Đồ án phân tuyến trong mạng WSN

Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - MỤC LỤC CHƯƠNG I: Tổng quan mạng cảm nhận không dây 1.1 Giới thiệu 1.2 Khái niệm , ứng dụng mạng WSN .3 1.3 Cấu tạo nút mạng 1.3.1 Phần cứng .5 1.3.2 Phần mềm 1.4 Quản lý lượng thiết bị 1.4.1 Chế độ hoạt động lượng tiêu thụ .8 1.4.2 Tiết kiệm lượng vi điều khiển 1.4.3 Tiết kiệm lượng nhớ 1.4.4 Tiết kiệm lượng truyền nhận vô tuyến 1.4.5 Tiết kiệm lượng cảm biến 1.4.6 Mối liên hệ việc tiền xử lý truyền – nhận liệu 1.5 Chế độ hoạt động tiếp kiệm lượng 1.6 Kiến trúc mạng 1.6.1 Mơ 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 Mơ 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 trường 17 CHƯƠNG 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 Mơ 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 CHƯƠNG 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 Nhược điểm 44 3.3 Leach-C: thành lập cụm trạm sở 44 3.4 Leach-F: nhóm cố định, luân phiên cluster-head 45 CHƯƠNG IV: Phân tích mơ 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 lượng 52 4.4.4 Nút bắt đầu lượng không cân 58 4.4.5 Mở rộng kích cỡ mạng lưới 58 4.4.6 Gia tăng lượng nút 59 4.5 Tóm tắt 59 Chương V: Kết luận dự kiến tương lai 61 5.1 Thu kết 61 5.2 Dự kiến tương lai 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .63 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - CHƯƠNG I: Tổng quan mạng cảm nhận không dây 1.1 Giới thiệu Trong năm gần đây, nhiều mạng cảm nhận không dây phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác như: theo dõi thay đổi mơi trường, khí hậu, giám sát mặt trận quân sự, phát thám việc cơng hạt nhân, sinh học hố học, chuẩn đốn hỏng hóc máy móc, thiết bị, theo dấu giám sát bác sỹ, bệnh nhân quản lý thuốc bệnh viên, theo dõi điều khiển giao thông, phương tiện xe cộ Hơn với tiến công nghệ gần hội tụ hệ thống công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp khơng dây, cơng nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý tính tốn tín hiệu tạo cảm biến có kích thước 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 lượng ít, giao tiếp thơng qua kết nối khơng dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính tốn nhằm mục đích thu thập, tập trung liệu để đưa định tồn cục mơi trường 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 khơng dây, nguồn ni Kích thước cảm biến thay đổi từ to hộp giấy nhỏ 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 lượng chúng Các nút cảm biến yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn nói chung khơng thể thay nguồn cung cấp Do đó, mạng truyền thông tập trung vào đạt dịch vụ chất lượng cao, giao thức mạng cảm nhận phải tập trung vào bảo tồn cơng suất Mạng cảm biến có số đặc điểm sau: + Có khả tự tổ chức + u cầu hoăc khơng có can thiệp người + Truyền thông vô tuyến truyền đa bước + Triển khai số lượng lớn phạm vi rộng + Năng lượng, nhớ, khả xử lý có hạn + Cấu hình thường xun thay đổi môi trương nút mạng + Quảng bá phạm vi hẹp định tuyến multihop Các giới hạn mặt lượng, công suất phát, nhớ công suất tính tốn Chính đặc tính đưa chiến lược 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 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 trường xung quanh nút mạng Đn2:Mạng cảm nhận không dây(WSN) mạng sử dụng phương thức truyền nhận sóng Radio mà nút mạng 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 như: * Quân sự: Dựa ưu điểm triển khai nhanh chóng ( Dải từ máy bay), với khả tự cấu hình lại có nút bị hỏng đưa mạng cảm nhận khơng dây trở thành ứng dụng hữu ích chiến trường Chủ yếu là: theo dõi lực lượng, trang bị, hướng di chuyển, phát giám sát mục tiêu, dấu hiệu vũ khí nguyên tử, sinh học * Môi trường: ứng dụng phổ biến mạng cảm nhận không dây bao gồm: theo dõi xuất di chuyển động vật, theo dõi nhiệt độ, mức nước, 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 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 vị trí họ bệnh viện Hình 1.3: Ứng dụng y tế Mạng cảm nhận không dây có nhiều ứng dụng hầu hết ưng dụng thuộc ba dạng: thu thập liệu môi trường, giám sát an ninh, theo dõi đối tượng 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 chương trình nút + Bộ nhớ: Lưu trữ chương trình liêu, nhớ chương trình nhớ liệu thường tách biệt tuân theo kiến trúc havard + Cảm biến: tương tác với môi trường vật lý để theo dõi điều khiển thống số môi trường + Thiết bị giao tiếp: Thiết bị cung cấp khả truyền – nhận liệu nút qua kênh vô tuyến + Nguồn: Thường xử dụng pin với lượng có hạn, số ứng dụng lượng bổ xung mơi trường ( sử dụng pin mặt trời) Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Hình 1.4: Các thành phần nút mạng thông thường Một số loại nút mạng: Hình 1.5 Nút mạng thuộc họ Mica Mote Họ nút mạng nằm dự án nghiên cứu trường 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 lượng 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 vơ 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 trước gửi đi, nhận liệu từ nút khác Nguyên nhân lựa chọn hệ thống nhúng mềm dẻo kết nối với thiết bị khác thiết bị cảm biến, tiêu thụ lượng thấp nhờ khả chuyển sang chế độ ngủ có phần vi điều khiển hoạt động, thường có nhớ tích hợp vi xử lý Một đặc điểm người lập trình u thích khả lập trình ngôn ngữ bậc cao (C, C++) Bởi xây dựng nút mạng việc xem xét hiệu suất vi xử lý, hiệu lượng giá thành quan trọng 1.3.1.2 Bộ nhớ Được sử dụng để lưu 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 chương trình tách biệt liệu thường chứa RAM cịn chương trình chứa ROM nhớ FLASH, kiến trúc von newman liệu chương trình lưu với nhau, thường RAM, nhược điểm liệu bị tắt nguồn, chương trình hệ điều hành thường lưu trữ ROM, EEPROM, nhớ flash ( gần tương tự EEPROM) Yêu cầu kích thước nhớ lượng tiêu thụ tương ứng với yêu cầu liệu ứng dụng nút mạng 1.3.1.3 Thiết bị giao tiếp Là thiết bị sử dụng để trao đổi liệu nút đơn với nhau, mơi trường khơng dây ưa dùng cả, sóng vơ tuyến, truyền thơng quang, sóng siêu âm, từ trường sử dụng vài ứng dụng đặc biệt Trong sóng vơ tuyến cung cấp dải thông lớn với tốc độ liệu cao phù hợp cho hầu hết ứng dụng mạng khơng dây Trong nút u cầu chức nhận truyền liệu (điều chế, giải điều chế, khuếch đại, lọc, trộn …) sau chuyển luồng bit, byte khung thành sóng vơ tuyến, thơng thường thiết bị thường kết hợp thành thiết bị nhất, thường thời điểm thực đồng thời vừa truyền vừa nhận liệu, mà truyền nhận luân phiên điều khiển hệ điều hành nhúng Khi lựa chọn thiết bị truyền nhận cần lưu ý vài đặc điểm sau: -Khả phục vụ cho lớp (MAC), cho phép lớp điều khiển gói liệu -Tiết kiệm lượng sử dụng lượng hiệu lượng 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 tương 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 tương ứng, thường dựa vào kiểu hoạt động cảm biến, tích cựcthụ động, phạm vi giám sát … lượng tiêu thụ, giá thành kích thước Thường việc lựa chọn cảm biến không phức tạp nhớ vi xử lý 1.3.1.5 Nguồn nuôi Là thành phần cốt yếu mạng cảm nhận, vấn đề cần quan tâm khả lưu trữ cung cấp lượng, khả thay nguồn.Thường nguồn thường 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 trường hoạt động 1.3.2 Phần mềm Hệ điều hành nhúng, điều khiển bảo vệ truy cập tài nguyên quản lý cho phép phép người dùng 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 hệ điều hành hoàn thiện Hơn hệ điều hành cho mạng cảm nhận khơng dây cịn hỗ trợ tùy chọn cho thống, điển hình quản lý sử dụng lượng 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 lượng mà không tốn nhiều tài nguyên hệ thống nhớ thời gian xử lý 1.4 Quản lý lượng thiết bị 1.4.1 Chế độ hoạt động lượng tiêu thụ Như phần trình bày lượng mạng cảm nhận khơng dây vấn đề đặc biệt quan trọng điều khiển tiết kiệm lượng vấn đề quan tâm, lượng 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 lượng 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 lượng vi điều khiển Phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ chế tạo nhà sản xuất chương trình ứng dụng chạy vi điều khiển, bao gồm điều khiển chế độ hoạt động tốc độ xử lý vi điều khiển tương ứng với yêu cầu liệu cần xử lý, thuật toán xử lý ứng dụng giảm đáng kể số phép toán cần thực 1.4.3 Tiết kiệm lượng nhớ Bộ nhớ phổ biến mạng cảm nhận thường Flash RAM, thực tế lượng tiêu thụ nhớ tương ứng với lượng tiêu thụ vi điểu khiển thời gian đọc liệu lượng tiêu thụ tương ứng với loại nhớ, thời gian ghi Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - lượng tiêu thụ lúc ghi phức tạp chút cịn phụ thuộc vào loại liệu 1.4.4 Tiết kiệm lượng truyền nhận vô tuyến Đây hoạt động tiêu tốn nhiều lượng mạng cảm nhận, tương tự vi điều khiển truyền nhận vơ tuyến hoạt động chế độ khác (bật – tắt) chế độ tắt chiếm đa số thời gian, hoạt động kích hoạt tiết kiệm đáng kể lượng Trong chế độ truyền phần lượng sử dụng để phát sóng vơ tuyến, phụ thuộc chủ yếu vào loại điều chế, khoảng cách truyền, kĩ thuật lọc, đồng tần số Tương tự chế độ truyền, chế độ nhận chuyển trạng thái tắt - bật, thường chế độ truyền nhận sử dụng đan xen nhau, ví dụ thí nghiệm khóa luận truyền nhận 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 lượng cảm biến Đây vấn đề quan trọng cần quan tâm tiết kiệm lượng 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 qt lượng tiêu thụ vi xử lý truyền nhận liệu câu hỏi đặt là: kết hợp việc xử lý liệu truyền liệu để tiết kiệm lượng ? Ví dụ: liệu mà ta nhận nút mạng thường dạng thô, ta gửi liệu trạm gốc mà khơng xử lý trước kích thước liệu lớn, kéo theo loạt nút khác phải truyền – nhận lượng liệu lớn dẫn tới tiêu tốn nhiều nút Kết lượng tiêu thụ truyền liệu chưa xử lý lớn nhiều lượng mà nút sử dụng để xử lý liệu thô trước truyền Việc lựa chọn có xử lý liệu thơ trước truyền hay không thường dựa loại ứng dụng (loại liệu), kích thước mạng, phương pháp tiền xử lý thường sử dụng mạng có kích thước lớn 1.5 Chế độ hoạt động tiếp kiệm lượng Việc đưa thành phần vào trạng thái ngủ hay giảm hiệu suất nút mạng cách lựa chọn phương pháp điều chế mã hóa để tăng hiệu sử dụng lượng Quá trình điều khiển hệ điều hành sử dụng ngăn xếp chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác, gọi toán quản lý lượng động, phức tạp phương pháp phải xem xét lượng thời gian để thiết bị chuyển đổi trạng thái, cải tiến thuật toán dựa xác xuất kiện xảy tương lai 1.6 Kiến trúc mạng Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - 1.6.1 Mơ hình mạng 1.6.1.1 Nút sở nút nguồn Trong phần trước ta có tìm hiểu qua vài kiểu đối tượng 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, thường có loại nút sở: nút mạng tương tự nút khác với loại nút sở thường dùng để nhận liệu sau chuyển tới PC để xử lý, loại nút sở thứ thiết bị cầm tay PDA sử dụng để tương tác với mạng cảm nhận, loại thứ nút cảm nhận 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 bước mạng đa bước Mạng đơn bước đơn giản từ nút ta gửi liệu trực tiếp nút sở, mạng loại thường mạng nhỏ, thông thường trường hợp mạng đơn bước coi trường hợp đặc biệt mạng đa bước xem xét phạm vi nhỏ Trong trường hợp phạm vi lớn liệu gửi trực tiếp từ nút nút sở liệu gửi qua nút trung gian trước tới nút sở, ta gọi truyền đa bước Đơi khơng phải khơng thể truyền trực tiếp từ nút tới nút sở mà người ta dùng nút trung gian, dùng nút trung gian để giảm công suất chia tiêu tán lượng nút 10 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Simulation Results : Các kết mơ Analysis : Phân tích NAM Network Animator : Minh họa mạng NAM Trong hình trên, NS lag biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng, bao gồm đối tượng : lập lịch sụ kiện, đối tượng thành phần mạng mô đun trợ giúp thiết lập mạng ( hay mô đun Plumbing) Để sử dụng NS2, người dùng lập trình ngơn ngữ kịch Otcl Người dùng thêm mã nguồn Otcl vào NS2 cách viết lớp đối tượng Otcl Những lớp biên dịch với mã nguồn gốc Kịch Otcl thực việc sau : + Khởi tạo lập lich kiện + Thiết lập mơ hình mạng dùng đối tượng thành phần mạng + Báo cho nguôn traffic bắt đầu truyền ngưng truyền packet lập lịch kiện Thuật ngữ plumbing dùng để việc thiết lập mạng, thiết lập mạng nghĩa xây dựng đường liệu đối tượng mạng cách thiết lập trỏ “neighbour” cho đối tượng để đến địa đối tượng tương 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 tượng 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 mơ Phụ thuộc vào mục đích sử dụng người sử dụng kịch mơ Otcl mà kết mơ lưu trữ file trace Định dạng file trace tải vào ứng dụng khác để thực phân tích : + File nam trace (file.nam) dùng cho công cụ minh họa mạng NAM + File trace (file.tr) 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 mơ khác vật cần phải làm : + Trên mặt, mô chi tiết giao thức đòi hỏi hệ thống lập trình ngơn 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 mơ phỏng, tìm thấy lỗi, sửa chữa lỗi, recompile, chạy lại) quan trọng + Mặt khác, phần lớn mạng lưới nghiên cứu khác tham số cấu hình, cách nhanh chóng khai thác số lượng kịch Trong trường hợp này, thời gian lặp lại (thay đổi mơ hình chạy lại) quan trọng Từ cấu hình chạy lần (vào đầu mơ 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, chậm để thay đổi, làm cho thích hợp cho việc triển khai thực chi tiết giao thức OTcl chạy chậm thay đổi nhanh chóng (và lặp lại), làm cho lý tưởng cho mơ cấu hình NS (thông qua tclcl) cung cấp cấu kết nối để làm cho đối tượng biến xuất hai ngơn ngữ Hình 4,3: Cơ cấu tổ chức thư mục NS 4.2 Mã MIT Hình 4.4: Kiến trúc MIT Để sử dụng MIT, từ nguồn lực đối tượng 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 thư mục mit / RCA bao gồm: nsranode.tcl, rcagent [Cc, h], RCA-ll [Cc, h], resource [cc, h], energy [cc, h] Các tập tin giao thức phân tuyến nằm thư 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 thước mạng : 100m x 100m Địa điểm trạm sở: (50,50) Chiều cao ăng ten mặt đất: 1,5m Kích thước liệu: 500byte Hình 4.5: 100 nút mạng ngẫu nhiên 4.4 Chạy mô Dưới biến môi trường phải đặt: RCA_LIBRARY = mit / RCA uAMPS_LIBRARY = mit / uAMPS Mỗi giao thức phân tuyến 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 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 cho tất giao thức phân tuyến (ví dụ như, kênh băng thơng, kích thước tín hiệu liệu, vv) Bảng hiển thị danh sách tham số đặt đầu mơ + -sc nodescen: tập tin có chứa địa điểm node + RP-Leach: giao thức phân tuyến + -x 100: kích cỡ x mạng lưới + -y 100: kích cỡ y mạng lưới + nn-101: số nút (bao gồm nút sở ) + 600 : chiều dài mô (trong giây) + -eq_energy 1: tất nút bắt đầu với lượng ( : tất nút bắt đầu với lượng băng ngược lại) + -init_energy 2: số lượng lượng ban đầu (J) + -Topo leach_topo: ban đầu tên Topo + -filename leach_file: tên tập tin đầu số liệu thống kê + -dirname leach_dir: thư mục cho tập tin đầu số liệu thống kê + -num_clusters 5: số lượng 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 lượng 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 vịng thứ 53 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Hình 4.8: Leach tạo hai cụm vịng 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 tách biệt có thời gian + Leach: Q trình tạo cụm ngẫu nhiên Từ hình 4,6 4,7, thấy đơi Leach tạo số cụm nhiều thiết lập ban đầu + Leach-C: q trình tạo cụm ln ln tương đương với giá trị ban đầu trình thiết lập mơ q trình + STAT_CLUS: Q trình cụm deviding xảy thời gian, ổn định đồng 4.4.2.2 Kết mô giao thức Đối với người tiến hành mô , nút nên bắt đầu với mức lượng J không giới hạn số lượng liệu để gửi cho trạm sở Hình 4.11: Tổng số nút sống qua thời gian mô (năng lượng 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 tốn separates cluster stat-cluschỉ có thời gian Nếu nút đứng đầu nhóm xa trạm sở , lượng tiêu thụ để gửi liệu cho trạm sở lớn Hình 4.12: Tổng số lượng tiêu thụ theo thời gian 100s trước tiên, ba giao thức tiêu thụ lượng Kể từ Leach tiêu thu lượng nhiều Leach-C Leach-C tiêu thụ lượng Với stat-clus, đời sống mạng lưới ngắn, chế tách cụm có thời gian Hình 4.13: Dữ liệu / lượng lệ Tỉ lệ liệu/ lượng Leach khoảng: 400bytes/J, Leach-C khoảng: 170bytes/J Vì vậy, Leach-C thể lợi cách sử dụng mức lượng thấp để gửi liệu cho trạm sở Vì trạm sở tồn 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 u cầu lượng cho liệu truyền Ngoài ra, trạm sở hình thành thuật tốn đảm bảo có k = cụm vịng thời gian hoạt động Vì có 100 nút mơ phỏng, dự kiến số lượng cho cụm tròn k = Leach, vịng khơng phải lúc có cụm Vì vậy, sở thuật tốn, mà ln ln 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 / lượng lệ với trạm sở (x = 50, y = 300) Bảng 4.1 Hiệu suất giao thức khác trạm sở đa dạng Địa điểm/ khoảng cách Protocol Năng lượng/ trung tâm mạng liệu (bytes/J) x=50, y=50 LEACH 225 LEACH-C 300 0m x=50, y=175 LEACH 170 LEACH-C 400 125m x=50, y=300 LEACH 25 LEACH-C 240 250m Như 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 lượng tất giao thức, tổng số lượng liệu cung cấp (và hệ thống tổng số đời) ngắn nhiều so với phương pháp tiếp cận khác Khác trước đây, stat cluster gửi số lượng lớn liệu đến trạm sở nút cluster-head stat cluster hạn chế việc sử dụng lượng cách nhanh chóng, kết thúc thơng tin liên lạc tất nút cụm 57 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - 4.4.4 Nút bắt đầu lượng khơng cân Hình 4,15: Tổng số nút bắt đầu lượng không cân Khi số nút có lượng cao, tuổi thọ mạng lưới kéo dài Khi đó, thuật tốn viết để nút lựa chọn cụm priorly-head 4.4.5 Mở rộng kích cỡ mạng lưới Hình 4,16: Vịng đời mạng lưới kích cỡ mạng lưới mở rộng Khi kích cỡ mạng lưới tăng lên, làm tuổi thọ giảm Bởi thơng tin liên lạc nút nhóm clster-head trạm sở xa Leach-C nút chết giảm xuống thường xuyên ổn định suốt thời gian hoạt động Leach 58 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - 4.4.6 Gia tăng lượng nút Hình 4,17: Vịng đời mạng tăng lượng nút + Vòng đời mạng lưới tăng + Với Leach , vòng đời nút Leach-C 4.5 Tóm tắt Từ kết mơ phỏng, chúng tơi nhận thấy Leach-C có lợi tất lĩnh vực Leach-C cung cấp thêm liệu hiệu Leach viêc hình thành nhóm tốn thuật tốn tập trung sử dụng mạng lưới thơng tin vào biểu mẫu Topology có u cầu lượng 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 lượng cho phương pháp tiếp cận thơng tin từ hình thức nút phải truyền vào trạm sở đầu vòng Đối với Leach, lượng khởi động bao gồm lượng 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 lượng thơng điệp nhỏ có chứa vị trí nút lượng 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 lượng tiêu thụ chung, Leach-C nhiều lượng hiệu hơn-Leach tập trung thuật tốn xác định tốt so với thuật toán phân tán Tương tự, Leach-F thực tốt, giao thức điều chỉnh điều kiện mới, chẳng hạn nút thêm vào mạng nút di động Vì vậy, giao thức khơng thích ứng với thử nghiệm triển khai mạng WSN Stat-clus cung cấp liệu cho đơn vị lượng tất giao thức, tổng số đời hệ thống ngắn nhiều với phương pháp tiếp cận khác Stat-clus gửi số lượng 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 lượng cách nhanh chóng, kết thúc thông tin liên lạc tất nút cụm 60 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - Chương V: Kết luận dự kiến tương lai – điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô giáo khoa Công nghệ thơng tin - Trường Đại học dân lập Hải Phịng nhiệt tình giảng dạy cung cấp kiến thức q báu để em hồn 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 cịn nhiều hạn chế Cho nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong góp ý quý báu tất thầy cô giáo bạn để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 5.1 Thu 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 tốn điển hình Thực thành cơng mơ 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 khơng chuyển động Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng thu thập liệu môi trường nơi mà BS nút cảm biến cần phải di động Vì vậy, cần phải nghiên cứu thuật tốn phân tuyến xử lý Topology thay đổi ngưỡng lượng môi trường Khi nhận tất liệu nút tương quan với nhau, sử dụng giao thức phân tuyến để tiết kiệm lượng tổng số mạng Bởi tương quan liệu, liệu đến từ cảm ứng xa tổng hợp lại với Tuy nhiên, với mạng lưới khơng quy mơ lớn mà thảo luận cảm biến cho mạng lưới y tế theo dõi ứng dụng khác có cảm ứng nằm thể, họ có tương tự yêu cầu với mạng lưới cảm biến, thảo luận - Hệ thống lâu dài đời, chất lượng cao, Các mạng lưới liệu tập trung vào chất lượng tối đa tất thông số, mát thông tin khơng chấp nhận Vì thức kiến trúc cần phải phát triển để hỗ trợ cho mạng lưới Đánh giá với phần mềm mô phỏng: MIT NS2 cung cấp cho đối tượng điển hình để mơ cho mạng 61 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - WSN Tracefile cải tiến để làm cho chi tiết tham số cho đánh giá như: đời, lượng, liệu 5.2 Dự kiến tương 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 mơ 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 ... phân loại theo cấu trúc mạng chế hoạt động giao thức (tiêu chuẩn phân tuyến) Việc phân loại so sánh giao thức phân tuyến WSN hình 2.1 bảng Hình 2.1 Phân loại giao thức phân tuyến WSN 28 Đồ án. .. Phân tuyến mạng WSN - Bảng1: Phân loại so sánh giao thức phân tuyến mạng WSN 2.4.1 Giao thức phân tuyến ngang hàng Các loại giao thức phân. .. 24 Đồ án tốt nghiệp K9 Phân tuyến mạng WSN - CHƯƠNG II: Phân tuyến mạng WSN 2.1 Giới thiệu Mặc dù mạng cảm biến có nhiều điểm tương đồng