ĐỀ tài ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây và GIAO THỨC LEACH

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I CHUYÊN ĐỀ ĐỀ TÀI: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY VÀ GIAO THỨC LEACH NHĨM MƠN HỌC: NHĨM 05 Giảng viên: TS HỒNG TRỌNG MINH Sinh viên: Đỗ Tường Lân - B17DCVT208 Trần Văn Cường - B17DCVT048 Phùng Minh Hiếu - B17DCVT134 Hà Nội, 6/2021 LỜI NĨI ĐẦU Mạng cảm biến khơng dây – Wireless Sensor Network (WSN) phần quan trọng hạ tầng mạng truyền thông IoT ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực như: y tế, giáo dục, quân Mạng cảm biến không dây có khả cung cấp tảng để thu thập truyền tải thông tin đến trung tâm xử lý tín hiệu Đa số mơ hình mạng nút cảm biến bị giới hạn khả truyền dẫn khả cung cấp lượng để trì cho hoạt động Do vậy, vấn đề lượng hay hiệu sử dụng mạng cảm biến nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu giới Hiện nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều giải pháp tối ưu lượng mạng cảm biến nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ mạng thông qua kĩ thuật khác cân tải, phân cụm, định tuyến…Trong cách tiếp cận phương pháp định tuyến phương pháp tốt để cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây tiểu luận nhóm em trình bày kiểu giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây giao thức định tuyến LEACH biến thể Bố cục tiểu luận gồm chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây Chương 2: Các giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây Chương 3: Giao thức LEACH mô Bằng cố gắng nỗ lực nhóm em hồn thành xong tiểu luận nhóm Do có hạn chế mặt thời gian mức độ hiểu biết thân nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót q trình nghiên cứu Vì thế, nhóm em mong nhận lời góp ý bảo thêm thầy bạn để em có thêm kiến thức phục vụ cho học tập công việc sau Chuyên đề i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.1.1 Cấu trúc mạng cảm biến .2 1.1.2 Cấu trúc nút cảm biến 1.1.3 Kiến trúc giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây 1.1.4 Các đặc điểm mạng cảm biến .9 1.1.5 Các vấn đề thiết kế mạng cảm biến 10 1.2 Ứng dụng mạng cảm biến thực tế 13 1.2.1 Trong quân 13 1.2.2 Trong y học 14 1.2.3 Trong gia đình 14 1.2.4 Trong thành phố thông minh 15 1.3 Một số vấn đề bảo mật mạng cảm biến .16 1.4 Kết luận chương 18 CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 20 2.1 Thách thức định tuyến mạng cảm biến không dây 20 2.2 Phân loại giao thức định tuyến mạng cảm biến 22 2.3 Giao thức định tuyến dựa dạng phẳng .25 2.3.1 Giao thức cảm biến thông tin qua đàm phán 25 2.3.2 Khuếch tán trực tiếp 27 2.3.3 Định tuyến nhận biết lượng 28 2.4 Giao thức định tuyến dựa phân cấp 29 2.4.1 Giao thức phân cụm thích ứng lượng thấp .29 2.4.2 Thu thập lượng hiệu hệ thống thông tin cảm biến 30 2.4.3 Giao thức hiệu lượng nhạy cảm ngưỡng 31 Chuyên đề i 2.5 Giao thức định tuyến dựa vị trí 32 2.5.1 Giao thức nhận biết lượng vị trí địa lý 32 2.5.2 Độ tin cậy thích ứng địa lý .34 2.6 Kết luận chương 35 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH GIAO THỨC PHÂN CỤM THÍCH ỨNG NĂNG LƯỢNG THẤP VÀ MÔ PHỎNG 36 3.1 Giới thiệu 36 3.2 Giải thuật giao thức LEACH 36 3.2.1 Xác định nút Cluster-Head .37 3.2.2 Giai đoạn thiết lập 37 3.2.3 Giai đoạn trạng thái ổn định .39 3.3 Ưu điểm nhược điểm 40 3.3.1 Ưu điểm 40 3.3.2 Nhược điểm 41 3.4 Các phiên mở rộng LEACH 41 3.5 Mô đánh giá kết 43 3.6 Kết luận chương 46 KẾT LUẬN 47 Chuyên đề i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình phổ biến mạng WSN Hình 1.2: Kiểu mạng hình .3 Hình 1.3: Kiểu mạng hình lưới Hình 1.4: Mơ hình mạng hình hình lưới kết hợp .4 Hình 1.5: Cấu trúc thơng dụng nút cảm biến Hình 1.6: Sơ đồ chức nút cảm biến Hình 1.7: Mơ hình chồng giao thức mạng cảm biến .8 Hình 1.8: Mơ hình nhà thông minh 15 Hình 1.9: Mơ hình thành phố thơng minh 16 Hình 2.1: Minh họa phân loại giao thức định tuyến WSN .23 Hình 2.2: Hoạt động giao thức SPIN .26 Hình 2.3: Hoạt động khuếch tán trực tiếp 28 Hình 2.4: Phân chia cụm giao thức LEACH .30 Hình 2.5: GEAR học đường lỗ hổng 32 Hình 2.6: Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR .33 Hình 2.7: Lưới ảo GAF 34 Hình 2.8: Chuyển đổi trạng thái GAF 35 Hình 3.1: Sơ đồ khối giai đoạn thiết lập 38 Hình 3.2: Sơ đồ khối giai đoạn trạng thái ổn định 40 Hình 3.3: Mơ hình mạng WSN mô 44 Hình 3.4: Số lượng nút hoạt động qua lần truyền liệu .45 Hình 3.5: Số lượng nút hoạt động sau vòng 45 Hình 3.6: Năng lượng tiêu hao lần truyền liệu .46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Cấu hình nút SmartDust 17 Bảng 3.1: Bảng thông số tham số cấu hình cho mạng .45 Chuyên đề iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT WSN IoT SF MM SM ADC SN CH BS Wireless Sensor Network Internet of Things Sensor Field Multihop Model Single Model Analog to Digital Converter Sensor Node Cluster Head Base Station Carrier Sense Multiple Access/ CSMA/CA Collision Avoid TDMA MSB BC PHY MAC ACK LEACH PEGASIS TEEN SPIN GEAR GAF Chuyên đề Mạng cảm biến không dây Vạn vật kết nối Internet Trường cảm biến Mơ hình đa bước Mơ hình đơn bước Bộ chuyển đổi tương tự sang số Nút cảm biến Chủ cụm Trạm gốc Đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột Đa truy nhập phân chia theo thời Time Division Multiple Access gian Messeage Senses Broadcast Bản tin cảm nhận quảng bá Busy Channel Kênh bận Physical Layer Lớp vật lý Medium Access Control Lớp điều khiển truy nhập Acknowlegment Bản tin ACK phản hồi Low Energy Adaptive Giao thức phân cấp theo cụm thích Clustering Hierachy protocol ứng lượng thấp Power efficient gathering in Thu thập lượng hiệu sensor information systems hệ thống thông tin cảm biến Threshold sensitive energy Thuật toán tiếp cận mờ phân tán cho efficient sensor network protocol phân cụm định tuyến Sensor Protocol for Information Giao thức cảm biến thông tin via Negotiation thông qua đàm phán Geographic and Energy Aware Giao thức nhận biết lượng vị Routing trí địa lý Geographic Adaptive Fidelity Độ tin cậy thích ứng địa lý iii Chuyên đề Chương I: Tổng Quan Mạng Cảm Biến Không Dây CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến khơng dây Mạng cảm biến không dây (WSN) mạng bao gồm tập nút cảm biến sử dụng liên kết khơng dây (vơ tuyến, hồng ngoại, quang học…) có kích thước nhỏ nhẹ, có nhiệm vụ thu thập liệu mà khả thực người bị hạn chế Các nút cảm biến có nhiệm vụ cảm nhận tham số vật lý từ môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, tham số độ nhiễm mơi trường nhiễm khơng khí sau thực việc chuyển liệu đến nút gốc để phân tích xử lý liệu Nút gốc phần tử trung gian giúp người nhận liệu mong muốn thông qua việc truy vấn mà nút gốc thu từ mạng cảm biến Với mạng cảm biến triển khai địa hình chí đến địa hình khó khăn hiểm trở khắc nghiệt Mạng cảm biến thường bao gồm số lượng lớn nút cảm biến chúng truyền thơng, giao tiếp với thơng qua tín hiệu vơ tuyến Mỗi nút trang bị đầu đo với vi xử lý thiết bị vô tuyến nhỏ gọn tạo nên thiết bị cảm biến khơng dây có kích thước nhỏ, tiết kiệm khơng gian chi phí Các nút cảm biến hoạt động mơi trường dày đặc với tốc độ xử lý cao Ngày nay, công nghệ ngày phát triển mạng cảm biến không dây dần trở nên quan trọng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát công nghiệp lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay ứng dụng đời sống hàng ngày Mạng cảm biến không dây cho phép triển khai với ứng dụng phù hợp với phát triển thiết bị đại yêu cầu giao thức đơn giản nút hạn chế lực Do yêu cầu độ phức tạp thấp mức lượng tiêu thụ thấp nên cần phải đưa cân khả truyền liệu khả xử lý liệu Điều thúc đẩy nỗ lực lớn hoạt động nghiên cứu, quy trình chuẩn hóa đầu tư cơng nghiệp vào lĩnh vực kể từ thập kỉ trước Hiện tại, hầu hết nghiên cứu mạng WSN tập trung vào việc thiết kế thuật toán giao thức để tạo hiệu lượng Nhóm 13 Chuyên đề Chương I: Tổng Quan Mạng Cảm Biến Khơng Dây tính tốn cịn phần mềm ứng dụng giới hạn chức xoay quanh việc giám sát thông báo 1.1.1 Cấu trúc mạng cảm biến Để phù hợp với chức sử dụng mang cảm biến cấu tạo đơn giản Những thành phần để cấu tạo lên mạng cảm biến đề cập hình 1.1 Với mục đích sử dụng khác người sử dụng thêm số thiết bị an ninh để đảm bảo mục đích bảo mật Hình 1: Mơ hình phổ biến mạng WSN Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến dày đặc, mật độ cao Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu thập thơng số liệu, định tuyến số liệu trạm gốc để chuyển tới người dùng định tuyến tin mang theo yêu cầu từ nút gốc đến nút cảm biến Số liệu định tuyến phía thu nhận hay cịn gọi nút gốc theo cấu trúc đa liên kết khơng có sở hạ tầng tảng, tức khơng có trạm thu phát gốc hay trung tâm điều khiển cố định Bộ thu nhận liên lạc trực tiếp với trạm điều hành người dùng gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh Cấu trúc mạng cảm biến bao gồm nhiều mơ hình truyền thơng khơng dây khác Dưới số kiểu mạng áp dụng cho mạng cảm biến: a) Mạng hình Mạng hình kiểu mạng truyền thơng mà nút gốc gửi nhận tin để điều khiển số nút cảm biến Mỗi kênh truyền thực trao đổi liệu nút cảm biến nút gốc khơng phép gửi tin cho nút khác Ưu điểm kiểu mạng tính đơn giản, có khả giữ lượng tiêu thụ từ xa nút mở mức tối thiểu Nó cho phép Nhóm 13 Chuyên đề Chương I: Tổng Quan Mạng Cảm Biến Không Dây truyền thông với độ trễ thấp nút cảm biến từ xa trạm gốc Bên cạnh nhược điểm kiểu mạng trạm sở phải nằm phạm vi truyền vô tuyến tất nút riêng lẻ không mạnh mạng khác phụ thuộc vào nút để quản lý mạng Hình 2: Kiểu mạng hình b) Kiểu mạng hình lưới Kiểu mạng hình lưới cho phép việc truyền liệu từ nút đến nút khác mạng mà khơng phạm vi truyền thơng nút Điều coi truyền thông đa bước, nghĩa là, nút muốn gửi tin nhắn đến nút khác nằm phạm vi liên lạc vơ tuyến, sử dụng nút trung gian để chuyển tiếp tin nhắn đến nút mong muốn Cấu trúc liên kết mạng có lợi phong phú khả mở rộng Nếu nút riêng lẻ thất bại, nút từ xa giao tiếp với nút khác phạm vi nó, đó, chuyển tiếp tin nhắn đến vị trí mong muốn Ngồi ra, phạm vi mạng khơng thiết bị giới hạn phạm vi nút đơn; đơn giản mở rộng cách thêm nhiều nút vào hệ thống Nhược điểm loại mạng tiêu thụ lượng cho nút thực truyền thông đa chặng thường cao so với nút khơng có khả này, thường hạn chế thời lượng pin Ngoài ra, số lượng nút giao tiếp nhảy đến đích tăng lên, thời gian gửi tin nhắn tăng lên, từ gây trễ nút cảm biến muốn giao tiếp với nút gốc, khả định tuyến đường phức tạp Nhóm 13 Chuyên đề Chương I: Tổng Quan Mạng Cảm Biến Khơng Dây Hình 3: Kiểu mạng hình lưới c) Kiểu mạng kết hợp Sự kết hợp mạng mạng lưới cung cấp mạng truyền thông mạnh mẽ linh hoạt, trì khả giữ cho nút cảm biến không dây tiêu thụ lượng mức tối thiểu Trong cấu trúc liên kết mạng này, nút cảm biến có cơng suất thấp không bật với khả chuyển tiếp liệu mà dành cho nút có cơng suất cao Điều cho phép trì mức tiêu thụ lượng tối thiểu Tuy nhiên, nút khác mạng kích hoạt với khả đa chặng, cho phép chúng chuyển tiếp liệu từ nút công suất thấp đến nút khác mạng Nói chung, nút có khả truyền đa bước có công suất cao Việc sử dụng kiểu mạng đa số ứng dụng IoT mang lại nhiều lợi ích truyền thơng việc trao đổi thông tin thiết bị trở lên linh hoạt phong phú Hình 4: Mơ hình mạng hình hình lưới kết hợp Nhóm 13 Chuyên đề Chương I: Tổng Quan Mạng Cảm Biến Không Dây phụ tạo bốn gói Sự chia tách q trình chuyển tiếp lặp lại lại nút Khi khơng có nút tiểu vùng, gói tin bị rớt Hình 2.6: Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR 2.5.2 Độ tin cậy thích ứng địa lý Độ tin cậy thích ứng địa lý (Geographic Adaptive Fidelity - GAF) thuật toán định tuyến dựa vị trí nhận biết lượng thiết kế cho mạng nhảy bậc (ad-hoc) di động áp dụng cho mạng cảm biến không dây GAF bảo tồn lượng cách tắt nút dự phòng Mạng chia thành vùng cố định hình thành lưới ảo cho khu vực phủ sóng Mỗi nút sử dụng vị trí GPS để liên kết với điểm lưới ảo Các nút liên quan với điểm lưới coi tương đương mặt chi phí định tuyến gói Các nút vùng cộng tác cách chọn nút để thể vùng cho khoảng thời gian nút lại trạng thái ngủ Trong Hình 2.7, nút tiếp cận tới nút, 2, Các nút 2, tiếp cận nút Do đó, nút 2, tương đương hai số trạng thái ngủ Nhóm 13 34 Chuyên đề Chương I: Tổng Quan Mạng Cảm Biến Khơng Dây Hình 2.7: Lưới ảo GAF Các nút chuyển trạng thái hoạt động trạng thái ngủ để tải cho nút cân Lưu ý số lượng nút tăng lên, thời gian sống mạng Có ba trạng thái xác định GAF Những trạng thái là: khám phá – để xác định nút lân cận lưới, hoạt động - phản ánh tham gia vào định tuyến ngủ - tắt thu phát sóng vơ tuyến Các chuyển đổi trạng thái mơ tả Hình 2.8 Hình 2.8: Chuyển đổi trạng thái GAF Quãng thời gian trạng thái ngủ phụ thuộc vào ứng dụng thông số liên quan điều chỉnh phù hợp q trình định tuyến Tính di động nút xử lý cách nút lưới ước tính thời gian rời khỏi lưới phát tới tất nút lân cận Để trì độ tin cậy định tuyến, nút lân cận điều chỉnh chu kỳ ngủ chúng để thức dậy số hoạt động GAF giao thức định tuyến dựa vị trí coi giao thức dựa phân cấp cụm dựa vị trí địa lý Trong lưới cụ thể, nút đóng vai trị đại diện nút lãnh đạo để truyền liệu đến nút khác Nút lãnh đạo, nhiên, không thực tổng hợp liệu hợp giao thức phân cấp thảo luận trước 2.6 Kết luận chương Trong chương giao thức định tuyến mạng cảm biến giới thiệu Dựa vào ta hiểu phương pháp định tuyến nhờ cải thiện hiệu mạng cảm biến khơng dây Trong phân tích hiệu của việc phân cụm giao thức LEACH tốt so với Nhóm 13 35 Chuyên đề Chương I: Tổng Quan Mạng Cảm Biến Khơng Dây phương pháp tĩnh truyền thống Vì chương ta phân tích sâu giao thức thực việc mô để đánh giá kết mà giao thức đem lại Nhóm 13 36 Chun đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mơ CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH GIAO THỨC PHÂN CỤM THÍCH ỨNG NĂNG LƯỢNG THẤP VÀ MƠ PHỎNG 3.1 Giới thiệu Giao thức phân cụm thích ứng lượng thấp giao thức định tuyến phân cụm phân cấp sử dụng lượng hiệu cho mạng cảm biến không dây đề xuất để giảm thiểu việc tiêu thụ lượng Giao thức sử dụng phối hợp cục để mở rộng đảm bảo chất lượng mạng cảm biến giảm lượng thông tin cần phải truyền tải đến trạm gốc Giao thức kết hợp tổng hợp liệu giao thức định tuyến Mục tiêu giao thức LEACH nhằm giảm việc tiêu thụ lượng cách tạo trì cụm từ cải thiện tuổi thọ mạng cảm biến không dây Trong giao thức LEACH, hầu hết nút truyền liệu tới nút trưởng cụm, trưởng cụm sau tổng hợp nén liệu truyền tới trạm gốc, nút mạng trở thành trưởng cụm với xác suất cụ thể Chính việc lựa chon trưởng cụm ngẫu nhiên nút mạng đặc trưng giao thức phân cụm thích ứng lượng thấp (LEACH) 3.2 Giải thuật giao thức LEACH Ở đầu vòng, nút xác định xem cụm trưởng khơng vòng theo nguồn lượng lại nút Theo cách này, việc tiêu thụ lượng mạng cảm biến đồng Nếu nút định cụm trưởng vòng tại, thơng báo định với nút lân cận Các nút khác mà không chọn trở thành cụm trưởng định cụm mà chúng tham gia vào cách chọn cụm trưởng mà đòi hỏi lượng liên lạc LEACH đề xuất để định tuyến liệu mạng cảm biến khơng dây có trạm cố định, trạm ghi lại liệu cần để định tuyến Tất nút cảm biến coi tĩnh, đồng lượng hạn chế Các nút cảm biến dùng để cảm nhận môi trường liên tục liệu theo chu kỳ cố định Hoạt động LEACH tách thành hai giai đoạn: giai đoạn thiết lập giai đoạn chuyển liệu trạng thái ổn định Nhóm 13 37 Chuyên đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mơ 3.2.1 Xác định nút trưởng cụm (Cluster Head) Giả sử Pi(t) xác suất mà nút I tự chọn trưởng cụm đầu vòng r + (bắt đầu thời điểm t) số lượng nút trưởng cụm E[#CH] cho vòn k N E [ ¿ CH ]=∑ P i ( t )∗1=k i=1 Mỗi nút trưởng cụm lần vịng N/k k số lượng cụm vòng N số lượng nút mạng Xác suất để nút I trở thành cụm trưởng thời điểm t { k Pi ( t )= N −k∗(rmod N ) k C (i )=0 C ( i ) =1 Trong Ci(t) xác định xem nút i có phải nột trưởng cụm vòng (r mod (N/k)) gần hay không 3.2.2 Giai đoạn thiết lập Khi nút tự chọn cho trưởng cụm, chúng phát tin nhắn quảng cáo (ADV) Mỗi nút thành viên định cụm vịng cách chọn trưởng cụm, mà cụm trưởng yêu cầu lượng liên lạc nhỏ nhất, dựa cường độ tín hiệu nhận quảng cáo từ trưởng cụm Sau nút định thuộc cụm nào, thơng báo cho đầu cụm truyền thơng điệp yêu cầu tham gia (Join-REQ) trở lại đầu cụm Sau nhận tất tin nhắn từ nút muốn tham gia vào cụm dựa số lượng nút cụm, trưởng cụm tạo thông báo lịch biểu TDMA, gán cho nút khe thời gian để nút có truyền với khe thời gian Mỗi cụm giao tiếp sử dụng mã CDMA khác để giảm nhiễu từ nút thuộc cụm khác Mã CDMA sử dụng vịng truyền với lịch trình TDMA Thuật toán vận hành trạng thái thiết lập (thuật toán: 3.1) hình vẽ sơ đồ khối (hình: 3.1) mơ tả Nhóm 13 38 Chun đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mơ Thuật toán 3.1: Giai đoạn thiết lập LEACH Vào đầu vòng, nút quảng cáo xác suất nó, (tùy thuộc vào mức lượng nó) để trở thành Trưởng cụm, cho tất cảcác nút khác Các nút (k cho vòng) với xác suất cao chọn Trưởng cụm Trưởng cụm phát thông báo quảng cáo (ADV) cách sử dụng Giao thức MAC CSMA Dựa cường độ tín hiệu thu được, nút thành viên xác định trưởng cụm cho vịng (lựa chọn ngẫu nhiên với trở ngại) Các nút thành viên truyền tin nhắn yêu cầu tham gia (Tham gia-REQ) trở lại đến trưởng cụm (Head Cluster) mà chọn giao thức MAC CSMA Nút trưởng cụm thiết lập lịch trình TDMA để truyền liệu phối hợp cụm Hình 3.1: Sơ đồ khối giai đoạn thiết lập Nhóm 13 39 Chuyên đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mơ 3.2.3 Giai đoạn trạng thái ổn định Trong pha trạng thái ổn định diễn việc truyền liệu thực tế đến trạm gốc Nút trưởng cụm nhận tất liệu, tổng hợp trước gửi đến trạm sở Thuật toán vận hành trạng thái ổn định (thuật tốn: 3.2) sơ đồ khối (hình: 3.2) mơ tả Thuật tốn 3.2: Giai đoạn trạng thái ổn định LEACH Lịch trình TDMA sử dụng để gửi liệu từ nút đến trưởng cụm Trưởng cụm tổng hợp liệu nhận từ nút cụm Truyền thông thông qua phổ trải rộng chuỗi trực tiếp (direct-sequence spread spectrum - DSSS) cụm sử dụng mã lan truyền để giảm nhiễu cụm Dữ liệu gửi từ nút trưởng cụm đến BS cách sử dụng mã lan cố định CSMA Sau thời gian định, xác định ưu tiên, mạng quay trở lại giai đoạn thiết lập bước vào vòng khác việc chọn trưởng cụm LEACH sử dụng định tuyến bước nhảy đơn giả định tất nút truyền với cơng suất phù hợp để đến trạm gốc nút phải có tính tốn mức nguồn để hỗ trợ MAC khác Do đó, khơng áp dụng cho mạng triển khai vùng rộng lớn Người ta giả sử trưởng cụm phân phối đồng tồn mạng Đây khơng phải trường hợp có khả trưởng cụm tập trung phần mạng Cuối cùng, người ta giả định với nút trở thành cụm trưởng tiêu thụ mức lượng Như vậy, giả định tất nút có mức lượng bắt đầu vịng lựa chọn trưởng cụm Nhóm 13 40 Chun đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mơ Hình 3.2: Sơ đồ khối giai đoạn trạng thái ổn định 3.3 Ưu nhược điểm giao thức LEACH 3.3.1 Ưu điểm Khả mở rộng: cách hạn chế hầu hết giao tiếp bên cụm khác mạng lưới Định tuyến đơn bước nhảy: từ nút cảm biến đến đầu cụm Giảm lưu lượng truy cập mạng: đầu cụm tổng hợp hợp thông tin thu thập nút cảm biến Tăng tuổi thọ mạng ba giai đoạn Khơng u cầu thơng tin vị trí nút cảm biến mạng để tạo cụm Nhóm 13 41 Chun đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mô 3.3.2 Nhược điểm LEACH không hoạt động tốt với ứng dụng yêu cầu diện tích lớn phủ sóng u cầu phạm vi cơng suất truyền cao mạng khơng có giao tiếp intercluster mạng để giao tiếp Đầu cụm bị rò rỉ không phân bổ đồng cụm 3.4 Các phiên mở rộng LEACH Giao thức LEACH: Sử dụng TDMA khiến cho node nghỉ khơng truyền liệu cho phép node có khả trở thành CH làm tăng cường thời gian sống mạng Tuy nhiên việc thành lập cụm chọn CH ngẫu nhiên Dữ liệu truyền trực tiếp từ CH tới trạm gốc (BS) CH xa chết nhanh so với CH gần trạm gốc Giao thức LEACH-C (LEACH-Centralized): Việc chọn cụm CH định trạm gốc Các node gửi thông tin vị trí thơng số quan trọng tới trạm gốc Trạm gốc chạy thuật toán tối ưu hoá để xác định cụm lượng phân bố hiệu Tuy nhiên tiêu tốn nhiều lượng sử dụng GPS để xác định vị trí node Giao thức LEACH-DCHS: Sử dụng khoảng cách tối thiểu để truyền thơng làm tăng thời gian sống mạng nhiên làm tăng phức tạp Giao thức Solar-LEACH: Sử dụng nguồn lượng bên để tăng thời gian sống cho sensor tăng thời gian sống cho mạng Tuy nhiên lượng khơng phân phối đồng đều, ngồi cịn làm tăng chi phí mạng phải sử dụng pin lượng mặt trời, … để thu thập lượng Giao thức S-LEACH: Sử dụng kỹ thuật bảo mật đơn giản để truyền thông tin cậy Tuy nhiên, khơng có biện pháp bảo mật cho việc hình thành cụm khơng thể cập nhật khố Việc phân cụm nội khơng bảo mật Giao thức ME-LEACH: Cân tải node làm giảm thiểu khoảng cách node trạm gốc (BS) Giao thức sử dụng single-hop Nhóm 13 42 Chuyên đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mơ LEACH Giao thức TL-LEACH: Phân chia mạng theo hệ thống phân cấp thành hai cấp cụm cấp cụm cấp Các cụm gần với trạm gốc (BS) gửi liệu trực tiếp tới BS cụm xa gửi liệu tới CH gần sau CH gửi liệu tới trạm gốc Giao thức MH-LEACH: Sử dụng định tuyến đa chặng nên hiệu so với giao thức LEACH nhiên làm tăng chi phí mạng sử dụng multihop Giao thức Advanced-LEACH: lựa chọn CH vòng dựa hai yếu tố xác suất trạng thài xác suất chung Sử dụng single-hop khơng phù hợp với mạng có kích thước lớn Giao thức LEACH-H: Là kết hợp LEACH LEACH-C giao thức chọn CH vịng tiết kiệm lượng tăng cường thời gian sống cho mạng Tuy nhiên tốn nhiều lượng chi phí để trì thơng tin vị trí Giao thức U-LEACH (Unequal LEACH): Giao thức loại bỏ vấn đề điểm nóng (hotspot) kích thước cụm phụ thuộc vào khoảng cách cụm tới trạm gốc (Cụm gần trạm gốc kích thước lớn ngược lại) Tuy nhiên cụm gần trạm gốc tốn nhiều tài nguyên để xử lý truyền liệu tới trạm gốc Giao thức E-LEACH (Enhanced LEACH): Việc lựa chọn CH phụ thuộc vào hai yếu tố lượng lại lượng cần thiết để truyền liệu tới trạm gốc (BS) Giao thức có khả mở rộng cao tiết kiệm lượng Tuy nhiên việc tính tốn lượng cần thiết gây trễ tăng chi phí điều khiển Giao thức EC-LEACH: Là phiên nâng cao multi-hop LEACH (dựa LEACH-C) Trạm gốc tính tốn giá trị ngưỡng cho node chọn node có ngưỡng cao sau so sánh khoảng cách node tới trạm gốc Node có giá trị ngưỡng cao khoảng cách nhỏ chọn làm CH Nhóm 13 43 Chuyên đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mô Giao thức EE-LEACH (Energy Efficient LEACH): Xém xét hình thành cụm tối ưu tổng hợp liệu hiệu Các yếu tố tiết kiệm lượng cho mạng Giao thức sử dụng phân bố Gauss Giao thức DKLEACH: Tối ưu việc phân cụm, làm giảm mức tiêu thụ lượng phạm vi phân bố lượng không đồng Các yếu tố quan trọng giao thức khoảng cách cụm Giao thức NR-LEACH (Node Rank LEACH): Tính tốn chi phí tuyến đường liên kết khả dụng node CH cụm Giao thức EM-LEACH: Là phiên nâng cao dựa multi-hop LEACH CH lựa chọn dựa số vòng lượng lại Giao thức giúp mạng đạt thời gian sống cao sử dụng multi-hop Giao thức FOI-LEACH: Là giao thức cải tiến dựa LEACH dành cho thiết bị quan sát trường Giao thức làm giảm tỉ lệ chết CH tăng cường thời gian sống cho mạng cách lựa chọn CH tối ưu Giao thức tập trung vào khoảng cách node trạm gốc (BS) để loại bỏ vấn đề điểm nóng Tuy nhiên khả mở rộng khơng xem xét tới khơng phù hợp với khu vực cảm biến nhỏ 3.5 Mô đánh giá kết Mô số thực đánh giá hiệu sử dụng lượng Matlab với thông số đầu vào đề xuất trước thực Trạm sở BS đặt vị trí trung tâm mạng, thơng số đầu vào trình bày bảng 3.1 Hiệu sử dụng lượng mạng đánh giá qua đồ thị khảo sát thời gian tồn nút mạng môi trường cảm biến Đồng thời việc suy giảm hiệu cịn thể thơng qua đồ thị suy giảm lượng mạng qua vòng Một nút coi chết (cạn kiệt lượng) khơng cịn lượng để nhận hay truyền liệu Khi lượng mạng giảm xuống mức cho phép khơng có khả truyền nhận liệu coi nút mạng chết nút khác khơng có nghĩa vụ thực truyền tin cho nút khiến Nhóm 13 44 Chuyên đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mô lượng cung cấp thông tin mạng bị suy giảm Bảng 3.1: Bảng thông số tham số cấu hình cho mạng Các tham số Kích thước mạng Vị trí nút BS Số lượng nút Năng lượng khởi tạo Bán kính cụm Phạm vi truyền Kích thước gói tin Hệ số khơng gian tự Hệ số trễ đa đường Tín hiệu Tx Rx Ký hiệu A BS N Energyinit Rmax Rs Dp  fs  mp Etx or Erx Giá trị 100×100 m2 (50, 50) 100 0.5 J 30 m 10 m 500 10 pJ/m2/bit 0.0013 pJ/bit/m4 50 nJ/m2/bit Hình 3.3: Mơ hình mạng WSN mô Dưới kết thu mô giao thức LEACH sử dụng cơng cụ MATLAB Nhóm 13 45 Chun đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mơ Hình 3.4: Số lượng nút hoạt động qua lần truyền liệu Hình 3.5: Số lượng nút hoạt động sau vịng Nhóm 13 46 Chun đề Chương III: Phân tích giao thức LEACH mơ Hình 3.6: Năng lượng tiêu hao lần truyền liệu 3.4 Kết luận chương Trong chương giới thiệu phân tích cụ thể giao thức phân cụm thích ứng lượng thấp (LEACH) Thời gian sống mạng cảm biến không dây tiêu chí thực tiến để đánh giá hiệu mạng Tuy chưa phải giao thức hiệu để cải thiện hiệu cho mạng cảm biến không dây giao thức LEACH giao thức tảng cho giao thức khác Vì giao thức LEACH giao thức quan trọng cần phải tìm hiểu nghiên cứu mạng cảm biến khơng dây Nhóm 13 47 Chun đề Phụ Lục KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu với nỗ lực nhóm, đề tài “định tuyến mạng cảm biến không dây giao thức LEACH ” nhóm sinh viên Đỗ Tường Lân, Trần Văn Cường, Phùng Minh Hiếu hoàn thành với số kết sau Về mặt lý thuyết, luận trình bày chi tiết nội dung gồm: Tổng quan mạng cảm biến không dây; Các giao thức định tuyến mạng cảm biến khơng dây; Phân tích giao thức LEACH mô phỏng; Về mặt ứng dụng, giao thức định tuyến cải thiện hiệu mạng cách đáng kể phương diện như: tuổi thọ mạng, lượng tiêu thụ mạng, … Trong giao thức LEACH tạo nhằm mục đích làm giảm tiêu thụ lượng mạng tảng cho giao thức định tuyến sau Về nghiên cứu tương lai, thực cải tiến giao thức LEACH cách sử dụng logic mờ (fuzzy logic) để cải tiến thêm cho giao thức LEACH Ngồi ra, ta cịn nghiên cứu thêm các yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu mạng để kết hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) từ tạo mạng cảm biến không dây đại, hiệu Do thời gian nghiên cứu có hạn nên tiểu luậ khơng thể tránh khỏi thiếu sót, nhóm em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo bạn Một lần em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Hoàng Trọng Minh giảng dạy môn Chuyên đề giúp cho nhóm em hồn thiện tiểu luận Nhóm em xin chân thành cảm ơn ... CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 20 2.1 Thách thức định tuyến mạng cảm biến không dây 20 2.2 Phân loại giao thức định tuyến mạng cảm biến 22 2.3 Giao. .. Chuyên đề Chương I: Tổng Quan Mạng Cảm Biến Không Dây CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN) mạng bao gồm tập nút cảm biến. .. phương pháp tốt để cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây tiểu luận nhóm em trình bày kiểu giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây giao thức định tuyến LEACH biến thể Bố cục tiểu luận gồm chương: