ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG OPNET

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG OPNET HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG LƯƠNG THẾ ĐẠT ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG OPNET LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2014   HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG LƯƠNG THẾ ĐẠT ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG OPNET Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. TS. TRẦN CÔNG HÙNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Lương Thế Đạt  LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Công Hùng, giảng viên Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – cơ sở TPHCM, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông TPHCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua. Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. TPHCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014 Lương Thế Đạt   MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 2 1.1. Khái niệm mạng cảm biến: 2 1.1.1. Định nghĩa: 2 1.1.2.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến: 2 1.1.3.Đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến: 3 1.1.4. Phân loại mạng cảm biến không dây: 4 1.1.5. Một số chuẩn mạng cảm biến: 6 1.2. Mô hình giao thức mạng: 7 1.2.1. Theo mô hình OSI: 7 1.2.2. Theo mặt phẳng quản lý: 8 1.3. Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến: 9 1.3.1. Cấu trúc phẳng: 9 1.3.2.Cấu trúc tầng: 10 1.4. Các kỹ thuật truyền dẫn sử dụng trong mạng cảm biến: 12 1.4.1. Bluetooth: 12 1.4.2. WLAN: 13 1.4.3. Zigbee: 13 1.5. Ứng dụng: 13 CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 21 2.1. Thách thức trong vấn đề định tuyến: 21 2.2. Định tuyến trong WSN: 22 2.3. Yêu cầu đối với giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây: 23 2.4. Các giao thức định tuyến: 25 2.4.1. Định tuyến truyền trực tiếp: 25 2.4.2. Định tuyến thông qua sự thỏa thuận: 27 2.4.3. Định tuyến theo vị trí: 28 2.4.4. Định tuyến phân cấp: 30 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHÂN CẤP CẢI TIẾN 34 3.1. Tìm hiểu về giao thức định tuyến LEACH: 34 3.1.1. Tổng quan về LEACH: 34 3.1.2. Hoạt động của LEACH: 34 3.2. Một số giao thức LEACH cải tiến liên quan: 41 3.2.1. LEACH C 41 3.2.2. LEACH F 42 3.3. Mô hình cải tiến dựa trên giao thức định tuyến LEACH: 42 3.3.1. Hình thành cụm và thu thập dữ liệu: 43 3.3.2. Hình thành chuỗi và truyền dữ liệu về trạm cơ sở: 43 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 45 4.1. Công cụ mô phỏng OMNeT++: 45 4.1.1. Giới thiệu OMNeT++: 45 4.1.2. Mô hình: 48 4.2. Xây dựng mô hình mô phỏng: 50 4.2.1. Mô hình: 52 4.2.2. Mô hình cải tiến dựa trên giao thức LEACH 55 4.3. Kết quả mô phỏng 59 4.3.1. LEACH 59 4.3.2. Mô hình cải tiến LEACH 61 4.4. Đánh giá và kết luận 62 KẾT LUẬN 67 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 68   DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận theo sóng mang DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp GAF Geographic Adaptive Fidelity Chính xác tương thích địa lý GEAR Geographic and EnergyAware Routing Định tuyến dựa theo sự nhận biết về địa lý và năng lượng IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử ISM Industrial, scientific, and medical Công nghiệp, khoa học, y tế LEACH LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường PAN Personal Area Network Mạng vùng cá nhân PEGASIS Powerefficient Gathering in Sensor Information System Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SAR Sensor Aggregates Routing Giao thức cảm biến kết hợp SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán TDMA Task Assignment and Data Advertisement Protocol Đa truy nhập và phân chia theo thời gian WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây WMSN Wireless Multimedia Sensor Network Mạng cảm biến không dây đa phương tiện DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1: Các tham số mô phỏng 51 Bảng 4.2: Số vòng khi 1%, 20%, 50%, 90% nút chết 62 Bảng 4.3: Thời gian ứng với số nút chết trong mạng 64 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình cấu trúc mạng cảm biến không dây1 4 Hình 1.2: WSN loại một sử dụng giao thức định tuyến động1. 5 Hình 1.3: WSN loại hai sử dụng giao thức định tuyến tĩnh các nút FN SRWR đóng vai trò là nút trung tâm1. 6 Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 7 Hình 1.5: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến 9 Hình 1.6: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến 10 Hình 1.7: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 10 Hình 1.8: Minh họa hệ thống WSN phát hiện động đất và gửi dữ liệu về trạm quan 15 sát 15 Hình 1.9: minh họa ứng dụng WSN giúp theo dõi vị trí tội phạm 15 Hình 1.10: ứng dụng WSN để giám sát giao thông trên đường 16 Hình 1.11: ứng dụng WSN trong gia đình 16 Hình 1.12: ứng dụng WSN trong quá trình sản xuất 17 Hình 1.13: ứng dụng WSN trong y học 17 Hình 1.14: ứng dụng WMSN dùng để theo dõi trong quân sự 19 Hình 2.1: minh họa cách truyền dữ liệu singlehop (hình bên trái) và multihop (hình bên phải) 23 Hình 2.2: Truyền thông điệp Interest. 26 Hình2.3 : Pha cài đặt Gradient 26 Hình 2.4: Đường truyền dữ liệu được chọn có năng lượng cao nhất 27 Hình 2.5: Các chiến lược chuyển tiếp gói. 29 Hình 2.6 : Giải thuật định tuyến không hiệu quả 30 Hình 2.7 Mô hình mạng LEACH 13. 31 Hình 2.8: Mô hình mạng PEGASIS13 33 Hình 3.1: Trạng thái các phase của LEACH 34 Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán phân bố của LEACH 37 Hình 3.3: Lưu đồ hoạt động ổn định trạng thái của LEACH 38 Hình 3.4: Nhiễu vô tuyến. Nút A truyền dữ liệu đến nút B gây nhiễu đến nút C 39 Hình 3.5: Mô hình mạng cảm biến chạy giao thức định tuyến LEACH 39 Hình 4.1: Mô phỏng mạng trong OMNeT++ 46 Hình 4.2: Các kết nối trong OMNeT++ 47 Hình 4.3: Mô hình mô phỏng nút cảm biến 49 Hình 4.4: Cấu trúc module trong mô phỏng 50 Hình 4.5: Các module và topo mạng mô phỏng trên OMNeT++ 52 Hình 4.6. khởi tạo mạng, chọn CH và mời các nút vào nhóm 53 Hình 4.7: Các nút con chấp nhận vào nhóm và gửi bản tin JoinRequest 54 Hình 4.8: Phân chia khe thời gian TDMA 54 Hình 4.9: Các nút trong cụm gửi dữ liệu đến nút chủ 55 Hình 4.10: Nút chủ gửi dữ liệu về Sink 55 Hình 4.11: Sink gửi bản tin setupChain yêu cầu các nút khởi tao chuỗi 57 Hình 4.12: Các nút bắt đầu hình thành chuỗi 58 Hình 4.13: Nút gửi bản tin SMSGChain mời nút lân cận vào chuỗi 58 Hình 4.14: Các nút truyền dữ liệu dọc theo chuỗi 59 Hình 4.15: Sink gửi bản tin thông báo bắt đầu vòng mới. 59 Hình 4.16: Số lượng nút chết theo thời gian mô phỏng 60 Hình 4.17: Số vòng theo phần trăm nút chết 61 Hình 4.18: Số lượng nút chết theo thời gian mô phỏng 61 Hình 4.19: Số vòng theo phần trăm nút chết 62 Hình 4.20: Kết quả khi mô phỏng mạng 63 Hình 4.21: Số lượng nút chết theo thời gian mô phỏng 64 MỞ ĐẦU Ngay từ năm 2003, tạp chí Technology Review của viện công nghệ Massachusetts đã đánh giá mạng cảm ứng không dây (WSN) là một trong mười công nghệ hàng đầu sẽ làm thay đổi thế giới. Trong những năm gần đây, WSN đã nhận được sự quan tâm từ nhiều tổ chức, các nhà nghiên cứu và nhiều công ty lớn như Microsoft, Intel, Sun Microsystems. Nhờ đó, WSN đã và đang phát triển với tốc độ chóng mặt và đạt được nhiều thành tựu đáng kể trên cả hai mặt nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Nhiều nước trên thế giới đã sử dụng WSN trên rất nhiều lĩnh vực như quốc phòng (theo dõi các mục tiêu, phát hiện chất nổ), môi trường (quan sát môi trường sống), công nghiệp (giám sát quá trình sản xuất, theo dõi chất lượng sản phẩm), y tế (theo dõi tình trạng sức khỏe), giao thông (phát hiện kẹt xe, theo dõi lưu lượng giao thông), gia đình (xây dựng ngôi nhà thông minh)… Một trong những vấn đề lớn nhất đối với mạng cảm biến hiện nay là tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng để kéo dài thời gian sống của các nút cảm biến, do năng lượng của các nút cảm biến là có giới hạn và không thể nạp lại. Một số giao thức định tuyến đã được thiết kế cho WSN để giải quyết vấn đề nêu trên. Trong số đó, giao thức định tuyến phân cấp lợi dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định và khả năng mở rộng mạng. Mục tiêu của đề tài “Đánh giá hiệu năng mạng cảm biến không dây” là tập trung nghiên cứu để đưa ra một giao thức định tuyến phân cấp được cải tiến dựa trên các giao thức định tuyến phân cấp hiện có. Từ đó phân tích và đánh giá mức tiêu thu năng lượng của mạng sử dụng giao thức định tuyến này. Nội dung đề tài bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về Mạng cảm biến Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến Chương 3: Mô hình giao thức định tuyến phân cấp cải tiến. Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1. Khái niệm mạng cảm biến: 1.1.1. Định nghĩa: Mạng cảm biến là một cấu trúc mạng bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến được triển khai trong môi trường vật lý khắc nghiệt1, các cảm biến này có khả năng cảm nhận, xử lý thông tin và kết nối với nhau để tạo ra một hệ thống mạng có khả năng giám sát, theo dõi, thu thập dữ liệu trong một môi trường cụ thể như: trong rừng, trong tòa nhà, trên đường… Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi và các ứng dụng trong y học.Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - LƯƠNG THẾ ĐẠT ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG OPNET LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2014 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - LƯƠNG THẾ ĐẠT ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG OPNET Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS TRẦN CƠNG HÙNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lương Thế Đạt LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Công Hùng, giảng viên Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng – sở TPHCM, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn quý thầy cô khoa Công nghệ thông tin – Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng TPHCM tận tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức quý báu năm học vừa qua Sau cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, giúp đỡ động viên tơi suốt q trình học tập thực luận văn TPHCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014 Lương Thế Đạt MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt CDMA Tiếng Anh Code Division Multiple Access Tiếng Việt Đa truy nhập phân chia CSMA Carrier Sense Multiple Access theo mã Đa truy nhập cảm nhận DS-SS GAF theo sóng mang Direct Sequence - Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp Geographic Adaptive Fidelity Chính xác tương thích địa Geographic and Energy-Aware lý Định tuyến dựa theo Routing nhận biết địa lý IEEE Institute of Electrical and lượng Viện kỹ thuật điện điện ISM Electronic Engineers Industrial, scientific, and medical tử Công nghiệp, khoa học, y LEACH Low-Energy Adaptive Clustering tế Phân nhóm phân bậc tương MAC Hierarchy Media Access Control thích lượng thấp Điều khiển truy nhập môi Personal Area Network Power-efficient Gathering in trường Mạng vùng cá nhân Tập trung hiệu suất Sensor Information System lượng hệ thống thông Quality of Service Sensor Aggregates Routing Sensor Management Protocol Sensor Protocols for Information tin cảm biến Chất lượng dịch vụ Giao thức cảm biến kết hợp Giao thức quản lý cảm biến Giao thức thông tin cảm via Negotiation biến thông qua đàm Task Assignment and Data phán Đa truy nhập phân chia GEAR PAN PEGASIS QoS SAR SMP SPIN TDMA WPAN Advertisement Protocol Wireless Personal Area Network theo thời gian Mạng vô tuyến cá nhân WSN WMSN Wireless Sensor Network Wireless Multimedia Sensor Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây Network đa phương tiện DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Ngay từ năm 2003, tạp chí Technology Review viện công nghệ Massachusetts đánh giá mạng cảm ứng không dây (WSN) mười công nghệ hàng đầu làm thay đổi giới Trong năm gần đây, WSN nhận quan tâm từ nhiều tổ chức, nhà nghiên cứu nhiều công ty lớn Microsoft, Intel, Sun Microsystems Nhờ đó, WSN phát triển với tốc độ chóng mặt đạt nhiều thành tựu đáng kể hai mặt nghiên cứu ứng dụng thực tế Nhiều nước giới sử dụng WSN nhiều lĩnh vực quốc phòng (theo dõi mục tiêu, phát chất nổ), môi trường (quan sát môi trường sống), cơng nghiệp (giám sát q trình sản xuất, theo dõi chất lượng sản phẩm), y tế (theo dõi tình trạng sức khỏe), giao thông (phát kẹt xe, theo dõi lưu lượng giao thơng), gia đình (xây dựng ngơi nhà thông minh)… Một vấn đề lớn mạng cảm biến tối ưu hóa việc sử dụng lượng để kéo dài thời gian sống nút cảm biến, lượng nút cảm biến có giới hạn nạp lại Một số giao thức định tuyến thiết kế cho WSN để giải vấn đề nêu Trong số đó, giao thức định tuyến phân cấp lợi dụng cấu trúc mạng để đạt hiệu lượng, ổn định khả mở rộng mạng Mục tiêu đề tài “Đánh giá hiệu mạng cảm biến không dây” tập trung nghiên cứu để đưa giao thức định tuyến phân cấp cải tiến dựa giao thức định tuyến phân cấp có Từ phân tích đánh giá mức tiêu thu lượng mạng sử dụng giao thức định tuyến Nội dung đề tài bao gồm chương: - Chương 1: Tổng quan Mạng cảm biến Chương 2: Định tuyến mạng cảm biến Chương 3: Mơ hình giao thức định tuyến phân cấp cải tiến 10 - Chương 4: Mô đánh giá kết CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Khái niệm mạng cảm biến: 1.1.1 Định nghĩa: Mạng cảm biến cấu trúc mạng bao gồm số lượng lớn nút cảm biến triển khai môi trường vật lý khắc nghiệt[1], cảm biến có khả cảm nhận, xử lý thông tin kết nối với để tạo hệ thống mạng có khả giám sát, theo dõi, thu thập liệu mơi trường cụ thể như: rừng, tịa nhà, đường… Các ứng dụng mạng cảm biến gồm thu thập liệu, giám sát, theo dõi ứng dụng y học.Tuy nhiên ứng dụng mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng cịn đa dạng khơng bị giới hạn 1.1.2.Cấu trúc mạng cảm biến: Có thành phần tạo nên mạng cảm biến: • Các cảm biến phân bố theo mơ hình tập trung hay phân bố rãi rác • Mạng lưới liên kết cảm biến (có dây hay vơ tuyến) • Điểm trung tâm tập hợp liệu (clustering) • Bộn phận xử lý liệu trung tâm Trong mạng cảm biến, cảm biến xem thành phần quan trọng phục vụ cho ứng dụng Các cảm biến bao gồm nhiều loại: cảm biến trường điện từ; cảm biến tần số vô tuyến; cảm biến quang, hồng ngoại; cảm biến định vị, dẫn đường; cảm biến đo đạc thông số môi trường; cảm biến phục vụ ứng dụng an ninh, sinh hóa… Xuất phát từ mục đích đặc điểm môi trường sử dụng mà 64 nằm vùng phủ CH đồng ý vào nhóm gửi trả tin “Join_cluster” 4.2.1.3 Phân chia khe thời gian TDMA Các CH sau nhận tin “Join_cluster” từ nút cấp phát khe thời gian để tập hợp liệu tin “allocate_time_slot” 4.2.1.4 Truyền liệu Các nút cụm truyền liệu nút chủ theo khe thời gian cấp phát qua gói “data” Kết mơ LEACH nhận được: Hình 4.6 khởi tạo mạng, chọn CH mời nút vào nhóm 65 Hình 4.7: Các nút chấp nhận vào nhóm gửi tin Join-Request 66 Hình 4.8: Phân chia khe thời gian TDMA Hình 4.9: Các nút cụm gửi liệu đến nút chủ 67 Hình 4.10: Nút chủ gửi liệu Sink 4.2.2 Mơ hình cải tiến dựa giao thức LEACH Q trình mơ bao gồm bước: + Bước 1: Khởi tạo mạng chọn nút chủ (CH) + Bước 2: Mời nút vào nhóm + Bước 3: Phân chia khe thời gian TDMA + Bước 4: Nút CH tập trung liệu + Bước 5: Tìm nút xa trạm BS số nút CH, nút chưa gửi liệu Sink + Bước 6: Tạo chuỗi + Bước 7: Chọn nút chủ + Bước 8: Truyền liệu Bốn bước giống với giao thức định tuyến Leach, sau tới bước thứ 5: 4.2.2.1 Tìm nút xa trạm BS Ban đầu BS phát tin setupChainđể thông báo bắt đầu xây dựng mạng Các nút CH nút khác chưa tham gia vào cụm nhận tin tính tốn khoảng cách đến BS sau reply lại Sau nhận tin reply, BS so sánh giá trị tìm nút xa so với 4.2.2.2 Thiết lập chuỗi BS gửi tincho nút xa thông báo trở thành nút gốc chuỗi chuỗi bắt đầu sinh từ Nút gốc bắt đầu tìm nút khác gần cho vào chuỗi tin SMSG-Chain Các nút xung quanh nhận tin gửi tin đáp trả Nút gốc vào giá trị distance tin để lựa chọn nút gần có địa Min-i khoảng cách Min Sau nút gốc gửi tin mời chúng vào chuỗi Cứ vậy, sau nút vào chuỗi lại tiếp tục mời gọi nút cịn lại vào chuỗi, suốt q 68 trình này, nút vào đóng vai trị nút gốc – “nút gốc tạm thời” Sau tất nút vào chuỗi BS bắt đầu khởi tạo trình chọn nút chủ 4.2.2.3 Chọn nút chủ Nút chuỗi gần với sink chọn làm nút head chuỗi 4.2.2.4 Truyền liệu Nút xa bắt đầu truyền liệu dọc theo chuỗi Các nút tích hợp liệu truyền dọc theo chuỗi đến nút cuối chuỗi • Nếu nút cuối chuỗi nút head tập hợp liệu gửi sink, sau sink thơng báo bắt đầu vịng với tin new-round • Nếu nút cuối chuỗi nút head truyền liệu tập hợp cho nút head, nút head tiến hành forward liệu vừa nhận cho sink Sau sink thơng báo bắt đầu vịng Tại nút, nhận tin tính tốn lượng nhận truyền Kết mơ mơ hình cải tiến LEACH nhận được: Sau nút chủ tập hợp liệu từ nút cum hình thành chuỗi 69 Hình 4.11: Sink gửi tin setupChain yêu cầu nút khởi tao chuỗi Hình 4.12: Các nút bắt đầu hình thành chuỗi 70 Hình 4.13: Nút gửi tin SMSG-Chain mời nút lân cận vào chuỗi Hình 4.14: Các nút truyền liệu dọc theo chuỗi Hình 4.15: Sink gửi tin thơng báo bắt đầu vịng 71 4.3 Kết mơ 4.3.1 LEACH Trong giao thức định tuyến LEACH bản, trình lựa chọn nút chủ dựa xác suất mong muốn trở thành nút chủ vòng nút, nên xảy trường hợp nút xa trạm gốc phải đóng vai trị nút chủ Những nút này, phải sử dụng lượng lớn lượng để khuếch đại tín hiệu, truyền liệu trạm gốc nên lượng chúng giảm nhanh, đó, thời gian nút chết mạng sử dụng giao thức định tuyến LEACH sớm Hình 4.16: Số lượng nút chết theo thời gian mơ Hình 4.16 số lượng nút cảm biến sử dụng hết lượng theo thời gian, đường có độ dốc tăng dần Sở dĩ độ dốc đồ thị biểu mối quan hệ số lượng nút chết thời gian có độ dốc tăng dần vì, số lượng nút mạng cịn lại ít, xác suất phải đóng vai trị nút chủ nút mạng tăng Do đó, nút mạng tiêu hao lượng nhanh hơn, đồ thị dốc Hình 4.17: Số vịng theo phần trăm nút chết 4.3.2 Mơ hình cải tiến LEACH Trong giao cải tiến Leach, trạm gốc sau tập trung liệu cụm tiến hành hình thành chuỗi truyền liệu dọc theo chuỗi Sink, giúp cho nút xa Sink giảm thiểu tiêu hao lượng gửi liệu Sink Quá trình tập trung liệu giúp giảm tiêu hao lượng gửi liệu Sink, việc tiêu hao lượng phân bổ cho tất nút mạng 72 Hình 4.18: Số lượng nút chết theo thời gian mơ Hình 4.18 lượng tiêu hao phân bố cho tất nút, dẫn đến đa số nút chết gần thời điểm, thời gian để đa số nút mạng chết lâu Chứng tỏ hiệu sử dụng lượng mạng tốt Hình 4.19: Số vòng theo phần trăm nút chết 4.4 Đánh giá kết luận Để dễ dàng so sánh hiệu ba giao thức, sử dụng ba tham số: Thời gian nút chết FD (First Nút Dies), nửa số nút sống HA (Haft of the Núts Alive) nút cuối chết LD (Last Nút Dies) để làm tiêu chuẩn so sánh Bảng 4.2: Số vòng 1%, 20%, 50%, 90% nút chết Năng lượng J/Nút Giao thức 1% 20% 50% 70% 90% Leach Leach cải tiến 2231 6493 3181 7121 5238 7121 6744 7121 10813 7121 Hình 4.20: Kết mơ mạng Hình 4.20 số vịng 1%, 20%, 50% 100% nút chết Đối với giao thức cải tiến, nút mạng có thời gian sống dài so với giao thức Leach đáng kể, điển hình giao thức cải tiến nút chết vòng 6493, lâu so với giao thức Leach (vòng thứ 2231) Việc tiêu hao lượng Leach cải tiến phân bổ cho nút mạng, thời gian sống đa số nút mạng dài so với giao thức Leach Các nút đồng loạt chết vòng 7121, 73 chứng tỏ việc tiêu hao lượng trãi cho tất nút, kể nút xa Sink Các nút xa Sink tiêu hao lượng tương tự nút gần Sink, khiến cho thời gian sống đa số toàn nút mạng lâu so với giao thức Leach mang lại hiệu cao việc thu thập liệu Leach cải tiến cải thiện hiệu sử dụng lượng kéo dài thời gian sống đa số nút mạng Bảng 4.3: Thời gian ứng với số nút chết mạng Số nút chết Leach(s) Leach cải tiến(s) 29331 350838.4729 11 37971 384757.9995 21 49671 384861.4479 31 65931 384974.0672 41 75711 385075.3823 51 85491 385126.9156 61 100971 385239.7339 71 144411 385288.7823 81 273591 385392.649 91 461811 385556.7339 Bảng 4.3 cho thấy rõ phân tích theo số vòng Thời gian chết nút giao thức Leach sớm Thời gian chết 50% số nút Leach sớm nhiều so với Leach cải tiến: Leach 85491(s) Leach cải tiến 385127(s) Cho thấy hiệu sử dụng lượng Leach cải tiến tốt nhiều so với giao thức Leach Hình 4.21: Số lượng nút chết theo thời gian mơ Mơ hình cải tiến giao thức Leach cải thiện đáng kể thời gian sống mạng cảm biến Hầu hết nút cảm biết có thời gian sống kéo dài đáng kể so với giao thức 74 Leach Năng lượng tiêu hao trình hoạt động mạng phân bổ cho tất nút mạng giúp kéo dài thời gian sống nút mạng cảm biến Trên sở nghiên cứu giao thức LEACH, chương rằng, bên cạnh ưu điểm vượt trội so với giao thức định tuyến khác, LEACH cịn nhiều hạn chế Mặc dù có nhiều nghiên cứu tiến hành như: LEACH-C, LEACHF…Tuy nhiên, giao thức lại xuất nhược điểm riêng Đối với LEACH-C việc thiết kế thuật toán để lựa chọn nút chủ tối ưu cho trạm gốc phức tạp, với số lượng lớn tham số đầu vào Đối với LEACH-F nút ngồi cụm khơng thể tham gia vào q trình truyền thơng, có khả lớn vòng cụ thể, nút nằm phạm vi phủ sóng nút chủ Học viên nghiên cứu đề suất hướng phát triển từ giao thức LEACH Học viên khơng cải tiến q trình chọn nút chủ pha thiết lập nghiên cứu trước, mà đưa giải pháp nhằm hạn chế việc tiêu hao lượng trình tập trung liệu từ nút chủ trạm sở Do đó, đề tài tập trung phân tích so sánh hiệu cải tiến so với giao thức LEACH chương xây dựng kịch mô tương ứng Qua kết thu từ kịch mô thấy đề tài đóng góp cải tiến giúp nút cảm biến sử dụng lượng cách hiệu giúp kéo dài thời gian sống Có thể đưa số nhận xét, đánh giá sau:  Thứ nhất: Nếu sử dụng giao thức định tuyến LEACH nảy sinh vấn đề lựa chọn nút chủ cụm không tối ưu Do nút xa trạm gốc LEACH, có chi phí lượng cao truyền thơng, phải định kỳ đóng vai trị nút chủ Kết có nút nhanh chóng bị lượng trước nút khác, làm giảm thời gian sống toàn mạng  Thứ hai: Đối với giao thức LEACH cải tiến, vấn đề nút chủ xa Sink phải tiêu hao nhiều lượng để gửi liệu thu thập Sink giải Sau nút chủ tập trung liệu cụm tham gia hình thành chuỗi 75 truyền liệu dọc theo chuỗi Sink Điều giúp cho nút xa Sink khơng cịn tiêu hao nhiều lượng phải gửi liệu trực tiếp Sink Chính ưu điểm đó, mà khả phân bố lượng tiêu thụ cho nút mạng LEACH cải tiến tốt, kéo dài thời gian hoạt động WSN nhiều so với LEACH KẾT LUẬN Ngày nay, mạng cảm biến không dây ứng dụng nhiều lĩnh vực nhiều nước giới Việt Nam Trong việc sử dụng lượng để 76 kéo dài thời gian sống nút cảm biến vấn đề lớn mạng cảm biến nay, việc đánh giá hiệu mạng cảm biến sử dụng giao thức định tuyến yêu cầu tất yếu Từ hồn thiện thuật tốn định tuyến để đảm bảo cho mạng cảm biến hoạt động hiệu kéo dài thời gian sống mạng Trong giao thức định tuyến phổ biến sử dụng mạng cảm biến, giao thức thuộc nhóm giao thức phân cấp đánh giá cao nhờ tính linh hoạt, có khả đáp ứng yêu cầu mở rộng mạng kéo dài thời gian sống mạng Đề tài tập trungnghiên cứu giao thức định tuyến phân cụm LEACH mạng cảm biến khơng dây, đề xuất mơ hình cải tiến từ giao thức LEACH, thực mô đánh giá mô hình cải tiến so với giao thức LEACH mạng cảm biến không dây Trong tương lai, hướng phát triển đề tài tiến hành cải tiến thuật toán nhằm kéo dài thời gian sống mạng cảm biến, giúp cho mạng cảm biến sử dụng lượng hiệu Một vấn đề khác cần quan tâm khả di chuyển nút Khi việc cập nhật thơng tin vị trí nút huy nút cảm biến truyền thơng tin qua mạng tiêu thụ mức lượng đáng kể nút Các giao thức định tuyến cần phải xử lý thông tin độ di chuyển thay đổi cấu hình mạng điều kiện hạn chế lượng DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trong Thua Huynh, Anh-Vu Dinh-Duc, Cong Hung Tran (2013), Energy Efficient Delay-aware Routing in Multi-tier Architecture for Wireless Sensor Networks, The 77 2013 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC’13) [2] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), Wireless Sensor Network Technology, Protocol and Application, John Wiley & Sons, Inc [3] Edgar H Callaway (2003), book "Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols", Aurebach [4] Sudip Misr, Isaac Woungang (2009),“Guide to Wireless Sensor Networks”, Springer Publication, London [5] Sarjoun S Doumit, Dharma P Agrawal (2002), Self-Organizing and EnergyEfficient Network of Sensors, IEEE, tr 1-6 [6] Elaine Shi, Adrian Perrig (2004), “Designing Secure Sensor Networks”, IEEE Wireless Communications, tr 38-43 [7] Ed Callaway, Paul Gorday, Lance Hester, Jose A Gutierrez, Marco Naeve, Bob Heile, Venkat Bahl (2002), A Developing Standard for Low-RateWireless Personal Area Networks; IEEE Communications Magazine, tr 70-77 [8] José A Gutierrez, Marco Naeve, Ed Callaway, Monique Bourgeois, Vinay Mitter, Bob Heile (2001), A Developing Standard for Low-Power Low-CostWireless Personal Area Networks, IEEENetwork, tr 12-19 [9] Chien-Chung Shen, Chavalit Srisathapornphat, Chaiporn Jaikaeo (08/2001), Sensor Information Networking Architecture and Applications, IEEE Personal Communications, tr 52-59 [10] Wendi B Heinzelman, Amy L Murphy, Hervaldo S Carvalho, Mark A Perillo (2004), Middleware to Support Sensor Network Applications, IEEE Network, tr 6-14 [11] Javier Gomez, J Antonio Garcia-Macias (2006), MANET and WSN: Are they alike?, Electrical Engineering Department National University of Mexico,Mexico [12] Y Yao and J Gehrke (2002), “The cougar approach to in-network query processing in sensor networks”, in SIGMOD Record 78 [13] Nguyen Duy Tan, Longzhe Han, Nguyen Dinh Viet, and Minho Jo (2012), “An Improved LEACH Routing Protocol for Energy-Efficiency of Wireless Sensor Networks”, Smart Computing Review, vol 2, no 5, October 2012 [14] Xiaowei Li, Guangyan Huang, Jing He (2006), “Energy-Efficiency Analysis of Cluster-Based Routing Protocols in Wireless Sensor Networks”, Aerospace Conference, 2006IEEE [15] Nandakishor Sirdeshpande, Vishwanath Udupi (2013), “Lifetime Maximization Using Modified Leach Protocol for Energy Efficient Routing In Wireless Sensor Networks”, The International Journal Of Engineering And Science(IJES), p17-23,2013 [16] J G Jia, Z W He, J M Kuang, Y H Mu (2010), “An energy consumption balanced clustering algorithm for wireless sensor network,” in Proc of International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering, pp.1-4, 2010 [17]L Jun, H Qi, L Yan (2012), “A Modified LEACH algorithm in wireless sensor network based on ns2,” in Proc Of International Conference on Computer Science and Information Processing, pp 604-606, 2012 [18] W Xinhua, W Sheng (2010), “Performance comparison of LEACH and LEACHC protocols by ns2,” in Proc of 9th International Symposium on Distributed Computing and Applications to Business, Engineering and Science, pp 254-258, 2010 ... Trong mạng cảm biến, cảm biến xem thành phần quan trọng phục vụ cho ứng dụng Các cảm biến bao gồm nhiều loại: cảm biến trường điện từ; cảm biến tần số vô tuyến; cảm biến quang, hồng ngoại; cảm biến. .. thơng 1.1.3.Đặc trưng mạng cảm biến: Một nút cảm biến định nghĩa kết hợp cảm biến phận xử lý hay goi nút Mạng cảm biến khơng dây (WSN) mạng cảm biến kết nối nút cảm biến sóng vơ tuyến Tùy theo... 10 - Chương 4: Mô đánh giá kết CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Khái niệm mạng cảm biến: 1.1.1 Định nghĩa: Mạng cảm biến cấu trúc mạng bao gồm số lượng lớn nút cảm biến triển khai môi