ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------------*--------------- LƯU HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------------*--------------- LƯU HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Ngành: Kỹ thuật điện tử - viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Vương Đạo Vy Hà Nội - 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC MỤC LỤC. 1 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. Cấu trúc mạng cảm biến không dây.1 Cấu trúc phẳng .2 Cấu trúc phân cấp.
Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây .1 Năng lượng tiêu thụ .3 Loại hình mạng .4 Tính bảo mật .6 Tính di động .4 Những khó khăn trong việc phát triển mạng không dây .1 Giới hạn năng lượng .2 Giới hạn về giải thông .3 Giới hạn về phần cứng .4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài. 17 CHƢƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .1 Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng. Ràng buộc về tài nguyên .3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến. Cách truyền dữ liệu .2 Các giao thức định tuyến trong WSN .1 Các giao thức xét theo cấu trúc mạng .2 Các giao thức phân cấp.3 Giao thức định tuyến dựa theo vị trí .4 Các giao thức định tuyến xét theo hoạt động.
41 CHƢƠNG 3: KIẾN TRÚC GIAO THỨC LEACH .2 Pha thiết lập .3 Pha ổn định .4 Tổng hợp dữ liệu .3 Phân chia cụm cố định (Stat-Cluster) .4 Năng lượng truyền tối thiểu (Minimum Transmit Energy). 59 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .1 Giới thiệu về NS-2 .3 Các đặc tính của NS-2 .4 Mô phỏng mạng cảm biến không dây trên NS-2 .1 Bài toán mô phỏng .2 Mô hình phần mềm. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 88 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây .2 Cấu trúc phẳng .3 Cấu trúc phân cấp .4 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp .1 Phân loại giao thức chọn đường trong WSN .2 Cơ chế của SPIN .3 Các pha trong Directed Diffusion .4 Chuỗi trong PEGASIS .5 Time line cho hoạt động của TEEN .6 Ví dụ về lưới ảo trong GAF .7 Sự chuyển trạng thái trong GAF .8 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR .1 Giao thức LEACH.2 Time-line hoạt động của LEACH .3 Giải thuật hình thành cluster trong LEACH .4 Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau (nút đen là nút chủ) .5 Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái .6 Hoạt động của pha ổn định trong LEACH .7 Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng .8 Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng .9 Đồ thị so sánh năng lượng sử dụng khi có và không có tổng hợp dữ liệu cục bộ .10 Pha thiết lập của LEACH-C .11 Hoạt động của giao thức MTE .12 Ảnh hưởng giữa các cụm gần nhau .13 Ảnh hưởng khi một nút dùng công suất phát khá lớn để giao tiếp với nút chủ của nó .1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng .2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS .3: Kiến trúc của NS-2.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B .6 Mô hình cấu trúc phần mềm xây dựng trên NS-2 .7 Số nút mạng còn sống theo thời gian .8 Năng lượng tiêu thụ của toàn mạng theo thời gian .9 Tỉ lệ nút/số bytes nhận được ở trạm gốc .10 Tỉ lệ dữ liệu / năng lượng .11 Biểu đồ trễ tín hiệu tại trạm gốc.12 Số nút mạng còn sống theo thời gian .13 Năng lượng tiêu thụ của toàn mạng theo thời gian .14 Tỉ lệ nút/số bytes nhận được ở trạm gốc.
77 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.15 Tỉ lệdữ liệu / năng lượng .16 Biểu đồ trễ tín hiệu tại trạm gốc.17 Số nút mạng còn sống theo thời gian .18 Năng lượng tiêu thụ của toàn mạng theo thời gian .19 Tỉ lệ nút/số bytes nhận được ở trạm gốc .20 Tỉ lệ dữ liệu / năng lượng .21 Biểu đồ trễ tín hiệu tại trạm gốc. 84 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Chữ viết Chữ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt tắt ACK Acknowledgement Bản tin phúc đáp ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - Số ADV Advertise Bản tin quảng bá AoA Angle of Arrival Góc đến BS Base Station (Sink) Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DD Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp EDD Enhanced Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp nâng cao GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật chính xác theo địa lý GEAR Geographic and Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý Routing sử dụng hiệu quả năng lƣợng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu LEACH Low-energy adaptive clustering Giao thức phân cấp theo cụm hierarchy thích ứng năng lƣợng thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trƣờng PEGASIS Power-efficient Gathering in Tổng hợp năng lƣợng trong Sensor Information Systems các hệ thống thông tin cảm biến QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ REQ Request Bản tin yêu cầu RSS Received Signal Strength Độ mạnh tín hiệu thu đƣợc RSSI Received Signal Strength Bộ chỉ thị độ mạnh tín hiệu 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Indicator thu đƣợc SAR Sequential Assignment Routing Định tuyến phân phối tuần tự SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lí mạng cảm biến SPIN Sensor protocols for Giao thức cho thông tin dữ information via negotiation liệu thông qua đàm phán SQDDP Sensor Query and Data Giao thức phân phối dữ liệu Dissemination Protocol và truy vấn cảm biến TADAP Task Assignment and Data Giao thức quảng bá dữ liệu và Advertisement Protocol chỉ định nhiệm vụ cho từng cảm biến TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TEEN Threshold sensitive Energy Giao thức hiệu quả về năng Efficient sensor Network lƣợng nhạy cảm với mức protocol ngƣỡng ToA Time of Arrival Thời gian đến UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu ngƣời dùng WINS Wireless Integrated Network Cảm biến mạng tích hợp Sensors không dây WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, việc sản xuất các thiết bị cảm biến nhỏ và chi phí thấp trở nên khả thi về mặt kỹ thuật và mặt kinh tế. Việc thiết kế và thực hiện có hiệu quả mạng cảm biến không dây trở thành lĩnh vực thu hút được nhiều sự quan tâm vì tiềm năng ứng dụng của mạng cảm biến trong các lĩnh vực trong đời sống hàng ngày như trong y tế, trong công nghiệp, trong quân sự…Tuy vậy, việc thiết kế và thực hiện có hiệu quả mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại, chính vì thế hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của toàn mạng. Xuất phát từ những phát từ những yêu cầu thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu, đánh giá và mô phỏng một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây” thực hiện việc giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm biến không dây, các giao thức cũng như các giải thuật định tuyến thường được dùng: LEACH, LEACH-C, MTE, STAT-CLUSTER, đồng thời sử dụng phần mềm NS-2 để mô phỏng, đánh giá 4 giao thức đó.
Luận văn gồm có 4 chương: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN): đưa ra định nghĩa, cấu trúc mạng WSN, các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng WSN, các thách thức mà mạng WSN phải đối mặt. Chƣơng 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây: đưa ra các vấn đề phải đối mặt khi định tuyến, đưa ra các giao thức định tuyến đang được dùng trong mạng cảm biến và trình bày cách phân loại các cách tiếp cận với vấn đề này. Ba loại định tuyến chính được đưa ra trong chương này là giao thức trung tâm dữ liệu, giao thức phân cấp và giao thức dựa vào vị trí. Chƣơng 3: Kiến trúc giao thức LEACH: khái niệm về LEACH, cách hình thành cụm (Cluster) và nút chủ cụm (Cluster Head) trong LEACH; pha thiết lập và 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com pha ổn định của LEACH; tổng hợp dữ liệu tại nút chủ cụm; các thuật toán nâng cáo của LEACH là LEACH-C và LEACH-F.
Chƣơng 4: Sử dụng NS-2 để mô phỏng WSN trên hệ điều hành Ubuntu: Khái quát về phần mềm mô phỏng mạng NS-2 và xây dựng mô hình phần mềm mô phỏng cho các giao thức mạng. Phân tích và nghiên cứu các vấn đề về năng lượng, thời gian sống, dữ liệu truyền và thời gian trễ trên trạm gốc. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1. Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (WSN) có là mạng liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp.
và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ. Các nút mạng thường có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động. Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng (multi-hop).
Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục. Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các nút thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau. Thông thường thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều.