TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
PEGASIS TRONG MẠNG CẢM BIẾN Sinh viên thực hiện: ĐỖ THỊ TUYẾT
Lớp ĐT6 - K48
Giảng viên hướng dẫn: TS. TRẦN NGỌC LAN
Cán bộ phản biện: TS. ĐỖ TRỌNG TUẤN Hà nội, 5-2008
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
………………………………………………………..……………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án:
………………………………………………………………………..………
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------------
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
......................................................................
Số hiệu sinh viên:
...........................
Ngành:
..................................................................................................
Khoá:
....................................................
Giảng viên hướng dẫn:
phát triển của những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng
và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập
trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó là
các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một t
ương lai không xa,
các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc
sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng
nào cũng có được như mạng cảm biến.
Tuy nhiên mạng cảm ứng đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong
những thách thức lớn nhất đó là nguồn n
ăng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại.
Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng
hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau.
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến, em đã lựa chọn và
tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS. Giao thức này cải thiện đ
áng kể thời gian
sống của mạng cảm biến, và em quyết định chọn đề tài này làm đồ án tốt nghiệp.
Để có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những
kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong
suốt năm năm đại học. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầ
y, các
cô trong thời gian học tập này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS. Trần Ngọc Lan-bộ môn kỹ thuật thông tin –
Khoa điện tử viễn thông- Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình chỉ bảo và định
hướng cho em nghiên cứu đề tài này. Cô đã cho em những lời khuyên quan trọng trong
suốt quá trình hoàn thành đồ án.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi, động
Đồ án này gồm có 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến. Chương này trình bày những khái
niệm chung nhất về WSNs và đưa ra cấu trúc của mạng cảm biến. Đồng thời cũ
ng nêu
ra các ứng dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực cuộc sống.
Chương 2: Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến. Chương này đưa ra hai
giao thức đặc trưng đó là : đồng bộ thời gian và giao thức vị trí. Hai giao thức này rất
quan trọng và có ý nghĩa đối với mạng cảm biến.
Chương 3: Định tuyến trong mạng cảm biến. Chương này phân loại các giao
thức định tuyến ra làm ba loại : trung tâm dữ liệu, phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí
địa lý.
Chương 4: Giới thiệu về Mobility framework của OMNeT++ và mô phỏng giao
thức định tuyến PEGASIS. Chương này nêu ra những ưu điểm của PEGASIS so với
giải thuật LEACH và đưa ra kết quả mô phỏng .
Abstract
Nowadays thanks to rapid advances in science and technology, Wireless Sensor
Networks have become a hot issue in research, and significant progress has been
achieved in the past few years.
Wireless sensor network (WSN) is a wireless network consisting of spatially
distributed autonomous devices using sensors to cooperatively monitor physical or
environmental conditions, such as temperature, sound, vibration, pressure, motion or
pollutants, at different locations. The development of wireless sensor networks was
originally motivated by military applications such as battlefield surveillance. However,
wireless sensor networks are now used in many civilian application areas, including
i
Mục lục
DANH SÁCH HÌNH VẼ.............................................................................................. iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ..........................................................................................v
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vi
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến ....................................................................1
1.1. Giới thiệu...............................................................................................................1
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến........................................................................................2
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến ......................................2
1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng ...............................................................................8
1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến .................................................10
1.2.3.1. Cấu trúc phẳng.......................................................................................10
1.2.3.2. Cấu trúc tầng .........................................................................................10
1.3. Ứng dụng.............................................................................................................13
1.3.1. Ứng dụng trong quân đội..............................................................................14
Chương 3. Định tuyến trong mạng cảm biến ............................................................38
3.1. Giới thiệu.............................................................................................................38
3.2. Thách thức trong vấn đề định tuyến....................................................................38
3.3. Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến........................................................39
ii
3.3.1. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng .............................39
3.3.2. Ràng buộc về tài nguyên...............................................................................39
3.3.3. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến..........................................................40
3.3.4. Cách truyền dữ liệu ......................................................................................40
3.4. Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến....................................................42
3.5. Giao thức trung tâm dữ liệu.................................................................................44
3.5.1. Flooding và Gossiping..................................................................................44
3.5.2. SPIN..............................................................................................................45
3.5.3. Directed Diffusion ........................................................................................47
4.3.1. Mô hình năng lượng .....................................................................................76
4.3.2. Giả thiết và thiết lập thông số ban đầu cho quá trình mô phỏng.................82
4.3.3. Kết quả mô phỏng.........................................................................................89
4.4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo..............................................................91
KẾT LUẬN...................................................................................................................92
Tài liệu tham khảo .......................................................................................................93
iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến....................................................................................3
Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến........................................................................................4
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến .................................................................8
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến ...............................................................10
Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến ...................................................................11
Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ..................................................11
Hình 3.7 Ví dụ về lưới ảo trong GAF ...........................................................................56
Hình 3.8 Sự chuyển trạng thái trong GAF....................................................................56
Hình 3.9 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR .........................................................59
Hình 4.1 Cấu trúc phân cấp module trong OMNeT++.................................................61
Hình 4.2 Các kết nối trong OMNeT++.........................................................................62
iv
Hình 4.3 Cấu trúc của host di động...............................................................................65
Hình 4.4 Cấu trúc kế thừa module trong MF................................................................67
Hình 4.5 Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy..................................................72
Hình 4.6 Xử lý lỗi khi một nút trong chuỗi chết............................................................73
Hình 4.7 Khắc phục của PEGASIS................................................................................76
Hình 4.8 Mô hình năng lượng đơn giản.........................................................................79
Hình 4.9 Trạm BS gửi broadcast đến cho các nút trong mạng .....................................84
Hình 4.10 Trạm BS gửi bản tin Max Distance đến nút xa nhất.....................................85
ADC Analog to Digital Converter
RF Radio frequency
MAC Media Access Control
UTC Coordinated Universal Time
GPS Global Positioning System
LTS Lightweight time synchronization protocol
RBS Reference broadcast synchronization).
RSS Received signal strength
TDOA Time of arrival
AOA Angle of arrival
TDOA Time difference of arrival
RSSI Receiver Signal Strength Indicator
PLF Perceptive localization framework
TDMA Time Division Multiple Access
CDMA Code Division Multiple Access
ARP Address Resolution Protocol
BS BaseStation
WSN Wireless Sensor Network
Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
1
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến
1.1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được
phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của
môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
¾ Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con
người
¾ Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến
multihop
¾ Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút c
ảm biến
¾ Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng
ở các nút
¾ Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính
toán
Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu
thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến.
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không dùng
được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau:
¾ Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp
nhiều lần số lượng nút trong mạng ad hoc.
¾ Các nút cảm biến dễ bị lỗi.
¾ Cấu trúc mạng cảm biến thay
đổi khá thường xuyên.
¾ Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá,
trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm.
Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
3
¾ Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và
bộ nhớ.
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 1.2 Cấu tạo nút cảm biến.
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương
tự-số. 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.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ t
ục làm 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.
Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
5
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.
Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng mặt
trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu
hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của m
ạng đều yêu cầu có độ
chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm
biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành phần này
cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một
số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượ
ng, hoạt động ở mật
độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi
trường.
Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến:
mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có
người kiểm soát, thích nghi với môi trường.
¾ Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất
gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế
, chúng thường
làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở
bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm
hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
¾ Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút
được kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể
tạo nên bởi sóng vô tuy
ến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để
thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền
dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng
của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng
lượ
ng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.
Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng
hồng ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ
và dễ dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu
nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
¾ Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến,
hàng trăm đế
n hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng
được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể
Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
7
lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp
Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
8
liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing),
giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing).
1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình (1.3).
Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý . Các mặt phẳng quản lý này
làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ
liệu trong mạng cảm biến di độ
ng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Mặt phẳng quản lý công suất : Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng
lượng của nó. Ví dụ : nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi
mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm biến bên cạnh
thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình
định tuyến .
Mặt phẳng quản lý di động : có nhiệm v
ụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động
của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng.
Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
9
Mặt phẳng quản lý : Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong
một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm
nhận ở cùng một thời điểm.
hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua
multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định,
các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn
nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì
vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có
nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số… Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến
1.2.3.2. Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop ( tùy thuộc vào
kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu
trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định
thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Copyright: Tài liệu đại học ©