Mạng cảm biến không dây(wsn)

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.2 Nút cảm biến không dây 1.3 Cấu trúc liên kết mạng WSN 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây II ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 10 2.1 Giới thiệu chung 10 2.2 Các vấn đề thiết kế định tuyến mạng cảm biến không dây 10 2.3 Giao thức định tuyến trung tâm liệu 11 2.4 Giao thức phân cấp 15 2.5 Giao thức dựa vị trí 21 KẾT LUẬN 24 LỜI CẢM ƠN 24 DANH MỤC HÌNH VẼ 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển internet, truyền thông công nghệ thông tin kết hợp với tiến khoa học kỹ thuật tạo điều kiện phát triển cho thê hệ cảm biến với giá thành thấp, khả triển khai quy mô lớn độ xác cao Cơng nghệ điều khiển cảm biến gồm: cảm biến dây, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến hồng ngoại Đặc biệt nay, nhiều mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network WSN) phát triển chiếm vai trò quan trọng nhiều ứng dụng như: quản lý nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe tự động hóa cơng nghiệp… Trong tiểu luận này, chúng em giới thiệu tổng quan số nội mạng cảm biến không dây nút cảm biến không dây, cấu trúc mạng cảm biến không dây, ứng dụng mạng cảm biến không dây giao thức định tuyến mạng cảm biến khơng dây Cùng với giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây vấn đề thiết kế giao thức định tuyến… Nội dung tiểu luận tổ chức sau: Phần I: Tổng quan mạng cảm biến không dây (WSN) Phần giới thiệu chung mạng cảm biến không dây, nút cảm biến không dây, cấu trúc mạng cảm biến không dây, ứng dụng mạng cảm biến không dây Phần II: Định tuyến mạng cảm biến không dây Phần trình bày vấn đề thiết kế giao thức định tuyến, số giao thức định tuyến như: Giao thức trung tâm liệu, giao thức phân cấp, giao thức dựa vị trí Do thời gian thực có hạn, chúng em mong nhận giúp đỡ ý kiến đóng góp quý báu thầy bạn lớp để nhóm em tiếp tục hồn thiện tiểu luận này! I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến khơng dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) mạng bao gồm nhiều nút cảm biến, tích hợp cảm biến đo thông số môi trường cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng… có khả giao tiếp khơng dây với nút cịn lại tạo nên mạng cảm biến khơng dây phủ sóng vùng nhằm giám sát, theo dõi quản lý thông số tồm vùng 1.2 Nút cảm biến khơng dây Hình 1: Cấu tạo nút cảm biến Nút cảm biến cấu tạo khối chức chính: - Bộ cảm biến (Sensing unit): Gồm khối chức năng: Khối cảm biến có chức cảm biến thay đổi mơi trường; Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog to Digital Converter - ADC) có chức chuyển đổi tín hiệu tương tự nhận từ khối cảm biến sang tín hiệu số Đầu cảm biến dựa thông số thu từ thay đổi môi trường xung quanh tạo ra tín hiệu tương tự tương ứng với trạng thái thay đổi mơi trường, sau tín hiệu chuyển thành tín hiệu số thơng qua khối ADC sau đưa vào khối xử lý - Bộ xử lý (Processing unit): Được cấu tạo từ khối chức năng: Thiết bị xử lý (bộ xử lý) thiết bị lưu trữ (bộ nhớ) Nhiệm vụ Bộ xử lý điều khiển, quản lý hoạt động khối chức nút, quản lý thủ tục vào nút kết nối với nút lân cận để thực nhiệm vụ định sẵn Bộ xử lý thành phần quan trọng nút mạng cảm biến không dây, thực thu thập liệu từ nút, xử lý liệu gửi đi, đồng thời nhận liệu từ nút khác chuyển tới Có khả liên kết chúng, mềm dẻo kết nối với thiết bị khác, tiêu thụ lượng thấp nhờ khả tự chuyển sang chế độ ngủ đông, có phần vi điều khiển hoạt động Một đặc điểm bật xử lý khả lập trình ngơn ngữ lập trình bậc cao (C, C++) Bộ nhớ sử dụng để lưu trữ liệu xử lý thu từ nút, có hai kiểu kiến trúc nhớ thường sử dụng: kiến trúc havard kiến trúc Von newman Trong kiến trúc havard, nhớ liệu chương trình tách biệt nhau, liệu chứa RAM cịn chương trình chứa ROM nhớ FLASH Mặt khác, kiến trúc Von newman, liệu chương trình lưu với (trên RAM), nhược điểm kiểu kiến trúc liệu bị nguồn bị tắt, Do vậy, hệ điều hành thường lưu trữ ROM, EEPROM, nhớ flash - Bộ thu phát (Transceiver unit): Có chức thu/phát tín hiệu, kết nối nút với nút khác mạng theo yêu cầu xử lý đưa Bộ thu phát sử dụng kết nối khơng dây để thu phát tín hiệu (sóng vơ tuyến, truyền thơng quang, sóng siêu âm, từ trường…) Trong đó, sóng vơ tuyến cho hầu hết ứng dụng mạng không dây dải thông lớn với tốc độ liệu cao phù hợp cho hầu hết ứng dụng mạng không dây Các nút thực chức nhận truyền liệu (điều chế, giải điều chế, khuếch đại, lọc, trộn …) sau chuyển liệu (luồng bit, byte khung liệu) thành sóng vơ tuyến Thơng thường, hai khối thu/phát thường kết hợp thành thiết bị Do vậy, thời điểm thực đồng thời vừa truyền vừa nhận liệu, việc truyền nhận luân phiên điều khiển hệ điều hành [3] Một số lưu ý lựa chọn thiết bị cho thu phát: + Khả phục vụ cho lớp (MAC), cho phép lớp điều khiển gói liệu + Tần số sóng mang, đa kênh truyền thơng + Tốc độ liệu tương ứng với tần số sóng mang băng tần - Bộ nguồn (Power Unit): Có chức cung cấp nguồn cho tồn hoạt động nút, tiếp nhận lượng bổ xung từ sinh lượng (nếu có) Một số loại nút cảm biến bổ xung thêm thành phần để phù hợp với nhiệm vụ cụ thể: - Hệ thống tìm vị trí (Location Finding System): Trong số trường hợp địi hỏi độ xác cao số liệu cảm biến hay định tuyến nút gắn thêm phận - Thiết bị di động (Mobilizer): Làm nhiệm vụ quản lý chuyển động cho nhiệm vụ định sẵn tùy thuộc vào nhiệm vụ mà nút cảm biến trang bị thêm phận - Bộ sinh lượng (Power Generator): Có chức tiếp nhận lượng bổ xung từ nguồn khác (năng lương mặt trời, lượng sinh học, lượng nhiệt… ), cung cấp lượng cho nguồn nút 1.3 Cấu trúc liên kết mạng WSN 1.3.1 Kiến trúc giao thức mạng Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến trình bày hình (1.3) Kiến trúc bao gồm lớp (5 lớp) mặt phẳng quản lý (3 mặt phẳng) Hình Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Mặt phẳng quản lí cơng suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn lượng Ví dụ: Nút cảm biến tắt thu sau nhận tin Khi mức công suất cảm biến thấp, broadcast sang nút cảm biến bên cạnh thơng báo mức lượng thấp khơng thể tham gia vào q trình định tuyến Mặt phẳng quản lý di động : Có nhiệm vụ phát đăng ký chuyển động nút Các nút giữ việc theo dõi xem nút hàng xóm chúng Mặt phẳng quản lý : Cân xếp nhiệm vụ cảm biến nút vùng quan tâm Không phải tất nút cảm biến thực nhiệm vụ cảm nhận thời điểm Lớp vật lí : có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mang, phát tín hiệu, điều chế mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHz sử dụng rộng rãi mạng cảm biến Vấn đề hiệu lượng cần phải xem xét lớp vật lí Lớp liên kết liệu : Lớp liên kết liệu chịu trách nhiệm phát khung liệu ghép kênh, luồng liệu, MAC kiểm soát lỗi, xác nhận độ tin cậy kết nối điểmđiểm điểm-đa điểm Lớp mạng : Chức lớp mạng định tuyến, có nhiều tác vụ dựa ứng dụng, tác vụ tiết kiệm lượng Lớp mạng mạng cảm biến thiết kế tuân theo nguyên tắc sau : • Tiết kiệm lượng vấn đề quan trọng • Mạng cảm biến chủ yếu tập trung liệu • Tích hợp liệu sử dụng khơng cản trở cộng tác có hiệu nút cảm biến Lớp truyền tải : Chức lớp cung cấp khả tránh tắc nghẽn độ tin cậy Lớp truyền tải thực cần thiết hệ thống lên kế hoạch kết nối với mạng khác Lớp ứng dụng : Lớp ứng dụng chịu trách nhiệm quản lý lưu lượng cung cáp phần mềm cho nhiều ứng dụng chuyển đổi liệu dạng rõ ràng để tìm thơng tin tích cực 1.3.2 Cấu trúc liên kết mạng WSN Có bốn cấu trúc liên kết mạng cảm biến phổ biến: a Mạng điểm tới điểm b Mạng hình c Mạng d Mạng lưới 1.3.2.a Mạng điểm tới điểm Trong cấu trúc liên kết này, khơng có thiết bị trung tâm Một nút giao tiếp trực tiếp với nút khác Đây cấu trúc liên kết phổ biến có kênh truyền liệu cung cấp đường truyền thơng tin an tồn Mỗi thiết bị hoạt động máy khách máy chủ Hình Cấu trúc liên kết mạng điểm – điểm 1.3.2.b Mạng hình Không giống mạng điểm - điểm, trung tâm giao tiếp tập trung có mặt mạng hình Mỗi giao tiếp thực thông qua trung tâm nút liên lạc trực tiếp với nhau.Trong trường hợp này, trung tâm giao tiếp máy chủ nút máy khách Hình Cấu trúc liên kết mạng hình 1.3.2.c Mạng Cấu trúc liên kết cho kết hợp cấu trúc liên kết điểm tới điểm cấu trúc hình Các Central Hub gọi nút gốc nút cha Dữ liệu truyền từ nút đến nút gốc Ưu điểm cấu trúc liên kết tiêu thụ điện so với mạng khác Hình Cấu trúc liên kết mạng 1.3.2.d Mạng lưới Trong mạng lưới, liệu 'nhảy' từ nút sang nút khác Tất nút giao tiếp với trực tiếp mà không cần phụ thuộc vào trung tâm giao tiếp Đây cấu trúc đáng tin cậy truyền thông mạng khơng có điểm lỗi đó, cấu trúc phức tạp cần tiêu thụ nhiều điện Hình Cấu trúc liên kết mạng lưới 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây Về mặt lý thuyết, ứng dụng có Mạng cảm biến không dây không giới hạn Một số ứng dụng thường sử dụng mạng cảm biến khơng dây liệt kê Hình Các ứng dụng mạng cảm biến không dây WSN 1.4.1 Ứng dụng y tế Mạng WSN lĩnh vực y tế, cụ thể chăm sóc sức khỏe Mạng WSN tạo thành giải pháp thay khả thi để giám sát trình điều trị, giúp việc chăm sóc sức khỏe tốt quản lý hiệu từ bác sĩ đến bệnh nhân Một vài ứng dụng sức khỏe mạng cảm biến giám sát bệnh nhân, quản lí thuốc bệnh viện, theo dõi kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bệnh viện Dự kiến tương lai, việc tích hợp cảm biến y tế với ứng dụng giám sát y tế minh bạch hiệu việc chăm sóc sức khỏe kiểm sốt bệnh tật Hình Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 1.4.2 Ứng dụng quân Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức bị lỗi mạng cảm biến khiến WSN trở nên hữu ích hoạt động quân để phát giám sát, trinh sát, theo dõi mục tiêu an toàn thù địch Giám sát chiến trường thực thơng qua nút cảm biến để kiểm tra thứ trường hợp cần thêm thiết bị, lực lượng đạn dược chiến trường Các cơng hóa học, hạt nhân sinh học phát thơng qua nút cảm biến Ví dụ cụ thể điều 'hệ thống phát bắn tỉa' phát lửa đến thông qua cảm biến âm vị trí người bắn ước tính cách xử lý âm phát từ micro Hình Ứng dụng mạng WSN quân 1.4.3 Ứng dụng môi trường Hình 10 Ứng dụng WSN mơi trường Mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi môi trường Những hệ thống, ứng dụng phát triển từ WSN sử dụng để theo dõi chuyển động động vật, chim ghi lại chúng Giám sát khí quyển, tưới tiêu nơng nghiệp cách xác thực thơng qua cảm biến WSN sử dụng để phát hỏa hoạn, lũ lụt, động đất nghiên cứu ô nhiễm 1.4.4 Ứng dụng gia đình Hình 11 Ứng dụng WSN nhà Khi công nghệ ngày phát triển, mạng cảm biến không dây WSN thiếu gia đình Các cảm biến tìm thấy tivi, tủ lạnh, điều hịa, lị vi sóng, máy hút bụi, hệ thống an ninh hệ thống giám sát nước Người dùng điều khiển thiết bị cục từ xa với trợ giúp WSN đồng thời thiết bị gia dụng hoạt động trơn tru đạt hiệu suất cao II ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Định tuyến Trong ngành mạng máy tính, định tuyến (tiếng Anh: routing hay routeing) trình chọn lựa đường mạng máy tính để gửi liệu qua Việc định tuyến thực cho nhiều loại mạng, có mạng điện thoại, liên mạng, Internet, mạng giao thông 2.1.2 Định tún mạng cảm biến khơng dây Là q trình chọn lựa đường mạng cảm biến không dây để gửi liệu đến nút cảm biến mạng Số lượng nút cảm biến: mạng cảm biến có số lượng nút lớn tới hàng trăm, hàng nghìn nút triển khai với mật độ cao, thuật tốn định tuyến cần có khả làm việc với số lượng lớn nút mạng phân bổ diện tích rộng Một vấn đề quan trọng mạng cảm biến khơng dây vấn đề định tuyến giới hạn lượng, giới hạn tài nguyên, yêu cầu mở rộng Ngoài ra, yêu cầu dịch vụ đa dạng, phức tạp khác dịch vụ, kéo theo chế định tuyến cho mạng ảo khác Vì định tuyến có vai trị vơ quan trọng then chốt trong việc ảo hóa mạng cảm biến khơng dây Vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây vào việc ảo hóa mạng cảm biến khơng dây trình bày cụ thể 2.2 Các vấn đề thiết kế định tuyến mạng cảm biến không dây Mục tiêu việc thiết kế mạng cảm biến không dây truyền tải liệu trì lượng hoạt động hệ thống mạng ngăn chặn sụt giảm kết nối cách sử dụng phương pháp quản lý lượng linh hoạt Kiến trúc giao thức định tuyến mạng WSN chịu ảnh hưởng từ nhiều yêu cầu đặt Các thách thức cần phải vượt qua trước đạt phương pháp truyền thơng hiệu mạng WSN Dưới số thách thức vấn đề ảnh hưởng trình định tuyến mạng WSN • Giới hạn lượng: nút cảm biến sử dụng pin nên chúng có giới hạn lượng Năng lượng đặt thách thức lớn cho thiết kế mạng môi trường khắc nghiệt Hơn lượng nút cảm biến xuống đến mức đó, nút cảm biến trở nên bất ổn, khơng thể thực xác chức làm ảnh hưởng đến hiệu mạng Do đó, giao thức định tuyến thiết kế cho mạng cảm biến nên tiết kiệm lượng để nâng cao tuổi thọ mạng đảm bảo hoạt động mạng • Vị trí nút cảm biến: Một thách thức khác phải đối mặt thiết kế giao thức định tuyến quản lý vị trí cảm biến Đa số giao thức giả sử dựa vào thiết bị GPS để biết vị trí nút cảm biến • Giới hạn tài nguyên phần cứng: Bên cạnh giới hạn lượng, nút cảm biến hạn chế khả xử lý lưu trữ, thực chức tính tốn hạn chế Các ràng buộc phần cứng đặt nhiều thách thức phát triển phần mềm thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến Chúng 10 loại mà đề cập đến việc dàn xếp liệu nút để giảm bớt dư thừa liệu tiết kiệm lượng Sau Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) phát triển giao thức đáng ý loại định tuyến trung tâm liệu 2.3.1 Giao thức định tuyến trung tâm liệu SPIN SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) giao thức trung tâm liệu đầu tiên, dựa thỏa thuận liệu quan tâm trước chuyển tiếp liệu nhằm giảm dư thừa tiết kiệm lượng Mục tiêu giao thức tập trung quan sát môi trường cách hiệu vào số nút cảm biến riêng biệt toàn mạng Nguyên lý giao thức dựa thích ứng tài nguyên xếp liệu Trong SPIN, tất loại liệu khác đánh dấu miêu tả liệu hay gọi meta-data Khi nút cảm biến nhận một gói tin liệu mới, phát quảng bá meta-data tin liệu tới nút lân cận (chứ khơng chuyển tiếp gói liệu) chờ phản hồi từ nút Khi nhận tin request từ nút lân cận gửi gói data cho nút Các nút lân cận nhận tin quảng bá có chứa meta-data từ nút hàng xóm, định xem có cần loại liệu khơng, cần gửi trả lại tin request Ý nghĩa việc dàn xếp liệu (data negotiation) nút giao thức SPIN biết loại liệu trước liệu truyền mạng Nơi nhận liệu bày tỏ mối quan tâm đến nội dung liệu cách gửi yêu cầu để lấy liệu quảng bá Điều tạo giàn xếp liệu để đảm bảo liệu truyền đến nút quan tâm loại liệu Do mà loại trừ khả tin kép giảm thiểu đáng kể việc truyền liệu dư thừa qua mạng Việc sử dụng miêu tả liệu loại trừ nguy chồng chất nút giới hạn số lượng loại liệu mà chúng quan tâm đến Mỗi nút theo dõi mức tiêu thụ lượng trước truyền xử lý liệu Khi mức lượng cịn lại thấp nút giảm số lượng liệu mà quan tâm loại bỏ số hoạt động truyền meta-data gói Chính khả thay đổi để thích nghi với nguồn lượng có nút làm tăng thời gian sống toàn mạng Để truyền xếp liệu, giao thức SPIN sử dụng ba loại tin • ADV: Khi nút có liệu để chia sẻ; quảng cáo điều cách sử dụng tin nhắn ADV chứa Siêu liệu • REQ- Nút gửi REQ cần nhận liệu • DATA - Chứa thơng điệp liệu Hình 12: Ba loại tin SPIN 12 Hình 13 Hoạt động SPIN Hoạt động SPIN gồm bước: Bước 1: Nút A Gửi ADV (Advertise) để thông báo liệu tới nút Bước 2: Gửi REQ (Request) để yêu cầu liệu mà nút quan tâm Sau nhận ADV nút quan tâm đến liệu gửi REQ để yêu cầu lấy liệu Bước 3: Bản tin DATA, tin thực chứa liệu cảm biến kèm theo mào đầu miêu tả liệu Bước 4: Sau nút nhận liệu chia sẻ liệu cho nút cịn lại mạng việc phát tin ADV chứa miêu tả liệu (metadata) Bước 5: Q trình truyền gói liệu tiếp tục việc nút xung quanh gửi tin REQ yêu cầu liệu Bước 6: DATA lại truyền đến nút mà yêu cầu liệu Tuy nhiên giao thức SPIN có hạn chế nảy sinh nút trung gian không quan tâm đến liệu liệu khơng thể đến đích 2.3.2 Giao thức định tuyến trung tâm liệu Directed Diffusion Directed Diffusion – giao thức truyền tin trực tiếp – giao thức định tuyến liệu trung tâm mạng WSN Mục đích giao thức giải vấn đề giới hạn khả mở rộng mạng lưới giao thức trung tâm liệu, nhiên, Directed Diffusion cố gắng tìm giải pháp đơn giản, thay phụ thuộc vào khả định vị toàn cầu nút, giao thức tạo tương tác nút vùng Cấu trúc truyền tin trực tiếp bắt nguồn từ cách thức hoạt động bên mạng cảm biến: Người vận hành hệ thống thông qua sink, tạo yêu cầu tới vùng xác định mạng theo hướng định, nút vùng thu thập liệu cần thiết gửi trả lại để hoàn thành yêu cầu Mỗi liệu thu thập, nút cảm biến kết hợp với nút lân cận để truyền kết trở sink Giao thức Directed Diffusion bao gồm thành phần: interest (thông tin yêu cầu), data message (các tin liệu), gradient reinforcements Hoạt động Directed Diffusion mơ tả sau: 13 Hình 14 Hoạt động Directed Diffusion Truyền interest: Dữ liệu gán nhãn cặp giá trị thuộc tính Một yêu cầu cảm biến tạo sink gửi toàn mạng dạng interest Bản tin truyền qua tất nút mạng thể quan tâm đến loại liệu Mục đích việc thăm dị để xem xét xem có nút cảm biến tìm kiếm liệu tương ứng với interest không Mỗi nhiệm vụ sink gửi miêu tả danh sách cặp giá trị thuộc tính, ví dụ, danh sách chứa kiểu liệu yêu cầu, chu kỳ thời gian mà sink muốn nhận thông tin nhiệm vụ yêu cầu, thời gian tồn toàn nhiệm vụ, vùng mạng định… Như vậy, nhiệm vụ cảm biến sink yêu cầu mô tả tin interest Tất nút trì ngăn xết interest gọi interest cache để lưu trữ interest khác Mỗi mục interest lại có nhiều trường khác gồm: Một trường nhãn thời gian timestamp chứa thời điểm cuối nhận interest tương thích, số trường gradient tương ứng với nút hàng xóm (mỗi gradient có trường tốc độ liệu chứa tốc độ liệu yêu cầu nút hàng xóm hướng truyền), trường chu kỳ khoảng thời gian tồn interest Khi nút cảm biến nhận interest, kiểm tra nhớ cache nó, khơng có mục interest tương ứng nút tạo mục interest với thơng số có interest vừa nhận Ngược lại, interest nhận có cache nút cập nhật nhãn thời gian trường duration vào mục interest tương ứng Sau nhận interest, nút định broadcast interest tới tất hàng xóm nó, gửi interest tới vài nút lân cận, hủy interest vừa gửi interest loại Đối với hàng xóm nút gửi interest, nhận interest chuyển tiếp từ nút coi nút nguồn interest, thực tế, interest bắt nguồn từ sink Theo cách thức hoạt động đó, interest truyền tồn mạng thơng qua tương tác nút lân cận Thiết lập Gradient: Quá trình tin interest truyền q trình thiết lập đường truyền mạng (gradient) Các gradient sử dụng để định tuyến cho gói tin liệu (dữ liệu phù hợp với interest) trở lại sink Dữ liệu truyền trở sink thông qua đường truyền đa điểm, nút trung gian lưu trữ tính tốn liệu 14 Truyền liệu: Một nút cảm biến nằm vùng đích interest có nhiệm vụ thu thập liệu gửi tin liệu tốc độ với tốc độ lớn trường gradients Khi nút nhận tin liệu từ nút hành xóm nó, tìm kiếm interest tương ứng cache Nếu không tồn interest tương ứng, gói liệu bị loại bỏ Nếu nút nhận tin liệu mà có mục interest phù hợp, để đề phòng trường hợp lặp vòng, nút tiến hành kiểm tra cache liệu, cache lưu trữ đường tin liệu nhận Nếu tin liệu nhận khớp với mục cache liệu tin bị loại bỏ Ngược lại, tin liệu thêm vào cache liệu gửi tới nút lân cận Trước gửi tin liệu, nút cần kiểm tra danh sách đường truyền mục interest Nếu tất đường truyền có tốc độ liệu lớn tốc độ yêu cầu gói tin đến, nút chuyển tiếp gói tin liệu vừa nhận tới nút lân cận dự phòng Nếu vài đường truyền có tốc độ liệu thấp đường truyền khác, nút chuyển đường truyền xuống thành đường truyền dự phịng Như vậy, Directed diffusion có ưu điểm đường dẫn sink nút bị lỗi, đường dẫn có tốc độ liệu thấp thay Kỹ thuật định tuyến ổn định phù hợp với mạng yêu cầu tính linh hoạt cao Loại giao thức định tuyến tiết kiệm lượng đáng kể 2.4 Giao thức phân cấp 2.4.1 LEACH LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) giao thức định tuyến phân cụm phân cấp sử dụng lượng hiệu cho mạng cảm biến không dây để giảm thiểu việc tiêu thụ lượng Mục tiêu giao thức LEACH : • Giảm việc tiêu thụ lượng cách tạo trì cụm • Cải thiện thời gian sống mạng cảm biến khơng dây • Tổng hợp liệu sử dụng để giảm số lượng thông tin liên lạc Để đạt mục tiêu trên, LEACH xây dựng cấu trúc mạng thành cluster: cluster quản lý nút gọi cluster head LEACH lựa chọn ngẫu nhiên số node cảm biến để trở thành node quay vịng vai trị để phân bố đề tải lượng node cảm biến mạng Ở LEACH, node nén liệu đến từ node khác nhóm chúng gửi gói liệu thu thập tới trạm gốc nhằm mục đích giảm số lượng thơng tin truyền phát trạm gốc Việc thu thập số liệu thực tập trung theo định kỳ Do giao thức thực sực thích ứng có nhu cầu trao đổi theo dõi thường xuyên mạng cảm biến Thực tế, người sử dụng khơng cần tất số liệu lập tức, việc truyền phát số liệu theo chu kỳ không cần thiết làm suy giảm nguồn lượng giới hạn node cảm biến Sau khoảng thời gian cho trước, việc quay vòng ngẫu nhiên thay đổi vai trị node tiến hành giao cho có tiêu tán lượng node cảm biến mạng Mơ hình mạng mà LEACH sử dụng : 15 Hình 15 Mơ hình mạng LEACH Giải thuật giao thức LEACH: Ở đầu vịng, node xác định xem node khơng vịng theo nguồn lượng lại node Theo cách này, việc tiêu thụ lượng mạng cảm biến đồng Nếu node định node vịng tại, thơng báo định với node lân cận Các node khác mà khơng chọn trở thành node định cụm mà chúng tham gia vào cách chọn node mà địi hỏi lượng liên lạc LEACH đề xuất để định tuyến liệu mạng cảm biến khơng dây có trạm cố định, trạm ghi lại liệu cần để định tuyến Tất node cảm biến coi tĩnh, đồng lượng hạn chế Các node cảm biến dùng để cảm nhận môi trường liên tục liệu theo chu kỳ cố định Hoạt động LEACH tách thành hai pha: pha thiết lập pha ổn định trạng thái Ở pha thiết lập, nhóm tổ chức node lựa chọn Cịn giai đoạn ổn định trạng thái, việc truyền số liệu thực trạm gốc tiến hành Khoảng thời gian tồn pha ổn định trạng thái thường dài so với thời gian thiết lập ban đầu để giảm tối thiểu tổng chi phí Hình 16 Hai trạng thái pha LEACH Trong pha thiết lập, bắt đầu q trình chọn lựa node (cluster head) Một số lượng nhỏ node xác định trước P, tự định chúng trở thành node chính, node (n) chọn lấy số ngẫu nhiên v phạm vi và so sánh với giá trị ngưỡng T(n) Nếu số ngẫu nhiên nhỏ giá trị ngưỡng T(n) node 16 trở thành node vịng Giá trị ngưỡng tính tốn dựa biểu thức tốn học có kết hợp phần trăm mong muốn hay xác suất trở thành node – P, vịng – r, tập hợp node chưa lựa chọn làm node 1/P vịng trước – tập G T(n) xác định theo cơng thức: T(n) = { , n khác P P 1−P(R mod( )) , n∈G (1) Tất node lựa chọn phát quảng bá tin thơng báo tới tất node cịn lại mạng chúng node Các node khác, khơng phải node sau nhận tin thông báo định thược nhóm mà chúng muốn Quyết định dược cường độ tín hiệu tin thơng báo Các node khơng phải node thơng báo cho node thích ứng chúng thành viên nhóm Sau thu nhận tất tin từ node muốn gia nhập nhóm dựa số lượng node thành viên nhóm, node tạo định thời TDMA, cấp cho node khe thời gian truyền phát Định thời (Schedule) quảng bá tới tất node nhóm LEACH dùng kỹ thuật truy cập theo mã CDMA để giảm xung đột node cluster Mã họn lựa cẩn thận để giảm can nhiễu cluster Hình 17 Sơ đồ khối giai đoạn thiết lập Trong giai đoạn ổn định trạng thái, node cảm biến bắt đầu cảm biến truyền phát số liệu node Các node chính, sau thu tất số liệu, tập hợp chúng lại trước gửi đến trạm gốc Sau khoảng thời gian định xác định trước, mạng quay trở lại trạng thái thiết lập bắt đầu vòng lựa chọn node 17 Hình 18 Sơ đồ khối giai đoạn trạng thái ổn định Ưu điểm giao thức LEACH: • LEACH cung cấp mơ hình tốt mà thuật tốn nội tập hợp liệu thực node lựa chọn ngẫu nhiên • Giảm tải thông tin cung cấp tập hợp tin cậy số liệu cho người sử dụng cuối • LEACH góp phần giảm đáng kể lượng tiêu thụ kéo dài thời gian hoạt động mạng cảm biến so với trường hợp mạng gồm nhóm cố định Hạn chế giao thức LEACH: • LEACH chưa xác định cụ thể số lượng tối ưu node mạng mà mạng khác có cấu hình, mật độ số lượng node khác • Chưa có gợi ý việc tái tạo lại node cần thực • Các node xa trạm gốc tiêu thụ lượng nhanh chóng dừng hoạt động node khác • Tất node kết nối với trạm gốc qua chặng khơng khả thi khả lượng cung cấp cho node thay đổi theo thời gian • Khoảng thời gian pha ổn định trạng thái ảnh hưởng lớn đến lượng tiêu thụ Khoảng ổn định trạng thái kéo dài làm sụt giảm lượng nhanh chóng Tổng kết: LEACH làm giảm lượng tiêu thụ Các node gửi liệu trực tiếp đến trạm gốc Yêu cầu lượng LEACH phân bố cho tất node chúng đóng vai trị việc lựa chọn node LEACH thực thuật tốn phân bố, khơng u cầu thơng tin điều khiển từ trạm gốc Quản lý nhóm cục khơng cần thơng tin chung tồn mạng Các kết mô cho thấy LEACh vượt trội so với giao thức định tuyến truyền thống định tuyến đa chặng truyền trực tiếp, định tuyến lượng tối thiểu, giải thuật định tuyến phân nhóm tĩnh 18 2.4.2 PEGASIS PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems) họ giao thức định tuyến tập hợp thông tin cho mạng WSW, giao thức dựa chuỗi có tác động theo cấu trúc liên kết chuỗi để thu thập liệu chuyển tiếp đến nút trạm gốc PEGASIS thực hai nhiệm vụ: • Kéo dài thời gian sống cho mạng • Đồng lượng tất node mạng giảm độ trễ gói liệu PEGASIS giao thức cải tiến node chọn node gửi liệu hợp đến BS Trong PEGASIS, node giao tiếp với node hàng xóm gần thay phiên truyền đến trạm gốc PEGASIS ứng dụng mơ hình mạng gồm node phân bố đồng khu vực node biết thông tin chung node khác mạng Hơn node cịn có khả điều chỉnh công suất thu phát dùng kỹ thuật CDMA Mục tiêu giao thức định tuyến giảm lượng tiêu thụ truyền liệu thu thập từ node đến trạm gốc với độ trễ thấp Khác với giao thức khác dựa cấu trụng mạng hình hay phân chia cluster PEGASIS dùng cấu trúc chuỗi Các bước hoạt động PEGASIS: • Theo cấu trúc này, node liên lạc với node gần Chuỗi node xa trạm gốc node thêm vào node cuối chuỗi Để xác định node gần nhất, node dựa độ mạnh tín hiệu để đo khoảng cách đến tất node gần node hiệu chỉnh cơng suất phát đủ liên lạc với node gần nghe thấy • Một node chuỗi chọn làm node vịng Node có nhiệm vụ thu thập liệu phát đến trạm gốc Sự ln phiên vai trị node chuỗi đảm bảo cân công suất tiêu thụ node Tuy nhiên, node xa trạm gốc phải tiêu tốn công suất lớn để phát liệu đến trạm gốc • Dạng đơn giản node hai phía node truyền liệu đến đến node Node tập hợp liệu phát cho trạm gốc Tuy nhiên, mơ hình gây độ trễ lớn cho gói liệu Để giảm trễ gói giao thức khác nêu dùng mơ hình tập hợp liệu song song theo chuỗi Để có chất lượng cao node cấp thu phát dùng CDMA để tránh can nhiễu node lân cận Hình 2.4.5 minh họa giải thuật tập hợp liệu song song Hình 19 Cấu trúc mạng hình chuỗi 19 Giả sử tất node biết thông tin chung liên kết thành chuỗi N số node tham gia vào chuỗi Xét node vị trí số node vịng xét, mức node đánh số chẵn phát liệu tập hợp cho node bên phải Mức kế tiếp, node giữ liệu tập hợp đánh số lại node đánh số chẵn phát liệu cho node bên phải Ở mức cuối cùng, node đánh số node chứa liệu lân cận cuối node node Node gửi tồn liệu tập hợp trước cho node Sau node phát tồn liệu chuỗi cho trạm gốc Thuật toán chuỗi song song tiết kiệm đáng kể lượng tiêu thụ node độ trễ gói Cách tiếp cận nhị phân dựa chuỗi giúp giảm lượng sử dụng đáng kể nút hoạt động song song Hơn cấu trúc phân cấp, node phân bố đồng khu vực, liệu tổng hợp đưa đến node sau log2N bước (N tổng số bước) Sơ đồ tổng hợp nhị phân dựa chuỗi sử dụng PEGASIS giải pháp thay để đạt mức độ song song cao Với node cảm biến dùng CDMA, PEGASIS chứng minh sơ đồ dạng chuỗi hoạt động tốt với mơ hình có độ trễ lượng cần thiết cho vòng thu thập liệu, số liệu cân chi phí lượng độ trễ Ưu điểm giao thức PEGASIS: • PEGASIS cải thiện LEACH cách tiết kiệm lượng nhiều giai đoạn • Khoảng cách mà hầu hết node truyền nhiều so với truyền tới đầu cụm LEACH • Lượng liệu mà node nhận nhiều từ hai node thay tất node LEACH • Chỉ có node truyền đến cho trạm gốc vòng giao tiếp để cân suy giảm lượng mạng Hạn chế giao thức PEGASIS: • Khi node chọn, cần cân nhắc xem BS cách node bao xa • Khi node chọn mức lượng khơng xem xét • Vì có node nên xảy tượng nghẽn cổ chai gây chậm trễ • Dữ liệu truyền có node chọn Kết luận: Dùng PEGASIS giải vấn đề mào đầu gây việc hình thành cụm động LEACH giảm số lần truyền nhận việc tập hợp liệu Tuy nhiên PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn nút xa chuỗi Hơn nút xảy tượng thắt cổ chai Các kết mô cho thấy cấu trúc mở rộng PEGASIS giao thức LEACH cải thiện đáng kể nhược điểm giao thức định tuyến truyền thống 20 2.5 Giao thức dựa vị trí Mục tiêu của giải thuật định tuyến dựa vào thơng tin về vị trí của nút cảm biến để tìm đường hiệu đến đích 2.5.1 GAF (Global Assessment of Functioning) Giải thuật xác theo địa lý (GAF) dựa vị trí có hiệu mặt lượng thiết kế chủ yếu cho mạng Ad-hoc di động, GAF khai thác việc dư thừa liệu mạng cách coi tập hợp nút mạng tương đương nhìn từ giao thức lớp GAF chia vùng quan sát thành hình vng đủ nhỏ chúng giao tiếp vơ tuyến với Mỗi nút dùng GAF - vị trí xác định để kết hợp với điểm lưới mà coi tương đương tính đến giá việc định tuyến gói GAF tăng đáng kể thời gian sống mạng cảm biến mà số lượng nút tăng lên Một ví dụ cụ thể thể hình sau Hình 20 Ví dụ lưới ảo GAF Có ba trạng thái định nghĩa GAF: • Phát (Discovery): để xác định nút lân cận lưới • Hoạt động (Active): thể tham gia vào q trình định tuyến • Nghỉ (sleep) sóng tắt Sự di chuyển GAF mô tả hình sau đây: Hình 21 Sự chuyển trạng thái GAF Để điều khiển độ di động, nút lưới ước đoán thời gian rời khỏi lưới gửi thơng tin đến nút lân cận GAF triển khai cho mạng bao 21 gồm nút không di động (GAF bản) mạng bao gồm nút di động (GAF thích ứng di động) GAF giữ mạng hoạt động cách giữ cho nút đại diện chế độ hoạt động vùng lưới ảo Đối với vùng lưới xác định, nút đại diện hoạt động nút chủ để truyền liệu đến nút khác Tuy nhiên nút chủ không thực nhiệm vụ hợp hay tập trung liệu 2.5.2 GEAR Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) dùng nhận biết lượng phương pháp thông báo thông tin địa lý tới nút lân cận Ý tưởng hạn chế số lượng yêu cầu Directed Diffusion cách quan tâm đến vùng xác định gửi yêu cầu tới toàn mạng GEAR cải tiến Directed Diffusion điểm dự trữ nhiều lượng Trong giao thức GEAR, nút giữ estimated cost learned cost Estimated cost kết hợp lượng dư khoảng cách đến đích Learned cost cải tiến estimated cost giải thích cho việc định tuyến xung quanh hốc mạng Có hai pha giải thuật này: • Chuyển tiếp gói đến vùng đích: Có trường hợp cần quan tâm: ✓ Khi tồn nhiều nút lân cận gần đích: GAF chọn nút gần để làm hop ✓ Khi tất nút xa đích: số nút lân cận chọn để chuyển tiếp gói dựa learned cost Lựa chọn cập nhật sau theo hội tụ learned cost suốt q trình truyền gói • Chuyển tiếp gói vùng: Nếu gói chuyển đến vùng, truyền liệu vùng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy flooding có giới hạn Ở mạng có mật độ sensor cao, flooding địa lý đệ quy lại hiệu mặt lượng flooding có giới hạn Trong trường hợp đó, người ta chia vùng thành vùng nhỏ tạo copy gói Hình 22 Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR 22 2.5.3 Một số thuật toán đề xuất Một thuật toán định tuyến nhà nghiên cứu đưa để nhằm tiết kiệm lượng mạng cảm biến khơng dây metaheuristic Thuật tốn đề xuất phương pháp ban đầu kết hợp cách đổi khả tìm kiếm tồn cầu tối ưu hóa bầy hạt thuật tốn, tốn tử khác biệt thuật toán vi phân pheromone thuật tốn tối ưu hóa kiến theo thứ tự để tránh tìm kiếm địa phương giữ lại đa dạng dân số Các nghiên cứu mơ tồn diện cho thấy thuật tốn đề xuất tăng tuổi thọ tối đa mạng cảm biến không dây lên 38% so với kết tạo với thuật toán định tuyến thuật toán tiên tiến dựa thuật tốn tối ưu hóa dựa dân số khác Nút chìm di động di chuyển vật lý mạng giao tiếp với nút chọn thực thu thập liệu trực tiếp thông qua liên lạc phạm vi ngắn không yêu cầu định tuyến Ngồi số thuật tốn đề xuất để tìm đường tối ưu nút chìm di động thuật tốn ACO (lịch trình di động dựa tối ưu hóa đàn kiến ) Nó tăng cường khả tìm kiếm tồn cầu cách xem xét khoảng cách nút cảm biến khoảng cách đến bồn rửa di động chiến lược di chuyển nút chìm di động phần lớn tiết kiệm lượng tiêu thụ nút cảm biến Hình 23 Khung WSN với nút chìm di động 23 KẾT LUẬN Sau trình tìm hiểu, tiểu chúng em hoàn thành hợp tác tìm hiểu tất bạn nhóm Bài tiểu luận trình bày lý thuyết tổng quan mạng cảm biến không dây, vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây Qua thấy tầm quan trọng lợi ích mạng cảm biến không dây, tầm quan trọng định tuyến mạng cảm biến không dây Với lý vậy, chúng em hy vọng tiểu luận góp phần vào việc tìm hiểu nghiên cứu học tập bạn lớp LỜI CẢM ƠN Trong gần năm học tập Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn Thơng, sinh viên chúng em nhận bảo giúp đỡ tận tình Thầy Cơ giáo Học viện Đặc biệt, sinh viên nghành Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông chúng em tìm hiểu, nghiên cứu, học hỏi, tiếp thu biết kiến thức hướng dẫn tận tâm Thầy Cô Trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới Thầy Cơ giáo Học Viện nói chung Thầy Cô giáo khoa Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thơng nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt bốn năm học vừa qua Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Tiến Ban, thầy nhiệt tình dạy cho chúng em kiến thức cần thiết môn học Tuy cố gắng kiến thức hạn chế nên tiều luận cịn nhiều thiếu sót, hi vọng thầy góp ý bổ sung để giúp chúng em hồn thiện tiểu luận cách tốt Cuối cùng, chúng em xin kính chúc Thầy gia đình dồi sức khoẻ, thành công nghiệp cao quý! 24 DANH MỤC HÌNH VẼ STT Tên hình vẽ Hình 1: Cấu tạo nút cảm biến Hình Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây Hình Cấu trúc liên kết mạng điểm – điểm Hình Cấu trúc liên kết mạng hình Hình Cấu trúc liên kết mạng Hình Cấu trúc liên kết mạng lưới Hình Các ứng dụng mạng cảm biến khơng dây WSN Hình Ứng dụng chăm sóc sức khỏe Hình Ứng dụng mạng WSN quân 10 Hình 10 Ứng dụng WSN mơi trường 11 Hình 11 Ứng dụng WSN nhà 12 Hình 12 Ba loại tin SPIN 13 Hình 13 Hoạt động SPIN 14 Hình 14 Hoạt động Directed Diffusion 15 Hình 15 Mơ hình mạng LEACH 16 Hình 16 Hai trạng thái pha LEACH 17 Hình 17 Sơ đồ khối giai đoạn thiết lập 18 Hình 18 Sơ đồ khối giai đoạn trạng thái ổn định 19 Hình 19 Cấu trúc mạng hình chuỗi 20 Hình 20 Ví dụ lưới ảo GAF 21 Hình 21 Sự chuyển trạng thái GAF 22 Hình 22 Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR 23 Hình 23 Khung WSN với nút chìm di động 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Trọng Dương, Đồ án tốt nghiệp: Giao thức định tuyến LEACH WSN ,2012 Phạm Minh Tuấn, Đồ án tốt nghiệp: Định tuyến mạnh cảm biến khơng dây ảo hóa, 2014 Kazem Soheaby, Daniel Minoli, Taieb Znati, Wiley & Son Inc Publication “Wireless sensor network Technology, Protocols, and Application”, 2007 Anna H., “Wireless Sensor Network Designs”, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA Đỗ Duy Tân, “Giáo trình mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network), Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, năm 2009 Https://www.electronicshub.org/Applications_of_Wireless_Sensor_Networks Https://quantrimang.com/wireless-sensor-network-wsn-175492 J.Y.Lee, K.D.Jung, S.J.Moon and H.Jeong, “Improvement on leach protocol of a wide-area wireless sensor network”, Multimedia Tools and Applications, 2016 Kulik, W.Heinzelman, H.Balakrishnan, “Negotiation-based protocols for disseminating information in wireless sensor networks”, Wireless Network 8, 2002 10 Han, Z.Gong, W.Meng, et al., Automatic precision control positioning for wireless sensor network IEEE Sensors Journal 16(7), 2140–2150 (2016) 26 ... mạng cảm biến không dây nút cảm biến không dây, cấu trúc mạng cảm biến không dây, ứng dụng mạng cảm biến không dây giao thức định tuyến mạng cảm biến khơng dây Cùng với giao thức định tuyến mạng. .. thuyết tổng quan mạng cảm biến không dây, vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây Qua thấy tầm quan trọng lợi ích mạng cảm biến không dây, tầm quan trọng định tuyến mạng cảm biến không dây Với... định tuyến cho mạng cảm biến Chúng 10 ta phải xem xét không hạn chế lượng mà khả xử lý lưu trữ nút cảm biến • Sự phân bố nút cảm biến: Các nút cảm biến triển khai mạng cảm biến không dây tùy thuộc