Định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến không dây WSN

Định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến không dây WSN

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I ========== Đề tài NCKHSV: ĐỊNH TUYẾN PHÂN CẤP TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN Sinh viên: Nguyễn Hồng Sơn – D07VT3 (chủ trì) Nguyễn Đình Quang – D07VT3 Lê Minh Ngọc – D08VT3 Vũ Mạnh Thắng – D08VT3 GVHD: ThS Nguyễn Thị Thu Hằng Bộ môn: Mạng Vin Thụng H Ni, T11/2010 Định tuyến phân cấp WSN MC LC 03-SV-2010-RD-VT Định tuyến phân cấp WSN DANH MC HèNH 03-SV-2010-RD-VT Định tuyến phân cấp WSN THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt CDMA CSMA DS-SS GAF GEAR IEEE ISM LEACH LEACH-C LEACH-F MAC PAN PEGASIS QoS SAR SMP SPIN SPIN-BC Tiếng Anh Tiếng Việt Code Division Multiple Access Carrier Sense Multiple Access Direct Sequence - Spread Spectrum Geographic Adaptive Fidelity Geographic and Energy-Aware Routing Institute of Electrical and Electronic Engineers Industrial, scientific, and medical Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Fixed Media Access Control Personal Area Network Power-efficient Gathering in Sensor Information System Quality of Service Sensor Aggregates Routing Sensor Management Protocol Sensor Protocols for Information via Negotiation Sensor Protocols for Information via Negotiation - Broadcast media Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập cảm nhận theo sóng mang Trải phổ chuỗi trực tiếp Chính xác tương thích địa lý Định tuyến dựa theo nhận biết địa lý lượng SPIN-EC SPIN-PP with a low energy threshold SPIN-PP Sensor Protocols for Information via Negotiation – Point to Point SPIN-RL SPIN-BC for lossy networks TDMA UWB WPAN WSN Task Assignment and Data Advertisement Protocol Ultra-Wideband Wireless Personal Area Network Wireless Sensor Network 03-SV-2010-RD-VT Viện kỹ thuật điện điện tử Công nghiệp, khoa học, y tế Phân nhóm phân bậc tương thích lượng thấp Phân nhóm phân bậc tương thích lượng thấp - tập trung Phân nhóm phân bậc tương thích lượng thấp - Cố định Điều khiển truy nhập môi trường Mạng vùng cá nhân Tập trung hiệu suất lượng hệ thống thông tin cảm biến Chất lượng dịch vụ Giao thức cảm biến kết hợp Giao thức quản lý cảm biến Giao thức thông tin cảm biến thông qua đàm phán Giao thức thông tin cảm biến thông qua đàm phán – môi trường quảng bá Giao thức thông tin cảm biến thông qua đàm phán – điểm điểm với mức ngưỡng lượng thấp Giao thức thông tin cảm biến thông qua đàm phán – điểm điểm Giao thức thông tin cảm biến thông qua đàm phán – môi trường quảng bá cho mạng suy hao Đa truy nhập phân chia theo thời gian Băng siêu rộng Mạng vô tuyn cỏ nhõn Mng cm bin khụng dõy Định tun ph©n cÊp WSN LỜI NĨI ĐẦU Ngày xã hội phát triển mạnh mẽ nên song song với nhu cầu trao đổi thơng tin, giải trí, tự động hóa… khơng ngừng tăng lên Những hệ thống dây cáp phức tạp lại đáp ứng đầy đủ khu vực xa xôi chật hẹp, nhu cầu “mọi lúc nơi” người sử dụng Do nhờ có tiến nhanh chóng khoa học kỹ thuật công nghệ, phát triển mạng cảm biến không dây WSN tạo nên từ cảm biến giá thành rẻ, đa chức tiêu thụ lượng nhận ý đáng kể Bên cạnh ưu có được, mạng WSN phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn nguồn lượng bị giới hạn khơng thể nạp lại Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Trong đáng ý phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phân cấp để tìm đường node mạng qua kéo dài đáng kể thời gian sống mạng WSN Việc nghiên cứu góp phần bước làm rõ hoạt động giao thức định tuyến phân cấp đồng thời hướng tới cải thiện phương pháp định tuyến WSN đáp ứng nhu cầu ứng dụng mạng thực tế Trước thực tế đó, định hướng dẫn ThS Nguyễn Thị Thu Hằng, nhóm sinh viên chúng em chọn tên đề tài “Định tuyến phân cấp mạng cảm biến không dây WSN” Đề tài trình bày chương:  Chương I: Tổng quan mạng cảm biến  Chương II: Định tuyến mạng cảm biến  Chương III: Giao thức định tuyến phân cấp LEACH PEGASIS  Chương IV: Mô hoạt động định tuyến mạng WSN Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô giáo khoa Viễn Thông 1, đặc biệt tới ThS Nguyễn Thị Thu Hằng ThS Nguyễn Ngọc Điệp, thầy tận tình bảo cho chúng em lời khuyên quan trọng suốt trình chúng em nghiên cứu đề tài Do kiến thức khả chúng em cịn hạn chế nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận góp ý thầy cô, bạn sinh viên để nội dung đề tài hoàn thiện Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2010 03-SV-2010-RD-VT Định tuyến phân cấp WSN Nhúm sinh viờn 03-SV-2010-RD-VT Định tuyến phân cấp WSN Chng I: TNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Khái niệm mạng cảm biến 1.1.1 Định nghĩa Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) cấu trúc mạng tạo liên kết node cảm biến với hệ thống kiến trúc mạng không dây linh hoạt, node thường thiết bị đơn giản nhỏ gọn, giá thành rẻ… tạo nên kết hợp khả cảm biến, xử lý thông tin thành phần liên lạc để tạo khả quan sát, phân tích, phản ứng lại với kiện, tượng xảy môi trường xung quanh 1.1.2.Cấu trúc mạng cảm biến Một mạng cảm biến bao gồm phần:  Các cảm biến phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải rác  Mạng lưới liên kết cảm biến (hữu tuyến hay vô tuyến)  Điểm trung tâm tập hợp liệu (Clustering)  Bộ phận xử lí liệu trung tâm Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến thơng thường 1.1.3 Đặc trưng mạng cảm biến Một node mạng WSN thông thường bao gồm phần: phần cảm biến (Sensor) điều khiển (MCU - Micro Controller Unit) v phn giao tip vụ tuyn 03-SV-2010-RD-VT Định tuyÕn ph©n cÊp WSN (RF transceiver) Do số lượng node WSN lớn không cần hoạt động bảo trì, nên u cầu thơng thường node mạng giá thành thấp (10 – 50 USD) kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài đến vài chục cm 2) Do giới hạn nguồn lượng cung cấp, giá thành yêu cầu hoạt động thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ lượng tiêu chí thiết kế quan trọng mạng cảm biến Một ưu điểm lớn WNS chi phí triển khai lắp đặt giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng Mạng mở rộng theo ý muốn tùy theo mục đích sử dụng mà thiết kế nút mạng cho phù hợp Các nút cảm nhận có vi xử lý bên thay gửi liệu thơ tới nút đích xử lý đơn giản gửi liệu xử lý theo yêu cầu Các nút mạng hoạt động điều kiện mơi trường khắc nghiệt ngày WSN trở thành giải pháp hấp dẫn mang đến tiện lợi nhiều phương diện đặc điểm nhiều trường hợp kể việc làm giảm nguy hiểm cho người điều kiện môi trường khắc nghiệt Một hệ thống WSN hồn thiện có khả theo dõi cảnh báo mức độ an tồn mơi trường định vị di chuyển đối tượng phạm vi 1.1.4 Một số chuẩn mạng cảm biến Do phạm vi ứng dụng cua WSN rộng lớn, tính chất, đặc trưng mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể Do vậy, công ty, phịng thí nghiệm thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ) phù hợp cho ứng dụng cụ thể dựa thiết bị phần cứng (transceiver chip) thị trường Một số chuẩn WSN biết đến là:  ALOHA system (U of Hawaii)  PRNET system (U.S Defense)  WINS (U of California)  PicoRadio (U of California)  MicroAMPS (M.I.T)  MANET (Mobile ad-hoc Network)  Zigbee: dựa physical layer MAC layer chuẩn WPAN 802.15.4 1.2 Mơ hình giao thức mạng Mơ hình giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng chia theo mặt phẳng quản lý bao gồm phần quản lý lượng, phần quản lý di động phần quản lý nhiệm vụ Mơ hình giao thức mà nút chủ nút cảm biến sử dụng trình bày hỡnh 1.2: 03-SV-2010-RD-VT Định tuyến phân cấp WSN quản lý nhiệm vụ quản lý di động quản lý lượng Lớp ứng dụng Lớp truyền tải Lớp mạng Lớp liên kết liệu Lớp vật lý Hình 1.2: Mơ hình giao thức mạng cảm biến 03-SV-2010-RD-VT Định tuyến phân cấp WSN 1.2.1 Theo mụ hình OSI - Lớp ứng dụng: Tùy nhiệm vụ mạng cảm biến mà phần mềm ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng Trong lớp ứng dụng có số giao thức quan trọng giao thức quản lí mạng sensor (SMP), giao thức quảng bá liệu định nhiệm vụ cho sensor (TADAP), giao thức phân phối liệu truy vấn cảm biến (SQDDP) - Lớp truyền tải: Lớp truyền tải giúp trì luồng số liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Giao thức lớp vận chuyển sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) giao thức UDP hay TCP thơng qua internet vệ tinh Cịn giao tiếp sink nút cảm biến yêu cầu giao thức kiểu UDP nút cảm biến hạn chế nhớ Hơn giao thức cịn phải tính đến tiêu thụ cơng suất, tính mở rộng định tuyến tập trung liệu - Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến định tuyến liệu cung cấp lớp truyền tải Việc định tuyến mạng cảm biến ẩn chứa nhiều thách thức mật độ nút dày đặc, lượng hạn chế… Do thiết kế lớp mạng mạng cảm biến phải tuân thủ nguyên tắc sau:  Tính hiệu lượng phải đặt lên hàng đầu  Các mạng cảm biến gần tập trung liệu  Tích hợp liệu giao thức mạng  Phải có chế địa theo thuộc tính biết vị trí Nhìn chung, lớp mạng chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng: định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Về mặt hoạt động, chúng chia thành định tuyến dựa đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based) - Lớp liên kết liệu: chịu trách nhiệm ghép luồng liệu, dò khung liệu, điều khiển lỗi truy nhập môi trường Nó đảm bảo giao tiếp điểm - điểm, điểm - đa điểm tin cậy Mơi trường có tạp âm nút cảm biến di động nên giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề cơng suất phải có khả tối thiểu hố việc va chạm với thơng tin quảng bá nút lân cận - Lớp vật lý: chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã tách sóng Bên cạnh đó, phần quản lý cơng suất, quản lý di chuyển quản lý nhiệm vụ giám sát việc sử dụng công suất, di chuyển thực nhiệm vụ nút cảm biến Những phần giúp nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến tiêu thụ công suất tổng thể thp hn 03-SV-2010-RD-VT 10 Định tuyến phân cấp WSN Chương IV: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ĐỊNH TUYẾN TRONG WSN 4.1 Công cụ mô OMNet++ 4.1.1 Giới thiệu OMNeT++ OMNeT++ viết tắt cụm từ Objective Modular Network Testbed in C++ OMNeT++ ứng dụng cung cấp cho người sử dụng môi trường để tiến hành mô hoạt động mạng Mục đích ứng dụng mô hoạt động mạng thông tin, nhiên tính phổ cập linh hoạt nó, OMNeT++ sử dụng nhiều lĩnh vực khác mô hệ thống thông tin phức tạp, mạng kiểu hàng đợi (queueing networks) hay kiến trúc phần cứng Hình 4.1 Mơ mạng OMNeT++ OMNeT++ cung cấp sẵn thành phần tương ứng với mơ hình thực tế Các thành phần (cịn gọi module) lập trình theo ngơn ngữ C++, sau tập hợp lại thành thành phần hay mơ hình lớn ngôn ngữ bậc cao (NED) OMNeT++ hỗ trợ giao diện đồ hoạ, tương ứng với mơ hình cấu trúc đồng thời phần nhân mơ (simulation kernel) module OMNeT++ dễ dàng nhỳng vo cỏc ng dng khỏc 03-SV-2010-RD-VT 38 Định tun ph©n cÊp WSN 4.1.2 Mơ hình OMNeT++ Một mơ hình OMNeT++ bao gồm module lồng có cấu trúc phân cấp Độ sâu của module lồng không giới hạn, điều cho phép người sử dụng biểu diễn cấu trúc logic hệ thống thực tế cấu trúc mơ hình Các module trao đổi thông tin với thông qua việc gửi message (message) Các message có cấu trúc phức tạp tuỳ ý Các module gửi message theo hai cách, gửi trực tiếp tới địa nhận, hai gửi theo đường dẫn định sẵn, thông qua cổng kết nối Các module có tham số riêng Các tham số sử dụng để chỉnh sửa thuộc tính module để biểu diễn cho topology mơ hình Các module mức thấp cấu trúc phân cấp đóng gói thuộc tính Các module coi module đơn giản, chúng lập trình ngôn ngữ C++ cách sử dụng thư viện mô 4.1.2.1 Cấu trúc phân cấp module Một mơ hình OMNeT++ chứa module lồng có cấu trúc phân cấp, trao đổi thơng tin với cách gửi message Mỗi mơ hình thường biểu diễn cho hệ thống mạng Module mức cao cấu trúc phân cấp gọi module hệ thống Module chứa module con, module chứa module riêng Độ sâu phân cấp module không giới hạn, điều cho phép người sử dụng dễ dàng biểu diễn cấu trúc logic hệ thống thực tế cấu trúc phân cấp OMNeT++ Cấu trúc mơ hình mơ tả ngơn ngữ NED OMNeT++ Hình 4.2 Cấu trúc phân cấp module OMNeT++ Các module chứa nhiều module gọi module kết hợp Các module đơn giản module có cấp thấp cấu trúc phân cấp Các module đơn giản chứa thuật tốn mơ hình Người sử dụng triển khai module đơn giản ngôn ngữ C++, sử dụng cỏc th vin mụ phng ca OMNeT++ 03-SV-2010-RD-VT 39 Định tuyÕn ph©n cÊp WSN Tất module dù đơn giản hay phức tạp đối tượng cụ thể kiểu module Trong mô tả mơ hình, người sử dụng định nghĩa kiểu module, đối tượng cụ thể kiểu module sử dụng thành phần kiểu module phức tạp Cuối cùng, người sử dụng tạo module hệ thống đối tượng cụ thể kiểu module định nghĩa trước đó, tất module mạng module (hoặc module con) module hệ thống Khi kiểu module sử dụng khối dựng sẵn (building block), phân biệt module đơn giản hay phức tạp Điều cho phép người sử dụng tách module đơn giản thành nhiều module đơn giản nhúng module kết hợp, ngược lại tập hợp chức module kết hợp module đơn giản mà không ảnh hưởng đến kiểu module người sử dụng định nghĩa Kiểu module lưu trữ file riêng rẽ Điều cho phép người sử dụng nhóm kiểu module lại tạo thư viện thành phần 4.1.2.2 Message, cổng, liên kết Các module trao đổi thông tin việc gửi message Trong thực tế, message có dạng khung (frame) gói tin (packet) truyền mạng Các message có cấu trúc phức tạp tuỳ ý Các module đơn giản gửi message cách trực tiếp đến vị trí nhận gửi theo đường dẫn định sẵn thông qua cổng liên kết “Thời gian mô địa phương” (local simulation time) module tăng lên module nhận message Message đến từ module khác đến từ module (message thân module self-message dùng để thực định thời) Cổng (gate) giao tiếp vào module Message gửi qua cổng nhận vào thông qua cổng vào Mỗi kết nối (connection) hay gọi liên kết (link) tạo bên mức đơn cấu trúc phân cấp module: bên module kết hợp, kết nối tạo cổng tương ứng hai module con, cổng module với cng ca module kt hp 03-SV-2010-RD-VT 40 Định tuyến phân cÊp WSN Hình 4.3 Các kết nối OMNeT++ Tương ứng với cấu trúc phân cấp mô hình, message thường di chuyển qua loạt kết nối với điểm bắt đầu kết thúc module đơn giản Tập kết nối từ module đơn giản đến module đơn giản gọi route Các module kết hợp hoạt động giống “cardboard box” mơ hình, “trong suốt” việc chuyển tiếp message thành phần bên giới bên ngồi 4.1.2.3 Mơ hình truyền gói tin Một kết nối có ba tham số đặc trưng thuận tiện cho mô hình mơ mạng thơng tin Ba tham số bao gồm:  Độ trễ đường truyền (s): tổng thời gian đến message bị trễ truyền qua kênh  Tỉ số lỗi bit (số lỗi/bit): xác suất bit bị truyền sai Do xác suất để message độ dài n bit truyền xác là: P(message gửi nhận xác) = (1 - ber)n ber tỉ số lỗi bit n số bit message Tỉ số lỗi bit ảnh hưởng đến trình truyền message qua kênh Các message truyền có cờ lỗi, cờ thiết lập việc truyền message có lỗi  Tỉ số liệu (bit/s): sử dụng để tính thời gian để truyền gói tin Khi tỉ số sử dụng, trình gửi message mơ hình tương ứng với việc truyền bit message tính đến nơi sau bên nhận nhận bit cuối Các tham số tuỳ chọn Giá trị chúng khác kết nối, phụ thuộc vào kiểu liên kết (hay gọi kiu ca kờnh truyn channel type) 03-SV-2010-RD-VT 41 Định tun ph©n cÊp WSN Hình 4.4 Truyền tin 4.1.2.4 Tham số Các module tham số Các tham số đặt giá trị file NED file cấu hình ompnetpp.ini Các tham số dùng để thay đổi thuộc tính module đơn giản dùng để biểu diễn cho topology mơ hình Các tham số có kiểu chuỗi, số học, giá trị logic chứa liệu XML (XML data tree) Các biến kiểu số biểu thức nhận giá trị từ tham số khác, gọi hàm, sử dụng biến ngẫu nhiên từ nguồn phân tán nhận giá trị trực tiếp nhập vào người sử dụng Các tham số có kiểu số dùng để cấu hình topology dễ dàng Nằm module kết hợp, tham số dùng để số module con, số cổng giao tiếp cách kết nối nội tạo 4.1.3 Hướng dẫn cài đặt OMNET Windows - Phiên Windows hỗ trợ: Windows XP, Vista and Windows (32-bit) - Yêu cầu: Cần cài đặt trước Java runtime (JRE) http://www.java.com - Cài đặt OMNeT++: Download gói OMNeT++ 4.1 win32 http://omnetpp.org/download/ Extract file zip thư mục cài đặt OMNET (C:\omnetpp) Chú ý: tên thư mục phải khơng có dấu cách (space) Chạy file mingwenv.cmd thư mục omnetpp-4.1 giao diện dòng lệnh Tại dấu $ gõ dịng lệnh sau để bắt đầu q trình ci t: $ /configure $ make 03-SV-2010-RD-VT 42 Định tuyến ph©n cÊp WSN Sau q trình cài đặt hoàn tất, khởi động IDE lệnh: $ omnetpp - Các bước mơ với OMNeT++: mơ hình OMNeT + + xây dựng từ thành phần (module) mà thành phần giao tiếp với tin trao đổi Module lồng nhau, nghĩa là, số module nhóm lại với để tạo thành module tổ hợp Khi tạo mơ hình, cần ánh xạ hệ thống cần mơ với hệ thống module truyền thông phân cấp Định rõ cấu trúc mơ hình ngơn ngữ NED Có thể soạn thảo NED trình soạn thảo văn trình soạn thảo đồ họa Eclipse dựa mô IDE OMNeT + + Các thành phần tích cực mơ hình (modules đơn giản) phải lập trình C++, sử dụng nhân mô lớp thư viện (simulation kernel and class library) Tạo file omnetpp.ini phù hợp để lưu giữ cấu hình OMNeT+ + thơng số mơ hình Một file cấu hình mô tả vài mô chạy với tham số khác Xây dựng chương trình mơ chạy Việc liên kết code với nhân mô OMNeT++ nơi cung cấp giao diện người dùng OMNeT++ Có giao diện dịng lệnh (batch) tương tác Kết mô viết vào tập tin vector vô hướng đầu Có thể sử dụng Analysis Tool Simulation IDE để quan sát chúng Các tập tin kết dạng văn bản, xử lý chúng với R, Matlab công cụ khác 4.2 Thực mơ Lý để chọn OMNET + + để mơ cho phép vị trí module nằm nơi Đây lý mơ vị trí ngẫu nhiên mạng cảm biến xây dựng đối tượng chuyển động Mơ hình : node mạng phân bố vị trí cách ngẫu nhiên giả sử node cảm biến không di động Các thuật toán giao thức thể nút Mơ hình nút cảm biến minh nh hỡnh di õy: 03-SV-2010-RD-VT 43 Định tuyến ph©n cÊp WSN a Đầy đủ b Rút gọn Hình 4.5 Mơ hình mơ nút cảm biến • Module lớp vật lý (Phy): đại diện cho lớp vật lý nút cảm biến, có trách nhiệm tạo kết nối nút nút hàng xóm nó, chuyển tiếp tin từ lớp cao tới hàng xóm ngược lại • Module ứng dụng (App): đại diện cho lớp ứng dụng Chú ý rằng, sau truyền tin, module tự động gửi tin DECREASE_ENERGY tới module lượng (thông qua module điều phối) phép module giảm lượng số đơn vị lượng • Module điều phối (Coordinator): giao diện để kết nối tất module lại với Nó phân loại tin đến để chuyển tới module Ví dụ, nhận tin DECREASE_ENERGY chuyển tin tới module lượng • Module cảm biến (sensor): đại diện cho bảng cảm biến nút Nếu thông số SENSOR_SWITCH ON (= 1), module tiêu thụ lượng, vậy, sau khoảng thời gian (timer), module gửi mt tin nhn 03-SV-2010-RD-VT 44 Định tuyến phân cấp WSN DECREASE_ENERGY đến module lượng (thông qua module điều phối) Khi lần định thời, thời gian chờ bị giảm xuống Các đếm thời gian chờ đợi thiết lập tin nhắn SENSOR_REFRESH từ module ứng dụng Nếu đếm thời gian chờ 0, module tắt (tham số SENSOR_SWITCH thiết lập 0) • Module vơ tuyến (radio): cho bảng vơ tuyến nút Các module Radio đại diện cho Ban phát nút cảm biến Nếu tham số RADIO_SWITCH ON (= 1), module tiêu thụ lượng, vậy, sau khoảng thời gian (timer), module gửi tin nhắn DECREASE_ENERGY đến module lượng (thơng qua module điều phối) • Module lượng (energy): đại diện cho nguồn lượng (pin) nút cảm biến Nếu module nhận tin DECREASE_ENERY giảm mức số đơn vị lượng Với mục đích mơ hoạt động định tuyến giao thức, mơ sử dụng mơ hình node rút gọn bao gồm module ứng dụng (App) module lượng (Ene) 4.2.1 LEACH Q trình mơ bao gồm bước: + Bước 1: Khởi tạo mạng chọn node chủ (CH) + Bước 2: Mời node vào nhóm + Bước 3: Phân chia khe thời gian TDMA + Bước 4: Truyền liệu 4.2.1.1 Khởi tạo mạng chọn CH Ban đầu, node định có hay khơng trở thành cluster-head cho vịng cách tính giá trị ngưỡng TN, T[i] > TN node trở thành node chủ 4.2.1.2 Mời node vào nhóm Các node chủ broadcast tin INVITATION để mời node vào nhóm Các node lại nhận tin tính tốn khoảng cách từ đến node chủ (CH), 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 node cấp phát khe thời gian để tập hợp liu bng bn tin TDMA_SCHEDULE 03-SV-2010-RD-VT 45 Định tuyến phân cÊp WSN 4.2.1.4 Truyền liệu Các node cụm truyền liệu node chủ theo khe thời gian cấp phát qua gói DATA Kết mơ LEACH nhận hình 4.6: a a.Khởi tạo mạng chọn CH b b.Mời node vào nhóm c c Phân chia khe thời gian TDMA d d Truyền liệu Hình 4.6 Chọn node chủ thu thập liệu LEACH 4.2.2 PEGASIS Quá trình mơ bao gồm bước: + Bước 1: Tỡm node xa trm BS nht 03-SV-2010-RD-VT 46 Định tuyến ph©n cÊp WSN + Bước 2: Tạo chuỗi + Bước 3: Chọn node chủ + Bước 4: Truyền liệu xử lý lỗi node chết 4.2.2.1 Tìm node xa Ban đầu BS phát tin INI_NETWORK để thông báo bắt đầu xây dựng mạng Các node nhận tin tính tốn khoảng cách đến BS sau reply lại tin REPLY_ INI Sau nhận tin reply, BS so sánh giá trị tìm MaxDistance - ứng với node xa so với 4.2.2.2 Thiết lập chuỗi BS gửi tin MAX_DISTANCE cho node xa thơng báo trở thành node gốc chuỗi chuỗi bắt đầu sinh từ Node gốc bắt đầu tìm node khác gần cho vào chuỗi tin FIND_NODE Các node xung quanh nhận tin gửi tin đáp trả lại REPLY_FIND Node gốc vào giá trị distance tin để lựa chọn node gần có địa MinAddr khoảng cách Min Sau node gốc gửi tin INVITATION mời chúng vào chuỗi Node gần đồng ý với tin JOIN_CHAIN Cứ vậy, sau node vào chuỗi lại tiếp tục mời gọi node cịn lại vào chuỗi, suốt trình này, node vào đóng vai trị node gốc – “node gốc tạm thời” Hình 4.7 Tạo chuỗi chọn node chủ PEGASIS Sau tất node vào chuỗi (khi “node gốc tạm thời” không nhận tin JOIN_CHAIN sau request), nú s gi bn tin 03-SV-2010-RD-VT 47 Định tuyến ph©n cÊp WSN CHOSING_HEADER đến cho trạm BS BS bắt đầu khởi tạo trình chọn node chủ cách gửi đến node gốc chuỗi 4.2.2.3 Chọn node chủ Node xa bắt đầu tính tốn tỉ lệ: Ratio=curPower/distance cho vào tin truyền dọc theo chuỗi Tại node: nhận tin tính tốn giá trị sau so sánh giá trị Ratio tin nhận + Nếu nhỏ đơn giản forward + Nếu nhỏ thay Ratio lại truyền Node có giá trị Ratio cao chọn làm node chủ Node chủ thông báo cho node khác biết node chủ với vị trí Hình 4.8 Thuật tốn chọn node chủ chạy node 4.2.2.4 Truyền liệu xử lý lỗi node chết Node chủ bắt đầu gửi tin TOKEN đến node gốc chuỗi để bắt đầu vòng truyền liệu, sau thuật tốn nêu trên, node tích hợp liệu truyền đến node chủ 03-SV-2010-RD-VT 48 Định tuyến phân cấp WSN Sau ú node ch tập hợp liệu hai tin từ hai phía truyền truyền đến Sink Tại node nhận tin tính tốn lượng nhận truyền Hình 4.9 Thuật toán thu thập liệu TOKEN Sau lần nhận gói tin, node kiểm tra xem cịn đủ lượng để truyền nhận không? Nếu không đủ lượng khơng truyền gói khơng nhận gói tin Lúc node coi chết, node khác dựa vào thời gian timeout, khơng thấy node gửi liệu đến thông báo đến node chủ để cập nhật lại chuỗi Chuỗi bỏ qua node chết Sau node chủ lại gửi TOKEN để bắt đầu thu thập liệu Khi node chết, node chủ có nhiệm vụ gửi thông báo đến BS, BS đếm số node chết sau BS đưa kết 03-SV-2010-RD-VT 49 Định tuyến phân cấp WSN 4.3 Kt lun Các mạng Sensor với giá thành thấp, có khả triển khai nhiều điều kiện địa lý khí hậu phức tạp, đặc biệt khả xử lý cộng tác chịu hư hỏng cố đem lại cách mạng lĩnh vực cảm biến thu thập thông tin Điều mạng lại nhiều lợi ích thiết thực cho sống, cho sản xuất cho khoa học Trong tương lai, mạng Sensor phương tiện cần thiết thơng dụng máy tính cá nhân điện thoại di động Trên đây, chúng em hoàn thành nội dung nghiên cứu khoa học, chưa thực hoàn thiện song đạt kết theo đề cương đề ra, xin tóm tắt lại sau:  Chương I: Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây với hiểu biết tảng công nghệ mạng cảm biến không dây, nhân tố ảnh hưởng đến mạng vô tuyến, đặc điểm kiến trúc tổng quan mạng cảm biến không dây ứng dụng mạng cảm biến không dây  Chương II: Đưa giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây Chương phân loại giao thức định tuyến thành hai loại: giao thức định tuyến dựa theo cấu trúc mạng, dựa theo chế hoạt động  Chương III: Tìm hiểu hoạt động giao thức định tuyến phân cấp điển hình LEACH PEGASIS mạng cảm biến không dây  Chương IV: Thực mô hoạt động định tuyến mạng cảm biến không dây dựa phần mềm OMNet++ Trong tương lai, kỹ thuật định tuyến tập trung vào hướng khác tất có mục đích kéo dài thời gian sống mạng Mặc dù giao thức định tuyến mạng WSN bước đầu sử dụng hiệu lượng nghiên cứu cần tiếp tục kết hợp với vấn đề đảm bảo QoS ứng dụng thời gian thực 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 Bên cạnh cịn có hướng phát triển tích hợp mạng cảm biến với mạng hữu tuyến hầu hết ứng dụng giám sát môi trường cần số liệu từ nút cảm biến gửi tới máy chủ để phân tích kỹ Hy vọng vấn đề tương lai gần chúng em có dịp nghiên cứu phát triển tiếp 03-SV-2010-RD-VT 50 Định tuyến phân cấp WSN PH LC A1 LEACH topo // ============================== Leach.ned =============================== // Created on: Nov 20, 2010 // Author: Nguyen Dinh Quang (quangnd.na@gmail.com) - D07VT3-PTIT // package wsn; simple Node { parameters: int id; int xpos = uniform(0,3000); int ypos = uniform(0,3000); int CH = default(0); int myCH = 0; volatile double s = uniform(0,1); @display("i=misc/node"); gates: input in @directIn; } simple BS { parameters: int xpos; int ypos; @display("i=device/antennatower;is=vl"); gates: input in @directIn; } network Leach { parameters: int xmax; int ymax; int numNodes; int psize; int dmax; double InitEnergy; @display("bgi=background/terrain,s;b=3200,3200;bgb=3200,3200"); submodules: node[numNodes]: Node { parameters: id = index+3; @display("is=vs;i=,blue"); } bs: BS { @display("p=1500,1500"); } } // // ======================================================================== 03-SV-2010-RD-VT 51 Định tuyến ph©n cÊp WSN A2 PEGASIS topo // ============================= Pegasis.ned ============================== // Created on: Nov 21, 2010 // Author: Nguyen Hoang Son (hson7246@gmail.com) - D07VT3-PTIT // import ned.DelayChannel; simple App { gates: inout gate; inout app_tof[2]; } simple Energy { parameters: int energy = 5000; gates: inout gate; } module snode { parameters: int id; //Direction int RA_N = uniform(0,1000); //Ratio of current node int CH = default(0); //Chain Head @display("bgb=300,300,DarkSeaGreen;bgp=0,0"); gates: inout gate[2]; submodules: app: App { @display("p=70,100;i=block/segm"); } ene: Energy { @display("p=256,100;i=block/plug"); } connections allowunconnected: for i=0 sizeof(gate)-1 { gate[i] < > app.app_tof[i]; } ene.gate < > app.gate; } network WSN { parameters: int NNode = 50; @display("bgl=2;bgi=background/terrain,s"); types: channel C extends ned.DelayChannel { delay = uniform(0.1ms, 1ms); } submodules: node[NNode]: snode { parameters: @display("i=misc/node2,blue"); id = index; } connections allowunconnected: for i=0 NNode-2 { node[i].gate[1] < > C < > node[i+1].gate[0]; } } // // ======================================================================== 03-SV-2010-RD-VT 52 ... ? ?Định tuyến phân cấp mạng cảm biến không dây WSN? ?? Đề tài trình bày chương:  Chương I: Tổng quan mạng cảm biến  Chương II: Định tuyến mạng cảm biến  Chương III: Giao thức định tuyến phân cấp. .. 03-SV-2010-RD-VT Định tuyến phân cấp WSN Nhúm sinh viờn 03-SV-2010-RD-VT Định tuyến phân cấp WSN Chương I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Khái niệm mạng cảm biến 1.1.1 Định nghĩa Mạng cảm biến không dây (Wireless... quan mạng cảm biến không dây với hiểu biết tảng công nghệ mạng cảm biến không dây, nhân tố ảnh hưởng đến mạng vô tuyến, đặc điểm kiến trúc tổng quan mạng cảm biến không dây ứng dụng mạng cảm biến