỏe bệnh nhân), nông nghiệp chính xác (tưới tiêu tự động), và quản lý công nghiệp. Các ứng dụng này yêu cầu giao thức định tuyến hiệu quả để đảm bảo hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ mạng lên hàng năm.

4.2. Những Hướng phát triển Mới

Các hướng phát triển tương lai bao gồm: tích hợp Artificial Intelligence để tối ưu hóa định tuyến động, sử dụng năng lượng tái tạo như pin mặt trời, phát triển giao thức phân tán (distributed protocols) cho các mạng lớn, và cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS). Những hướng phát triển này sẽ giúp WSN trở thành công nghệ cốt lõi của các ứng dụng IoT trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không đây Chương 2: Định tuyên trong mạng căm biến không day Chương 3: Giao thức định tuyển theo mô hình phần cấp Chương 4: Sử dụng NS2 dễ mô phỏng WSN, nghiên cứu và phân tích các giải thuật LHÁCH, LEACH-C, SLAT-CLUOS, PEGASIS. Mục đích nghiên cứu Luận văn này thục hiện với mục đích tim hiểu nghiên cửu các phương pháp xây dựng mạng cảm biển dựa tiên các kỹ thuật, các giao thức định tuyển trên mạng không dây. Trên cơ sé dé, dễ tải sẽ mö phúng mạng không, dây đề nghiên cứu các vẫn đẻ về năng lượng, thời gian sống, đữ liệutuyền và thời gian bế trên trạm gốc. Để đáp ứng mục dích dễ tải cần tìm hid thuyết mạng cám biến không dây, nghiên cứu và thử nghiệm 1uột số giao thức định tuyên theo mö hình phân cấp thông qua các phần mềm mô phỏng.

Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu: «- Đối lượng nghiên cứu Nghiên cửu lý thuyết và ứng dụng của mang cảm biển không dây. Phan mềm mô phóng để xây dụng và thứ nghiệm mạng cảm biển. © Phạm vinghiên cứu Nghiên cứn cáo kỹ thuật xây đựng mạng cảm biến không day, cdc giao thúc định tuyến, đặc biệt để lải lập tru nghiên cứu giao thức đmh tuyển theo mỏ hình phản cập. Phương pháp nghiên cứu Thu thập các lài liệu Hiến quan, phần tích các thông tin liên quan đến để Thương pháp chính được sử dụng là phương pháp mô phông.

Thay vì triển khai trên hệ thống thực sẽ gặp nhiều khó khăn, chúng tỏi tiến hành mô phỏng và đánh giá kết quá đạt được thông qua phẩn mềm mô phỏng, Thần mềm mồ phỏng là phần mềm S2. Đổ tải đã tập trung nghiên cứu vả thử nghiệm các giao thức dịnh tuyến theo mô hình phân cấp đó là các giao thúc LEACTI, LUACH €, STAT- CLUSTER, PEGASIS. 5o sánh và đánh giá các thông số liên quan như: Số mrút mạng cỏn sống theo thời gàan, Năng lượng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian, Tỉ lệ nút/ số byte nhận được ở gốc, Tí lệ dữ liệu năng hrong vv. DANH MUC CAC KY HIEU, CAC CHU VIET TAT Tir viet fat Nghia tidng Anh Nghĩa tiếng Việt BS Base Station ‘Tram eơ sở, nút gốc cH Cluster Hoad Nút chủ cụm CSMA Canrier sense multiple access Đa truy nhập cám biến sóng mang TDMA Frequency division multiple Đa ty nhập phân chia theo tấn số access GPS Global Possilion System Wé théng din vi toan câu.

LEACH Low cnergy adaptive clustering] Phan cáp cạm thích nghĩ với nang lượng hicrarchy thập LEACH-C | Lơw cneteyadaplive clustering | LEACH-—Tậptrung hicrarchy- Centralized MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi trường truyền din NAM Network Animator Mô tá mạng bảng hình ánh động, NS-2 Network Simulator version 2 Phần mễm mô phỏng mạng phiên bản2 Oid Objevt-oriented tool command — | Nyon ngit didu khién bing lệnh hướng, language đổi tượng PA Power available Mức răng lượng hỉ PEGASIS | Power-Efficient Gathering in 'Tập hợp đữ liệu hiệu quả về năng lượng, Sensor Information Systems cho các hệ thông thông tin cảm biến Qos Quality of service Chất lượng dịch vụ SPIN Sensor protocols for information | Các giao [hức thông tin sensor thong via negotiation qua Thỏa thuận STAT- Status Cluster Phan chia cụm một lẫn rỗi cỗ địnÏr CLUS TDMA Time division muftipte ac Đa truy riiệp phân chia thea thai gian TORA Temporally Ordered Routing Định tuyến bằng thuật toán tìm đường, Algorithm tuần lự theo thời gian WINS Wireless Integrated network Mạng các thiệt bị cảm biến tích hợp sensors thiết bi thn phat khong day WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây WSN Wireless sensor network Mang cảm biển Không đây DANH MUC CAC KY HIEU, CAC CHU VIET TAT Tir viet fat Nghia tidng Anh Nghĩa tiếng Việt BS Base Station ‘Tram eơ sở, nút gốc cH Cluster Hoad Nút chủ cụm CSMA Canrier sense multiple access Đa truy nhập cám biến sóng mang TDMA Frequency division multiple Đa ty nhập phân chia theo tấn số access GPS Global Possilion System Wé théng din vi toan câu. LEACH Low cnergy adaptive clustering] Phan cáp cạm thích nghĩ với nang lượng hicrarchy thập LEACH-C | Lơw cneteyadaplive clustering | LEACH-—Tậptrung hicrarchy- Centralized MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi trường truyền din NAM Network Animator Mô tá mạng bảng hình ánh động, NS-2 Network Simulator version 2 Phần mễm mô phỏng mạng phiên bản2 Oid Objevt-oriented tool command — | Nyon ngit didu khién bing lệnh hướng, language đổi tượng PA Power available Mức răng lượng hỉ PEGASIS | Power-Efficient Gathering in 'Tập hợp đữ liệu hiệu quả về năng lượng, Sensor Information Systems cho các hệ thông thông tin cảm biến Qos Quality of service Chất lượng dịch vụ SPIN Sensor protocols for information | Các giao [hức thông tin sensor thong via negotiation qua Thỏa thuận STAT- Status Cluster Phan chia cụm một lẫn rỗi cỗ địnÏr CLUS TDMA Time division muftipte ac Đa truy riiệp phân chia thea thai gian TORA Temporally Ordered Routing Định tuyến bằng thuật toán tìm đường, Algorithm tuần lự theo thời gian WINS Wireless Integrated network Mạng các thiệt bị cảm biến tích hợp sensors thiết bi thn phat khong day WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây WSN Wireless sensor network Mang cảm biển Không đây Hình 3.12: : Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS Linh 3.13: : Biểu đồ giao thức li-LUACH.14: Giao tức M-TEACH Hình 3.15: : Định tuyến của giao thức Multihop-LBACH.16: Dinh tuyén PIGASIS phan cấp Hình 4.1 Mô hình dơn giản của NS Hình 4.2: Lông các sự kiện cho file Tel chạy trong X8 THỉnh 4.3: Sự tương đồng giữa C++ và OTel Hình 4.4 Kién trúc của NS Linh 4.5: Sự hoạt động của NR Hinh 1.6: Tổ chức thu muc NS2 Hinh 4.7 Tiến Irúc MTT Tlinh 4.8: Topo 100 nit mang, Hình 49: Số mút CH theo thời gian. Hình 410: Số núi CH tối on Hình 4.11 : Tổng số nút còn sống theo thời gian Hình 4.12 Số phân tăm mit. : Tổng số nút còn sống theo thời gian.14: Tổng số nút cỏn sông theo thời gian.15: Tổng số nút năng lượng tiêu thụ theo thời gian Hình 4.16 : Ty lệ nủữ số byte nhận dược ở trạm góc THỉnh 4.

: Tỷ lệ đử liệu năng lượng DANH MỤC CÁC BẰNG Bang 1.1: "Phân loại và so sánh các giao thức định tuyển trong mạng WSN Bang 4.1: Phan cum va chọn nit chi cum theo vòng, DANILMUC CAC HINDI VE, DO TOT Hình M6 binh mang odm bién khong day 1.2: Mạng đơn bude (A) va mang da bude (3) THỉnh 1.3: Phân cúng và phân mềm của nút Tình 1.4 Kiến trúc phẳng Linh 1.5: Kiên trie phan cap hai ting Hinh 1.6: Mang hình sao đa bước Hình 1.7 Mạng đu chặng lưới và ô vuông THỉnh 1.8: Mang phn ofp cum hai ting Hình 1.9: Kiên trúc giao thức của mạng cãmn biển.10: Ung dang cia WSN trong quản sự Hình 1.L1: Ứng dụng cánh báo chảy rừng, Tình 1.12: Ứng dựng trong y tế Hình 2.1: Phân loại giao thức dịnh tuyén trong mang WSN Linh 3.1: Cầu trúc của giao thức định tuyển theo mé hinh phân cấp Hinh 3.2: Giao thie LEACH Hình 3.3: Các pha của giao thức LSACH theo thời gian Tlinh 3.4: Giải thuật thành lập cụm trong LIIACTIT Hình 3.5: Sự hình thành cụm ở 3 vòng khác nhau Hình 3.6: M6 hình Leach ở pha ổn định TIoạt động của pha ổn định trong LEACII THỉnh 3.8: Hoại động của 1.EACH trong tội vòng, Linh 3.9: Sự ánh hướng của kênh phát sóng.10: Pha thiét lap cia LEACH —C Hinh 3.14 Xây đựng chuối sử dụng thuậi toản Grecdy LOI CAM DOAN Tôi Lễ Gia Hỏa cam doan dây là công trình nghiên cứu của bản thân. tôi dưới sự hướng dẫn của Tién sĩ Nguyễn Kim Khánh Cae số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng dược ai công bố trong bắt kỳ công trình mào khác. Tác giả luận văn Lé Gia Hoa MO PAU 1. Lý do chọn đề tải: Ngày nay mạng không đây đã phố biến ở gia đình, cơ quan hoặc nơi công công nhưng với sự phát triển mạnh mế của công nghệ mạng cảm biển không dây (Wireless Sensor Networks WBSN) mả mạng WSN đã có những, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống.

Mạng cảm biên không dây là sự k é hop của việu cảm nhận thông tin, tính toản và truyền thông vào trong các thiết bị cảm biến nhỏ. Thế mạnh của mạng WSN ở chỗ nó có khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị cảm biến có khả năng tự thiết lập câu hình cho hệ thống, Sử dụng những thiết bị nảy dễ theo dõi thông lin môi ưường vat ly, hóa học, sinh học v. theo thởi gian thực. Nhược điểm lớn nhất của hệ thông mạng cảm biên không đây là thời gảan sống của các nút cảm biến là giới hạn vì chúng được cấp nguồn bởi pin.

Những nghiên cứu mới nhất hiện nay liên quan đến hiệu quá năng lượng của tang cảm biển không dây nhằm: giúp hệ thống hoại động hiệu quả, thời gian sống lâu hơn có nghĩa là mạng không dây én dinh hon. Các nghiên cửa cho thây giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng giúp giảm múc tiêu thụ năng lượng cho các nút câm biến nhờ vậy thời gian sống tăng lên. Trước xu thể phát triển nhanh chỏng của mạng cám biển không dây. Căn cử tình hình thực tế cần các hệ thống WSN đề phục vụ cho nhiều lĩnh vực tôi đã chọn hướng.

nghiên cứu là “Nghiên cửu và thử nghiệm giao thúc định tuyến theo mô hình phân cấp trong mạng cảm biến không day”. Luan van gdm cá 4 chương: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không đây Chương 2: Định tuyên trong mạng căm biến không day Chương 3: Giao thức định tuyển theo mô hình phần cấp Chương 4: Sử dụng NS2 dễ mô phỏng WSN, nghiên cứu và phân tích các giải thuật LHÁCH, LEACH-C, SLAT-CLUOS, PEGASIS.12: : Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS Linh 3.13: : Biểu đồ giao thức li-LUACH.14: Giao tức M-TEACH Hình 3.15: : Định tuyến của giao thức Multihop-LBACH.16: Dinh tuyén PIGASIS phan cấp Hình 4.1 Mô hình dơn giản của NS Hình 4.2: Lông các sự kiện cho file Tel chạy trong X8 THỉnh 4.3: Sự tương đồng giữa C++ và OTel Hình 4.4 Kién trúc của NS Linh 4.5: Sự hoạt động của NR Hinh 1.6: Tổ chức thu muc NS2 Hinh 4.7 Tiến Irúc MTT Tlinh 4.8: Topo 100 nit mang, Hình 49: Số mút CH theo thời gian. Hình 410: Số núi CH tối on Hình 4.11 : Tổng số nút còn sống theo thời gian Hình 4.12 Số phân tăm mit. : Tổng số nút còn sống theo thời gian.14: Tổng số nút cỏn sông theo thời gian.15: Tổng số nút năng lượng tiêu thụ theo thời gian Hình 4.16 : Ty lệ nủữ số byte nhận dược ở trạm góc THỉnh 4.

: Tỷ lệ đử liệu năng lượng LOI CAM DOAN Tôi Lễ Gia Hỏa cam doan dây là công trình nghiên cứu của bản thân.