Định tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm

Định tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụmĐịnh tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm

i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp HCM, Ngày 20 tháng 06 năm 2016 Học viên thực luận văn Phạm Thị Thanh Huyền ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Trần Công Hùng, giảng viên Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – sở TPHCM, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô khoa Công nghệ thông tin – Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông TPHCM tận tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức quý báu năm học vừa qua Sau cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, giúp đỡ động viên suốt trình học tập thực luận văn Tp HCM, Ngày 20 tháng 06 năm 2016 Học viên thực luận văn Phạm Thị Thanh Huyền iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU Chương - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .3 1.1 Giới thiệu 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1 Cấu trúc phẳng 1.2.2 Cấu trúc phân cấp 1.3 Các đặc trưng mạng cảm biến không dây 1.3.1 Năng lượng tiêu thụ 1.3.2 Chi phí 1.3.3 Loại hình mạng 1.3.4 Tính bảo mật 1.3.5 Độ trễ 1.3.6 Tính di động 1.4 Những khó khăn việc phát triển mạng cảm biến không dây 1.4.1 Giới hạn lượng 1.4.2 Giới hạn giải thông 1.4.3 Giới hạn phần cứng 10 1.4.4 Ảnh hưởng nhiễu bên 10 Chương - ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 2.1 Các vấn đề cần lưu ý giao thức định tuyến 11 iv 2.1.1 Đặc tính thay đổi thời gian trật tự xếp mạng 11 2.1.2 Ràng buộc tài nguyên 11 2.1.3 Mô hình liệu mạng cảm biến 11 2.1.4 Cách truyền liệu 12 2.2 Các giao thức định tuyến tiêu biểu mạng cảm biến không dây 13 2.2.1 Các giao thức xét theo cấu trúc mạng 13 2.2.2 Các giao thức định tuyến xét theo hoạt động 20 Chương - GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN QoS HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG WSN THEO DẠNG 24 PHÂN CỤM (EEQR) 24 3.1 Giới thiệu tổng quan 24 3.2 Mô tả giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây (WSN) theo dạng phân cụm 28 3.2.1 Mô tả vấn đề 28 3.2.2 Mô hình mạng giả định 30 3.2.3 Mô tả giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm 32 3.2.3.1 Pha thiết lập 33 3.2.3.2 Pha ổn định 35 Chương - MÔ PHỎNG VÀ CÁC KẾT QUẢ 46 4.1 Thiết lập mô 46 4.2 Mô hình lượng 47 4.3 Các kết thảo luận 48 4.3.1 Năng lượng trung bình gói tin 48 4.3.2 Thời gian sống mạng 50 4.3.3 Lưu lượng mạng (số gói tin truyền giây) 52 4.3.4 Độ trễ trung bình gói tin 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt BS Base Station Trạm gốc CH Cluster Head Chủ cụm Energy Efficient and QoS aware Định tuyến QoS hiệu Routing lượng GAF Geographic Adaptive Fidelity Giải thuật xác theo địa lý GBR Gradient based Routing EEQR Giao thức dựa thuật toán Gradient Geographic and Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý sử Routing dụng hiệu lượng Low-energy adaptive clustering Giao thức phân cấp theo cụm hierarchy thích ứng lượng thấp MQW Max Queue Weight Trọng lượng hàng đợi tối đa MTS Max time-share Thời gian chia sẻ tối đa Predictability Factor Yếu tố dự báo Power-efficient Gathering in Tổng hợp lượng Sensor Information Systems hệ thống thông tin cảm biến QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QW Queue Weight Trọng lượng hàng đợi SNack Super node acknowlegement Phản hồi Super node GEAR LEACH PF PEGASIS vi Viết tắt SNregister SNRET SPIN TC TDMA Tiếng Anh Super node Register Gói tin đăng ký Super node Super node Residual Energy Bảng lượng lại Table Super node Sensor Protocol for Information Giao thức phân tuyến thông tin via Negotiation dựa dàn xếp liệu Time Commitment Thời gian cam kết Time Division Multiple Access Thresholdsensitive Energy TEEN Efficient sensor Network protocol WSN Tiếng Việt Wireless Sensor Network Đa truy cập phân chia theo thời gian Giao thức hiệu lượng cảm nhận mức ngưỡng Mạng cảm biến không dây vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Các tham số mô 46 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Hình 1.2: Cấu trúc phẳng Hình 1.3: Cấu trúc phân cấp Hình 1.4: Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp Hình 2.1: Tổng kết lại trình SPIN 14 Hình 2.2: Mô tả trình diễn mạng dùng giao thức Directed Diffusion 14 Hình 2.3: Chuỗi PEGASIS 18 Hình 2.4: Thời gian hoạt động TEEN 19 Hình 2.5: Ví dụ lưới ảo GAF 20 Hình 3.1: Mô hình mạng 32 Hình 3.2: Hoạt động giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm 33 Hình 3.3: Sơ đồ tương tác nút cảm biến, chủ cụm trạm gốc 43 Hình 4.1: Năng lượng trung bình gói tin 49 Hình 4.2: Số lượng nút sống mạng qua thời gian 50 Hình 4.3: Lưu lượng mạng so sánh ba giao thức 52 Hình 4.4: Độ trễ trung bình gói tin (giây) 53 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, tiến khoa học kỹ thuật, việc sản xuất thiết bị cảm biến nhỏ chi phí thấp trở nên khả thi mặt kỹ thuật mặt kinh tế Việc thiết kế thực có hiệu mạng cảm biến không dây trở thành lĩnh vực thu hút nhiều quan tâm tiềm ứng dụng mạng cảm biến lĩnh vực đời sống hàng ngày y tế, công nghiệp, quân sự… Tuy vậy, việc thiết kế thực có hiệu mạng cảm biến không dây phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn mạng cảm biến nguồn lượng bị giới hạn nạp lại, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng toàn mạng Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, đề tài nghiên cứu phương pháp định tuyến dựa nhận thức chất lượng dịch vụ xem xét đến vấn đề hiệu sử dụng lượng mạng cảm biến không dây viết tắt “Định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm (EEQR)” thực nhằm giới thiệu cách tổng quan mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến phổ biến như: LEACH, LEACH-C, MTE, STAT- CLUSTER…, giới thiệu giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng WSN theo dạng phân cụm, đồng thời sử dụng phần mềm MATLAB để mô phương pháp định tuyến Đồ án gồm có chương: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây (WSN): đưa định nghĩa, cấu trúc mạng WSN, yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng WSN, thách thức mà mạng WSN phải đối mặt Chương 2: Định tuyến mạng cảm biến không dây: đưa vấn đề phải đối mặt định tuyến, đưa giao thức định tuyến dùng mạng cảm biến trình bày cách phân loại cách tiếp cận với vấn đề Ba loại định tuyến đưa chương giao thức trung tâm liệu, giao thức phân cấp giao thức dựa vào vị trí Chương 3: Giới thiệu giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng WSN theo dạng phân cụm (EEQR) Chương 4: Mô giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng WSN theo dạng phân cụm: Khái quát thông tin sử dụng để thiết lập mô phỏng, mô hình lượng kết mô cho giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng WSN theo dạng phân cụm Phân tích nghiên cứu vấn đề lượng, thời gian sống, liệu truyền thời gian trễ trạm gốc 45 Trong suốt trình di chuyển trạm gốc động mạng, trạm gốc động đến địa điểm di chuyển cuối cùng, gửi gói tin thông báo hoàn thành chu kỳ di chuyển đến nút mạng Tất super node nhận gói tin phản hồi việc gửi lại cho trạm gốc thông tin trọng lượng hàng đợi Sau đó, bước từ pha “chuyển tiếp trọng lượng hàng đợi đến trạm gốc động” thực lại cho chu kỳ di chuyển sau sau trạm gốc động 46 Chương - MÔ PHỎNG VÀ CÁC KẾT QUẢ Dựa mô hình hệ thống thiết kế trên, phần mô xây dựng để đánh giá hiệu giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm (EEQR) Hiệu giao thức định tuyến so sánh trường hợp sử dụng đồng thời trạm gốc động tĩnh với trường hợp sử dụng trạm gốc tĩnh trạm gốc động Các tham số định tuyến lượng truyền gói, độ trễ trung bình gói tin, tỷ lệ gói tin trung bình, lưu lượng đường truyền, thời gian sống mạng sử dụng để đánh giá hiệu giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm Phần mô tả chi tiết nội dung thiết lập mô phỏng, mô hình lượng thảo luận kết mô 4.1 Thiết lập mô Chương trình mô thực phạm vi cảm biến rộng 200x200m2 số lượng nút cảm biến thay đổi từ 20 đến 240 nút cảm biến cho thí nghiệm khác Các nút cảm biến đặt ngẫu nhiên với vị trí tọa độ (x,y) không thay đổi từ đầu đến cuối mô Một trạm gốc tĩnh đặt cố định trung tâm mạng trạm gốc động có khả di chuyển xunh quanh mạng Mô thực với chuỗi/dãy giao tiếp hai lần dãy cảm biến nút cảm biến Các tham số mô trình bày Bảng 4.1 Bảng 4.1: Các tham số mô Tham số mô Ký hiệu Giá trị Diện tích khu vực mạng S 1000 x 1000m2 Vị trí Trạm gốc tĩnh (x,y) (100,100) Số lượng nút cảm biến N 20-240 nút Bán kính phủ sóng nút Rsense 15 m Phạm vi truyền nhận Rcomm 30 m Mạng 47 Tham số mô Ký hiệu Giá trị Các Phân bổ nút cảm biến nút triển khai ngẫu nhiên Thời gian mô Stime 900 s Số lượng vòng lặp Nt 20 Năng lượng khởi tạo (J) EI 1J Các nút chết (J) ED [...]... giới thiệu giao thức định tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây (WSN) theo dạng phân cụm (EEQR) Để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các loại đường truyền khác nhau, độ ưu tiên của dữ liệu truyền dựa trên loại gói tin và nội dung tin, cũng như tối ưu hóa về hiệu quả sử dụng năng lượng và vấn đề về độ trễ truyền nhận giữa nút đầu cuối, giao thức định tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng. .. thức định tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng cảm biến không dây (WSN) theo dạng phân cụm Hiệu quả của thuật toán sẽ được so sánh với giải thuật chỉ sử dụng trạm nguồn tĩnh hoặc chỉ sử dụng trạm nguồn động, hiệu quả của thuật toán sẽ được thể hiện ở việc tăng thời gian sống của mạng, cải tiến các tham số định tuyến QoS như độ trễ, tỷ lệ mất gói tin, tỷ lệ dữ liệu nhận được Mạng cảm biến không dây. .. trên nhận thức về QoS và hiệu quả năng lượng cho mạng WSN Định tuyến QoS hiệu quả năng lượng trong mạng WSN hướng đến cả các kiến trúc mạng cơ bản cũng như các kiến trúc mới, kiến trúc phân cụm hiện đang là kiến trúc được nghiên cứu rộng rãi nhất và được xem là kiến trúc hiệu quả nhất Vì vậy, định tuyến QoS hiệu quả năng lượng trong mạng WSN cũng hướng đến kiến trúc mạng WSN phân cụm [7] Nhu cầu cần đưa... di động Nhìn chung các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di động nhiều vì khi triển khai các nút mạng thường ở các vị trí cố định Các phương thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn giản hơn so với các mạng ad-hoc khác (như MANET) 1.4 Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây Tuy rằng mạng cảm biến không dây có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu... các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp đa chặng - Sử dụng hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây 4 - Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một các tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định. .. tích hợp Trong định tuyến xử lí dữ liệu, dữ liệu được chuyển tới cho các nút tích hợp sau khi đã xử lí tối ưu Quá trình xử lí tối ưu bao gồm các nhiệm vụ như là đánh dấu, loại bỏ bản tin sao… Để thực hiện định tuyến hiệu quả năng lượng, định tuyến kết hợp thường được lựa chọn 24 Chương 3 - GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN QoS HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG WSN THEO DẠNG PHÂN CỤM (EEQR) 3.1 Giới thiệu tổng quan... liệu trong mạng cảm biến không dây được nghiên cứu và phát triển Các giao thức định tuyến đa điểm đã được sử dụng sẽ giúp làm tăng thời gian sống của mạng bằng cách sử dụng các trạm gốc động Giao thức định tuyến QoS hiệu quả năng lượng cho mạng WSN theo dạng phân cụm là một trong những đề xuất cải tiến hiệu quả trong những năm gần đây, nó giúp giải quyết các vấn đề về điểm nóng của các nút cảm biến trong... cảm biến bao gồm sự ràng buộc về dải thông và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến là phải nhằm vào việc thỏa mãn yêu cầu về lưu lượng trong khi vẫn mở rộng được thời gian sống của mạng 13 2.2 Các giao thức định tuyến tiêu biểu trong mạng cảm biến không dây Có nhiều cách phân loại các giao thức định tuyến trong WSN như: phân loại theo cấu trúc, phân loại theo hoạt động (phân. .. thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy với cấu trúc phân cấp mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng 1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây 1.3.1 Năng lượng tiêu thụ Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây thường đòi hỏi các thành phần... TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (WSN - Wireless Sensor Network) là mạng có hai chức năng: mạng và cảm nhận thông tin từ môi trường Mạng WSN có đặc điểm các nút liên kết với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp Mạng loại này có thể có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống ... 2 Chương 3: Giới thiệu giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng WSN theo dạng phân cụm (EEQR) Chương 4: Mô giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng WSN theo dạng phân cụm: Khái quát thông... viết tắt Định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm (EEQR)” thực nhằm giới thiệu cách tổng quan mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến phổ biến như: LEACH, LEACH-C,... Mô hình mạng 32 Hình 3.2: Hoạt động giao thức định tuyến QoS hiệu lượng cho mạng cảm biến không dây theo dạng phân cụm 33 Hình 3.3: Sơ đồ tương tác nút cảm biến, chủ cụm trạm