Nguyên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605020203 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Tp Hồ Chí Minh, Tháng 10/2015 LÝ LỊCH CÁ NHÂN I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Thị Thu Trang Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 23/10/1989 Nơi sinh: Bình Dƣơng Quê quán: BắcTân Uyên, Bình Dƣơng Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Ấp 1, Tân Mỹ, Bắc Tân Uyên, Bình Dƣơng Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: nguyentrang039@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ … Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 2/2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật TP HCM Ngành học: Công nghệ điện tử viễn thông Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp:Giải pháp thoại VOIP cho trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật TP HCM Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp:2/2012 trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật TP HCM Ngƣời hƣớng dẫn:Th.S Phan Thanh Toản III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2012 – 1/2013 Trƣờng Trung cấp nghề Thủ Dầu Một Giáo viên 1/2013 – đến Trƣờng Trung cấp nghề Việt Hàn Bình Dƣơng Giáo viên i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Thị Thu Trang ii LỜI CẢM TẠ Trong suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành thành công luận văn này, nhận đƣợc hƣớng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô giáo, anh chị bạn Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin đƣợc bày tỏ lời cám ơn chân thành tới tất cá nhân tập thể tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến, khích lệ tinh thần để hoàn thành luận văn Đầu tiên, muốn bày tỏ biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Dƣơng Hoài Nghĩa tận tình, tận tâm bảo, hƣớng dẫn định hƣớng cho suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP HCM tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành tốt khóa học tốt nghiệp Cuối cùng, muốn gửi lời cám ơn đến gia đình, ngƣời thân bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ mặt suốt trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn Một lần xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả! Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng năm 2015 Nguyễn Thị Thu Trang iii Tóm tắt Các điều kiện môi trƣờng, lƣợng, băng thông, nhớ khả xử lý mạng cảm biến không dây làm cho thách thức nhà nghiên cứu Trong làm để trì tối đa tuổi thọ mạng vấn đề cấn thiết.Đề tài“Nghiên cứu giải thuật định tuyến cân tải nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây”tập trung vào mô hình cân tải với mức tiêu thụ lƣợng nút cảm biến toàn mạng đƣợc phân bố đồng từ kéo dài tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây Qua số liệu mô Matlab nhƣ phân bố lƣợng lại nút cảm biến có nút cảm biến cạn kiệt lƣợng, thay đổi bán kính phạm vi liên lạc hay số nút cảm biến diện tích không đổi nhƣ sử dụng mô Monte Carlo chứng minh đƣợc hiệu phƣơng án định tuyến cân tải.Giải pháp đƣợc đề xuất bổ sung thêm vào giải thuật định tuyến đƣờng ngắn với trọng số tỉ lệ nghịch lƣợng lại nút cảm biến Nhƣ vậy, việc nút đƣợc lựa chọn nút trung gian không dựa vào khoảng cách từ nút nguồn đến trạm gốc mà phụ thuộc vào lƣợng lại nút iv Abstract Conditions of environment, energy, bandwidth, memory and processing capability in wireless sensor networks make it always a challenge of researchers.In particular, how to maintain the network's maximum lifetime isa necessary issues.Research topics routing algorithm load balancing to improve lifetime for wireless sensor networks focusing on load balancer models with energy consumption of sensor nodes are uniformly distributed to extend the life of wireless sensor network.Through the Matlab simulation data such as the distribution of the remaining energy of sensor nodes when a sensor node was energy depletion, the change in radius communication range or number of sensor nodes in a constant area, as well as using Monte Carlo simulations have demonstrated the effectiveness of the alternative load balancing routing.The proposed solution is added to the algorithm shortest path routing with weights that are inversely proportional to the residual energy of each sensor node.Thus, the selection of intermediate node is not only based on the distance from the source node to the base station but also depends on the remaining energy of the node v MỤC LỤC TRANG Trang tựa Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Danh sách chữ viết tắt/ký hiệu khoa học ix Danh sách hình xi Danh sách bảng xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.4 Khách thể đối tƣợng nghiên cứu 1.5 Giả thuyết nghiên cứu 1.6 Phạm vi nghiên cứu 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.8 Kế hoạch thực Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 2.2 Giới thiệu IEEE 802.15.4 MAC 2.2.1 Phƣơng thức mạng cấu trúc siêu khung a Phƣơng thức mạng b Cấu trúc siêu khung 2.2.2 Quản lý khe thời gian đảm bảo 10 2.2.3 Chế độ truyền liệu 10 2.3 Một số giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây vi 11 2.4 Một số ví dụ triển khai 13 2.5 Kết luận chƣơng 14 Chƣơng 3: ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI 15 3.1 Tổng quan 15 3.2 Khung định tuyến 15 3.3 Cấu hình trì mạng 18 3.3.1 Sơ đồ định tuyến 18 3.3.2 Các giai đoạn thành lập định tuyến 20 3.3.3 Quá trình lựa chọn nút chuyển tiếp thích ứng 21 3.3.4 Phòng chống định tuyến vòng khả thích ứng với biến động liên kết 22 3.4 Tổng hợp phân phối liệu cân 24 3.4.1 Tổng hợp nhận thức 24 3.4.2 Giới hạn thời hạn chuyển tiếp 26 3.5 Định tuyến cân lƣợng 28 3.5.1 Năng lƣợng tiêu hao trung bình tuyến đƣờng 28 3.5.2 Năng lƣợng xác suất tin cậy 30 3.5.3 Xác suất chuyển tiếp gói liệu 31 3.5.4 Mô hình cân lƣợng 32 3.5.5 Sự tiêu thụ lƣợng nút cảm biến chuyển tiếp 34 3.6 Kết luận chƣơng 37 Chƣơng 4:MÔ PHỎNG ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI 38 4.1 Các thông số mô 38 4.2 Phƣơng pháp định tuyến 39 4.3 Các trƣờng hợp mô 41 4.3.1 Phân bố nút cảm biến 41 4.3.1.1 Sự tổng hợp chuyển tiếp gói liệu nút cảm biến phân bố 41 4.3.1.2 Phân bố lƣợng lại nút cảm biến phân bố 46 vii 4.3.2 Phân bố ngẫu nhiên nút cảm biến 47 4.3.2.1 Sự tổng hợp chuyển tiếp gói liệu nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên 48 4.3.2.2 Phân bố lƣợng lại nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên 52 4.3.2.3 Ảnh hƣởng số lƣợng nút cảm biến N bán kính phạm vi liên lạc R phân bố ngẫu nhiên 53 4.4 Mô Monte Carlo 56 4.7 Kết luận chƣơng 58 Chƣơng 5:KẾT LUẬN 59 5.1 Kết luận 59 5.2 Hƣớng phát triển 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 62 Phụ lục 1: Thuật toán Floyd - Warshall 62 Phụ lục 2: Tổng số gói liệu theo bán kính phạm vi liên lạc 64 Phụ lục 3: Số liệu mô Monte Carlo 64 viii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT/KÝ HIỆU KHOA HỌC ADC: Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số APs: Access Points Các điểm truy cập AoA: Angle of Arrival Góc tới B-MAC: Bluetooth - MAC Giao thức MAC cho Bluetooth BS: Base Station Trạm gốc CSMA: Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang CSI: Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DSP: Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số EAR: Energy-Aware Routing Định tuyến nhận thức lƣợng HC: Hop Count Số chặng IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineering Viện kỹ thuật điện điện tử LQI: Link Quality Indicator Chỉ số chất lƣợng liên kết MAC: Medium access control Điều khiển truy cập môi trƣờng MANET: Mobile ad hoc Network Mạng tùy biến không dây MTU: Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền cực đại PDF: Probability Distribution Function Hàm phân bố xác suất SNR: Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SPR: Shortest Path Routing Định tuyến đƣờng ngắn PRR: Packet Reception Ratio Tỉ lệ tiếp nhận gói liệu PLR: Packet Loss Ratio Tỉ lệ gói liệu QoS: Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ ix RF: Radio Frequency Tần số vô tuyến LBR: Load-Balancing Routing Định tuyến cân tải RSSI: Received Strength Signal Indicator Chỉ số báo hiệu cƣờng độ tín hiệu thu TDMA: Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian THL: Time Has Lived Thời gian sống ToA: Time of Arrival Thời điểm đến WSNs: Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Cấu trúc siêu khung Hình 1: Khung định tuyến định tuyến cân tải 16 Hình 2: Sơ đồ định tuyến với 100 nút cảm biến 19 Hình 3: Cấu trúc khung định tuyến LBR 20 Hình 4: Quá trình chọn nút chuyển tiếp 22 Hình 5: Tổng hợp nhận thức tải 25 Hình 6: Giới hạn thời hạn tổng hợp/chuyển tiếp 27 Hình 7: Tính toán chi phí lƣợng tuyến đƣờng r 29 Hình 8: Các thành phần mô hình liên lạc 35 Hình 1: Mô hình xác định định tuyến 39 Hình 2: Sơ đồ mô với 100 nút cảm biến phân bố 41 Hình 3: Tổng số gói liệu nút cảm biến phân bố (LBR) 42 Hình 4: Tổng số gói tin thu nút cảm biến phân bố (LBR) 43 Hình 5: Tổng số gói tin phát nút cảm biến phân bố (LBR) 43 Hình 6: Tổng số gói liệu nút cảm biến phân bố (SPR) 44 Hình 7: Tổng số gói tin thu nút cảm biến phân bố (SPR) 45 Hình 8: Tổng số gói tin phát nút cảm biến phân bố (SPR) 45 Hình 9: Năng lƣợng lại nút cảm biến phân bố (LBR) 46 Hình 10: Năng lƣợng lại nút cảm biến phân bố (SPR) 47 Hình 11: Sơ đồ mô với 100 nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên 47 Hình 12: Tổng số gói liệu nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR) 48 Hình 13: Tổng số gói tin thu nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR) 49 Hình 14: Tổng số gói tin phát nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR) 49 Hình 15: Số gói liệu nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (SPR) 50 Hình 16: Tổng số gói tin thu nút cảm biền phân bố ngẫu nhiên (SPR) 51 Hình 17: Tổng số gói tin phát nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (SPR) 51 xi Hình 18: Năng lƣợng lại nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR) 52 Hình 19: Năng lƣợng lại nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (SPR) 53 Hình 20: Mật độ phân bố ngẫu nhiên 80 nút cảm biến 54 Hình 21: Mật độ phân bố 100 nút cảm biến 54 Hình 22: Định tuyến đƣờng ngắn theo N R 55 Hình 23: Định tuyến cân tải theo N R 55 Hình 24: Hàm phân phối hàm mật độ xác suất 57 xii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1: Các thông số mô 39 Bảng 2: Thông số mô Monte Carlo 56 Bảng 3: Kỳ vọng toán học phƣơng sai 58 xiii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài Một mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm số nút, nút thƣờng có lƣợng nhỏ không đƣợc nạp lại Trong kiến trúc mạng WSN, liệu đƣợc truyền từ nút nguồnđến trạm gốc thông qua nút trung giansử dụng giao tiếp không dây, giao tiếp đƣợc thực vô tuyến Việc truyền nhận, vô tuyến công suất thấp tốn nhiều lƣợng nên vô tuyến phải đƣợc sử dụng cách khôn ngoan để tránh suy giảm không cần thiết lƣợng Cuối cùng, cạn kiệt lƣợng nút làm cho ngừng hoạt động, dẫn đến mát thu thập liệu cung cấp liệu Trong cạn kiệt số nút chấp nhận đƣợc không mong muốn, nhƣng sựcạn kiệt số nút quan trọng định môi trƣờng định tuyến multihop gây phân vùng mạng làm cho liệu không đƣợc truyền đến trạm gốc, làm giảm tính hữu ích mạng Có nhiều giao thức định tuyến nhận thức lƣợng đƣợc đƣa [1], [2] Một giao thức nhận thức lƣợng phổ biến định tuyến nhận thức lƣợng EAR đƣợc đề xuất [2] Giao thức định tuyến nhận thức lƣợng giao thức tìm định tuyến có chi phí lƣợng thấp sử dụng định tuyến cho tất trình truyền dẫn Tuy nhiên, phƣơng án giải tối ƣu để tăng thời gian sống mạng việc sử dụng định tuyến có chi phí lƣợng thấp thƣờng xuyên dẫn đến cạn kiệt lƣợng nút cảm biến dọc theo tuyến đƣờng dẫn đến phân vùng mạng Giao thức định tuyến đƣờng ngắn SPR [3], [4] giao thức cung cấp phƣơng pháp đơn giản trình lựa chọn nút chuyển tiếp cách liên kết với nút lân cận có khoảng cách ngắn phạm vi liên lạc chúng Đƣờng định tuyến đƣờng ngắn để nút cảm biến chuyển gói liệu trạm gốc tránh đƣợc vòng lặp Định tuyến đƣờng ngắn giúp cho nút cảm biến tiết kiệm đƣợc lƣợng trình chuyển gói liệu Tuy nhiên, phƣơng pháp không thực tối ƣu cho việc tối đa thời gian sống mạng định tuyến đƣờng ngắn phù hợp với cấu trúc mạng tĩnh, cấu trúc mạng động hỗn hợp hiệu sử dụng thấp Quá trình định tuyến liên tục sử dụng đƣờng định tuyến ngắn dẫn đến nút cảm biến dọc theo đƣờng định tuyến, đặc biệt nút gần trạm gốc đƣợc nhiều nút lựa chọn nhanh chóng cạn kiệt lƣợng làm cho mạng phân vùng đột ngột dừng hoạt động Để khắc phục cố này, đề tài nghiên cứu giải thuật định tuyến cân tải nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây đƣợc đề xuất Các tuyến đƣờng sử dụng lƣợng gần mức tối ƣu kết hợp với khoảng cách ngắn từ nút nguồn đến trạm gốc nhằm đảm bảo cân lƣợng cho mạng Năng lƣợng mạng tiêu hao đồng nút cảm biến nhờ mà kéo dài đƣợc thời gian sống toàn mạng 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận văn làcân tham gia vào trình định tuyến nút cảm biến cho tổng số gói liệu nhận đƣợc trạm gốc nhiều tuổi thọ mạng cảm biến không dây lâu Luận văn góp phần vào kiến thức học thuật lĩnh vực phát triển đề án định tuyến đáng tin cậy tiết kiệm lƣợng cho mạng cảm biến không dây 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu Dựa thuật toán đƣờng ngắn Đề án bổ sung thêm trọng số nghịch đảo lƣợng lại nút Khi tuyến đƣờng đƣợc thiết lập, chúng không dựa vào khoảng cách ngắn để truyền liệu đến trạm gốc mà dựa vào lƣợng lại nút cảm biến Những nút cảm biến có lƣợng lại lớn đƣợc ƣu tiên trình lựa chọn tuyến đƣờng 1.4 Khách thể đối tƣợng nghiên cứu Đề án nghiên cứu dựa 100 nút cảm biến đƣợc phân bố ngẫu nhiên diện tích 500x500 m2 trạm gốc Mỗi nút lần lƣợt truyền liệu thu thập đƣợc cho trạm gốc Dựa định tuyến đƣờng ngắn nhất, đề án đề xuất bổ sung thêm trọng số nghịch đảo lƣợng lại nút nhằm cân lƣợng nút cảm biến từ trì đƣợc tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây 1.5 Giả thuyết nghiên cứu Với thuật toán định tuyến đƣờng ngắn Floyd-Warshall chúng dựa vào khoảng cách ngắn mà thiết lập tuyến đƣờng Từ số nút quan trọng gần trạm gốc bị lạm dụng cách đáng kể, làm cho tuổi thọ mạng không đƣợc trì lâu Giả thuyết đƣa thêm trọng số lƣợng lại vào điều kiện lựa chọn tuyến đƣờng Tuyến đƣờng đƣợc lựa chọn với lƣợng cao khoảng cách ngắn hơn, giúp lƣợng nút đƣợc sử dụng cách đồng hơn, từ tuổi thọ toàn mạng đƣợc trì lâu 1.6 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu 100 nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên diện tích 500x500m2 trạm gốc Bán kính phạm vi liên lạc hai nút cảm biến 100m Năng lƣợng ban đầu nút cảm biến đơn vị lƣợng Khi cảm biến tham gia vào trình định tuyến tiêu hao mức lƣợng gọi lƣợng phát 0.0005 đvnl Nút cảm biến tiêu hao mức lƣợng thu 0.0001 đvnl nút nút trung gian nút nguồn đến trạm gốc 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn đƣợc thực theo mạng lƣới chuẩn 802.16 Luận văn mô phỏng, so sánh thuật toán nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây Luận văn dựa thuật toán tìm đƣờng ngắn Floyd-Warshall Từ đề xuất thêm trọng số tỷ lệ nghịch lƣợng lại nút cảm biến để tối đa hóa tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây Dựa vào phần mềm mô Matlab 2013a, mô mạng cảm biến với 100 nút trạm gốc Mô cho lần lƣợt từ nút cảm biến truyền liệu thu thập đƣợc cho trạm gốc Mô dừng lại nút cảm biến hết hạn 1.8 Kế hoạch thực Thời gian thực Nội dung thực 23/2/2015 – 20/3/2015 Nghiên cứu định tuyến cân tải 20/3/2015 – 20/6/2015 Mô thuật toán định tuyến cân tải 20/6/2015 – 20/7/2015 20/7/2015 – 20/8/2015 So sánh phƣơng pháp định tuyến cân tải phƣơng pháp định tuyến đƣờng ngắn Viết báo cáo luận văn tốt nghiệp Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây Trong lịch sử, WSN đƣợc mô tả nhƣ mạng không dây bao gồm nhiều nút, lƣợng hạn chế, chi phí thấp, tự trị Nó đƣợc phân phối diện tích cho mục đích giám sát cảm biến Truyền thông chuyển tiếp liệu thƣờng thông qua định tuyến không dây multi-hop Phần lớn WSN đƣợc mô tả chƣơng trình bày kiến trúc, bao gồm số lƣợng của:  Nút source: tạo liệu, thƣờng sử dụng cảm biến để đo yếu tố môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm xạ  Nút sink: tập hợp liệu đƣợc tạo từ nút source  Nút intermediate: bao gồm nút source, hỗ trợ việc truyền tải liệu từ nút source đến nút sink Việc tạo liệu nút nguồn xảy chủ động đáp ứng từ số yêu cầu Có ý kiến cho nút sink thƣờng gọi base station, có công suất cao, đƣợc liên kết đến sở liệu thông qua kết nối vệ tinh có nhiều tài nguyên nút khác Các nút WSN thƣờng đƣợc cung cấp lƣợng từ pin.Năng lƣợng nút đƣợc sử dụng lên quan đến lƣợng pin lại Năng lƣợng pin phụ thuộc vào kích thƣớc nút đƣợc dự kiến đƣợc thu nhỏ, pin có lƣợnglớn Vấn đề cạn kiệt pin thách thức việc phát triển làm việc với WSN, đặc biệt hoạt động đƣợc thực nút đòi hỏi hao tốn lƣợng Trong nguồn tài nguyên khác nhƣ CPU, nhớ lƣu trữ đƣợc tái sử dụng nguồn, điều không pin Trừ nút có số phƣơng tiện bổ sung lƣợng, lƣợngcủa pin hạn chế thời gian sống tối đa nút tần số mà nút thực hoạt động cụ thể Ngoài đặc điểm này, khó để cung cấp định nghĩa thức khả xác WSN, đặc biệt số lƣợng ngày tăng việc sử dụng công nghệ Có giả thuyết cho rằng, với WSN thƣờng phụ thuộc vào ứng dụng, không tạo kiến trúc để sử dụng cho tất ứng dụng Nếu kiến trúc xác định, xác định xác đặc tính Romer tạo không gian thiết kế, đề cập số lƣợng lớn kích thƣớc triển khai WSN, bao gồm:  Loại khiển khai  Nút chuyển động  Kích thƣớc nút  Giá thành nút (theo dollars)  Năng lƣợng cho phép  Tính không đồng nút  Phƣơng pháp truyền thông không dây  Cơ sở hạ tầng  Cấu trúc liên kết mạng  Mức độ bao phủ vật thể cảm biến  Loại kết nối  Số lƣợng nút  Ƣớc lƣợng thời gian hoạt động  Chất lƣợng dịch vụ Loại triển khai đề cập đến bố trí vật lý nút đƣợc triển khai, tức nút đƣợc triển khai lần lặp lặp lại vị trí nút ngẫu nhiên tay Cơ sở hạ tầng quy định cách định tuyến xảy hệ thống; giá trị ad hoc nút giao tiếp với nút khác với base station, nút trực tiếp giao tiếp với base station Các cấu trúc liên kết mạng ảnh hƣởng đến nút liên kết với nhau, tức nút giao tiếp với Mức độ bao phủ vật thể cảm biến phản ánh mật độ nút source, nghĩa thƣa thớt dày đặc Trong trƣờng hợp lý tƣởng, mức độ bao phủ vật thể S K L 0 [...]... các thuật toán nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây Luận văn dựa trên thuật toán tìm đƣờng đi ngắn nhất của Floyd-Warshall Từ đó đề xuất thêm trọng số là tỷ lệ nghịch của năng lƣợng còn lại của nút cảm biến để tối đa hóa tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây 3 Dựa vào phần mềm mô phỏng Matlab 2013a, mô phỏng một mạng cảm biến với 100 nút và một trạm gốc Mô phỏng cho lần lƣợt từ nút cảm biến. .. bằng sự tham gia vào quá trình định tuyến của các nút cảm biến sao cho tổng số gói dữ liệu nhận đƣợc tại trạm gốc là nhiều nhất hoặc tuổi thọ của mạng cảm biến không dây là lâu nhất Luận văn này góp phần vào kiến thức học thuật trong các lĩnh vực phát triển đề án định tuyến đáng tin cậy và tiết kiệm năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu Dựa trên thuật toán đƣờng đi ngắn nhất... bằng tải nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây đƣợc đề xuất Các tuyến đƣờng sử dụng năng lƣợng gần mức tối ƣu kết hợp với khoảng cách ngắn nhất từ nút nguồn đến trạm gốc nhằm đảm bảo sự cân bằng năng lƣợng cho mạng Năng lƣợng của mạng sẽ tiêu hao đồng đều trên các nút cảm biến nhờ đó mà kéo dài đƣợc thời gian sống của toàn mạng 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận văn l cân bằng sự tham... liệu thu thập đƣợc về cho trạm gốc Mô phỏng dừng lại khi một nút cảm biến đầu tiên hết hạn 1.8 Kế hoạch thực hiện Thời gian thực hiện Nội dung thực hiện 23/2/2015 – 20/3/2015 Nghiên cứu định tuyến cân bằng tải 20/3/2015 – 20/6/2015 Mô phỏng thuật toán định tuyến cân bằng tải 20/6/2015 – 20/7/2015 20/7/2015 – 20/8/2015 So sánh phƣơng pháp định tuyến cân bằng tải và phƣơng pháp định tuyến đƣờng đi ngắn... thập đƣợc về cho trạm gốc Dựa trên định tuyến đƣờng đi ngắn nhất, đề án đề xuất bổ sung thêm trọng số là nghịch đảo năng lƣợng còn lại của mỗi nút nhằm cân bằng năng lƣợng của mỗi nút cảm biến từ đó duy trì đƣợc tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây 1.5 Giả thuyết nghiên cứu Với thuật toán định tuyến đƣờng đi ngắn nhất của Floyd-Warshall thì chúng chỉ dựa vào khoảng cách ngắn nhất mà thiết lập tuyến đƣờng... trúc mạng động hoặc hỗn hợp thì hiệu quả sử dụng thấp Quá trình định tuyến liên tục sử dụng các đƣờng định tuyến ngắn nhất dẫn đến các nút cảm biến dọc theo đƣờng định tuyến, đặc biệt là các nút gần trạm gốc đƣợc nhiều nút lựa chọn sẽ nhanh chóng cạn kiệt năng lƣợng làm cho mạng có thể phân vùng hoặc đột ngột dừng hoạt động Để khắc phục sự cố này, đề tài nghiên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải nhằm. .. định tuyến của định tuyến cân bằng tải 16 Hình 3 2: Sơ đồ định tuyến với 100 nút cảm biến 19 Hình 3 3: Cấu trúc khung định tuyến của LBR 20 Hình 3 4: Quá trình chọn nút chuyển tiếp 22 Hình 3 5: Tổng hợp nhận thức tải 25 Hình 3 6: Giới hạn thời hạn tổng hợp/chuyển tiếp 27 Hình 3 7: Tính toán chi phí năng lƣợng trên tuyến đƣờng r 29 Hình 3 8: Các thành phần mô hình liên lạc 35 Hình 4 1: Mô hình xác định. .. chúng Đƣờng định tuyến là đƣờng ngắn nhất để các nút cảm biến chuyển các gói dữ liệu về trạm gốc và tránh đƣợc các vòng lặp Định tuyến đƣờng đi ngắn 1 nhất cũng giúp cho các nút cảm biến tiết kiệm đƣợc năng lƣợng trong quá trình chuyển gói dữ liệu Tuy nhiên, phƣơng pháp này cũng không thực sự tối ƣu cho việc tối đa thời gian sống của mạng do định tuyến đƣờng ngắn nhất chỉ phù hợp với cấu trúc mạng tĩnh,... đáng kể, làm cho tuổi thọ của mạng không đƣợc duy trì lâu Giả thuyết đƣa thêm trọng số năng lƣợng còn lại vào trong điều kiện lựa chọn tuyến đƣờng Tuyến đƣờng đƣợc lựa chọn với năng lƣợng cao hơn và khoảng cách ngắn hơn, giúp năng lƣợng của các nút đƣợc sử dụng một cách đồng đều hơn, từ đó tuổi thọ của toàn mạng đƣợc duy trì lâu hơn 1.6 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu trên 100 nút cảm biến phân... tốt nghiệp 4 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây Trong lịch sử, WSN đã đƣợc mô tả nhƣ là mạng không dây bao gồm rất nhiều nút, năng lƣợng hạn chế, chi phí thấp, và tự trị Nó đƣợc phân phối trên một diện tích cho mục đích giám sát hoặc cảm biến Truyền thông hoặc chuyển tiếp dữ liệu thƣờng thông qua định tuyến không dây multi-hop Phần lớn WSN đƣợc mô tả trong chƣơng này