Các phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến vô tuyến

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - Thực : VÕ NGUYÊN SƠN MSHV : 01403326 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG CHO MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN Đề tài: Chuyên ngành : Mã số ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ 2.07.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07/2005 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Tiến Só Nguyễn Minh Hoàng Ký tên: Cán chấm nhận xét 1: ………………………………………………………………………………… ……… Ký tên: Cán chấm nhận xét 2: ………………………………………………………………………………… ……… Ký tên: Luận văn thạc só bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2005 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ NGUYÊN SƠN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01.01.1980 Nơi sinh: Huế Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến – điện tử MSHV: 01403326 I TÊN ĐỀ TÀI : CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG CHO MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tổng quan mạng cảm biến vố tuyến (WSNs - Wireless Sensor Networks) - Tìm hiểu nghi thức định tuyến mạng tương đồng (không quan tâm đến vấn đề lượng) nghi thức định tuyến dùng cho WSNs (có quan tâm đến lượng) tồn - Chọn lựa nghi thức định tuyến tiết kiệm lượng dùng cho WSNs để phân tích đánh giá từ phát triển - Đề nghị phương pháp nhằm thực định tuyến tiết kiệm lượng cho WSNs Tổng kết, đánh giá phương pháp thông qua kết mô III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :17.01.2005 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :30.07.2005 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TIẾN SĨ NGUYỄN MINH HOÀNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng chuyên Ngành thông qua Ngày PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH tháng năm KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CÁM ƠN Tôi chân thành gởi lời biết ơn sâu sắc Thầy Giáo Hướng dẫn TS.Nguyễn Minh Hoàng công tác Khoa Điện- Điện tử, trường ĐH Bách khoa, ĐH Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn, định hướng, giúp đỡ hoàn thành luận văn thạc só thông qua buổi báo cáo định kỳ Chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô tận tình giảng dạy, trang bị kiến thức cần thiết suốt thời gian năm học tập nghiên cứu trường Chân thành cảm ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện tốt cho suốt khóa học Chân thành cảm ơn đồng nghiệp Khoa Điện – Điện tử Viễn thông, trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp.HCM tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập Và cuối cùng, cảm ơn bạn học viên cao học ngành kỹ thuật Vô tuyến- Điện tử khoá 14 gia đình ủng hộ, giúp đỡ học tập thực luận văn tốt nghiệp Võ Nguyên Sơn Abstract: Recent advances in micro-electro-mechanical systems (MEMS) technology, wireless communications, and digital electronics have enabled the development of low-cost, low-power, multifunctional sensor nodes that are small in size and communicate untethered in short distances These tiny sensor nodes, which consist of sensing, data processing, and communicating components, leverage the idea of sensor networks based on collaborative effort of a large number of nodes Sensor networks represent a significant improvement over traditional sensors, which are deployed in the following two ways: • Sensors can be positioned far from the actual phenomenon, i.e., something known by sense perception In this approach, large sensors that use some complex techniques to distinguish the targets from environmental noise are required • Several sensors that perform only sensing can be deployed The positions of the sensors and communications topology are carefully engineered They transmit time series of the sensed phenomenon to the central nodes where computations are performed and data are fused WSNs are dense wireless networks of heterogeneous nodes (up to hundreds of nodes in range of metres) Sensors can sense far from the natural entities and phenomenons for example earthquake, magnetic, temperature, moisture, pressure, sound, image, nuclear and biologiacal and camical attack detection … After sensed by sensor node (source node), data is processed and transmitted to the sink (destination) Unlike many other networks, WSNs consist of nodes that have small size (less than cm3) and poor power A node is failed when the power runs out, so the topology of a sensor network changes Re-configuring the sensor network or re-routing makes a dissipation of available energy of every node In addition, we can not change directly a new energy for a failed node All layers of protocol stack of WSNs (from physical layer to application layer) as well as all planes (task management plane, mobility management plane, power management plane) are interested in how to use energy optimally in each node or path In other words, this finds the best path with low overhead to increase lifetime of network Energy-saving routing to get a longer lifetime of Wireless Sensor Networks (WSNs) is always the most important that is encouraged to develop as an open research There are previously proposed algorithms such as EAR (Energy-Aware Routing), MR (Multipath Routing) with the object of spreading data (EAR) or providing greater resilience in the presence of failures, high reliability, less flooding (MR) They not take full advantage of paths that have a good available energy and low cost as well as not use the paths which have less energy before it fails In this thesis, a new algorithm is introduced for WSNs to improve above problem, called EAMR Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ, MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .9 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài .9 TỔNG QUAN VỀ WSNs 11 2.1 Giới thiệu WSNs 11 2.1.1 Sự đời WSNs 11 2.1.2 Các ứng dụng WSNs 12 2.1.2.1 Giaùm sát điều khiển công nghiệp 12 2.1.2.2 Nhà thoâng minh 13 2.1.2.3 Các ứng dụng an ninh quân đội 13 2.1.2.4 Các ứng dụng quản lý hàng hoá 13 2.1.2.5 Các ứng dụng nông nghiệp, môi trường 14 2.1.2.6 Các ứng dụng bảo vệ sức khoẻ người 14 2.1.3 Những mục tiêu đề triển khai mạng 14 2.1.3.1 Tiêu hao công suất thấp 14 2.1.3.2 Chi phí thấp 15 2.1.3.3 Chuẩn hoá giao thức 15 2.1.3.4 Khả ứng dụng rộng rãi 15 2.1.3.5 Kiến trúc mạng sử dụng 16 2.1.3.6 Tính an toàn bảo mật 16 2.1.3.7 Lưu lượng liệu 17 2.1.3.8 Trì hoãn thông điệp .17 2.1.3.9 Tính linh động 17 2.1.4 Các yếu tố quan trọng triển khai mạng WSNs 17 2.1.4.1 Mức độ hỏng cuûa nodes 17 2.1.4.2 Số lượng nodes 18 2.1.4.3 Chi phí 18 2.1.4.4 Thiết kế phần cứng 18 2.1.4.5 Topo maïng .19 2.1.4.6 Môi trường triển khai 20 2.1.4.7 Phương tiện truyền thông 20 2.1.4.8 Tiêu hao công suất 21 2.2 Sự phát triển WSNs .23 2.2.1 Những mạng vô tuyến trước WSNs 23 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks 2.2.1.1 Hệ thống ALOHA 23 2.2.1.2 Hệ thống PRNET 23 2.2.1.3 Mạng gói vô tuyến nghiệp dư .24 2.2.1.4 Mạng LAN vô tuyến .24 2.2.1.5 Maïng cá nhân vô tuyến 25 2.2.2 Caùc mạng cảm biến vô tuyến 25 2.2.2.1 Mạng cảm biến tích hợp vô tuyến (WINS – Wireless Integrated Network Sensors) 26 2.2.2.2 PicoRadio .26 2.2.2.3 µAMPS 26 2.2.2.4 Maïng di động Ad Hoc (MANET – Mobile Ad Hoc Networks) 27 2.2.2.5 WSNs số mạng vô tuyến khác 27 2.3 Kiến trúc, giao thức hoạt động mạng WSNs 27 2.3.1 Giới thiệu 27 2.3.2 Kiến trúc phân lớp, giao thức hoạt động WSNs 28 2.3.2.1 Lớp ứng duïng .28 2.3.2.2 Lớp chuyển vận .29 2.3.2.3 Lớp mạng .30 2.3.2.4 Lớp liên kết liệu .30 2.3.2.5 Lớp vật lý .32 2.3.2.6 Miền quản lý chức năng, quản lý di chuyển, quản lý công suất 32 2.4 Tổng kết .33 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG CHO WSNs 34 3.1 Sơ lược phương pháp định tuyến mạng không quan tâm đến lượng nodes 34 3.1.1 Giải thuật định tuyến dựa vào bảng định tuyến thiết lập 34 3.1.1.1 Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) 34 3.1.1.2 Wireless Routing Protocol (WRP) 35 3.1.1.3 Cluster Switch Gateway Routing (CSGR) 35 3.1.1.4 Nhận xét 36 3.1.2 Giải thuật định tuyến với bảng định tuyến thiết lập có yêu cầu 36 3.1.2.1 Dynamic Source Routing (DSR) 36 3.1.2.2 Adhoc On-demand Distance Vector (AODV) 37 3.1.2.3 Temporally Ordered Routing Algorithm (TORA) 37 3.1.2.4 Nhận xét 38 3.2 Phương pháp định tuyến tiết kiệm lượng cho WSNs 38 3.2.1 Giới thiệu 38 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks 3.2.2 Sơ lượt giao thức định tuyến quan tâm đến lượng tồn 39 3.2.2.1 Maximum Available Power Routing (PA) 39 3.2.2.2 Minimum Energy Routing (ME) 40 3.2.2.3 Minimum hop route (MH) .40 3.2.2.4 Maximum Minimum PA Routing (MMPA) 40 3.2.2.5 Flooding vaø Gossiping 40 3.2.2.6 SPIN (Sensor Protocols for information via negotiation) .41 3.2.2.7 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) .42 3.2.2.8 Directed Diffusion 45 3.2.2.9 Multipath Routing 46 3.2.2.10 EAR (Energy-Aware Routing) 50 3.2.2.11 EAR+A (Altruist Routing) 54 3.2.3 Tổng kết 55 GIẢI PHÁP ĐỀ NGHỊ THỰC HIỆN ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG 57 4.1 Giới thiệu .57 4.2 Multipath vaø EAR 57 4.2.1 Ưu điểm multipath sử dụng 57 4.2.1.1 Cô sở lý thuyết phân tích mô hình xác suất lỗi .58 4.2.1.2 Disjoint multipath 60 4.2.1.3 Braided multipath 62 4.2.1.4 Kết mô đánh giá disjoint, braided multipath vaø single path 63 4.2.1.5 Tìm số tuyến thích hợp cho disjoint multipath .68 4.2.2 Ưu điểm EAR sử dụng 69 4.3 Giải thuật định tuyến EAMR (Energy-Aware Multipath Routing) 69 4.3.1 Thiết lập tuyến 69 4.3.2 Truyền liệu 70 4.3.3 Duy trì tuyến .70 4.4 Đánh giá giải thuaät 71 4.4.1 Vấn đề cân tải thời gian sống mạng 71 4.4.1.1 Cân tải 71 4.4.1.2 So sánh EAMR với Multipath1 (dữ liệu gởi thành tất tuyeán) .71 4.4.1.3 So sánh EAMR Mutipath2 (dữ liệu chia thành gói nhỏ tất tuyến) 72 4.4.2 Vấn đề chi phí flooding 74 4.4.3 Vấn đề khắc phục lỗi node 74 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks 4.4.4 Vấn đề bão hòa thời gian sống tăng dần số tuyến 74 4.4.5 Chi tiết giải thuật EAMR 75 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 77 5.1 Đánh giá kết 77 5.2 Hướng phát triển đề tài 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .79 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Các khối chức node cảm biến 19 Hình 2.2 Mô hình tổng quát mạng WSNs 27 Hình 2.3 Mô hình kiến trúc phân lớp WSNs .28 Hình 3.1 Mô tả trình truyền liệu từ host M1 đến host M2 35 Hình 3.2 Mức lượng tuyến 39 Hình 3.3 Mô tả giao thức SPIN 41 Hình 3.4 Mạng LEACH với P = 0.2, n = 20, kích thước 100x100 mét 44 Hình 3.5 Mô tả trình directed diffusion .45 Hình 3.6 Mô tả cách tìm đường "cơ sở" 47 Hình 3.7 Mô tả trình tìm đường phụ 47 Hình 3.8 Kết định tuyến đa đường không chồng lấp 48 Hình 3.9 Kết phương pháp định tuyến braided multipath 48 Hình 3.10 Một kết khác phương pháp định tuyến braided multipath 49 Hình 3.11 Quá trình flooding từ đích đến nguồn 51 Hình 3.12 Ví dụ trình node đích thực flooding 53 Hình 3.13 Ví dụ tính toán hao phí trung bình node .53 Hình 3.14 Mô tả trình chọn node làm trung gian theo xác suất 54 Hình 4.1 Một tuyến kết nối nodes mô hình multipath .58 Hình 4.2 Ví dụ multipath với N = .58 Hình 4.3 Mô hình chuyển trạng thái tuyến 59 Hình 4.4 Quá trình lỗi ngẫu nhiên kết nối khoảng thời gian τ 60 Hình 4.5 Mô hình braided multipath phân tích 62 Hình 4.6 Mô hình disjoint multipath thục mô 64 Hình 4.7 So sánh disjoint multipath single path 65 Hình 4.8 Kỳ vọng E(T) disjoint multipath thay đổi theo số tuyến N .65 Hình 4.9 Kết mô phoûng cho braided multipath 66 Hình 4.10 Mô hình so sánh braided (a) vaø disjoint (b) 67 Hình 4.11 Kết so sánh braided disjoint multipath 67 Hình 4.12 Kết so sánh EAMR Multipath1 .71 Hình 4.13 Kết so sánh EAMR Multipath1 thay đổi số tuyến 72 Hình 4.14 Kết so sánh EAMR vaø Multipath2 .73 Hình 4.15 So sánh EAMR Multipath2 thay đổi số tuyến 73 Hình 4.16 Thời gian sống mạng bị bảo hòa tăng số tuyến .75 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks Braided multipath vaø single path Mô mô tả hình 4.5 Số tuyến phụ với số hops tuyến sở Kết mô hình 4.9 với thông số sau: l = 5, k = số hop tuyến sở Trường hợp A: số hop tuyến thứ i k i = k − i + Trường hợp B: k i = k − i + Trường hợp B: k i = k − i + Keát so sánh với trường hợp single path rõ ràng braided multipath tốt so với single path Hình 4.9 Kết mô cho braided multipath Disjoint multipath braided multipath Các mô hình thực so sánh disjoint multipath braided multipath hình 4.10 sau 66 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks Hình 4.10 Mô hình so sánh braided (a) disjoint (b) Như vậy, với mô hình thông số mô disjoint tương ứng với trường hợp B (đã đề cập) braided tương ứng với trường hợp A (đã đề cập) Kết mô hình 4.11 Hình 4.11 Kết so sánh braided disjoint multipath 67 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks Với kết ta thấy rằng, braided multipath tốt so với disjoint multipath mật độ số tuyến số hops tăng thời gian sống phương pháp gần với mật độ thưa phương pháp braided hiệu so với disjoint Với mulltipath có nhiều tuyến lúc sử dụng từ kết trình tìm đường Một nhược điểm multipath đề cập tuyến ưu tiên (ưu tiên chọn tuyến sở) chọn sở thông điệp flooding tuyến đến node đích trước Điều dẫn đến kết tuyến ưu tiên số hop lại nhiều tuyến khác Và dó nhiên, số hop tuyến tăng điều tốt kết mô kỳ vọng thời gian sống giảm tăng số hop tuyến tăng Như vậy, bắt buộc số hop phải giới hạn thông điệp flooding với mục đích: thứ hạn chế xác suất tuyến bị hỏng thứ trách trường hợp lặp vòng flooding (khi số hop lớn tuyến từ node đích đến node nguồn) Điều thực cách thông điệp flooding trước khỏi node nguồn gán giá trị định, giá trị giảm dần qua node trung gian để đến đích Nếu giá trị mà node node đích thông điệp bị hủy 4.2.1.5 Tìm số tuyến thích hợp cho disjoint multipath Các kết mô hình 4.8 cho thấy số tuyến tăng kỳ vọng E(T) tiến tới giá trị bảo hòa Chọn nhiều tuyến, thời gian sống mạng tăng chậm đến giá trị định (ở ta chưa đề cập đến vấn đề chi phí thông tin dư thừa cần thêm vào tăng tỷ lệ theo số tuyến) Một cách để tìm số tuyến thích hợp thông qua giá trị lưu lượng trung bình qua tuyến thông tin dư thừa thêm vào Tức ta phải cân nhắc lưu lượng tuyến thông tin dư thừa thêm vào điều sử dụng trường hợp liệu chia thành N gói nhỏ truyền N tuyến Gọi : Tf tổng lưu lượng qua N tuyến lần truyền liệu từ “nguồn” “đích” R: thông tin dư thừa cần thêm vào để truyền subpacket tuyến Như vậy, lưu lượng trung bình Tfa mội tuyến giảm theo số tuyến qua biểu thức: Tfa = Tf +R N (4.28) 68 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks Nhưng thông tin dư thừa cần thêm vào lại tăng dần theo số tuyến theo biểu thức: Rf = RN (4.29) Như vậy, số tuyến N thích hợp chọn đơn giản nghiệm phương trình: Tf Tf + R = RN hay N − N − =0 N R (4.30) Ví dụ: tổng lưu lượng lần truyền có Tf = 100 bytes, thông tin dư thừa cần thêm vào cho subpacket bytes N chọn tuyến Hoặc cách khác chọn lựa số tuyến là: số tuyến chọn tương ứng với giá trị kỳ vọng khoảng từ 80 đến 90% giá kỳ vọng bão hoà (dựa kết mô phỏng) Như vậy, để tăng hiệu suất sử dụng tuyến, việc giảm bớt số tuyến hình thành trình flooding cần thiết số tuyến bị loại bỏ phải số tuyến mà có nhiều hop Bởi tuyến nhiều hop kỳ vọng thời gian sống tuyến thấp 4.2.2 Ưu điểm EAR sử dụng Trong multipath, sau tuyến từ node nguồn đến node đích thiết lập, node trung gian hoàn toàn hết thông tin chi phí (số hop, lượng sẵn có node, chi phí truyền liệu node) để truyền liệu đến node Trong đó, EAR thực điều Như vậy, EAMR, thiết lập tuyến multipath kết hợp với việc tính toán chi phí suy xác suất EAR truyền liệu multipath thông qua kết tính xác suất trước Sự kết hợp phương pháp đề cập chi tiết phần 4.3 4.3 Giải thuật định tuyến EAMR (Energy-Aware Multipath Routing) Để đơn giản cho việc phân tích mô phương pháp disjoint multipath sử dụng kết hợp với EAR EAMR thực thông qua bước sau: 4.3.1 Thiết lập tuyến Tìm đường sở đường phụ mô tả phần 3.2.2.9 kết hợp với tính toán chi phí mô tả phần 3.2.2.10 khác chổ node chứa thông tin node kế cận (tốt nhất) bảng định tuyến theo hướng trở 69 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks veà node "đích" Ngoài ra, thông tin số bước nhảy (hop) nguồn đích tuyến chọn phải thêm vào thông điệp flooding 4.3.2 Truyền liệu Có cách thực truyền liệu với mục đích đạt khác Cách thứ nhất: Sau thiết lập k tuyến không trùng lấp từ node "đích" đến node "nguồn", node "nguồn" gởi liệu giống tất tuyến với mục đích hạn chế lỗi đường truyền lỗi node (không cần phải thực truyền lại liệu có vài node hỏng), đồng thời làm giảm chu kỳ flooding việc flooding trường hợp multipath thực tất k tuyến từ "đích" đến "nguồn" hỏng [3] Cái giá phải trả cho cách chi phí truyền liệu cao truyền Trong cách thứ 2, liệu "nguồn" chia thành nhiều gói nhỏ truyền k tuyến với mục đích phân phối liệu dàn trải (cân tải) hạn chế việc thực flooding đồng thời cho phép phát tuyến bị hỏng nhanh chóng thông qua thông tin dư thừa thêm vào gói nhỏ Cái giá phải trả phương pháp chi phi thông tin dư thừa bắt buộc thêm vào [8] Với EAMR, sau node "nguồn" có thông tin tuyến chi phí tuyến Node "nguồn" tính toán xác suất tuyến chọn Mục đích ưu tiên truyền nhiều liệu tuyến có mức lượng thấp trước tiên có lý Thứ tận dụng tuyến trước bị cạn lượng, thứ giảm số tuyến chi phí thông tin dư thừa thêm vào giảm Xác suất tuyến chọn mà lưu lượng liệu cao tương ứng với lượng sẵn có node trung gian tuyến thấp Và cuối cùng, tuyến hết lượng, tuyến có mức lượng cao lại tận dụng truyền với lưu lượng liệu lớn tổng chi phí thông tin dư thừa thêm vào thấp Một luồng liệu cần truyền chia thành gói nhỏ với kích thước khác tuyến tuỳ theo xác suất tuyến chọn truyền lớn hay nhỏ Các gói trước truyền thêm vào thông tin dư thừa (ví dụ số thứ tự) để từ node "đích" khôi phục lại luồng liệu ban đầu phát lỗi sửa sai 4.3.3 Duy trì tuyến Để thực trì tuyến, giá trị xác suất tính toán lại định kì theo yêu cầu node "nguồn" cho đảm bảo cập nhật xác thông tin chi phí (bởi sau khoảng thời gian định mức độ suy hao lượng vị trí 70 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks node khác nhau) Việc thực flooding để trở bước thứ tất k tuyến bị hỏng thông tin vị trí, mức lượng không tin cậy 4.4 Đánh giá giải thuật 4.4.1 Vấn đề cân tải thời gian sống mạng 4.4.1.1 Cân tải Cân tải mục tiêu quan trọng định tuyến cho mạng WSNs việc thực tải cho phép mạng hoạt động lâu Giải thuật EAMR hiệu thực cân tải, tận dụng việc dàn trải lưu lượng liệu cao tuyến có hao phí nguồn lượng sẵn có cao tận dụng việc truyền liệu tuyến có mức lượng thấp trước bị hỏng 4.4.1.2 So sánh EAMR với Multipath1 (dữ liệu gởi thành tất tuyến) Như mô tả hình 4.12, kết thời gian hoạt động mạng lâu với EAMR so sánh với Multipath1 Thời gian sống tăng dần theo số tuyến tăng (hình 4.12a với N = 10 hình 4.12b với N = 15) Và cách biệt thời gian sống phương pháp rõ a) Number of paths = 10 b) Number of paths = 15 Length of data = 100 (bytes) Length of data = 100 (bytes) Header = (bytes) Header = (bytes) Redundancy added = (bytes) Redundancy added = (bytes) Hình 4.12 Kết so sánh EAMR Multipath1 71 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks Length of data = 100 (bytes), Header = (bytes) Redundancy added = (bytes) Hình 4.13 Kết so sánh EAMR Multipath1 thay đổi số tuyến Trong hình 4.13 cách tổng quan để so sánh EAMR Multipath1 mô tả Ở đây, mạng hoạt động với thời gian thay đổi số tuyến Trong cách mô này, thời gian sống mạng bảo hoà tăng dần số tuyến Trong hình, sở dó có đường nằm ngang kề từ vị trí có số tuyến N = tuyến thứ có mức lượng sẵn có cao Trong phương pháp Multipath1, thời gian sống mạng (cục bộ) phụ thuộc vào tuyến Vì gói liệu truyền thành copy tất tuyến nên tất tuyến hỏng tuyến có mức lượng sẵn có cao hỏng Khái niệm tuyến “hỏng” có nghóa node tuyến bị cạn kiệt lượng 4.4.1.3 So sánh EAMR Mutipath2 (dữ liệu chia thành gói nhỏ tất tuyến) Từ kết mô hình 4.14 ta thấy rằng, Multipath2 trường hợp tốt Multipath1 EAMR ưu Hình 4.15 cho ta nhìn tổng quan để so sánh EAMR Multipath2 trường hợp mạng hoạt động với thời gian thay đổi số tuyến Nếu số tuyến thấp rõ ràng phương pháp EAMR Multipath2 tương đương Nhưng số tuyến tăng EAMR tốt so với Multipath2 72 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks a) Number of paths = 10 b) Number of paths = 15 Length of data = 100 (bytes) Length of data = 100 (bytes) Header = (bytes) Header = (bytes) Redundancy added = (bytes) Redundancy added = (bytes) Hình 4.14 Kết so sánh EAMR Multipath2 Length of data = 100 (bytes), Header = (bytes) Redundancy added = (bytes) Hình 4.15 Kết so sánh EAMR Multipath2 thay đổi số tuyeán 73 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks 4.4.2 Vấn đề chi phí flooding Khi thời gian hoạt động k tuyến kéo dài, tức việc thực flooding cục flooding tiến hành tất k tuyến bị hỏng Như vậy, chi phí cho flooding giảm EAMR Một điểm cần quan tâm làm giảm tần suất thực flooding tần suất giảm thấp tức khoảng thời gian lần flooding lâu chưa hẳn tốt trường hợp mạng có độ linh động cao (tức node thường xuyên di chuyển) Vì với mạng này, thông tin vị trí node liên tục thay đổi, không thực tăng tần suất flooding thông tin chi phí tính toán sử dụng không xác 4.4.3 Vấn đề khắc phục lỗi node EAMR phương pháp định tuyến đa đường, node lỗi, tuyến node bị hỏng Trong trường hợp Multipath (gởi liệu) điều không ảnh hưởng đến việc thu liệu node "đích" tuyến phụ khác hư hỏng "đích" nhận copy khác thông qua tuyến phụ Với EAMR, node "đích" dựa vào thông tin dư thừa thêm vào gói liệu chia nhỏ để phát tuyến có chứa node bị hỏng Sau đó, node "đích" gởi yêu cầu truyền lại gói hỏng tuyến khác, đồng thời thông báo cho node nguồn biết có tuyến bị hỏng để tuyến không sử dụng cho lần sau Hoặc thực chế phát lỗi sữa lỗi môi trường truyền có xác suất lỗi cao Và không làm giảm độ tin cậy 4.4.4 Vấn đề bão hòa thời gian sống tăng dần số tuyến Mặc dù kết mô phỏng, thời gian sống tăng tăng số tuyến Nhưng số tuyến lớn chi phí thông tin dư thừa thêm vào tăng làm giảm thời gian sống Điều đề cập trước Như có giá trị N (số tuyến mà thời gian sống mạng không tăng nữa) Hình 4.16 cho ta thấy rõ điều Vì vậy, việc chọn số tuyến thích hợp cần thiết để cân đối chi phí flooding, chi phí thông tin dư thừa thêm vào, lưu lượng liệu qua tuyến thời gian sống mạng Trong tất kết mô phỏng, số tuyến chọn lựa thích hợp không tính toán 74 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks Hình 4.16 Thời gian sống mạng bị bảo hòa tăng số tuyến 4.4.5 Chi tiết giải thuật EAMR Quá trình tính toán mô thực chi tiết sau: Bước 1: Thiết lập thông số ban đầu: Số tuyến N Kích thước nguồn liệu: L (bytes) Kích thước Header: H (bytes) Số byte dư thừa thêm vào gói chia nhỏ: R Năng lượng sẵn có hao phí tuyến qui đổi thành lượng liệu cực đại cho phép truyền qua tuyến đó: Emax(i) Trong i = 1, 2, … N Gán số gói truyền tuyến ban đầu Ei(i) = N Tính tổng lượng toàn mạng E max = ∑ E max i(i) i =1 Thời gian ban đầu t = (đvtg - tương ứng với số vòng lặp) Bước 2: Tính xác suất tuyến choïn 75 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks Pi (i ) = E max i (i ) N ∑ E max i(i) i =1 hoán vị xác suất Pi ( N ) = Pi(1), Pi( N − 1) = Pi (2) để tận dụng truyền liệu tuyến có mức lượng thấp trước hỏng Bước 3: Tính kích thước gói liệu truyền tuyến Ei (i ) = Pi (i ) × L + H + R Bước 4: Tính lượng lại tuyến E max i (i ) = E max i (i ) − Ei(i ) Bước 5: Nếu E max i(i) ≤ N = N –1 E max i ( j ) = Max{E max i ( j )} − * Ei (i ); j = 1, N 2*Ei(i) chi phí truyền lại Bước 6: Nếu N ≠ t=t+1 N vẽ đồ thị ∑ E max i(i) i =1 E max = f (t ) lặp lại bước 2) Nếu N = trình kết thuùc 76 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Đánh giá kết Phạm vi ứng dụng WSNs lớn Tuy nhiên, việc thiết kế WSNs hoạt động tốt, mềm dẻo, dễ dàng triển khai vào ứng dụng thực tế gặp nhiều khó khăn nhiều nguyên nhân, nguyên nhân lượng node mạng bị giới hạn trực tiếp thay quan trọng Theo đó, sử dụng nguồn lượng sẵn có node không hiệu làm cho trình truyền thông bị gián đoạn, mạng trở nên rời rạc phải tự tổ chức lại mạng Điều làm tốn chi phí giảm thời gian sống mạng Đề tài tập trung nghiên cứu nhằm cải thiện vấn đề phạm vi hẹp sở định tuyến Tức tìm giải thuật định tuyến mà theo nguồn lượng sử dụng cách hiệu để làm tăng thời gian sống mạng Luận văn hoàn tất tháng, từ tháng 02-05 đến tháng 07-05 Với kết sau: Từ 01-02-05 đến 28-02-05: Hoàn thành việc tham khảo tài liệu, nắm bắt hiểu rõ tổng quan kiến trúc nghi thức hoạt động mạng WSN báo cáo kết đạt Từ 01-03-05 đến 31-03-05: Hoàn thành việc tìm hiểu giải pháp thực tối ưu hoá công suất đề suất, tổng hợp, đánh giá báo cáo kết đạt Từ 01-04-05 đến 30-04-05: Hoàn thành việc tập trung nghiên cứu tìm giải pháp (EAMR) nhằm cải tiến tối ưu hoá công suất hoạt động WSNs báo cáo kết đạt Từ 01-05-05 đến 31-05-05: Tiếp tục tìm hiểu sâu, mở rộng so sánh với nhiều phương pháp khác báo cáo kết đạt Từ 01-06-05 đến 30-06-05: Tổng hợp, đánh giá kết đạt được, hoàn chỉnh chi tiết luận văn Viết báo (Disjoint and Braided Multipath Routing for WSNs vaø EnergyAware Multipath Routing for WSNs) dự hội nghị chuyên đề ASEE 2005 77 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks (International Advanced Symposium on Electrical – Electronics Engineering) Ho Chi Minh City, October 11-12 th, 2005 Tóm lại, EAMR giải thuật định tuyến đa đường kết hợp với EAR Như kết mô phỏng, với giải thuật EAMR thời gian sống mạng tăng so với phương pháp định tuyến đa đường truyền thống Multipath1 Multipath2 5.2 Hướng phát triển đề tài Phương pháp định tuyến EAMR đề nghị so sánh đánh giá với phương pháp multipath (cụ thể disjoint multipath) Việc tiếp tục thiết lập mô hình thực so sánh EAMR với phương pháp định tuyến khác (như Braided multipath, EAR, …) cần thiết Ngoài ra, trình thực mô phương pháp EAMR, node định nghóa hỏng lượng sẵn có node bị cạn kiệt, hoàn toàn không môi trường tác động (tức không đưa thông số xác suất hỏng node ngẫu nhiên vào mô phỏng) tính toán số tuyến tối ưu ràng buộc tần suất flooding trước thực mô Nếu tất thông số đưa vào toán trở nên phức tạp có kết xác thực phương pháp Với WSNs có nhiều hướng nghiên cứu không tập trung lớp mạng mà lớp miền khác mô hình kiến trúc phân lớp WSNs Tất nghiên cứu xoay quanh vấn đề tiết kiệm lượng hoạt động WSNs Ví dụ lớp vật lý, phương pháp điều chế tín hiệu quan tâm thiết kế anten thông minh chẳng hạn Ở lớp liên kết liệu, trình điều khiển sai, chế truy xuất môi trường truyền … phải thực nào? Các giao thức lớp chuyển vận phần mềm lớp ứng dụng miền quản lý, … tất nghiên cứu cải tiến theo hướng mở để dần đưa WSNs trở thành sản phẩm thương mại Tức, WSN hoạt động tốt, chuẩn hoá để tương thích với mạng tồn tại, đặc biệt chi phí không cao để triển khai cho ứng dụng 78 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ad Hoc Tutorial, pp.14-15 [2] Computer Networks, Fourth Edition, Andrew S Tanenbaum, ISBN 0-13-066102- [3] Highly-Resilient, Energy-Efficient Multipath Routing in Wireless Sensor Networks, Mobile Computing and Communications Review, Deepak Ganesan, 3, pp.357 Ramesh Govindan, Scott Shenker, Deborah Estrin, Volume 5, Number [4] On-demand Routing in Multihop Wireless Mobile Ad Hoc Networks, David [5] Peformance of Multipath Routing for On-demand Protocols in Mobile Ad Hoc Networks, Division of Computer Science, The University of Texas at San A.Maltz, School of Computer Science, May 2001, CMU-CS-01-130, pp.46-47 Antonio, San Antonio, TX 78249-0667, Asis Nasipuri, Robert Castaneda, Samit R.Das, pp.3-6 [6] Range Adaptive Protocols for Wireless Multihop Networks, Nattavut Smavatkul, [7] Routing and muticasting strategies in Wireless Mobile Ad Hoc Networks, Sung-Ju [8] Trade-Off between Traffic Overhead and Reliability in Multipath Routing for Wireless Sensor Networks, Stefan Dulman, Tim Nieberg, Jian Wu and Paul Dr Scott F.Midkiff, November 2000, pp.11 Lee, University of California Los Angeles, pp.32-33 Havinga [9] Wireless Sensor Networks Architectures and Protocol, Edgar H Callaway, Jr., ISBN 0-8493-1823-8, chapter 1-2 [10] Wireless Sensor Network Designs, Anna Hac’, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, pp.102-116, 181-184 [11] Wireless Sensor Networks: A survey, I.F Akyildiz, W.Su, Y.Sankarasubramaniam, E Cayirci, Computer Networks 38 (2002) 393-422 79 Methods of Energy-Saving Routing For Wireless Sensor Networks LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: VÕ NGUYÊN SƠN Ngày, tháng, năm sinh: 01-01-1980 Nơi sinh: Huế Địa liên lạc: 128 Ngô Gia Tự, K5, F5, Thành Phố Cà Mau, Tỉnh Cà Mau QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ tháng năm 1997 đến tháng năm 2002, theo học đại học trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp.HCM, chuyên ngành Điện tử – Viễn thông Từ tháng năm 2003 đến nay, theo học cao học trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp.HCM, chuyên ngành kỹ thuật Vô tuyến – Điện tử QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Từ tháng 11 năm 2001 đến tháng 12 năm 2002, làm việc Công ty Điện Tử Viễn Thông Hải Đăng, Tp.HCM Từ tháng 01 năm 2003 đến nay, làm cán giảng dạy Bộ môn Viễn thông khoa Điện – Điện tử Viễn thông, trường Đại học Giao Thông Vận Taûi Tp.HCM 80 ... thuật vô tuyến – điện tử MSHV: 01403326 I TÊN ĐỀ TÀI : CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG CHO MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tổng quan mạng cảm biến vố tuyến. .. .33 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG CHO WSNs 34 3.1 Sơ lược phương pháp định tuyến mạng không quan tâm đến lượng nodes 34 3.1.1 Giaûi thuật định tuyến. .. gói vô tuyến nghiệp dư .24 2.2.1.4 Maïng LAN vô tuyến .24 2.2.1.5 Mạng cá nhân vô tuyến 25 2.2.2 Các mạng cảm biến vô tuyến 25 2.2.2.1 Mạng cảm biến