Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết tập trung vào đánh giá hiệu năng của của mạng cảm biến không dây với một số giao thức định tuyến nhằm mục địch đưa ra kết quả so sánh, đánh giá hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho các nút cảm biến của từng giao thức.
ISSN 2354-0575 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VỚI MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH ĐỊNH TUYẾN Nguyễn Văn Hậu, Phạm Thị Ánh Hương Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày nhận: 22/06/2016 Ngày sửa chữa: 16/08/2016 Ngày xét duyệt: 09/09/2016 Tóm tắt: Hiện nay, mạng cảm biến không dây triển khai áp dụng phổ biên đời sống: theo dõi thay đổi mơi trường, khí hậu, y tế, quân sự, công nghiệp Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây phải đối mặt với nhiều thách thứ Một thách thức lớn mạng cảm biến không dây nguồn lượng bị giới hạn khơng thể nạp lại Chính nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng toàn mạng Xuất phát từ thực tế đó, báo tập trung vào đánh giá hiệu của mạng cảm biến không dây với số giao thức định tuyến nhằm mục địch đưa kết so sánh, đánh giá hiệu việc tiết kiệm lượng tiêu thụ cho nút cảm biến giao thức Với đóng góp đó, báo coi tham khảo cho việc áp dụng giao thức định tuyến mạng cảm biến khơng dây Từ khóa: Giao thức định tuyến, hiệu mạng, mạng cảm biến không dây GIỚI THIỆU Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) định nghĩa mạng hình thành từ số lượng lớn nút cảm biến có trạm gốc Nút cảm biến thiết bị nhỏ gọn, có khả tự điều hành hoạt động số điều kiện đặc biệt như: sử dụng nguồn lượng pin, tiêu tốn lượng có đầy đủ tính để thực nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính tốn, lưu trữ liệu nhằm đưa nhận định toàn cục mơi trường xung quanh Ngồi ra, chúng trang bị thu, phát vô tuyến để truyền thông với trạm gốc, nơi mà thông số từ nút gửi phân tích, tính tốn, lưu trữ sẵn sàng cho người sử dụng [1,2] Mơ hình mạng cảm biến khơng dây thể Hình Có nhiều lý khiến WSN trở thành đề tài nghiên cứu hấp dẫn lĩnh vực viễn thông năm gần đây, đó, quan trọng khả triển khai mạng khả đáp ứng nhiều ứng dụng thực tế khác Ngày nay, nhờ tiến cơng nghệ cảm biến, chi phí để xây dựng mạng WSN giảm đáng kể, thời gian hoạt động nút cảm biến cải thiện, thêm vào ưu điểm mạng WSN đơn giản xây dựng lập trình mạng Tuy nhiên, nhân tố cốt lõi quan trọng khiến WSN xem công nghệ đầy hứa hẹn khả cung cấp ứng dụng thực tế Với công nghệ cảm biến đại, nút cảm biến ngày cảm biến số lượng lớn tham số vật lý, từ tham số phổ biến như: nhiệt độ, độ ẩm, Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng - 2016 ánh sáng tia hồng ngoại, âm thanh, áp lực, cảm biến hóa học, từ trường… loại tham số vô tinh vi như: khả nhận thức (ví dụ cảm biến tương tác di chuyển) Chính nhờ khả cảm biến nhiều thơng số vật lý mà WSN ngày ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: quân sự, giám sát môi trường đa dạng sinh học, hộ thông minh, quản lý nhà máy ứng dụng chăm sóc sức khỏe người Trong tương lai gần, WSN ứng dụng đóng vai trị thiết yếu sống người [3] Hình Mơ hình tổng quan mạng cảm biến không dây Tuy nhiên bên cạnh ưu có được, mạng WSN phải đối mặt với nhiều thách thức thách thức lớn nguồn lượng bị giới hạn nạp lại Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu Journal of Science and Technology 63 ISSN 2354-0575 lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Trong đáng ý phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phù hợp để tìm đường nút mạng, qua kéo dài đáng kể thời gian sống mạng WSN MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Trong báo tập trung ba giao thức định tuyến hay sử dụng mạng cảm biến không dây: Giao thức phân theo cụm thích ứng lượng LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy), giao thức phân cấp theo cụm thích ứng lượng tập trung LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Centralized) giao thức phân theo cụm cố đinh (STAT-CLUSTER) 2.1 Giao thức LEACH Nguyên tắc hoạt động Hoạt động LEACH chia thành vòng , vòng bắt đầu với pha thiết lập, diễn q trình chọn nút chủ thành lập cụm Sau pha thiết lập pha ổn định, pha này, xảy trình truyền liệu đến nút chủ đến trạm gốc (base station) Để giảm lượng tin vào đầu mạng pha ổn định phải dài so với pha thiết lập [5] có cụm hình thành, vịng khác lại có q nhiều cụm, từ đó, liệu gửi tới trạm gốc bị gián đoạn - Xác định nút chủ không vào lượng lại: Một ưu điểm LEACH phân bố vai trò làm nút chủ chu kỳ cho tất nút mạng, nhiên, trường hợp mạng lớn, khoảng cách từ nút đến trạm gốc chênh lệch nhiều, đó, lượng lượng tiêu hao trở thành nút chủ khác xa nhau, LEACH lại không vào lượng lại để lựa chọn nút chủ, mà vào số lần trở thành nút chủ vịng trước Nhược điểm làm cho nút xa trạm gốc lượng sớm - Phân bổ cụm khơng hiệu quả: Q trình chọn nút chủ phân bổ cụm hồn tồn khơng quan tâm tới vị trí nút mạng nên có nhiều trường hợp hai nút chủ nằm cạnh nhau, tạo nên hai cụm chồng lấn lên nhau, ảnh hưởng đến hiệu mạng Để khắc phục nhược điểm giao thức LEACH bản, nhiều nghiên cứu tiến hành, giao thức LEACH-C đưa giải pháp hiệu cho vấn đề đánh giá cao khả ứng dụng mạng WSN [2,5] 2.2 Giao thức LEACH-C Ngun tắc hoạt động Hình Mơ hình hoạt động LEACH Ưu điểm: - Đơn giản: Trong giao thức định tuyến LEACH, nút cảm biến tự tiến hành định nút chủ phân bổ cụm, không địi hỏi thơng tin điều khiển từ trạm gốc nút khơng u cầu hiểu biết tồn cấu hình mạng Ưu điểm giảm gánh nặng cho trạm gốc lượng tin mào đầu truyền mạng Nhược điểm: - Số cụm vịng khơng cố định thuật tốn LEACH khơng có chế để đảm bảo số lượng cụm vịng Nhược điểm dẫn đến hậu có vịng khơng 64 Hình Mơ hình hoạt động pha thiết lập LEACH-C Về mặt ý tưởng, LEACH-C hoàn toàn giống với LEACH bản, khác pha thiết lập, cịn pha ổn định kế thừa từ giao thức LEACH Khác với LEACH (mỗi nút có xác suất để chọn làm nút chủ cụm), giao thức LEACH-C, trình lựa chọn cụm nút chủ thực trạm gốc Trong pha thiết lập LEACH – C, tất nút mạng gửi thông tin trạng thái (bao gồm vị trí Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 lượng cịn lại) trạm gốc Trạm gốc, sau đó, dùng thuật toán tối ưu để xác định cụm nút chủ cho vòng [5] Ưu điểm: - Phân bổ lượng hiệu quả: Trong LEACH-C, trạm gốc - không bị giới hạn lượng - đảm nhiệm chức lựa chọn nút chủ, đó, áp dụng thuật tốn tối ưu phức tạp đưa nhiều tham số vào q trình định, đó, lựa chọn nút chủ tối ưu hơn, nâng cao hiệu sử dụng lượng nút mạng - Xác định nút chủ vào lượng dự trữ: Với việc đưa tham số lượng dự trữ trở thành điều kiện trình xác định nút chủ, rõ ràng LEACH-C đạt hiệu tốt LEACH Thêm vào đó, BS thực chức xác định nút chủ làm giảm lượng cho xử lý nút cảm biến - Phân bổ cụm hiệu theo vị trí: LEACH-C thực tập trung thơng tin tồn mạng trạm gốc, nên BS xác định topo mạng vào vị trí nút, từ đó, có chiến lược phân bố cụm theo vị trí hiệu LEACH - Kiểm sốt số cụm vịng: Việc loại bỏ tham số ngẫu nhiên S trình lựa chọn nút chủ (từ hình thành nên cụm) giúp LEACH-C xác định số cụm vịng hoạt động, ưu điểm có tác động tích cực đến tính liên tục liệu nhận BS Nhược điểm: - Phức tạp: Việc thiết kế thuật toán để lựa chọn nút chủ tối ưu cho trạm gốc phức tạp, với số lượng lớn tham số đầu vào - Số lượng lớn tin mào đầu: Trong giao thức LEACH-C, kết thúc vịng, nút cảm biến phải gửi cho BS thơng tin vị trí trạng thái lượng nút Mặc dù kích thước tin nhỏ, với nút có khoảng cách tới BS lớn lượng tiêu thụ cho việc gửi gói tin làm ảnh hưởng đáng kể tới thời gian sống nút 2.3 Giao thức Stat-Clustering Nguyên tắc hoạt động Giao thức Stat – Clustering tương tự với LEACH-C Trạm gốc vào tọa độ lượng node để phân chia cấu hình mạng Tuy nhiên Stat - Cluster trạm gốc chia nhóm lần giữ ngun cấu hình mạng để gửi liệu.[5] Ưu điểm: Các node chủ cụm cố định nên không tốn thời gian lượng cho trình phân chia lại Nhược điểm: Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng - 2016 Thời gian hoạt động ngắn trình chọn node chủ cụm ban đầu ngẫu nhiên node chủ cụm xa trạm gốc mạng hết lượng nhanh Trong phần báo giới thiệu nguyên tắc hoạt động, ưu, nhược điểm ba giao thức thường sử dụng trọng mạng cảm biến không dây: LEACH, LEACH-C, STATCLUSTER tiền đề cho phần mô thực phần báo MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Có nhiều phần mềm để mô mạng, nhiên báo tác giả chọn phần mềm NS2 (Network Simulation 2) Để thực việc mô ba giao thức LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER dựa vào kết mô để đánh giá tính hiệu giao thức thơng qua tiêu chí: Năng lượng tiêu thụ nút, thời gian sống nút, liệu truyền thành công nút, tổng liệu nhận được/tổng lượng tiêu hao 3.1 Bài tốn mơ Để xây dựng mơ hình mạng cảm biến không dây cần quan tâm đến tham số chính: Topo khởi tạo ban đầu, lượng ban đầu nút, kích thước gói tin, thông số vật lý kênh vô tuyến Kết mô thu là: - Số nút hoạt động sau thời gian xác định - Tổng liệu truyền từ nút đến trạm gốc - Tổng lượng tiêu thụ nút 3.2 Kịch mô Thời gian mô Max=600s Số Cluster khởi tạo Num_cluster=5 Năng lượng khởi tạo node Số node mạng 2J 101(0->99; 100-BS) Trạm gốc(BS) đặt tọa độ (50;175) Vị trí node mạng khời tạo ngẫu nhiên (1000;1000) 3.3 Kết thực nghiệm thảo luận Đánh giá: Dựa vào Hình hoạt động ba giao thức định tuyến LEACH, LEACH-C statclus ta thấy số lượng node cịn sống theo thời gian hai giao thức LEACH, LEACH–c lớn nhiều so với giao thức stat-clus Giao thức stat-clus tiến hành phân cụm lần nên lượng node hết nhanh hệ thống Journal of Science and Technology 65 ISSN 2354-0575 sớm ngừng hoạt động Trong giao thức LEACH-C, trạm gốc có thơng số lượng vị trí node cảm biến, nên việc lựa chọn node chủ cụm tối ưu hơn, nên số lượng node sống mạng sử dụng giao thức LEACH-C cao sử dụng giao thức Hình Sơ đồ node mạng sống theo thời gian ba giao thức Hình Tổng liệu gửi thành công node theo thời gian Đánh giá: Nhìn vào Hình ta thấy tổng liệu mà node gốc nhận giao thức LEACH-C vượt trội hẳn Hiệu độ tin cậy mạng cao sử dụng giao thức định tuyến LEACH-C Do việc sử dụng giao thức LEACH-C tối ưu việc truyền liệu node cảm biến tới trạm gốc hai giao thức định tuyến LEACH stat-clus Hình Tổng mức độ tiêu thụ lượng node theo thời gian Đánh giá: Dựa vào Hình ta thấy khoảng 150 giây hoạt động mức độ tiêu thụ lượng giao thức LEACH-C có cao so với giao thức LEACH Tuy nhiên thời gian sau tổng mức lượng tiêu lượng node giao thức LEACH-C lại thấp giao thức LEACH Điều chứng tỏ, xét tồn q trình hoạt động tồn hệ thống mạng giao thức LEACH-C tối ưu giao thức LEACH mức tiêu thu lượng Hình Tổng liệu nhận được/tổng lượng tiêu hao Đánh giá: Tại Hình cho thấy tổng liệu trạm gốc (BS) tổng lượng tiêu hao tất node cảm biến mặc định Dựa vào hình ta thấy giao thức định tuyến LEACH-C hoạt động hiệu hơn, tổng liệu nhận được/mức độ tiêu thụ lượng tăng ổn định biến động so với giao thức LEACH Do trình chọn node chủ cụm ngẫu nhiên, nên thời gian hoạt động sau hệ thống sử dụng giao thức LEACH hoạt động hiệu 3.4 Nhận xét chung Trong điều kiện môi trường giả 66 Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 lập (các thông số đầu vào giống nhau) ba giao thức định tuyến phân cấp Static-cluster, LEACH, LEACH-C Đối với giao thức định tuyến Staticcluser, node CH cố định nên mạng nhanh chóng dừng hoạt động (vì node CH hết lượng nhanh) Giao thức LEACH-C cải tiến từ giao thức LEACH nên tối ưu node sống theo thời gian, tổng lượng tiêu thụ tổng liệu nhận node sở so với giao thức LEACH KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong báo chúng tơi trình bày tổng quan mạng cảm biến không dây, ứng dụng cần thiết mạng cảm biến không dây đồng thời báo giới thiệu phương thức hoạt động, ưu nhược điểm số giao thức thường sử dụng mạng cảm biến khơng dây để từ thực việc mô ba giao thức LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER dựa vào kết mơ để đánh giá tính hiệu giao thức thơng qua tiêu chí: Năng lượng tiêu thụ nút, thời gian sống nút, liệu truyền thành công nút, tổng liệu nhận được/ tổng lượng tiêu hao Trên sở nghiên cứu đạt tiếp tục nghiên cứu tìm giao thức để vừa tiết kiệm đươc lượng tiêu thụ toàn mạng, vừa đảm bảo truyền liệu hiệu từ node trạm gốc Tài liệu tham khảo [1] Lê Nhật Thăng, Nguyễn Quý Sỹ, Các kỹ thuật phân nhóm mạng cảm biến vơ tuyến, Tạp chí Bưu viễn thơng, số 301, năm 2007 [2] Holger Karl, Andreas Willig, Protocols and Architecture for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005 [3] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007 [4] Robrto Verdone, Davide Dardari, Gianluca Mazzini, Andrea Conti, Wireless Sensor and Actualtor Networks – Technologies, Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2006 [5] Bhaskar Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press, 2005 PERFORMENCE EVALUATION OF A WIRELESS SENSOR NETWORK WITH DIFFERENT ROUTING PROTOCOLS Abstract: Wireless Sensor Network (WSN) has been considerably applied and deployed in many areas, e.g commonly used in order to monitor environmental conditions, in hospitals, army, and emergency However, there are many issues and challenges in WSN, e.g the limited energy resource is one of the most challenging One of such challenge is the energy consumed in WSN which is very limited and non-chargeable Therefore, many researchers have investigated in improvements of reducing the amount of energy required to provide routers in WSN Our paper focuses on the study and evaluates the performance of some common routing protocols in WSN by providing a comparison among them through experiments in term of saving energy consumption in each node for each protocol We believe that the paper can be considered as a good reference for using routing protocols in WSN Keywords: routing protocols, performance of routing networks, wireless sensor network Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology 67 ... khơng dây, ứng dụng cần thiết mạng cảm biến không dây đồng thời báo giới thiệu phương thức hoạt động, ưu nhược điểm số giao thức thường sử dụng mạng cảm biến khơng dây để từ thực việc mơ ba giao thức. .. lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Trong đáng ý phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phù hợp để tìm đường nút mạng, qua kéo dài đáng kể thời gian sống mạng WSN MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN... WSN MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Trong báo chúng tơi tập trung ba giao thức định tuyến hay sử dụng mạng cảm biến không dây: Giao thức phân theo cụm thích ứng lượng LEACH