Phân tuyến truyền dữ liệu mạng WSN

Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - TỔNG QUAN MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY WSN VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH MỤC LỤC CHƢƠNG I: Tổng quan mạng cảm nhận không dây 1.1 Giới thiệu 1.2 Khái niệm , ứng dụng mạng WSN 1.3 Cấu tạo nút mạng 1.3.1 Phần cứng 1.3.2 Phần mềm 1.4 Quản lý lƣợng thiết bị 1.4.1 Chế độ hoạt động lƣợng tiêu thụ 1.4.2 Tiết kiệm lƣợng vi điều khiển 1.4.3 Tiết kiệm lƣợng nhớ 1.4.4 Tiết kiệm lƣợng truyền nhận vô tuyến 1.4.5 Tiết kiệm lƣợng cảm biến 1.4.6 Mối liên hệ việc tiền xử lý truyền – nhận liệu 1.5 Chế độ hoạt động tiếp kiệm lƣợng 1.6 Kiến trúc mạng 1.6.1 Mô hình mạng 10 1.6.2 Hai cấu trúc mạng cảm nhận không dây 11 1.6.3 Mục tiêu thiết kế mạng cảm nhận tiêu chí đánh giá 12 1.7 Mô hình phân lớp mạng WSN 14 1.7.1 Lớp vật lý 14 1.7.1.1 Giới thiệu chung 14 1.7.2 Lớp liên kết liệu thủ tục thâm nhập môi trƣờng 17 CHƢƠNG II: Phân tuyến mạng WSN 25 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Thách thức vấn đề phân tuyến 25 2.3.1 Đặc tính thay đổi thời gian trật tự xếp mạng 25 2.3.2 Ràng buộc tài nguyên 26 2.3.3 Mô hình liệu mạng cảm biến 26 2.3.4 Cách truyền liệu 26 2.4 Phân loại so sánh giao thức phân tuyến 27 2.4.1 Giao thức phân tuyến ngang hàng 29 2.4.2 Nhóm giao thức phân cấp 32 2.4.3 Giao thức dựa vị trí 34 CHƢƠNG III : Các cấu trúc giao thức phân tuyến LEACH 38 3.1 Giới thiệu 38 3.2.1 Xác định nút cluster-head 40 3.2.2 Giai đoạn thiết lập 40 3.2.3 Giai đoạn ổn định 42 3.2.5 Nhƣợc điểm 44 3.3 Leach-C: thành lập cụm trạm sở 44 3.4 Leach-F: nhóm cố định, luân phiên cluster-head 45 CHƢƠNG IV: Phân tích mô LEACH 48 4.1 Tổng quan NS2 48 4.1.1 Giới thiệu NS2 48 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN 4.1.2 Cơ cấu tổ chức NS2 48 4.2 Mã MIT 50 4.3 Giả thiết mô 51 4.4.1 Câu lệnh 52 4.4.2 Các nút bắt đầu với mức lƣợng 52 4.4.4 Nút bắt đầu lƣợng không cân 58 4.4.5 Mở rộng kích cỡ mạng lƣới 58 4.4.6 Gia tăng lƣợng nút 59 4.5 Tóm tắt 59 Chƣơng V: Kết luận dự kiến tƣơng lai 61 5.1 Thu đƣợc kết 61 5.2 Dự kiến tƣơng lai 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - CHƢƠNG I: Tổng quan mạng cảm nhận không dây 1.1 Giới thiệu Trong năm gần đây, nhiều mạng cảm nhận không dây đƣợc phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhƣ: theo dõi thay đổi môi trƣờng, khí hậu, giám sát mặt trận quân sự, phát thám việc công hạt nhân, sinh học hoá học, chuẩn đoán hỏng hóc máy móc, thiết bị, theo dấu giám sát bác sỹ, bệnh nhân nhƣ quản lý thuốc bệnh viên, theo dõi điều khiển giao thông, phƣơng tiện xe cộ Hơn với tiến công nghệ gần hội tụ hệ thống công nghệ nhƣ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý tính toán tín hiệu tạo cảm biến có kích thƣớc nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây Một mạng cảm nhận không dây mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ lƣợng ít, giao tiếp thông qua kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung liệu để đƣa định toàn cục môi trƣờng tự nhiên Những nút cảm biến nhỏ bé bao gồm thành phần : Các vi xử lý nhỏ, nhớ giới hạn,bộ phận cảm biến, thu phát không dây, nguồn nuôi Kích thƣớc cảm biến thay đổi từ to nhƣ hộp giấy nhỏ nhƣ hạt bụi, tùy thuộc vào ứng dụng Khi nghiên cứu mạng cảm nhận không dây, đặc điểm quan trọng then chốt thời gian sống cảm biến giới hạn lƣợng chúng Các nút cảm biến yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn nói chung thay đƣợc nguồn cung cấp Do đó, mạng truyền thông tập trung vào đạt đƣợc dịch vụ chất lƣợng cao, giao thức mạng cảm nhận phải tập trung vào bảo toàn công suất Mạng cảm biến có số đặc điểm sau: + Có khả tự tổ chức + Yêu cầu hoăc can thiệp ngƣời + Truyền thông vô tuyến truyền đa bƣớc + Triển khai số lƣợng lớn phạm vi rộng + Năng lƣợng, nhớ, khả xử lý có hạn + Cấu hình thƣờng xuyên thay đổi môi trƣơng nút mạng + Quảng bá phạm vi hẹp định tuyến multihop Các giới hạn mặt lƣợng, công suất phát, nhớ công suất tính toán Chính đặc tính đƣa chiến lƣợc yêu cầu thay đổi thiết kế mạng cảm biến 1.2 Khái niệm , ứng dụng mạng WSN Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Đn1:Mạng cảm nhận không dây mạng không dây mà nút mạng vi điều khiển sau đƣợc cài đặt phần mềm nhúng kết hợp với phát song vô tuyến với cảm biến co khả thu nhận,xử lý liệu từ nút mạng môi trƣờng xung quanh nút mạng Đn2:Mạng cảm nhận không dây(WSN) mạng sử dụng phƣơng thức truyền nhận sóng Radio mà nút mạng đƣợc tích hợp vi điều khiển cảm biến Tóm lại khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa công thức đơn giản sau: Cảm nhận + CPU + Radio = WSN Từ công thức đơn giản nhiều ứng dụng xuất ví dụ nhƣ: * Quân sự: Dựa ƣu điểm triển khai nhanh chóng ( Dải từ máy bay), với khả tự cấu hình lại có nút bị hỏng đƣa mạng cảm nhận không dây trở thành ứng dụng hữu ích chiến trƣờng Chủ yếu là: theo dõi lực lƣợng, trang bị, hƣớng di chuyển, phát giám sát mục tiêu, dấu hiệu vũ khí nguyên tử, sinh học * Môi trƣờng: ứng dụng phổ biến mạng cảm nhận không dây bao gồm: theo dõi xuất di chuyển động vật, theo dõi nhiệt độ, mức nƣớc, áp suất khí quyển…v.v Trong ứng dụng dễ nhận thấy cảnh báo cháy rừng, cảnh báo lũ Hình 1.2: Ứng dụng theo dõi di chuyển động vật * Ứng dụng chăm sóc sức khỏe :một vài ứng dụng sức khỏe mạng cảm biến giám sát bệnh nhân, triệu chứng, quản lý thuốc bệnh viện, giám sát chuyển động xử lý bên côn trùng động vật nhỏ khác, theo dõi kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bệnh viện Theo dõi bác sĩ bệnh nhân bệnh viện: bệnh nhân đƣợc gắn nút cảm biến nhỏ nhẹ, nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - biến xác định nhịp tim cảm biến khác phát áp suất máu, bác sĩ mang nút cảm biến bác sĩ khác xác định đƣợc vị trí họ bệnh viện Hình 1.3: Ứng dụng y tế Mạng cảm nhận không dây có nhiều ứng dụng nhƣng hầu hết ƣng dụng thuộc ba dạng: thu thập liệu môi trƣờng, giám sát an ninh, theo dõi đối tƣợng 1.3 Cấu tạo nút mạng 1.3.1 Phần cứng Tùy yêu cầu ứng dụng cụ thể mà phần cứng nút mạng yêu cầu khác nhau, tìm hiểu thành phần nút mạng: + Vi điều khiển: xử lý liệu thi hành chƣơng trình nút + Bộ nhớ: Lƣu trữ chƣơng trình liêu, nhớ chƣơng trình nhớ liệu thƣờng tách biệt tuân theo kiến trúc havard + Cảm biến: tƣơng tác với môi trƣờng vật lý để theo dõi điều khiển thống số môi trƣờng + Thiết bị giao tiếp: Thiết bị cung cấp khả truyền – nhận liệu nút qua kênh vô tuyến + Nguồn: Thƣờng xử dụng pin với lƣợng có hạn, số ứng dụng lƣợng đƣợc bổ xung môi trƣờng ( sử dụng pin mặt trời) Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Hình 1.4: Các thành phần nút mạng thông thƣờng Một số loại nút mạng: Hình 1.5 Nút mạng thuộc họ Mica Mote Họ nút mạng nằm dự án nghiên cứu trƣờng đại học california từ cuối năm 1990, sử dụng vi xử lý Atmel, sử dụng hệ điều hành TinyOS Hình 1.6 Nút mạng EYES Nút mạng phát triển tổ chức châu âu dự án sử dụng lƣợng hiệu mạng cảm nhận - Energy efficient sensor network (EYES) Nút mạng sử dụng vi điều khiển MSP 430 Texas, có khả kết nối thêm cảm biến Nút mạng sử dụng vi điều khiển CC1010 chipcon, tích hợp thiết bị truyền dẫn vô tuyến cảm biến nhiệt độ 1.3.1.1 Vi xử lý Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Vi xử lý thiết bị quan trọng nút mạng cảm nhận không dây, thực thu thập liệu từ nút, sau xử lý trƣớc gửi đi, nhận liệu từ nút khác Nguyên nhân đƣợc lựa chọn hệ thống nhúng mềm dẻo kết nối với thiết bị khác nhƣ thiết bị cảm biến, tiêu thụ lƣợng thấp nhờ khả chuyển sang chế độ ngủ có phần vi điều khiển hoạt động, thƣờng có nhớ tích hợp vi xử lý Một đặc điểm đƣợc ngƣời lập trình yêu thích khả lập trình ngôn ngữ bậc cao (C, C++) Bởi xây dựng nút mạng việc xem xét hiệu suất vi xử lý, hiệu lƣợng giá thành quan trọng 1.3.1.2 Bộ nhớ Đƣợc sử dụng để lƣu trữ liệu thu từ nút cảm biến, gói liệu từ nút khác, có loại kiến trúc nhớ là: kiến trúc havard kiến trúc von newman, điểm khác kiến trúc kiến trúc havard nhớ liệu chƣơng trình tách biệt liệu thƣờng đƣợc chứa RAM chƣơng trình đƣợc chứa ROM nhớ FLASH, kiến trúc von newman liệu chƣơng trình đƣợc lƣu với nhau, thƣờng RAM, nhƣợc điểm liệu bị tắt nguồn, chƣơng trình hệ điều hành thƣờng đƣợc lƣu trữ ROM, EEPROM, nhớ flash ( gần tƣơng tự nhƣ EEPROM) Yêu cầu kích thƣớc nhớ lƣợng tiêu thụ tƣơng ứng với yêu cầu liệu ứng dụng nút mạng 1.3.1.3 Thiết bị giao tiếp Là thiết bị đƣợc sử dụng để trao đổi liệu nút đơn với nhau, môi trƣờng không dây đƣợc ƣa dùng cả, sóng vô tuyến, truyền thông quang, sóng siêu âm, từ trƣờng đƣợc sử dụng vài ứng dụng đặc biệt Trong sóng vô tuyến cung cấp dải thông lớn với tốc độ liệu cao phù hợp cho hầu hết ứng dụng mạng không dây Trong nút yêu cầu chức nhận truyền liệu (điều chế, giải điều chế, khuếch đại, lọc, trộn …) sau chuyển luồng bit, byte khung thành sóng vô tuyến, thông thƣờng thiết bị thƣờng đƣợc kết hợp thành thiết bị nhất, thƣờng thời điểm thực đồng thời vừa truyền vừa nhận liệu, mà truyền nhận đƣợc luân phiên đƣợc điều khiển hệ điều hành nhúng Khi lựa chọn thiết bị truyền nhận cần lƣu ý vài đặc điểm sau: -Khả phục vụ cho lớp (MAC), cho phép lớp điều khiển gói liệu -Tiết kiệm lƣợng sử dụng lƣợng hiệu lƣợng tiêu thụ nhiều nút mạng việc truyền nhận vô tuyến -Tần số sóng mang đa kênh truyền truyền nhận phải phù hợp với yêu cầu ứng dụng -Tốc độ liệu tƣơng ứng với tần số sóng mang băng tần với việc điều chế mã hóa liệu, tốc dộ thay đổi điều chế thay đổi tốc độ ký tự -Điều chế mã hóa 1.3.1.4 Cảm biến Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Có nhiều loại cảm biến, tùy vào loại ứng dụng mạng cảm nhận mà ta có cảm biến tƣơng ứng, thƣờng dựa vào kiểu hoạt động cảm biến, tích cực- thụ động, phạm vi giám sát … lƣợng tiêu thụ, giá thành kích thƣớc Thƣờng việc lựa chọn cảm biến không phức tạp nhƣ nhớ vi xử lý 1.3.1.5 Nguồn nuôi Là thành phần cốt yếu mạng cảm nhận, vấn đề cần quan tâm khả lƣu trữ cung cấp lƣợng, khả thay nguồn.Thƣờng nguồn thƣờng pin, khả thay nút mạng không địa hình triển khai số nút mạng lớn, phải chọn nguồn ổn định có khả hoạt động phù hợp với yêu cầu ứng dụng môi trƣờng hoạt động 1.3.2 Phần mềm Hệ điều hành nhúng, điều khiển bảo vệ truy cập tài nguyên quản lý cho phép phép ngƣời dùng nhƣ hỗ trợ thi hành xử lý giao tiếp trình Tuy nhiên chức chủ yếu thi hành lệnh, hệ thống không yêu cầu nhiều tài nguyên để hỗ trợ nhƣ hệ điều hành hoàn thiện Hơn hệ điều hành cho mạng cảm nhận không dây hỗ trợ tùy chọn cho thống, điển hình quản lý sử dụng lƣợng hiệu quả, quản lý điều khiển thành phần ngoại vi: cảm biến, thiết bị vô tuyến, định thời Bởi yêu cầu cho hệ điều hành cho mạng nhúng cấu trúc đơn giản hỗ trợ quản lý lƣợng mà không tốn nhiều tài nguyên hệ thống nhƣ nhớ thời gian xử lý 1.4 Quản lý lƣợng thiết bị 1.4.1 Chế độ hoạt động lƣợng tiêu thụ Nhƣ phần trình bày lƣợng mạng cảm nhận không dây vấn đề đặc biệt quan trọng điều khiển tiết kiệm lƣợng vấn đề đƣợc quan tâm, lƣợng tiêu thụ chủ yếu hoạt động vi điều khiển, thiết bị vô tuyến, phần nhớ phụ thuộc vào kiểu cảm biến Chế độ hoạt động thành phần nút mạng chế độ tiết kiệm lƣợng đƣợc quan tâm xây dựng nút mạng, ví dụ với vi điều khiển chế độ “rỗi” hay “ngủ”, với thiết bị vô tuyến truyền nhận bật hay tắt chế độ truyền, cảm biến hay nhớ bật hay tắt 1.4.2 Tiết kiệm lƣợng vi điều khiển Phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ chế tạo nhà sản xuất chƣơng trình ứng dụng chạy vi điều khiển, bao gồm điều khiển chế độ hoạt động tốc độ xử lý vi điều khiển tƣơng ứng với yêu cầu liệu cần xử lý, thuật toán xử lý ứng dụng giảm đƣợc đáng kể số phép toán cần thực 1.4.3 Tiết kiệm lƣợng nhớ Bộ nhớ phổ biến mạng cảm nhận thƣờng Flash RAM, thực tế lƣợng tiêu thụ nhớ tƣơng ứng với lƣợng tiêu thụ vi điểu khiển thời gian đọc liệu lƣợng tiêu thụ tƣơng ứng với loại nhớ, thời gian ghi Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - lƣợng tiêu thụ lúc ghi phức tạp chút phụ thuộc vào loại liệu 1.4.4 Tiết kiệm lƣợng truyền nhận vô tuyến Đây hoạt động tiêu tốn nhiều lƣợng mạng cảm nhận, tƣơng tự nhƣ vi điều khiển truyền nhận vô tuyến hoạt động chế độ khác (bật – tắt) chế độ tắt chiếm đa số thời gian, hoạt động đƣợc kích hoạt tiết kiệm đáng kể lƣợng Trong chế độ truyền phần lƣợng đƣợc sử dụng để phát sóng vô tuyến, phụ thuộc chủ yếu vào loại điều chế, khoảng cách truyền, kĩ thuật lọc, đồng tần số Tƣơng tự nhƣ chế độ truyền, chế độ nhận chuyển trạng thái tắt - bật, thƣờng chế độ truyền nhận đƣợc sử dụng đan xen nhau, ví dụ thí nghiệm khóa luận truyền nhận đƣợc luân phiên nhau, với trạm sở chế độ chủ yếu nhận, chế độ truyền hoạt động yêu cầu thủ tục xây dựng lại tuyến thủ tục yêu cầu nhận liệu từ nút sở 1.4.5 Tiết kiệm lƣợng cảm biến Đây vấn đề quan trọng cần đƣợc quan tâm tiết kiệm lƣợng mạng không dây đa dạng thiết bị này, việc lựa chọn cảm biến, giao diện kết nối 1.4.6 Mối liên hệ việc tiền xử lý truyền – nhận liệu Sau có nhìn khái quát lƣợng tiêu thụ vi xử lý truyền nhận liệu câu hỏi đặt là: kết hợp việc xử lý liệu truyền liệu nhƣ để tiết kiệm lƣợng ? Ví dụ: liệu mà ta nhận đƣợc nút mạng thƣờng dạng thô, ta gửi liệu trạm gốc mà không xử lý trƣớc kích thƣớc liệu lớn, nhƣ kéo theo loạt nút khác phải truyền – nhận lƣợng liệu lớn dẫn tới tiêu tốn nhiều nút Kết lƣợng tiêu thụ truyền liệu chƣa xử lý lớn nhiều lƣợng mà nút sử dụng để xử lý liệu thô trƣớc truyền Việc lựa chọn có xử lý liệu thô trƣớc truyền hay không thƣờng dựa loại ứng dụng (loại liệu), kích thƣớc mạng, phƣơng pháp tiền xử lý thƣờng đƣợc sử dụng mạng có kích thƣớc lớn 1.5 Chế độ hoạt động tiếp kiệm lƣợng Việc đƣa thành phần vào trạng thái ngủ hay giảm hiệu suất nút mạng cách lựa chọn phƣơng pháp điều chế mã hóa để tăng hiệu sử dụng lƣợng Quá trình đƣợc điều khiển hệ điều hành sử dụng ngăn xếp chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác, đƣợc gọi toán quản lý lƣợng động, phức tạp phƣơng pháp phải xem xét lƣợng thời gian để thiết bị chuyển đổi trạng thái, cải tiến thuật toán dựa xác xuất kiện xảy tƣơng lai 1.6 Kiến trúc mạng Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - 1.6.1 Mô hình mạng 1.6.1.1 Nút sở nút nguồn Trong phần trƣớc ta có tìm hiểu qua vài kiểu đối tƣợng giám sát mạng cảm nhận (theo kiểu phát kiện, theo chu kỳ), chức chúng phát gửi liệu khu vực mà giám sát nút sở, nơi tập trung xử lý toàn liệu nút khác gửi về, thƣờng có loại nút sở: nút mạng tƣơng tự nhƣ nút khác với loại nút sở thƣờng dùng để nhận liệu sau chuyển tới PC để xử lý, loại nút sở thứ thiết bị cầm tay PDA đƣợc sử dụng để tƣơng tác với mạng cảm nhận, loại thứ nút cảm nhận đƣợc nối qua gateway để tới mạng lớn internet Hình 1.10: loại nút sở mạng WSN Hình 1.11: Kết nối mạng cảm nhận qua kênh truyền internet 1.6.1.2 Mạng đơn bƣớc mạng đa bƣớc Mạng đơn bƣớc đơn giản từ nút ta gửi liệu trực tiếp nút sở, mạng loại thƣờng mạng nhỏ, thông thƣờng trƣờng hợp mạng đơn bƣớc đƣợc coi trƣờng hợp đặc biệt mạng đa bƣớc xem xét phạm vi nhỏ Trong trƣờng hợp phạm vi lớn liệu gửi trực tiếp từ nút nút sở liệu đƣợc gửi qua nút trung gian trƣớc tới nút sở, ta gọi truyền đa bƣớc Đôi truyền trực tiếp từ nút tới nút sở mà ngƣời ta dùng nút trung gian, dùng nút trung gian để giảm công suất chia tiêu tán lƣợng nút 10 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Simulation Results : Các kết mô Analysis : Phân tích NAM Network Animator : Minh họa mạng NAM Trong hình trên, NS lag biên dịch Tcl mở rộng hƣớng đối tƣợng, bao gồm đối tƣợng : lập lịch sụ kiện, đối tƣợng thành phần mạng mô đun trợ giúp thiết lập mạng ( hay mô đun Plumbing) Để sử dụng NS2, ngƣời dùng lập trình ngôn ngữ kịch Otcl Ngƣời dùng thêm mã nguồn Otcl vào NS2 cách viết lớp đối tƣợng Otcl Những lớp đƣợc biên dịch với mã nguồn gốc Kịch Otcl thực việc sau : + Khởi tạo lập lich kiện + Thiết lập mô hình mạng dùng đối tƣợng thành phần mạng + Báo cho nguôn traffic bắt đầu truyền ngƣng truyền packet lập lịch kiện Thuật ngữ plumbing đƣợc dùng để việc thiết lập mạng, thiết lập mạng nghĩa xây dựng đƣờng liệu đối tƣợng mạng cách thiết lập trỏ “neighbour” cho đối tƣợng để đến địa đối tƣợng tƣơng ứng Mô đun plumbing Otcl thực tế thực việc đơn giản Plumbing làm nên sứ mạnh NS Thành phần lớn khác NS bên cạnh đối tƣợng thành phần mạng lập lịch kiện Bộ lập lịch kiện NS2 thực việc sau : + Tổ chức định thời mô + Hủy kiên hàng đợi kiện + triệu gọi thành phần mạng mô Phụ thuộc vào mục đích sử dụng ngƣời sử dụng kịch mô Otcl mà kết mô đƣợc lƣu trữ nhƣ file trace Định dạng file trace đƣợc tải vào ứng dụng khác để thực phân tích : + File nam trace (file.nam) đƣợc dùng cho công cụ minh họa mạng NAM + File trace (file.tr) đƣợc dùng cho công cụ lần vết giám sát mo XGRAPH hay TRACEGRAPH Hình 4.2 : Luồng kiện cho file tcl chạy NS Mô NS2 dựa hai ngôn ngữ : C / C ++ Otcl Tại lại dựa hai ngôn ngữ? Ns2 sử dụng hai ngôn ngữ có hai loại mô khác vật cần phải làm : + Trên mặt, mô chi tiết giao thức đòi hỏi hệ thống lập trình ngôn ngữ mà thao tác cách hiệu byte, gói, tiêu đề, thực thuật toán mà chạy liệu lớn Đối với nhiệm vụ thời gian 49 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - chạy tốc độ điều quan trọng kim ngạch khoảng thời gian (chạy mô phỏng, tìm thấy lỗi, sửa chữa lỗi, recompile, chạy lại) quan trọng + Mặt khác, phần lớn mạng lƣới nghiên cứu khác tham số cấu hình, cách nhanh chóng khai thác số lƣợng kịch Trong trƣờng hợp này, thời gian lặp lại (thay đổi mô hình chạy lại) quan trọng Từ cấu hình chạy lần (vào đầu mô phỏng), chạy thời gian này, phần công việc quan trọng NS có đáp ứng nhu cầu hai với hai ngôn ngữ, C / C ++ OTcl C / C ++ để chạy nhanh, nhƣng chậm để thay đổi, làm cho thích hợp cho việc triển khai thực chi tiết giao thức OTcl chạy chậm nhƣng đƣợc thay đổi nhanh chóng (và lặp lại), làm cho lý tƣởng cho mô cấu hình NS (thông qua tclcl) cung cấp cấu kết nối để làm cho đối tƣợng biến xuất hai ngôn ngữ Hình 4,3: Cơ cấu tổ chức thƣ mục NS 4.2 Mã MIT Hình 4.4: Kiến trúc MIT Để sử dụng MIT, từ nguồn lực đối tƣợng có sẵn lớp ns2, 50 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - thêm số tác phẩm, bao gồm : app [Cc, h], channel.cc, cmu-trace [Cc, h], mac.cc, gói [ cc, h], phy [cc, h], wireless-phy, [cc, h] Chúng thêm vào tập tin mac-sensor [cc, h] mac-Sensor-timers [Cc, h] Những tập tin để thực chức thích nghi nguồn tài nguyên node, tác nhân, lớp liên kết nằm thƣ mục mit / RCA bao gồm: ns-ranode.tcl, rcagent [Cc, h], RCA-ll [Cc, h], resource [cc, h], energy [cc, h] Các tập tin giao thức phân tuyến nằm thƣ mục mit uAMPS bao gồm: ns-leach.tcl, ns-Leach-c.tcl, ns-mte.tcl, ns-stats-clus.tcl Ngoài ra, tập tin nsbsapp.tcl, extras.tcl, stats.tcl chứa chức cần thiết để chạy giao thức phân tuyến Những tập tin bsagent [Cc, h] chứa chức trạm sở đại diện 4.3 Giả thiết mô Chúng sử dụng phần mềm NS2 để chạy mô WSN để xác định quyền lợi giao thức phân tuyến khác thảo luận luận án Giả thiết: Nút mạng : 100 Kích thƣớc mạng : 100m x 100m Địa điểm trạm sở: (50,50) Chiều cao ăng ten mặt đất: 1,5m Kích thƣớc liệu: 500byte Hình 4.5: 100 nút mạng ngẫu nhiên 4.4 Chạy mô Dƣới biến môi trƣờng phải đƣợc đặt: RCA_LIBRARY = mit / RCA uAMPS_LIBRARY = mit / uAMPS Mỗi giao thức phân tuyến đƣợc chạy cách thiết lập tùy chọn RP: Leach, Leach-c, mte, stat-clus 51 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - 4.4.1 Câu lệnh / ns TCL/ex/wireless.tcl-sc nodescen -x 100 -y 100 -init_energy -dirname leach_dir -topo leach_topo -bs_x -bs_y -stop 600 -nn 101 -num_clusters eq_energy - filename leach_file - RP Leach Ở đây: + Wireless.tcl: đặt số tham số mô nguồn tập tin TCL/mobitily/leach.tcl (hoặc Leach-c.tcl, mte.tcl kê-clus.tcl) Những tập tin đƣợc liên kết đến tập tin với tên mit / uAMPS / Sims Mỗi tập tin đặt thông số cụ thể cho giao thức nguồn tập tin mit/uAMPS/Sims/uamps.tcl, có chứa tham số nhƣ cho tất giao thức phân tuyến (ví dụ nhƣ, kênh băng thông, kích thƣớc tín hiệu liệu, vv) Bảng hiển thị danh sách tham số đƣợc đặt đầu mô + -sc nodescen: tập tin có chứa địa điểm node + RP-Leach: giao thức phân tuyến + -x 100: kích cỡ x mạng lƣới + -y 100: kích cỡ y mạng lƣới + nn-101: số nút (bao gồm nút sở ) + 600 : chiều dài mô (trong giây) + -eq_energy 1: tất nút bắt đầu với lƣợng ( : tất nút bắt đầu với lƣợng băng ngƣợc lại) + -init_energy 2: số lƣợng lƣợng ban đầu (J) + -Topo leach_topo: ban đầu tên Topo + -filename leach_file: tên tập tin đầu số liệu thống kê + -dirname leach_dir: thƣ mục cho tập tin đầu số liệu thống kê + -num_clusters 5: số lƣợng cụm mong muốn (k tham số) + -bs_x 0: vị trí x trạm sở + -bs_y 0: vị trí y trạm sở 4.4.2 Các nút bắt đầu với mức lƣợng 4.4.2.1 Quá trình hình thành cụm 52 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Hình 4.6: Leach tạo cụm với vòng Hình 4.7: Leach tạo tám cụm vòng thứ 53 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Hình 4.8: Leach tạo hai cụm vòng thứ Hình 4.9: Leach-C luôn ổn định với số nhóm khoảng 54 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Hình 4.10: Với stat-clus, cụm đƣợc tách biệt có thời gian + Leach: Quá trình tạo cụm ngẫu nhiên Từ hình 4,6 4,7, thấy Leach tạo số cụm nhiều thiết lập ban đầu + Leach-C: trình tạo cụm luôn tƣơng đƣơng với giá trị ban đầu trình thiết lập mô trình + STAT_CLUS: Quá trình cụm deviding xảy thời gian, nhƣng ổn định đồng 4.4.2.2 Kết mô giao thức Đối với ngƣời tiến hành mô , nút nên bắt đầu với mức lƣợng J không giới hạn số lƣợng liệu để gửi cho trạm sở Hình 4.11: Tổng số nút sống qua thời gian mô (năng lƣợng băng nhau) + Leach-C thời gian sống nút mạng cao 55 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - + Stat-CLUS có tuổi thọ ngắn thuật toán separates cluster stat-cluschỉ có thời gian Nếu nút đứng đầu nhóm xa trạm sở , lƣợng tiêu thụ để gửi liệu cho trạm sở lớn Hình 4.12: Tổng số lƣợng tiêu thụ theo thời gian 100s trƣớc tiên, ba giao thức tiêu thụ lƣợng nhƣ Kể từ Leach tiêu thu lƣợng nhiều Leach-C Leach-C tiêu thụ lƣợng Với stat-clus, đời sống mạng lƣới ngắn, chế tách cụm có thời gian Hình 4.13: Dữ liệu / lƣợng lệ Tỉ lệ liệu/ lƣợng Leach khoảng: 400bytes/J, Leach-C khoảng: 170bytes/J Vì vậy, Leach-C thể lợi cách sử dụng mức lƣợng thấp để gửi liệu cho trạm sở Vì trạm sở toàn cầu có kiến thức vị trí 56 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - lực tất nút mạng, đó, tạo cụm tốt có yêu cầu lƣợng cho liệu truyền Ngoài ra, trạm sở hình thành thuật toán đảm bảo có k = cụm vòng thời gian hoạt động Vì có 100 nút mô phỏng, dự kiến số lƣợng cho cụm tròn k = Leach, vòng lúc có cụm Vì vậy, sở thuật toán, mà luôn đảm bảo cụm, cần thực tốt so với phân phối nhóm Stat cluster hoạt động hiệu quả, cụm nút chết cách nhanh chóng, kết thúc vòng đời tất nút thuộc cụm 4.4.3 Thay đổi vị trí trạm sở Hình 4.14: Dữ liệu / lƣợng lệ với trạm sở (x = 50, y = 300) Bảng 4.1 Hiệu suất giao thức khác nhƣ trạm sở đa dạng Địa điểm/ khoảng cách Protocol Năng lƣợng/ trung tâm mạng liệu (bytes/J) x=50, y=50 LEACH 225 0m LEACH-C 300 x=50, y=175 LEACH 170 125m LEACH-C 400 x=50, y=300 LEACH 25 250m LEACH-C 240 Nhƣ trạm sở tiếp tục di chuyển khỏi mạng, hiệu suất Leach-C cải thiện so với Leach 4.1 bảng tóm tắt hiệu suất so sánh Stat cluster cung cấp liệu cho đơn vị lƣợng tất giao thức, nhƣng tổng số lƣợng liệu cung cấp (và hệ thống tổng số đời) ngắn nhiều so với phƣơng pháp tiếp cận khác Khác nhƣ trƣớc đây, stat cluster gửi số lƣợng lớn liệu đến trạm sở nút cluster-head stat cluster hạn chế việc sử dụng lƣợng cách nhanh chóng, kết thúc thông tin liên lạc tất nút cụm 57 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - 4.4.4 Nút bắt đầu lƣợng không cân Hình 4,15: Tổng số nút bắt đầu lƣợng không cân Khi số nút có lƣợng cao, tuổi thọ mạng lƣới kéo dài Khi đó, thuật toán đƣợc viết để nút đƣợc lựa chọn cụm priorly-head 4.4.5 Mở rộng kích cỡ mạng lƣới Hình 4,16: Vòng đời mạng lƣới kích cỡ mạng lƣới đƣợc mở rộng Khi kích cỡ mạng lƣới đƣợc tăng lên, làm tuổi thọ giảm Bởi thông tin liên lạc nút nhóm clster-head trạm sở xa Leach-C nút chết giảm xuống thƣờng xuyên ổn định suốt thời gian hoạt động Leach 58 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - 4.4.6 Gia tăng lƣợng nút Hình 4,17: Vòng đời mạng tăng lƣợng nút + Vòng đời mạng lƣới tăng + Với Leach , vòng đời nút Leach-C 4.5 Tóm tắt Từ kết mô phỏng, nhận thấy Leach-C có lợi tất lĩnh vực Leach-C cung cấp thêm liệu hiệu Leach viêc hình thành nhóm tốn thuật toán tập trung sử dụng mạng lƣới thông tin vào biểu mẫu Topology có yêu cầu lƣợng cho hoạt động thuật toán phân phối Leach Tuy nhiên, giao thức sử dụng cho nút phải biết địa điểm Điều đòi hỏi giao thức GPS thiết bị định vị khác theo dõi nút, bắt đầu lên giai đoạn phân phối lƣợng cho phƣơng pháp tiếp cận thông tin từ hình thức nút phải đƣợc truyền vào trạm sở đầu vòng Đối với Leach, lƣợng khởi động bao gồm lƣợng cho thông điệp thông báo cluster-head , nút non-cluster-head tham gia yêu cầu thông điệp, truyền / nhận lịch trình TDMA cụm Đối với LeachC, việc khởi động bao gồm việc truyền lƣợng thông điệp nhỏ có chứa vị trí nút lƣợng từ nút đến trạm sở (bằng cách sử dụng CSMA) tiếp nhận thông tin từ trạm sở Tuy nhiên, bất chấp bắt đầu tăng lên lƣợng tiêu thụ chung, Leach-C nhiều lƣợng hiệu hơn-Leach tập trung thuật toán xác định tốt so với thuật toán phân tán Tƣơng tự, Leach-F thực tốt, nhƣng giao thức điều chỉnh điều kiện mới, chẳng hạn nhƣ nút đƣợc thêm vào mạng nút di động Vì vậy, giao thức không thích ứng với thử nghiệm triển khai mạng WSN Stat-clus cung cấp liệu cho đơn vị lƣợng tất giao thức, nhƣng tổng số đời hệ thống ngắn nhiều với phƣơng pháp tiếp cận khác Stat-clus gửi số lƣợng lớn liệu đến trạm sở nút cluster-head stat-clus hạn chế 59 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - việc sử dụng lƣợng cách nhanh chóng, kết thúc thông tin liên lạc tất nút cụm 60 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Chƣơng V: Kết luận dự kiến tƣơng lai – điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin - Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng nhiệt tình giảng dạy cung cấp kiến thức quý báu để em hoàn thành tốt thực tập tốt nghiệp Cuối cùng, em xin cảm ơn tất bạn động viên, góp ý trao đổi hỗ trợ cho em suốt thời gian vừa qua Vì thời gian thực tập có hạn, trình độ thân nhiều hạn chế Cho nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót, em mong đƣợc góp ý quý báu tất thầy cô giáo nhƣ bạn để đề tài em đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 5.1 Thu đƣợc kết Hiển thị kiến thức tổng quan mạng WSN, số điểm mạnh khó khăn Tóm tắt lại số thách thức phân tuyến thiết kế vấn đề có hiệu phân tuyến WSN Nghiên cứu chi tiết số thuật toán phân tuyến Sau đó, đánh giá hiệu thuật toán điển hình Thực thành công mô ba giao thức phân tuyến NS2, sau đánh giá mạnh yếu giao thức Các kỹ thuật phân tuyến cho thấy trên, hầu hết giao thức giả định nút cảm biến BS không chuyển động Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng nhƣ thu thập liệu môi trƣờng nơi mà BS nút cảm biến cần phải di động Vì vậy, cần phải nghiên cứu thuật toán phân tuyến xử lý Topology thay đổi ngƣỡng lƣợng môi trƣờng Khi nhận đƣợc tất liệu nút tƣơng quan với nhau, sử dụng giao thức phân tuyến để tiết kiệm lƣợng tổng số mạng Bởi tƣơng quan liệu, liệu đến từ cảm ứng xa đƣợc tổng hợp lại với Tuy nhiên, với mạng lƣới không đƣợc nhƣ quy mô lớn nhƣ mà thảo luận nhƣ cảm biến cho mạng lƣới y tế theo dõi ứng dụng khác có cảm ứng nằm thể, nhƣng họ có tƣơng tự nhƣ yêu cầu với mạng lƣới cảm biến, thảo luận - Hệ thống lâu dài đời, chất lƣợng cao, Các mạng lƣới liệu tập trung vào chất lƣợng tối đa tất thông số, mát thông tin không đƣợc chấp nhận đƣợc Vì thức kiến trúc cần phải đƣợc phát triển để hỗ trợ cho mạng lƣới Đánh giá với phần mềm mô phỏng: MIT NS2 cung cấp cho đối tƣợng điển hình để mô cho mạng 61 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - WSN Tracefile đƣợc cải tiến để làm cho chi tiết tham số cho đánh giá nhƣ: đời, lƣợng, liệu 5.2 Dự kiến tƣơng lai Nghiên cứu cải thiện khả phân tuyến cho giao thức để tạo thuật toán NS2 MIT Thi hành tập tin Nam giúp cho việc mô hình ảnh 62 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Holger Karl Andreas Willig, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, Wiley, 2005 [2] Jamal N Al-Karaki Ahmed E Kamal, Routing Techniques in Wireless Sensor Networks, Dept of Electrical and Computer Engineering Iowa State University, Ames, Iowa 50011 [3] Ian F Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, and Erdal Cayirci, A survey on Sensor Networks, Georgia Institude of Technology [4] Wendi Beth Heinzelman, Application-Specific Protocol Architectures for Wireless Networks, Department of Electrical Engineering and Computer Science, 2000 [5] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Applications, Wiley, 2007 [6] The MIT uAMPS ns Code Extensions, Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA 02139, August 7, 2000 [7] Kumar Mrinal, Amit Ruri, Routing in Sensor Network [8] Wendi Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrishman, Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Sensor Network, Massachusetts Institude of Technology Cambrifge, MA 02139 63