MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, mạng cảm biến đã và đang đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi đặc biệt là mạng cảm biến không dây. Việc nghiên cứu để cải thiện, sử dụng hiệu quả mạng cảm biến không dây là vấn đề đang đƣợc nhiều nhà nghiên cứu và các cơ quan, tổ chức quan tâm. Trong thực tế, việc ứng dụng mạng cảm biến không dây vào đời sống, khoa học kỹ thuật, quân sự, y tế, môi trƣờng,. đã bộc lộ nhiều tiềm năng to lớn cũng nhƣ những thách thức cần phải khắc phục.
Một trong những thách thức đó là nguồn năng lƣợng cung cấp cho các nút mạng hoạt động là giới hạn và không thể cung cấp lại. Đã có rất nhiều nghiên cứu đƣợc đƣa ra và thực hiện, một trong những xu hƣớng nghiên cứu đó là sử dụng các giao thức định tuyến để sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng mạng cảm biến không dây. Cho đến nay, giao thức định tuyến thứ bậc nhóm thích ứng năng lượng thấp (LEACH) là một trong số những giao thức đƣợc nghiên cứu và áp dụng phổ biến nhất bởi nó có tính hiệu quả sử dụng năng lƣợng cao, kéo dài đƣợc đáng kể thời gian sống cho mạng. Vì thế đề tài luận văn: “Nghiên cứu giải thuật thứ bậc nhóm thích ứng năng lƣợng thấp (LEACH) trong mạng cảm biến không dây” với mong muốn tìm hiểu kỹ giao thức, áp dụng đƣợc trong thực tiễn khi triển khai một mạng cảm biến không dây trong thực tế với sự hƣớng dẫn của PGS.TS Vƣơng Đạo Vy.
Nội dung luận văn chủ yếu liên quan đến việc tìm hiểu, nghiên cứu giao thức LEACH về lý thuyết và tiến hành bằng thực nghiệm mô phỏng giao thức theo một số mô hình mạng giả định để thu kết quả tiêu thụ năng lƣợng. Từ những kết quả mô phỏng tác giả tái khẳng định các giá trị của giao thức và đƣa ra các khuyến nghị ứng dụng nó trong thực tế. Luận văn gồm bốn chƣơng. Chƣơng 1 giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN), tiềm năng, thách thức và ứng dụng.
Chƣơng 2 nghiên cứu về giải thuật giao thức định tuyến LEACH. Chƣơng 3 nghiên cứu về hiệu quả tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây khi sử dụng LEACH thông qua mô phỏng. Và cuối cùng là những kết luận nhận xét rút ra từ những kết quả nghiên cứu đã thu đƣợc. 1 z Mặc dù đã có những cố gắng, nhƣng do hạn chế về trình độ và tài liệu nên luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót.
Tác giả kính mong nhận đƣợc các ý kiến nhận xét và đóng góp của quý thầy, cô, bạn bè để tác giả có đƣợc sự hiểu biết hoàn thiện, đầy đủ hơn. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, tác giả nhận đƣợc sự giúp đỡ, động viên của rất nhiều ngƣời. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hƣớng dẫn PGS.Vƣơng Đạo Vy ngƣời đã định hƣớng và chỉ bảo tận tình để tác giả có hƣớng đi đúng, hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và quý thầy cô trong khoa đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả để học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này.
Học viên Trần Kiên 2 z CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) Chƣơng này trình bày các kiến thức chung nhất về mạng WSN, về cấu trúc của các nút mạng cũng nhƣ của toàn mạng, các đặc điểm hoạt động của mạng, những ứng dụng đa dạng và phong phú của mạng WSN trong đời sống , trong khoa học công nghệ, trong quân sự, … đồng thời giới thiệu sơ lƣợc những thách thức mà mạng phải đối diện khi triển khai trong thực tế.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút cảm biến liên kết với nhau trên một hệ thống kiến trúc mạng không dây linh hoạt trong đó các nút là các cảm biến nhỏ, giá thành rẻ, có tích hợp các chƣơng trình đo đạc, phát tín hiệu,…có thể thu nhận và phản hồi những thông số môi trƣờng nào đó. Một mạng cảm biến thông thƣờng gồm có: Các nút cảm biến phân bố theo mô hình tập trung hay rải rác Mạng lƣới liên kết giữa các cảm biến (vô tuyến hay hữu tuyến) Điểm tập trung để tập hợp dữ liệu (Clustering) Bộ phận xử lý dữ liệu trung tâm (Sink - BS) Hình 1.1 Mô hình một mạng cảm biến thông thường 3 z 1.2 Cấu tạo nút cảm biến Một nút cảm biến đƣợc cấu tạo từ 4 thành phần cơ bản là: vi điều khiển, sensor, bộ phát vô tuyến và nguồn nuôi. Ngoài ra còn có các cổng kết nối, thiết bị giao tiếp với thiết bị khác nhƣ máy tính….2 Cấu tạo nút cảm biến EYES 1.1 Vi điều khiển Bao gồm CPU, ROM, RAM và bộ phận chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số và ngƣợc lại. Lƣu giữ thông tin tại nút.2 Sensor Là bộ phận có chức năng cảm nhận và thu thập các yếu tố bên ngoài môi trƣờng, sau đó chuyển qua bộ chuyển đổi tín hiệu để xử lý.3 Bộ phát vô tuyến Phát tín hiệu để chuyển dữ liệu thu thập đƣợc.
Yêu cầu có nguồn năng lƣợng hợp lý và duy trì lâu dài. Có nhiều nghiên cứu đã đƣa ra để giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình này.4 Nguồn nuôi Là yếu tố quyết định để duy trì mạng cảm nhận không dây. Yêu cầu của nguồn là ổn định, lâu dài. Sử dụng chủ yếu là Pin và khả năng thay thế hầu nhƣ là không thể, do các nút đƣợc phân bố trong môi trƣờng với số lƣợng lớn và vị trí có thể thay 4 z đổi.
Việc duy trì năng lƣợng của nguồn nuôi và nghiên cứu vấn đề tái tạo nguồn là một mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học. Các nút cảm biến là thành phần quan trọng nhất của mạng cảm nhận không dây, do vậy nghiên cứu thiết kế các nút sao cho sử dụng năng lƣợng tiết kiệm nhất sẽ giúp tăng độ tin cậy và duy trì thời gian sống cho mạng là vấn đề quan trọng nhất trong nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây.3 Mô hình tổng quan mạng 1.1 Hai loại nút mạng Gồm có nút cơ sở và nút nguồn.Nút nguồn có chức năng của chúng là phát hiện và gửi dữ liệu tại khu vực mà nó giám sát về nút cơ sở, nơi tập trung và xử lý toàn bộ dữ liệu của các nút khác gửi về, thƣờng có 3 loại nút cơ sở: có thể là một nút trong mạng tƣơng tự nhƣ các nút con khác với loại nút cơ sở này thƣờng nó chỉ dùng để nhận dữ liệu sau đó chuyển tới PC để xử lý, loại nút cơ sở thứ 2 có thể là một thiết bị cầm tay hoặc PDA đƣợc sử dụng để tƣơng tác với mạng cảm nhận, loại thứ 3 là nút cảm nhận có thể đƣợc nối qua gateway để tới một mạng lớn hơn là internet.3 Mô hình mạng 1.2 Truyền đơn chặng và đa chặng Truyền đơn chặng (single-hop) là truyền trực tiếp từ các nút nguồn tới các nút cơ sở. Với các mạng phạm vi hẹp thì truyền trực tiếp sẽ tiết kiệm thời gian truyền và 5 z năng lƣợng mạng. Với mạng có phạm vi rộng thì áp dụng truyền đa chặng (Multi- hop), từ nút nguồn qua các nút trung gian rồi tới các nút cơ sở.
Khi đó sẽ cải thiện đƣợc thời gian sống của mạng nhờ tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình truyền. Các chứng minh bằng toán học đƣợc thể hiện ở chƣơng 3 của đồ án này.4 Truyền đơn chặng và truyền đa chặng 1.4 Mô hình phân tầng mạng Mô hình mạng đƣợc chia thành nhiều tầng, mỗi tầng có một nhiệm vụ riêng.5 Mô hình kiến trúc mạng WSN + Tầng ứng dụng (Application): Các phần mềm ứng dụng và giao diện đƣợc sử dụng trong tầng ứng dụng. Tại tầng này có một số giao thức quan trọng đƣợc thiết 6 z đặt nhƣ: giao thức quản lý mạng sensor, giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho các sensor, giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến,… + Tầng trợ giúp (Support): Phân chia, quản lý việc truyền dữ liệu giữa các nút. Các giao thức có thể là UDP hay TCP thông qua internet hoặc vệ tinh.
Kết nối giữa Sink với các nút cảm biến có thể dùng giao thức UDP vì bộ nhớ các sensor là giới hạn, hơn nữa các giao thức còn tính đến sự tiêu thụ năng lƣợng, tính mở rộng và tập trung dữ liệu. + Tầng mạng (Network): Có vai trò định tuyến dữ liệu đƣợc cung cấp bởi tầng giao vận. Với nguyên tắc sử dụng hiệu quả năng lƣợng, tích hợp dữ liệu và giao thức mạng, có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết vị trí. Có thể định tuyến theo các dạng: định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp và định tuyến theo vị trí.
+ Tầng liên kết dữ liệu và thủ tục thâm nhập môi trƣờng (MAC): Thủ tục thâm nhập môi trƣờng thực hiện nhiệm vụ điều khiển nút khi thâm nhập môi trƣờng truyền vô tuyến, ghép luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và thâm nhập môi trƣờng. Vì môi trƣờng có tạp âm và các nút sensor có thể di động nên phải xét đến vấn đề công suất và hạn chế sự va chạm với thông tin quảng bá từ các nút lân cận. + Tầng vật lý (Physical): Đảm nhận chức năng truyền tin, các kết nối vật lý, cơ khí, điện, điều chế, giải điều chế, mã hóa,… Tầng này phải tiêu thụ năng lƣợng thấp, truyền tiết kiệm năng lƣợng, giá thành rẻ, chịu đƣợc điều kiện môi trƣờng. Ngoài các tầng nhƣ trên còn có thêm phần quản lý công suất, quản lý di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến.
Những phần này sẽ giúp các nút phối hợp hoạt động để tiêu thụ công suất mạng thấp hơn.5 Các cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến 1.1 Cấu trúc phẳng (Flat architecture) Tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất với nhau trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Trong phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với Hình 1.6: Cấu trúc phẳng 7 z một số lƣợng lớn nguồn (source). Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian.
Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ nhƣ thời gian, tần số.