Nghiên cứu một số thuật giải định tuyến giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây-WSN : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 60 52 70

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ MẠNH DƢƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY -WSN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ MẠNH DƢƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY -WSN NGÀNH: CỒNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉- VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VƢƠNG ĐẠO VY HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn “Nghiên cứu số giải thuật định tuyến giảm thiểu tiêu thụ lƣợng mạng cảm biến không dây-WSN” sản phẩm thực dƣới hƣớng dẫn PGS.TS.Vƣơng Đạo Vy Trong toàn nội dung luận văn, điều đƣợc trình bày cá nhân đƣợc tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng đƣợc trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Đỗ Mạnh Dƣơng LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô giáo Khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tận tình chu tơi có mơi trƣờng tốt học tập nghiên cứu Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Vƣơng Đạo Vy ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, bảo tơi tận tình suốt q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn Một lần tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến tất thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ tơi thời gian vừa qua Tơi xin kính chúc thầy cô giáo, anh chị bạn mạnh khỏe hạnh phúc Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Đỗ Mạnh Dƣơng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC .3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu .9 1.2 Cấu trúc mạng WSN 10 1.3 Kiến trúc giao thức WSN .15 1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến mạng WSN .17 1.5 Ứng dụng mạng WSN 19 Chƣơng ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 22 2.1 Giới thiệu 22 2.2 Những khó khăn thách thức vấn đề định tuyến 22 2.2.1 Tính động mạng 22 2.2.2 Sự triển khai nút 23 2.2.3 Tính đến lƣợng 23 2.2.4 Phƣơng pháp báo cáo số liệu 23 2.2.5 Khả nút 23 2.2.6 Tập trung liệu 24 2.3 Phân loại giao thức định tuyến mạng cảm biến 24 2.4 Các loại giao thức định tuyến mạng WSN 25 2.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm liệu 25 2.4.2 Giao thức phân cấp 30 2.4.3 Giao thức dựa vị trí 33 Chƣơng MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG 3.1 ETX Metric 37 3.1.1 Giới thiệu ETX 37 3.1.2 Tính chất ETX Metric .38 3.2 Định tuyến chuyển tiếp phân tập 40 3.2.1 Giới thiệu định tuyến chuyển tiếp phân tập .40 3.2.2 Đặc tính định tuyến chuyển tiếp phân tập 42 3.3 Bài toán thực tế vận dụng giải thuật đƣợc mô tả để thu đƣợc hiệu lƣợng độ tin cậy .45 3.3.1 Vận dụng định tuyến ETX 45 3.3.2 Vận dụng định tuyến chuyển tiếp phân tập .46 KẾT LUẬN .49 Tài liệu tham khảo .50 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT SNR Signal-to-noise ratio Tỉ lệ tín hiệu tạp âm WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ID Identifier Mã nhận dạng CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã TDMA Time Divistion Multiple Access CSMA Carrier Sense Multiple Access SPIN LEACH Đa truy nhập phân chia theo thời gian Truy cập đƣờng truyền có lắng nghe sóng mang Sensor protocols for information Giao thức cho thơng tin liệu via negotiation thông qua đàm phán Low-energy adaptive clustering Giao thức phân cấp theo cụm thích hierarchy ứng lƣợng thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đƣờng truyền GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật xác theo địa lý GEAR Geographic and Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý sử Routing dụng hiệu lƣợng QoS Quanlity of Service Chất lƣợng dịch vụ ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - Số ADV Advertise Bản tin quảng bá REQ Request Bản tin yêu cầu DS - SS Directed-Sequence-Spread Trải phổ Spectrum BS Base Station (Sink) Trạm gốc CH Cluster Head Nút chủ cụm SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lí mạng cảm biến TADAP Task Assignment & Data Quảng bá liệu định Advertisement nhiệm vụ TMN Task Manager Node Nút quản lý nhiệm vụ MB Multipath-Based Dựa vào đa đƣờng QB Query- Based Dựa theo truy vấn NB Negotiation-Based Dựa theo thỏa thuận CB Coherent-Based Dựa vào kết hợp IP Internet Protocol Giao thức Internet Sensor Query & Data Phân phối liệu truy vấn cảm Dissemination biến SQDDP DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Biểu tƣợng mạng cảm biến Hình 1.2 Các thành phần nút .10 Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 12 Hình 1.4 Cấu trúc phẳng 12 Hình 1.5 Cấu trúc phân cấp 13 Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp .14 Hình 1.7 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 15 Hình 1.8 Gán nút cảm biến lên thể ngƣời .19 Hình 1.9 Cảnh báo cháy rừng 20 Hình 1.10 Ứng dụng mạng cảm biến quân đội 20 Hình 1.11 Ứng dụng giao thông 21 Hình 2.1 Phân loại giao thức chọn đƣờng WSN .24 Hình 2.2 Hiện tƣợng tin kép 26 Hình 2.3 Hiện tƣợng chồng chéo 26 Hình 2.4 Ba tín hiệu bắt tay SPIN 27 Hình 2.5 Hoạt động SPIN 28 Hình 2.6 Hoạt động giao thức Directed Diffusion 30 Hình 2.7 Mơ hình mạng LEACH .31 Hình 2.8 Ví dụ lƣới ảo GAF 34 Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái GAF 34 Hình 2.10 Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR 36 Hình 3.1 Hiệu thông lƣợng thông qua cách truyền khác 37 Hình 3.2 Ví dụ đƣờng ETX tối ƣu 39 Hình 3.3 Ví dụ định tuyến truyền thống chuyển tiếp phân tập 41 Hình 3.4 Định tuyến qua hai chuyển tiếp 42 Hình 3.5 Mạng hai bƣớc nhảy 43 Hình 3.6 Bài tốn vận dụng giải thuật ETX 45 Hình 3.7 Bài tốn vận dụng định tuyến chuyển tiếp phân tập .47 MỞ ĐẦU Từ thành truyền thông vô tuyến năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ lƣợng đa chức nên đƣợc ý phát triển năm gần Trong tƣơng lai không xa mạng cảm biến phần thiếu sống Mạng cảm biến đƣợc nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực nhƣ: y tế, kinh doanh, môi trƣờng, quân sự…Mặc dù vậy, mạng cảm ứng không dây phải đối mặt với nhiều thách thức thách thức lớn mạng cảm ứng không dây nguồn lƣợng bị giới hạn Có nhiều cơng trình nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện hiệu sử dụng lƣợng mạng cảm biến Luận văn nghiên cứu tổng quan mạng cảm biến, định tuyến mạng cảm biến, sâu vào hai thuật giải định tuyến cụ thể vận dụng giải số toán giả định thực tiễn Nội dung luận văn đƣợc chia thành ba (03) chƣơng nhƣ sau: Chƣơng I Tổng quan mạng cảm biến không dây Chƣơng II Định tuyến mạng cảm biến không dây Chƣơng III Một số giải thuật định tuyến giảm thiểu tiêu thụ lƣợng mạng cảm biến không dây Vận dụng giải số toán giả định thực tiễn thu đƣợc hiệu lƣợng Mặc dù cố gắng trình nghiên cứu, thiếu tài liệu hiểu biết nên luận văn cịn nhiếu thiếu sót Tác giả mong thầy đóng góp, cho ý kiến để luận văn đƣợc hồn thiện lý đệ quy đơi khơng hồn thành, định tuyến vơ tác dụng vùng đích rỗng trƣớc số hop gói qua vƣợt giới hạn cho phép Hình 2.10: Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR 36 CHƢƠNG III MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG Chƣơng giới thiệu số vấn đề giải thuật định tuyến giảm tiêu thụ lƣợng mạng cảm biến WSN tăng độ tin cậy liệu Vấn đề thứ luận văn nghiên cứu giải thuật định tuyến ETX, giải thuật cho phép tối thiểu hóa tổng số lần truyền lại để gói tin phân phối thành cơng Vấn đề thứ hai luận văn nghiên cứu định tuyến chuyển tiếp phân tập, kỹ thuật lợi dụng ƣu truyền quảng bá không dây Cuối luận văn xem xét số toán thực tế vận dụng giải thuật đƣợc mô tả để thu đƣợc hiệu lƣợng độ tin cậy 3.1 ETX Metric 3.1.1 Gới thiệu ETX Metric Trong kỹ thuật định tuyến khơng dây nói chung mạng cảm biến khơng dây nói riêng, việc lựa chọn tuyến đƣờng giảm thiểu việc truyền lại giảm xác suất lỗi vấn đề then chốt định thành cơng thuật giải thuật Bởi truyền liệu thao tác tiêu thụ măng lƣợng nhiều thao tác mà nút mạng cảm nhận khơng dây thực Chính điều u cầu lựa chọn số liệu phù hợp với liên kết Hình 3.1 Hiệu thơng lƣợng thơng qua cách truyền khác 37 Hình vẽ đơn giản cho thấy hiệu thông lƣợng liệu đạt đƣợc tuyến nguồn đích truyền trực tiếp truyền qua số bƣớc nhảy khác Nhƣng mạng cảm biến không dây điều tất kết nối không dây đƣợc coi liên kết lý tƣởng không lỗi phƣơng pháp định tuyến liệu đƣờng bƣớc nhảy ngắn Trong hệ thống không dây thực tế lại hồn tồn khác, liên kết nhiều yếu tố bị lỗi với xác suất định nằm vùng chuyển tiếp Do đó, việc định tuyến theo tuyến đƣờng bƣớc nhảy ngắn mang lại hiệu thực tế Và điều thúc nhiều nghiên cứu để tìm số liệu định tuyến phù hợp mạng cảm biến không dây Có nhiều số liệu đƣợc nhiều tác giả đƣa có giải thuật ETX (Expected Transmission Count), số liệu giảm thiểu số lƣợng dự kiến tổng truyền tuyến đƣờng Số liệu tính cho liên kết đơn lẻ đƣợc kết hợp vào định tuyến ETX liên kết đƣợc tính tốn dựa tỷ lệ phân phối gói tin thành cơng theo hƣớng chuyển tiếp hƣớng ngƣợc liên kết Ký hiệu df xác suất phân phối gói liệu đến nơi nhận thành công theo hƣớng chuyển tiếp d r xác suất gói tin ACK đƣợc nhận thành cơng theo hƣớng ngƣợc lại Khi ETX [2][5], đƣợc định nghĩa số lần trung bình truyền lại cần thiết liên kết để gói tin đƣợc phân phối thành cơng, có giá trị Trên tuyến đƣờng ta có ETX tồn tuyến df dr tổng số ETX liên kết : ETXToàn tuyến = ∑ df dr (1) 3.1.2 Tính chất ETX Metric Các số liệu ETX kết hợp ảnh hƣởng tỷ lệ liên kết lỗi, bất đối xứng tỷ lệ liên kết lỗi hai hƣớng liên kết, can nhiễu liên kết liên tiếp đƣờng Trong kỹ thuật định tuyến với tuyến đƣờng dài việc cải thiện thông lƣợng vấn đề phức tạp phải kết hợp nhiều yếu tố Bởi số liệu ETX trở nên hữu ích nhƣ mạng phát triển lớn đƣờng trở nên dài Trong tuyến đƣờng dài, ta tính ETX liên kết số truyền dự kiến cần thiết để gửi gói liệu liên kết đó, bao gồm truyền lại cơng 38 thức ETX = Và sau ETX tuyến đƣờng dài tổng ETX cho df dr liên kết tuyến đƣờng đƣợc tính biểu thức ETXToàn tuyến = ∑ Để df dr hiểu rõ ETX ta xem xét hình bên dƣới đây: Hình 3.2: Ví dụ đƣờng ETX tối ƣu Trên hình thể tuyến đƣờng từ nguồn S đến đích D với số bƣớc nhảy hoàn toàn khác với xác suất theo hƣớng chuyển tiếp xác định rõ(Giả thiết xác suất theo hƣớng ngƣợc lại dr =1 ) Khi theo giải thuật ETX ta có theo hƣớng truyền trực tiếp từ A đến B xảy số lần truyền lại trung bình 10 lần Tuyến đƣờng dài từ S đến A đến B đến C đến D với số lần truyền lại trung bình 1.25 tổng số lần truyền lại trung bình xảy toàn tuyến Tuyến thứ ba tuyến truyền từ S đến E E đến F sau đến đích Với xác suất liên kết 0.7 số lần truyền lại trung bình tuyến 4.28 Tuyến cuối từ nguồn tới đích thơng qua nút G xảy trung bình 1.67 lần truyền lại liên kết 3.33 tuyến đƣờng Và tuyến cuối tuyến mà có ETX tối thiểu Qua phân tích ví dụ cho ta thấy ETX khơng lựa chọn đƣờng dài bao gồm số lƣợng lớn liên kết có khoảng cách ngắn (liên kết chất lƣợng cao), không lựa chọn đƣờng ngắn bao gồm vài liên kết với 39 khoảng cách dài (chất lƣợng thấp), mà đƣờng có giá trị ETX đạt Min Bằng cách giảm thiểu số lần truyền cần thiết, cải thiện hiệu băng thông nhƣ hiệu lƣợng Số liệu ETX có nhiều đặc điểm, ta tổng kết lại số đặc điểm quan trọng ETX nhƣ sau: 1, ETX đƣợc dựa tỷ lệ phân phối qua trực tiếp ảnh hƣởng đến thông lƣợng mạng truyền thông 2, ETX phát xử lý cách thích hợp với bất đối xứng cách kết hợp tỷ lệ liên kết theo hƣớng 3, ETX sử dụng phép đo tỷ lệ liên kết xác để đƣa định tuyến ETX có nhiều ƣu điểm, nhƣng để sử dụng đƣợc hiệu phải đối mặt với nhiều thách thức Và thách thức thực tế ETX việc xác định giá trị xác suất df dr Có nhiều phƣơng pháp đƣợc đƣa để giải thách thức Một phƣơng pháp thực thủ tục giám sát liên kết phù hợp đƣợc thực thơng qua số hình thức đo lƣờng định kỳ cách sử dụng cửa sổ trƣợt [2] 3.2 Định tuyến chuyển tiếp phân tập 3.2.1 Giới thiệu định tuyến chuyển tiếp phân tập Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất phân tích cân độ tin cậy hiệu lƣợng với kỹ thuật đơn giản việc sử dụng chuyển tiếp phân tập định tuyến không dây, dạng định tuyến khai thác lợi truyền quảng bá không dây Điều đƣợc minh họa hình bên dƣới tuyến đƣờng hai bƣớc nhảy đơn giản từ A đến B từ B đến C [3], [5] Với dạng định tuyến truyền thống, độ tin cậy tuyến đƣờng hàm truyền từ A tới B từ B tới C hai phải thành cơng 40 Hình 3.3: Ví dụ định tuyến truyền thống chuyển tiếp phân tập Với định tuyến truyền thống (hình a) C nhận đƣợc gói tin từ truyền A thành cơng từ A sang B B đến C có hai thành công Cùng với định tuyến chuyển tiếp phân tập (hình b), việc truyền thơng đƣợc thành công với điều kiện truyền từ A sang B đƣợc nghe thành công C Tuy nhiên, C đƣợc phép nhận gói tin trực tiếp từ A (bất chúng nhận đƣợc gói tin mà khơng có lỗi), độ tin cậy đƣợc tăng thêm mà khơng có mở rộng lƣợng phụ Cho phép nhận gói tin giống nhƣ vịng hai bƣớc nhảy, với điều kiện chế độ mà snr có giá trị cao, xác suất truyền lỗi giảm theo quy luật snr-2 Và nút mạng mở rộng L bƣớc nhảy trong điều kiện chế độ snr có giá trị cao xác suất truyền lỗi đầu cuối giảm mạnh theo quy luật snr-L Quy luật giảm xác suất lỗi đƣợc tính tốn chứng minh chi tiết phần sau Nhƣng qua ta có nhìn khái qt dạng định tuyến chuyển tiếp phân tập, dạng định tuyến cải thiện đáng kể xác suất truyền gói tin thành cơng, qua cải thiện băng thơng mạng, đích quan trọng giảm tiêu thụ lƣợng mạng 41 3.2.2 Đặc tính định tuyến chuyển tiếp phân tập Trong truyền thông không dây đa bƣớc nhảy, gói tin đến đích phải truyền qua nhiều nút khác Theo cách truyền nhƣ này, truyền thơng thành cơng địi hỏi tất truyền thơng điểm tới điểm phải thành công Và theo định tuyến truyền thống, xác suất truyền bị lỗi từ nguồn đến đích cao Vậy để cải thiện độ tin cậy việc tận dụng lợi truyền quảng bá khơng dây đặc tính then chốt định tuyến chuyển tiếp phân tập Để chứng minh ý tƣởng này, xem xét ví dụ đơn giản nhƣ sau [3] Giả sử mạng thể hình (a) bên dƣới, tuyến đƣờng đáng tin cậy đƣợc chọn nhƣ hình vẽ, từ S đến R 0, chuyển tiếp qua R1 đến đích D Nếu khơng có phân tập, thành cơng u cầu ba chuyển mạch điểm tới điểm thành công Và xác suất truyền lỗi tổng hợp ba chuyển mạch đáng kể Xét tiếp hình (b ) truyền thơng tính đến phân tập, xác suất truyền lỗi tính ba chuyển đƣợc cải thiện so với trƣờng hợp hình (a) Do tuyền thơng quảng bá tính chất tự nhiên mơi trƣờng truyền khơng dây, gói tin đƣợc truyền từ nguồn S đƣợc nhận cách xác R1, R0 khơng nhận đƣợc gói tin Bằng việc tính tốn khả này, D nhận đƣợc gói tin trực tiếp từ S khe truyền đầu tiên, từ R0 khe truyền thứ hai từ R1 khe truyền thứ ba a Định tuyến truyền thống b Định tuyến với có chuyển tiếp phân tập Hình 3.4: Định tuyến qua hai chuyển tiếp Qua ví dụ đơn giản hình dung cách tranh định tuyến mạng cảm biến không dây truyền thơng có chuyển tiếp phân tập Gói tin đến đích D nhiều cách, snr tăng cao, độ tin cậy tăng điều đồng nghĩa với xác suất phát lại giảm Trong truyền thông không dây, đặc biệt 42 mạng cảm biến khơng dây việc truyền gói tin cơng việc tiêu tốn nhiều lƣợng Vậy việc phát lại giảm đồng nghĩa với lƣợng tiêu thụ giảm Nghiên cứu hiểu rõ vấn đề độ tin cậy thông tin truyền thông chuyển tiếp phân tập mạng không dây đa bƣớc nhảy vấn đề quan trọng kỹ thuật định tuyến Và mục tiêu nghiên cứu phát triển mơ hình mạng tốt có tính đến tính chất tự nhiên lớp vật lý mạng không dây Phƣơng pháp sử dụng mơ hình xác suất gián đoạn cho kênh fading để phát triển mơ hình xác suất cho liên kết khơng dây Mơ hình thiết lập mối quan hệ độ tin cậy liên kết, khoảng cách nút truyền thông lƣợng truyền Để hiểu rõ vào vấn đề cụ thể nhƣ sau [3] : Hình 2.5, Mạng hai bƣớc nhảy Trong vấn đề ta vào trọng tâm mạng hai bƣớc nhảy mà nút chuyển tiếp nằm diện tích hình trịn phẳng mà tâm trung điểm đoạn nối nguồn S đích D Dựa kết số nghiên cứu khác ta có mạng với tham số (S, R, D) xác suất truyền lỗi (ρ1) khơng có phân tập đƣợc tính theo cơng thức : ρ1 = 1- P1 (d1, snr) P2 (d2, snr) (2) d12+ d22 ≈ snr Ở đây, P1 (d1, snr) xác suất truyền thành công từ S đến R, P2 (d2, snr) xác suất truyền thành công từ R đến D áp dụng cơng thức mơ hình xác suất gián 43 d2 đoạn cho kênh Fading (P(d, snr) = exp() Dấu xấp xỉ có đƣợc snr có giá snr trị cao Trong trƣờng hợp mạng có chuyển tiếp phân tập, phân phối gói tin thành công yêu cầu truyền trực tiếp {S→ D} thành công chuyển mạch đa bƣớc nhảy từ {S → R}và {R →D} thành cơng Khi độ tin cậy (Re) hay xác suất nhận D là: Re = P3 (d3, snr) + P1 (d1, snr) P2 (d2, snr) - P3 (d1, snr) P1 (d1, snr) P2 (d2, snr) = exp(- d32 d12 d22 d32 d12 d22 ) + exp().exp() - exp() exp().exp() snr snr snr snr snr snr = exp(- d3 d3 d32 d22 ) + (1 - exp() ).exp().exp() snr snr snr snr (3) d3 d3 (d12+ d22) = exp() + (1 - exp() ).exp() snr snr snr Khi snr giá trị lớn ta có: d32 d3 exp() ≈ 1snr snr d32 d32 d12+ d22 Re ≈ + (1) snr snr snr d32 d12+ d22 ≈ snr snr d12+ d22 ≈ - d3 snr2 Và từ độ tin cậy Re ta suy xác suất truyền lỗi ρ2 đƣợc tính cơng thức: ρ2 ≈ d32 d12+ d22 snr2 ≈ d32 (d12+ d22).snr -2 Biểu thức cho ta thấy đƣợc trƣờng hợp định tuyến có chuyển tiếp phân tập xác suất truyền lỗi giảm tỷ lệ với snr-2 Điều cải thiện so với trƣờng hợp mà khơng tính đến chuyển tiếp phân tập , xác suất truyền lỗi giảm tỉ lệ với snr-1 Khi mở rộng mạng từ hai bƣớc nhảy thành L bƣớc nhảy áp dụng cách tính tốn tƣơng tự ta thu đƣợc kết xác suất truyền lỗi giảm mạnh theo quy luật: snr -L 44 Áp dụng mơ hình xác suất để thiết lập mạng đa bƣớc nhảy, định nghĩa phân tích độ tin cậy tuyến đƣờng đầu cuối phát triển thuật tốn để tìm tuyến đƣờng tối ƣu cặp nút Ý tƣởng định tuyến chuyển tiếp phân tập đƣợc giới thiệu nhƣ cách để cải thiện độ tin cậy truyền tin cách tận dụng ƣu tính chất phát quảng bá không dây, độc lập trạng thái cặp khác nút, phân tập không gian đƣợc tạo nhứng nút chuyển tiếp phân tập dọc theo tuyến đƣờng Kết gợi ý chuyển tiếp phân tập thay đổi cách cân độ tin cậy định tuyến lƣợng tiêu thụ Một đặc điểm kỹ thuật địi hỏi số lƣợng lớn nút nhận đƣợc trạng thái nghe thông tin, điều phải chịu tổn thất lƣợng Nhƣng ta khẳng định mạng không dây đặc biệt mạng cảm biến, trình truyền tin trình tiêu tốn nhiều lƣợng Do tổn thất lƣợng nhiều nút nghe thông tin không đáng kể so với lƣợng tiêu thụ giảm phát lại giảm Từ kết giúp ta có nhận xét thêm cấu nhiều chuyển mạch không hoạt động tốt với giao thức MAC định hƣớng ngủ đƣợc đề xuất cho mạng WSN 3.3 Bài toán thực tế vận dụng giải thuật đƣợc mô tả để thu đƣợc hiệu lƣợng độ tin cậy 3.3.1 Vận dụng định tuyến ETX Giả sử có mạng đƣợc triển khai nhƣ hình vẽ dƣới đây, cần tìm tuyến tối ƣu từ nút A đến nút B, với giả định xác suất nhận theo hƣớng chuyển tiếp df đƣợc cho liên kết hình vẽ cịn xác suất nhận theo hƣớng ngƣợc liên kết dr Vì tuyến tối ƣu tuyến có xác suất truyền thành cơng cao nhất, việc truyền lại nhất, nhƣ tiết kiệm đƣợc lƣợng Truyền thành cơng cao có nghĩa độ tin cậy liệu cao xẩy lỗi truyền Và để thực việc định tuyến trƣờng hợp ta chọn giao thức ETX, với cách làm nhƣ sau 45 Hình 3.6: Bài tốn vận dụng giải thuật ETX Nhƣ ra, số lần truyền lại liên kết tính đƣợc dựa vào biểu thức: ETX = 1 ETXToàn tuyến = ∑ df dr df dr Với giả thiết dr = ta có ETX = df Nhƣ thay số vào ta lần lƣợt thu đƣợc: Tuyến A → B có ETX = 1 = =5.00 df 0.2 Tuyến A→D→B có ETX = ETX AD + ETXDB = 1 + = 3.75 0.4 0.8 Tuyến A→C→D→B có ETX = ETXAC + ETXCD + ETXDB = 3x Tuyến A→E→B có ETX = ETXAE + ETXEB = = 3.75 0.8 1 + = 3.09 0.7 0.6 Từ kết ta thấy tuyến ETX tối ƣu tuyến AEB với tổng ETX 3.09 có giá trị nhỏ tuyến Qua ta thấy ETX khơng chọn tuyến đƣờng dài chất lƣợng thấp có bƣớc nhảy AB mà khơng chọn tuyến đƣờng ngắn ACDB chất lƣợng cao có nhiều bƣớc nhảy mà lại chọn tuyến AEB phụ thuộc vào chất lƣợng liên kết Với tuyến đƣờng ETX số lần truyền lại trung bình nhỏ Mà ta biết mạng cảm biến trình truyền tin, trao đổi liệu q trình tiêu tốn lƣợng Do giảm thiểu truyền lại 46 đồng nghĩa với việc giảm thiểu tiêu hao lƣợng Thêm với tuyến đƣờng mà việc truyền lại ngồi việc hiệu lƣợng việc truyền lại làm giảm việc chiếm dụng băng thông mạng 3.3.2 Vận dụng định tuyến chuyển tiếp phân tập Trên hình vẽ sau mạng WSN, phần (a) mạng đơn chuyển mạch, hình (b) có chuyển tiếp phân tập, có tính đƣợc xác suất nhận gói liệu C có khơng có chuyển tiếp phân tập khơng? Từ kết tính tốn cho biết phƣơng án mạng có chuyển tiếp phân tập khơng có chuyển tiếp phân tập có ƣu nhƣợc điểm gì? Biết xác suất nhận liên kết A–B, B–C, A–C 0.9, 0.9 0.5 tƣơng ứng Hình 3.7: Bài tốn vận dụng định tuyến chuyển tiếp phân tập Để giải toán cụ thể ta phải hiểu nguyên lý làm việc mạng có phân tập mạng khơng có phân tập nắm vững lý thuyết tốn xác suất Ta có xác suất nhận C khơng có phân tập là: Do xác suất nhận C biến cố mà biến cố xảy hai biến cố A truyền tới B thành công biến cố B truyền tới C thành cơng Khi ta có ta có biến cố A truyền tới C thành cơng tích hai biên cố A truyền tới B thành công biến cố B truyền tới C thành cơng 47 Ta có P(C) = P(ABC) = P(AB).P(BC) = 0.9x0.9 = 0.81 Hoặc vận dụng công thức (2) ρ1 = 1- P1 (d1, snr) P2 (d2, snr) nhƣ phần lý thuyết ta thu đƣợc kết tƣơng tự Và xác suất nhận C có nhiều chuyển mạch là: Khi có nhiều chuyển mạch, cụ thể trƣờng hợp C nhận gói tin khơng theo tuyến đƣờng khơng có nhiều chuyển mạch A truyền tới B B lại truyền tới C mà C cịn nhận gói tin theo đƣờng thứ hai đƣờng trực tiếp từ A Mà việc nhận gói tin theo hai đƣờng hồn tồn độc lập với Do ta có xác suất biến cố C nhận đƣợc gói tin tính theo cơng thức sau: P(C) = P(ABC) + P(AC) - P(ABC).P(AC) = P(AB).P(BC) + P(AC) - P(ABC).P(AC) = P(AB).P(BC) + P(AC) - P(AB).P(BC).P(AC) = 0.9x0.9 + 0.5 – 0.9x0.9x0.5 = 0.905 Hoặc vận dụng công thức (3) Re = P3 (d3, snr) + P1 (d1, snr) P2 (d2, snr) - P3 (d1, snr) P1 (d1, snr) P2 (d2, snr) phần lý thuyết ta thƣ đƣợc kết tƣơng tự Qua hai xác suất biến cố ứng với hai trƣờng hợp có khơng có chuyển tiếp phân tập ta thấy rằng: - Xác suất nhận C ứng với trƣờng có chuyển tiếp phân tập lớn xác suất ứng với trƣờng hợp khơng có chuyển tiếp phân tập - Xác suất nhận lớn đồng nghĩa với độ tin cậy tuyền tin lớn Độ tin cậy lớn đồng nghĩa với việc số lần truyền lại Mà nhƣ kết luận mạng cảm biến trình truyền tin, trao đổi liệu q trình tiêu tốn lƣợng Do giảm thiểu truyền lại đồng nghĩa với việc giảm thiểu tiêu hao lƣợng, giảm thiểu việc chiếm dụng băng thông mạng 48 KẾT LUẬN Luận văn thực đƣợc việc giới thiệu mạng WSN, bao gồm đặc điểm cấu tạo nút mạng, cấu hình mạng, ứng dụng mạng thách thức mạng bƣớc đƣờng phát triển (chƣơng 1) Luận văn giới thiệu tổng quan định tuyến mạng WSN(chƣơng 2), đặc biệt sâu tìm hiểu số định tuyến nhƣ chuyển tiếp phân tập, giải thuật ETX định tuyến giảm tiêu thụ lƣợng mạng WSN tăng độ tin cậy liệu (chƣơng 3) Từ nghiên cứu giao thức định tuyến tác giả luận văn vận dụng hiểu biết thu đƣợc để giải toán giả định thƣờng gặp thực tế giúp tác giả ngƣời đọc hiểu sâu sắc giải thuật cách vận dụng giải thuật vào thực tiễn ứng dụng mạng WSN Luận văn vận dụng hiểu biết giao thức để giải toán giả định, khơng có ý nghĩa sáng tạo nhƣng làm cho việc hiểu biết mạng, giao thức vận dụng vào ngữ cảnh ứng dụng thực tế khích lệ tác giả nhiều việc tìm hiểu nghiên cứu Tác giả mong nhận đƣợc góp ý, bảo thêm Thầy, Cô bạn 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: [1]Đỗ Đức Hƣng (2009), Đánh giá số giao thức mạng cảm biến khơng dây, Khóa luận tốt nghiệp, Khoa CNTT - Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng Tài liệu tiếng Anh: [2]Douglas S J De Couto Daniel Aguayo John Bicket Rober t Morris “A High – Throughput Path Metric for Multi – Hop Wireless Routing” [3]E.Khandani, E.modiano, J.Abounadi, and L.Zheng “Reliablity and Route Diversity in Wireless Network” [4] Jamal N Al-Karaki and Ahmed E Kamal, “Routing Techniques in wireless sensor network: A survey”, IEEE Wireless Communications, December 2004 [5] Bhaskar Krishnamachari Cambridge University Press The Edinburgh Building, Cambridge cʙ2 2ʀu, UK, “Networking Wireless Sensors” [6] Mehmet Can Vuran, Ian F Akyildiz, “Wireless Sensor Networks” [7] Lizhong Zheng, D.N.C Tse, “Diversity and multiplexing: a fundamental tradeoff in multiple-antenna channels,” IEEE Transactions on Information Theory, May 2003 [8]J L Laneman and G.W Wornell, “Energy-efficient antenna sharing and relaying for wireless networks,” Proc IEEE Conf On Wireless Communications Networking, vol 1, pp 7-12, Chicago, IL., Mar 2000 50