Định tuyến trong mạng cảm ứng

B GIáo DC Và àO TO TRNG I HC BáCH KHOA Hà NI PHÙNG THANH BÌNH ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM ỨNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC Sü Kü THUậT Chuyên ngành Kỹ THUậT ĐIệN Tử NGI HNG DN KHOA HỌC: TS TRẦN THỊ NGỌC LAN Hµ Néi - Năm 2013 nh tuyn mng cm ng 2013 Mc lục Lời cam đoan Danh sách từ viết tắt Danh mục hình vẽ Lời nói đầu Chương 1: Giới thiệu chung mạng cảm biến 10 1.1 Khái niệm mạng cảm biến 10 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 10 1.2.1 Đặc điểm mạng cảm biến .10 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến .12 1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng 14 1.2.4 Các cấu trúc đặc trưng mạng cảm biến .16 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến .19 1.3.1 Ứng dụng quân đội 20 1.3.2 Ứng dụng môi trường 22 1.3.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 23 1.3.4 Ứng dụng giao thông .24 Chương Các giao thức đặc trưng mạng cảm biến 25 2.1 Giao thức đồng thời gian 25 2.1.1 Khái niệm đồng thời gian 25 2.1.2 Tại cần đồng thời gian mạng cảm biến 25 2.1.3 Sự xác đồng hồ nút cảm biến 26 2.1.4 Các yêu cầu thiết kế giao thức đồng thời gian mạng cảm biến 27 2.1.5 2.2 Phân loại giao thức đồng thời gian mạng cảm biến 27 Giao thức vị trí .39 2.2.1 Mục đích sử dụng giao thức vị trí 39 2.2.2 Phân loại giao thức vị trí 39 2.3 Kết luận 41 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Chương Định tuyến mạng cảm biến .43 3.1 Các thách thức định tuyến mạng không dây 43 3.2 Các vấn đề thiết kế mạng định tuyến không dây 43 3.2.1 Đặc tính thay đổi thời gian trật tự xếp mạng 43 3.2.2 Ràng buộc tài nguyên 44 3.2.3 Mơ hình liệu mạng cảm biến .44 3.2.4 Cách truyền liệu 45 3.3 Phân loại giao thức định tuyến 46 3.4 Giao thức trung tâm liệu 49 3.4.1 Flooding Gossiping .49 3.4.2 SPIN 50 3.4.3 Directed Diffusion 52 3.5 Giao thức phân cấp 55 3.5.1 LEACH .55 3.5.2 PEGASIS 58 3.6 Giao thức dựa vị trí 59 3.6.1 GAF .60 3.6.2 GEAR 62 3.7 Kết luận 64 Chương Mô PEGASIS Omnetpp .65 4.1 Giới thiệu Omnetpp 65 4.2 Giới thiệu PEGASIS 68 4.2.1 PEGASIS 69 4.2.2 PEGASIS cải tiến 71 4.2.3 PEGASIS Grid 73 4.3 Mô 75 4.3.1 Mơ hình lượng 75 4.3.2 Giả thiết thiết lập thơng số ban đầu cho q trính mơ 80 4.3.3 Q trình mơ PEGASIS cải tiến .81 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 4.3.4 Quá trình mô PEGASIS grid 85 4.3.5 4.4 Kết mô 87 Kết luận 94 KẾT LUẬN .95 Tài liệu tham khảo 96 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Ngồi tài liệu tham khảo trích dẫn, số liệu kết mô hướng dẫn TS Trần Thị Ngọc Lan trung thực chưa công bố cơng trình trước Những số liệu bảng biểu, biểu đồ phục vụ cho việc phân tích tác giả thu thập trình mơ Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước Hội đồng Hà Nội, Tháng Năm 2013 Học viên Phùng Thanh Bình Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Danh sách từ viết tắt ADC Analog to Digital Converter BS BaseStation CDMA Code Division Multiple Access GAF Geographic Adaptive Fidelity GEAR Geographic and Energy Aware Routing GPS Global Positioning System ID Identification LEACH Lightweight time synchronization protocol LTS Low Energy Adaptive Clustering Hiearchy MAC Media Access Control PEGASIS Perceptive localization framework PLF Power-Efficient Gathering in Sensor Information System RBS Radio frequency RF Received signal strength RSS Receiver Signal Strength Indicator RSSI Receiver Signal Strength Indicator RSSI Reference broadcast synchronization SPIN Sensor Protocol for Information via Negotiation TDMA Time Division Multiple Access UTC Coordinated Universal Time WSN Wireless Sensor Network Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Danh mục bảng Bảng 3.1 Phân loại so sánh giao thức định tuyến mạng cảm biến 48 Bảng 3.2 Miêu tả Interest sử dụng cặp thuộc tính giá trị 53 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Danh mục hình vẽ Hình 1 Sơ đồ cấu trúc mạng cảm biến 12 Hình 1.2 Cấu tạo cảm biến 13 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 14 Hình 1.4 Cấu trúc phẳng mạng cảm biến 16 Hình Cấu trúc tầng mạng cảm biến 17 Hình Cấu trúc mạng phân cấp theo chức lớp 17 Hình Nút cảm biến gắn lên mũ 21 Hình Ứng dụng mạng cảm biến mơi trường 23 Hình Ứng dụng y tế 24 Hình 10 Ứng dụng giao thông .24 Hình Đồng hai chiều bên nhận bên phát 29 Hình 2 LTS multihop phân bố .33 Hình Ví dụ RBS 35 Hình Chuyển tiếp gói liệu chuyển đổi nhãn thời gian .37 Hình Mơ hình truyền liệu sink nút 46 Hình Truyền gói Flooding 49 Hình 3 Ba tín hiệu bắt tay SPIN .51 Hình Hoạt động SPIN 51 Hình Hoạt động Directed Diffusion 54 Hình Mơ hình mạng LEACH 56 Hình Năng lượng LEACH 57 Hình Ví dụ lưới ảo GAF .61 Hình Sự chuyển trạng thái GAF .62 Hình 10 Chuyển tiếp địa lý đệ qui GEAR 64 Hình Cấu trúc phân cấp module Omnetpp 66 Hình Các kết nối Omnetpp .67 Hình Xây dựng chuỗi thuật toán Greedy 70 Hình 4 Xử lý lỗi nút chuỗi chết .70 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Hình Khắc phục PEGASIS 73 Hình Liên kết PEGASIS cải tiến 74 Hình Mơ hình PEGASIS Grid 74 Hình Liên kết PEGASIS Grid 75 Hình Mơ hình lượng đơn giản 78 Hình 10 BS gửi tin ConfigFromBS đến nút 82 Hình 11 Mơ hình chuỗi Greedy .83 Hình 12 BS gửi tin ConfigFromBS đến nút 86 Hình 13 Kết mơ PEGASIS Grid với kích thước khác 1x1, 4x4, 8x8, 10x10, 20x20 88 Hình 14 Kết mô LEACH, PEGASIS cải tiến PEGASIS Grid PEGASIS thường .89 Hình 15 PEGASIS thường có phần trăm nút sống lớn PEGASIS cải tiến .89 Hình 16 Năng lượng nút vịng thứ 590 90 Hình 17 Vị trí nút có lượng thấp vòng thứ 590 PEGASIS cải tiến 91 Hình 18 Năng lượng nút vòng 600 92 Hình 19 Năng lượng nút vòng 610 93 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Lời nói đầu Ngày nhờ có tiến nhanh chóng khoa học cơng 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 khơng phải 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 khó nạp lại Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến Trong trình tìm hiểu nghiên cứu mạng cảm biến, lựa chọn tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS Giao thức cải thiện đáng kể thời gian sống mạng cảm biến Trong phạm vi đồ án tơi tìm cách cải thiện giao thức PEGASIS chứng minh qua trình mơ Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới TS Trần Thị Ngọc Lan-bộ môn kỹ thuật thông tin-Viện điện tử viễn thông- Đại học Bách Khoa Hà Nội, tận tình bảo định hướng cho nghiên cứu đề tài Hà Nội, Tháng Năm 2013 Học viên Phùng Thanh Bình Định tuyến mạng cảm ứng 2013 ypos = 200; Hình 10 BS gửi tin ConfigFromBS đến nút Các nút nhận tin tính tốn khoảng cách đến BS nhờ thông số tọa chứa tin.Và sau gửi reply lại tin Distance_Node_To_BS: message Distance_Node_To_BS { fields: 82 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 double v_Distance; string desc; }; Trong tham số v_Distance chứa khoảng cách từ nút đến BS Sau nhận tin BS tính tốn tìm nút xa Bước xác định chuỗi: Sau tìm nút xa BS gửi tin MSG_ISFIRST đến nút xa chuỗi nút xa Nút xa tìm nút gần cho vào chuỗi q trình tiếp diễn đến khơng cịn nút ngồi chuỗi: Hình 11 Mơ hình chuỗi Greedy Bước chọn nút chủ Các nút tính tỷ lệ lượng lại khoảng cách đến BS: v_rate=N_Node->energy/N_Node->distancetoBS; 83 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Nút có tỷ lệ cao nút chủ: N_Node->ishost=true; Bước 4: Truyền liệu xử lý lỗi nút chết Nút chủ bắt đầu gửi ConfigFromBS đến nút gốc chuỗi để bắt đầu vòng truyền liệu, sau thuật tốn nêu 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=4000 bit Tại nút nhận tin tính tốn lượng nhận truyền theo cơng thức đề cập mơ hình mơ Phương trình tính toán lượng truyền tin: 𝐸𝐸𝑇𝑇𝑇𝑇 (𝑘𝑘, 𝑑𝑑 )=𝐸𝐸𝑇𝑇𝑇𝑇−𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 (𝑘𝑘 ) + 𝐸𝐸𝑇𝑇𝑇𝑇−𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (𝑘𝑘, 𝑑𝑑 ) 𝐸𝐸𝑇𝑇𝑇𝑇 (𝑘𝑘, 𝑑𝑑 )=𝐸𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 ∗ 𝑘𝑘 + ԑ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ∗ 𝑘𝑘 ∗ 𝑑𝑑 Phương trình tính tốn lượng nhận tin: 𝐸𝐸𝑅𝑅𝑅𝑅 (𝑘𝑘 )=𝐸𝐸𝑅𝑅𝑅𝑅−𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 (𝑘𝑘 ) 𝐸𝐸𝑅𝑅𝑅𝑅 (𝑘𝑘 )=𝐸𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 ∗ 𝑘𝑘 Sau lần nhận gói tin, nút kiểm tra xem 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, không thấy nút gửi liệu đến thơng báo đến nút chủ để cập nhật lại chuỗi Chuỗi bỏ qua nút chết Sau nút chủ lại gửi ConfigFromBS để bắt đầu thu thập liệu Ở sau lần truyền nhận liệu kiểm tra nút có chết hay khơng hàm sau: void Node::CheckDead() { int sonode=_BS->numNodes-_BS->soNodeDead; double maxlenght=(baselenght+byteadd*sonode)*100; 84 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 if(this->energydistancetoBS/100)*(this->distancetoBS/100)))) { this->isdead=true; } } Khi nút chết, nút chủ có nhiệm vụ gửi thơng báo đến BS, BS đếm số nút chết sau BS đưa kết 4.3.4 Q trình mơ PEGASIS grid Q trình mơ PEGASIS grid trải qua bước sau: Bước 1: Chọn nút chủ Bước 2: Thiết lập chuỗi Bước 3: Truyền liệu xử lý lỗi nút chết Bước 1: Chọn nút chủ Ban đầu BS gửi tin ConfigFromBS đến nút mạng message ConfigFromBS { fields: int posX; int posY; string desc; }; Tham số posX, posY chứa tọa độ BS ta đặt trước tọa độ BS file net.ned: xpos = xMax/2; ypos = 200; 85 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Hình 12 BS gửi tin ConfigFromBS đến nút Các nút nhận tin tính tốn khoảng cách đến BS nhờ thông số tọa chứa tin.Và sau gửi reply lại tin Msg: message Msg {fields: int posX; int posY; double v_Distance; string desc; int idAddress; 86 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 double lenght; double energy; }; Trong tham số v_Distance chứa khoảng cách từ nút đến BS Sau nhận tin BS dựa vào lượng lại nút khoảng cách đến BS để tính tỷ lệ: v_rate=it->energy/it->distance; Nút có tỷ lệ cao chọn làm nút chủ BS gửi tin MSG_ISHOST đến nút chủ Bước 2: Thiết lập chuỗi Sau trình chọn nút chủ bắt đầu tạo chuỗi, trình tạo chuỗi bao gồm trình tạo chuỗi (grid) sau nối ô với Quá trình tạo chuỗi ô dùng thuật toán greedy trường hợp PEGASIS cải tiến Bước 3: Truyền liệu xử lý nút chết Quá trình truyền liệu xử lý nút chết giống với trường hợp PEGASIS cải tiến 4.3.5 Kết mô Dưới kết mô PEGASIS Grid 1x1, 4x4, 8x8, 10x10, 20x20 87 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Hình 13 Kết mơ PEGASIS Grid với kích thước khác 1x1, 4x4, 8x8, 10x10, 20x20 Ta nhận thấy việc chọn kích thước ảnh hưởng nhiều đến kết mơ Kích thước q cao hay q thấp khơng có đường đặc tuyến tốt Ở kích thước 8x8 cho đường đặc tuyến tốt Hình 4.14 kết mô LEACH, PEGASIS thường, PEGASIS cải tiến PEGASIS grid (với kích thước 8x8) trường hợp lượng ban đầu 0.25J kích thước mạng 100x100m LEACH cho phần trăm nút sống thấp thuật tốn Trong PEGASIS grid cho phần trăm nút sống cao Trong thuật toán PEGASIS, PEGASIS thường cho phần trăm nút sống thấp nhất, PEGASIS cải tiến cho phần trăm nút sống cao PEGASIS grid cho phần trăm nút sống cao 88 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Hình 14 Kết mơ LEACH, PEGASIS cải tiến PEGASIS Grid PEGASIS thường Ta thấy có khoảng "PEGASIS thường" cho phần trăm nút sống cao so với PEGASIS cải tiến khoảng số vòng từ 590 đến 610 Hình 4.15 Hình 15 PEGASIS thường có phần trăm nút sống lớn PEGASIS cải tiến Để nghiên cứu kỹ nguyên nhân vịng thứ 590 tới vịng 610 "PEGASIS thường" có phần trăm nút sống lớn PEGASIS cải tiến ta xét lượng phân bố nút khoảng số vòng từ 590 đến 610 89 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Hình 16 Năng lượng nút vòng thứ 590 Ta thấy lượng nút PEGASIS cải tiến đa phần lớn hơn, lượng lại "PEGASIS thường" đa số nút đủ để thực truyền nhận số vịng nữa, lượng PEGASIS 90 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 cải tiến nút 17, 41, 46, 53, 54, 57 cịn Các nút có vị trí gần BS nên có tỷ số R lớn hay chọn làm nút chủ thực truyền, nhận nhiều lần dẫn đến lượng tiêu tốn vòng lớn Trong đó: 𝑅𝑅𝑖𝑖 = 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑃𝑃𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎 lượng nút i thời điểm 𝑃𝑃𝑇𝑇𝑇𝑇 lượng cần thiết để nút i truyền đến trạm sở Hình 17 Vị trí nút có lượng thấp vòng thứ 590 PEGASIS cải tiến 91 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Hình 18 Năng lượng nút vòng 600 92 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Đến vòng 600 nút 17, 41, 46, 53, 54, 57 hết lượng trở thành nút chết Nhưng lượng nút khác PEGASIS cải tiến có giá trị lớn so với PEGASIS thường nên vòng PEGASIS cải tiến có nút sống nhiều Dưới phân bố lượng vòng thứ 610 ta thấy rõ ràng lượng nút PEGASIS cải tiến nhiều so với PEGASIS thường Hình 19 Năng lượng nút vòng 610 93 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 4.4 Kết luận 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 vòng đến trạm sở Các nút thay truyền liệu hợp đến trạm sở làm cân lượng tiêu 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 sau truyền đến trạm sở Hơn thường xảy tượng nút cổ chai nút chủ Hướng nghiên cứu cần khắc phục nhược điểm 94 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 KẾT LUẬN Khái niệm mạng cảm biến tương đối lạ lẫm với nhiều người Đồ án tơi trình bày cách tổng quan ưu điểm cấu trúc mạng cảm biến Với tính ưu việt có khả ứng dụng nhiều lĩnh vực mà mạng làm được, tương lai mạng cảm biến phát triển rộng rãi nhanh chóng Tơi hi vọng với đồ án này, góp phần vào việc nghiên cứu lĩnh vực Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này, nghiên cứu nét khái quát mạng cảm biến mô số giao thức định tuyến, đưa giải pháp cải thiện giao thức định tuyến Do kiến thức hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận phê bình, đóng góp thầy mơn viện để đồ án tơi hồn thiện Một lần xin chân thành cám ơn TS Trần Thị Ngọc Lan-Bộ môn Kỹ thuật thông tin-Viện Điện Tử Viễn Thông-Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ tơi thời gian vừa qua Hà Nội, Tháng Năm 2013 Học Viên Phùng Thanh Bình 95 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Tài 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 Published in Aerospace Conference Proceedings, 2002 IEEE [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 Date of Publication Dec 2004 [4] Armin Veichtlbauer, Peter Dorfinger Salzburg, Modeling of Energy Efficient Wireless Communication, Research Forschungsgesellschaft mbH, Advanced Networking Center Salzburg, Austria Date of Publication Sept 2007 [5] I.F Akyildiz, Weilian Su, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci, A survey on sensor networks, Communications Magazine, IEEE (Volume:40 , Issue: ), Date of Publication: Aug 2002 96 ... luận 41 Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Chương Định tuyến mạng cảm biến .43 3.1 Các thách thức định tuyến mạng không dây 43 3.2 Các vấn đề thiết kế mạng định tuyến khơng dây... trình bày thách thức định tuyến mạng cảm biến giao thức mạng cảm biến: • Định tuyến trung tâm liệu • Định tuyến phân cấp • Định tuyến dựa vào vị trí 3.1 Các thách thức định tuyến mạng khơng dây Chính... Network Định tuyến mạng cảm ứng 2013 Danh mục bảng Bảng 3.1 Phân loại so sánh giao thức định tuyến mạng cảm biến 48 Bảng 3.2 Miêu tả Interest sử dụng cặp thuộc tính giá trị 53 Định tuyến mạng cảm ứng