Mạng cảm biến không dây (WSN)

Trong suốt trình nghiên cứu thực đồ án, em nhận động viên, giúp đỡ tận tình PGS.TS Vương Đạo Vy Em xin chân thành cảm ơn thầy bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Điện Tử Viễn Thông -Khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa Học dạy bảo em suốt năm học đại học, để em có kiến thức ngày hôm cụ thể qua kết đồ án phần thể điều Ngoài ra, trình làm đồ án xa nhà , em trợ giúp, động viên to lớn mặt vật chất tinh thần từ gia đình, người thân bạn bè Em xin chân thành cảm ơn Huế, ngày 28 tháng năm 2009 Người thực đồ án Nguyễn Duy Thanh Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Nhờ có tiến lĩnh vực truyền thông vô tuyến năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nên ý lĩnh vực thông tin Hiện nay, người ta tập trung triển khai mạng cảm ứng không dây để áp dụng vào sống hàng ngày Mạng cảm ứng ứng dụng nhiều đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn mạng cảm ứng không dây nguồn lượng bị giới hạn, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng lĩnh vực khác Trong tương lai ứng dụng mạng cảm ứng không dây trở thành phần thiếu sống Trong đồ án giới thiệu cách tổng quan mạng cảm ứng không dây, giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô đánh giá giao thức mạng cảm biến không dây Đó giao thức LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN I.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây công nghệ thông tin phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực: điều khiển trình công nghiệp, bảo mật giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe… Hình 1.1: Biểu tượng mạng mô hình Mạng cảm biến không dây WSN mạng liên kết node với nhờ sóng radio Nhưng đó, node mạng bao gồm đầy đủ chức để cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu Các node mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, phân bố hệ thống phạm vi rộng, sử dụng nguồn lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, mạng phạm vi nhà (Bluetooth) Các gói chuyển từ mạng qua mạng khác hỗ trợ internet không dây Mạng cellular đích đến người sử dụng với tính di động cao Tốc độ liệu cho tính di động mức bị giới hạn dịch tần Doppler Mặt khác, WLAN có tốc độ liệu cao Bluetooth Home RF đích đến nhà Tốc độ liệu mong muốn có dải radio thấp ngắn nhiều, tính di động thấp WSN khác với mạng Nó có số lượng lớn node Khoảng cách node neighbor ngắn so với mạng Do WSN hoàn toàn node, chi phí cho node Mức tiêu thụ lượng thấp nhiều, Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp việc thay pin node chí tháng lần vất vả Tốc độ liệu tính di động WSN thấp Các nhà nghiên cứu Berkeley phát triển thiết bị mạng cảm nhận không dây, gọi hạt bụi “motes”, tạo thành cách công khai, sẵn sàng để thương mại hóa, với TinyOS hệ điều hành kết nối nhúng để dễ dàng sử dụng thiết bị Hình minh họa thiết bị “mote”của Berkeley Sự tiện ích thiết bị chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho thí nghiệm triển khai thực tế mang lại vai trò đầy đủ cách mạng vàng mạng cảm nhận không dây Hình 1.2: Thiết bị “mote” Berkeley I.2 Cấu trúc mạng WSN I.2.1 Cấu trúc node mạng WSN Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo phát triển nút cấu thành mạng nút cảm biến Các nút phải thỏa mãn số yêu cầu định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu lượng, có thiết bị cảm biến xác cảm nhận, thu thập thông số môi trường, có khả tính toán có nhớ đủ để lưu trữ, phải có khả thu phát sóng để truyền thông với nút lân cận Mỗi nút cảm ứng cấu thành thành phần bản, hình 3, cảm nhận (sensing unit), xử lý (a processing unit), thu phát (a transceiver unit) nguồn (a power Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp unit) Ngoài có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) Hình 1.3: Các thành phần nút cảm ứng Các phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo sensor chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đưa vào xử lý Bộ xử lý thường kết hợp với lưu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Chúng gửi nhận liệu thu từ nút lân cận tới nút khác tới sink Phần quan trọng nút mạng cảm ứng nguồn Bộ nguồn số loại pin Để nút có thời gian sống lâu nguồn quan trọng, phải có khả nạp điện từ môi trường lượng ánh sáng mặt trời Hầu hết kĩ thuật định tuyến nhiệm vụ cảm ứng mạng yêu cầu có độ xác cao vị trí Vì cần phải có định vị Các phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển nút cảm ứng cần thiết để thực nhiệm vụ ấn định cảm biến theo dõi chuyển động vật Tất thành phần cần phải phù hợp với kích cỡ module Ngoài kích cỡ nút cảm ứng số ràng buộc nghiêm ngặt khác, phải tiêu thụ lượng, hoạt động mật độ cao, có giá thành thấp, tự hoạt động, thích ứng với môi trường Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây kĩ thuật chính, giao tiếp trực tiếp hai nút có nhiều hạn chế khoảng cách hay vật cản Đặc biệt nút phát nút thu cách xa cần công suất phát lớn.Vì cần nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop Hoạt động hiệu lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống toàn mạng, hoạt động hiệu lượng kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình thông số tự động Chẳng hạn nút xác định vị trí địa lý thông qua nút khác (gọi tự định vị) Xử lý mạng tập trung liệu: Trong số ứng dụng nút cảm biến không thu thập đủ liệu mà cần phải có nhiều nút cộng tác hoạt động thu thập đủ liệu, mà nút thu liệu gửi đến sink tốn băng thông lượng Cần phải kết hợp liệu nhiều nút vùng gửi tới sink tiết kiệm băng thông lượng Do , cấu trúc mạng sẽ: ¾ Kết hợp vấn đề lượng khả định tuyến ¾ Tích hợp liệu giao thức mạng ¾ Truyền lượng hiệu qua phương tiện không dây ¾ Chia sẻ nhiệm vụ nút lân cận Các nút cảm ứng phân bố sensor field hình 1.4 Mỗi nút cảm ứng có khả thu thập liệu định tuyến lại đến sink Dữ liệu định tuyến lại đến sink cấu trúc đa điểm Các sink giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet vệ tinh Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN Trong mạng cảm ứng, liệu sau thu thập nút định tuyến gửi đến sink Sink gửi liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức sử dụng nút gốc nút cảm biến (hình 1.5) Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Kiến trúc giao thức kết hợp công suất chọn đường, kết hợp số liệu với giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu với môi trường vô tuyến tương tác nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động phần quản lý nhiệm vụ Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp ¾ Lớp ứng dụng :Tùy vào nhiệm vụ mạng cảm biến mà phần mềm ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá liệu định nhiệm vụ cho sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối liệu truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination) ¾ Lớp truyền tải: giúp trì luồng số liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) giao thức gói ngừời dùng (UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol) thông qua internet vệ tinh Còn giao tiếp sink nút cảm biến cần giao thức kiểu UDP nút cảm biến bị hạn chế nhớ Hơn giao thức phải tính đến tiêu thụ công suất, tính mở rộng định tuyến tập trung liệu ¾ Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến liệu cung cấp lớp truyền tải Việc định tuyến mạng cảm biến phải đối mặt với nhiều thách thức mật độ nút dày đặc, hạn chế lượng…Do thiết kế lớp mạng mạng cảm biến phải theo nguyên tắc sau: Hiệu lượng xem vấn đề quan trọng 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 Có nhiều giao thức định tuyến thiết kế cho mạng cảm biến không dây Nhìn tổng quan, chúng chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xét theo hoạt động chúng chia thành định tuyến dựa đa đường (multipathbased), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến thỏa thuận (negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS – Quanlity of Service), định tuyến kết hợp (coherent-based) Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp ¾ Lớp kết nối liệu: Lớp kết nối liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép luồng liệu, dò khung liệu, điều khiển lỗi truy nhập môi trường Vì môi trường có tạp âm nút cảm biến di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất phải có khả tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá nút lân cận ¾ Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã tách sóng ¾ Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến tắt khối thu sau thu tin từ nút lân cận Điều giúp tránh tạo tin giống Khi mức công suất nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới nút lân cận để thông báo có mức công suất thấp tham gia vào tin chọn đường Công suất lại dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến ¾ Phần quản lý di động phát ghi lại di chuyển nút cảm biến để trì tuyến tới người sử dụng nút cảm biến Nhờ xác định nút cảm biến lân cận, nút cảm biến cân công suất nhiệm vụ thực ¾ Phần quản lý nhiệm vụ lên kế hoạch nhiệm vụ cảm biến vùng xác định Không phải tất nút cảm biến vùng điều phải thực nhiệm vụ cảm biến thời điểm Kết số nút cảm biến thực nhiệm vụ nhiều nút khác tuỳ theo mức công suất Những phần quản lý cần thết để nút cảm biến làm việc theo cách thức sử dụng hiệu công suất, chọn đường số liệu mạng cảm biến di động phân chia tài nguyên nút cảm biến I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN I.4.1 Thời gian sống bên Các nút WSN với nguồn lượng pin giới hạn Ví dụ: loại pin kiềm cung cấp 50Wh lượng, truyền cho nút mạng chế độ tích cực gần tháng hoạt động Sự tiêu tốn tính khả thi giám sát thay pin cho mạng rộng, thời gian sống dài thiết kế Trong thực tế, pin cần Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp thiết nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN tự động sử dụng không cần thay vài năm Sự cải thiện phần cứng thiết kế pin kĩ thuật thu lượng giúp ta phần việc tiết kiệm pin I.4.2 Sự đáp ứng Giải pháp đơn giản để kéo dài thời gian sống bên điều khiển node chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch chế độ: chế độ ngủ (mode sleep) chế độ hoạt động (mode active) Trong trình đồng chế độ ngủ thách thức WSN, vấn đề lớn liên quan đến chu trình ngủ cách tùy ý làm giảm khả đáp ứng hiệu suất sensor Trong số ứng dụng, kiện tự nhiên tìm thấy thông báo nhanh, trễ lịch ngủ phải giữ giới hạn xác, chí tồn nghẽn mạng I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) Mục tiêu WSN cung cấp phạm vi rộng lớn, độ bao phủ xác (fine-grained coverage) Mục tiêu phổ biến số lượng lớn thiết bị không đắt tiền Tuy nhiên thiết bị rẻ thường tin cậy thường dễ xảy lỗi Tốc độ lỗi cao thiết bị cảm ứng triển khai môi trường khắc khe vùng kẻ địch Giao thức thiết kế phải xây dựng kỹ sảo để đáp ứng tốt Rất khó để chắn việc định dạng toàn cầu hệ thống không bị hỏng với thiết bị lỗi I.4.4 Hiệu suất (Synergy) Các cải tiến luật Moore công nghệ đảm bảo dung thiết bị mặt: xử lí nguồn, nhớ - lưu trữ, thực truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh chóng xác cảm biến Tuy nhiên, vấn đề kinh tế đặt giá node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống vài cent), làm cho dung vài node bị hạn chế mức độ định Đó lý để thiết kế giao thức cho hiệu suất cao, bảo đảm hệ thống tổng có dung lớn so với dung thành phần cộng lại Các giao thức cung cấp khả hợp tác lưu trữ, máy tính tài nguyên thông tin Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp IV.2.4 TRACEGRAPH TraceGraph phân tích file trace Tracegraph chạy hệ điều hành Windows, Linux, Unix yêu cầu hệ thống có cài đặt Matlab 6.0 (hoặc phiên cao hơn) Tracegraph hỗ trợ định dạng file trace sau: ¾ Wired (có dây) Satellite (vệ tinh) Wireless (không dây) Ứng dụng TRACEGRAPH bao gồm thành phần chính: cửa sổ Tracegraph, cửa sổ Network Information (thông tin mạng) cửa sổ Graphs (đồ thị) IV.3 Mô WSN NS2 IV.3.1 Giả thiết ¾ Thời gian mô phỏng: Max = 360s ¾ Số cluster khởi tạo: Num_cluster = ¾ Năng lượng khởi tạo node J ¾ Số node mạng: 101 (0→99; 100 = BS) ¾ BS đặ t tọa độ (50; 100) ¾ Vị trí node mạng khởi tạo ngẫu nhiên (100;100) ¾ BW = 1Mbps ¾ Data size: 500 Bytes ¾ Freq : 914 MHz IV.3.2 Thực mô cho giao thức: Leach, Leach-C, Stat- Clus IV.3.2.1 Câu lệnh /ns wireless.tcl –sc nodescen –x 100 –y 100 –init_energy –dirname wsn –topo wsn-topo –bs_x 50 –bs_y 150 –stop 600 –nn 101 –num_cluster –eq_energy – filename leach_file –rp leach IV.3.2.2 Ý nghĩa mã lệnh ¾ wireless.tcl : file Script tạo môi trường mô Wireless ¾ init_energy : lượng khởi tạo ban đầu ¾ dirname : tên thư mục chứa Trace File ¾ topo : tên topo khởi tạo lúc đầu Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 43 Đồ án tốt nghiệp ¾ bs_x, bs_y : tọa độ BS ¾ stop : thời gian mô ¾ nn: số node mạng ¾ num_cluster : số cụm dự tính chia ¾ eq_energy : (khởi tạo lượng không nhau), ( khởi tạo lượng nhau) ¾ filename : tên tracefile xuất dỉname ¾ rp (routing protocol) : giao thức mô leach, leach-c, stat-clus IV.3.3 Kết mô IV.3.3.1 Topo khởi tạo mạng Hình 4.4: Topo khởi tạo mạng Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 44 Đồ án tốt nghiệp Hình 4.5: Leach chu kỳ ( node đỏ Cluster-Head) Hình 4.6: Leach ổn định chu kỳ đầu Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 45 Đồ án tốt nghiệp Hình 4.7: Leach-C: BS định cà phân mạng thành Cluster tối ưu (tương đối ổn định) Hình 4.8: BS chia cluster cho giao thức Stat-Clus lần Nhận xét: Qua trình khởi tạo topo thời điểm khác ta thấy: ¾ Leach: Quá trình chọn lựa Cluster ngẫu nhiên khó kiểm soát Có lúc vượt quá, có lúc số cluster mặc định chọn ban đầu ¾ Leach-C : Tương đối ổn định việc phân chia nhóm số cluster số cluster khởi tạo ban đầu suốt thời gian mô Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 46 Đồ án tốt nghiệp ¾ Stat-Clus : Topo khởi tạo giống Leach-C, khác tạo số ClusterHead lần phân chia đồng xác IV.3.3.2 Kết sau mô phỏng: IV.3.3.2.1 Kết mô với mức luợng eq_energy =0 Hình 4.9: Thời gian sống mạng Nhận xét: Leach-C có thời gian sống lâu nhất, dài so với Leach Stat-Clus Hình 4.10: Sự tiêu thụ lượng theo thời gian Nhận xét: Leach tiêu tốn lượng so với Leach-C Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 47 Đồ án tốt nghiệp Hình 4.11: Tỷ lệ node/ số bytes nhận BS Nhận xét: Leach-C vượt trội lưu lượng so với Leach Stat-Clus Hình 4.12: Tỷ lệ data / energy Nhận xét: Giao thức Leach-C có tỷ lệ data/ energy lớn Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 48 Đồ án tốt nghiệp Hình 4.13: Biểu đồ độ trể tín hiệu BS Nhận xét: - Leach-C Stat-Clus đạt độ ổn định cao - Leach tồn nhiều biến động trình gửi dử liệu BS IV.3.3.2.2 Kết mô với mức luợng không eq_energy =1 Hình 4.14: Thời gian sống mạng Nhận xét: Leach-C có thời gian sống lâu nhất, dài so với Leach Stat-Clus Mặc dù thời gian sống giao thức Leach củng cải thiên Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 49 Đồ án tốt nghiệp Hình 4.15 : Sự tiêu thụ lượng theo thời gian Nhận xét: Sự tiêu tốn lượng Leach cải thiện nhiều Hình 4.16: Tỷ lệ node/ số bytes nhận BS Nhận xét: Leach-C thể vượt trội lưu lượng so với Leach StatClus Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 50 Đồ án tốt nghiệp Hình 4.17 : Tỷ lệ data / energy Nhận xét: Tỷ lệ data/ energy giao thức Stat_Clus giảm đáng kể Hình 4.18: Biểu đồ độ trể tín hiệu BS Nhận xét: ¾ Khi có số nút có lượng cao thời gian sống mạng kéo dài lên nhiều qua mô ta thấy nút có mức lượng cao ưu tiên làm nút chủ (Cluster-Head) Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 51 Đồ án tốt nghiệp ¾ Thời gian trễ giao thức Leach cải thiện rõ rệt ¾ Leach-C thể mặt vượt trội độ ổn định IV Kết luận ¾ Các kết đánh giá cho thấy Leach-C giao thức có mặt vượt trội nhiều mặt so với giao thức định tuyến khác ¾ Sở dĩ có điều Leach-C , BS cài thêm ứng dụng chọn phân chia Cluster Và định xác BS ưu việt hóa mặt cho mạng cảm biến ¾ Một nhược điểm lớn Leach-C thông tin lúc ban đầu gửi BS node thông tin có tham số : Vị Trí Năng Lượng Năng lượng BS xác định xác vị trí thực tế cần phải có ứng dụng đặc biệt node cho ta xác định thông số ¾ So với giả thiết mức lượng giả thiết mức lượng không giao thức Leach cải thiện Mặc dù độ trể tín hiệu trạm BS tồn nhiều biến động trình truyền liệu trạm BS ¾ Với giả thiết mức lượng không độ trể trạm BS không ổn định, tùy thuộc vào việc lựa chọn nút CH có mức lượng cao hay thấp ¾ Hiện nay, thiết bị mạng đời, phần lớn giao thức mạng đơn giản AODV, MTE, MultiHop xuất số firmware (BTNode) sử dụng giao thức phân cấp Leach Tuy nhiên, với ưu điểm vượt trội tính khả thi cao hứa hẹn tương lai gần, giao thức Leach áp dụng phổ biến rộng rãi node mạng cảm biến Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 52 Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Kavin Fall, Kannan Varadhan “The ns Manual” The VINT Project, A Collaboration between researchers at UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC December 13, 2003 http://www.isi.edu/nsnam/ns/ The MIT uAMPS ns Code Extensions Version 1.0 – Massachusetts Institute of Technology – Cambridge MA 02139, uamps@.mit.edu Application Specific Protocol Architectures for Wireless Networks by Wendi Beth Heinzelman http://www.isi.edu/nsnam/nam/ NAM Network Animator W.R Heinzelman, A Chandrakasan, and H Balakrishnan, “ Energy-Efficient Comminication Protocol for Wireless Microsensor Networks ” IEEE Proc Hawaii Int’l Conf Sys Sci., Jan 2000, pp 1-10 http://www.ieee802.org/15/ Jamal N Al-Karaki and Ahmed E Kamal, “Routing Techniques in wireless sensor network: A survey”, IEEE Wireless Communications, December 2004 Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 53 Đồ án tốt nghiệp BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT UDP User Datagram Protocol Giao thức gói người dùng WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ID Identifier Mã nhận dạng CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã TDMA Time Divistion Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian CSMA Carrier Sense Multiple Access SPIN LEACH Truy cập đường truyền có lắng nghe sóng mang Sensor protocols for information via Giao thức cho thông tin liệu thông negotiation Low-energy qua đàm phán adaptive clustering Giao thức phân cấp theo cụm thích hierarchy ứng lượng thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đường truyền GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật xác theo địa lý GEAR Geographic and Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng Routing hiệu lượng NAM Network Animator Minh họa mạng NS Network Simulator Mô mạng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ SMP Sensor Management Protocol giao thúc quản lí mạng cảm biến TADAP Task Assignment and Data G.thức quảng bá liệu định Advertisement Protocol nhiệm vụ cho sensor SQDDP Sensor Query and Data giao thức phân phối liệu ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - Số MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường ADV Advertise Bản tin quảng bá REQ Request Bản tin yêu cầu DS - SS Directed-Sequence Spread Spectrum Trải phổ BS Base Station (Sink) Trạm gốc CH Cluster Head Nút chủ cụm Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 54 Đồ án tốt nghiệp LỜI KẾT WSN đời kết hợp thành công loạt thành tựu khoa học công nghệ mạng máy tính Hiện nay, ứng dụng nhiều đời sống để mang lại lợi ích tối ưu cho người sử dụng phải tận dụng điểm mạnh riêng biệt mạng cảm ứng, sensor giá thành thấp, tiêu thụ lượng thực đa chức Những sensor có kích cỡ nhỏ, thực chức thu phát liệu giao tiếp với chủ yếu thông qua kênh vô tuyến Dựa sở người ta thiết kế mạng cảm biến, nhằm phát kiện tượng, thu thập truyền liệu cảm biến đến người dùng Tuy nhiên, WSN nhiều vấn đề cần hoàn thiện, đặc biệt vấn đề lượng trì nguồn lượng cho nút cảm biến Các nhà khoa học giới không ngừng nghiên cứu đưa công nghệ để cải thiện tất phân lớp cấu trúc node cảm biến, mà mục đích cuối đưa WSN trở nên gần gũi với sống Trong phạm vi đồ án này, em nghiên cứu nét khái quát mạng cảm biến, mà cụ thể giao thức định tuyến phổ biến Đây đề tài nhiều mẻ rộng lớn, thời gian thực đề tài ngắn nên em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô môn khoa để đồ án em hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS.Vương Đạo Vy – Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình hướng dẫn, bảo định hướng cho em thực thành công đồ án Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 55 Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN I.1 Giới thiệu I.2 Cấu trúc mạng WSN I.2.1 Cấu trúc node mạng WSN I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN I.4.1 Thời gian sống bên I.4.2 Sự đáp ứng I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) I.4.4 Hiệu suất (Synergy) I.4.5 Tính mở rộng (Scalability) 10 I.4.6 Tính không đồng (Heterogeneity) 10 I.4.7 Tự cấu hình 10 I.4.8 Tự tối ưu tự thích nghi 10 I.4.9 Thiết kế có hệ thống 10 I.5 Ứng dụng mạng WSN 11 CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12 II.1 Giới thiệu 12 II.2 Thách thức vấn đề định tuyến 12 II.2.1 Tính động mạng 12 II.2.2 Sự triển khai node 12 II.2.3 Tính đến lượng 13 II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 13 II.2.5 Khả node 14 II.2.6 Tập trung/ hợp liệu 14 II.3 Phân loại so sánh giao thức định tuyến WSN 15 Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 56 Đồ án tốt nghiệp II.4 Các loại giao thức định tuyến 17 II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm liệu (data centric protocols) 17 II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 22 II.4.3 Giao thức dựa vị trí (Location-based protocols) 25 CHƯƠNG III : KIẾN TRÚC GIAO THỨC LEACH 29 III.1 Giới thiệu 29 III.2 Tự định dạng cấu hình Cluster (Self – Configuring Cluster Formation) 31 III.2.1 Lựa chọn nút chủ cụm (Determining Cluster- Head Nodes ) 31 III.2.2 Pha thiết lập (Set-up Phase) 32 III.2.3 Pha trì trạng thái – pha ổn định (Steady- state Phase) 33 III.2.4 Tổng hợp liệu (Sensor Data Aggregation) 36 III.3 LEACH – C 37 III.4 Stat-Clustering 38 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG LEACH BẰNG NS2 39 IV.1 Giới thiệu NS2 39 IV.1.1 Kiến trúc NS2 39 IV.1.2 Các đặc điểm NS2 41 IV.2 Các phần mềm dùng kết hợp với NS2 41 IV.2.1 NAM 41 IV.2.2 NSCRIPT 42 IV.2.3 XGRAPH 42 IV.2.4 TRACEGRAPH 43 IV.3 Mô WSN NS2 43 IV.3.1 Giả thiết 43 IV.3.2 Thực mô cho giao thức: Leach, Leach-C, Stat- Clus 43 IV.3.3 Kết mô 44 IV Kết luận 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 LỜI KẾT 55 Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 57 [...]... Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây và không dây II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến II.2.1 Tính động của mạng Mạng cảm ứng... cảm biến sẽ bật bộ phận cảm biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xác định Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút khác trong mạng. .. nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích II.4.1.2 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion) Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào... đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng Chương này trình bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu... đến scalability của hoạt động mạng I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity) Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trình cài đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến) Sự không đồng nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế I.4.7 Tự cấu hình Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ thống phân phối không cần chủ Hoạt động tự động... đọc của các sensor này có thể khác nhau, vì thế với những môi trường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn Ví dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biến bình thường khác Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút cảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất, băng thông và bộ nhớ Do đó, nhiệm vụ truyền... cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh,… WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…) Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 11 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG II ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY... vị trí (Location-based protocols) Hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng cảm ứng đều yêu cầu thông tin về vị trí của các nút cảm ứng, để có thể tính toán khoảng cách giữa hai nút xác định, từ đó có thể ước lượng được năng lượng cần thiết Vì mạng cảm ứng không có chế độ địa chỉ nào như địa chỉ IP và chúng được triển khai trong không gian ở một vùng nào đó, vì vậy thông tin về vị trí cần phải được... đề định tuyến II.2.1 Tính động của mạng Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm ứng, nút sink và các sự kiện cần giám sát Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút cảm ứng di động, còn lại hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển Khi đó các bản tin chọn đường được lấy từ các nút di động hay được... Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 23 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH Ở bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn 1 số ngẫu nhiên giữa 0 và 1 Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ T(n) được tính như sau: Trong đó: P : tỉ lệ phần trăm nút chủ r : sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1 G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối Sau khi được chọn làm ... Do mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop Hoạt động hiệu lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống toàn mạng, hoạt động hiệu lượng kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây. .. thức mạng cảm biến không dây Đó giao thức LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN... Biểu tượng mạng mô hình Mạng cảm biến không dây WSN mạng liên kết node với nhờ sóng radio Nhưng đó, node mạng bao gồm đầy đủ chức để cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu Các node mạng thường