Tìm hiểu các phương pháp định tuyến tập trung dữ liệu trong mạng cảm biến không dây

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI - NGUYN THANH LM TèM HIU CC PHNG PHP NH TUYN TP TRUNG D LIU TRONG MNG CM BIN KHễNG DY LUN VN THC S CễNG NGH THễNG TIN NGI HNG DN KHOA HC: TS TRNG TH DIU LINH H NI, 2010 LI CM N Để hoàn thành luận văn nhận đợc giúp đỡ nhiều tổ chức, cá nhân Trớc hết xin gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành tới TS Trơng Thị Diệu Linh Giảng viên Bộ môn Truyền thông mạng máy tính Viện công nghệ thông tin truyền thông thuộc Trờng đại học bách khoa Hà Nội ngời tận tình hớng dẫn nghiên cứu, chỉnh lý hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo Viện công nghệ thông tin truyền thông cán Viện đào tạo sau đại học thuộc Trờng đại học bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho hoàn thành thủ tục trình bảo vệ luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới Bố Mẹ gia đình, bạn bè, ngời thân ngời quan tâm giúp đỡ, động viên hoàn thành luận văn Tác giả luận văn: Nguyễn Thanh Lâm LI CAM OAN Tụi Nguyn Thanh Lõm cam kt Lun tt nghip l cụng trỡnh nghiờn cu ca bn thõn tụi di s hng dn ca TS Trng Th Diu Linh Cỏc kt qu nờu Lun tt nghip l trung thc, khụng phi l chộp ton ca bt k cụng trỡnh no khỏc H Ni, thỏng 04 nm 2010 Tỏc gi lun Nguyn Thanh Lõm MC LC M U Chng TNG QUAN V MNG CM BIN KHễNG DY 1.1 Gii thiu v mng cm bin 1.1.1 Cỏc tham s ca mng cm bin 1.1.1.1 Giai on tin trin khai v trin khai 1.1.1.2 Giai on sau trin khai 10 1.1.1.3 Giai on trin khai li cỏc nt ph thờm 10 1.1.2 Kin trỳc mng cm bin 11 1.1.2.1 Tng vt lý 13 1.1.2.2 Tng liờn kt d liu 13 1.1.2.3 Tng mng 18 1.1.2.4 Tng giao 27 1.1.2.5 Tng ng dng 29 1.1.3 Directed Diffusion 30 1.2 Tng quan v mng cm bin khụng dõy 37 1.2.1 Gii thiu 37 1.2.2 Mng cm bin khụng dõy quy mụ ln 38 1.2.3 Cỏc thỏch thc thit k 40 1.2.4 Phn cng 42 1.2.4.1 Cỏc rng buc nng lng khụng dõy 42 1.2.4.2 c t nỳt cm bin 43 1.2.5 Truyn thụng khụng dõy 46 1.2.5.1 Liờn kt khụng dõy 46 1.2.5.2 Cht lng ng truyn 47 1.2.5.3 Tớnh toỏn so vi Truyn thụng 47 1.2.5.4 nh tuyn a im v Short Hops 48 1.2.5.5 nh tuyn Multi-hop v Long Hops 49 1.2.5.6 iu khin truy cp thit b (MAC) 49 1.2.6 Clustering nhm lm gim chi phớ truyn thụng 49 1.2.6.1 X lý In-network 50 1.2.6.2 Tng hp d liu 52 1.2.7 nh tuyn 52 1.2.8 X lý truy 54 1.2.9 Thit k ca mng cm bin khụng dõy 55 Chng PHNG PHP NH TUYN TP TRUNG D LIU TRONG MNG CM BIN KHễNG DY 57 2.1 nh tuyn trung d liu 57 2.1.1 Cỏc giao tỏc one-shot 57 2.1.2 Cỏc giao tỏc lp 59 2.2 Phng phỏp nh tuyn Directed Diffusion 61 2.2.1 Phng phỏp t tờn 62 2.2.2 Interest v Gradient 65 2.2.3 Truyn bỏ d liu 70 2.2.4 Tng cng cho quỏ trỡnh to v lc bt ng 72 2.2.4.1 Khi to ng bng cỏch s dng tng cng khng nh 72 2.2.4.2 Khi to ng cho a ngun v sink 74 2.2.4.3 Khụi phc cc b cỏc ng li 76 2.2.4.4 Loi b lp s dng tng cng ph nh 78 2.2.5 Ngt lp bng cỏch s dng tng cng ph nh 79 Chng NH GI PHNG PHP NH TUYN TRUYN TIN TRC TIP V CC Mễ PHNG 82 3.1 ỏnh giỏ bng phõn tớch 82 3.1.1 Flooding 83 3.1.2 Omniscient Multicast 84 3.1.3 Directed Diffusion 86 3.1.4 So sỏnh 87 3.2 Mụ phng 90 DANH MC CC Kí HIU, CH VIT TT P2P : Point-to-Point ID : Identification QoS : Quality of Service LAN : Local Area Network WLAN : Wireless LAN ISM : Industrial, Scientific and Medical MHz : Mega Hertz GHz : Giga Hertz kHz : kilo Hertz MAC : Media Access Control S-MAC : Sensor-MAC B-MAC : Berkeley-MAC MANET : Mobile Ad hoc Network IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers SMACS : Self-Organizing Medium Access Control for Sensor EAR : Eavesdrop-And-Register CSMA : Carrier Sense Multiple Access CDMA : Code Division Multiple Access PA : Power Available ME : Minimum Energy MH : Minimum Hop SPIN : Sensor protocol for Information via Negotiation SAR : Sequential Asignment Routing LEACH : Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy TCP : Tranmission Control Protocol UDP : User Datagram Protocol ESRT : Event-to-Sink Reliable Transport SMP : Sensor Management protocol TADAP : Task Assignment and Data Advertisement Protocol SQDDP : Sensor Query and Data Dissemination Protocol SQTL : Sensor Query and Tasking Language GPS : Global Positioning System PDA : Personal Digital Assistant WSN : Wireless Sensor Network MEMS : Micro-Electro Mechanical System MIPS : Million of Instructions Per Second SRAM : Static Random Access Memory Kbps : Kilobits per second CMOS : Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ADC : Analog-to-Digital Converter I/O : Input/Output UART : Universal Asynchronous Receiver/Transmiter RAM : Random Access Memory SNR : Signal to Noise Ratio RF : Radio Frequency SQL : Structure Query Language ACQUIRE : Active Query forwarding In sensoR nEtworks NS : Network Simulator DANH MC CC BNG BIU Bng 1.1 Di tn s dnh cho cỏc ng dng ISM 11 Bng 1.2 Phõn loi cỏc giao thc MAC 14 83 Hỡnh 3.1 Mt vớ d v li hỡnh vuụng 3.1.1 Flooding Trong mụ hỡnh Flooding, cỏc ngun flood tt c cỏc s kin ti mi nt mng Flooding l mt trng hp i lp v bn cht i vi Directed Diffusion Trong ỏnh giỏ phõn tớch, c lng v hiu nng l tng chi phớ truyn v nhn mt s ki t mi ngun ti mi sink Tụi nh ngha chi phớ l mt n v truyn thụng ip, v mt n v nhn thụng ip Nhng gi nh ny rừ rng l lý tng theo hai cỏch Chi phớ truyn v nhn cú th khụng ging nhau, v cú th cú n v o khỏc (metric) cho interest Tuy nhiờn, c hai chi phớ thng l cựng mt di ln Nhng gi nh ny s khụng nh hng ti kt qu t c Theo c lng ny, chi phớ ca flooding, ký kiu l Cf(N, n, m, dn, dm), hoc n gin l Cf c cho bi: 84 (3.1) Trong ú (3.2) (3.3) Do ú, (3.4) Chi phớ truyn Ctx,f flood n s kin (mi mt s kin t mt ngun) l nN bi vỡ mi nt ch gi mt a ch MAC qung bỏ cho mt s kin Ngc li mi nt cú th nhn cựng mt s kin t tt c cỏc hng xúm Bi vy, chi phớ nhn Crx,f cho n s kin ú l bng 2n ln s lng ng truyn mng Chi phớ phỏt tỏn d liu cho flooding l O(nN) cao hn chi phớ ca cỏc mụ hỡnh khỏc (c trỡnh by cỏc mc sau õy) 3.1.2 Omniscient Multicast Trong mụ hỡnh omniscient multicast, mi ngun truyn cỏc s kin ca nú theo mt cõy multicast cú ng i ngn nht ti tt c cỏc sink Trong phõn tớch ca tụi, cng nh mụ phng Mc 3.2, tụi khụng cp n chi phớ xõy dng cõy Omniscient multicast ch hiu nng tt nht cú th t c mt mng cm bin nn-IP m khụng cp n s tiờu th ti nguyờn h thng (overhead) Tụi s dng mụ hỡnh ny ch rng bng trc giỏc, s la chn k thut x lý trong-mng (in-network) nh hng th no n hiu nng 85 Vi omniscient multicast, chi phớ phõn tỏn d liu c xỏc nh bng hai ln s liờn kt trờn cỏc cõy ng i ngn nht c trng-ngun ca nú Tuy nhiờn, c s li n gin ny, cng cú nhiu ng i ngn nht cho mi cp ngun-sink Tụi la chn ng i ngn nht bng cỏch s dng quy tc deterministic n gin T mt sink ti ngun, mt liờn kt chộo luụn l im n tip theo cho n nú dn ti ng i ngn nht Ngc li, liờn kt ngang s c la chn Quy tc chn-ng ny c lp li cho n ti c ngun Bi vy, khụng ng i ngn nht no cha cỏc liờn kt dc Vớ d, nu ta ký hiu cõy ng i ngn nht cú gc l ngun j l Tj, thỡ s liờn kt trờn T1 cú hai thnh phn: s liờn kt ngang LH(T1) v liờn kt chộo LD(T1) C th, (3.5) (3.6) La chn khỏc cú th cú chi phớ khỏc, vỡ s lng liờn kt chia s trờn cõy cú th l khỏc Chi phớ ca omniscient multicast Co l tng chi phớ ca n cõy, mi cõy cú gc l mt ngun Nu ta ký hiu C(Tj) l chi phớ truyn mt s kin t ngun j, thnh ta cú th din t chi phớ ny theo khỏi nim T1 nh sau: (3.7) c dch l chi phớ truyn v nhn dc theo cõy c to thnh bng cỏch loi b, t Tj, nhng liờn kt chung cho c Tj v Tk Hn na, d trỡnh by, cú th c din t l tng ca hai chi phớ: chi phớ truyn v nhn theo cỏc liờn kt ngang liờn kt chộo , v chi phớ tng t theo cỏc C th, (3.8) 86 (3.9) Ta cú Co nh sau: (3.10) Trong ú, (3.11) (3.12) (3.13) Chi phớ phỏt tỏn d liu ca omniscient multicast Co gii hn bi vi 3.1.3 Directed Diffusion Phõn tớch diffusion thc hin theo cựng mt ng ging nh omniscient multicast n gin húa phõn tớch, gi nh rng cõy m cỏc thut toỏn cc b ca diffusion to nờn l hp ca cỏc cõy ng i ngn nht cú gc l mi ngun Gi nh ny khỏ hp lý mng hot ng mc ti thp Hn na, diffusion la chn mt s nhiu ng i ngn nht sn cú theo quy tc sau: t sink ti ngun, liờn kt chộo luụn l im n tip theo cho n nú to ng ngn nht ti ngun; ngc li, liờn kt ngang s c la chn Quy tc ny cng ging vi quy tc s dng omniscient multicast 87 Mc dự s dng cựng mt mụ hỡnh la chn ng nhng chi phớ ca diffusion Cd khỏc vi ca omniscient multicast, bi vic x lý d liu mcng dng c bit, nu tt c cỏc ngun gi nhng c lng v trớ mc tiờu ging nhau, thỡ diffusion cú th thc hin vic loi b trựng lp mc-ng dng, chi phớ phỏt tỏn d liu ca diffusion bng hai ln s lng liờn kt hp ca tt c cỏc cõy ng i ngn nht cú gc l cỏc ngun Do ú, (3.14) Trong ú (3.15) (3.16) Tng t nh Co, gii hn ca Cd l vi 3.1.4 So sỏnh Chi phớ phỏt tỏn d liu ca flooding Cf l ln hn nhiu so vi omniscient multicast Co Tuy nhiờn, Co cao hn chi phớ ca diffusion Cd 88 bi vỡ v xỏc thc lp lun ny, chi phớ phỏt tỏn d liu (c chun húa bng kớch thc mng) ca Directed diffusion v Omniscient multicast c th hin bng ng du chm bng cỏch s dng cỏc tham s khỏc (vớ d, N, m, v n) Khi s lng ngun v sink tng (Hỡnh 3.2(a) v 3.2(b)), chi phớ tit kim c bi x lý in-network (vớ d, loi b lp) ca diffusion tr thnh hin nhiờn (Cd tng vi tc chm hn so vi Co) (a) Tỏc ng ca s lng sink 89 (b) Tỏc ng ca s lng ngun 90 (c) Tỏc ng ca kớch thc mng Hỡnh 3.2 Tỏc ng ca nhiu tham s 3.2 Mụ phng Network simulator (NS) l mt phn mm mụ phng mng vi phiờn bn ph bin ns-2 NS l mt nhng cụng c tt nht mụ phng nh tuyn, cỏc giao thc multicast, cng nh nghiờn cu mt s mng v tinh, khụng dõy, v mng ad hoc Nú l mt cụng c phớ trờn mng Internet ti a ch http://www.isi.edu/nsnam/ns/ bao gm cỏc ng dng, cỏc ti liu liờn quan v mt din n cho cỏc nh nghiờn cu NS ch yu chy trờn mụi trng Linux, nhng nú cú th chy c trờn Windows qua mụi trng trung gian l Cygwin cng l phớ trờn Internet 91 NS s dng hai ngụn ng lp trỡnh to nờn cỏc chng trỡnh hoc d ỏn mụ phng Trong C++ c s dng vit mó cho thut toỏn v giao thc, thỡ Otcl ch yu c s dng thit k giao din v cu hỡnh Hn na, b TclCL NS hot ng nh mt b liờn kt gia cỏc kch bn Otcl v mó C++ Vic kt hp hai ngụn ng giỳp cho NS hot ng hiu qu hn v cỏc lp trỡnh viờn cú th to cỏc ng dng, chng trỡnh d dng hn Hỡnh 3.3 Hai ngụn ng v b liờn kt NS Bờn cnh ú, NS cũn cung cp mt cụng c gi l NAM cho ngi dựng cú th nhỡn thy cỏc thit k ca h chy nh th no bng mt thng 92 Hỡnh 3.4 Vớ d v cụng c NAM NS Tt c cỏc hot ng tin trỡnh mụ phng c lu du vt v lu vo mt c gi l vt Vớ d, vi mt mụ phng v mt giao thc, tt c cỏc thụng tin v nt cm bin mng nh nng lng ca cỏc nt, v trớ ca chỳng, vic phỏt tỏn cỏc gúi tin trờn mng s c lu chi tit ti hng mi li giõy vo vt Di õy l mt on vt vớ d: s -t 0.267662078 -Hs -Hd -1 -Ni -Nx 5.00 -Ny 2.00 -Nz 0.00 Ne -1.000000 -Nl RTR -Nw - -Ma -Md -Ms -Mt -Is 0.255 -Id -1.255 It message -Il 32 -If -Ii Iv 32 s -t 1.511681090 -Hs -Hd -1 -Ni -Nx 390.00 -Ny 385.00 -Nz 0.00 Ne -1.000000 -Nl RTR -Nw - -Ma -Md -Ms -Mt -Is 1.255 -Id -1.255 It message -Il 32 -If -Ii Iv 32 s -t 10.000000000 -Hs -Hd -2 -Ni -Nx 5.00 -Ny 2.00 -Nz 0.00 Ne -1.000000 -Nl AGT -Nw - -Ma -Md -Ms -Mt -Is 0.0 -Id 1.0 -It tcp -Il 1000 If -Ii -Iv 32 Pn tcp -Ps -Pa -Pf -Po r -t 10.000000000 -Hs -Hd -2 -Ni -Nx 5.00 -Ny 2.00 -Nz 0.00 Ne -1.000000 -Nl RTR -Nw - -Ma -Md -Ms -Mt 93 -Is 0.0 -Id 1.0 -It tcp -Il 1000 If -Ii -Iv 32 Pn tcp -Ps -Pa -Pf -Po r -t 100.004776054 -Hs -Hd -Ni -Nx 25.05 -Ny 20.05 -Nz 0.00 Ne -1.000000 -Nl AGT -Nw - -Ma a2 -Md -Ms Mt 800 -Is 0.0 -Id 1.0 It tcp -Il 1020 -If -Ii 21 -Iv 32 -Pn tcp -Ps -Pa -Pf -Po s -t 100.004776054 -Hs -Hd -2 -Ni -Nx 25.05 -Ny 20.05 -Nz 0.00 Ne -1.000000 -Nl AGT -Nw - -Ma -Md -Ms -Mt -Is 1.0 -Id 0.0 -It ack -Il 40 -If -Ii 22 -Iv 32 -Pn tcp -Ps -Pa -Pf -Po Trong ú, cỏc ký hiu s, f, r, d biu th cho cỏc hot ng gi (send), truyn i (forward), nhn (receive), loi b gúi tin (drop) t 0.267662078: thi gian Ne 1.000000: Nng lng ca nt cm bin cũn li ti thi im hin ti Trờn Internet, cú nhiu cụng c phớ cho vic phõn tớch kt qu mụ phng nh GREP, AWK, TraceGraph Nhng cụng c ny giỳp ngi dựng trớch chn nhng thụng tin hu ớch t ton b d liu vt Vớ d, ngi dựng cú th ly thụng tin v mt giao thc nh tuyn t vt ca mụ phng nh s lng cỏc gúi tin b loi b Thụng tin trớch chn cú th dng ký t (text) hoc Ngoi ra, ngi dựng cú th t to mt chng trỡnh trớch chn bng cỏc ngụn ng nh C++, Java to cỏc bỏo cỏo v kt qu mụ phng vt 94 Hỡnh 3.5 Thng kờ trớch chn t vt mụ phng bng cụng c TraceGraph 95 KT LUN V KIN NGH Vi nhng kt qu t c nghiờn cu lý thuyt, c lng v mụ phng bng cụng c NS-2, tỏc gi lun cho rng nú cú nhng ý ngha nht nh i vi vic nghiờn cu v ng dng vo nhng lnh vc c th ca i sng nh y hc, mụi trng, quõn s Cỏc cụng ngh vi mch in t ngy cng phỏt trin v vic sn xut cỏc thit b cm bin khụng dõy giỏ thnh thp, cú kớch thc nh ngy cng tr nờn d dng Cụng ngh ny s sm c ỏp dng ti Vit Nam v ú s rt thun li trin khai mng cm bin khụng dõy, vớ d bnh vin vi ng dng theo dừi sc khe bnh nhõn, kim soỏt tỡnh trng mụi trng sng, phũng chng chỏy rng Tỏc gi lun hy vng rng tng lai khụng xa nhng nghiờn cu nh ny s gúp phn khụng nh vo vic ng dng cụng ngh mi ny vo thc t Vit Nam cú th theo kp s phỏt trin v cụng ngh truyn thụng trờn th gii 96 TI LIU THAM KHO [RF01] E Shih, S Cho, N Ickes, R Min, A Sinha, A Wang and A Chandrakasan, Physical layer driven protocol and algorithm design for energy-efficient wireless sensor networks, in Proc ACM MobiCom01, Rome, July 2001, pp 272286 [RF02] K Sohrabi, J Gao, V Ailawadhi and G.J Pottie, Protocols for self-organization of a wireless sensor network, IEEE Person Commun., October 2000, pp 1627 [RF03] A Woo and D Culler, A transmission control scheme for media access in sensor networks, in Proc ACM MobiCom01, Rome, July 2001, pp 221235 [RF04] Yong-Bae Ko and Nitin H Vaidya Location-Aided Routing (LAR) in Mobile Ad Hoc Networks In Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (Mobicom98), pages 6675, Dallas, TX, October 1998 [RF05] B Karp and H.T Kung Greedy perimeter stateless routing for wireless networks In Proceedings of the Sixth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (Mobicom 2000), pages 243254, Boston, Massachusetts, August 2000 [RF06] Daniel A Coffin, Daniel J Van Hook, Stephen M McGarry, and Stephen R Kolek Declarative ad-hoc sensor networking In Proceedings of the SPIE Integrated Command Environments Conference, pages 109120, San Diego, California, USA, July 2000 SPIE (part of SPIE International Symposium on Optical Science and Technology) 97 [RF07] Yan Yu, Ramesh Govindan, and Deborah Estrin Geographical and energy aware routing: A recursive data dissemination protocol for wireless sensor networks Technical Report UCLA/CSD-TR-01-0023, UCLA, May 2001 ... 1.2.9 Thit k ca mng cm bin khụng dõy 55 Chng PHNG PHP NH TUYN TP TRUNG D LIU TRONG MNG CM BIN KHễNG DY 57 2.1 nh tuyn trung d liu 57 2.1.1 Cỏc giao tỏc one-shot 57 2.1.2... thụng tin v gi li cho B trung (sink) v ngi dựng cui D liu c gi li ngi dựng cui bi mt kin trỳc phi h tng (infrastructureless) a im (multihop) qua B trung, nh th hin Hỡnh 1.2 B trung cú th giao tip... nghiờn cu - i tng nghiờn cu: Mng cm bin khụng dõy v cỏc phng phỏp nh tuyn trung d liu - Phm vi nghiờn cu: Mt s phng thc nh tuyn trung d liu, c bit phng thc Directed Diffusion Kt cu ca lun Ngoi Phn