Định tuyến mạng wsn

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, em đã

nhận được sự động viên, giúp đỡ tận tình của PGS.TS Vương

Đạo Vy. Em xin chân thành cảm ơn thầy và bày tỏ lòng biết ơn

sâu sắc đến Thầy

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ

môn Điện Tử Viễn Thông -Khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa

Học đã dạy bảo em trong suốt 5 năm học đại học, để em có được

những kiến thức như ngày hôm nay và cụ thể là qua kết quả đồ

án đã phần nào thể hiện điều này.

Ngoài ra, trong quá trình làm đồ án xa nhà , em cũng được

sự trợ giúp, động viên hết sức to lớn về mặt vật chất cũng như

tinh thần từ gia đình, người thân và bạn bè.

Em xin chân thành cảm ơn.

Huế, ngày 28 tháng 0 4 năm 2009

Người thực hiện đồ án

Nguyễn Duy Thanh

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 http://www.ebook.edu.vn 1

LỜI NÓI ĐẦU

Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những

năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá

thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực

thông tin. Hiện nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng không

dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm ứng được ứng dụng rất

nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng

không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức

lớn nhất trong mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất

nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả

năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai các ứng dụng của

mạng cảm ứng không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống.

Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm ứng không

dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô phỏng

và đánh giá 3 giao thức cơ bản trong mạng cảm biến không dây. Đó là các giao

thức LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER.



CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN I.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới

phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển

quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức

khỏe…

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên

Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ

sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để

cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị

đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có

hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian

hoạt động lâu dài.

Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạng

phạm vi ở nhà (Bluetooth). Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được

hỗ trợ internet không dây. Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng với

tính di động cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch

tần Doppler. Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao. Bluetooth và Home RF đích

đến là tại nhà. Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn

nhiều, tính di động cũng thấp.

WSN khác với các mạng trên. Nó có 1 số lượng lớn các node. Khoảng cách

giữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng trên. Do WSN hoàn toàn chỉ

là các node, chi phí cho mỗi node là ít. Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều,



bởi vì việc thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả. Tốc độ

dữ liệu và tính di động trong WSN cũng thấp hơn.

Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhận

không dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo thành một cách công khai, sẵn

sàng để thương mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có

thể dễ dàng sử dụng thiết bị này. Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của

Berkeley. Sự tiện ích của các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng,

hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đã

mang lại một vai trò đầy đủ trong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận không

dây.

Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley

I.2 Cấu trúc mạng WSN

I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN

Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút

cấu thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định

tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả

về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các

thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có

khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng

được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit),

bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power



unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng

dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power

generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.

Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi

tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng

quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số

bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định

các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.

Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ

liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có

thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng,

nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.

Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu

cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận

di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các

nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.

Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là

phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự

hoạt động, và thích ứng với môi trường.



I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì

giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật

cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì

vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy

các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop.

Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn

mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không

dây.

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông

số một các tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó

thông qua các nút khác (gọi là tự định vị).

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm

biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì

mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn

băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng

rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.

Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:

Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.

Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.4. Mỗi

một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ

liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể

giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet

hoặc vệ tinh.



Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN

Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được

định tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua

internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm

biến (hình 1.5)

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.

Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số

liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến

và sự tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp

liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất,

phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.



Lớp ứng dụng :Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần

mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong

lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến

(SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định

nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement),

giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and

Data Dissemination).

Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến

yêu cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên

ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa

sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói ngừời dùng

(UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP –

Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp

giữa sink và các nút cảm biến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm

biến bị hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ

công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu .

Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp

truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách

thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy thiết kế lớp

mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.

Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không

dây. Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là

định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo

hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-

based), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến thỏa thuận

(negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS – Quanlity of

Service), định tuyến kết hợp (coherent-based).



Lớp kết nối dữ liệu: Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép

các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường. Vì

môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển

truy nhập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công

suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các

nút lân cận.

Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng

mang, điều chế, lập mã và tách sóng.

Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm

biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ

một nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức công

suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để

thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn

đường. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.

Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm

biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến. Nhờ xác định được

các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó

và nhiệm vụ thực hiện.

Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong

một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải

thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm

biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó.

Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc

cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu

trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN

I.4.1 Thời gian sống bên ngoài

Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn. Ví dụ: một loại pin kiềm

cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cực

gần 1 tháng hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho

một mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế. Trong thực tế, pin rất cần



thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng

không cần thay thế trong vài năm. Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và

kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin.

I.4.2 Sự đáp ứng

Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển

các node trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: chế độ

ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active). Trong khi quá trình đồng bộ

ở chế độ ngủ là 1 thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình

ngủ 1 cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các

sensor. Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiên được tìm thấy và thông

báo nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở giới hạn chính xác, thậm chí

trong sự tồn tại của nghẽn mạng.

I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness)

Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao phủ chính xác

(fine-grained coverage). Mục tiêu này phổ biến ở số lượng lớn các thiết bị không

đắt tiền. Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi. Tốc

độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường

khắc khe và trong vùng của kẻ địch. Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng

kỹ sảo để có thể đáp ứng tốt. Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầu

của hệ thống là không bị hỏng với các thiết bị lỗi.

I.4.4 Hiệu suất (Synergy)

Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết

bị về các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải

thiện nhanh chóng sự chính xác của bộ cảm biến. Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được

đặt ra ở đây là giá cả trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài

cent), nó có thể làm cho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhất

định. Đó là lý do để thiết kế các giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng hệ

thống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng của các thành phần trong

nó cộng lại. Các giao thức cung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính

và các tài nguyên thông tin.



I.4.5 Tính mở rộng (Scalability)

WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn 10 ngàn, thậm

chí là hàng triệu node trong một giới hạn về độ dài).Có một vài hạn chế về thông

lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến scalability của hoạt động mạng.

I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity)

Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trình

cài đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến). Sự không đồng

nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế.

I.4.7 Tự cấu hình

Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ thống phân

phối không cần chủ. Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong thiết kế.

Ngay từ khi bắt đầu, các node trong WSN có thể được cấu hình theo topo mạng

của chúng; tự đồng bộ, tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác.

I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi

Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạt

động trước khi triển khai. Dưới những điều kiện đó, việc xây dựng những máy

móc để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái

học được đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng.

Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường mà WSN

hoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian. Các giao thức WSN sẽ làm cho

thiết bị có thể thích nghi với môi trường năng động trong khi nó đang sử dụng.

I.4.9 Thiết kế có hệ thống

WSN có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng, nên cần có sự

cân bằng giữa hai yếu tố:

Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng riêng để đưa

ra những hoạt động phát triển cao.

Tính mềm dẻo: các phương pháp thiết kế phải phổ biến cho các hoạt

động

I.4.10 Cách biệt và bảo mật

Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng, nhạy của thông tin thu được bởi vì

WSN làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm sự cách biệt và bảo mật.



I.5 Ứng dụng của mạng WSN

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát

triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi

trường, y tế ... WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và

dân dụng.

Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

Cảm biến môi trường:

Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…

Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…

Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…

Điều khiển:

Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…

Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…

Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải...

Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…

Hệ thống giao thông thông minh:

Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết

lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…

Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao

thông,…

Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các

thiết bị thông minh,…

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các

thiết bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ

thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…)



CHƯƠNG II

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không

dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra

để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu. Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu

cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng. Chương này

trình bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó là định

tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical

protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location-based protocol).

II.1 Giới thiệu

Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng

adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà

tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng. Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức

định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc

có dây và không dây.

II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến

II.2.1 Tính động của mạng

Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm ứng, nút sink và

các sự kiện cần giám sát. Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút cảm ứng di

động, còn lại hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định. Tuy nhiên trong

một số ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển . Khi đó các bản

tin chọn đường được lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút di động

sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng

lượng, độ rộng băng... Các sự kiện cảm nhận có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc

vào các ứng dụng.

II.2.2 Sự triển khai các node

Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được xác

định trước hoặc tự phân bố. Trong trường hợp được xác định trước, các nút được

đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định. Tuy nhiên

trong các hệ thống tự tổ chức, các nút cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra



một cấu trúc theo kiểu ad hoc. Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các

nút chủ cũng góp phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt

động của mạng. Trong hầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến

thường có cự ly ngắn do các hạn chế về năng lượng và băng thông. Do đó việc

chọn đường sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy.

II.2.3 Tính đến năng lượng

Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến bị ảnh hưởng mạnh

bởi năng lượng. Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến là một hàm suy hao

theo khoảng cách và đặc biệt suy giảm mạnh trong trường hợp có nhiều vật cản,

định tuyến đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền

trực tiếp. Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu đề

(overhead) để điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền. Định

tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink nhưng

trong hầu hết các trường hợp các nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng

rộng, do vậy định tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn. Trong WSN đa bước

nhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường. Một số nút cảm

biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu

hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng.

II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu

Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu trong WSN

có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc

ghép lại các phương pháp này.

Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng yêu cầu

giám sát số liệu định kỳ. Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm biến và bộ

phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ

thời gian xác định.

Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến

sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuất

hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút

gốc hay các nút khác trong mạng.



Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thời

gian. Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo số

liệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa năng lượng và sự ổn định tuyến.

II.2.5 Khả năng của các node

Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là có khả

năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau. Tuy

nhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện

các chức năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chức

năng trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của

nút đó.

Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kĩ thuật

liên quan đến định tuyến. Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp nhiều sensor

để kiểm tra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự

dịch chuyển thông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm

thanh của các vật chuyển động. Tốc độ đọc của các sensor này có thể khác nhau,

vì thế với những môi trường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp

nhiều khó khăn hơn. Ví dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so

với các nút cảm biến bình thường khác. Những nút chủ nhóm này có thể được

chọn từ các nút cảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về

công suất, băng thông và bộ nhớ. Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập

trung bởi một nhóm các nút chủ nhóm.

II.2.6 Tập trung / hợp nhất dữ liệu

Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm số

lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tập trung lại.

Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc

dùng các chức năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy

trung bình (average). Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc

toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng. Việc tinh toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so

với giao tiếp, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng

đáng kể. Kĩ thuật này được sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến.

Trong một số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉ định



cho các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng. Tập trung dữ liệu cũng khả thi

trong kỹ thuật xử lý tín hiệu.

II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN

Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong WSN. Ngoài cách

chia làm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, định

tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí việc chọn đường trong WSN còn có

thể được chia thành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường

dựa theo vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng. Những giao thức này cũng có thể

được chia thành các giao thức chọn đường đa đường, yêu cầu hỏi/đáp, liên kết

hoặc dựa vào chất lượng dịch vụ -QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức.

Ngoài ra, các giao thức chọn đường có thể được chia thành ba loại là chủ động,

tương tác hoặc ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích. Trong

các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu,

trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu

cầu. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt

động của giao thức (tiêu chuẩn chọn đường). Việc phân loại và so sánh các giao

thức chọn đường trong WSN được chỉ ra trong hình 2.1 và hình 2.2

Hình 2.1: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN



Hình 2.2: Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN



II.4 Các loại giao thức định tuyến

II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols)

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm ứng thì việc xác định số nhận dạng

toàn cầu cho từng nút là không khả thi. Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu cùng với

việc triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra tập hợp các nút

chuyên dụng. Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi nút trong vùng triển khai với độ

dư thừa đáng kể, nên việc sử dụng năng lượng sẽ không hiệu quả. Do vậy, người ta

đã đưa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra tập hợp các nút và thực

hiện tập trung dữ liệu trong suốt quá trình truyền. Điều này đã dẫn đến ý tưởng về

giao thức trung tâm dữ liệu. Trong giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến

các vùng xác định và đợi dữ liệu từ các sensor đã được chọn trước trong vùng.

SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu

giữa các nút để giảm bớt sự dư thừa dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Sau đó

Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) được phát triển và là một giao thức rất

đáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ liệu.

II.4.1.1 SPIN (Sensor protocols for information via negotiation)

SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức định

tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Mục tiêu chính của giao thức này đó

là tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến

riêng biệt trong toàn bộ mạng. Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng về

tài nguyên và sắp xếp dữ liệu. Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation)

này là các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu

nào được truyền trong mạng . Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến nội

dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá. Điều này tạo ra

sự sắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm loại

dữ liệu này. Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc

truyền dữ liệu dư thừa qua mạng. Việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ

khả năng chồng chất vì các nút có thể chỉ giới hạn về lọai dữ liệu mà chúng quan

tâm đến. Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng

của mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng còn lại thấp các

nút này có thể giảm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu



hoặc các gói. Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của

mạng.

Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử

dụng ba loại bản tin (hình 2.3).

Hình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN

Hình 2.4: Hoạt động của SPIN



Hoạt động của SPIN gồm 6 bước

Bước 1: ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các nút.

Bước 2: REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm. Sau khi nhận

được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu.

Bước 3: bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến

và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu.

Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho

các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu

(metadata).

Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu.

Bước 6: là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này.

Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không

quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích.

II.4.1.2 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion)

Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin

trong mạng cảm biến không dây. Mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng để tăng

thời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác

giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân

cận mạng. Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đường

truyền dẫn. Đặc điểm duy nhất của giao thức này là sự kết hợp với khả năng của

nút để có thể tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng.

Thành phần chính của giao thức này bao gồm 4 thành phần: interest (thông tin yêu

cầu), data message (các bản tin dữ liệu), gradient, reinforcements. Directed

disffusion sử dụng mô hình publish- and subcribe trong đó một người kiểm tra (tại

sink) sẽ miêu tả mối quan tâm (interest) bằng một cặp thuộc tính-giá trị.

Như vậy, yêu cầu dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ trong vòng 10’s và trong một

miền chi tiết như hình chử nhật có thể được trình bày như sau:

Cặp thuộc tính – giá trị mô tả

Type = temperature kiểu dữ liệu cảm biến

Start = 01:00:00 thời gian bắt đầu

Interval =1s báo cáo sự kiện, chu kỳ là 1s



Duration = 10s thời gian sống của interes (cho 10s)

Location = [24,48,36,40] ở trong miền này

Và dữ liệu trả lời từ node chi tiết có thể là:

Type = temperature kiểu của dữ liệu cảm biến

Valus = 38.3 giá trị nhiệt độ được đọc

Timestamp = 1:02:00 nhãn thời gian (t/g ngay tại thời điểm đọc)

Location = [30,38] báo cáo từ cảm biến trong vùng x,y

Hoạt động của Directed Dissfusion. ( hình 2.5)

Sink sẽ gởi quảng bá bản tin interest theo chu kỳ cho các nút lân cận. Bản

tin này sẽ truyền qua tất cả các nút trong mạng như là một sự quan tâm đến một dữ

liệu nào đó. Mục đích của việc thăm dò này là để xem xét xem có nút cảm biến

nào đó có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng với interest. Tất cả các nút đều duy trì

một interest cache để lưu trữ các interest entry khác nhau.

Mỗi một mục (entry) trong interest cache sẽ lưu trữ một interest khác

nhau. Các entry cache này sẽ lưu trữ một số trường sau: một nhãn thời gian

(timestamp), nhiều trường gradient cho mỗi nút lân cận và và trường duration.

Nhãn thời gian sẽ lưu trữ nhãn thời gian của interest nhận được sau cùng. Mỗi

gradient sẽ lưu trữ cả tốc độ dữ liệu và chiều mà dữ liệu được gửi đi. Trường

duration sẽ xác định khoảng thời gian tồn tại của interest. Một gradient có thể coi

như là một liên kết phản hồi của nút lân cận khi mà nhận được bản tin interest.

Việc truyền bản tin interest trong toàn mạng cùng với việc thiết lập các gradient tại

mỗi nút cho phép việc tìm ra và thiết lập các đường dẫn giữa sink để đưa ra yêu

cầu về dữ liệu quan tâm và các nút mà đáp ứng mối quan tâm đó.

Khi một nút phát hiện một sự kiện nó sẽ tìm kiếm trong cache xem có

interest nào phù hợp không, nếu có nó sẽ tính toán tốc độ sự kiện cao nhất cho tất

cả các gradient lối ra. Sau đó nó thiết lập một phân hệ cảm biến để lấy mẫu các sự

kiện ở mức tốc độ cao này. Các nút sẽ gửi ra ngoài miêu tả về sự kiện cho các nút

lân cận có gradient. Các nút lân cận này nhận dữ liệu và sẽ kiểm tra trong cache

xem có entry nào phù hợp không, nếu không nó sẽ loại bỏ dữ liệu còn nếu phù hợp

nó sẽ nhận dữ liệu các nút này, sẽ thêm bản tin vào cache dữ liệu và sau đó gửi bản

tin dữ liệu cho các nút lân cận.



Hình 2.5: Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion

Khi nhận được một interest các nút tìm kiếm trong interest cache của nó

xem có entry nào phù hợp không, nếu không nút sẽ tạo một cache entry mới. Các

nút sẽ sử dụng các thông tin chứa trong interest để tạo ra các thông số interest

trong entry. Các entry này là một tập hợp chứa các trường gradient với tốc độ và

chiều tương ứng với nút lân cận mà interest được nhận. Nếu như interest nhận

được có trong cache thì nút sẽ cập nhật nhãn thời gian và trường duration cho phù

hợp với entry. Một trường gradient sẽ được remove khỏi entry nếu quá hạn. Trong

pha thiết lập gradient thì các sink sẽ thiết lập một tập hợp các đường dẫn. Sink có

thể sử dụng đường dẫn này với sự kiện chất lượng cao để làm tăng tốc độ dữ liệu.

Điều này đạt được thông qua một đường dẫn được hỗ trợ xử lý (path

reinforcement process). Các sink này có thể sử dụng sự hỗ trợ của một số các nút

lân cận. Để làm được điều này sink có thể gửi lại bản tin interest nguồn ở tốc độ

cao thông qua các đường dẫn được chọn, nhờ việc tăng cường các nút nguồn trên

đường dẫn để gửi dữ liệu thường xuyên hơn. Directed disffusion có ưu điểm nếu

một đường dẫn nào đó giữa sink và một nút bị lỗi, một đường dẫn có tốc độ dữ

liệu thấp hơn được thay thế. Kỹ thuật định tuyến này ổn định dưới phạm vi mạng

động. Loại giao thức định tuyến này tiết kiệm năng lượng đáng kể.



II.4.1.3 Định tuyến tải cân bằng năng lượng (Load-balanced Energy aware

routing)

Mức năng lượng cộng thêm vào của load balancing là cần thiết trong một

mạng tĩnh, kỉ thuật chuyển tiếp theo xác suất cost-based sau đấy được sử dụng.

Những node chỉ chuyển tiếp các gói tin đến các neighbor (các node lân cận), nó sẽ

bị đóng khi đến đích. Đặt cost từ đích đến node i được xem là thích hợp khi

neighbor j được định rõ là: Ci,j =Cj + ci.j

Cj : là cost mong chờ tối thiểu từ đích đến j

ci,j : là kết nối bất kì của link metric (vd: ci

bi

aji ERT −

, mectric thỏa thuận ở

trên).

Cho neighbor j, nó sẽ thiết lập những neighbor (Ni) được xem là thích hợp,

node được gán với một xác suất chuyển tiếp, nó là số hạng (proportianal) từ cost

đến đích

Node i khi được tính toán là cost mong đợi nhỏ nhất đến đích cho bản thân

nó

Mỗi lần node cần định tuyến bất kì một gói tin nào đó , nó sẽ chuyển tiếp

đến bất kì các neighbor nào mà có xác suất tương ứng. Điều này cung cấp cho load

balancing, ngăn chặn một đường dẫn đơn nào đó sẽ làm cạn kiệt năng lượng nhanh

hơn.

II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols)

Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ

năng lượng của các nút cảm ứng bằng việc đặt chúng trong giao tiếp multihop

trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm

số bản tin được truyền đến sink. Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng

lượng dự trữ của sensor và vùng lân cận của sensor so với các nút chủ của cụm.



LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho

mạng cảm ứng. Ý tưởng của LEACH là động lực cho rất nhiều giao thức định

tuyến phân cấp khác phát triển.

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp. Đây là

giao thức thu lượm và phân phát dữ liệu tới các sink đặc biệt là các trạm cơ sở.

Mục tiêu chính của LEACH là:

Mở rộng thời gian sống của mạng

Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng

LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi

cụm được quản lý bởi nút chủ. Nút chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ. Đầu tiên là thu

lượm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệu

nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu giống nhau.

Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trược tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến

các trạm cơ sở, việc truyền này thực hiện theo kiểu single hop. Nhiệm vụ thứ ba là

LEACH sẽ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA (Time Division

Multiple Access), mỗi nút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sử

dụng để truyền tin.

Mô hình LEACH (hình 2.6). Các nút chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho

các nút thành viên trong cụm của nó. Để giảm thiểu khả năng xung đột giữa các

nút cảm biến trong và ngoài cụm, LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia

theo mã CDMA.Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha là pha

thiết lập và pha ổn định. Pha thiết lập bao gồm hai bước là lựa chọn nút chủ và

thông tin về cụm. Pha ổn định trạng thái gồm thu lượm dữ liệu, tập trung dữ liệu

và truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở. Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn so

với thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu mào đầu.



Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH

Ở bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn 1 số ngẫu nhiên giữa 0 và 1.

Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) được

tính như sau:

Trong đó:

P : tỉ lệ phần trăm nút chủ

r : sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1

G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối.

Sau khi được chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới của

chúng cho các nút còn lại trong mạng. Các nút còn lại trong mạng dựa vào bản tin

đó và cường độ tín hiệu nhận được hoặc một số tiêu chuẩn nào đó để quyết định

xem có tham gia vào cụm đó hay không. Và sau đó các nút này sẽ thông báo cho

nút chủ biết là mình có mong muốn trở thành thành viên của cụm do nút chủ đó

đảm nhận.

Trong quá trình tạo cụm các nút chủ sẽ tạo và phân phát mô hình TDMA

(Time Division Multiple Access) cho các nút thành viên trong cụm. Mỗi nút chủ

cũng chọn lựa một mã CDMA (Carrier Sense Multiple Access) mà sau đó sẽ thông



báo tới tất cả các thành viên trong cụm biết. Sau khi pha thiết lập hoàn thành báo

hiệu sự bắt đầu của pha ổn định trạng thái và các nút trong cụm sẽ thu lượm dữ

liệu và sử dụng các khe thời gian để truyền dữ liệu đến nút chủ. Dữ liệu được thu

lượm theo chu kỳ.

LEACH cũng có một số khuyết điểm sau:

Giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đến trạm cơ sở

thông qua một bước nhảy là không thực tế, vì dự trữ năng lượng và khả năng của

các nút thay đổi theo thời gian từ nút này đến nút khác. Hơn nữa khoảng chu kỳ ổn

định trạng thái là vấn đề then chốt để đạt được giảm năng lượng cần thiết để bù

đắp lượng mào đầu gay ra bởi xử lý lựa chọn cụm. Chu kỳ ngắn sẽ làm tăng lượng

mào đầu, chu kỳ dài sẽ nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút chủ.

LEACH có đặc tính giúp tiết kiệm năng lượng, yêu cầu về năng lượng

trong LEACH được phân bố cho tất cả các nút trong mạng vì giả sử rằng vai trò

nút chủ được luân chuyển vòng tròn dựa trên năng lượng còn lại trên mỗi nút.

LEACH là thuật toán phân tán hoàn toàn và không yêu cầu sự điều khiển bởi trạm

cơ sở. Việc quản lý cụm là cục bộ và không cần sự hiểu biết về mạng toàn cục.

Việc tập trung dữ liệu theo cụm cũng tiết kiệm năng lượng đáng kể vì các nút

không yêu cầu gửi trực tiếp dữ liệu đến sink.

II.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols)

Hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng cảm ứng đều yêu cầu thông tin

về vị trí của các nút cảm ứng, để có thể tính toán khoảng cách giữa hai nút xác

định, từ đó có thể ước lượng được năng lượng cần thiết. Vì mạng cảm ứng không

có chế độ địa chỉ nào như địa chỉ IP và chúng được triển khai trong không gian ở

một vùng nào đó, vì vậy thông tin về vị trí cần phải được sử dụng trong các dữ liệu

định tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lượng.

II.4.3.1 GAF (Geographic adaptive fidelity)

GAF dự trữ năng lượng bằng cách tắt các nút không cần thiết trong mạng

mà không ảnh hưởng đến mức độ chính xác của định tuyến. Nó tạo ra một lưới ảo

cho vùng bao phủ. Mỗi nút dùng hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global

Poisitioning System) của nó, xác định vị trí để kết hợp với một điểm trên lưới

được gọi là tương đương khi tính đến việc định tuyến gói, để giữ các nút định vị



trong vùng lưới xác định ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng. Vì vậy GAF có

thể tăng đáng kể thời gian sống của mạng cảm ứng khi mà số lượng các nút tăng

lên. Ví dụ được đưa ra ở hình 2.7, nút 1 có thể truyền đến bất kì nút nào trong số

các nút 2, 3 và 4 và các nút 2, 3, 4 có thể truyền tới nút 5. Do đó các nút 2, 3, và 4

là tương đương và 2 trong số 3 nút đó có thể ở trạng thái nghỉ.

Hình 2.7: Ví dụ về lưới ảo trong GAF

Các nút chuyển trạng thái từ nghỉ sang hoạt động lần lượt để cho các tải

được cân bằng. Có ba trạng thái được định nghĩa trong GAF, đó là phát hiện

(discovery) để xác định các nút lân cận trong lưới, hoạt động (active) thể hiện sự

tham gia vào quá trình định tuyến và nghỉ (sleep) khi sóng được tắt đi. Sự chuyển

trạng thái trong GAF (hình 2.8). Để điều khiển độ di động, mỗi nút trong lưới ước

đoán thời gian rời khỏi lưới của nó và gửi thông tin này đến nút lân cận. Các nút

đang không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ của chúng cho phù hợp để có thể

nhận được các thông tin từ các nút lân cận, để định tuyến được chính xác. Trước

khi thời gian rời khỏi lưới của các nút đang hoạt động quá hạn, các nút đang nghỉ

thoát khỏi trạng thái đó và một trong số các nút đó hoạt động trở lại. GAF được

triển khai cho cả những mạng bao gồm các nút không di động (GAF cơ bản) và

mạng bao gồm các nút di động (GAF thích ứng di động).

GAF giữ mạng hoạt động bằng cách giữ cho các nút đại diện luôn ở chế độ

hoạt động trong mỗi vùng ở lưới ảo của nó. Mặc dù GAF là một giao thức dựa trên

vị trí, nó cũng có thể được coi là như một giao thức phân cấp khi mà các cụm dựa

trên vị trí địa lý. Đối với mỗi vùng lưới xác định, mỗi nút đại điện hoạt động như



một nút chủ để truyền dữ liệu đến các nút khác. Tuy nhiên nút chủ này không thực

hiện bất cứ một nhiệm vụ hợp nhất hay tập trung dữ liệu nào như trong các giao

thức phân cấp thông thường.

Hình 2.8: Sự chuyển trạng thái trong GAF

II.4.3.2 GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing)

Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) dùng sự nhận

biết về năng lượng và các phương pháp thông báo thông tin về địa lý tới các nút

lân cận. Việc định tuyến thông tin theo vùng địa lý rất có ích trong các hệ thống

xác định vị trí, đặc biệt là trong mạng cảm biến. Ý tưởng này hạn chế số lượng các

yêu cầu ở Directed Diffusion bằng cách quan tâm đến một vùng xác định hơn là

gửi các yêu cầu tới toàn mạng. GEAR cải tiến hơn Directed Diffusion ở điểm này

và vì thế dự trữ được nhiều năng lượng hơn.

Trong giao thức GEAR, mỗi một nút giữ một estimated cost và một learned

cost trong quá trình đến đích qua các nút lân cận. Estimated cost là sự kết hợp của

năng lượng còn dư và khoảng cách đến đích. Learned cost là sự cải tiến của

estimated cost giải thích cho việc định tuyến xung quanh các hốc trong mạng. Hốc

xảy ra khi mà một nút không có bất kì một nút lân cận nào gần hơn so với vùng

đích hơn là chính nó. Trong trường hợp không có một hốc nào thì estimated cost

bằng với learned cost. Learned cost được truyền ngược lại 1 hop mỗi lần một gói

đến đích làm cho việc thiết lập đường cho gói tiếp theo được điều chỉnh.



Có 2 giai đoạn trong giải thuật này:http://www.ebook.edu.vn

Chuyển tiếp gói đến vùng đích: GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựa

trên sự nhận biết về năng lượng và vị trí địa lý để định tuyến gói đến vùng đích.

Có 2 trường hợp cần quan tâm:

Khi tồn tại nhiều nút lân cận gần hơn so với đích: GEAR sẽ chọn hop

tiếp theo trong số tất cả các nút lân cận gần đích hơn.

Khi mà tất cả các nút đều xa hơn: trong trường hợp này sẽ có một lỗ

hổng.GEAR chọn hop tiếp theo mà làm tối thiểu giá chi phí của nút lân cận này.

Trong trường hợp này, một trong số các nút lân cận được chọn để chuyển tiếp gói

dựa trên learned cost. Lựa chọn này có thể được cập nhật sau theo sự hội tụ của

learned cost trong suốt quá trình truyền gói.

Chuyển tiếp gói trong vùng: Nếu gói được chuyển đến vùng, nó có thể

truyền dữ liệu trong vùng đó bằng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy Ở những mạng

có mật độ sensor cao, người ta chia thành 4 vùng nhỏ và tạo ra 4 bản copy của gói

đó. Quá trình chuyển tiếp và chia nhỏ này được tiếp tục cho đến khi trong vùng chỉ

còn 1 nút (hình 2.9).

Để thỏa mãn các điều kiện chúng ta dùng giải thuật chuyển tiếp địa lý đệ

qui để truyền gói trong vùng này. Tuy nhiên, với những vùng mật độ thấp, chuyển

tiếp địa lý đệ quy đôi khi không hoàn thành, định tuyến vô tác dụng trong một

vùng đích rỗng trước khi số hop gói đi qua vượt quá giới hạn.

Hình 2.9: Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR



CHƯƠNG III

KIẾN TRÚC GIAO THỨC LEACH

Chương này sẽ tập trung chi tiết về giao thức LEACH. Cách hình thành các

cụm (cluster) và nút chủ cụm (cluster-head), tìm hiểu chi tiết hai pha của LEACH

là pha thiết lập (set-up phase) và pha ổn định (steady state phase)và tổng hợp dữ

liệu ở nút chủ.

III.1 Giới thiệu

Vấn đề mà mạng WSN phải đối mặt là giới hạn về mặt năng lượng. Để thấy

được các vấn đề trong mạng WSN thì chúng ta phát triển giao thức LEACH (Low

Energy Adaptive Clustering Hierarchy). LEACH là giao thức phân cấp theo cụm

thích ứng năng lượng thấp. Nó dựa trên thuật toán phân nhóm và có những đặc

trưng sau :

Các nút có thể phân bố ngẫu nhiên, và tự hình thành cụm (sefl

configuring cluster formation). Nút chủ cụm sẽ điều khiển các nút gửi dữ liệu đến

nó ở trong cụm. Quá trình xử lý dữ liệu là nút chủ cụm sẽ tổng hợp dữ liệu từ các

nút gửi đến rồi gửi tới BS.

Hình 3.1: Giao thức LEACH.

Dữ liệu của các nút gửi về có mối tương quan với nhau trong mạng

WSN, người dùng cuối không cần yêu cầu tất cả dữ liệu (các dữ liệu có thể giống

nhau - Redundant), hay người dùng cuối chỉ cần các thông tin ở mức cao của dữ



liệu mà mô tả về các sự kiện xuất hiện trong môi trường mà nút cảm biến được. Vì

các tín hiệu dữ liệu được gửi từ các nút đặt gần nhau có sự tương quan rất lớn, do

đó chúng ta chọn sử dụng kiến trúc phân nhóm cho LEACH. Điều này cho phép

tất cả dữ liệu từ các nút trong phạm vi cụm sẽ được xử l ý cục bộ, giảm được lượng

dữ liệu truyền tới người dùng cuối. Do đó mà tiết kiệm được năng lượng của nút.

Trong giao thức LEACH, các nút tự tổ chức thành các cụm, trong đó một

nút sẽ đóng vai trò là nút chủ cụm. Tất cả các nút không phải là nút chủ sẽ phải

truyền dữ liệu của nó tới nút chủ, nút chủ cụm phải nhận dữ liệu từ tất cả các nút

thành viên trong cụm, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ (tổng hợp dữ liệu-

aggregation), rồi truyền tới BS (Basic Station). Bởi vậy, việc trở thành nút chủ sẽ

tiêu hao nhiều năng lượng hơn các nút không được chọn là nút chủ. Mà năng

lượng của các nút là giới hạn, nếu nút chủ được chọn cố định trong suốt thời gian

sống của mạng, như trong giải thuật phân nhóm tĩnh (static clustering), thì các nút

chủ sẽ hết năng lượng rất nhanh.

Hình 3.2 : Time-line hoạt động của LEACH.

Khi nút chủ chết, tất cả các nút trong cụm sẽ không có khả năng trao đổi

thông tin nữa. Vì vậy, LEACH thực hiện ngẫu nhiên quay vòng vị trí các nút chủ

có năng lượng cao trong số tất cả các nút để tránh sự tiêu hao năng lượng trên một

nút cụ thể trong mạng. Với cách này, năng lượng tải liên quan đến việc trở thành

nút chủ sẽ được phân bố đều cho tất cả các nút.

Việc truy cập đường truyền trong LEACH được chọn sao cho giảm được sự

tiêu hao năng lượng cho các nút không phải là CH (Cluster-Head). Khi các nút chủ

biết được tất cả các nút trong cụm của nó, nó sẽ gửi bản tin định thời TDMA để

thông báo cho mỗi nút chính xác khi nào thì truyền dữ liệu đến nó. Điều này cho

phép các nút có thể duy trì trong trạng thái ngủ đông (sleep state), chỉ khi đến thời

điểm nó gửi dữ liệu thì nó mới thức dậy. Hơn nữa, dùng bản tin TDMA cho việc

truyền dữ liệu còn giúp tránh được hiện tượng đụng độ (collision) xảy ra trong cụm.



Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng (round), mỗi vòng bắt

đầu với pha thiết lập khi mà các cụm được hình thành, sau đó đến pha ổn định khi

mà các khung dữ liệu được gửi tới các nút chủ và gửi tới base station (hình 3.1).

Tất cả các nút phải đồng bộ về mặt thời gian để bắt đầu pha thiết lập tại thời điểm

giống nhau. Pha ổn định thường dài hơn rất nhiều so với pha thiết lập.

III.2 Tự định dạng cấu hình Cluster (Self – Configuring Cluster Formation)

LEACH thực hiện phân nhóm (cụm) bằng việc sử dụng giải thuật phân tán,

các nút tự quyết định mà không cần bất cứ sự điều khiển tập trung nào. Ưu điểm

của phương pháp này là không yêu cầu việc giao tiếp với BS, do đó tránh được

việc tiêu hao năng lượng nếu các nút ở xa BS. Đồng thời việc hình thành các cụm

phân tán mà không cần biết chính xác vị trí của các nút trong mạng. Và nó không

yêu cầu sự liên lạc toàn cục trong pha thiết lập cụm, và không có giả thiết nào về

trạng thái hiện tại của các nút khác trong quá trình hình thành

III.2.1 Lựa chọn nút chủ của cụm (Determining Cluster- Head Nodes )

Khi các cụm được tạo ra, mỗi nút n tự động quyết định nó có là nút chủ cho

vòng tiếp theo hay không. Quá trình chọn lựa diễn ra như sau: mỗi nút cảm biến

chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu con số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút

đó trở thành nút chủ. T(n) được xác định theo phương trình sau:

1 11 mod

PT (n) =P (r )

p− ∗

Với những nút mà không được làm nút chủ trong 1/P vòng cuối thì ngược

lại T1(n) = 0. P quyết định số lượng trung bình các nút chủ trong một vòng, r là số

vòng hiện tại. Dùng thuật toán này thì mỗi nút sẽ là nút chủ đúng một lần trong

vòng 1/P vòng.

Chú ý: sau 1/P-1 vòng, T1(n) =1 với tất cả các nút chưa được làm nút chủ.

Khi có một nút làm nút chủ, nó thông báo điều này tới tất cả các nút khác. Các nút

không phải nút chủ dùng những bản tin này từ các nút chủ để chọn cụm mà chúng

muốn tham gia dựa trên cường độ tín hiệu nhận được bản tin này. Sau khi các nút

chủ đã được hình thành, nút chủ sau đó sẽ quyết định mô hình TDMA cho các nút

tùy thuộc từng cụm, quảng bá mô hình và sau đó pha trạng thái tĩnh bắt đầu.



III.2.2 Pha thiết lập (Set-up Phase)

Mỗi một nút sẽ tự nó chọn làm nút chủ cụm nếu xác suất của nó thỏa mãn

phương trình. Nút chủ phải thông báo cho các nút khác trong mạng biết rằng nó

được chọn làm nút chủ ở vòng hiện tại. Để thực hiện điều này, mỗi nút chủ sẽ phát

bản tin quảng bá (ADV – Advertise) dùng thuật toán CSMA (carrier sense multiple

access) . Bản tin này là một bản tin nhỏ mà bao gồm ID của nút và header để phân

biệt bản tin này là bản tin quảng bá. Tuy nhiên, bản tin này phải được broadcast tới

tất cả các nút trong mạng. Thứ nhất là để đảm bảo tất cả các nút lắng nghe bản tin

quảng bá để tránh xảy ra đụng độ khi CSMA được dùng. Thứ hai là không có cơ

chế để đảm bảo rằng các nút mà được chọn là nút chủ cụm sẽ được phân bố đều

trên toàn mạng. Nếu công suất phát bản tin quảng bá bị giảm đi, một số nút ở biên

có thể sẽ không nhận được thông báo và do đó có thể sẽ không còn ở trong vòng

này. Bản tin quảng bá là rất nhỏ, do đó việc tăng công suất phát bản tin này để nó

đến được tất cả các nút trong mạng không phải là một trở ngại. Bởi vậy công suất

phát sẽ được thiết lập ở mức cao vừa đủ để tất cả các nút trong mạng có thể lắng

nghe được bản tin ADV này.

Những nút không phải là nút chủ sẽ quyết định nó sẽ nằm trong cụm nào

bằng việc chọn xem nút chủ nào yêu cầu chi phí năng lượng giao tiếp thấp nhất

dựa trên cường độ của tín hiệu nhận được từ bản tin quảng bá của mỗi nút chủ.

Sau khi mỗi nút quyết định nó là thành viên của cụm nào, nó sẽ báo cho nút chủ

của cụm đó biết. Mỗi nút sẽ phát bản tin join-request (Join - REQ) tới nút chủ và

cũng dùng giao thức CSMA. Bản tin này cũng là một bản tin nhỏ, nó bao gồm ID

của nút, ID nút chủ và header để phân biệt với các bản tin khác.

Các nút chủ trong LEACH hoạt động như khối điều khiển trung tâm cục bộ

để liên kết các dữ liệu trong cụm mà nó làm nút chủ. Nút chủ thiết lập bản tin định

thời TDMA và truyền tới các nút trong cụm. Điều này đảm bảo sẽ không có đụng

độ xảy ra và cho phép phần phát sóng radio của các nút không phải nút chủ sẽ ở

trạng thái tắt (sleep state). Nó chỉ thức dậy tại thời điểm mà nó truyền dữ liệu. Như

vậy sẽ tiết kiệm được năng lượng cho các nút. Sau khi bản tin TDMA được truyền

đến tất cả các nút trong cụm, pha thiết lập đã hoàn thành và bắt đầu pha ổn định

(steady state phase).



Hình 3.3: Giải thuật hình thành cluster trong LEACH.

Hình 3.3 mô tả sơ đồ giải thuật của quá trình hình thành cụm trong

LEACH. Sau mỗi vòng thì lại bắt đầu pha thiết lập mới để chọn ra cụm mới phù

hợp với mô hình mạng.

Hình 3.4: Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau.

(Nút đen là nút chủ).

III.2.3 Pha duy trì trạng thái – pha ổn định (Steady- state Phase)

Hoạt động của pha ổn định được chia ra thành các frame (hình 3.6). Mỗi

nút sẽ gửi dữ liệu của nó tới Cluster-Head một lần trên một frame trong khe định

vị của nó. Mỗi nút sẽ có một khe thời gian cố định, cứ đến khe thời gian đó thì nút

truyền dữ liệu tới Cluster-Head. Số khe thời gian cho một khung dữ liệu phụ thuộc

vào số lượng nút ở trong cụm. Tức là có bao nhiêu nút trong cụm (trừ nút chủ) thì

sẽ có bấy nhiêu khe thời gian. Trong khi giải thuật phân tán để xác định nút chủ,



với số cụm trong mỗi vòng là k, nhưng nó lại không có cơ chế đảm bảo rằng sẽ có

k cụm trong mỗi vòng. Thêm vào đó giao thức trong pha thiết lập không đảm bảo

các nút sẽ phân bố đều cho mỗi nút chủ. Do đó, số nút trong một cụm là khác nhau

và tổng dữ liệu mà mỗi nút gửi đến nút chủ phụ thuộc vào số nút trong cụm.

Để giảm sự tiêu thụ năng lượng, mỗi nút không phải là nút chủ sẽ điều khiển

công suất phát dựa trên cường độ của bản tin quảng bá nhận được từ nút chủ. Và

kênh phát sóng của nút sẽ ở trạng thái ngủ cho đến khe thời gian phát sóng của nó.

Các nút chủ sẽ phải giữ lại các dữ liệu mà các nút trong cụm gửi đến nó. Khi đã

nhận được hết dữ liệu từ tất cả các nút, nó tiến hành xử l ý dữ liệu cục bộ như nén,

tổng hợp dữ liệu, …. Dữ liệu đã được tổng hợp sau đó được gửi tới BS. Khoảng

cách từ nút chủ tới BS có thể xa và kích cỡ bản tin dữ liệu thường là lớn, do đó mà

năng lượng tiêu thụ do quá trình truyền này thường là cao. Nhìn vào hình 3.5 ta sẽ

hiểu rõ hơn về hoạt động của pha ổn định.

Hình 3.5: Mô hình Leach sau khi đã ổn định trạng thái



Hình 3.6: Hoạt động của pha ổn định trong LEACH.

Hình 3.7 chỉ ra time-line trong một vòng của LEACH, từ khi các cụm

được hình thành trong pha thiết lập, quá hoạt động của pha ổn định khi dữ liệu

được truyền từ các nút tới Cluster-Head rồi truyền đến BS.

Hình 3.7: Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng.

Để mô tả về việc trao đổi thông tin trong phạm vi một cluster. Giao thức

MAC và giao thức định tuyến được thiết kế để đảm bảo cho các nút tiêu thụ năng

lượng thấp và không xảy ra xung đột trong cụm. Tuy nhiên, kênh phát sóng không

dây vốn là broadcast medium. Do đó, sự phát sóng của một cụm cũng sẽ ảnh

hưởng đến các cụm gần nó. Ví dụ như hình 3.8, sự phát sóng của nút A đến nút B,

nó cũng ảnh hưởng đến nút C.



Hình 3.8: Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng.

Để giảm thiểu sự ảnh hưởng này, mỗi cluster trong LEACH sẽ trao đổi

thông tin dùng cơ chế dãy trãi phổ trực tiếp DS-SS (directed-sequence spread

spectrum) hay CDMA (Code Division Multiple Access). Mỗi một cụm sẽ dùng

một mã trải phổ (spread code) duy nhất, tất cả các nút trong cụm phát dữ liệu của

chúng tới nút chủ sẽ dùng mã trải phổ này và nút chủ sẽ lọc tất cả các nút có mã

trải phổ này. Chú y rằng mỗi nút chủ chỉ cần một mã trải phổ đơn để lọc cho tất cả

các tín hiệu đến nó mà sử dụng mã trải phổ giống nhau. Điều này cũng hơi khác

với cơ chế CDMA mà mỗi nút sẽ có một mã trải phổ duy nhất.

Dữ liệu từ các nút chủ được gửi tới BS sẽ dùng một mã trải phổ cố định, và

cũng dùng cơ chế CSMA để tránh xảy ra đụng độ với các nút chủ khác. Tuy là

kênh truyền vô tuyến, nhưng khi một nút chủ có dữ liệu để gửi tới BS, nó sẽ phải

lắng nghe xem có nút chủ nào phát dữ liệu không. Nếu không có nút nào phát thì

nó sẽ phát dữ liệu tới BS, còn nếu có nút đang phát dữ liệu thì nó sẽ đợi để phát dữ

liệu.

III.2.4 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation)

Tổng hợp dữ liệu trong mạng cảm biến giúp loại trừ đi những thông tin dư

thừa, trùng lặp để thu được thông tin có ích về môi trường cảm biến. Việc tổng

hợp dữ liệu có thể được thực hiện tại trạm gốc (Base Station- BS) hoặc thực hiện

cục bộ tại nút chủ (Cluster Head- CH) của một cụm, điều này là tùy thuộc vào

năng lượng tiêu thụ để tổng hợp dữ liệu so với năng lượng sử dụng để truyền

những thông tin đó đi. Khi mà năng lượng cho truyền tin lớn hơn, thực hiện tổng



hợp dữ liệu cục bộ tại nút chủ giúp giảm năng lượng tiêu thụ của toàn hệ thống do

có ít dữ liệu hơn phải truyền về trạm gốc.

III.3 LEACH – C

LEACH – C cũng giống như LEACH thông thường, nó chỉ khác ở pha thiết

lập (Set - up Phase) cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định (Steady – state Phase )

thì giống với LEACH. Trong LEACH thì mỗi nút sẽ có 1 xác suất để nó có thể

được chọn làm nút chủ cụm (đã trình bày ở trên). Ở LEACH – C thì cụm và nút

chủ cụm do BS lựa chọn.

Mỗi nút tự nó quyết định sẽ ở trong cụm nào, giải thuật này không đảm bảo

được vị trí cũng như số lượng nút chủ trong toàn mạng. Tuy nhiên, việc dùng một

giải thuật điều khiển trung tâm để hình thành cụm có thể tạo ra các cụm tốt hơn

với các nút chủ phân tán trên toàn mạng. Giải thuật này gọi là LEACH – C

(LEACH - Centralized) . LEACH – C có pha ổn định giống với LEACH (các nút

gửi dữ liệu tới nút chủ và nút chủ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm gốc), nó chỉ

khác LEACH ở pha thiết lập cụm. Trong pha thiết lập của LEACH – C, các nút sẽ

gửi thông tin về trạng thái hiện tại của nó (bao gồm vị trí và năng lượng) về trạm

gốc. Trạm gốc sau đó sẽ dùng thuật toán tối ưu để xác định ra các cụm và nút chủ

cho vòng đó.

Hình 3.9: Pha thiết lập của LEACH – C.



Việc dùng trạm gốc BS để xác định cụm là tốt hơn so với việc hình thành

cụm dùng giải thuật phân tán. Tuy nhiên, LEACH – C yêu cầu các nút phải gửi

thông tin về vị trí của nó về BS tại thời điểm bắt đầu của mỗi vòng, thông tin này

có thể bao gồm việc phải sử dụng GPS (Global positioning system) để xác định vị

trí hiện tại của mỗi nút.

Để xác định được các cụm thích ứng tốt thì năng lượng phải được phân bố

đều trên tất cả các nút trong mạng. Để làm được điều này, BS tính toán năng lượng

trung bình của các nút. Nút nào mà có năng lượng nhỏ hơn mức năng lượng trung

bình này sẽ không được chọn làm nút chủ ở vòng đó, những nút còn lại có năng

lượng lớn hơn giá trị trung bình đó có thể là nút chủ. BS sẽ chạy giải thuật nhiều lần

để chọn ra k nút tốt nhất trở thành nút chủ cũng như chọn ra được k cụm tối ưu.

Khi chọn được các nút chủ và các cụm tối ưu, trạm gốc sẽ gửi thông tin này

tới tất cả các nút trong mạng. Việc này được thực hiện bằng việc quảng bá bản tin

bao gồm ID của nút chủ cho mỗi nút. Nếu nút nào có ID trùng với ID trong bản tin

nó sẽ trở thành nút chủ, các nút khác sẽ xác định khe thời gian của nó cho việc

phát dữ liệu, và sẽ ở trạng thái sleep cho đến thời điểm nó phát dữ liệu về nút chủ.

III.4 Stat-Clustering

Stat-Clustering - phân chia cụm một lần rồi cố định, có nguyên tắc hoạt

động tương tự với LEACH-C.BS sẽ căn cứ vào tọa độ và năng lượng hiện tại của

các node để phân chia cấu hình mạng. Tuy nhiên. ở Stat-Clustering BS chỉ chia

nhóm 1 lần và giữ nguyên cấu hình mạng đó để gửi dữ liệu.

Ưu điểm:

Các Cluster-Head là cố định nên không tốn thời gian và năng lượng cho quá

trình phân chia lại.

Nhược điểm:

Thời gian sống ngắn vì quá trình bầu CH ban đầu là ngẫu nhiên và nếu các

CH này ở quá xa BS thì sẽ mạng hết năng lượng rất nhanh.



CHƯƠNG IV

MÔ PHỎNG LEACH BẰNG NS2

Chương này sẽ giới thiệu về công cụ NS2 để mô phỏng và đánh giá 3 loại

giao thức STAT-CLUS, LEACH, LEACH-C, các giả thiết đầu vào ban đầu và

cuối cùng dựa trên kết quả đồ thị ta sẽ tiến hành đánh giá và kết luận.

IV.1 Giới thiệu NS2

NS (phiên bản 2) là phần mềm mô phỏng mạng điều khiển sự kiện riêng rẽ

hướng đối tượng, được phát triển tại UC Berkely, viết bằng ngôn ngữ C++ và

OTcl. Nó thực thi các giao thức mạng như giao thức điều khiển truyền tải (TCP)

và giao thức gói người dùng (UDP); các dịch vụ nguồn lưu lượng như Giao thức

truyền tập tin (FTP), Telnet, Web, Tốc độ bit cố định (CBR) và Tốc độ bit thay đổi

(VBR) ; các kỹ thuật quản lý hàng đợi như Vào trước Ra trước (Drop Tail), Dò

sớm ngẫu nhiễn (RED) và CBQ; các thuật toán định tuyến như Dijkstra… NS

cũng thực thi multicasting và vài giao thức lớp Điều khiển truy cập đường truyền

(MAC) đối với mô phỏng LAN.

IV.1.1 Kiến trúc NS2

Hình 4.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng

• OTcl Script Kịch bản OTcl

• Simulation Program Chương trình Mô phòng

• OTcl Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng

• NS Simulation Library Thư viện Mô phỏng NS



• 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 mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng

• Plumbling Modules Các mô đun Plumbling

• Simulation Results Các kết quả Mô phỏng

• Analysis Phân tích

• NAM Network Animator Minh họa Mạng NAM

NS là bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng, bao gồm bộ lập lịch sự

kiện, các đối tượng thành phần mạng và các modul trợ giúp thiết lập Mạng (hay

các mô đun Plumbing).

Để sử dụng NS-2, user lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl. User có thể

thêm các mã nguồn Otcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối tượng mới trong

OTcl. Những lớp này khi đó sẽ được biên dịch cùng với mã nguồn gốc.

Thuật ngữ plumbing được dùng để xây dựng các đường dữ liệu giữa các đối

tượng mạng bằng cách thiết lập con trỏ “neighbour” cho một đối tượng để chỉ đến

địa chỉ của đối tượng tương ứng. Mô đun plumbing OTcl trong thực tế thực hiện

việc trên rất đơn giản.

Thành phần mạng là bộ lập lịch sự kiện, bộ lập lịch sự kiện trong NS-2 thực

hiện những việc sau:

Tổ chức bộ định thời mô phỏng

Huỷ các sự kiện trong hàng đợi sự kiện

Gọi lại các thành phần mạng trong mô phỏng

Phụ thuộc vào mục đích của user đối với kịch bản mô phỏng OTcl mà kết quả

mô phỏng có thể được lưu trữ như file trace. Định dạng file trace sẽ được tải vào

trong các ứng dụng khác để thực hiện phân tích:

• File nam trace (file.nam) được dùng cho công cụ Minh họa mạng NAM

• File Trace (file.tr) được dùng cho công cụ Lần vết và Giám sát Mô phỏng

XGRAPH hay TRACEGRAPH



Hình 4.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS

• NAM Visual Simulation Mô phỏng ảo NAM

• Tracing and Monitoring Simulation Mô phỏng Lần vết và Giám sát.

IV.1.2 Các đặc điểm NS2

NS-2 thực thi những tính năng sau:

• Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router như DropTail, RED, CBQ,

• Multicasting

• Mô phỏng mạng không dây

Được phát triển bởi Sun Microsystems + UC Berkeley (Dự án Daedalus)

Thuộc mặt đất (di động, adhoc, GPRS, WLAN, BLUETOOTH), vệ tinh

Chuẩn IEEE 802.11 có thể được mô phỏng, các giao thức Mobile-IP và

adhoc như DSR, TORA, DSDV và AODV

• Hành vi nguồn traffic – www, CBR, VBR

• Các agent truyền tải – UDP, TCP

• Định tuyến

• Luồng packet

• Mô hình mạng

• Các ứng dụng – Telnet, FTP, Ping

• Các packet tracing trên tất cả các link và trên các link xác định

IV.2 Các phần mềm dùng kết hợp với NS2

IV.2.1 NAM

NAM thực hiện lại những sự kiện từ file lần vết nam (nam tracefile).Có thể

tóm tắt các tính năng của NAM như sau:



• Cung cấp trình diễn ảo cho mạng đã được tạo

• Có thể thi hành trực tiếp từ kịch bản Tcl

• NAM có giao diện đồ hoạ bắt mắt của CD player với các điều khiển bao

gồm play (chạy), stop (ngưng), fast forward (chạy tiếp nhanh), rw (lùi lại), pause

(tạm ngưng), điều khiển tốc độ trình diễn và tính năng giám sát packet

• Biểu diễn thông tin như throughput (thông lượng), số packet trên từng link

• Cung cấp giao diện rê và thả cho việc tạo ra các topology (mô hình).

IV.2.2 NSCRIPT

Nscript là giao diện đồ hoạ người dùng để tạo kịch bản mô phỏng, được

phát triển bằng ngôn ngữ Java 2. Với Nscript ta có thể:

• Tạo các topology và cấu hình các node, các link

• Thêm và cấu hình các transport agent (agent truyền tải), UDP, TCP…

• Lập lịch các sự kiện mô phỏng

• Các biến lần vết

Nscript có thể mở rộng được, cho phép tạo ra các thư viện riêng (thư viện

các đối tượng) để có thể dùng thêm đối tượng vào môi trường đồ họa

IV.2.3 XGRAPH

Xgraph là công cụ đính kèm trong gói và sử dụng để đọc file Trace của

NS2. Câu lệnh và cấu trúc của Xgraph đơn giản, hiệu quả và rất dễ sử dụng.

Hình 4.3: Cửa sổ minh họa Xgraph



IV.2.4 TRACEGRAPH

TraceGraph là bộ phân tích file trace. Tracegraph chạy trong hệ điều hành

Windows, Linux, Unix và yêu cầu hệ thống có cài đặt Matlab 6.0 (hoặc các phiên

bản cao hơn). Tracegraph hỗ trợ các định dạng file trace như sau:

Wired (có dây)

Satellite (vệ tinh)

Wireless (không dây)

Ứng dụng TRACEGRAPH bao gồm 3 thành phần chính: cửa sổ

Tracegraph, cửa sổ Network Information (thông tin mạng) và cửa sổ Graphs (đồ

thị).

IV.3 Mô phỏng WSN trên NS2

IV.3.1 Giả thiết

Thời gian mô phỏng: Max = 360s

Số cluster khởi tạo: Num_cluster = 5

Năng lượng khởi tạo của node là 2 J

Số node mạng: 101 (0→99; 100 = BS)

BS đặ t ở tọa độ (50; 100)

Vị trí các node mạng được khởi tạo ngẫu nhiên (100;100)

BW = 1Mbps

Data size: 500 Bytes

Freq : 914 MHz

IV.3.2 Thực hiện mô phỏng cho 3 giao thức: Leach, Leach-C, Stat- Clus

IV.3.2.1 Câu lệnh

./ns wireless.tcl –sc nodescen –x 100 –y 100 –init_energy 2 –dirname wsn –topo

wsn-topo –bs_x 50 –bs_y 150 –stop 600 –nn 101 –num_cluster 5 –eq_energy 0 –

filename leach_file –rp leach

IV.3.2.2 Ý nghĩa mã lệnh

wireless.tcl : file Script tạo ra môi trường mô phỏng Wireless

init_energy : năng lượng khởi tạo ban đầu

dirname : tên thư mục chứa các Trace File

topo : tên topo khởi tạo lúc đầu



bs_x, bs_y : tọa độ của BS

stop : thời gian mô phỏng

nn: số node mạng

num_cluster : số cụm dự tính sẽ chia

eq_energy : 0 (khởi tạo năng lượng không bằng nhau), 1 ( khởi tạo năng

lượng bằng nhau)

filename : tên tracefile sẽ xuất hiện trong dỉname

rp (routing protocol) : giao thức mô phỏng là leach, leach-c, stat-clus

IV.3.3 Kết quả mô phỏng

IV.3.3.1. Topo khởi tạo mạng

Hình 4.4: Topo khởi tạo của mạng



Hình 4.5: Leach ở chu kỳ đầu tiên

( các node đỏ là Cluster-Head)

Hình 4.6: Leach ổn định ở chu kỳ đầu



Hình 4.7: Leach-C: BS quyết định cà phân mạng thành các Cluster tối ưu

(tương đối ổn định)

Hình 4.8: BS chia cluster cho giao thức Stat-Clus chỉ một lần duy nhất

Nhận xét: Qua quá trình khởi tạo topo ở các thời điểm khác nhau ta thấy:

Leach: Quá trình chọn lựa Cluster là ngẫu nhiên và khó kiểm soát. Có lúc

vượt quá, có lúc ít hơn số cluster mặc định chọn ban đầu.

Leach-C : Tương đối ổn định trong việc phân chia nhóm và số cluster

luôn bằng số cluster khởi tạo ban đầu trong suốt thời gian mô phỏng.



Stat-Clus : Topo khởi tạo giống Leach-C, chỉ khác là tạo ra số Cluster-

Head một lần nhưng phân chia rất đồng đều và chính xác.

IV.3.3.2 Kết quả sau khi mô phỏng:

IV.3.3.2.1 Kết quả mô phỏng với mức năng luợng là bằng nhau eq_energy =0

Hình 4.9: Thời gian sống của mạng

Nhận xét: Leach-C có thời gian sống lâu nhất, dài hơn so với Leach và Stat-Clus

Hình 4.10: Sự tiêu thụ năng lượng theo thời gian

Nhận xét: Leach tiêu tốn năng lượng hơn so với Leach-C



Hình 4.11: Tỷ lệ node/ số bytes nhận được trên BS

Nhận xét: Leach-C vượt trội hơn về lưu lượng so với Leach và Stat-Clus

Hình 4.12: Tỷ lệ data / energy

Nhận xét: Giao thức Leach-C có tỷ lệ data/ energy lớn nhất



Hình 4.13: Biểu đồ độ trể tín hiệu trên BS

Nhận xét: - Leach-C và Stat-Clus đạt độ ổn định cao

- Leach tồn tại khá nhiều biến động trong quá trình gửi dử liệu về BS

IV.3.3.2.2 Kết quả mô phỏng với mức năng luợng không bằng nhau

eq_energy =1

Hình 4.14: Thời gian sống của mạng

Nhận xét: Leach-C có thời gian sống lâu nhất, dài hơn so với Leach và Stat-Clus.

Mặc dù vậy thời gian sống giao thức Leach củng được cải thiên hơn.



Hình 4.15 : Sự tiêu thụ năng lượng theo thời gian

Nhận xét: Sự tiêu tốn năng lượng của Leach đã được cải thiện rất nhiều

Hình 4.16: Tỷ lệ node/ số bytes nhận được trên BS

Nhận xét: Leach-C thể hiện sự vượt trội hơn về lưu lượng so với Leach và Stat-

Clus



Hình 4.17 : Tỷ lệ data / energy

Nhận xét: Tỷ lệ data/ energy của giao thức Stat_Clus giảm đi đáng kể

Hình 4.18: Biểu đồ độ trể tín hiệu trên BS

Nhận xét:

Khi có một số nút có năng lượng cao thì thời gian sống của mạng kéo dài

lên rất nhiều và qua mô phỏng ta thấy các nút có mức năng lượng cao sẽ được ưu

tiên làm nút chủ (Cluster-Head).



Thời gian trễ của các giao thức Leach được cải thiện rõ rệt.

Leach-C vẫn thể hiện mặt vượt trội về độ ổn định.

IV. 4 Kết luận

Các kết quả đánh giá đã cho thấy Leach-C là một giao thức có mặt vượt

trội về nhiều mặt so với các giao thức định tuyến khác.

Sở dĩ có điều này là do ở Leach-C , BS được cài thêm một ứng dụng

chọn và phân chia Cluster. Và chính những quyết định chính xác của BS đã ưu việt

hóa mọi mặt cho mạng cảm biến.

Một nhược điểm lớn nhất của Leach-C đó là thông tin lúc ban đầu gửi về

BS của các node là thông tin có 2 tham số : Vị Trí và Năng Lượng. Năng lượng thì

có thể BS sẽ xác định chính xác được còn vị trí thì cái này trên thực tế cần phải có

một ứng dụng đặc biệt trên các node mới cho ta xác định được thông số này.

So với giả thiết là mức năng lượng là bằng nhau thì giả thiết mức năng

lượng không bằng nhau thì giao thức Leach được cải thiện hơn. Mặc dù vậy thì độ

trể tín hiệu ở trên trạm BS vẫn tồn tại nhiều biến động trong quá trình truyền dữ

liệu về trạm BS.

Với giả thiết là mức năng lượng không bằng nhau thì độ trể trên trạm BS

sẽ không ổn định, tùy thuộc vào việc lựa chọn các nút CH có mức năng lượng cao

hay thấp.

Hiện nay, các thiết bị mạng đã ra đời, tuy phần lớn vẫn là những giao

thức mạng đơn giản như AODV, MTE, MultiHop và cũng xuất hiện một số

firmware (BTNode) sử dụng giao thức phân cấp Leach. Tuy nhiên, với những ưu

điểm vượt trội và tính khả thi cao thì hứa hẹn trong một tương lai gần, giao thức

Leach sẽ được áp dụng và phổ biến rộng rãi hơn trên các node mạng cảm biến.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Kavin Fall, Kannan Varadhan. “The ns Manual”. The VINT Project, A

Collaboration between researchers at UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox

PARC. December 13, 2003. http://www.isi.edu/nsnam/ns/

2. The MIT uAMPS ns Code Extensions Version 1.0 – Massachusetts Institute of

Technology – Cambridge. MA 02139, [email protected]

3. Application Specific Protocol Architectures for Wireless Networks by Wendi

Beth Heinzelman.

4. http://www.isi.edu/nsnam/nam/ NAM Network Animator

5. W.R Heinzelman, A Chandrakasan, and H. Balakrishnan, “ Energy-Efficient

Comminication Protocol for Wireless Microsensor Networks ” IEEE Proc.

Hawaii Int’l. Conf. Sys. Sci., Jan 2000, pp. 1-10

6. http://www.ieee802.org/15/.

7. Jamal N. Al-Karaki and Ahmed E. Kamal, “Routing Techniques in wireless

sensor network: A survey”, IEEE Wireless Communications, December 2004.



BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT UDP User Datagram Protocol Giao thức gói người dùng

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

ID Identifier Mã nhận dạng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

TDMA Time Divistion Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

CSMA Carrier Sense Multiple Access Truy cập đường truyền có lắng nghe

sóng mang.

SPIN Sensor protocols for information via

negotiation

Giao thức cho thông tin dữ liệu thông

qua đàm phán

LEACH Low-energy adaptive clustering

hierarchy

Giao thức phân cấp theo cụm thích

ứng năng lượng thấp

MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đường truyền

GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật chính xác theo địa lý

GEAR Geographic and Energy-Aware

Routing

Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng

hiệu quả năng lượng

NAM Network Animator Minh họa mạng

NS Network Simulator Mô phỏng mạng

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải

QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ

SMP Sensor Management Protocol giao thúc quản lí mạng cảm biến

TADAP Task Assignment and Data

Advertisement Protocol

G.thức quảng bá dữ liệu và chỉ định

nhiệm vụ cho từng sensor

SQDDP Sensor Query and Data giao thức phân phối dữ liệu và

ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - Số

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

ADV Advertise Bản tin quảng bá

REQ Request Bản tin yêu cầu

DS - SS Directed-Sequence Spread Spectrum Trải phổ tuần tự

BS Base Station (Sink) Trạm gốc

CH Cluster Head Nút chủ cụm



LỜI KẾT

WSN ra đời là sự kết hợp thành công của một loạt những thành tựu khoa

học về công nghệ mạng máy tính. Hiện nay, nó được ứng dụng rất nhiều trong đời

sống và để mang lại lợi ích tối ưu cho người sử dụng thì phải tận dụng các điểm

mạnh riêng biệt của mạng cảm ứng, đó là các sensor giá thành thấp, tiêu thụ ít

năng lượng và có thể thực hiện đa chức năng. Những sensor này có kích cỡ nhỏ,

thực hiện chức năng thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu thông qua kênh

vô tuyến. Dựa trên cơ sở đó người ta thiết kế ra mạng cảm biến, nhằm phát hiện ra

những sự kiện hoặc hiện tượng, thu thập và truyền dữ liệu cảm biến được đến

người dùng.

Tuy nhiên, WSN vẫn còn rất nhiều vấn đề cần hoàn thiện, đặc biệt là vấn đề

năng lượng và duy trì nguồn năng lượng cho các nút cảm biến. Các nhà khoa học

trên thế giới đã không ngừng nghiên cứu và đưa ra công nghệ mới để cải thiện tất

cả các phân lớp trong cấu trúc node cảm biến, mà mục đích cuối cùng là đưa WSN

trở nên gần gũi với cuộc sống hơn.

Trong phạm vi đồ án này, em đã nghiên cứu được những nét khái quát nhất

về mạng cảm biến, mà cụ thể là các giao thức định tuyến phổ biến hiện nay. Đây là

một đề tài còn nhiều mới mẻ và rộng lớn, thời gian thực hiện đề tài ngắn nên em

rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong bộ môn cũng như

trong khoa để đồ án của em được hoàn thiện hơn.

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS.Vương Đạo Vy –

Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà

Nội đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và định hướng cho em thực hiện thành công

đồ án.



MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN ... 2

I.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 2

I.2 Cấu trúc mạng WSN ......................................................................................... 3

I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN .......................................................................... 3

I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây .............................................................. 5

I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN ........................................................................ 6

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN ............................................................ 8

I.4.1 Thời gian sống bên ngoài .............................................................................. 8

I.4.2 Sự đáp ứng ..................................................................................................... 9

I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) ........................................................................ 9

I.4.4 Hiệu suất (Synergy) ....................................................................................... 9

I.4.5 Tính mở rộng (Scalability) .......................................................................... 10

I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity) ....................................................... 10

I.4.7 Tự cấu hình .................................................................................................. 10

I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi ............................................................................ 10

I.4.9 Thiết kế có hệ thống .................................................................................... 10

I.5 Ứng dụng của mạng WSN .............................................................................. 11

CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY ..................................................................................................... 12

II.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 12

II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến .............................................................. 12

II.2.1 Tính động của mạng ................................................................................... 12

II.2.2 Sự triển khai các node ................................................................................ 12

II.2.3 Tính đến năng lượng .................................................................................. 13

II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu ...................................................................... 13

II.2.5 Khả năng của các node ............................................................................... 14

II.2.6 Tập trung/ hợp nhất dữ liệu ........................................................................ 14

II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN ........................... 15



II.4 Các loại giao thức định tuyến ........................................................................ 17

II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols) ............... 17

II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) ............................................. 22

II.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) ................................. 25

CHƯƠNG III : KIẾN TRÚC GIAO THỨC LEACH .................................... 29

III.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 29

III.2 Tự định dạng cấu hình Cluster (Self – Configuring Cluster Formation) ..... 31

III.2.1 Lựa chọn nút chủ của cụm (Determining Cluster- Head Nodes ) ............ 31

III.2.2 Pha thiết lập (Set-up Phase) ...................................................................... 32

III.2.3 Pha duy trì trạng thái – pha ổn định (Steady- state Phase) ....................... 33

III.2.4 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation) ........................................... 36

III.3 LEACH – C .................................................................................................. 37

III.4 Stat-Clustering ............................................................................................. 38

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG LEACH BẰNG NS2 ......................................... 39

IV.1 Giới thiệu NS2 ............................................................................................. 39

IV.1.1 Kiến trúc NS2 ........................................................................................... 39

IV.1.2 Các đặc điểm NS2 ..................................................................................... 41

IV.2 Các phần mềm dùng kết hợp với NS2 ......................................................... 41

IV.2.1 NAM ......................................................................................................... 41

IV.2.2 NSCRIPT .................................................................................................. 42

IV.2.3 XGRAPH .................................................................................................. 42

IV.2.4 TRACEGRAPH ........................................................................................ 43

IV.3 Mô phỏng WSN trên NS2 ............................................................................ 43

IV.3.1 Giả thiết ..................................................................................................... 43

IV.3.2 Thực hiện mô phỏng cho 3 giao thức: Leach, Leach-C, Stat- Clus .......... 43

IV.3.3 Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 44

IV. 4 Kết luận ....................................................................................................... 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 53

LỜI KẾT ............................................................................................................. 55

Định tuyến mạng wsn

Documents