Giao thức định tuyến LEACH trong WSN

Chương I: Định tuyến trong mạng WSN. Chương này đưa ra cái nhìn tổng quan về WSN, bao gồm khái niệm, ứng dụng và một số giao thức định tuyến chính đang được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng WSN. Chương II: Giao thức định tuyến LEACH. Chương này tập trung vào phân tích hoạt động và thuật toán của giao thức LEACH. Từ đó, đánh giá ưu điểm, nhược điểm và đề suất hai giao thức LEACH cải tiến là LEACHC và LEACHF. Chương III: Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của các giao thức định tuyến LEACH bằng công cụ mô phỏng OMNeT++.

Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC SVTH: Nguyễn Trọng Dương, lớp: D06VT1 1 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ 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 DS-SS Direct Sequence - Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp GAF Geographic Adaptive Fidelity Chính xác tương thích địa lý GEAR Geographic and Energy- Aware 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 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp LEACH- C Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy- Centralized Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp - tập trung LEACH- F Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy- Fixed Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp - Cố định Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường PAN Personal Area Network Mạng vùng cá nhân PEGASIS Power-efficient 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 SPIN-BC Sensor Protocols for Information via Negotiation - Broadcast media Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – môi trường quảng bá SPIN-EC SPIN-PP with a low energy threshold Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – điểm điểm với mức ngưỡng năng lượng thấp SPIN-PP Sensor Protocols for Information via Negotiation – Point to Point Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – điểm điểm SPIN-RL SPIN-BC for lossy networks Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – môi Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt trường quảng bá cho mạng suy hao TDMA Task Assignment and Data Advertisement Protocol Đa truy nhập và phân chia theo thời gian UWB Ultra-Wideband Băng siêu rộng WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Đồ án tốt nghiệp Lời mở đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ và truyền thông đã đạt được những bước phát triển ấn tượng và đang đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống của con người. Chính sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã làm cho hoạt động trao đổi thông tin trở thành một đặc trưng của xã hội hiện đại. Tuy nhiên, xã hội càng tiến bộ thì những nhu cầu của con người ngày càng phong phú và khắt khe hơn. Để đáp ứng được tốt yêu cầu đó, đòi hỏi những người trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học phải không ngừng sáng tạo để tìm ra những giải pháp công nghệ mới, không những chỉ đáp ứng tốt nhu cầu hiện tại của xã hội, mà còn định hướng cho những ứng dụng mới trong tương lai. Sự ra đời của mạng cảm biến không dây WSN được đánh giá là một trong những ví dụ điển hình của những giải pháp công nghệ như vậy. Mạng WSN có những ưu thế vượt trội như khả năng ứng dụng phong phú, chi phí triển khai thấp do các nút mạng có giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng nhưng vẫn đảm bảo khả năng cảm biến và truyền thông tốt. Tuy nhiên, bất cứ một hệ thống nào có tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi cũng đều phải đối mặt với rất nhiều thách thức, và WSN cũng không phải là một ngoại lệ. Một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến là nguồn năng lượng của các nút cảm biến bị giới hạn và không thể nạp lại. Để giải quyết vấn đề đó, hiện nay, rất nhiều hướng nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm ra giải pháp để cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng cho mạng cảm biến nhưng đáng chú ý nhất là phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phù hợp. Kết quả là rất nhiều giao thức định tuyến đã được đưa ra, trong đó, những giao thức định tuyến phân cấp được đánh giá là rất hiệu quả. Để nắm bắt được một công nghệ mới là một việc rất khó khăn, do đó, quyển đồ án này không nghiên cứu toàn bộ các giao thức định tuyến phân cấp mà tập trung vào nghiên cứu “Giao thức định tuyến LEACH trong WSN”. Đặc biệt chú trọng vào những ưu điểm nổi trội của giao thức LEACH, đồng cũng chỉ ra những nhược điểm còn tồn tại, từ đó, đề xuất những giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của giao thức thông qua mô phỏng trên nền OMNeT++ trong ba chương: Chương I: Định tuyến trong mạng WSN. Chương này đưa ra cái nhìn tổng quan về WSN, bao gồm khái niệm, ứng dụng và một số giao thức định tuyến chính đang được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng WSN. Chương II: Giao thức định tuyến LEACH. Chương này tập trung vào phân tích hoạt động và thuật toán của giao thức LEACH. Từ đó, đánh giá ưu điểm, nhược điểm và đề suất hai giao thức LEACH cải tiến là LEACH-C và LEACH-F. Chương III: Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của các giao thức định tuyến LEACH bằng công cụ mô phỏng OMNeT++. Ba giao thức định tuyến trên đang được sử dụng rộng rãi trong WSN, chương này sẽ đi sâu phân tích, xây dựng chương trình Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 6 Đồ án tốt nghiệp Lời mở đầu mô phỏng ba thuật toán LEACH, LEACH-C và LEACH-F trên nền OMNeT++, qua đó, phân tích, đánh giá ưu điểm của mỗi giao thức. Để hoàn thành được đồ án này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về mặt kiến thức cũng như kinh nghiệm của các thầy giáo, cô giáo khoa Viễn thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Cô giáo: ThS. Nguyễn Thị Thu Hằng, người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án. Mặc dù đã nỗ lực cố gắng, song với thời gian hạn chế, quyển đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của thầy giáo, cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 29 thánh 11 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Trọng Dương Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 7 Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN CHƯƠNG 1: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG WSN Chương một sẽ trình bày những thông tin khái quát về ý tưởng và những ứng dụng của mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network), đồng thời cũng chỉ ra những thách thức về mặt kỹ thuật mà mạng WSN phải đối mặt và các giải pháp công nghệ hiện tại được đưa ra để giải quyết các vấn đề đó. Trong đó, tập trung chủ yếu vào vấn đề thiết kế giao thức định tuyến. Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày khái quát một số giao thức định tuyến được sử dụng phổ biến trong WSN. Để từ đó, nhận thấy được vai trò và khả năng ứng dụng của đề tài nghiên cứu “giao thức định tuyến LEACH trong WSN” vào thực tiễn xây dựng và triển khai mạng WSN. 1.1. Giới thiệu chung 1.1.1. Tổng quan về WSN Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) được định nghĩa là một mạng lưới được hình thành từ số lượng lớn các nút cảm biến và có ít nhất một trạm gốc. Nút cảm biến là những thiết bị nhỏ gọn, có khả năng tự hành và hoạt động trong một số điều kiện đặc biệt như: sử dụng nguồn năng lượng pin, tiêu tốn ít năng lượng và có đầy đủ các tính năng để thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, lưu trữ dữ liệu nhằm đưa ra các nhận định toàn cục về môi trường xung quanh. Ngoài ra, chúng cũng được trang bị bộ thu, phát vô tuyến để truyền thông với trạm gốc, là nơi mà các thông số từ nút gửi về sẽ được phân tích, tính toán, lưu trữ và luôn sẵn sàng cho người sử dụng [1][18]. Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến thông thường Có rất nhiều lý do khiến WSN trở thành một trong những đề tài Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 8 Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN nghiên cứu hấp dẫn nhất trong lĩnh vực viễn thông những năm gần đây, trong đó, quan trọng nhất là khả năng triển khai mạng và khả năng đáp ứng được rất nhiều ứng dụng thực tế khác nhau của nó. Ngày nay, nhờ những tiến bộ trong công nghệ cảm biến, chi phí để xây dựng một mạng WSN được giảm đáng kể, thời gian sống của các nút cảm biến cũng được cải thiện, thêm vào đó là ưu điểm của mạng WSN là rất đơn giản trong xây dựng và lập trình mạng. Tuy nhiên, nhân tố cốt lõi và quan trọng nhất khiến WSN được xem như là một công nghệ mới đầy hứa hẹn chính là ở khả năng cung cấp những ứng dụng thực tế của nó. Với công nghệ cảm biến hiện đại, các Nút cảm biến ngày nay có thể cảm biến được số lượng lớn tham số vật lý, từ những tham số đã rất phổ biến như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và tia hồng ngoại, âm thanh, trấn động, áp lực, các cảm biến hóa học, từ trường… cho đến những loại tham số vô cùng tinh vi như: khả năng nhận thức (ví dụ như các cảm biến tương tác hoặc di chuyển). Chính nhờ khả năng cảm biến được rất nhiều thông số vật lý đó mà WSN ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, giám sát môi trường và đa dạng sinh học, căn hộ thông minh, quản lý nhà máy hoặc các ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe con người. Trong tương lai gần, WSN và các ứng dụng của nó sẽ đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống của con người [7]. Thiết kế một mô hình mạng WSN chung duy nhất để đáp ứng được hàng loạt các ứng dụng trên là vô cùng khó khăn, do đó, với mỗi một loại ứng dụng cụ thể, chúng ta phải thiết kế một kiểu mạng WSN phù hợp với nó. Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế, tựu trung lại, WSN có một số đặc điểm như:  Chất lượng dịch vụ: Thông thường, những thông số về chất lượng dịch vụ truyền thống (thường bắt nguồn từ các ứng dụng đa phương tiện) như: giới hạn về độ trễ hoặc băng thông tối thiểu không phải là yêu cầu quan trọng trong WSN. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc truyền các gói tin theo chu kỳ lại được đặt lên hàng đầu, hoặc trong một số trường hợp khác, độ tin cậy của thông tin, trễ,… lại là vấn đề rất quan trọng.  Khả năng chịu lỗi: Yếu tố đặc biệt quan trọng là WSN phải có khả năng xử lý được những vấn đề như: các nút có thể hết năng lượng hoặc bị hỏng, hoặc truyền thông vô tuyến giữa hai nút bị ngắt.  Thời gian sống: Trong hầu hết các kịch bản, nút cảm biến đều hoạt động nhờ vào một nguồn cung cấp năng lượng có giới hạn (sử dụng pin). Việc thay thế nguồn năng lượng của nút trên thực tế thường là không thực hiện được, đồng thời, một mạng WSN phải duy trì được trong một khoảng thời gian yêu cầu hoặc càng lâu càng tốt. Do đó, thời gian sống của mạng WSN trở thành một vấn đề rất quan trọng.  Khả năng mở rộng: Mạng WSN có thể bao gồm một số lượng rất lớn nút cảm biến, do đó, kiến trúc và giao thức mạng được áp dụng phải có khả năng mở rộng dễ dàng. Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 9 Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN  Khả năng duy trì: Cả môi trường hoạt động của WSN và bản thân nó luôn luôn thay đổi, do đó, hệ thống phải có khả năng thích nghi tốt. Điều này đòi hỏi phải có cơ chế giám sát trạng thái của các nút để điều chỉnh các thông số hoạt động (ví dụ như chấp nhận cung cấp dữ liệu với chất lượng kém hơn khi nguồn năng lượng yếu). Theo hướng này, mạng lưới phải tự bảo trì hoặc nó cũng có thể tương tác với các cơ chế bảo trì bên ngoài để đảm bảo rằng nó có thể hoạt động và đáp ứng được những tiêu chuẩn như yêu cầu. Như vậy, bên cạnh những ưu thế có được, mạng WSN đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức đó là làm sao để tìm ra được các cơ chế có thể đáp ứng được tất cả yêu cầu về đặc điểm trên. Một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong đó đáng chú ý nhất là phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phù hợp để tìm đường đi giữa các nút mạng, qua đó kéo dài đáng kể thời gian sống của mạng WSN, đây chính là mục tiêu nghiên cứu của đồ án này. 1.1.2. Những hướng nghiên cứu WSN Những nghiên cứu trong lĩnh vực WSN đã được thực hiện ở một vài mức độ, bắt đầu từ mức phần tử, mức hệ thống và tất cả đều hướng tới mức độ ứng dụng. Các nghiên cứu ở mức phần tử chủ yếu tập trung vào cải thiện khả năng cảm ứng, truyền thông và tính toán của các thiết bị cảm biến riêng biệt. Những nghiên cứu ở mức độ hệ thống tập trung vào việc tìm ra cơ chế nhằm thiết lập mạng lưới, phối hợp một số thiết bị cảm biến với nhau và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả. Các nghiên cứu ở mức độ ứng dụng thì quan tâm tới quá trình triển khai mạng cảm biến vào những ứng dụng cụ thể [2].  Mức độ phần tử: Với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, đặc biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời của nhiều hệ thống vi điện tử hiện đại, ít tiêu tốn năng lượng và khả năng xử lý tín hiệu rất tốt. Những phát minh trong công nghệ điện tử chính là cơ sở cho sự ra đời của các bộ cảm biến với kích thước nhỏ, giá thành rẻ và từ đó, mạng cảm biến WSN ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Xuất phát từ yêu cầu cải thiện khả năng xử lý tín hiệu và truyền thông của các nút cảm biến, hàng loạt các nghiên cứu ở mức phần từ ([2][5][17]) đã được tiến hành và kết quả là rất nhiều phát kiến mới được ứng dụng nhằm cải thiện khả năng của nút cảm biến. Những nghiên cứu ở mức phần tử chủ yếu tập trung vào những vấn đề sau: Cải thiện khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh thông qua bộ cảm biến và chuyển đổi thành tín hiệu số, nghiên cứu các công nghệ truyền thông (chủ yếu là vô tuyến) giữa các nút cảm biến và giữa nút cảm biến với trung tâm, cải tiến công nghệ chế tạo nhằm làm giảm giá thành và kích thước của nút cảm biến. Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 10 [...]... mạng nhằm mục đích thiết kế các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng Kết quả của hướng nghiên cứu này là phát minh ra hàng loạt những thuật toán định tuyến mới nhằm giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến Các giao thức định tuyến có thể phân chia thành ba loại: Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu, giao thức định tuyến phân cấp và giao thức định tuyến căn cứ vào vị trí  Mức độ... Adhoc Do vậy, WSN yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới, khác xa so với các giao thức định tuyến đã tồn tại trong mạng Adhoc Quá trình thiết kế giao thức định tuyến để WSN có thể đáp ứng được tốt những đặc trưng riêng đó đã dẫn đến hàng loạt thách thức lớn và riêng có đối với WSN Phần này, sẽ trình bày những thách thức phải đối mặt trong quá trình thiết kế giao thức định tuyến cho WSN [9] Mục... dữ liệu, giao thức định tuyến phân cấp và giao thức định tuyến căn cứ vào vị trí Chương một đã trình bày khái quát về một số giao thức thuộc ba loại giao thức định tuyến trên Mỗi loại giao thức định tuyến có đặc tính, ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó, trong quá trình thiết kế mạng WSN, phải kết hợp chặt chẽ giữa việc nghiên cứu yêu cầu thực tế của ứng dụng mạng và nghiên cứu giao thức định tuyến Nguyễn... chúng được triển khai trong một vùng không gian rộng lớn, vì vậy thông tin về vị trí cần phải được sử dụng trong các dữ liệu định tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lượng, từ đó, các giao thức định tuyến dựa trên vị trí được phát triển Trong loại giao thức định tuyến này, GAF và GEAR là hai giao thức rất đáng được chú ý 1.2.2 Các giao thức định tuyến 1.2.2.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu... thuật định tuyến này ổn định và phù hợp với mạng yêu cầu tính linh hoạt cao Loại giao thức định tuyến này tiết kiệm năng lượng đáng kể 1.2.2.2 Giao thức định tuyến phân cấp Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 18 Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN  LEACH LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized) là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp Trong giao thức LEACH, ... thiệu một số giao thức định truyến đã được thiết kế cho mạng cảm biến 1.2.1 Phân loại các giao thực định tuyến Căn cứ vào mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến, chúng ta có thể phân chia các giao thức định tuyến thành 3 loại: Giao thức trung tâm dữ liệu, giao thức phân cấp và giao thức dựa trên vị trí  Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến thì việc xác định số nhận... một, giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu hoàn toàn không phù hợp với những mạng quy mô lớn, yêu cầu tính linh hoạt cao, trong khi các giao thức căn cứ vào vị trí yêu cầu nút cảm biến phải có bộ định vị toàn cầu GPS, nếu áp dụng trong mạng quy mô lớn thì chi phí lắp đặt sẽ rất cao Như vậy, trong trường hợp này, sử dụng giao thức định tuyến phân cấp là sự lựa chọn đúng đắn nhất Trong các giao thức định. .. giao thức LEACH cơ bản và hai giao thức LEACH cải tiến là LEACH- C và LEACH- F 2.1 Giới thiệu giao thức LEACH LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp, dựa trên thuật toán phân nhóm, trong đó, các nút có thể phân bố ngẫu nhiên, và tự hình thành cụm (sefl configuring cluster formation) Nút chủ cụm có chức năng điều khiển các nút trong cụm gửi dữ liệu đến nó theo một chu kỳ nhất định. .. Diffussion – giao thức truyền tin trực tiếp – là một giao thức định tuyến dữ liệu ở trung tâm mạng WSN Mục đích của giao thức là giải quyết vấn đề giới hạn trong khả năng mở rộng mạng lưới của các giao thức trung tâm dữ liệu, tuy nhiên, Directed Diffussion cố gắng tìm ra một giải pháp đơn giản, thay vì phụ thuộc vào khả năng định vị toàn cầu của các nút, giao thức này tạo ra sự tương tác giữa các nút trong. .. được hiện tượng xung đột (collision) xảy ra trong cụm 2.2 Hoạt động của LEACH Phần trên đã trình bày khái quát về ý tưởng và cơ chế hoạt động của giao thức định tuyến LEACH, phần này sẽ tập trung nghiên cứu hoạt động của LEACH và rút ra những nhận xét về ưu điểm và nhược điểm của giao thức Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Giao thức định tuyến LEACH Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng (round), mỗi . cứu toàn bộ các giao thức định tuyến phân cấp mà tập trung vào nghiên cứu Giao thức định tuyến LEACH trong WSN . Đặc biệt chú trọng vào những ưu điểm nổi trội của giao thức LEACH, đồng cũng. đề suất hai giao thức LEACH cải tiến là LEACH- C và LEACH- F. Chương III: Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của các giao thức định tuyến LEACH bằng công cụ mô phỏng OMNeT++. Ba giao thức định. khái quát một số giao thức định tuyến được sử dụng phổ biến trong WSN. Để từ đó, nhận thấy được vai trò và khả năng ứng dụng của đề tài nghiên cứu giao thức định tuyến LEACH trong WSN vào thực