Tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS

-1- MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm 1.2 Các ứng dụng mạng cảm nhận không dây 1.2.1 Ngôi nhà thông minh 1.2.2 Giám sát hoạt động công nghiệp 1.2.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 1.2.4 Giám sát an ninh quân đội an tồn cơng nghiệp 10 1.2.5 Ứng dụng môi trường 11 1.3 Các tiêu nút mạng cảm nhận không dây 12 1.3.1 Năng lượng 12 1.3.2 Kích thước chi phí 12 1.3.3 Tính mềm dẻo 13 1.3.4 Sức mạnh 13 1.3.5 Bảo mật 14 1.3.6 Truyền thông 14 1.3.7 Tính tốn 15 1.3.8 Đồng thời gian 15 1.4 Kiến trúc mạng WSN 15 1.4.1 Kiến trúc nút mạng 16 1.4.2 Kiến trúc mạng 17 CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 21 2.1 Giới thiệu 21 2.2 Thách thức vấn đề định tuyến 21 2.3 Các vấn đề thiết kế giao thức định tuyến 22 2.3.1 Đặc tính thayđổi thời gian trật tự xếp mạng 22 -22.3.2 Ràng buộc tài nguyên 22 2.3.3 Mơ hình liệu mạng cảm biến 22 2.3.4 Cách truyền liệu 23 2.4 Phân loại so sánh giao thức định tuyến 24 2.5 Giao thức trung tâm liệu 26 2.5.1 Flooding Gossiping 26 2.5.2 SPIN 27 2.5.3 Directed Diffusion 28 2.6 Giao thức phân cấp 31 2.6.1 LEACH 31 2.6.2 PEGASIS 33 2.7 Giao thức dựa vị trí 34 2.7.1 GAF 35 2.7.2 GEAR 37 2.8 Kết luận 38 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG PEGASIS BẰNG MOBILITY FRAMEWORK CỦA OMNeT++ 39 3.1 Giới thiệu OMNeT++ Mobility Framework 39 3.1.1 Giới thiệu OMNeT++ 39 3.1.2 Giới thiệu Mobility 42 3.2 Giới thiệu PEGASIS 48 3.2.1 PEGASIS 49 3.2.2 PEGASIS cải tiến 50 3.3 Mô 52 3.3.1 Mô hình lượng 52 3.3.2 Giả thiết thiết lập thơng số ban đầu cho q trình mơ 57 3.3.3 Kết mô 63 3.4 Kết luận hướng nghiên cứu 65 KẾT LUẬN 66 -3- DANH MỤC HÌNH VẼ STT Tên hình vẽ Trang Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm nhận khơng dây Hình 1.2: Kiến trúc mạng đơn 18 Hình 1.3: Kiến trúc mạng liên kết bước 18 Hình 1.4: Kiến trúc mạng liên kết bó 19 Hình 2.1: Mơ hình truyền liệu sink nút 24 Hình 2.2: Truyền gói Flooding 26 Hình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay Spin 27 Hình 2.4: Hoạt động Spin 28 Hình 2.5: Hoạt động Directed Diffusion 30 10 Hình 2.6: Mơ tả mạng Leach 32 11 Hình 2.7: Mạng lưới ảo Gaf 36 12 Hình 2.8: Sự chuyển trạng thái Gaf 36 13 Hình 2.9: Chuyển tiếp địa lý đệ quy Gaf 38 14 Hình 3.1: Cấu trúc phân cấp module OMNeT++ 40 15 Hình 3.2: Các kết nối OMNeT++ 41 16 Hình 3.3: Cấu trúc host di động 43 17 Hình 3.4: Cấu trúc kế thừa module MF 45 18 Hình 3.5: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy 49 19 Hình 3.6: Xử lý lỗi nút chuỗi chết 50 20 Hình 3.7: Khắc phục Pegasis 52 21 Hình 3.8: Mơ hình lượng đơn giản 55 22 Hình 3.9: Trạm BS gửi broadcast đến cho nút mạng 59 23 Hình 3.10: Trạm BS gửi tin Max Distance đến nút xa 60 24 Hình 3.11: Nút xa chuỗi gửi tin Invite mời nút gần vào chuỗi 61 25 Hình 3.12: Các nút kết nối vào tạo thành chuỗi 61 26 Hình 3.13: Chuỗi sau thiết lập xong 62 27 Hình 3.14: Kết mơ mạng có kích thước (50m,50m) với lượng ban đầu nút 0.25J 64 28 Hình 3.15: Kết mơ kích thước mạng (100m,100m) với lượng ban đầu nút 0.5J 65 -4- DANH MỤC BẢNG BIỂU STT Tên bảng biểu Bảng 2.1: Phân loại so sánh giao thức chọn đường WSN Trang 25 Bảng 2.2: Miêu tả internet sử dụng cặp thuộc tính - giá trị 29 Bảng 3.1: Các loại bảng tin tương ứng lớp 46 Bảng 3.2: Số vòng 1%, 20%, 50% 100% nút chết 64 -5- LỜI NÓI ĐẦU Ngày nhờ có tiến nhanh chóng khoa học công nghệ phát triển mạng bao gồm cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nhận ý đáng kể Hiện người ta tập trung triển khai mạng cảm biến để áp dụng vào sống hàng ngày Đó lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong tương lai không xa, ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống người phát huy hết điểm mạnh mà mạng có mạng cảm biến Tuy nhiên mạng cảm ứng phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn nguồn lượng bị giới hạn nạp lại Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Trong trình tìm hiểu nghiên cứu mạng cảm biến, em lựa chọn tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS Giao thức cải thiện đáng kể thời gian sống mạng cảm biến, em định chọn đề tài làm đồ án tốt nghiệp Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em học hỏi kiến thức quí báu từ thầy, giáo Trường Đại học DL Hải Phịng suốt bốn năm đại học Em vô biết ơn dạy dỗ, bảo tận tình thầy, cô thời gian học tập Em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Văn Thể tận tình bảo định hướng cho em nghiên cứu đề tài Thầy cho em lời khuyên quan trọng trongsuốt q trình hồn thành đồ án -6- TÓM TẮT ĐỒ ÁN Ngày nhờ tiến vượt bậc khoa học công nghệ, mạng cảm biến trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng nhận tiến đáng kể vài năm qua Mạng cảm biến mạng vô tuyến bao gồm thiết bị cảm biến phân bố cách ngẫu nhiên không gian, nhằm quan sát tượng vật lý, hay điều kiện môi trường nhiệt độ, âm thanh, chấn động, áp suất, chuyển động, nhiễm vị trí khác Sự phát triển mạng cảm biến mở đầu ứng dụng quân đội ví dụ giám sát chiến trường Tuy nhiên mạng cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực dân dụng bao gồm: quan sát mơi trường sống, chăm sóc sức khỏe, nhà tự động hay điều khiển giao thông Các cảm biến thiết bị điện tử nhỏ, thông thường trang bị thu phát vô tuyến thiết bị không dây khác, vi xử lý nhỏ nguồn lượng Các cảm biến có khả thu thập, xử lý truyền thông tin đến nút khác giới bên Mạng cảm biến lĩnh vực sâu rộng, đồ án giới thiệu cách khái quát đặc điểm mạng cảm biến Sau phần cuối nghiên cứu đưa giải thuật định tuyến PEGASIS nhằm cải thiện đáng kể thời gian sống mạng -7CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network – WSN) mạng không dây mà nút sử dụng vi điều khiển, cảm biến, truyền RF… với đặc trưng: kích thước nhỏ, tiêu thụ điện thấp, tự tổ chức, tự bảo trì, giá thành thấp chu trình tác vụ thấp dùng để đo liệu truyền không dây nút Các mạng cảm nhận không dây bao gồm tập hợp nút mạng kết nối không dây (bằng sóng điện từ), mà nút trang bị với nhiều đầu cảm nhận, hệ thống truyền thông, lưu trữ xử lý tài nguyên, Các đầu cảm nhận nút quan sát tượng nhiệt, quang, âm thanh, địa chấn kiện gia tốc, để xử lý, phân tích liệu thơ trả lời yêu cầu cụ thể người dùng Với tiến công nghệ gần mở đường cho việc thiết kế thi hành hệ nút mạng cảm nhận mới, có kích thước nhỏ giá thành thấp với nhân tố có khả giao tiếp khơng dây tính toán tinh vi Mặc dù phát triển, mạng cảm nhận không dây cho thấy đem lại tiềm lớn cho nhiều ứng dụng tất lĩnh vực đời sống Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm nhận không dây 1.2 Các ứng dụng mạng cảm nhận không dây Ngày với phát triển công nghệ cao, mạng cảm nhận không dây không ngừng phát triển ứng dụng nhiều vào sống Các ứng dụng mạng cảm nhận không dây mà thấy rõ là: -81.2.1 Ngơi nhà thông minh Nhà môi trường ứng dụng lớn cho mạng cảm nhận không dây Nhiều ứng dụng công nghiệp xây dựng nhà Nhiều tiện nghi khác nhà thực điều khiển từ xa, thiết bị số thiết bị trợ giúp cá nhân (PDA) điều khiển tivi, đầu DVD, giàn âm thiết bị điện tử khác nhà (đèn điện, rèm che khố) điều khiển mạng cảm nhận không dây Với điều khiển từ xa thiết bị điều khiển từ xa điều khiển tồn tiện nghi nhà ngồi ghế bành Tuy nhiên, tiềm hấp dẫn mạng cảm nhận không dây kết hợp nhiều dịch vụ việc cho phép rèm cửa đóng tự động truyền hình bật tự động tắt tiếng tivi, hệ thống giải trí nhà nhận điện thoại có chng cửa Việc sử dụng mạng cảm nhận không dây nhà kỳ vọng việc ghép nối thiết bị ngoại vi với máy tính cá nhân bàn phím chuột khơng dây Những ứng dụng có lợi giá thành thấp tiêu thụ điện điều kiện thiết yếu mạng cảm nhận không dây Những đồ chơi thị trường rộng lớn khác cho ứng dụng mạng cảm nhận không dây Danh sách đồ chơi hỗ trợ điều khiển mạng cảm nhận không dây lớn tính điều khiển tơ tàu thuyền sóng vơ tuyến truyền thống đến trị chơi máy tính dùng cần điều khiển thiết bị điều khiển không dây tăng Một ứng dụng quan trọng khác nhà khố khơng có chìa điều khiển từ xa (RKE - Remote Keyless) Đặc tính truy cập khố khơng chìa (RKE) ứng dụng xe tô, cửa cửa sổ, đèn nhà cảm nhận điều khiển khơng dây, chủ nhà có thiết bị chìa khóa với nút bấm Khi nút nhấn thiết bị khóa tất cửa vào, cửa sổ nhà, tắt đèn nhà (để vài đèn ngủ), bật đèn bảo vệ an toàn bên đặt hệ thống HVAC điều khiển nhà chế độ ngủ đóng, mở xe ơtơ 1.2.2 Giám sát hoạt động cơng nghiệp Phịng điều khiển bao gồm dẫn hình mơ tả trạng thái dây chuyền (như trạng thái van, tình trạng thiết bị, nhiệt độ áp suất vật liệu, ….) thiết bị nhập vật liệu, điều khiển toàn kế hoạch (đóng mở van, bếp lị…) giám sát trạng thái dây chuyền Những cảm biến mô tả trạng thái vật lý dây chuyền, hình phòng điều khiển việc -9nhập vào thiết bị, nguyên liệu Thông tin truyền thông thông tin trạng thái thường thay đổi chậm Như vậy, thao tác bình thường thơng lượng liệu mạng cần tốc độ thấp, đòi hỏi độ tin cậy mạng cao Một mạng cảm nhận khơng dây có nhiều nút cung cấp nhiều kênh truyền thông thông báo tới nút Ví dụ điều khiển chiếu sáng thương mại chi phí đặt hệ thống ánh sáng tòa nhà liên quan đến việc điều khiển ánh sáng – nơi đặt công tắc bật tắt ánh sáng làm giảm cường độ chiếu sáng Một hệ thống không dây linh hoạt điều khiển chương trình điều khiển số lớn đèn nhiều cách đảm bảo an toàn hệ thống chiếu sáng thương mại Vì mạng khơng dây dụng giải thuật phân tán có nhiều kênh tự sửa chữa bảo trì nên phù hợp với thay đổi (tăng, giảm) dây chuyền công nghiệp, cung cấp thơng tin xác tình trạng dây chuyền điều kiện khó khăn Mạng khơng dây phù hợp cho việc giám sát điều khiển vận hành chuyển động máy móc khơng gian định Trong ứng dụng cảm biến cần điều khiển quan trọng để theo dõi nhiệt độ, rung động, bôi trơn thành phần quay máy để tối ưu hóa thời gian bảo trì định kỳ 1.2.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe Hai dạng ứng dụng theo dõi sức khỏe mạng cảm nhận không dây Một theo dõi thể lực: quần áo mặc theo dõi xung nhịp, thở qua cảm nhận gửi thông tin tới máy tính cá nhân để phân tích Dạng khác theo dõi sức khỏe nhà: quản lý cân nặng, trọng lượng bệnh nhân qua mạng khơng dây gửi cho máy tính cá nhân hay theo dõi lượng đường máu để theo dõi bệnh tiểu đường Sử dụng mạng cảm nhận không dây theo dõi sức khỏe tăng tốc phát triển cảm nhận sinh vật thích hợp với cơng nghệ mạch tích hợp CMOS truyền thống Những cảm nhận phát men, axit nucleic nguyên liệu sinh vật quan trọng khác mà kích thước nhỏ khơng đắt dẫn tới nhiều ứng dụng dược học chăm sóc y học Theo dõi bác sĩ bệnh nhân bệnh viện : bệnh nhân gắn nút mạng cảm biến có kích thước nhỏ gọn, nút cảm biến có nhiệm vụ riêng -10Ví dụ cảm biến xác định nhịp tim cảm biến khác xác định ap xuất máu, bác sĩ mang nút cảm biến để xác định vị trí họ bệnh viện 1.2.4 Giám sát an ninh qn đội an tồn cơng nghiệp Một lợi ích to lớn việc sử dụng mạng cảm nhận khơng dây chúng thay cho nhân viên bảo vệ, người lính khu vực bảo vệ, canh gác đảm bảo an tồn cho họ Mạng cảm nhận khơng dây sử dụng mỏ nguy hiểm thay cho việc phải sử dụng người cơng việc mạo hiểm thời gian khai thác Ngồi ứng dụng bảo vệ mạng cảm nhận không dây sử dụng để định vị xác định mục đích cơng tiềm ẩn hỗ trợ cơng Mạng trang bị mic, cảm biến thu rung động địa chấn, cảm biến từ tính, rađa băng tần rộng cảm biến khác Mạng cảm nhận khơng dây nhỏ, đơn giản ngụy trang viên đá, rác thải ven đường Do có đặc tính giống tự nhiên, phù hợp với địa hình tự nhiên nên mạng không dây (không cần sở hạ tầng) sử dụng nhiều Những mạng sử dụng giải thuật xử lý phân tán lộ trình đường (khơng có nút bị hỏng, hỏng ssẽ tự tìm đường khác), đặc tính làm cho mạng khó bị phát phá hủy Sự sử dụng kỹ thuật trải phổ rộng, kết hợp với nhiều khuôn dạng truyền tới nhiều mạng cảm nhận khơng dây khác (để tối ưu hóa pin nguồn ) làm cho chúng khó bị phát thiết bị điện tử khác Những khả xác định vị trí mạng cảm nhận khơng dây cho phép nút mạng sử dụng phần tử mảng tự định hướng điều khiển theo xạ phân tán ngẫu nhiên phần tử; mảng sử dụng để cung cấp lọc liệu mạng cảm nhận không dây Thông tin định vị tương đối sử dụng để chỉnh liên kết pha tín hiệu truyền nút; với thông tin liệu lọc truyền theo hướng tín hiệu đến đến hướng cần đến Kỹ thuật Beamforming áp dụng cho cảm nhận để tăng cường tính linh hoạt chúng cải thiện xác suất phát Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, tuyến đường, đường mòn chỗ eo hẹp nhanh chóng bao phủ mạng cảm biến gần theo dõi hoạt động quân địch -53đường) mạng cảm biến Ta biết công suất thu thu giảm khoảng cách bên phát bên nhận tăng lên Theo “Wendi” hai mơ hình sử dụng tùy thuộc vào khoảng cách bên truyền bên phát Nếu khoảng cách bên phát bên thu nhỏ khoảng cách dcross-over mơ hình khơng gian sử dụng (suy haod2) ngược lại mơ hình đường dẫn sử dụng (suy hao d4) Điểm cắt (cross-over) định nghĩa sau Trongđó: L1 ≥: hệ số suy hao hệ thống khơng liên quanđến q trình truyền hr: chiều cao củaănten bên nhận so với mặtđất ht: chiều cao củaăn ten phát so với mặtđất λ: bước song tín hiệu song mang Nếu khoảng cách truyền nhỏ dcross-over cơng suất truyền suy hao tính sau: Trong đó: Pr(d): cơng suất nhận khoảng cách d Pt: công suất bên truyền Gt: hệ số khuếch đại anten bên truyền Gr: hệ số khuếch đại anten bên nhận λ: bước song tín hiệu sóng mang L1 -54≥: hệ số suy hao hệ thống không liên quan đến trình truyền d: khoảng cách bên truyền bên nhận Phương trình mơ hình suy hao bên phát bên thu có thơng tin tầm nhìn thẳng (truyền thẳng khơng có chướng ngại vật), điều xảy bên phát bên thu gần (d dcross-over ta có cơng hức sau: Trong đó: Pr(d) : công suất nhận đượcở khoảng cách d Pt: công suất bên truyền hr: chiều cao ănten bên nhận so với mặt đất ht: chiều cao ănten phát so với mặt đất d: khoảng cách bên truyền bên nhận Gt: hệ số khuêch đại anten bên truyền Gr: hệ số khuêch đại anten bên nhận Trong trường hợp tín hiệu nhận theo hai hướng, hướng trực tiếp hướng phản xạ Vì có hay nhiều đường truyền mà tín hiệu đến, nên tín hiệu suy giảm theo d4 Ví dụ: Cho Gt=Gr=1, ht=hr=1.5m, hệ thống không suy hao L=1, f=914 MHZ Suy ra: λ =3*108/914*106 =0.328m, thay giá trị vào hai biểu thức Ta có: -55Trong phần này, xem xét mơ hình đơn giản áp dụng phần mơ Hình 3.8 Mơ hình lượngđơn giản Như thảo luận suy giảm cơng suất q trình truyền phụ thuộc vào khoảng cách bên phát bên thu, khoảng cách tương đối ngắn, ta có thểáp dụng mơ hình tỉ lệ nghịch với d2, ngược lại khoảng cách dài ta áp dụng mơ hình tỉ lệ với d4 Bộ điều khiển cơng suất đảo ngược suy hao cách thiết lập khuếch đại công suất để đảm bảo mức công suất bên nhận, để truyền tin dài l bit,ở khoảng cách d ta có: Bên nhận: Trong lượng điện tử, Eelec phụ thuộc vào hệ số như: mã hóa số, điều chế, lọc tín hiệu trước gửi đến khuếch đại Thêm vào việc sử dụng kỹ thuật trải phổ lượng điện tử phải tính đến lượng trải -56phổ tín hiệu truyền tương quan liệu với mã trải phổ nhận Các nhà nghiên cứu thiết kế chip thu phát baseband hỗ trợ thông tin trải phổ đa người dùng hoạt độngở 165mW chế độ truyền 46.5 mW chế độ nhận, theo “windy”, người ta tập hợp lượng tiêu thụ bit liệuở thu phát Eelec=50nJ/bitđối với thu phát tốc độ1Mpbs Điều có nghĩa phần điện tử tiêu tán 50mW hoạt động (thu phát liệu) Hai tham số: €friss-amp €two-ray-amp tùy thuộc vào độ nhạy máy thu yêu cầu, nhiễu tạp âm máy thu, cơng suất truyền cần phải điều chỉnh để công suất máy thu lớn mức ngưỡng PR-thresh Chúng ta làm ngược lại từ ngưỡng cơng suất máy thu để tính tốn cơng suất truyền tối thiểu Nếu tốc độ truyền Rb cơng suất truyền Pt lượng truyền bit ETx-amp (1,d) nhân với tốc độ: Khi ta có: Sử dụng mơ hình kênh truyền có: Và Do cơng suất truyền Pt hàm ngưỡng công suất bên thu khoảng cách d Với -57- Chúng ta xác định mức ngưỡng máy thu sử dụng việc đánh giá nhiễu máy thu Nếu nhiễu sàn nhiệt 99dBm tạp âm nhiễu máy thu 17dB2 yêu cầu tỉ số tín hiệu nhiễu 30dBđể nhận tín hiệu k nhiễu, cơng suất nhận tối thiểu Do cơng suất nhận phải -52dBm hay 6.3 nWđể nhận thành cơng gói Thay giá trị vào (Gt=Gr=1, ht=hr=1.5m, L=1, f=914 MHZ,λ=0.328m,Rb=1Mbps) Ta có: Chúng ta sử dụng mơ hình vơ tuyến đơn giản kiểu thứ sau: Truyền tin k bit khoảng cách d sử dụng mơ hình vơ tuyến ETx-elec: lượng/bit truyền ERx-elec: lượng /bit nhận €amp: hệ số khuêch đại Phương trình bên truyền: Phương trình bên nhận: Việc nhận tin tiêu tốn lượng cao cần tối thiểu số lần truyền nhận nút 3.3.2 Giả thiết thiết lập thông số ban đầu cho q trình mơ Chúng ta có số giả thiết ban đầu sau: - Các nút mạng biết topology mạng -58- Tất nút tồn mạng truyền liệu trực tiếp đến trạm sở (Sink) Số nút mạng N=100 nút Phạm vi mô mạng (50m x 50m), trạm BS đặt vị trí (25m,150m) Nếu phạm vi mô mạng 100m x 100m trạm BS đặt vị trí (50m,300m) Năng lượng banđầu iniPower =0.25J; 0.5J Năng lượng tiêu tốn xử lý bit: Eelec=50nJ/bit Hệ số khuêch đại Chúng ta mô Mobility Framework Các nút mạng phân bố vị trí cách ngẫu nhiên Q trình mơ gồm bước sau: - Bước 1: Tìm nút xa trạm BS - Bước 2: Thiết lập chuỗi - Bước 3: Chọn nút chủ - Bước 4: Truyền liệu xử lý lỗi nút chết Chúng ta bước Bước 1: Tìm nút xa Ban đầu BS đưa lệnh xây dựng mạng thông qua tin INITIATE_CONFIGURE_NETWORK Sau BS broadcast tin BROADCASTING_POSITION cho tồn nút mạng để tính tốn khoảng cách từ nút đến BS Bản tin BROADCASTING_POSITION: cplusplus {{#include "NetwPkt_m.h"}}; class NetwPkt; message BSP extends NetwPkt { fields: int posX; int posY; } -59Tham số pos X pos Y chứa tọa độ trạm BS Chúng ta lấyđược vị trí BS thơng qua việcđăng ký biến HostCoor với Blackboard Pos X = (int) (HostCoor.x) Pos Y = (int) (HostCoor.y) Hình (4.9) giao diện Mobility mơ phỏng, miêu tả q trình broadcast trạm sở (BS) đến nút mạng, host [0] hình trạm sở Đường nét đứt đường truyền vô tuyến tin Channel control điều khiển việc di động host tính tốn khoảng cách giao thoa nút Trong phần mô ta giả sử nút cảm biến khơng di động Hình 3.9.Trạm BS gửi broadcastđến cho nút mạng Các nút nhận tin tính tốn khoảng cách đến BS nhờ thông số tọa chứa tin Và sau gửi reply lại tin REPLY_BROADCASTING_POSITION: cplusplus {{#include "NetwPkt_m.h"}}; class NetwPkt; message RBSP extends NetwPkt { fields: double distance; }; -60Trong đó: Tham số distance chứa khoảng cách nút đến BS Sau BS nhận tin này, BS so sánh giá trị distance tìm MaxDistance, tức tìm nút xa so với BS Bước 2: Thiết lập chuỗi Sau tìm nút xa nhất, BS gửi thơng báođến nútđó thơng qua tin MAX_DISTANCE (hình 4.10) Nút xa nút gốc chuỗi Nút nhận tin MAX_DISTANCE bắt đầu tìm nút khác gần cho vào chuỗi Nó sử dụng tin FIND_NODE_INTO_CHAIN có trường giống tin BROADCASTING_POSITION BS Hình 3.10.Trạm BS gửi tin Max Distanceđến nút xa Các nút xung quanh nhận tin gửi tin đáp trả lại REPLY_FIND_NODE_INTO_CHAIN Nút vào giá trị distance tin để lựa chọn nút gần có địa MinAddr khoảng cách Min Sau gửi tin mời gọi vào chuỗi INVITE_INTO_CHAIN sau: cplusplus {{#include "NetwPkt_m.h"}}; class NetwPkt; message InvitePkt extends NetwPkt { fields: int vitri; int index; }; -61- Hình 3.11.Nút xa chuỗi gửi tin Invite mời nút gần vào chuỗi Cứ vậy, sau nút vào chuỗi lại tiếp tục mời gọi nút lại chuỗi vào chuỗi Hình 3.12.Các nút kết nối vào tạo thành chuỗi Chú ý: Ta nên khai báo thêm biến vao Chuoi kiểu bool để đánh dấu nút vào chuỗi Điều thuận lợi nút vào chuỗi khơng tính tốn khoảng cách nhận tin FIND_NODE_INTO_CHAIN -62- Hình 3.13 Chuỗi sau thiết lập xong Sau tất nút vào chuỗi, nút cuối vào chuỗi gửi tin REQUEST_CHOSING_HEADERđến cho trạm BS BS bắt đầu khởi tạo trình chọn nút chủ cách gửi đến nút gốc chuỗi, nút có khoảng cách xa BS Bước 3: Chọn nút chủ Nút xa bắt đầu tính tốn tỉ lệ: Ratio=curPower/distance Với curPower lượng nút cho vào tin truyền dọc theo chuỗi, nút: nhận tin tính tốn giá trị sau gửi so sánh giá trị Ratio tin nhận Nếu nhỏ đơn giản foreward cịn ngược lại thay Ratio lại truyền Nút có giá trị Ratio cao chọn làm nút chủ Nút chủ thông báo cho nút khác biết vị trí nút nút chủ Bước 4: Truyền liệu xử lý lỗi khimột nút chết Nút chủ bắt đầu gửi TOKEN đến nút gốc chuỗi để bắt đầu vịng truyền liệu, sau thuật tốn nêuở trên, nút tích hợp liệu truyền đến nút chủ Sau nút chủ tập hợp liệu hai tin từ hai phía truyền truyền đến Sink Mỗi tin có kích thước k=2000 bit Tại nút nhận tin tính tốn lượng nhận truyền theo cơng thức đề cập mơ hình mơ Phương trình tính tốn lượng truyền tin: -63- Phương trình tính tốn lượng nhận tin: Sau lần nhận gói tin, nút kiểm tra xem cịn đủ lượng để truyền nhận khơng? Nếu khơng đủ lượng khơng truyền gói khơng nhận gói tin Lúc nút coi chết, nút khác dựa vào thời gian timeout, khơng thấy nútđó gửi liệu đến thông báo đến nút chủ để cập nhật lại chuỗi Chuỗi bỏ qua nút chết Sau nút chủ lại gửi TOKENđể bắt đầu thu thập liệu Khi nút chết, nút chủ có nhiệm vụ gửi thông báo đến BS, BS đếm số nút chết sau BS đưa kết 3.3.3 Kết mô Sau ta đưa kết mô ba giao thức: truyền tin trực tiếp, LEACH, PEGASIS Trong bảng (3.10) kết mơ phỏng, phần đậm ứng với kích thước mạng (50m,50m), phần cịn lại kết mơ ứng với mạng có kích thước (100m, 100m) Trong bảng (3.2) ta thấy, nút bắt đầu chết đồng loạt sau 20% nút chết Bởi khoảng cách nút lúc lớn nhiều, việc lựa chọn nút chủ diễn thường xuyên vòng nút nhanh chóng tiêu hao lượng -64Bảng 3.2 Số vòng 1%, 20%, 50%, 100% nút chết Hình (3.14) (3.15) số vòng 1% , 20%, 50% 100% nút chết vớikích thước mơ mạng (50m,50m) (100m,100m) Từ kết ta nhận thấy rằng, số vòng PEGASIS đạt gấp lần so với LEACH với kích thước mạng (50m,50m) Hình 3.14 Kết mơ mạng có kích thước (50m, 50m) với lượng banđầu nút 0.25 J -65- Hình 3.15 Kết mơ kích thước mạng (100m.100m) với lượng nút ban đầu 0.5J Năng lượng ban đầu nút hình (3.9) 0.25J hình (3.10) 0.5J Mức lượng tăng gấp đơi dẫn đến số vịng tăng gấp đơi Với kích thước mạng (100m, 100m) số vịng thực PEGASIS gấp ba so với LEACH 3.4 Kết luận hướng nghiên cứu Trong chương đưa kết mô PEGASIS Kết cho thấy PEGASIS khắc phục nhược điểm LEACH cách loại bỏ lượng mào đầu thông tin cụm động, tối thiểu hóa khoảng cách truyền nhận nút mạng, sử dụng lần truyền liệu hợp vòngđến trạm cơsở Các nút thay truyền liệu hợp đến trạm sở làm cân lượngtiêu tán mạng tăng khả chống lại lỗi nút chết vị trí ngẫu nhiên Việc phân bố lượng mạng tải làm tăng thời gian sống chất lượng mạng Việc mô cho thấy giao thức PEGASIS tốt LEACH chí cải thiện kích thước mạng tăng Tuy nhiên, vấn đề trội PEGASIS trễ truyền, nút chủ phải đợi nhận tin liệu hợp nút sauđó truyền đến trạm sở Hơn thường xảy tượng nút cổ chai nút chủ Hướng nghiên cứu cần khắc phục nhược điểm -66- KẾT LUẬN Các khái niệm vấn đền liên quan đến mạng cảm biến vấn vấn đề với nhiều người Trong đồ án em trình bày tổng quan mạng cảm nhận khơng dây Với tính ưu việt với ứng dụng đa dạng làm việc điều kiện khắc nhiệt mà mạng có Vì mà tương lai khơng xa mạng cảm nhận khơng dây phát triển nhanh chóng Em hy vọng đồ án đóng góp phần nhỏ vào việc nghiên cứu lĩnh vục tương đối mẻ Việt Nam Trong phạm vi đồ án em nghiên cứu khái quát mạng cảm nhận không dây tìm hiểu nguyên lý định vị phương pháp định vị giải thuật định vị nút mạng Và biết cách xác định vị trí nút mạng biết cách tính tốn xác định vị trí nút mạng thơng qua số toán Do vấn đề mẻ với kiến thức hạn chế thời gian nghiên ngắn lên đồ án em không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận phê bình, thầy để đồ án em hồn thiện Một lần em xin chân thành cám ơn thầy giáo Th.S Nguyễn Trọng Thể, Khoa Công Nghệ Thơng Tin DHDL Hải Phịng nhiệt tình giúp đỡ em thời gian vừa qua Hải Phòng, tháng năm Sinh viên thực Vũ Xuân Tình 2011 -67TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Holger Karl Andreas Willig, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, Wiley, 2005 [2] S Linsay, PEGASIS: power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems, Computer Systems Reasearch Department The Aerospace Corporation P.O Box 92957, Los Angeles, CA 90009-2957 [3] 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 [4] Armin Veichtlbauer, Peter Dorfinger Salzburg, Modeling of Energy Efficient Wireless Communication, Research Forschungsgesellschaft mbH, Advanced Networking Center Salzburg, Austria [5] I.F Akyildiz, W Su*, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci, “Wireless sensor networks: a survey”, Broadband and Wireless Networking Laboratory, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA, Received 12 December 2001; accepted 20 December 2001 [6].http://ceng.usc.edu/~anrg/SensorNetBib.html ... kế giao thức định tuyến mà khác xa so với giao thức định tuyến mạng adhoc có dây khơng dây Việc nhằm vào đặc tính đưa tập thách thức lớn riêng WSN Chương trình bày ba loại giao thức định tuyến. .. thách thức cho giao thức định tuyến phải nhằm vào việc thỏa mãn yêu cầu lưu lượng mở rộng thời gian sống mạng 2.4 Phân loại so sánh giao thức định tuyến Vấn đề định tuyến mạng cảm biến thách thức. .. chọn tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS Giao thức cải thiện đáng kể thời gian sống mạng cảm biến, em định chọn đề tài làm đồ án tốt nghiệp Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em học hỏi kiến thức