BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
CƠ SỞ PHÍA BẮC.
KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

TÌM HIỂU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN –NET.

GVHD

: ThS TỐNG ĐỨC THUẬN

SVTH

: NGUYỄN THỊ NIÊN

09007914

: NGUYỄN VĂN THUẦN

09010654

LỚP

: DHTH5TB

KHÓA


Họ tên giáo viên hướng dẫn:
Thái Bình, ngày
TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

tháng năm

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Giáo viên ghi nhận xét của mình, bằng tay, vào phần này)
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Phần đánh giá:
• Ý thức thực hiện:
………………………………………………………………………………………............
………………………………………………………………………………………............
• Nội dụng thực hiện:
………………………………………………………………………………………...........
………………………………………………………………………………………...........
• Hình thức trình bày:
………………………………………………………………………………………...........
………………………………………………………………………………………............
• Tổng hợp kết quả:
Điểm bằng số:


Điểm bằng chữ:

(Quy định về thang điểm và lấy điểm tròn theo quy định của trường)
[…] Được bảo vệ
[…] Được bảo vệ có chỉnh sửa bổ sung
[…] Không được bảo vệ
Thái Bình, ngày tháng năm 2013
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
(Ghi rõ họ, tên)


LỜI NÓI ĐẦU
Thế giới ngày nay đã có nhiều tiến bộ mãnh mẽ về công nghệ thông tin (CNTT),
từ một tiềm năng thông tin đã trở thành một tài nguyên thực sự, trở thành sản phẩm hàng
hóa trong xã hội, tạo ra sự thay đổi lớn trong lực lượng quản lý, trong các lĩnh vực của xã
hội.
Cùng với việc phát triển mạnh mẽ của mạng máy tính, với sự tiến bộ lớn của công
nghệ không dây (Wireless) mạng cảm biến không dây ngày nay đang dần được áp dụng
vào trong thực tiễn với những đặc điểm nổi bật của nó.
Đứng trước sự phát triển không ngừng của khoa học, công nghệ, truyền thông,
mạng cảm biến không dây ra đời với việc sử dụng các thiết bị cảm biến nhỏ và chi phí
thấp đã trở nên khả thi về mặt kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế.
Xuất phát từ những phát từ những yêu cầu thực tế đó, đề tài “Tìm hiểu các giao
thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây” thực hiện việc giới thiệu một cách
tổng quan về mạng cảm biến không dây, các giao thức trong mạng cảm biến không dây
cũng như mô phỏng, đánh giá một giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây,
cùng với đó là hướng phát triển của một công nghệ.
Trong tài liệu này, chúng em xin giới thiệu những nét tổng quát nhất về mạng cảm
biến không dây, các giao thức. Để có thể hiểu sơ qua về vấn đề, nội dung sẽ được chia
thành các chương như sau:


6


MỤC LỤC
Trang

LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................. 5
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................... 6
.................................................................................................................................. 14
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN..........................................48
3.1.PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG NS-2
48
3.1.1.Giới thiệu về NS-2............................................................................................48
3.1.2.C++ và OTcl....................................................................................................51
3.1.3.Các đặc tính của NS-2......................................................................................53
3.1.4.Mô phỏng mạng cảm biến không dây bằng NS-2.............................................54
Bài toán mô phỏng....................................................................................................54
3.2.CÁC GIAO THỨC MÔ PHỎNG.
54
3.2.1.LEACH.............................................................................................................54
3.3.1.3.Ý nghĩa một số câu lệnh – leach...................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................77

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Chữ đầy đủ


Giải thuật chính xác theo địa lý

GEAR

Geographic and Energy-Aware

Định tuyến theo vùng địa lý sử
7


Routing

dụng hiệu quả năng lượng

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

LEACH

Low-energy adaptive clustering
hierarchy

Giao thức phân cấp theo cụm
thích ứng năng lượng thấp

LEACH-C


via negotiation
thông qua đàm phán

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

TEEN

Threshold sensitive Energy
Giao thức hiệu quả về năng lượng
Efficient sensor Network protocol nhạy cảm với mức ngưỡng

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gói dữ liệu người dùng

WSN


tin
DIO

DAG Information Object

Đồ thị hướng mạch hở lấy đối
tượng

DANH MỤC HÌNH ẢNH
HÌNH 1.1 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.......................................14
HÌNH 1.2 CẤU TẠO NÚT CẢM BIẾN.......................................................................15
HÌNH 1.3 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.............18
HÌNH 1.4 CẤU TRÚC PHẲNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..............20
HÌNH 1.5 CẤU TRÚC PHÂN CẤP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..................21
HÌNH 1.6 CẤU TRÚC MẠNG PHÂN CẤP CHỨC NĂNG THEO LỚP..................21
HÌNH 1.7 ỨNG DỤNG TRONG QUÂN ĐỘI..............................................................27
HÌNH 1.8 ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG.......................................................28
HÌNH 1.9 ỨNG DỤNG TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE......................................29
HÌNH 2.1 MÔ HÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA SINK VÀ CÁC NÚT...................32
HÌNH 2.2 TRUYỀN GÓI TRONG FLOODING.........................................................34
HÌNH 2.3 BA TÍN HIỆU BẮT TAY CỦA SPIN.........................................................35
9


HÌNH 2.4 HOẠT ĐỘNG CỦA SPIN............................................................................36
HÌNH 2.5 MIÊU TẢ INTEREST SỬ DỤNG CÁC CẶP THUỘC TÍNH – GIÁ TRỊ.
......................................................................................................................................... 37
HÌNH 2.7 MÔ HÌNH MẠNG LEACH.........................................................................41
HÌNH 2.8 CHUỖI TRONG PEGASIS.........................................................................43
HÌNH 2.9 VÍ DỤ VỀ LƯỚI ẢO TRONG GAF...........................................................45

HÌNH 3.26 NHIỆT ĐỘ..................................................................................................73
HÌNH 3.27 MỨC TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TRUNG BÌNH.................................73
HÌNH 3.28 GÓI TIN NHẬN MỖI NÚT.......................................................................74
HÌNH 3.29 MẠNG LƯỚI BƯỚC NHẢY.....................................................................74
HÌNH 3.30 BẢN ĐỒ CẢM BIẾN..................................................................................75

Chương 1 :Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây.
1.1.

Giới thiệu chung.

Nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông mà trong những năm gần đây
mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) 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 biến không dây để áp dụng trong cuộc sống hàng
ngày. Mạng cảm ứng được sử dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, quân sự ,
môi trường....Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách
thức, một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây đó là nguồn
năng lượng bị giới hạn. Rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng
sử dụng năng lượng hiệu quả trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai các ứng
dụng của mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc
sống.
11


Trong phạm vi của đồ án này, chúng em sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng
cảm biến không dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để
mô phỏng và đánh giá một giao thức cơ bản, sau đó nêu ra hướng phát triển của các giao
thức mạng , xem xét giao thức đó.
1.2.

mutihop.
các nút.

Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp, và định tuyến
Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến.
Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở

12


1.4.

Các giới hạn về năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
Chức năng của mạng cảm biến không dây.

Mạng cảm biến không dây là mạng có hai chức năng :mạng và cảm nhận thông tin
từ môi trường.
Mạng WSN có đặc điểm là các nút liên kết với nhau bằng kết nối sóng vô
tuyến trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành
thấp....Mạng này có thể có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống trên
một diện tích, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài từ vài
tháng đến vài năm, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như chất độc, ô nhiễm
môi trường, nhiệt độ cao....
Các nút mạng thường có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung
quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng...theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di
động....Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách
gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng (muti-hop).
1.5.
Cấu trúc của mạng cảm biến không dây.
1.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới cấu trúc mạng cảm biến không dây.

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 trạm gốc thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng. Chẳng hạn
như khi xác định nhiệt độ trung bình, hay cao nhất của một vùng.
Do vậy, cấu trúc mạng được thiết kế sẽ phải thỏa mãn :
-

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.

1.5.2. Nút trong mạng cảm biến không dây.
Các nút cảm biến được phân bố trong một vùng cảm biến. Mỗi một nút cảm biến
có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm gốc. Dữ liệu được định tuyến
lại đến các trạm gốc bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên. Các trạm gốc có thể giao
tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.

Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây.

14


Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên
trong mạng (là một nút cảm biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một
thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng
đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu
cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng.
Giới thiệu về nút cảm biến: Các nút cảm biến có cấu tạo như sau:
+
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản : Đơn vị cảm

nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng
lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền
thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không
hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi
trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những
chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.
Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm
biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số
này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để
có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các
nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của
toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền
thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến
phải giữ ở mức thấp.
Ràng buộc về phần cứng : Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên
các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước phải nhỏ,
tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có 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.
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.
16


Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được

dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới
hạn (
1.7. Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây.
1.7.1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về hình dạng và
chức năng. Các nút giao tiếp với trạm gốc qua đa chặng sử dụng các nút ngang hàng làm
bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần trạm gốc 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…

19


Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây.

Ưu điểm:
-

Đơn giản, dễ cấu hình và thực hiện.
Tốc độ thực hiện nhanh.

Nhược điểm:
Khó xác định được nút truyền thông kế tiếp.
Nhanh tiêu hao năng lượng tại các nút.
1.7.2. Cấu trúc phân cấp.
Trong cấu trúc phân cấp, mạng phân thành các cụm, mỗi cụm có nút chủ cụm
(cluster head). Các nút trong cụm thu thập dữ liệu, rồi gửi đơn chặng hay đa chặng tới nút
chủ cụm (tùy theo kích thước của cụm).

20


tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu
thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng
thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt
động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc phân cấp mà các chức năng mạng phân chia giữa
các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.
Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút
yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng,
qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là
(W/ n ) trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi kích cỡ mạng tăng
lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0.
Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc
phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp,
trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm
gốc đóng vai tṛò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm
thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng
tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải
nhanh bằng n . Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức
khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong
cấu trúc phân cấp và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với
nhau.
1.8. Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây.
1.8.1. Năng lượng tiêu thụ.
Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây thường đòi hỏi các thành phần có
công suất tiêu thụ thấp hơn rất nhiều so với các công nghệ không dây hiện tại (như
Bluetooth). Ví dụ như các cảm biến dùng trong công nghiệp và y tế được cung cấp năng
lượng từ những cục pin nhỏ, có thể sống được vài tháng đến vài năm. Với các ứng dụng
theo dõi môi trường, khi mà số lượng lớn cảm biến được rải trên diện tích rất rộng thì
việc thường xuyên phải thay pin để cung cấp nguồn năng lượng là điều không khả thi.
Chính vì thế trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lượng để sử dụng
một cách hiệu quả nhất cần kết hợp các thuật toán định tuyến tối ưu.

truyền đi trong không gian và có thể được thu lại bởi bất kỳ ai. Những mối hiểm họa
không chỉ là việc đánh cắp thông tin mà còn ở chỗ những thông tin đó có thể bị chỉnh sửa
và phát lại để phía thu nhận được những thông tin không chính xác.
Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ liệu
được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận. Việc này sẽ
được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin,
điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bít xác thực…
23


Các chức năng này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên của hệ thống về mặt năng
lượng và băng thông tuy nhiên bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong truyền tin. Do vậy
cần đạt được sự cân bằng giữa 2 yếu tố này để đảm bảo cho hệ thống tối ưu nhất.
1.8.5. Độ trễ.
Các ứng dụng thông thường của mạng cảm biến không có yêu cầu cao về thời gian
thực khi truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lượng nguồn tin (trừ một số trường hợp
đặc biệt như hệ thống báo cháy). Tuy nhiên trong một mạng lưới khá lớn, các thông tin
của các nút con được tập hợp ở một nút chủ để xử lý và đưa về trạm trung tâm thì yếu tố
đồng bộ hóa là rất quan trọng.
1.8.6. Tính di động.
Nhìn chung các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di
động nhiều vì khi triển khai các nút mạng thường ở các vị trí cố định. Các phương thức
định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn giản hơn so với các mạng ad-hoc
khác (như MANET).
1.9.

Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây.

Tuy rằng mạng cảm biến không dây có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu ích,
nhưng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ thuật.

quanh đa dạng bao gồm:
-

Nhiệt độ.
Độ ẩm.
Sự chuyển động của xe cộ.
Điều kiện ánh sáng.
Áp suất.
Sự hình thành đất.
Mức nhiễu.
Sự có hay vắng mặt của một đối tượng nào đó.
Mức áp suất trên các đối tượng bị gắn.
Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng.

Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện sự
kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ bộ phận phát động. Khái
niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiều vùng ứng dụng
mới. Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình
và các lĩnh vực thương mại khác.
1.10.1.Ứng dụng trong quân đội.
Mạng cảm biến không dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống điều
khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu. Đặc
tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể bị lỗi của mạng cảm biến làm cho chúng hứa
25