Tìm hiểu các giao thức định tuyến sleach, rleach và leach c trên mạng wsn

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRUONG DAI HOC KHOA HOC HUE

PHAN TRONG TAN

TIM HIEU CAC GIAO THUC DINH TUYEN SLEACH, RLEACH VA LEACH-C

TREN MANG WSN

CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH MA SO: 60.48.01.01

LUAN VAN THAC SI KHOA HOC

DINH HUONG NGHIEN CUU

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các để tài khác Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi

sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích

dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Trang 3

Trong các mạng đa liên kết và di động khác, việc tiêu thụ năng lượng là

một vấn để quan trọng trong thiết kế song không phải vấn để chính vì nguồn năng lượng có thể được người sử dụng thay thế Điều quan trọng hơn là vấn để cung cấp

chất lượng dịch vụ (QoS) Tuy nhiên, trong các mạng WSN, hiệu quả năng lượng là

một vấn để vô cùng quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ của mạng Các giao thức riêng cho từng ứng dụng được thiết kế để có được sự cân bằng thích hợp giữa các vấn đề về độ trễ và thông lượng với hiệu quả năng lượng

Nhiệm vụ chính của một nút cảm biến trong trường cảm biến là theo dõi các sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu Công suất tiêu thụ

bởi ba thành phần chính: Cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu [2][14] 1.3.2 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến

Năng lượng tiêu thụ của bộ cảm biến và các thành phần của nó có thể thay

đổi tuỳ theo ung dụng cụ thể Việc cảm biến rời rạc sẽ tiêu thụ công suất nhỏ hơn so với việc theo dõi các hiện tượng một cách liên tục Độ phức tạp của nhiêm vụ quan

sát hiện tượng đóng vai trò quyết định trong việc xác định mức năng lượng tiêu hao Các mức tạp âm biên độ cao là nguyên nhân làm tăng độ phức tạp trong việc quan

sát hiện tượng của các nút cảm biến Do đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho nhiệm vụ cảm biến

1.3.3 Năng lượng cho truyền thông

Trong ba thành phần nêu trên trong một nút cảm biến, phần truyền thông số

liệu tiêu thụ năng lượng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu Đặc điểm

truyền thông trong mạng WSN là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp (~ 0 dbm), chi phí năng lượng cho việc phát và thu là gần như nhau Trong mạch thu phát, các

bộ trộn, các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng

khoá pha (PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể Điều quan trọng là tính tốn này khơng chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởi phát trong mach thu phát Thời gian khởi phát lên tới hàng trăm micro giây làm công suất khởi phát trở lên đáng kể Giá trị cao của thời

Trang 4

MỤC LỤC .9I180)0099 10079 cm i 9028)00919 e0.) 0 ii 66 100015 1

Chuong 1 TONG QUAN VE MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3

1.1 Mô hình mạng cảm biến khơng dây - W§N -2- 2222222222222 xe 4 1.1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 222222 2222221222122122122 e6 4 1.1.2 Cấu trúc 1 nút (node) mạng W8N -222 221 222122212222222 xe 1.1.3 Cầu trúc giao thức mạng cảm biến - WSN 1:2 Nguyén.ly hoạt động của WSNN sieeeieeiinieniriniinonikiiiiegiE1L001205110010051304 0000 8 1.2.1 Phân loại các giao thức định tuyến 22-222 222221121112111211221 xe 10 1.3 Năng lượng tiêu thụ của các giao thức định tuyén trong mang WSN 12

1.3.1 Sự tiêu thụ năng lượng c1 nhà Hành Hee 12 1.3.2 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm 7 eocececcececcecsseecesestesestesestesestssesteseeteees 13 1.3.3 Năng lượng cho truyền thông 222 22 22222222111211121112121211 22 xe 13 1.3.4 Năng lượng cho Xử Ìý cc tt nhà Hà HH Ha Ha HH Ha He 14 1.3.5 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng -2- 22 22222222252225121222122222-e 15 1.4 Kết luận chương . 2-22222222211221211211221122112212222122 re 16 Chuong 2 HOAT DONG CUA MOT SO GIAO THUC DINH TUYEN CAI TIEN CUA LEACH Access 17

2.1 Đặc trưng chung của các giao thức định tuyến phân cấp - 17 2.2 Giới thiệu giao thức định tuyến phân cấp theo cụm thích nghi năng lượng

thấp (LEACH) 52-222 222221122112211211111211121111122122222221122 re 18 2:21, Hoatedongscta LEACH cece :conccsorenmersesrnnmerrenmuncennm meters 20 2.2.2 Giai đoạn thiết lập 2-52 22 221222122112212211222221222 re 21

2.2.3 Giai đoạn ổn định 22 neo 24

Trang 5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang 6

DANH MUC CAC CHU VIET TAT Chữ viết tắt Chữ đây đủ

ADV Advertise

BS Base Station (Sink)

CDMA Code division multiple acces CH Cluster Head CN Cluster Node ID Identification Low-ener, adaptive lusterin LEACH ; ey P ` hierarchy Low-Energy Adaptive Clustering LEACH-C Hierarchy-Centralized Sensor Protocols for Information SPIN via Negotiation

WSN Wireless Sensor Network

Rectangular Low-energy adaptive RLEACH lustering hierarchy Secure Low-ener; adaptive SLEACH ; ; ey Pp lustering hierarchy WS Wireless Sensor

TDMA Time Division Multiple Access

MAC Media Access Control

Objective Modular Network OMNeT ++ Testbed in C++ 1H Nghĩa tiếng Việt Bản tin quảng bá Trạm gốc, nút gốc Đa truy cập phân chia theo mã Cluster Head Nút cụm Mã nhận dạng Giao thức định tuyến phân cấp theo cụm thích

Giao thức định tuyến phân cấp theo cụm thích nghi năng lượng thấp - tập trung

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán UDP

Mạng cảm biến khơng dây

An tồn Giao thức định tuyến phân cấp theo cụm thích nghi năng lượng thấp - tập trung theo hình chữ nhật An toàn trong giao thức định tuyến phân cấp theo cụm thích nghỉ năng lượng thấp

Cảm biến không dây

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Địa chỉ MAC

Mô phỏng hoạt động mạng thông

Trang 7

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ mạng 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 mạng 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 đề 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 đụng phong phú, chỉ 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 han, thời gian sống ngắn và lượng dữ liệu chuyển qua các nút thấp Đề giải quyết những vấn dé này, 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, cải thiện thời gian sống và nâng cao lượng dữ liệu chuyển qua các nút trong mạng cảm biến, như giải pháp tiết kiệm năng lượng ở lớp vật lý, tiết kiệm năng lượng ở MAC, tiết kiệm năng lượng trong các giao thức định tuyến Trong đó, giải pháp tiết kiệm năng lượng

trong các giao thức định tuyến được xem là tôi ưu nhất vì tiết kiệm duoc chi phí,

Trang 8

Xuất phát từ những điều thực tế đó, nên Em chọn để tài “Tìm hiểu các giao

thức định tuyến SLEACH, RLEACH và LEACH-C trên mạng WSN” đồng thời để

tìm hiểu về thời gian sống của các nút, lượng dữ liệu được chuyển qua tại các nút và năng lượng sử dụng của mỗi nút

Luân văn gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN): Chương này nêu lên cấu trúc mạng WSN, nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến, phân loại giao thức định tuyến và năng lượng tiêu thụ của các giao thức định tuyến trên mạng WSN

Chương 2: Đánh giá hiệu năng của các giao thức SLEACH, RLEACH và LEACH-C: Trong chương này nêu lên đặc trưng chung của các giao thức định tuyến phân cấp, nguyên lý hoạt động của các giao thức định tuyến SLEACH, RLEACH và LEACH-C Ưu điểm và nhược điểm của các giao thức định tuyến SLEACH, RLEACH va LEACH-C

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá: Đánh giá hoạt động của LEACH và

Trang 9

1.1.2 Cấu trúc 1 nút (node) mạng WSN

Đề xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về

năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông

số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận Mỗi nút cảm biến được cấu

thành bởi 4 thành phần cơ bản, như hình 1.2, gồm: Bộ cảm nhận (sensing unit), bộ

xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoai ra co thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generaftor) và bộ phận di động (mobilizer) [ 13] [Ƒ xxx x TT TT” TT TT 1 TC CC 1 Hệ thống định vị i | Bộ phận di động I I L CC CC TC - | OO L, 7 | Cảm biến| ADCla g1 am DIN Xử +— >| hạthu phát Lưu trữ ond | Bo phat Bộ nguồn i nguồn | Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm biến

Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC — Analog to Digital Converter) Dựa trên những hiện tượng quan

Trang 10

tụ Lep tng dung lenb we a tIÁ¡ Lep truyén tai vi fa wail Lep mang = =- — = = => Lep lién két sd liéu ñuủn Sgn A] uenb Lep wat ly

Hình 1.3 Mô hình giao thức của mạng WSN

Mô hình giao thức của WSN được phân chia theo 2 hướng Hướng thứ nhất theo các lớp chức năng và hướng còn lại phân chia theo các thành phần quản lý

Theo các lớp chức năng, mô hình giao thức của mạng WSN được chia làm 5 lớp: Lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyên tải và lớp ứng dụng Trong đó mỗi lớp sẽ đảm nhiệm những chức năng cụ thé:

> Lớp vật lý: Thực hiện chức năng cảm biến, cung cấp các kênh truyền thông, các kỹ thuật điều chế, truyền, phát và xử lý tín hiệu

> Lớp liên kết số liệu: Đảm bảo khả năng truy cập và chia sẻ kênh truyền

cho các nút cảm biến, giảm thiểu đụng độ dữ liệu và kiểm soát lỗi

> Lop mạng: Thực hiện kết nối mạng, quản lý sự tương thích của định

tuyến với tôpô mạng

> Lớp truyền tải: Thực hiện giao tiếp khi WSN cần kết nối với mạng khác như Internet, đảm bảo độ tin cậy và điều khiến tắc nghẽn trong quá trình truyền thông nội bộ trong WSN

> Lớp ứng dụng: Cung cấp các ứng dụng trên mạng, bao gồm xử lý ứng

dụng, tập hợp dữ liệu, xử lý các truy vấn với cơ sở dữ liệu bên ngoài

Trang 11

Các mã giải của quá trình phân nhóm dựa trên mutilhop như sau:

Procedure cluster formation

Input selected cluster head id

Output node Information belonging to cluster

If received ADV from cluster head Then

[Begin

If (Node.My_CHid != null )

insert into Node_Info_values(CHid, Hopcnt++) reply REP to sender send ADV message to neighbor nodes return true Else return false End

Bảng 1.1 Mã giải của quá trình phân nhóm dựa trên mutihop

Trong định tuyến mutilhop của mạng cảm biến không dây, các nút trung gian đóng vai trò chuyển tiếp dữ liệu giữa nguồn và đích Việc xác định xem tập hợp các nút nào tạo thành đường dẫn chuyển tiếp dữ liệu giữa nguồn và đích là

một nhiệm vụ quan trọng trong thuật toán định tuyến Nói chung việc định tuyến trong mạng kích thước lớn vốn đã là một vấn để khó khăn, các thuật toán phải nhằm vào nhiều yêu cầu, thách thức thiết kế như sự chính xác, ổn định, tối ưu hóa và chú

ý đến sự thay đổi của các thông sé

Với đặc tính bên trong của mạng cảm biến bao gồm sự ràng buộc về dải thông và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến là phải nhằm vào việc thỏa mãn yêu cầu về lưu lượng trong khi vẫn mở rộng được thời gian

Trang 12

gian khởi phát được cho là do thời gian khoá của vòng khoá pha (PLL) Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiếm ưu thế so với công suất tích cực Kết quả là việc chuyền trạng thái (thu, phat) gitta ON va OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một khối lượng điện năng lớn mỗi lần chuyền trạng thái về ON Công suất vô tuyến tiêu thụ được tính như sau:

P, =Nr [ Pr ( Ton + Ts ) + Pout ( Ton )| +Na [ Pr (Ron + Re ) ] qd)

Trong đó, Pr là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu; Pạw là công suất đầu

ra của bộ phat; T/R,, la khoang thoi gian phát/thu trạng thái ON: T/R là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu; N+„ là số lần mạch phát/thu chuyển mạch

sang ON trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phương thức điều khiển truy nhập môi trường Tọn có thể viết lại bằng L/R., trong đó, L là kích thước gói, R là tốc độ số liệu Với tiễn bộ kỹ thuật hiện nay, các bộ thu phát vô tuyến thường có Pr và Pg khoảng 20 dbm và Pạw gần 0 dbm Giá trị mục tiêu của P,

khoảng -20 dbm

1.3.4 Năng lượng cho xử lý

Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành cho truyền thông số liệu Do ảnh hưởng của fading và do sự suy giảm đường truyền theo luỹ thừa bậc bốn nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyền thông tăng Trong khi đó, bộ xử lý thường không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ

Một nút cảm biến phải có khả năng tính toán và tương tác với môi trường xung quanh Giới hạn về chi phí và kích thước dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán

dẫn oxit kim loại (CMOS) cho b6 vi xu ly Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế

về hiệu quả năng lượng

Ngoài ra, trong nút cảm biến còn có các mạch mã hoá và giải mã, các mạch tích hợp các ứng dụng đặc biệt Khi thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng,

phải tính toán các ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của các thành phần này

Trang 13

1.3.5 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng

> Tiết kiệm năng lượng ở lớp vật lý: Sử dụng kỹ thuật điều chế tín hiệu số: O-QPSK, FSK (requency shift keying) cải thiện hiệu suất bộ khuếch đại công suất

Các kỹ thuật mã hóa sửa sai phức tạp như Turbo Code, LDPC không được sử dụng, kỹ thuật trải phô được sử dụng để cải thiện ở thiết bị thu và giảm tác động của kênh

truyền

> Tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC: Sử dụng kỹ thuật đa truy cap TDMA

hoặc CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm năng lượng tiêu thụ

> Tiết kiệm năng lượng trong các giao thức định tuyến: Trong mạng adhoec nói chung, và WSN nói riêng, đường đi giữa các nút trong mạng sẽ thay đổi theo thời gian (do nút di chuyển, do chất lượng kênh truyền thay đổi theo thời tiết, do nút hết năng lượng) Tiết kiệm năng lượng là một vấn để phức tạp Một số bài toán

được đặt ra như: làm thế nào đề xây dựng được thuật toán định tuyến nhanh chóng

mà không cần phải gửi tới tất cả các nút trong mạng Cần một thuật toán tìm đường đi sao cho tổng năng lượng tiêu tốn là thấp nhất hoặc tỉ lệ giữa lượng dữ liệu truyền và năng lượng tiêu thụ là cao nhất

> Tiết kiệm năng lượng trong quản lý bảo mật: Sử dụng một cơ chế phân

bố, cung cấp và quản lý khóa bảo mật khi một nút từ bỏ khỏi mạng WSN, hoặc một

nhóm những nút trong mạng bắt đầu trao đổi với nhau sao cho số lượng bản tin trao đổi giữa các nút là thấp nhất, qua đó tiết kiệm năng lượng tiêu thụ

Ngoài ra thông tin còn có thê được xử lý trước khi gửi đi để giảm năng lượng tiêu thụ chung

Trong giao thức định tuyến phân cấp các nút được tổ chức thành các cụm,

các nút trong cụm liên lạc với trạm cơ sở địa phương và trạm cơ sở địa phương truyền dữ liệu đến trạm cơ sở toàn cục, nơi được truy cập bởi người dùng cuối

Điều này làm giảm đáng kể khoảng cách các nút cần phải truyền dữ liệu của mình vì thường trạm cơ sở địa phương là gần với tất cả các nút trong cụm

Trang 14

Vì vậy, phân cấp được xem là một giao thức truyền thông tiết kiệm hiệu quả năng lượng Tuy nhiên, trạm cơ sở địa phương được giả định là một nút năng lượng cao bởi nếu hạn chế năng lượng nó sẽ chết nhanh chóng vì nó được sử dụng nhiều hơn so với các nút khác Vì vậy, phân cấp thường sẽ thực hiện không tốt cho các mô hình mạng cảm biến siêu nhỏ [1][9][12]

1.4 KÉT LUẬN CHƯƠNG

Chương này đã mô tả hoạt động của một mô hình mạng thông qua hoạt động của các nhóm giao thức định tuyến nhằm tối ưu năng lượng tiêu thụ tại các nút cảm biến Giao thức định tuyến là một trong những giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây, và được phân chia thành ba loại chính: giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu, giao thức định tuyến phân cấp và giao thức định tuyến căn cứ vào vị trí Khi đó, nếu xét về yếu tố năng lượng trong vấn đề định tuyến Thì giao thức phân cấp được xem xét là giao thức góp phần sử dụng hiệu quả năng lượng trong mạng WSN Chúng tôi sẽ trình bày rõ hơn giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức định tuyến phân cấp ở chương tiếp theo

Trang 15

lập để giảm thiểu chỉ phí của giao thức Hình 2.5 minh họa hai giai đoạn hoạt động của LEACH Khởi động mạng Chọn các nút cụm chủ Chia mạng thành các cụm Vv Tính toán năng lượng tiêu thụ của mỗi nút Mạng hết thời gian sống Không

Hình 2.4 Hoạt động giao thức LEACH

4—Biai đoạn thiết lập~g@———————————— Giai đoạn ôn jh — g

ooo

Thời gian

Vòng +—— Khong —

Hình 2.5 Hai giai đoạn hoạt động của LEACH

2.2.2 Giai đoạn thiết lập

Mỗi vòng hoạt động trong LEACH được bắt đầu bằng giai đoạn thiết lập,

trong giai đoạn thiết lập, bước đầu tiên là xác định nút chủ của từng cụm

Trang 16

Nút chủ thiết lập bản tin định thời TDMA (time division multiple access- thời gian phân chia truy cập) và truyền tới các nút trong cụm Cơ chế này sẽ đảm bảo không có xung đột xảy ra và cho phép nút không phải là nút chủ sẽ không phải hoạt động

liên tục, mà chỉ hoạt động khi đến khe thời gian được phân bổ, còn lại, nút chuyển

sang trạng thái nghỉ (Sleep State) Như vậy, sử dụng TDMA sẽ tiết kiệm được năng lượng cho nút cảm biến [5]

Khi ban tin TDMA duoc truyén đến tất cả nút trong cụm, giai đoạn thiết lập

đã hoàn thành và bắt đầu giai đoạn én dinh (steady state phase)

2.2.3 Giai đoạn ôn định

Hoạt động của giai đoạn ổn định được chia ra thành các khung (Frame)

Mỗi nút sẽ chuyển sang trạng thái hoạt động để gửi dữ liệu của nó tới nút chủ một lần trên một khung trong khe thời gian mà nó được phân bổ Khe thời gian của nút là cố định trong một vòng, cứ đến khe thời gian đó thì nút tiến hành cảm biến và truyền dữ liệu tới nút chủ Số khe thời gian trong một khung dữ liệu phụ thuộc vào số lượng nút trong cụm Tức là có bao nhiêu nút trong cụm (trừ nút chủ) thì sẽ có bấy nhiêu khe thời gian Trong giao thức định tuyến LEACH, số cụm mong muốn trong một vòng (K) được xác định bằng P nhân với tổng số nút trong mạng, nhưng

LEACH lại không có cơ chế đảm bảo rằng sẽ có chính xác K cụm được hình thành

trong mỗi vòng Thêm vào đó, trong pha thiết lập, đo không đưa tham số vị trí vào

quá trình lựa chọn nút chủ, nên không đảm bảo số lượng nút trong một cụm, do đó, số nút trong một cụm là khác nhau và dữ liệu mà mỗi nút gửi đến nút chủ phụ thuộc vào số nút trong cụm đó

Để giảm sự tiêu thụ năng lượng, mỗi nút không phải là nút chủ sẽ điều khiển công suất phát dựa trên cường độ của bản tin quảng bá nhận được từ nút chủ Kênh phát sóng của nút sẽ ở trạng thái nghỉ cho đến khe thời gian của nó Nút chủ

lưu trữ dữ liệu mà nút trong cụm gửi đến Khi đã nhận được hết dữ liệu từ tất cả nút

thành viên, nút chủ tiến hành xử lý đữ liệu cục bộ, mức độ xử lý dữ liệu rất khác

nhau, có thể là nén, tính toán, tổng hợp dữ liệu phụ thuộc vào yêu cầu của từng ứng

dụng Dữ liệu đã được tổng hợp, sau đó được gửi tới sink Khoảng cách từ nút chủ

Trang 17

duy nhất, tất cả nút trong cụm truyền dữ liệu tới nút chủ phải dùng mã trải phổ này và nút chủ sẽ lọc đữ liệu được gửi từ những nút có cùng mã trải phô với nó

Nút chủ gửi dữ liệu tới sink cũng sử dụng một mã trải phổ cố định, va ding cơ chế CSMA để tránh xảy ra xung đột với nút chủ khác Tuy là kênh truyền vô tuyến, nhưng khi một nút chủ có dữ liệu để gửi tới trạm gốc (sink), nó phải lắng nghe xem có nút chủ nào phát đữ liệu không Nếu không có nút nào phát thì mới tiến hành truyền dữ liệu tới sink, còn nếu có nút đang phát dữ liệu thì nút sẽ phải đợi Z Klà biến đếm N làbiếncluster / Đặt J = sô cluster - k ⁄ ⁄ Ye BS = cluster[j][n] K =k+1 Yes No Cluster[j-1][n+1] = cluster[j][n] S No I J=j-1

Hình 2.9 Sơ dé thuat toan LEACH

2.2.4 Ưu điểm và nhược điểm

Những phân trên đã đề cập đến LEACH, một giao thức định tuyến dựa trên cơ chế phân cụm nhằm tối thiêu hóa năng lượng tiêu hao bằng cách phân bổ đều khả

Trang 18

nút chủ để được kết nỗi với nó, do đó, những nút thành viên gửi yêu cầu để tham gia với các nhóm của nút chủ (bước 2) Nút chủ sau đó phát gói tin xác nhận để xác nhận các nút thành viên (bước 3) Mỗi gói tin sẽ lập lịch theo khe thời gian cho mỗi

nút thành viên

2.3.2 Giai đoạn ôn định

Dé xác thực các nút trong giai đoạn trạng thái ổn định, các nút trong mạng kèm theo địa chỉ MAC giá trị số sản xuất, sử dụng khóa chia sẻ với trạm BS, cùng

với số đo của nút chủ gửi kết quả đo đạc đã nhận, sau đó nút chủ sẽ tổng hợp xác thực gửi đến trạm BS, trong cụm thành viên MAC và được chuyên tiếp MAC trong dãy gói tin nhắn (bước 5.2)

Trạm BS kiểm tra hai giá trị MAC được tạo ra bởi nút chủ cũng như những nút thành viên thông thường Sau khi kiểm tra hoàn thành, trạm BS sẽ loại bỏ các

nút không tương ứng trong địa chỉ MAC và những nút đó sẽ được xem như những kẻ xâm nhập Trong trường hợp có những kẻ tấn công một trong các nút mạng, trạm BS sẽ thông báo các nút tấn công cho nút chủ, sau đó trạm BS sẽ gửi các nút còn lại của theo vòng

2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của SLEACH

> SLEACH có thể bảo vệ mạng từ cuộc tấn cơng bên ngồi so với LEACH

> Giao thức SLEACH ngăn ngừa kẻ đột nhập để gửi tin nhắn sai lệch trong mạng

Tuy nhiên, SLEACH cũng xuất hiện một số nhược điểm như:

> Những kẻ xâm nhập có thể khai thác các gói tin, không xác nhận lich trình để phá vỡ các thông tin liên lạc Ví dụ bằng cách gửi lịch giả, đữ liệu truyền tai

có thể xảy ra va chạm với nhau Do đó lịch trình truyền dữ liệu cần bảo vệ tính toàn vẹn và chính xác

Trang 19

phải truyền tải cho toàn bộ mạng Nút chủ chỉ truyền dữ liệu bên trong các cụm Mỗi nút chủ sẽ sử dụng phương thức đa truy cập theo thời gian (TDMA) để truyền gói tin cho mỗi nút con Ầ = Ki xa=e meemiea | =— Se|lTVeq ow Pa = @« GS =a @ crocs Heed 2 o œ = c=” @œ = = xe=e_ cm Se = = = “S© © = os o = * = =a mò mm @ a= = aj es &fđ& es @ eo @ < â = a oe BF a oe -Ắ *e Ằœ e = 7” cs o@ a ~~ Da = @ ° so, 2 2 @ aj = & — œ = Qo œ ee @ — *e oo => Q > => _ Ắ | ”“ "¬ = 2S @ = @ @ = @ @ @ Q Ầ = = =F œ o> = @ - *, = = = = eẽ = @ eF @ 2a = œ=œ

Hình 2.11 Xoay vòng đầu của các cụm trong RLEACH

2.4.2 Giai đoạn trạng thái ổn định

Giai đoạn ổn định của RLEACH gần giống với LEACH Dựa trên giao thức thời gian phân chia truy cập TDMA đề truyền dữ liệu giữa nút con và nút chủ trong thời gian được cấp phát Các nút của con chỉ liên lạc với nút chủ của nó Điều này dẫn đến sử dụng năng lượng hiệu quả Tất cả các nút con truyền dữ liệu của nó tới

nút chủ Nút chủ nhận được dữ liệu từ nút con, tổng hợp và sau đó truyền dữ liệu đó tới trạm BS

Trang 20

Về mặt ý tưởng, LEACH-C hoàn toàn giống với LEACH cơ bản, chỉ khác ở

giai đoạn thiết lập (Set - up Phase), còn giai đoạn ôn định (Steady — state Phase) thì

nó kế thừa từ giao thức LEACH Khác với LEACH (mỗi nút sẽ có một xác suất để

nó có thể được chọn làm nút chủ cum), trong giao thức LEACH-C, quá trình thành lập cụm và nút chủ được thực hiện bởi trạm gốc (sink)

2.5.1 Hoạt động của LEACH-C Khởi động mạng Chọn các nút cụm chủ | Chia mang thanh cac cum r Tính toán năng lượng tiêu thụ của mỗi nút Mạng hết thời gian sông Không

Hình 2.13 Sơ đồ hoạt động giao thức LEACH-C

2.5.2 Giai đoạn thiết lập

Tương tự như LEACH, bắt đầu bằng giai đoạn thiết lập của LEACH-C,

bước đầu tiên là lựa chọn nút chủ Trong giao thức định tuyến LEACH cơ bản, mỗi

Trang 21

Trong khi đó, các nút trong RLEACH vẫn tiếp tục hoạt động đến chu kỳ thứ 1000 Như vậy, chúng ta có thể đánh giá rằng, việc tiêu tốn năng lượng mỗi nút trong mạng của giao thức RLEACH là ít hơn so với giao thực LEACH

3.2.2.4 Đánh giá tổng sô nút truyền gói tin trong mạng 6000 Thông lượng so sánh 5000 “II Só về 500 600 700 800 900 1000 CN THẾ MRLEACH MLEACH BS ói tin gửi đên So 8 N S 5 S Hình 3.5 Thông lượng so sảnh

Hình 3.5 cho chúng ta thấy giao thức LEACH trong 100 vòng đầu tiên số gói tin gửi đến trạm BS đạt được 200 gói tin còn giao thức RLEACH gửi đến trạm BS 500 gói tin Lần lượt chúng ta tăng số vòng trong cùng một thời gian để gửi gói

tin tới BS Ở 1000 cuối cùng thì giao thức LEACH chỉ gửi được 1700 gói tin tới

tram BS, con giao thức RLEACH thi gửi được 6000 gói tin tới trạm BS Như vậy

hiệu suất của giao thức RLEACH truyền gói tin hơn 3 lần so với giao thức LEACH Như vậy có thể khẳng định rằng hiệu suất năng lượng của RLEACH tốt hơn LEACH

Trang 22

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương 3, đã cài đặt và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH và

RLEACH với các thông số đầu vào giống nhau, được mô phỏng trên phần mềm

OMNET++ Chúng ta đánh giá hoạt động của chúng, dựa vào năng lượng tiêu thụ,

số nút chết và số nút còn lại sau mỗi vòng, hiệu suat truyén gói tin của các giao thức

đến trạm BS Qua kết quả mô phỏng, chúng ta có thé khẳng định rằng việc tiêu tốn năng lượng giao thức RLEACH ít hơn so với giao thức LEACH

Trang 23

KET LUAN VÀ HUONG PHAT TRIEN

Luận văn đã giới thiệu được hoạt động của WSN và một số hoạt động của giao thức định tuyến SLEACH RLEACH và SLEACH-C Từ đó rút ra được ưu điểm, nhược điêm của chúng

Luận văn đã Thiết kế và cài đặt được kịch bản mô phỏng hoạt động của

giao thức LEACH và RLEACH trên phần mềm mô phỏng OMNET++ Đồng thời

đánh giá hoạt động của chúng, dựa vào năng lượng tiêu thụ, số nút chết và số nút

còn lại sau mỗi vòng, hiệu suất truyền gói tin của các giao thức đến trạm BS Từ đó đã có những đánh giá các tham số hiệu năng của hai giao thức này trên môi trường mang WSN đề chứng minh được những cải tiến của RLEACH tốt hơn LEACH

Hướng phát triển, tôi sẽ tìm hiểu việc ứng dụng các giao thức đã nghiên cứu vào trong môi trường thực tiễn Bên cạnh đó, tôi sẽ nghiên cứu phát triển các giao thức đề áp dụng trong môi trường mạng với các nút di động

Trang 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Amit Bindal, Waleed Hadi Madhloom Kurdi, Devendra Prasad, Ram Bahadur

Patel, 2014 “ An empirical review on energy level optimization in wireless sensor networks’, International Journal of Computing and Corporate

Research, Vol 4, No 3, pp 1-7

[2] Alagurani S, Aasha Nandhini S, Radha S, 2014 Energy Analysis of Compressed Sensing in Wireless Multimedia Sensor Network, International Journal of Engineering Development and Research (www.ijedr.org), pp 27-33 [3] Chunyao FU, Zhifang JIANG, Wei WEI and Ang WEI, 2013 “An Energy

Balanced Algorithm of LEACH Protocol in WSN”, IJCSI International Joumal

of Computer Science Issues, Vol 10, Issue 1, No 1, January 2013, pp 354-359

[4] Rashmi Jain, Manali Kshirsagar, 2013 Energy Saving in Heterogeneous Wireless Sensor Networks, International Journal of Scientific & Engineering

Research, Volume 4, Issue 8, pp.2031-2036

[5] Wen-Hwa Liao, Yucheng Kao, Chien-Ming Fan, 2007 An Ant Colony Algorithm for Data Aggregation in Wireless Sensor Networks, International Conference on Sensor Technologies and Applications

[6] Triana Mugia Rahayu, Sang-Gon Lee * and Hoon-Jae Lee, 2015, ISSN 1424- 8220 “A Secure Routing Protocol for Wireless Sensor Networks Considering Secure Data Aggregation”

[7] Mr Adeel Iqbal Registration Number: CIIT/FA10-REE-039/ISB MS Thesis In Electrical Engineering COMSATS Institute of Information Technology Islamabad — Pakistan Spring, 2012 “RLEACH (Rectangular Low Energy Adaptive Clustering Hierarcy) based routing protocol for Wireless Sensor

Networks”