H
ỌC VIỆN CÔNG NGHỆ B
ƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

PH
ẠM MINH TUẤN
Đ
ỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY
ẢO HÓA
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã s
ố
: 60.48.01.04
LU
ẬN
VĂN TH
ẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯ
ỜI H
ƯỚNG DẪN KHOA HỌC
: PGS.TS Đ
ẶNG VĂN CHUYẾT
HÀ N
ỘI
- 2014
i
L
ỜI CAM ĐOAN
Tôi - Ph
ạm Minh Tuấn

i c
ảm
ơn tới PGS.TS Đặng Văn Chuyết (Viện Công nghệ Thông tin và
Truyền thông – trường đại học Bách Khoa Hà Nội) là giáo viên trực tiếp hướng dẫn
đ
ã t
ận tình chỉ bảo và định hướng cho em tr
ong su
ốt quá tr
ình thực hiện luận văn
.
Em xin g
ửi lời cảm
ơn tới T
S. Ngô Qu
ỳnh Thu (bộ môn Truyền thông v
à
M
ạng máy tính
– Vi
ện Công nghệ Thông tin và Truyền thông, trường đại học Bách
Khoa Hà N
ội) đ
ã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu.
Em xin g
ửi lời cảm ơn
chân thành c
ảm ơn tất cả các thầy cô giáo của
H
ọc

ỤC LỤC
DANH M
ỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
v
DANH M
ỤC CÁC BẢNG
vi
DANH M
ỤC CÁC HÌNH
vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3
1.1 T
ổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN)
3
1.1.1 Gi
ới thiệu chu
ng 3
1.1.2 Đ
ặc điểm của mạng cảm biến không dây
4
1.1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 5
1.2
Ảo hóa mạng cảm biến không dây
8
1.2.1 Khái ni
ệm
8
1.2.2 M
ục tiêu của ảo hóa

25
2.2.3 Pha truy
ền tải dữ liệu
26
2.3 Đ
ịnh tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa
30
2.4 C
ải tiến EMRP dùng cho mạng cảm biến không dây ảo hóa
34
2.4.1 Pha kh
ởi tạo
35
2.4.2 Pha thành l
ập nhó
m 36
iv
2.4.3 Pha truyền dữ liệu 36
CHƯƠNG 3: CÀI Đ
ẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
38
3.1 Công c
ụ mô phỏng OMNeT++
38
3.1.1 Mô hình mô ph
ỏng trong OMNeT++
39
3.1.2 Xây d
ựng v
à chạy thử mô hình mô p

3.4.3 Đánh giá k
ết quả và hướng phát triển
53
KẾT LUẬN 55
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57
v
DANH M
ỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Viết đầy đủ
BS
Base Station
CH
Cluster Head
EMRP
Energy-Awared Meshed Routing Protocol
GPS
Global Positioning System
HEED
A hybrid, Energy-efficient, Distributed Clustering Approach
for Ad-hoc Networks
LEACH
Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
LLNs
Low power and lossy networks
OEDSR
Optimized Energy-Delay Sub-network Routing
OMNeT++
Objective Modular Network Tested in C++
PEGASIS

ảng
3.2 – T
ỉ lệ lỗi
truy
ển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng 1
52
B
ảng
3.3 – Th
ời gian sống to
àn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trong
k
ịch bản mô phỏng 2
52
B
ảng
3.4 – T
ỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng 2
52
vii
DANH M
ỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 - Ki
ến trúc mạng VSN
11
Hình 1.2 - Ứng dụng bao phủ các không gian địa lý, các nút khác nhau bao phủ
cùng m
ột vùng địa lý và hợp tác với nhau để truyền dữ liệu từ nguồn (A1) về đích
(S) 13
Hình 1.3 – Sự hợp tác của các đối tượng thông minh trên các domain quản lý WSN

ình trong file omnetpp.ini
50
Hình 3.5 – Quá trình mô ph
ỏng
50
1
MỞ ĐẦU
Hi
ện nay, rất nhiều mạng cảm biến không dây (
Wireless Sensor Network -
WSN) đ
ã và đang được phát triển và
chi
ếm vai trò rất quan trọng trong nhiều ứng
dụng như: quản lý ngôi nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe và tự động hóa trong
công nghi
ệp….
Tuy nhiên các WSN truy
ền thống chỉ cho phép chạy một ứng dụng trên nó
và không th
ể kết hợp
trong WSN v
ới các bộ cảm biến không đồng nhất để thực hiện
m
ột nhiệm vụ chung. Vì vậy để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra khái
ni
ệm mới là ảo hóa mạng cảm biến không dây (VSN)
.
Ảo hóa mạng cảm biến không dây l
à việc cho phép nhiề

ại hiệu quả về mặt tiết kiệm chi phí phần cứng
, chi phí qu
ản
lý… cho các
ứng dụng triển khai. V
i
ệc ảo hóa mạng cảm biến không dây c
òn tạo ra
s
ự linh hoạt, đa dạng và được ứng dụng trong nhiều trường hợp tương đối phức tạp
mà m
ạng cảm biến không dây th
ông thư
ờng khó có thể đáp ứng đ
ược.
V
ấn đề định tuyến trong
ảo hóa m
ạng cảm biến
không dây sao cho phù h
ợp
v
ới các yêu cầu như
kh
ả năng mở rộng,
ti
ết kiệm năng lượng…
đ
ặt ra những thách
thức không nhỏ bởi các giao thức định tuyến cần có thêm một số yêu cầu riêng so

dây, đ
ặc điểm của mạng cảm biến không dây
và ứng dụng của mạng cảm biến
không dây. Trên cơ s
ở đó, trình bày một số lý thuyết về ảo hóa mạng cảm biến
không dây, ki
ến trúc chung của mạng cảm biến không dây ảo hóa, mục tiêu của ảo
hóa và m
ột số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa.
CHƯƠNG 2: GIAO TH
ỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM
BI
ẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA
Chương này s
ẽ tr
ình bày về các đặc điểm khác biệt c
ủa y
êu c
ầu định tuyến
trong m
ạng cảm biến không dây so với định tuy
ến trong các mạng thông th
ường.
Trình bày các yêu c
ầu định tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa. Giới
thi
ệu về giao thức định tuyến EMRP và cải tiến EMRP dùng cho ảo hóa.
CHƯƠNG 3: CÀI Đ
ẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Thi

Wireless Sensor Network - WSN) là m
ột mạng
bao g
ồm một số l
ượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá th
ành th
ấp,
tiêu th
ụ năng lượng ít
, có kh
ả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác
qua
các k
ết nối không dây
nh
ằm mục đích thu thập thông tin to
àn mạng để đưa ra
các x
ử
lý, quy
ết định về môi trường quan sát
.
Các nút c
ảm biến l
à các cảm biến có kích
thư
ớc nhỏ, thực hiện việc
thu th
ập
d

ạng Internet n
ơi mà có
các yêu c
ầu thực sự đối với thông tin lấy từ các
nút c
ảm biến trong mạng.
Lưu lư
ợng dữ liệu thông qua WSN l
à thấp và không liên tục. Do vậy để tiết
kiệm năng lượng, các nút cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động và trạng
thái ngh
ỉ khác nhau. Thông th
ường thời gian một nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở
tr
ạng thái hoạt động rất nhiều.
Như v
ậy, đặc tr
ưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến không dây
và m
ộ
t m
ạng không dây khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt
4
động, cấu hình mạng, lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trong
tr
ạng thái hoạt động.
WSN ra đ
ời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi trường, khí hậu, phát
hi
ện v

tài nguyên h
ạn chế kết nối với nhau qua giao tiếp vô tuyến thực hiện nhiệm vụ theo
dõi và thu th
ập dữ liệu về trung tâm.
Tr
ạm gốc là nơi nhậ
n d
ữ l
i
ệu gửi về từ các cảm biến, xử lý và phân tích dữ
li
ệu để đ
ưa ra thông tin và phản ứng
thích h
ợp với môi tr
ường. Ví dụ như điều
khi
ển thiết bị nhiệt độ, cảnh báo động đất hay thống kê dữ liệu về môi trường
.
C
ấu trúc mạng cảm biến không dây có đặc điểm rấ
t khác v
ới mạng truyền
thống. Sau đây là một số đặc điểm nổi bật cần chú ý của mạng cảm biến không dây:
- Môi trư
ờng hoạt động
: m
ạng cảm biến th
ường là khu vực đặc biệt như
khu v

ợc cung cấp năng l
ượng bằng pin và được triển khai trong môi trường
kh
ắc nhiệt, những nơi rất khó để thay thế hoặc nạp lại p
in.
- Các h
ạn chế khắc khe về năng l
ượng, khả năng tính toán và lưu trữ: các
nút c
ảm biến
có kích thư
ớc
nh
ỏ,
kh
ả năng tính toán và lưu trữ hạn chế, sử
d
ụng pin nên năng lượng hoạt động hạn chế
.
- Kh
ả năng t
ự cấu h
ình:
vì các nút c
ảm biến thường được triển khai
m
ột
cách ng
ẫu nhiên và chúng tự hình thành một mạng truyền thông.
- Dư th

do nút b
ị
l
ỗi, hỏng, hết năng lượng, được thêm vào, bỏ bớt đi….
- Giao ti
ếp không dây
: giao ti
ếp trong mạng cảm biến l
à giao tiếp không
dây do đó các v
ấn
đ
ề về truyền dẫn cần lưu tâm đến là khoảng cách
truy
ền, độ suy hao tín hiệu, năng l
ượng truyền dẫn…
1.1.3 Ứng dụng c
ủa mạng cảm biến không dây
Các m
ạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:
Ứng dụng trong môi tr
ư
ờng, ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, ứng dụng trong gia
6
đình, ứng dụng trong công nghiệp, ứng dụng trong nông nghiệp, ứng dụng trong
quân đ
ội….
C
ụ thể nh
ư:

ện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.
Cảnh báo lũ lụt: hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực
nư
ớc, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh
báo l
ụt sớm.
Giám sát và c
ảnh báo các hiện tượng địa chấn
: các c
ảm biến về độ rung đặt
r
ải rác ở mặt đất hay trong l
òng đất những khu vực hay xả
y ra đ
ộng đất, hay gần các
núi l
ửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào.
1.1.3.2 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát
b
ệnh nhân
: m
ỗi bệnh nhân đ
ược gắn một
nút c
ảm biến nhỏ v
à nhẹ, mỗi một nút cảm
bi
ến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi cảm
bi

b
ản tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để
thông báo các đ
ặc điể
m
c
ủa chúng. Ngay cả các bản tin có c
ường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có
th
ể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút. Cảm biến còn có
th
ể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ
ch
ống trộm. Nếu một
ai đó c
ố dịch một kiện hàng,
c
ảm biến
s
ẽ hoạt động và ra hiệu
cho thi
ết bị cảnh báo. Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong
nh
ững tòa nhà lớn
.
Nh
ững nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các
container ở cảng. Mỗi một container sẽ có một nút mạng trong mạng cảm biến và có
th
ể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách xa

ở nhiều điểm tr
ên
các th
ửa ruộng v
à truyền dữ liệu mà chúng thu được về
trung tâm đ
ể người nông d
ân có th
ể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp.
Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia c
ầm cũng trang bị
các c
ảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát
.
1.1.3.6 Ứng dụng trong quân đội
Giám sát l
ực lượng, trang thiết bị và đạn dược
: các ngư
ời lãnh đạo, sĩ quan
s
ẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các
8
thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến. Quân
đ
ội, xe cộ, trang thiết bị v
à đạn dược
đư
ợc
g
ắn

ọng
có đ
ịa hình hiểm
tr
ở, các tuyến đường, đường mòn
, các ch
ỗ eo hẹp
đ
ể
có th
ể
giám sát đánh giá s
ự mức độ nguy hiểm của
chi
ến trường,
theo dõi các ho
ạt động
c
ủa q
uân đ
ịch.
Phát hi
ện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt
nhân.
Trong các cu
ộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất
quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến
tri
ển khai ở những v
ùng mà đư

m
ạng cảm biến không dây thông th
ường, tất cả các nút trong mạng cộng tác với
nhau như nh
ững đối tác bình đẳng để đạt được một kết quả chung. Khác với mạng
c
ảm biến không dây thông th
ường, tập hợp con của các nú
t thu
ộc một mạng cảm
9
biến ảo VSN cộng tác với nhau để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Ngoài việc cộng
tác gi
ữa các nút trong c
ùng một mạng ảo, các mạng ảo cũng phải hợp tác với nhau
đ
ể hỗ trợ nhau trong các ứng dụng, tạo nên một thể thống nhất giữa các nút
trong
m
ạng. V
ì vậy, một mạng cảm biến ảo cũng phụ thuộc vào các nút còn lại trong các
m
ạng cảm biến ảo khác để cung cấp chức năng hỗ trợ hoạt động nó, giúp tạo ra và
duy trì ho
ạt động của to
àn mạng. Trong đó, nhiều mạng cảm biến ảo có thể tồn tại
đ
ồng thời
trên m
ột mạng

thì h
ệ thống
c
ũng có thể khác nhau về khả năng giao tiếp, để tối ưu hóa hiệu su
ất hệ
th
ống, định tuyến có thể tận dụng các khả năng của h
àng xóm không
đ
ồng nhất.
Như v
ậy, phạm vi truyền tải cảm biến hoặc các giao diện
không dây h
ỗ trợ sẽ đ
ược xem xét như một thuộc tính được tính đến khi
quyết định định tuyến được thực hiện.
- Đi
ều khiể
n tài nguyên đ
ộng: Các thiết bị (không đồng nhất) trong một
VSN tiêu th
ụ năng lượng phụ thuộc vào một số thông số hoạt động,
chúng có th
ể đ
ược điều chỉnh
t
ự động để kéo d
ài tuổi thọ mạng.
Ảo hóa các dịch vụ bảo mật (Security services Virtualisation): m
ức đ

ủa các nút
liên quan đ
ến một tập hợp các chức năng.
+ Qu
ản lý m
ức năng l
ượng/ Trạng thái nút (
Energy level/ Node status): Đ
ể
c
ải thiện độ tin cậy mạng, các
yêu c
ầu các nút báo cáo tình trạng của chúng và mức
năng lư
ợng được thực thi. Thông tin này cũng có giá trị cho các giao thức định
tuy
ến, vì có tính đế
n m
ức
đ
ộ năng lượng
c
ủa nút hàng xóm.
+ Kh
ả năng mở rộng và tính d
i đ
ộng (
Scalability and mobility): Nh
ờ
l

Trong WSN, nhà cung c
ấp cơ sở hạ tầng và cung cấp dịch vụ là cùng một
th
ực thể. Nhưng do nhu cầu gia tăng của các WSN
d
ẫn đến cần phân biệt giữa vai
trò c
ủa các nhà cung cấp
cơ s
ở hạ tầng WSN và các nhà cung cấp dịch vụ. Mục đích
chính là để giảm thiểu các chi phí thành lập và chi phí quản lý…
S
ự khác biệt chính giữa những người tham gia trong mô hình mạng cảm biến
ảo v
à
mô hình truy
ền thống l
à sự hiện diện của hai vai trò khác nhau:
SInP- nhà
cung c
ấp cơ sở hạ tầng cảm biến và SVNSP
– nhà cung c
ấp dịch vụ cảm biến.
Trong ki
ến trúc mạng cảm biến ảo đ
ã được đề xuất, môi trường VSN là một tập hợp
nhi
ều mạng cảm biến phức tạ
p t
ừ những SInPs khác nhau. Mỗi SVNSP thuê tài

ết nối thông qua mạng không dây tốc độ cao
. SGR có th
ể l
ưu trữ bộ định tuyến
c
ổng cảm biến ảo (VSGR
– Vitual Sensor Gateway Router) khác nhau. Chúng cung
c
ấp tài nguyên của chúng thông qua các giao diện lập trình tới SVNSP khác nhau.
SInP đư
ợc phân biệt thông qua các loại dịch vụ mà họ cung cấp. SInP có thể triển
khai các nút c
ảm biến để làm cơ sở hạ tầng riêng của họ hoặc có thể cho
các nhà
cung c
ấp dịch vụ ảo hóa khác thuê để chạy ứng dụng cá nhân của họ. Điều đó giúp
tăng hi
ệu quả sử dụng của các nút cảm biến vật lý trong một mạng cảm biến liên kết
quy mô lớn. Trong hình 1.1 các nút cảm biến khác nhau được triển khai ở các khu
v
ực k
hác nhau đ
ể tạo ra một mạng cảm biến liên kết. Tuy nhiên, người sử dụng có
th
ể y
êu cầu các loại dịch vụ cụ thể. Dịch vụ cụ thể này có thể có sẵn cho người sử
d
ụng thông qua bộ định tuyến cổng cảm biến ảo.
Nhà cung c
ấp dịch vụ mạng cảm biến

VSN tương t
ự như những WSN hiện có, ngoại trừ sự tồn tại của nhiều SVNSP cung
c
ấp từ SInP cung cấp một loạt các lựa chọn
. B
ấ
t k
ỳ người dùng nào cũng có thể kết
13
nối với nhiều VSN từ những SInP khác nhau cho nhiều ứng dụng. VSN giấu sự
ph
ức tạp của SInP với ng
ười sử dụng dịch vụ
1.3 M
ột số
l
ớp
ứng dụng c
ủa
m
ạng cảm biến không dây ảo hóa
Có 4 lớp ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo hóa:
L
ớp ứ
ng d
ụng 1
- Các
ứng
d
ụng chồng chéo địa lý

(A1) v
ề đích
(S)
L
ớp ứ
ng d
ụng 2
– K
ết nối các mạng cảm biến phân tán về địa lý:
các
ứng
d
ụng hoạt động trên các
m
ạng địa lý phân tán tương tác với nhau như thể chúng là
14
một mạng rộng lớn cung cấp dịch vụ một cách thống nhất (theo dõi nhiều tòa nhà
ho
ặc các vị trí trong các th
ành phố, tiểu bang, theo dõi vận chuyển hàng hóa…). Nó
có th
ể đáp ứng cho các ứng dụng này yêu cầu sự hợp tác của các đối tượng thông
minh không đ
ồng nhất về loai, các nền tảng v
à công nghệ, di
đ
ộng hoặc tĩnh, cảm
bi
ến, thiết bị truyền động hoặc bộ xử lý nhúng được điều khiển bởi nhiều nhà quản
lý khác nhau.

chất. Ví dụ, trong hình 1.4 các nút cảm biến với các mũi tên màu trắng tạo thành
m
ột mạng cảm biến không dây biến đổi theo thời gian với sự tham gia của c
ác nút
thu
ộc luồng. Các thành viên trong VSN hoàn toàn tự động tính toán các thông số
khác nhau t
ồn tại trong kết nối của lớp vật lý, cái m
à có thể thay đổi theo thời gian.
Hình 1.4 – M
ạng cảm biến ảo h
ình thành theo yêu cầu theo dõi sự phân bố không
gian c
ủa một luồng hóa chất
L
ớp ứ
ng d
ụng 4
- Phân tách logic c
ủa mạng cảm biến đa mục đích:
Trong
trư
ờng hợp này cùng một nút vật lý được sử dụng trong hai hoặc nhiều mạng khác
nhau do các yêu c
ầu ứng dụng khác nhau. Một cách để sử dung chung các mạng
VSN là s
ự phân tách của các nút cảm biến nhiều yếu tố khác nhau trong các mạng
c
ảm biến khác nhau, các nút này chịu trách nhiệm theo dõi các thông số cảm biến
khác nhau trong m

ạy một ứng dụng trên nó và không thể kết hợp trong WSN với các bộ cảm biến
không đ
ồng nhất để thực hiện một nhiệm vụ chung. Vì vậy để khắc phục nhược
đi
ểm n
ày người ta đưa ra khái niệm mới là
ảo hóa mạng cảm biến không dây. Các
khái ni
ệm, mục tiêu của ảo hóa mạng cảm biến không dây cũng như kiến trúc của
m
ạng c
ảm biến không dây ảo hóa, các ứng dụng của mạng cảm biến đ
ư
ợc trình bày
c
ụ thể trong chương này.
M
ột vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không dây chính l
à vấn đề định
tuy
ến
do các gi
ới hạn về năng lượng, giới hạn về tài nguyên, yêu cầu mở
r
ộng
Ngoài ra, do các yêu c
ầu của các dịch vụ rất đa dạng, phức tạp v
à khác nhau
17
đối với mỗi dịch vụ, kéo theo đó cơ chế định tuyến cho mỗi mạng ảo cũng khác