Giải thuật tập hợp dữ liệu dựa trên cluster trong mạng cảm biến không dây phân cấp có các bộ sink di động

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN THẾ ANH GIẢI THUẬT TẬP HỢP DỮ LIỆU DỰA TRÊN CLUSTER TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY PHÂN CẤP CĨ CÁC BỘ SINK DI ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Minh Hoàng Cán chấm nhận xét 1: PGS - TS Lê Tiến Thường Cán chấm nhận xét 2: TS Lưu Thanh Trà Luận văn bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 30 tháng 12 năm 2009 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP HCM PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THẾ ANH Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23-11-1980 Nơi sinh: Thái Bình Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử MSHV: 01407328 I- TÊN ĐỀ TÀI: − “Giải thuật tập hợp liệu dựa CLUSTER mạng cảm biến không dây phân cấp có SINK di động” II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: − Nghiên cứu tổng quát mạng cảm biến khơng dây WSNs − Tìm hiểu giao thức định tuyến LEACH mạng WSNs − Đề xuất giao thức định tuyến LDV (Leach Distance Vector) giao thức cải tiến so với giao thức LEACH nhằm tăng hiệu sử dụng lượng khả mở rộng kích thước mạng WSNs − Thực mô III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02-02-2009 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15-12-2009 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN MINH HOÀNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Minh Hoàng CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Minh Hồng, thầy ln tin tận tình hướng dẫn, bảo suốt trình em thực luận văn Bên cạnh đó, em xin gửi lời cám ơn đến thầy, cô giảng viên khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa TP HCM, tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm bổ ích suốt thời gian em học cao học trường Những kiến thức tích lũy qua thời gian đào tạo giúp em hồn thiện hơn, tạo tiền đề phục vụ cơng tác chuyên môn sau tốt Tôi xin gửi cám ơn đến người bạn khóa, đồng nghiệp quan với em Nguyễn Hữu Trung, anh Lê Nghĩa Lâm, anh Vũ Hùng Hải Họ nhiệt, động viên vượt qua khó khăn học tập chia sẻ cho nhiều công việc Cuối cùng, đặc biệt xin gửi lời cảm ơn ba mẹ, người thân gia đình động viên, chia sẻ, giúp đỡ vượt qua khó khăn học tập, nghiên cứu để hồn thành luận văn Nguyễn Thế Anh Đại học Bách Khoa TP HCM, 2009 Trang i TÓM TẮT LUẬN VĂN Sự phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, đặc biệt công nghệ chế tạo thiết bị điện tử đạt thành tựu to lớn Với sáng tạo người thiết bị ngày tinh vi, nhỏ gọn, mạnh mẽ đa chức Trong năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSNs) nghiên cứu triển khai đa dạng loại ứng dụng khác như: theo dõi thay đổi mơi trường, khí hậu, giám sát mặt trận quân sự, phát thám 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 viện, phát theo dấu phương tiện xe cộ Một mạng WSNs diện rộng bao gồm nhiều node cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu hao lượng ít, có tính linh động, có xử lý tính tốn, trao đổi thơng tin lẫn nhau, tập hợp liệu Thông qua kết nối vô tuyến, số liệu thu thập từ node cảm biến gửi đến trạm gốc gần nhất, sau đó, trạm gốc truyền tiếp số liệu tới trung tâm xử lý liệu cho bước phân tích Trong mạng WSNs đồng node thời gian hoạt động mạng yêu cầu quan trọng đặt thiết kế mạng WSNs Do ràng buộc lượng node cảm biến nên vấn đề tiết kiệm lượng quan tâm hàng đầu Thiết kế mạng cảm biến hoạt động hiệu thực node cảm biến qua việc cải tiến phần cứng thiết bị cải tiến giao thức truyền lớp MAC, giao thức định tuyến lớp Networks Luận văn theo xu hướng phổ biến nhằm thiết kế giao thức định tuyến lớp Networks áp dụng mạng WSNs đồng có phân cấp với mục đích chủ yếu kéo dài thời gian sống mạng tăng cường khả mở rộng phạm vi quan sát mạng Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp trình bày kiến thức tổng quan mạng WSNs, số giao thức định tuyến thuộc lớp Networks công bố, kỹ thuật áp dụng giúp tiết kiệm lượng hiệu cho mạng WSNs Trên sở đó, luận văn đề xuất giao thức định tuyến với tên gọi LDV (LEACH DISTANCE VECTOR) LDV lấy sở từ giao thức LEACH giao thức truyền tiết kiệm lượng mạng WSNs với việc kết hợp thực truyền thông multi-hop qua node để truyền liệu trạm gốc nhằm cải thiện hiệu sử dụng lượng mạng đồng thời tăng khả mở rộng kích thước mạng Trang ii CÁC TỪ VIẾT TẮT A AODV Adhoc On-demand Distance Vector ARQ Automatic Repeat Request B BS C CSGR CSMA D DD DSDV DSR DS-SS E EAR F FEC G GAF GBR GEAR GPS H HVAC I ID IEEE IP L LEACH LDV M MAC MECN N NS-2 O Base Station Cluster Switch Gateway Routing Carrier Sense Multiple Access Direct Diffusion Destination Sequenced Distance Vector Dynamic Source Routing Direct Sequence Spread Spectrum Energy Aware Routing Forward Error Correction Geographic Adaptive Fidelity Gradient Based-Routing Geographic and Energy Aware Routing Global Positioning System Heating, Ventilating and Air Conditioning Identification Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy LEACH Distance Vector Media Access Control Minimum Energy Communication Network Network simulator Trang iii OSI P PEGASIS Q QoS R RAM ROM RR S SMP SPIN SQDDP SMECN T TADAP TCP/IP TDMA TEEN TORA U UDP V VLSI W WLANs WPANs WRP WSNs Open Systems Interconnection Power Efficient gathering in Sensor information system Quality of Service Random Access Memory Read Only Memory Rumor Routing Sensor Management Protocol Sensor Protocols for Information via Negotiation Sensor Query and Data Dissemination Protocol Small Minimum Energy Communication Network Task Assignment and Data Advertisement Protocol Transmission Control Protocol/IP Time Division Multiple Access Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network Temporally Ordered Routing Algorithm User Datagram Protocol Very Large Scale Intergrate Wireless Local Area Networks Wireless Personal Area Networks Wireless Routing Protocol Wireless Sensor Networks Trang iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii CÁC TỪ VIẾT TẮT iii MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH viii DANH MỤC BẢNG viii ĐẶT VẤN ĐỀ, MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây (WSNs) 1.2 Đặt vấn đề 1.3 Các thách thức mạng WSNs 1.4 Mục tiêu đề tài TỔNG QUAN MẠNG WSNs 2.1 Sự đời WSNs 2.2 Một số ứng dụng phổ biến mạng WSNs 2.2.1 Ứng dụng WSNs cảnh báo cháy rừng 2.2.2 Giám sát điều khiển công nghiệp 2.2.3 Nhà thông minh 2.2.4 Ứng dụng an ninh, quân đội 2.2.5 Ứng dụng quản lý hàng hóa 2.2.6 Ứng dụng nông nghiệp, môi trường 2.2.7 Ứng dụng bảo vệ sức khỏe người 2.3 Tổ chức mạng WSNs 2.4 Kiến trúc khối node cảm biến tiêu biểu 10 2.4.1 Các cảm biến vô tuyến (Radio Frequency Motes) 11 2.4.2 Cảm biến nhỏ Mini Mote 11 2.4.3 Cảm biến WeC Mote 11 2.4.4 Cảm biến Mica Mote 11 2.4.5 Cảm biến Mica2 Mote 12 2.4.6 Cảm biến Mica2Dot Mote 12 2.4.7 Cảm biến Spec Mote 12 2.4.8 Cảm biến Intel Mote 12 2.4.9 Cảm biến Laser Mote 13 2.5 Kiến trúc phân lớp, phân miền WSNs 14 2.5.1 Lớp ứng dụng 14 2.5.2 Lớp vận chuyển 15 2.5.3 Lớp mạng 15 2.5.4 Lớp liên kết liệu 15 2.5.5 Lớp vật lý 16 2.5.6 Các miền quản lý 16 2.6 Các mơ hình WSNs 16 2.6.1 Mơ hình lưu lượng 16 2.6.2 Mơ hình lượng 17 Trang v 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 a Mơ hình cảm biến: 18 b Mơ hình truyền thơng 18 c Mơ hình tính tốn 19 2.6.3 Mơ hình node cảm biến 19 2.6.4 Các mơ hình mạng 20 a Mơ hình MAC 20 b Mơ hình định tuyến 21 c Mơ hình hệ thống 21 GIAO THỨC VÀ KỸ THUẬT TRONG MẠNG WSNs 23 Giới thiệu 23 Phân loại giao thức định tuyến theo cấu trúc mạng 23 3.2.1 Định tuyến theo cấu trúc Flat 23 a Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN) 23 b Directed diffusion (DD) 24 c Rumor routing (RR) 24 d Gradient-based routing (GBR) 24 e Energy Aware Routing (EAR) 24 3.2.2 Định tuyến theo cấu trúc phân cấp 25 a Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) 25 b Power Efficient gathering in Sensor information system (PEGASIS) 25 c Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network (TEEN) 25 3.2.3 Định tuyến theo vị trí 26 a MECN SMECN 26 b GAF 27 c GEAR 27 Phân loại giao thức định tuyến theo chế hoạt động 28 3.3.1 Cơ chế hoạt động theo kiểu đa đường (multipath-based) 28 3.3.2 Cơ chế hoạt động theo kiểu truy vấn (query-based) 28 3.3.3 Cơ chế hoạt động theo kiểu thương lượng (negotiation-based) 28 3.3.4 Cơ chế hoạt động theo kiểu chất lượng dịch vụ (QoS-based) 29 3.3.5 Cơ chế hoạt động theo kiểu phối hợp (coherent-based) 29 Giao thức định tuyến mạng Ad-hoc tùy biến 29 3.4.1 Giao thức định tuyến dựa vào bảng định tuyến thiết lập trước 29 a Giao thức Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) 29 b Giao thức Wireless Routing Protocol (WRP) 30 c Giao thức Cluster Switch Gateway Routing (CSGR) 30 d Đánh giá 31 3.4.2 Định tuyến dựa vào bảng định tuyến thiết lập theo yêu cầu 31 a Dynamic Source Routing (DSR) 31 b Adhoc on-demand Distance Vector (AODV) 32 c Temporally Odered Routing Algorithm (TORA) 32 d Đánh giá 33 Định tuyến Multi-hop 33 Phương thức thiết kế chéo lớp (Cross Layer Design) 35 Trang vi 3.7 Kỹ thuật phân nhóm (Clustering) mạng WSNs 35 3.7.1 Các kỹ thuật phân nhóm WSNs 36 3.7.2 Lựa chọn node 38 3.7.3 Thực thi thuật tốn phân nhóm 38 3.7.4 Các kỹ thuật phân nhóm lặp 38 3.7.5 Các kỹ thuật phân nhóm có tính xác suất 39 a Giai đoạn thiết lập nhóm 39 b Giai đoạn ổn định trạng thái 40 3.8 Kỹ thuật tập hợp liệu (Data Aggregation) 41 3.8.1 Mục đích tập hợp liệu 41 3.8.2 Mơ hình tập hợp liệu 43 3.8.3 Yếu tố ả ... Kỹ thuật điện tử MSHV: 01407328 I- TÊN ĐỀ TÀI: − ? ?Giải thuật tập hợp liệu dựa CLUSTER mạng cảm biến không dây phân cấp có SINK di động? ?? II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: − Nghiên cứu tổng quát mạng cảm. .. tiện xe cộ Một mạng WSNs di? ??n rộng bao gồm nhiều node cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu hao lượng ít, có tính linh động, có xử lý tính tốn, trao đổi thơng tin lẫn nhau, tập hợp liệu Thông qua... Kỹ thuật phân nhóm (Clustering) mạng WSNs 35 3.7.1 Các kỹ thuật phân nhóm WSNs 36 3.7.2 Lựa chọn node 38 3.7.3 Thực thi thuật tốn phân nhóm 38 3.7.4 Các kỹ thuật