Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN THỊ HIỀN LƯƠNGĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂYChun ngành: Cơng nghệ Thông tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬTCH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ HIỀN LƯƠNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Chun ngành: Cơng nghệ Thơng tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THƠNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Ngơ Quỳnh Thu Hà Nội – 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131646741000000 LỜI CAM ĐOAN Tôi – Nguyễn Thị Hiền Lương – xin cam đoan: • Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Kỹ thuật công trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn TS Ngơ Quỳnh Thu • Các kết luận văn trung thực, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội ngày 26 tháng 11 năm 2012 Nguyễn Thị Hiền Lương Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, cố gắng thân, em xin gửi lời cảm ơn tới cá nhân sau: Em xin cảm ơn TS Ngô Quỳnh Thu (bộ môn Truyền Thông Mạng – viện Công nghệ thông tin truyền thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội) giáo viên trực tiếp hướng dẫn tận tình bảo định hướng cho em suốt trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô giáo Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy dìu dắt em trong suốt trình học cao học trường Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Cao đẳng Truyền hình phịng ban trường, nơi mà em làm việc tạo điều kiện thời gian cơng việc cho em suốt q trình học cao học trường Cùng lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người giúp đỡ cho em học tập tốt hồn thành việc học tập Học viên Nguyễn Thị Hiền Lương Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 10 1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây .10 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 10 1.2.1 Cấu trúc phẳng 12 1.2.2 Cấu trúc tầng 13 1.3 Đặc trưng mạng cảm biến không dây .14 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây .15 1.4.1 Ứng dụng quân đội 16 1.4.2 Ứng dụng với môi trường .17 1.4.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 17 CHƯƠNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19 2.1 Vấn đề định tuyến 19 2.2 Phân loại giao thức định tuyến 21 2.3 Định tuyến phân nhóm 22 2.3.1 Định tuyến phân nhóm liên tục .23 2.3.2 Định tuyến phân nhóm theo kiện .24 2.3.2.1 Giao thức ARPEES 26 2.3.2.2 Giao thức OEDSR .27 2.3.2.3 Giao thức HPEQ .28 2.3.2.4 Đánh giá chung giao thức định tuyến phân nhóm theo kiện 29 2.4 Định tuyến đa tuyến đường mạng cảm biến không dây 30 2.5 Phát biểu toán 31 CHƯƠNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MARPEES VÀ EMRP 33 3.1 Mơ hình mạng mơ hình sóng vơ tuyến .33 3.1.1 Mơ hình mạng .33 3.1.2 Mơ hình sóng vơ tuyến 34 Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT 3.2 Giao thức MARPEES .35 3.2.1 Pha thành lập nhóm chọn nhóm trưởng 36 3.2.2 Pha tìm tuyến đường truyền tải liệu .39 3.3 Giao thức EMRP .44 3.3.1 Pha khởi tạo 46 3.3.2 Pha thành lập nhóm lựa chọn nhóm trưởng .47 3.3.3 Pha lựa chọn nút trung gian truyền liệu 49 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 53 4.1 Giới thiệu chung OMNeT++ 53 4.1.1 Tổng quan OMNeT++ 53 4.1.2 Các thành phần OMNeT++ 53 4.1.3 Mơ hình OMNeT++ 54 4.2 Sử dụng OMNeT++ 56 4.2.1 Xây dựng chạy thử mơ hình mơ .56 4.2.2 Chạy ứng dụng OMNeT++ 58 4.3 Thông số đầu vào đầu 60 4.4 Đánh giá hiệu 63 4.4.1 Hiệu lượng .63 4.4.2 Cân tải 65 4.4.3 Thời gian sống .66 4.4.4 Tỉ lệ lỗi 67 4.4.5 Khả thích nghi 68 4.5 Đánh giá kết hướng phát triển .70 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo nút cảm biến 11 Hình 1.2 Mơ hình triển khai nút cảm biến khơng dây 12 Hình 1.3 Location tracking .17 Hình 1.4 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 18 Hình 2.1 – Mơ hình mạng cảm biến sử dụng giao thức phân nhóm 26 Hình 3.1 Mơ hình lượng sóng vơ tuyến 35 Hình 3.2 – Mơ hình pha hoạt động MARPEES 36 Hình 3.3 – Lưu đồ pha thành lập nhóm MARPEES 37 Hình 3.4 – Minh họa q trình thành lập nhóm MARPEES 38 Hình 3.5– Mơ hình mạng hai mức liên kết MARPEES 40 Hình 3.6 – Lưu đồ hoạt động pha thứ hai MARPEES .44 Hình 3.7 – Mơ hình pha hoạt động EMRP 46 Hình 3.8 – Mơ hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập .47 Hình 3.9 – Mơ hình mạng hai mức liên kết EMRP 50 Hình 4.1 Các module đơn giản kết hợp 55 Hình 4.2 Các kết nối module 56 Hình 4.3 Lược đồ xây dựng chạy chương trình mơ OMNeT++ 59 Hình 4.4 – Mơ hình mạng hoạt động với giao thức EMRP .62 Hình 4.5 Tổng mức lượng toàn mạng sau kiện 63 Hình 4.6 So sánh mức lượng tiêu thụ sau 270 kiện 64 Hình 4.7 – Phân bố lượng nút sau 300 kiện 66 Hình 4.8 Thời gian sống thời gian xuất nút chết mạng 66 Hình 4.9– Tỉ lệ giảm thời gian sống kích thước mạng số nút tăng 69 Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1 Các thông số mô .61 Bảng 4.2 – Tỉ lệ lỗi truyền gói tin giao thức .68 Bảng 4.3 – Thống kê thời gian sống thời gian xuất nút chết mạng phân theo kích thước mạng 68 Bảng 4.4 – Tỉ lệ lỗi gói tin giao thức theo hai kích thước mạng .70 Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt BS Base Station Trạm gốc CH Cluster Head Nhóm trưởng TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây ARPEES Adaptive Routing Protocol with Energy Efficiency and Event Clustering forWireless Sensor Networks Giao thức định tuyến thích ứng với hiệu lượng phân nhóm theo kiện mạng cảm biến không dây OEDSR Optimized Energy-Delay Subnetwork Routing Định tuyến tối ưu lượng tiểu mạng HPEQ Hierarchical Periodic, Eventdriven and Query-based Wireless Sensor Network Protocol Phân cấp định kỳ, Giao thức điều khiển theo kiện theo truy vấn mạng cảm biến không dây LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng lượng thấp MARPEES Multipath Adaptive Routing Protocol with Energy Efficiency and Event Clustering forWireless Sensor Networks Giao thức định tuyến đa đường thích ứng với hiệu lượng phân nhóm theo kiện mạng cảm biến không dây EMRP Energy-Awared Meshed Routing Protocol Giao thức định tuyến nhận thức lượng OMNeT++ Objective Modular Network Tested in C++ Công cụ mô mạng thư nghiệm C++ Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển công nghệ thông tin, truyền thông Internet kết hợp với tiến khoa học kĩ thuật gần tạo điều kiện phát triển hệ cảm biến với giá thành thấp, khả triển khai quy mơ lớn độ xác cao Với ưu điểm vượt trội khả theo dõi thu thập thông tin, mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi quân sự, y tế, phòng chống cháy nổ nhiều mục đích thiết yếu khác Các giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây nghiên cứu để tìm giải pháp tối ưu để định tuyến cho đường truyền Hiện nay, có hai cách tiếp cận giao thức định tuyến phân nhóm phân cấp: điều khiển theo thời gian điều khiển theo kiện Trong giao thức điều khiển thời gian, liệu cảm biến gửi định kỳ đến trạm gốc để cung cấp thông tin môi trường cách liên tục trong giao thức điều khiển kiện, liệu cảm biến gửi đến trạm gốc kiện phát Giao thức định tuyến theo thời gian thường hình thành nhóm cố định giai đoạn khởi tạo giao thức định tuyến theo kiện hình thành nhóm sau phát kiện Các giao thức định tuyến phân nhóm kiện có hiệu việc tiết kiệm lượng, giảm dư thừa liệu tăng vòng đời mạng điển OEDSR, ARPEES HPEQ Tuy nhiên giải thuật sử dụng đường truyền từ nhóm trưởng đích, độ tin cậy đường truyền không cao, đặc biệt bối cảnh nhóm trưởng khơng cịn đủ lượng để truyền Chính vậy, luận văn tập trung vào tìm hiểu phương thức truyền liệu đa tuyến đường cho giao thức định tuyến phân nhóm theo kiện với mục tiêu tăng cường khả chịu lỗi cho tuyến đường, phân bố mức lượng tiêu thụ giảm thiểu số tin điều khiển sử dụng Phương thức tìm hiểu có tên gọi Multipath Adaptive Rounting Protocol with Energy Efficiency and Event Clustering for wireless Sensor Networks (MARPEES) Energy-Awared Meshed Routing Protocol (EMRP) Nội dung luận văn tổ chức sau: Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT CHƯƠNG 1: Mạng cảm biến khơng dây Trình bày số lý thuyết mạng cảm biến không dây, đặc trưng mạng cảm biến tổng quan định tuyến mạng cảm biến CHƯƠNG 2: Định tuyến mạng cảm biến khơng dây Trình bày sơ lược vấn đề định tuyến cho mạng cảm biến khơng dây, tìm hiểu giao thức định tuyến phân nhóm ARPEES, OEDSR HPEQ Đánh giá chung ưu, nhược điểm giao thức trình bày định tuyến đa tuyến đường mạng cảm biến khơng dây CHƯƠNG 3: Trình bày hai giao thức định tuyến MARPEES EMRP Trình bày nội dung hai giao thức định tuyến đa đường MARPEES EMRP CHƯƠNG 4: Đánh giá hiệu Giới thiệu môi trường cài đặt, phương thức mô thông số Phân tích đánh giá kết mơ Do thời gian thực luận văn có hạn, đề tài tìm hiểu vấn đề chắn cịn nhiều thiếu sót cần sửa chữa bổ sung Em mong nhận giúp đỡ ý kiến đóng góp quý báu thầy cô bạn bè để em tiếp tục hồn thiện đề tài Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lương-lớp 10BCNTT