Nghiên cứu và thử nghiệm giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp trong mạng cảm biến không dây

LỜI CẢM ƠN    Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô giáo Viện Công nghệ thông tin Truyền thông, Viện đào tạo Sau đại học, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội trang bị cho kiến thức tảng thời gian học trƣờng Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Kim Khánh, giảng viên mơn Kỹ thuật máy tính, Viện Công nghệ thông tin Truyền thông nghiêm khắc, tận tình hƣớng dẫn cho tơi kiến thức tài liệu quý giá, định hƣớng trình nghiên cứu thực luận văn Nhờ giúp đỡ hƣớng dẫn tận tâm thầy, tơi hoàn thành đƣợc luận văn Con xin gửi lời ghi ơn sâu sắc đến cha mẹ, ngƣời ln động viên suốt hồn cảnh Cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, ngƣời thân yêu sát cánh, ủng hộ động viên suốt thời gian học tập nghiên cứu Mặc dù nghiêm túc cố gắng hoàn thành đề tài luận văn thạc sỹ nhƣng kiến thức hạn chế nên luận văn tránh khỏi thiếu sót, tơi mong muốn nhận đƣợc phê bình, góp ý Thầy cô để luận văn đƣợc tốt Ngày 22 tháng 09 năm 2015 Học viên thực Lê Gia Hòa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Các kỹ thuật đƣợc dùng cho mạng cảm biến không dây 1.2.1 Mô tả mạng cảm biến không dây 1.2.2 Phần cứng phần mềm nút cảm biến 1.2.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 1.2.4 Phân loại mạng cảm biến không dây dựa đồ hình mạng 1.3 Các đặc trƣng mạng cảm biến không dây 10 1.3.1 Năng lƣợng tiêu thụ 10 1.3.2 Chi phí 10 1.3.3 Loại hình mạng 11 1.3.4 Tính bảo mật 11 1.3.5 Độ trễ 11 1.3.6 Tính di động 12 1.4 Kiến trúc phân tầng mạng WSN 12 1.5 Những khó khăn việc phát triển mạng cảm biến khơng dây 15 1.5.1 Giới hạn lƣợng 15 1.5.2 Giới hạn băng thông 15 1.5.3 Giới hạn phần cứng 15 1.5.4 Ảnh hƣởng nhiễu bên 15 1.6 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 16 1.7 Chuẩn mạng WSN: 18 CHƢƠNG 2: 19 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Thách thức định tuyến thiết kế WSN 20 2.2.1 Triển khai nút cảm biến 20 2.2.2 Tiêu thụ lƣợng mà khơng làm tính xác 20 2.2.3 Mơ hình báo cáo liệu 20 2.2.4 Tính khơng đồng nút cảm biến/ kết nối 21 2.2.5 Chịu lỗi 21 2.2.6 Khả mở rộng 22 2.2.7 Tính động mạng (dynamics): 22 2.2.8 Môi trƣờng truyền: 22 2.2.9 Kết nối (connectivity): 23 2.2.10 Độ hội tụ: 23 2.2.11 Tập hợp liệu: 23 2.2.12 Chất lƣợng dịch vụ QoS: 24 2.3 Phân loại so sánh giao thức định tuyến 24 2.3.1 Phân loại 24 2.3.2 Tổng quan giao thức dựa cấu trúc mạng 26 CHƢƠNG 3: 28 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MƠ HÌNH PHÂN CẤP 28 3.1 Giới thiệu 28 3.2 Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 29 3.2.1 Mô tả giao thức LEACH 29 3.2.2 Hoạt động giao thức LEACH 30 3.2.3 Tổng hợp liệu (Sensor Data Aggregation) 37 3.2.4 Ƣu điểm 37 3.2.5 Nhƣợc điểm 37 3.3 Giao thức LEACH - C (LEACH – Centralized) 38 3.3.1 Mô tả hoạt động giao thức LEACH-C 38 3.3.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm: 39 3.4 Giao thức STAT-CLUSTER 41 3.5 Giao thức PEGASIS 41 3.6 Một số ý tƣởng cải tiến giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp 44 3.6.1 Cải tiến giao thức LEACH 44 3.6.2 Cải tiến giao thức PEGASIS 48 CHƢƠNG 4: 50 MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐÁNH GIÁ 50 4.1 Phần mềm mô mạng NS2 50 4.1.1 Giới thiệu NS2 50 4.1.2 Các ngơn ngữ lập trình NS2 53 4.1.3 Mã MIT 57 4.2 Mô giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp đánh giá 60 4.2.2 Thử nghiệm trình hình thành cụm 62 4.2.3 Thử nghiệm số nút mạng sống theo thời gian 67 4.2.4 Thử nghiệm tổng số lƣợng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian 72 4.2.4 Thử nghiệm tỉ lệ nút/ số byte nhận đƣợc trạm gốc 72 4.2.5 Thử nghiệm tỉ lệ liệu/ lƣợng 74 4.3 Tóm tắt 75 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 LỜI CAM ĐOAN Tơi – Lê Gia Hịa – cam đoan cơng trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Gia Hòa DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt BS CH CSMA FDMA GPS LEACH LEACH-C MAC NAM NS-2 Otcl PA PEGASIS QoS SPIN STATCLUS TDMA TORA WINS WLAN WSN Nghĩa tiếng Anh Base Station Cluster Head Carrier sense multiple access Frequency division multiple access Global Possition System Low energy adaptive clustering hierarchy Low energy adaptive clustering hierarchy- Centralized Medium access control Nghĩa tiếng Việt Trạm sở, nút gốc Nút chủ cụm Đa truy nhập cảm biến sóng mang Đa truy nhập phân chia theo tần số Hệ thống định vị tồn cầu Phân cấp cụm thích nghi với lƣợng thấp LEACH – Tập trung Network Animator Network Simulator version Object-oriented tool command language Power available Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems Quality of service Sensor protocols for information via negotiation Status Cluster Điều khiển truy nhập môi trƣờng truyền dẫn Mơ tả mạng hình ảnh động Phần mềm mô mạng phiên bản2 Ngôn ngữ điều khiển lệnh hƣớng đối tƣợng Mức lƣợng Tập hợp liệu hiệu lƣợng cho hệ thống thông tin cảm biến Chất lƣợng dịch vụ Các giao thức thông tin sensor thông qua thỏa thuận Phân chia cụm lần cố định Time division multiple access Temporally Ordered Routing Algorithm Wireless Integrated network sensors Wireless local area network Wireless sensor network Đa truy nhập phân chia theo thời gian Định tuyến thuật tốn tìm đƣờng theo thời gian Mạng thiết bị cảm biến tích hợp thiết bị thu phát không dây Mạng cục không dây Mạng cảm biến không dây DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Phân loại so sánh giao thức định tuyến mạng WSN Bảng 4.1: Phân cụm chọn nút chủ cụm theo vịng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây Hình 1.2: Mạng đơn bƣớc (A) mạng đa bƣớc (B) Hình 1.3: Phần cứng phần mềm nút Hình 1.4: Kiến trúc phẳng Hình 1.5: Kiến trúc phân cấp hai tầng Hình 1.6: Mạng hình đa bƣớc Hình 1.7: Mạng đa chặng lƣới vng Hình 1.8: Mạng phân cấp cụm hai tầng Hình 1.9: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Hình 1.10: Ứng dụng WSN quân Hình 1.11: Ứng dụng cảnh báo cháy rừng Hình 1.12: Ứng dụng y tế Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến mạng WSN Hình 3.1: Cấu trúc giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp Hình 3.2: Giao thức LEACH Hình 3.3: Các pha giao thức LEACH theo thời gian Hình 3.4: Giải thuật thành lập cụm LEACH Hình 3.5: Sự hình thành cụm vịng khác Hình 3.6: Mơ hình Leach pha ổn định Hình 3.7: Hoạt động pha ổn định LEACH Hình 3.8: Hoạt động LEACH vịng Hình 3.9: Sự ảnh hƣởng kênh phát sóng Hình 3.10: Pha thiết lập LEACH – C Hình 3.11: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật tốn Greedy Hình 3.12: Mơ hình truyền liệu PEGASIS Hình 3.13: Biểu đồ giao thức E-LEACH Hình 3.14: Giao thức M-LEACH Hình 3.15: Định tuyến giao thức Multihop-LEACH Hình 3.16: Định tuyến PEGASIS phân cấp Hình 4.1: Mơ hình đơn giản NS Hình 4.2: Luồng kiện cho file Tcl chạy NS Hình 4.3: Sự tƣơng đồng C++ OTcl Hình 4.4: Kiến trúc NS Hình 4.5: Sự hoạt động NS Hình 4.6: Tổ chức thƣ mục NS2 Hình 4.7: Kiến trúc MIT Hình 4.8: Topo 100 nút mạng Hình 4.9: Số nút CH theo thời gian Hình 4.10: Số nút CH tối ƣu Hình 4.11: Tổng số nút cịn sống theo thời gian Hình 4.12: Số phần trăm nút chết Hình 4.13: Tổng số nút cịn sống theo thời gian Hình 4.14: Tổng số nút cịn sống theo thời gian Hình 4.15: Tổng số nút lƣợng tiêu thụ theo thời gian Hình 4.16: Tỷ lệ nút/ số byte nhận đƣợc trạm gốc Hình 4.17: Tỷ lệ liệu/ lƣợng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Ngày mạng không dây phổ biến gia đình, quan nơi công cộng nhƣng với phát triển mạnh mẽ công nghệ mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSN) mà mạng WSN có ứng dụng vào nhiều lĩnh vực đời sống Mạng cảm biến không dây kết hợp việc cảm nhận thơng tin, tính tốn truyền thơng vào thiết bị cảm biến nhỏ Thế mạnh mạng WSN chỗ có khả triển khai số lƣợng lớn thiết bị cảm biến có khả tự thiết lập cấu hình cho hệ thống Sử dụng thiết bị để theo dõi thông tin môi trƣờng vật lý, hóa học, sinh học v.v theo thời gian thực Nhƣợc điểm lớn hệ thống mạng cảm biến không dây thời gian sống nút cảm biến giới hạn chúng đƣợc cấp nguồn pin Những nghiên cứu liên quan đến hiệu lƣợng mạng cảm biến không dây nhằm giúp hệ thống hoạt động hiệu quả, thời gian sống lâu có nghĩa mạng không dây ổn định Các nghiên cứu cho thấy giao thức định tuyến hiệu lƣợng giúp giảm mức tiêu thụ lƣợng cho nút cảm biến nhờ thời gian sống tăng lên Trƣớc xu phát triển nhanh chóng mạng cảm biến khơng dây Căn tình hình thực tế cần hệ thống WSN để phục vụ cho nhiều lĩnh vực chọn hƣớng nghiên cứu “Nghiên cứu thử nghiệm giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp mạng cảm biến khơng dây” Luận văn gồm có chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Chƣơng 2: Định tuyến mạng cảm biến không dây Chƣơng 3: Giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp Chƣơng 4: Sử dụng NS2 để mô WSN, nghiên cứu phân tích giải thuật LEACH, LEACH-C, STAT-CLUS, PEGASIS Mục đích nghiên cứu Luận văn thực với mục đích tìm hiểu nghiên cứu phƣơng pháp xây dựng mạng cảm biến dựa kỹ thuật, giao thức định tuyến mạng khơng dây Trên sở đó, đề tài mơ mạng không dây để nghiên cứu vấn đề lƣợng, thời gian sống, liệu truyền thời gian trễ trạm gốc Để đáp ứng mục đích đề tài cần tìm hiểu lý thuyết mạng cảm biến không dây, nghiên cứu thử nghiệm số giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp thông qua phần mềm mô Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu:  Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết ứng dụng mạng cảm biến không dây, Phần mềm mô để xây dựng thử nghiệm mạng cảm biến  Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến, đặc biệt đề tài tập trung nghiên cứu giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập tài liệu liên quan, phân tích thơng tin liên quan đến đề tài Phƣơng pháp đƣợc sử dụng phƣơng pháp mơ Thay triển khai hệ thống thực gặp nhiều khó khăn, tiến hành mô đánh giá kết đạt đƣợc thông qua phần mềm mô Phần mềm mô phần mềm NS2 Đề tài tập trung nghiên cứu thử nghiệm giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp giao thức LEACH, LEACH C, STATCLUSTER, PEGASIS So sánh đánh giá thông số liên quan nhƣ: Số nút mạng sống theo thời gian, Năng lƣợng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian, Tỉ lệ nút/ số byte nhận đƣợc gốc, Tỉ lệ liệu/ lƣợng v.v CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Trong năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN Wireless Sensor Network) ngành công nghệ thông tin phát triển nhanh chóng, đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: Dây chuyền sản xuất công nghiệp, theo dõi thay đổi mơi trƣờng, khí hậu, theo dõi thám mặt trận quân nhƣ hạt nhân, sinh học hay hóa học, chẩn đốn hỏng hóc thiết bị, tự động thu nhận thông tin bệnh nhân để gửi thông báo cho bác sỹ, theo dõi điều khiển giao thông v.v Hơn với tiến công nghệ vi mạch, hệ thống chip (SoC) có đầy đủ chức năng: giao tiếp khơng dây, cảm biến, xử lý tính tốn tín hiệu tạo thiết bị cảm biến có kích thƣớc nhỏ, đa chức năng, cơng suất tiêu thụ điện thấp, giá thành thấp, làm tăng khả ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây WSN mạng liên kết nút cảm biến với thông qua kết nối khơng dây, nút mạng có đầy đủ chức để cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu, nút mạng có số lƣợng lớn, đƣợc phân bố khơng có hệ thống phạm vi rộng, sử dụng lƣợng pin có dung lƣợng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài khoảng vài tháng đến vài năm, hoạt động môi trƣờng khắc nghiệt nhƣ: chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ Các nút mạng thƣờng có chức cảm nhận, thu nhận thông số môi trƣờng xung quanh nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động Các nút giao tiếp với truyền liệu trạm gốc (base station) nhiều kỹ thuật khác Khi nghiên cứu mạng cảm biến không dây, đặc điểm quan trọng then chốt thời gian sống nút cảm biến giới hạn lƣợng chúng Giới hạn lƣợng phụ thuộc nhiều vào yếu tố khác việc sử dụng giao thức định tuyến có quản lý lƣợng làm thay đổi thời gian sống nút hiệu Hình 4.9 mơ tả khảo sát hai giao thức LEACH LEACH-C có số nút chủ cụm CH (cũng số cụm) thay đổi theo thời gian chạy mô Node CH Số Nút CH theo thời gian Leach_c Leach 0 100 200 300 400 500 600 Time Hình 4.9: Số nút CH theo thời gian Nhận xét: Số cụm (cũng số nút CH) mong muốn thử nghiệm giao thức 4, riêng giao thức PEGASIS 1, giao thức LEACH phân cụm có yếu tố ngẫu nhiên, số vịng số cụm lớn nhỏ Các nút đƣợc chọn làm nút chủ nút tham gia vào cụm khác theo vịng Giao thức LEACH-C có số cụm 4, khơng đổi tất vòng Các nút đƣợc chọn làm nút chủ nút tham gia vào cụm khác theo vịng Giao thức STAT-CLUS có số cụm 4, khơng đổi Các nút đƣợc chọn làm nút chủ nút tham gia vào cụm khơng thay đổi theo vịng Giao thức PEGASIS có số chuỗi ln 1, số nút đƣợc chọn làm nút chủ thay đổi theo vòng Trong tất thử nghiệm ta thấy số nút cịn sống giảm dần Hình 4.10 mơ tả thử nghiệm để tìm số nút chủ tối ƣu cho giao thức LEACH Trong thử nghiệm sử dụng mạng có 101 nút kể nút gốc, giữ nguyên tham số mạng khác, thay đổi số cụm mong muốn lần lƣợc 1, 2, 3, 66 4, 5, 7, 9, 11 Sau lần lƣợc chạy thử nghiệm nhiều lần, đánh giá thời gian sống 100 nút có đƣợc đồ thị mơ tả số nút CH tối ƣu nhƣ sau: Số nút CH tối ưu Thời gian sống 700 Số nút CH 600 500 400 300 200 11 100 0 10 12 Số nút CH Hình 4.10: Số nút CH tối ƣu Theo hình 4.10 số nút CH tối ƣu nút, chiếm 5% tổng số nút toàn mạng Với CH=5 tối ƣu có số nút cịn sống nhiều theo thời gian Các nút kéo dài thời gian sống có nghĩa tiêu hao lƣợng nút Nói cách khác lƣợng tiêu thụ trung bình nút nhỏ thử nghiệm có số nút CH=5 Đồng thời khoảng cách trung bình từ nút đến nút chủ cụm khác tùy theo số nút CH đƣợc chọn, khoảng cách lớn đồng nghĩa việc trao đổi liệu tiêu thụ lƣợng lớn 4.2.3 Thử nghiệm số nút mạng sống theo thời gian Để nghiên cứu thử nghiệm số giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp thơng qua NS2, tơi tiến hành mơ với nút có mức lƣợng thấp 2J, không giới hạn số lƣợng liệu để gửi cho trạm sở, mục đích để dễ quan sát thời gian sống thơng số khác dễ dàng 67 Hình 4.11 kết thực nghiệm với điều kiện lƣợng nút nhau, kích thƣớc mạng 1000x1000, vị trí BS 150, 50, số cụm 4, thời gian mô 1600s Giao thức thực nghiệm LEACH (đồ thị màu đỏ), LEACH-C (đồ thị màu xanh cây), STAT-CLUS (đồ thị màu xanh dƣơng), PEGASIS (đồ thị màu xanh ngọc) MTE (đồ thị màu tím) Hình 4.11: Tổng số nút cịn sống theo thời gian - Theo hình 4.11, giao thức STAT-CLUS nút mạng chết nhanh sau khoản thời gian ngắn thuật tốn STAT-CLUS phân chia cụm lần nên nút chủ cụm xa trạm gốc lƣợng để truyền liệu trạm gốc lớn Giao thức LEACH có số nút cịn sống hiệu nhiều so với giao thức STAT-CLUS, Giao thức LEACH-C có số nút sống hiệu nhiều so với giao thức LEACH Đặc biệt giao thức PEGASIS có số nút sống vƣợt trội nhiều so với giao thức LEACH-C Nhƣ với điều kiện mạng số nút chết lớn theo thời gian lần lƣợc giao thức STAT-CLUS, LEACH, LEACH-C, PEGASIS 68 Với số liệu thu thập đƣợc thực nghiệm trên, chúng tơi lập biểu đồ (hình 4.12) để xem xét số phần trăm nút chết theo thời gian, qua đánh giá thời gian sống giao thức cách định lƣợng trực quan SỐ PHẦN TRĂM NÚT CHẾT STAT-CLUS 1600 LEACH LEACH_C PEGASIS 1404 1400 1300 1156 1200 950 1000 800 654 600 400 131100 200 21 516 475 422 330 255 144 225 150 24 45 38 33 10% 25% 50% 75% 95% Hình 4.12: Số phần trăm nút chết Với số nút mạng để thực nghiệm 100 nút Theo hình 4.12, lúc số nút mạng chết đạt 10% (10 nút chết) tổng số nút, giao thức STAT-CLUSTER chạy đƣợc 21s, giao thức LEACH chạy đƣợc 131s, giao thức LEACH-C chạy đƣợc 100s, giao thức PEGASIS chạy đƣợc 654s Lúc số nút mạng chết đạt 25% (25 nút chết) tổng số, giao thức STAT-CLUS chạy đƣợc 24s, giao thức LEACH chạy đƣợc 144s, giao thức LEACH-C chạy đƣợc 255s, giao thức PEGASIS chạy đƣợc 950s Tiếp tục xem xét thời điểm 50%, 75% 95% nút chết ta thấy giao thức STAT-CLUS có số nút chết nhiều nhanh nhất, giao thức LEACH hiệu rõ rệt giao thức STAT-CLUS nhƣng giao thức LEACH-C hiệu gấp hai so với giao thức LEACH, giao thức PEGASIS lại hiệu gấp bốn so với giao thức LEACH-C 69 Hình 4.13 kết thực nghiệm với điều kiện lƣợng nút nhau, kích thƣớc mạng 100x100, vị trí BS (150, 50), số cụm 4, thời gian mô 600s Giao thức định tuyến phân cấp thực nghiệm LEACH (đồ thị màu đỏ), LEACH-C (đồ thị màu xanh cây), STAT-CLUSTER (đồ thị màu đỏ) Hình 4.13: Tổng số nút cịn sống theo thời gian Thực nghiệm so với thay đổi phạm vi mạng rộng từ 1000x1000 thành mạng nhỏ 100x100, kết cho thấy thời gian sống nút giao thức tăng, LEACH (330s lên 500s), LEACH-C (520s lên 530s) tăng lên đáng kể Điều chứng tỏ khoảng cách nút giảm xuống nên lƣợng tiêu thụ để truyền, nhận sóng vơ tuyến nhờ giảm theo Hình 4.14 kết thực nghiệm với điều kiện lƣợng nút nhau, kích thƣớc mạng 100x100, vị trí BS(50, 50), số cụm 4, thời gian mô 800s Giao thức thực nghiệm LEACH, LEACH-C, STAT-CLUS, PEGASIS MTE Trong thực nghiệm này, tham số mạng gần nhƣ khơng đổi so với thực nghiệm trên, có thay đổi đƣa nút BS (150, 50) từ phạm vi nút vào bên vùng nút, kết thực nghiệm cho thấy thời gian sống nút giao thức thử nghiệm tăng lên rõ rệt 70 Hình 4.13: Tổng số nút sống theo thời gian Kết cho thấy thời gian sống nút giao thức tăng thử nghiệm trƣớc, LEACH (500s lên 700s), LEACH-C (530s lên 650s) Sở dĩ có kết nút gốc BS trƣờng hợp nằm bên phạm vi mạng, chắn khoảng cách trung bình từ nút đến nút chủ cụm, từ nút chủ cụm đến trạm gốc nhỏ nhiều so với tất thử nghiệm Nhận xét chung: - 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 lƣợng để truyền liệu nút tăng Qua đồ thị cho thấy thời gian sống mạng bị giảm đáng kể Yếu tố diện tích đặt nút mạng ảnh hƣởng lớn đến thời gian sống, nhƣ khả truyền liệu mạng - Trạm gốc đặt bên mạng bên mạng ảnh hƣởng lớn đến thời gian sống mạng - Nếu tăng lƣợng ban đầu nút đời sống nút tăng lên 71 4.2.4 Thử nghiệm tổng số lƣợng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian Hình 4.14 kết thực nghiệm với điều kiện lƣợng nút nhau, kích thƣớc mạng 100x100, vị trí BS 150, 50, số cụm 4, thời gian mô 600s Giao thức thực nghiệm LEACH (đồ thị màu đỏ), LEACH-C (đồ thị màu xanh cây), STAT-CLUS (đồ thị màu xanh nhạt), PEGASIS (đồ thị màu xanh ngọc) Tổng Năng lượng Jule 250 Leach Leach_c Stat-clus Pegasis 200 150 100 50 0 100 200 300 400 500 600 Time Hình 4.14: Tổng số lƣợng tiêu thụ theo thời gian Đánh giá: Trong khoảng 50s đầu tiên, mức tiêu thụ lƣợng ba giao thức LEACH, LEACH-C, STAT-CLUS xấp xỉ Tuy nhiên, sau mức tổng lƣợng tiêu thụ PEGASIS giảm chậm nhiều so với ba giao thức LEACH tiêu tốn nhiều lƣợng LEACH-C LEACH-C tiêu tốn nhiều lƣợng PEGASIS Giao thức STAT-CLUS tiêu tốn lƣợng nhiều 4.2.4 Thử nghiệm tỉ lệ nút/ số byte nhận đƣợc trạm gốc Hình 4.15 kết thực nghiệm với điều kiện lƣợng nút nhau, kích thƣớc mạng 1000x1000, vị trí BS 150, 50, số cụm 4, thời gian mô 1600s Giao thức thực nghiệm LEACH (đồ thị màu đỏ), LEACH-C (đồ thị màu 72 xanh cây), STAT-CLUS (đồ thị màu xanh dƣơng), PEGASIS (đồ thị màu xanh ngọc) Tỉ lệ Nút/Số byte nhận BS Node 120 Leach Leach_c 100 Stat-clus Pegasis 80 60 40 20 0 50000 100000 150000 200000 Bytes Hình 4.15: Tỷ lệ nút/ số byte nhận đƣợc gốc Đánh giá: Giao thức STAT-CLUSTER có liệu từ nút gửi thành công trạm gốc nhỏ Giao thức LEACH LEACH-C có khoảng thời hoạt động ban đầu tƣơng đƣơng lƣợng liệu đƣợc nút gửi thành công trạm gốc, nhƣng sau, thời gian hoạt động dài giao thức LEACH-C tỏ rõ vƣợt trội Giao thức PEGASIS thời gian đầu trì lƣợng liệu lớn đƣợc nút gửi thành công trạm gốc ổn định, đến thời điểm giao thức STAT-CLUS, LEACH, LEACH-C khơng có liệu để gửi trạm gốc nút mạng khơng cịn sống giao thức PEGASIS tiếp tục gửi liệu trạm gốc, hệ thống mạng cảm biến không dây sử dụng định tuyến pegasis làm việc để cảm biến liệu gửi trạm gốc 73 4.2.5 Thử nghiệm tỉ lệ liệu/ lƣợng Hình 4.16 kết thực nghiệm với điều kiện lƣợng nút nhau, kích thƣớc mạng 1000x1000, vị trí BS 150, 50, số cụm 5, thời gian mô 1600s Giao thức thực nghiệm LEACH (đồ thị màu đỏ), LEACH-C (đồ thị màu xanh cây), STAT-CLUS (đồ thị màu xanh dƣơng), PEGASIS (đồ thị màu xanh ngọc) Hình 4.16: Tỉ lệ liệu/ lƣợng Đánh giá: Tỉ lệ liệu/ lƣợng LEACH khoảng: 400bytes/J, LEACH-C khoảng: 170bytes/J, PEGASIS khoảng 80bytes/J Vì giao thức LEACH-C thể lợi cách sử dụng mức lƣợng thấp để gửi liệu cho trạm sở Vì trạm gốc mạng mạng cảm biến có thơng tin vị trí mức lƣợng tất nút mạng, tạo cụm tốt có yêu cầu lƣợng cho liệu truyền Ngoài ra, trạm sở hình thành thuật tốn đảm bảo có k = cụm vịng thời gian hoạt động Vì có 100 nút 74 mô phỏng, dự kiến số lƣợng cho cụm tròn k = LEACH, vòng khơng phải lúc có cụm Giao thức STAT-CLUST hoạt động hiệu quả, nút chủ cụm chết cách nhanh chóng, kết thúc vòng đời tất nút thuộc cụm Giao thức stat cluster giúp nút gửi số lƣợng lớn liệu đến trạm gốc nút cluster-head stat cluster có lƣợng hạn chế, khơng đƣợc xoay vịng chức nên hết lƣợng cách nhanh chóng, kết thúc thông tin liên lạc tất nút cụm Giao thức PEGASIS đặc biệt hiệu tỉ lệ liệu/ lƣợng so với giao thức nhờ tính tối ƣu việc tạo chuỗi gửi liệu đa chặn 4.3 Tóm tắt Từ kết mơ phỏng, ta nhận thấy giao thức LEACH-C cung cấp thêm liệu hiệu LEACH việc hình thành cụm tốn thuật tốn tập trung sử dụng mạng lƣới thông tin vào biểu mẫu Topology có u cầu lƣợng cho hoạt động thuật toán phân phối LEACH Do giao thức LEACH-C hoạt động với điều kiện phải xác định vị trí nút, điều địi hỏi giao thức GPS thiết bị định vị khác theo dõi nút, LEACH-C cịn phải xác định cụm thích ứng tốt tức cụm có lƣợng đƣợc phân phối tất nút mạng Đối với LEACH, lƣợng khởi động bao gồm lƣợng cho thông điệp thông báo cluster-head, nút non-cluster-head tham gia yêu cầu thông điệp, truyền/ nhận lịch trình TDMA cụm Đối với LEACH-C, việc khởi động bao gồm việc truyền lƣợng thơng điệp nhỏ có chứa vị trí nút lƣợng từ nút đến trạm sở (bằng cách sử dụng CSMA) tiếp nhận thông tin từ trạm sở Tuy nhiên, dù lƣợng tiêu thụ chung lớn pha thiết lập, LEACH-C tiêu thụ lƣợng hiệu hơn-LEACH giao thức LEACH-C sử dụng trạm gốc để xác định cụm tốt so với việc hình thành cụm dùng giải thuật phân tán 75 Giao thức Stat-clus cung cấp liệu cho đơn vị lƣợng nhiều so với giao thức định tuyến phân cấp khác, vòng đời hệ thống ngắn nhiều với giao thức LEACH, LEACH-C PEGASIS STAT-CLUS gửi số lƣợng lớn liệu đến trạm sở nút cluster-head stat-clus hạn chế việc sử dụng lƣợng cách nhanh chóng, kết thúc thông tin liên lạc tất nút cụm Kết cho thấy giao thức PEGASIS khắc phục đƣợc nhƣợc điểm LEACH cách loại bỏ lƣợng 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 lƣợng tiêu tán mạng tăng khả chống lại lỗi nút chết vị trí ngẫu nhiên Việc phân bố lƣợng mạng tải làm tăng thời gian sống chất lƣợng mạng Kết mô cho thấy giao thức PEGASIS tốt LEACH-C LEACH chí cải thiện kích thƣớc mạng tăng Nhƣợc điểm lớn giao thức PEGASIS trễ truyền, nút chủ phải đợi nhận đƣợc tin liệu hợp nút sau truyền đến trạm sở điều làm nút chủ chuỗi thƣờng xảy tƣợng thắt nút cổ chai 76 KẾT LUẬN Những kết thu đƣợc Trong trình làm luận văn, nghiên cứu thử nghiệm giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp mạng cảm biến khơng dây đem lại cho số kết sau: Về lý thuyết:  Nghiên cứu kỹ thuật mạng cảm biến khơng dây liên quan đến mơ hình mạng, phần cứng, phần mềm nút cảm biến, kiến trúc mạng, phân loại mạng  Nghiên cứu đặc trƣng mạng cảm biến không dây  Nghiên cứu khó khăn, thách thức việc phát triển mạng cảm biến không dây  Nghiên cứu chuẩn mạng cảm biến không dây  Nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây vào đời sống  Nghiên cứu kỹ thuật định tuyến, đặc biệt tập trung giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp nhƣ giao thức LEACH, LEACH-C, STATCLUSTER PEGASIS  Tìm hiểu ý tƣởng để cải tiến giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp Về thực nghiệm:  Tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu cài đặt phần mềm mô NS2 phiên 2.34 chạy môi trƣờng CentOS để mô số giao thức cho mạng cảm biến khơng dây  Tìm hiểu mã MIT, tích hợp mã MIT vào NS 2.34 để mô giao thức LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER, PEGASIS MTE  Tiến hành chạy mô để lấy kết đánh giá hiệu giao thức  Thử nghiệm trình hình thành cụm, số nút mạng sống theo thời gian, tổng số lƣợng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian, tỉ lệ nút/ số 77 byte nhận đƣợc trạm gốc tỉ lệ liệu/ lƣợng giao thức LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER PEGASIS  Việc đánh giá dựa lý thuyết kết mô Dựa vào kết thu đƣợc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp với ứng dụng cụ thể Dựa vào sau chúng tơi có sở để triển khai mạng WSN thực tế cách tối ƣu Những mặt hạn chế Do kiến thức thời gian có hạn nên bên cạnh số kết đạt đƣợc luận văn nhiều mặt hạn chế sau:  Do có nhiều giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp nhƣng luận văn thử nghiệm đƣợc bốn giao thức LEACH, LEACH-C, STATCLUSTER PEGASIS  Quá trình thử nghiệm cài đƣợc giao thức LEACH lên OMNeT++ nên chuyển hƣớng qua cài đặt bốn giao thức lên phần mềm NS2 2.34  Chƣa thử nghiệm hết kịch khác bốn giao thức nên việc đánh giá không đầy đủ  Chƣa có thực nghiệm để đánh giá, so sánh giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp với loại giao thức khác Hƣớng phát triển luận văn Từ kết nghiên cứu đạt đƣợc hạn chế tồn tại, nhằm nâng cao tính thực tiễn, đề tài cần phát triển tƣơng lai nhƣ sau:  Nghiên cứu thêm giao thức định tuyến khác giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp  Nghiên cứu thử nghiệm giao thức định tuyến cải tiến từ LEACH PEGASIS  Thực thử nghiệm giao thức phần mềm mô OMNeT++, NS3 MATLAB  Tiếp cận cài đặt hệ thống mạng cảm biến không dây thực tế 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bhaskar Krishnamachari (2005), Networking Wireless Sensors, Cambridge University Press [2] Eitan Altman and Tania Jiménez (2003), NS Simulator for beginers Univ de Los Andes, Mérida, Venezuela and ESSI, Sophia-Antipolis, France [3] Fabian Nack, “An Overview on Wireless Sensor Networks”, Institute of Computer Science (ICS), Freie Universität Berlin [4] Fan Xiangning and Song Yulin (2007), “Improvement on LEACH Protocol of Wireless Sensor Network”, Southeast University, Nanjing, 210096, China [5] 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 [6] Holger Karl and Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley and Sons, Ltd [7] Hetal Rana and Sangeeta Vhatkar and Mohommad Atique (2014), “Comparative Study of PEGASIS Protocols in Wireless Sensor Network”, Journal of Computer Engineering [8] Ian F Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, and Erdal Cayirci (2002), “A survey on Sensor Networks”, Georgia Institude of Technology [9] Kavin Fall, Kannan Varadhan (December 13, 2003), The NS Manual, The VINT Project, A Collaboration between researchers at UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC [10] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Applications, Wiley [11] Massachusetts Institute of Technology Cambridge(2000), The MIT uAMPS ns Code Extensions, MA 02139 [12] Md Arif Ali and Abha Kiran Rajpoot (2014), “Development of energy efficient routing protocol using Hop PEGASIS in Wireless Sensor Networks”, Sharda University Greater Noida, India 79 [13] Miguel A Martín-Tardío and Ángel M Felicísimo (2014), “Design of a WSN for the Sampling of Environmental Variability in Complex Terrain”, Universidad de Extremadura, Mérida 06800, Spain [14] Nikolaos A Pantazis, Dimitrios D Vergados (2012), Energy-Efficient Routing Protocols in Wireless Sensor Networks, IEEE Communications Surveys [15] Paul Meeneghan and Declan Delaney(April 2004), An Introduction to NS, Nam and OTcl Scripting, National University of Ireland, Maynooth, Co Kildare, Ireland DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE [16] Taran Deep Singh Pawa (2011), Analysis of Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) protocol, Bachelor of Technology [17] Wendi Beth Heinzelman (2002), An Application-Specific Protocol Architectures for Wireless Microsensor Networks, Department of Electrical Engineering and Computer Science [18] Wendi Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrishman, Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Sensor Network, Massachusetts Institude of Technology Cambrifge, MA 02139 [19] http://www.isi.edu/nsnam/nam/ NAM Network Animator [20] http://isi.edu/nsnam/xgraph XGRAPH homepage [21] http://www.geocities.com/tracegraph/ TRACEGRAPH homepage [22] http://home.gwu.edu/~ecamposn/software.html NSCRIPT NS-2 scripting tool [23] http://www.Tcl.tk TCL homepage [24] MIT μAMPS project NS code Extensions http://www-mtl.mit.edu/researchgroups/icsystems/uamps/research/leach 80 ... mạng cảm biến không dây nghiên cứu phát triển giao thức định tuyến có hiệu lƣợng Giao thức định tuyến theo mơ hình phân cấp hay gọi phân cụm dựa giao thức định tuyến mà ban đầu đƣợc đề xuất mạng. .. thuyết ứng dụng mạng cảm biến không dây, Phần mềm mô để xây dựng thử nghiệm mạng cảm biến  Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến, đặc biệt... lý thuyết mạng cảm biến không dây, nghiên cứu thử nghiệm số giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp thơng qua phần mềm mơ Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu:  Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết