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 ảnh hưởng đến tập hợp liệu: 43 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐỀ NGHỊ 45 4.1 Cơ sở để hình thành giao thức định tuyến 45 4.2 Giao thức định tuyến đề nghị 46 4.2.1 Mô tả ý tưởng 46 4.2.2 Lập luận giải thuật LDV 47 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 51 5.1 Mô hình mơ 51 5.2 Mơ hình mạng truyền thông multi-hop 51 5.2.1 Mơ hình tốn mạng phân cấp 51 5.2.2 Các giá trị phân tích 53 5.2.3 Lựa chọn tham số 55 5.3 Mơ hình kênh truyền 56 5.4 Mơ hình Radio Energy 57 5.5 Tính tầm phát tối đa node cảm biến: 59 5.6 Tính số node thời gian vịng truyền 60 5.7 Kết qủa mô đạt 64 5.7.1 Giải thuật LEACH 64 5.7.2 Giải thuật LDV so với LEACH 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .74 6.1 Kết luận 74 6.2 Kết đạt 74 6.3 Hạn chế hướng phát triển 74 6.3.1 Hạn chế 74 6.3.2 Hướng phát triển 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 78 Trang vii LUẬN VĂN THẠC SĨ 5.7.2 Giải thuật LDV so với LEACH Để chứng hiệu giải thuật LDV so với giải thuật LEACH ta xét mạng trường hợp BS đặt vị trí (50,175) vị trí mà trường hợp mô thực giải thuật LEACH mang lại hiệu thấp Các thông số đầu vào LEACH LDV sau: • Chiều dài frame liệu là: 4000 bit • Chiều dài frame thơng tin là: 200 bit • Năng lượng điện dùng để phát bit là: 50nJ • Năng lượng dùng q trình cho Beamforming là: 5nJ • Hệ số ε : o ε friss -amp = 10pJ/bit/m2 o εtwo-ray -amp = 0.0013pJ/bit/m4 • Tầm phủ mạng: 100mx100m • Trạm gốc vị trí: 50mx175m • Số node gồm: 100 nodes • Năng lượng node là: 2J • Kỳ vọng đạt thời gian sống mạng theo giải thuật LDV lâu giải thuật LEACH Phân bố cảm biến mạng 100 90 80 70 Y(m) 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 X(m) Sensor Node Base Station Hình 5a: Cấu hình mạng WSNs giải thuật LEACH LDV Chương 5: Đánh giá kết Trang 71 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thời gian sống mạng (s) 110 100 90 Số node sống 80 70 60 50 40 30 20 630 610 579 570 560 550 530 521 520 510 490 470 450 440 430 420 410 400 390 380 250 240 200 150 100 0 10 Thời gian (s) LEACH LDV Hình 5b: So sánh thời gian sống giải thuật LEACH LDV Bảng thống kê số node sống lại theo thời gian (hình 5b) Thời gian (s) LEACH LDV 100 150 200 240 250 380 390 400 410 420 430 440 450 470 490 510 520 521 530 550 560 570 579 610 630 100 100 100 100 100 99 96 92 89 88 80 79 59 34 13 6 0 0 0 100 100 100 100 100 100 100 97 99 97 94 93 88 88 83 78 73 68 68 68 58 32 23 0 Khối lượng data gửi mạng tính đến thời điểm t (s) x10^3 55 Tổng data gửi mạng (bit) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Thời gian (s) LEACH LDV Hình 5c: So sánh liệu gửi mạng hai giải thuật LEACH LDV Chương 5: Đánh giá kết Trang 72 LUẬN VĂN THẠC SĨ Bảng thống kê data (x10^3) gửi mạng tính đến thời điểm t(s) (hình 5c) Thời gian (s) LEACH LDV 10 100 150 200 240 250 380 390 400 410 420 430 440 450 470 490 510 520 521 530 550 560 570 579 600 1.2 10.4 14.6 18.6 23.7 24.4 39.2 40.3 41.4 42.3 43.2 44.7 46.1 46.5 47.6 48.8 49.3 49.4 49.4 49.4 49.4 49.4 49.4 49.4 49.4 0.0 1.2 10.5 14.7 18.7 24.0 25.1 40.3 41.0 42.0 43.2 44.0 45.3 47.1 47.8 48.9 49.4 50.1 50.9 51.2 51.4 51.6 51.7 51.8 51.9 51.9 Nhận xét: Với cấu hình tương tự trường hợp trường hợp xấu trường hợp mô giải thuật LEACH, so sánh với giải thuật LDV ta thấy: 1./ Giải thuật LEACH có thời gian sống đến node cuối mạng hết lượng tLEACH =521s Trong giải thuật LDV node cuối mạng bị hết lượng thời điểm tLDV = 579s Suy ra, hiệu cải thiện thời gian sống mạng trường hợp cụ thể là: H= t LDV − t LEACH 579 − 521 × 100% = × 100% = 11.1% 579 t LEACH 2./ Tính đến thời điểm tLDV = 579s tổng lượng tiêu thụ mạng giải thuật LDV 355.4 đơn vị lượng, tính đến thời điểm tLEACH =521s giải thuật LEACH tiêu tốn hết 373.72 đơn vị lượng Từ cho thấy, giải thuật LDV có hiệu lượng so với giải thuật LEACH 3./ Giải thuật LEACH có tổng số liệu gửi mạng so với giải thuật LDV Cụ thể thời điểm tLEACH =521s tổng liệu gửi mạng 49400 bit (data) Trong đó, với giải thuật LDV thời điểm tLDV = 579s tổng liệu gửi mạng 51900 bit (data) 4./ Với trường hợp cụ mô cụ thể giải thuật LDV ta nhận thấy hiệu khơng thua so với trường hợp mơ 2, giải thuật LEACH Điều chứng tỏ khả mở rộng mạng, mà vị trí BS xa so với mạng vấn đạt hiệu thời gian hoạt động hay hay nói cách khác hiệu lượng mạng 5./ Với kết mơ trên,có thể suy thông qua mạng multihop phân cấp, giai thuật LDV cải thiện thời gian sống mạng, đồng nghĩa với việc tiết kiệm lượng mạng Chương 5: Đánh giá kết Trang 73 LUẬN VĂN THẠC SĨ 6.1 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Trong mô trường hợp giải thuật LEACH thay đổi vị trí BS tác động đến thời gian sống mạng thể qua số lượng node sống sau mô phỏng, tỉ lệ liệu nhận BS Thời gian sống mạng trường hợp trường hợp 2, trường hợp Do chất node mạng cố định, khoảng cách tới BS tăng lên lượng cần đề truyền thơng tin từ node BS tăng lên Do kết mơ hình 4a, 4b phản ánh mơ hình lượng tiêu hao mạng Giải thuật LDV với mô trường hợp đặc biệt chứng tỏ hiệu thời gian sống hiệu lượng so với giải thuật LEACH Từ trường hợp suy trường hợp tổng quát giải thuật LDV liệu truyền multi-hop qua nhiều chặng đến BS cho hiệu lượng 6.2 Kết đạt Trong luận văn đạt việc đưa phương thức truyền thông multi-hop mạng cảm biến phân cấp, qua mô trường hợp đặc biệt giải thuật LDV chứng tỏ giải thuật có hiệu lượng so với giải thuật LEACH, đồng thời giải thuật phù hợp với điều kiện thực tế có nhu cầu mở rộng mạng 6.3 Hạn chế hướng phát triển 6.3.1 Hạn chế Truyền thông multi-hop thường gây delay mạng node phải thêm thời gian cho việc kiểm tra khoảng cách tối ưu, thực tập hợp liệu thêm lần Khi đặt vấn đề áp dụng giải thuật LDV phải tính tốn độ trễ cho kết truyền liệu vể trạm gốc không bị lỗi thời cịn phụ thuộc vào thời gian thay đổi vòng truyền giai đoạn thiết lập nhóm Khi sử dụng thêm giải thuật để xác định vị trí node cảm biến mạng tích hợp module định vị GPS ta làm tăng chi phí độ phức tạp thiết kế cảm biến 6.3.2 Hướng phát triển Áp dụng giải thuật định tuyến mạng cảm biến không đồng có phân nhóm, node có lượng cao ln chọn làm node khơng bị hết lượng nhanh chóng Nên cải thiện thêm hiệu lượng cho mạng Thiết kế thuật toán tối ưu để xác định vị trí node mạng mà khơng tiêu phí nhiều lượng Áp dụng vào mơ hình mạng cảm biến có tính di động node mạng, trạm gốc để đánh giá hiệu Chương 6: Kết luận hướng phát triển đề tài Trang 74 LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] K Sohrabi, D Minoli, T Znati “Wireless Sensor Networks Technology Protocol and Application” John Wiley and Son, Inc Publication, 2007, pp 42-49, pp Pranay Tiwari “Data Aggregation in Cluster-based Wireless Sensor Networks” A Thesis of Master of Technology in Information Technology, Indian Institute of Information Technology, July 2008 W Heinzelman, A Chandrakasan, and H Balakrishnan, “Energy-Efficient Communication Protocols for Wireless Microsensor Networks”, Proc Hawaaian Int'l Conf on Systems Science, January 2000 G Borrillo and R.Want, “Embedded computation meets the world wide web”, Commun ACM, 43 (2000), pp 59–66 I Stojmenovic, “Handbook of Sensor Network Algorithms and Architectures”, A John Wiley & Son, Inc., Publication, 2005 CRC Press, “Handbook of Sensor Networks Compact Wireless and Wired Sensing Systems”, Chapter 6, 2005 G MOORE, “Cramming more components onto integrated circuits”, Proceedings of the IEEE, 86 (Jan 1998), pp 82–85 http://www.ieee.org/web/aboutus/news/2009/11september.html www.ieee802.org/15/ S.E.Hollar, COTS Dust, http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/archive/ users/hollar-seth/publications/cotsdust.pdf, December 2000 S.E.Hollar, Macro-Motes, http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/archive/ users/hollar-seth/macro_motes/macromotes.html, April 2004 S.Yang, Researchers create wireless sensor chip the size of glitter, http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2003/06/04_sensor.shtml, June 2003 J.Hill, Spec takes the next step toward the vision of true smart dust, http://www.cs.berkeley.edu/~jhill/spec/index.htm, January 2004 Intel Research - Exploratory Research - Deep Networking, http://www intel.com/research/exploratory/motes.htm, April 2004 Anna Ha´c, “Wireless Sensor Network Designs”, ISBN 0-470-86736-1, John Wiley & Sons, Ltd, 2003 C F Chiasserini, M Garetto, ‘‘Modeling the Performance of Wireless Sensor Networks,’’ Proceedings of the 23rd Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (InfoCom’04), Mar 2004 P Gupta and P R Kumar, ‘‘The Capacity of Wireless Sensor Networks,’’ IEEE Transactions on Information Theory, Vol 46, Mar 2000 G Bianchi, ‘‘Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function,’’ IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol 18, No 3, Mar 2000, pp 535–547 Z Hadzi-Velkov, B Spasenovski, ‘‘Saturation Throughput-Delay Analysis of IEEE 802.11 DCF in Fading Channel,’’ Proceedings of the IEEE International Conference on Communications (ICC’03), 2003, pp 121–126 B Krishnamachari, D Estrin, S Wicker, ‘‘Modelling Data-Centric Routing in Wireless Sensor Networks,’’ Proceedings of the 21st Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (InfoCom’02), June 2002 J N Al-karaki, A E Kamal, ‘‘Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey’’ IEEE Wireless Communications, Vol 11, No 6, Dec 2004, pp 6–28 Tài liệu tham khảo Trang 75 LUẬN VĂN THẠC SĨ [22] Kemal Akkaya and Mohamed Younis, “A Survey on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks”, 2004 [23] M Chu, H Haussecker, and F Zhao, “Scalable Information-Driven Sensor Querying and Routing for ad hoc Heterogeneous Sensor Networks”, The International Journal of HighPerformance Computing Applications, Vol 16, No 3, August 2002 [24] C Intanagonwiwat, R Govindan, and D Estrin, "Directed diffusion: a scalable and robust communication paradigm for sensor networks," Proceedings of ACM MobiCom '00, Boston,MA, 2000, pp 56-67 [25] Sandra M Hedetniemi, Stephen T Hedetniemi, Arthur L Liestman, “A survey of gossiping and broadcasting in communication networks”, Networks 19711995 Volume 18,Issue , Pages319 – 349 Copyright © 1988 Wiley Periodicals, Inc., A Wiley Company [26] P M Anh, T D Hai “Định tuyến tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây” Luận văn tốt nghiệp ngành Điện tử - viễn thông Trường Đại học Bách khoa TP HCM, năm 2007 Trang 2-7, 11-14, 19 [27] Sandra M Hedetniemi, Stephen T Hedetniemi, Arthur L Liestman, “A survey ofgossiping and broadcasting in communication networks”, Networks 19711995 Volume 18,Issue , Page s319 – 349 Copyright © 1988 Wiley Periodicals, Inc., A Wiley Company [28] V N Son, “ Các phương pháp định tuyến tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến vô tuyến” Luận văn tốt nghiệp ngành Điện tử - viễn thông Trường Đại học Bách khoa TP HCM, năm 2005 Trang 34-38 [29] K Sohrabi, J Gao, V Ailawadhi and G.J Pottie, “Protocols for SelfOrganization of a Wireless Sensor Network”, IEEE Journal of Personal Communications, vol 7, issue 5,pp 16-27, Oct 2000 [30] Y Yao, J Gehrke, “The cougar approach to in-network query processing in sensor Networks”, in: SIGMOD Record, September 2002 [31] Ad Hoc Tutorial, pp.14-15 [32] Computer Networks, Fourth Edition, Andrew S Tanenbaum, ISBN 0-13066102-3, pp.357 [33] Routing and muticasting strategies in Wireless Mobile Ad Hoc Networks, SungJu Lee, University of California Los Angeles, pp.32-33 [34] Range Adaptive Protocols for Wireless Multihop Networks, Nattavut Smavatkul, Dr Scott F.Midkiff, November 2000, pp.11 [35] David A.Maltz, “On-demand Routing in Multihop Wireless Mobile Ad Hoc Networks,” School of Computer Science, May 2001, CMU-CS-01-130, pp.4647 [36] C Hutema Routing In Internet Prentice Hall , 1996 [37] T Meng and R Volkal “Distributed Network Protocol for Wireless Communication” In Proc IEEE ISCAS, May 1998 [38] K Scott and N Bambos “Routing and channel assignement for low power transminssion in PCS” In 5th IEEE int Conf on Universal personal Communication Volume 2, pp 498-502 Sept 1996 [39] K Scott and N Bambos The Self Organizing Wireless Adapter Network (SWAN) Protocol for communication among mobile user in Preceedings of the IEEE Global 95 1995 [40] D Petrovic, R C Shah, K Ramchandran, and J Rabaey “Data funneling: Routing with aggregation and compression for wireless sensor networks” In Tài liệu tham khảo Trang 76 LUẬN VĂN THẠC SĨ [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] Proceedings of the 1st IEEE International Workshop on Sensor Network Protocols and Applications (SNPA), pages 156–162, Anchorage, Alaska, May 2003 S Bandyopadhyay, E Coyle, “An energy efficient hierarchical clustering algorithm for wireless sensor networks”, IEEE Infocom, San Francisco, CA, 2003 V Rodoplu and T Meng, “Minimum energy mobile wireless networks,” IEEE J Select Areas Commun., 17 (1999), pp 1333 – 1344 Y Xu, J Heidemann and D Estrin, “Geography-informed energy conservation for Ad Hoc routing, in MobiCom ’01”: Proceedings of the 7th annual international conference on Mobile computing and networking, New York, NY, USA, 2001, ACM, pp 70–84 M Zorzi and R.R Rao, “Geographic random forwarding (geraf) for ad hoc and sensor networks”: energy and latency performance,Mobile Computing, IEEE Transactions on, (Oct.-Dec 2003), pp 349–365 I Akyildiz and Kasimogu “Wireless Sensor and Actor Network” Researsh Challenges”, Ad-hoc Networks (Elevier), vol 2, pp 251, 367, 2004 Jonathan G.P “Energy Efficient Hybrid Routing Protocol for Wireless Sensor Networks” Msc, 2007 pp 44-46 Szymon Fedor, “Cross–layer Energy Optimisation of Routing in Wireless Sensor Networks” , Phd April 2008, pp 84 S Basagni, “Distributed Clustering Algorithm for Ad Hoc Networks”, Proc Int’l Symp Parallel Architectures, Algorithms, and Networks, 1999, pp 310–15 http://www.isi.edu/nsnam/ns/ Tài liệu tham khảo Trang 77 LUẬN VĂN THẠC SĨ PHỤ LỤC TỔNG QUAN VỀ NS-2 1.1 Giới thiệu NS (Network Simulator) phần mềm mô mạng điều khiển kiện riêng rẽ hướng đối tượng, phát triển UC Berkely, viết ngơn ngữ C++ OTcl NS hữu ích cho việc mô mạng diện rộng (WAN) mạng local (LAN) Bốn lợi ích lớn NS-2 phải kể đến là: • Khả kiểm tra tính ổn định giao thức mạng tồn • Khả đánh giá giao thức mạng trước đưa vào sử dụng • Khả thực thi mơ hình mạng lớn mà gần ta khơng thể thực thi thực tế • Khả mơ nhiều loại mạng khác NS có nhiều phiên cập nhật nâng cấp thương xuyên Version thời điểm thực luận văn NS 2.34 cập nhật ngày 18-06-2009 Mặc dù NS-2 phần mềm mã nguồn mở có sẵn cho Windows 32 Linux, phụ lục này đề cập đến việc cài đặt thực thi NS-2 môi trường Linux Luận văn sử dụng NS phiên cũ 2.27 nên phần phụ lục đề cập chủ yếu đến phiên cụ thể Các phiên sau người đọc tham khảo đầy đủ địa chỉ: http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-build.html 1.2 Chạy chương trình NS-2 NAM Hình sau biểu diễn kiến trúc thư mục NS-2 NAM môi trường Linux NS-2 NAM thư mục ns-allinone-2.27 NS-2 bao gồm thực thi mô (bằng mã C++ mã OTcl), kịch Otcl kiểm tra tính hiệu lực kịch OTcl minh họa ns-allinone-2.27 Tcl8.4.5 TK8.4.5 OTcl tclcl tcl ex Các ví dụ test Các kiểm tra ns-2.27 lib nam-1.10 Mã C++ mcast Mã OTcl Hình 1: Kiến trúc thư mục cài đặt NS-2 NAM môi trường Linux Trước tiên, cần xem việc thiết lập giá trị biến PATH Phụ lục Trang 78 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tiếp theo, để chạy NS-2, chuyển vào thư mục ns-2.27, gọi chương trình ns lệnh ns file.tcl Cách chạy kịch ví dụ simple.tcl đặt thư mục /ns-2.27/tcl/ex sau: ns-2 cd{đường dẫn đến thư mục ns-2.27}/tcl/ex/ / /ns simple.tcl Tương tự, để chạy NAM, chuyển vào thư mục nam-1.10, gọi chương trình nam lệnh nam file.nam Chạy kịch ví dụ lan.nam thư mục /nam-1.0/ex sau: nam cd {đường dẫn đến thư mục nam-1.11}/ex gunzip lan.nam.gz /nam lan.nam Lệnh gunzip dùng giải nén tập tin lan.nam.gz thành lan.nam KIẾN TRÚC CỦA NS-2 2.1 Giới thiệu NS thực thi giao thức mạng Giao thức điều khiển truyền tải (TCP) Giao thức gói người dùng (UDP); dịch vụ nguồn lưu lượng Giao thức truyền tập tin (FTP), Telnet, Web, Tốc độ bit cố định (CBR) Tốc độ bit thay đổi (VBR); kỹ thuật quản lý hàng đợi Vào trước Ra trước (Drop Tail), Dò sớm ngẫu nhiễn (RED) CBQ; thuật toán định tuyến Dijkstra… NS thực thi multicasting vài giao thức lớp Điều khiển truy cập đường truyền (MAC) mơ LAN Hình 2: Tổng quan NS góc độ người dùng Phụ lục • OTcl Script Kịch OTcl • Simulation Program Chương trình mơ • OTcl Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng • NS Simulation Library Thư viện Mô NS Trang 79 LUẬN VĂN THẠC SĨ • Event Scheduler Objects Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện • Network Component Objects Các đối tượng Thành phần Mạng • Network Setup Helping Modules, Các mơ đun Trợ giúp Thiết lập Mạng • Plumbling Modules Các mơ đun Plumbling • Simulation Results Các kết Mơ • Analysis Phân tích • NAM Network Animator Minh họa Mạng NAM Trong hình trên, NS Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng; bao gồm đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện, đối tượng Thành phần Mạng mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng (hay mô đun Plumbing) Để sử dụng NS-2, user lập trình ngơn ngữ kịch OTcl User thêm mã nguồn Otcl vào NS-2 cách viết lớp đối tượng OTcl Những lớp biên dịch với mã nguồn gốc Kịch OTcl thực việc sau: • Khởi tạo Bộ lập lịch Sự kiện • Thiết lập Mơ hình mạng dùng đối tượng Thành phần Mạng • Báo cho nguồn traffic bắt đầu truyền ngưng truyền packet Bộ lập lịch Sự kiện Thuật ngữ plumbing dùng để việc thiết lập mạng, thiết lập mạng nghĩa xây dựng đường liệu đối tượng mạng cách thiết lập trỏ “neighbour” cho đối tượng để đến địa đối tượng tương ứng Mô đun plumbing OTcl thực tế thực việc đơn giản Plumbing làm nên sức mạnh NS Thành phần lớn khác NS bên cạnh đối tượng Thành phần Mạng Bộ lập lịch Sự kiện Bộ lập lịch Sự kiện NS-2 thực việc sau: • Tổ chức Bộ định thời Mơ • Huỷ kiện hàng đợi kiện • Triệu gọi Thành phần Mạng mơ Phụ thuộc vào mục đích user kịch mô OTcl mà kết mơ lưu trữ file trace Định dạng file trace tải vào ứng dụng khác để thực phân tích: • File nam trace (file.nam) dùng cho công cụ Minh họa mạng NAM • File Trace (file.tr) dùng cho công cụ Lần vết Giám sát Mô XGRAPH hay TRACEGRAPH Phụ lục Trang 80 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3: Luồng kiện cho file Tcl chạy NS • NAM Visual Simulation Mơ ảo NAM • Tracing and Monitoring Simulation 2.2 Mơ Lần vết Giám sát C++ OTcl Hình sau biểu diễn kiến trúc chung NS User tưởng tượng đứng góc trái dưới, thiết kế chạy mô Tcl Tcl dùng đối tượng mô OTcl Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện hầu hết đối tượng Thành phần Mạng thực thi C++ sẵn có cho OTcl qua liên kết OTcl Liên kết OTcl thực thi dùng TclCL Tất làm nên NS, biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng thư viện mô mạng Network Components OTcl Tcl Event Scheduler TclCL C/C++ ns-2 Hình 4: Kiến trúc NS-2 • NS sử dụng hai ngơn ngữ lập trình: Ngơn ngữ kịch (Tcl – Tool Command Language, đọc tickle) Ngơn ngữ lập trình hệ thống (C/C++) • NS tầng biên dịch Tcl để chạy kịch Tcl • Bằng cách sử dụng C++/OTcl, mơ mạng phải hồn tồn hướng đối tượng Hình sau đối tượng C++ có liên kết OTcl Khi đó, chúng tạo nên phân cấp đối tượng OTcl có phân cấp tương ứng Phụ lục Trang 81 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 5: C++ OTcl: Sự đối ngẫu TclCL ngôn ngữ sử dụng để cung cấp liên kết C++ OTcl Các kịch Tcl/OTcl viết để thiết lập cấu hình topology mạng TclCL cung cấp liên kết phân cấp lớp, khởi tạo đối tượng, nối kết biến gửi lệnh Hình 6: TclCL hoạt động liên kết A B Vậy, NS lại cần sử dụng đến hai ngôn ngữ? Lý Bộ mơ cần thực hai việc khác Một mặt mơ cho giao thức u cầu ngơn ngữ lập trình hệ thống tính tốn cách hiệu byte, tiêu đề packet thuật toán thực thi chạy tập liệu lớn Với tác vụ này, run-time speed (tốc độ thời gian chạy thực) quan trọng turn-around time (thời gian thay đổi) quan trọng Turn-around time bao gồm thời gian chạy mơ phỏng, thời gian tìm lỗi, thời gian sửa lỗi, thời gian biên dịch lại thời gian chạy lại Mặt khác, nghiên cứu mạng cần quan tâm đến tham số cấu hình có thay đổi khơng đáng kể, hay quan tâm đến scenario (tình huống) cần khám phá thật nhanh chóng Trong tác vụ iteration time (thời gian lặp lại, tức thời gian hay đổi mơ hình chạy lại) quan trọng Vì cấu hình chạy lần lúc bắt đầu mô nên run-time tác vụ rõ ràng quan trọng Theo giải thích trên, ngơn ngữ dùng cho việc gì? Dùng C++ để: • Mơ giao thức chi tiết u cầu ngơn ngữ lập trình hệ thống o Thao tác byte, xử lý gói, thực thi thuật tốn o Tốc độ thời gian thực quan trọng Phụ lục Trang 82 LUẬN VĂN THẠC SĨ • Thực việc mà cần phải xử lý tứng packet luồng • Thay đổi hành vi lớp C++ tồn theo hướng không lường trước Và dùng OTcl để: • Mơ thơng số hay cấu hình thay đổi o Tham dị nhanh số tình o Thời gian tương tác (thay đổi mơ hình hay chạy lại) quan trọng • Cấu hình, thiết lập hay làm lần • Thực ta muốn cách thao tác đối tượng C++ tồn Ví dụ link đối tượng OTcl liên kết mơ đun delay (trì hỗn), queueing (hàng đợi) possibly loss (khả mát) Còn muốn thực việc chuyên nghiệp cần phải tạo đối tượng C++ Hầu hết định tuyến viết OTcl (dù thuật toán Dijkstra lõi viết C++) Mơ HTTP có luồng bắt đầu OTcl việc xử lý gói lại viết C++ Phương pháp chạy tốt có đến 100 luồng bắt đầu thời gian mơ giây Nói chung, phải triệu gọi Tcl nhiều lần giây có lẽ nên chuyển sang C++ Về phương diện mã nguồn, NS-2 viết với 100k dòng mã lệnh C++, 70k dòng mã Tcl 20k dịng tài liệu 2.3 Các đặc tính NS-2 NS-2 thực thi tính sau: • Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router DropTail, RED, CBQ, • Multicasting • Mơ mạng khơng dây o Được phát triển Sun Microsystems + UC Berkeley (Dự án Daedalus) o Thuộc mặt đất (di động, adhoc, GPRS, WLAN, BLUETOOTH), vệ tinh o Chuẩn IEEE 802.11 mô phỏng, giao thức Mobile-IP adhoc DSR, TORA, DSDV AODV • Hành vi nguồn traffic – www, CBR, VBR • Các agent truyền tải – UDP, TCP • Định tuyến • Luồng packet • Mơ hình mạng Phụ lục Trang 83 LUẬN VĂN THẠC SĨ • Các ứng dụng – Telnet, FTP, Ping • Các packet tracing tất link link xác định NS-2 WSNs NS-2 chưa tích hợp đầy đủ mơ hình cho việc mơ mạng WSNs, cụ thể sử dụng số mơ mơ hình tiêu hao lượng node, mơ hình kênh truyền, mơ hình MAC sử dụng chung cho việc truyền vô tuyến mà không quan tâm đến lượng Luận văn sử dụng mã nguồn có sẵn giải thuật LEACH, LEACH mô NS-2, đội ngũ thiết kế LEACH thực dự án μAMS trường đại học Berkeley Họ hiệu chỉnh để lớp MAC NS-2 phù hợp với yêu cầu mạng WSNs Phụ lục Trang 84 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN THẾ ANH Ngày sinh: 23 – 11 – 1980 Nơi sinh: Thái Bình Địa liên lạc: 49 Đường 2, Tổ 5, Khu phố 8, P Trường Thọ, Q Thủ đức TP HCM Điện thoại: (+84) 908.493.999 Email: theanh4u@yahoo.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 09/1998 – 03/2004 : Học đại học Trường ĐH Bách Khoa TP HCM Chuyên Ngành : Điện tử Viễn thông 10/2007 – 12/2009 : Học cao Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM Chuyên Ngành : Kỹ thuật điện tử QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC 09/2003 – 10/2005: Kỹ sư viễn thơng Cty Cổ phần Phát triển Công nghệ ADTEC 11/2005 – 12/2009: Kỹ sư viễn thông Cty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện ... 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. .. cáo không sử dụng tập hợp liệu 42 Hình 3.9: Phát kiện gửi báo cáo có sử dụng tập hợp liệu 42 Hình 4.1: Mơ hình mạng phân cấp giải thuật LEACH 45 Hình 4.2: Mơ hình mạng phân cấp giải thuật. .. gọi xử lý liệu không kết hợp node thực xử lý liệu gọi node tập hợp liệu Trong giao thức định tuyến kết hợp, sau có xử lý tối thiểu liệu từ node cảm biến chuyển tiếp lên node tập hợp liệu Bước