Nghiên cứu, đánh giá và mô phỏng một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -* - LƯU HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -* - LƯU HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Ngành: Kỹ thuật điện tử - viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Vương Đạo Vy Hà Nội - 2009 MỤC LỤC MỤC LỤC CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây .9 1.2.1 Cấu trúc phẳng 11 1.2.2 Cấu trúc phân cấp 12 1.3 Các đặc trưng mạng cảm biến không dây 13 1.3.1 Năng lượng tiêu thụ 13 1.3.2 Chi phí 14 1.3.3 Loại hình mạng 14 1.3.4 Tính bảo mật 15 1.3.5 Độ trễ 15 1.3.6 Tính di động 15 1.4 Những khó khăn việc phát triển mạng không dây 16 1.4.1 Giới hạn lượng 16 1.4.2 Giới hạn giải thông 16 1.4.3 Giới hạn phần cứng 16 1.4.4 Ảnh hưởng nhiễu bên 16 1.5 Kết luận 17 CHƢƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 18 2.1 Các vấn đề thiết kế giao thức định tuyến 18 2.1.1 Đặc tính thay đổi thời gian trật tự xếp mạng 18 2.1.2 Ràng buộc tài nguyên 19 2.1.3 Mơ hình liệu mạng cảm biến 19 2.1.4 Cách truyền liệu 19 2.2 Các giao thức định tuyến WSN 20 2.2.1 Các giao thức xét theo cấu trúc mạng 22 2.2.2 Các giao thức phân cấp 27 2.2.3 Giao thức định tuyến dựa theo vị trí 32 2.2.4 Các giao thức định tuyến xét theo hoạt động 36 2.3 Kết Luận 41 CHƢƠNG 3: KIẾN TRÚC GIAO THỨC LEACH 43 3.1 LEACH 43 3.1.1 Giới thiệu 43 3.1.2 Pha thiết lập 46 3.1.3 Pha ổn định 48 3.1.4 Tổng hợp liệu 52 3.2 LEACH-C (LEACH-Centralized) 53 3.3 Phân chia cụm cố định (Stat-Cluster) 55 3.4 Năng lượng truyền tối thiểu (Minimum Transmit Energy) 55 3.5 LEACH-F 56 3.6 Kết luận 59 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 60 4.1 Giới thiệu NS-2 60 4.2 C++ OTcl 63 4.3 Các đặc tính NS-2 66 4.4 Mô mạng cảm biến không dây NS-2 67 4.4.1 Bài tốn mơ 67 4.4.2 Mơ hình phần mềm 68 4.4.3 Mô 69 4.5 Kết luận 85 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 11 Hình 1.2 Cấu trúc phẳng 11 Hình 1.3 Cấu trúc phân cấp 12 Hình 1.4 Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp 12 Hình 2.1 Phân loại giao thức chọn đường WSN 21 Hình 2.2 Cơ chế SPIN 23 Hình 2.3 Các pha Directed Diffusion 24 Hình 2.4 Chuỗi PEGASIS 30 Hình 2.5 Time line cho hoạt động TEEN 31 Hình 2.6 Ví dụ lưới ảo GAF 33 Hình 2.7 Sự chuyển trạng thái GAF 34 Hình 2.8 Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR 36 Hình 2.9 Rumor Routing 39 Hình 3.1 Giao thức LEACH 43 Hình 3.2 Time-line hoạt động LEACH 45 Hình 3.3 Giải thuật hình thành cluster LEACH 47 Hình 3.4 Sự hình thành cụm vịng khác (nút đen nút chủ) 48 Hình 3.5 Mơ hình LEACH sau ổn định trạng thái 49 Hình 3.6 Hoạt động pha ổn định LEACH 50 Hình 3.7 Time-line hoạt động LEACH vòng 51 Hình 3.8 Sự ảnh hưởng kênh phát sóng 51 Hình 3.9 Đồ thị so sánh lượng sử dụng có khơng có tổng hợp liệu cục 53 Hình 3.10 Pha thiết lập LEACH-C 54 Hình 3.11 Hoạt động giao thức MTE 55 Hình 3.12 Ảnh hưởng cụm gần 57 Hìnhh 3.13 Ảnh hưởng nút dùng công suất phát lớn để giao tiếp với nút chủ 58 Hình 4.1: Tổng quan NS góc độ người dùng 61 Hình 4.2: Luồng kiện cho file Tcl chạy NS 63 Hình 4.3: Kiến trúc NS-2 63 Hình 4.4: C++ OTcl: Sự đối ngẫu 64 Hình 4.5: TclCL hoạt động liên kết A B 64 Hình 4.6 Mơ hình cấu trúc phần mềm xây dựng NS-2 68 Hình 4.7 Số nút mạng cịn sống theo thời gian 70 Hình 4.8 Năng lượng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian 71 Hình 4.9 Tỉ lệ nút/số bytes nhận trạm gốc 72 Hình 4.10 Tỉ lệ liệu / lượng 73 Hình 4.11 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc 74 Hình 4.12 Số nút mạng cịn sống theo thời gian 75 Hình 4.13 Năng lượng tiêu thụ tồn mạng theo thời gian 76 Hình 4.14 Tỉ lệ nút/số bytes nhận trạm gốc 77 Hình 4.15 Tỉ lệdữ liệu / lượng 78 Hình 4.16 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc 79 Hình 4.17 Số nút mạng sống theo thời gian 80 Hình 4.18 Năng lượng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian 81 Hình 4.19 Tỉ lệ nút/số bytes nhận trạm gốc 82 Hình 4.20 Tỉ lệ liệu / lượng 83 Hình 4.21 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc 84 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt ACK Acknowledgement Bản tin phúc đáp ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - Số ADV Advertise Bản tin quảng bá AoA Angle of Arrival Góc đến BS Base Station (Sink) Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DD Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp EDD Enhanced Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp nâng cao GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật xác theo địa lý Geographic and Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý Routing sử dụng hiệu lƣợng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu LEACH Low-energy adaptive clustering Giao thức phân cấp theo cụm hierarchy thích ứng lƣợng thấp Media Access Control Điều khiển truy nhập môi GEAR MAC trƣờng PEGASIS Power-efficient Gathering in Tổng hợp lƣợng Sensor Information Systems hệ thống thông tin cảm biến QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ REQ Request Bản tin yêu cầu RSS Received Signal Strength Độ mạnh tín hiệu thu đƣợc RSSI Received Signal Strength Bộ thị độ mạnh tín hiệu Indicator thu đƣợc SAR Sequential Assignment Routing Định tuyến phân phối SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lí mạng cảm biến SPIN SQDDP TADAP Sensor protocols for Giao thức cho thông tin information via negotiation liệu thông qua đàm phán Sensor Query and Data Giao thức phân phối liệu Dissemination Protocol truy vấn cảm biến Task Assignment and Data Giao thức quảng bá liệu Advertisement Protocol định nhiệm vụ cho cảm biến TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Threshold sensitive Energy Giao thức hiệu Efficient sensor Network lƣợng nhạy cảm với mức protocol ngƣỡng ToA Time of Arrival Thời gian đến UDP User Datagram Protocol Giao thức gói liệu ngƣời TEEN dùng WINS WSN Wireless Integrated Network Cảm biến mạng tích hợp Sensors khơng dây Wireless Sensor Network Mạng cảm biến khơng dây LỜI NĨI 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 khơng thể nạp lại, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng toàn mạng Xuất phát từ phát từ yêu cầu thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu, đánh giá mô số giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây” thực việc giới thiệu cách tổng quan mạng cảm biến không dây, giao thức giải thuật định tuyến thường dùng: LEACH, LEACH-C, MTE, STAT-CLUSTER, đồng thời sử dụng phần mềm NS-2 để mô phỏng, đánh giá giao thức Luận văn gồm có chương: Chƣơng 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 Chƣơng 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 Chƣơng 3: Kiến trúc giao thức LEACH: khái niệm LEACH, cách hình thành cụm (Cluster) nút chủ cụm (Cluster Head) LEACH; pha thiết lập pha ổn định LEACH; tổng hợp liệu nút chủ cụm; thuật toán nâng cáo LEACH LEACH-C LEACH-F Chƣơng 4: Sử dụng NS-2 để mô WSN hệ điều hành Ubuntu: Khái quát phần mềm mơ mạng NS-2 xây dựng mơ hình phần mềm mơ cho giao thức mạng Phân tích nghiên cứu vấn đề lượng, thời gian sống, liệu truyền thời gian trễ trạm gốc Hình 4.11 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc Đánh giá: Có nhiều biến động trình liệu gửi từ nút trạm gốc giao thức LEACH Để đánh giá cách toàn diện ảnh hưởng tham số tới hoạt động mạng, tác giả thay đổi thông số giả thiết ban đầu, thông số khác giữ nguyên - Kết thu đƣợc thay đổi vùng đặt nút mạng từ diện tích 100x100 thành 1000x1000: 74 Hình 4.12 Số nút mạng cịn sống theo thời gian 75 Hình 4.13 Năng lƣợng tiêu thụ tồn mạng theo thời gian 76 Hình 4.14 Tỉ lệ nút/số bytes nhận đƣợc trạm gốc 77 Hình 4.15 Tỉ lệdữ liệu / lƣợng 78 Hình 4.16 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc Nhận xét: Khi tăng diện tích vùng nút mạng, đồng nghĩa với việc nút mạng nằm cách xa khoảng cách tới trạm gốc tăng theo Điều dẫn tới lượng để truyền liệu nút tăng Qua đồ thị cho thấy thời gian sống mạng bị giảm đáng kể: Xét với giao thức LEACH giả thiết ban đầu (diện tích 100x100) sau 300s có 60 nút mạng cịn sống tăng diện tích lên 1000x1000 sau 300s cịn 22 nút mạng cịn sống (hình 4.7 hình 4.12) 79 Bên cạnh thời gian trễ trạm gốc tăng lên đáng kể (hình 4.11 hình 4.16), trễ lớn trường hợp (hình 4.11) 0.9s trường hợp thứ (hình 4.16) 9s Qua thấy yếu tố diện tích đặt nút mạng ảnh hưởng lớn đến thời gian sống, khả truyền liệu mạng - Kết thu đƣợc thay đổi lƣợng ban đầu nút mạng từ 2J lên 10J: Hình 4.17 Số nút mạng cịn sống theo thời gian 80 Hình 4.18 Năng lƣợng tiêu thụ tồn mạng theo thời gian 81 Hình 4.19 Tỉ lệ nút/số bytes nhận đƣợc trạm gốc 82 Hình 4.20 Tỉ lệ liệu / lƣợng 83 Hình 4.21 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc Nhận xét: Khi tăng lượng ban đầu nút lên lần (từ 2J -> 10J) thời gian sống độ trễ trạm gốc mạng cải thiện rõ rệt: Xét với giao thức LEACH: 300s tất 100 nút mạng cịn sống (hình 4.17) thời gian trễ trạm gốc giảm (từ 0.9s -> 0.17s) (hình 4.21) Tuy nhiên thực tế tăng nguồn lượng cấp cho nút mạng đến mức độ Vì nên cần phải nghiên cứu thuật tốn định tuyến để sử dụng hiệu nguồn lượng hạn chế 84 4.5 Kết luận Như vậy, xét cách tổng thể LEACH-C giao thức vượt trội so với giao thức khác nhiều mặt Sở dĩ có điều giải thuật LEACH-C có thêm điều khiển lựa chọn nút chủ cụm phân chia cụm từ trạm gốc Chính điều tối ưu hóa lượng sử dụng tồn mạng giúp cho việc gửi liệu từ nút trạm gốc hiệu Tuy nhiên LEACH-C có nhược điểm phải xác định trước vị trí nút để báo trạm gốc Điều địi hỏi phải thêm chức định vị cho nút phát sinh chi phí làm cho cấu trúc nút phức tạp Giao thức MTE có ưu điểm tiêu thụ lượng so với giao thức khác nhiên hạn chế mặt truyền liệu xảy xung đột nên xét lượng liệu truyền đơn vị lượng thấy hao phí lớn Giao thức khơng phù hợp với mạng cảm biến có số lượng nút lớn xảy nhiều xung đột đường truyền dẫn đến việc không thu thu liệu trạm gốc Giao thức Stat-Cluster phân chia cụm lần nên không tốn thời gian lượng cho trình phân chia lại thời gian sống lại ngắn việc chọn nút chủ cụm ban đầu ngẫu nhiên nên nút cách xa trạm gốc mạng hết lượng nhanh 85 KẾT LUẬN Mạng cảm biến khơng dây có ưu điểm việc thu thập liệu, xử lí phân phối liệu mơi trường khác Với tính ưu việt khả ứng dụng to lớn mạng cảm biến khơng dây mau chóng giành quan tâm nhà nghiên cứu, giáo sư toàn giới Nhờ tiến khoa học kĩ thuật, việc chế tạo thiết bị cảm biến nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ lượng có khả cảm nhận liệu, tính tốn giao tiếp vơ tuyến trở nên khả thi Vì mạng cảm biến không dây phát triển nhanh chóng Tuy vậy, việc thiết kế thực có hiệu gặp nhiều khó khăn đặc điểm riêng biệt hạn chế Các giao thức dùng mạng cảm biến phải tính đến khó khăn, thử thách Định tuyến mạng cảm biến lĩnh vực thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu nhà khoa học, đặc biệt xét khía cạnh tối ưu nguồn lượng sử dụng mạng Chính luận văn nghiên cứu thuật toán đánh giá dựa lý thuyết kết mô Dựa vào lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp với ứng dụng cụ thể Những kết thu đƣợc qua trình làm luận văn: - Đã đưa nhìn tổng thể mạng cảm biến không dây, ưu điểm mạng cảm biến thách thức phải đối mặt - Đi sâu vào khai thác khía cạnh thuật tốn định tuyến mạng cảm biến khơng dây từ đánh giá thuật tốn có hiệu mặt lượng để đưa vào triển khai thực tế - Thực mô thành công thuật tốn định tuyến phần mềm mơ mạng NS-2: LEACH, LEACH-C, MTE, STAT-CLUSTER Từ đó, lựa chọn thuật toán phù hợp với yêu cầu triển khai 86 mạng cảm biến không dây thực tế (về mặt tiết kiệm lượng, tỉ lệ truyền liệu thành công trạm gốc ) Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: Trong tương lai cần tích cực nghiên cứu để tìm giao thức để vừa tiết kiệm lượng tiêu thụ toàn mạng, vừa đảm bảo truyền liệu hiệu từ nút trạm gốc 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]-Bhaskar Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press, 2005 [2]-HolgerKarl and AndreasWillig, “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, John Wiley & Sons, Ltd, 2005 [3]-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 [4]-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 [5]-Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, “Wireless sensor networks technology protocols and applications”, John Wiley & Sons, Ltd, 2007 [6]-K Kalpakis, K Dasgupta, and P Namjoshi, “Maximum Lifetime Data Gathering and Aggregation in Wireless Sensor Networks”, In the Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Networking (ICN'02), Atlanta, Georgia, August 26-29, 2002 pp 685-696 [7]-“The MIT uAMPS code ns extensions”, Massachusett Institute of Technology Cambridge, August 2007 [8]-“The NS Manual”: http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/index.html [9]-W Rabiner Heinzelman, A Chandrakasan, and H Balakrishnan, “EnergyEfficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks”, Proceedings of the 33rd International Conference on System Sciences (HICSS '00), January 2000, pp 1-10 88