1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU 12 CHƯƠNG 15 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .15 Hình 1.1: Kích hoạt dò liệu .21 1.2.2 Mạng cảm biến không dây 21 Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây 23 1.3 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ NGĂN XẾP GIAO THỨC 23 Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trường cảm biến .24 Hình 1.4: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến 26 1.3.1 Lớp vật lý 28 1.3.2 Lớp liên kết liệu 28 1.3.3 Lớp mạng 31 1.3.4 Lớp truyền tải 32 1.3.5 Lớp ứng dụng 33 1.4.1 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây hỗ trợ định tuyến tĩnh 38 1.4.1.1 Tự động hóa/ điều khiển nhà 39 Hình 1.5: Mạng tự động hóa nhà sử dụng mạng Zigbee 40 1.4.1.2 Tự động hóa tòa nhà 40 Hình 1.6: Mạng BAS dựa mạng mắt lưới không dây 41 1.4.1.3 Tự động hóa công nghiệp 43 1.4.2 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây hỗ trợ định tuyến động 44 1.4.2.1 Các ứng dụng quân 45 1.4.2.2 Các ứng dụng môi trường .47 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 51 CHƯƠNG CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG .52 TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .52 2.1 NỀN TẢNG 53 Hình 2.1: Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 54 2.2 NHỮNG THÁCH THỨC TRONG ĐỊNH TUYẾN VÀ THIẾT KẾ .54 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 54 2.2.1 Đặc tính thay đổi theo thời gian kích thước mạng .55 2.2.2 Giới hạn tài nguyên 55 2.2.3 Các mô hình liệu ứng dụng cảm biến 56 2.3 CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN .57 KHÔNG DÂY 57 2.3.1 Các kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến không dây 60 2.3.2 Flooding biến thể 61 Hình 2.2: Flooding mạng giao tiếp liệu 62 Hình 2.3: Vấn đề bùng nổ lưu lượng với flooding 63 Hình 2.4: Vấn đề chồng lấn lưu lượng flooding 64 2.3.3 Các giao thức cảm biến cho thông tin thông qua thỏa thuận (SPIN).65 Hình 2.5: Các hoạt động giao thức SPIN 68 Hình 2.6: Giao thức bắt tay ba bước SPIN – PP 69 Hình 2.7: Các hoạt động giao thức SPIN – BC .71 2.3.4 Giải pháp định tuyến phân cấp mạng cảm biến 72 Hình 2.8: Kiến trúc mạng cảm biến phân cấp 73 2.3.4.1 Thuật toán phân nhóm bậc tương thích lượng thấp LEACH 76 Hình 2.10: Các pha LEACH 79 2.3.4.2 Tập trung hiệu suất lượng hệ thống thông tin cảm biến (PEGASIS) .81 Hình 2.11: Phương pháp tập hợp thu thập liệu dựa chuỗi 84 2.3.4.3 Giao thức TEEN APTEEN .85 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 2.3.5 Truyền tin trực tiếp (Direct Diffusion) .87 Bảng 2.1: Mô tả tin interest sử dụng cặp giá trị thuộc tính 88 2.3.6 Định tuyến theo vị trí 89 Hình 2.12: Quyết định chuyển tiếp định vị toàn cầu hóa 93 Hình 2.15: Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến .97 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 98 CHƯƠNG 99 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 99 Hình 3.1: Các thành phần mạng cảm biến không dây .100 3.1 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 102 TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 102 Bảng 3.1: So sánh giao thức định tuyến khác 106 3.2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 110 PHÂN CẤP TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 110 Bảng 3.2: So sánh giao thức định tuyến phân cấp .111 Hình 3.2: Cấu trúc Topo 100 node ngẫu nhiên với mạng 50m x 50m Trạm gốc BS đặt vị trí (25, 150) cách node gần nhất 100m 113 Hình 3.3: Kết hoạt động mạng 50m x 50m 114 với lượng khởi đầu node 25J 114 Hình 3.4: Các kết thực mạng 100m x 100m .114 với lượng khởi tạo 0.5J node 114 Hình 3.5: So sánh số lượng node sống .115 sử dụng giao thức LEACH, TEEN APTEEN 115 Hình 3.6: So sánh lượng phân tán trung bình 115 giao thức LEACH, APTEEN TEEN .115 3.4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 116 MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 116 3.4.1 Mô hình nhận lượng .117 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 3.4.2 Mô hình định tuyến 118 Hình 3.7: Mô hình mạng sử dụng 120 Hình 3.8: Quá trình xây dựng cụm gửi liệu giao thức ECHERP 124 Hình 3.9: Mã giả thuật toán khử Gauss sử dụng 124 giao thức ECHERP 124 3.4.3 Ước lượng khả hoạt động giao thức ECHERP .126 Hình 3.10: Năng lượng phân tán trung bình thời gian sống 128 mạng theo vòng 128 Hình 3.11: Số lượng node sống thời gian sống mạng theo vòng 129 Hình 3.12: Thời gian xóa node cuối tỷ số Nr 130 (Trạm gốc đặt vị trí cách xa trung tâm trường mạng 130 100m, 150m, 200m, 300m 400) 130 Hình 3.13: Thời gian xóa node vòng tỷ số Nr với trạm gốc đặt cách xa trung tâm trường mạng 100m, 150m, 200m, 300m 400m 131 Bảng 3.3: So sánh giao thức ECHERP với giao thức LEACH, PEGASIS BCDCP theo khoảng cách trạm gốc từ trung tâm trường cảm ứng lượng khởi tạo node 2J .131 Bảng 3.4: Phần trăm thay đổi hoạt động mạng WSN cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr trạm gốc đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m 132 Bảng 3.5: Phần trăm thay đổi hoạt độngcủa mạng WSN cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr trạm gốc đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 300m 133 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG .133 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 135 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ADC Analog Digital Converter APTEEN Adaptive Threshold sensitive Energy - Efficient sensor Network Bộ chuyển đổi tương tự - số Giao thức APTEEN Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam ARQ Automatic Repeat Request BAS Building Automation System BS Base Station BWRC Berkeley Wireless Research Center CDMA Code Division Multiple Access DAR Distributed Sensor Nets Workshop DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DSN Distributed Projects Agency ECHERP Equalized Cluster Head Election Routing Protocol FEC Forward Error Correction GPS Global Positioning System HARQ Hybrid ARQ ID Identity LEACH Low - Energy Adaptive Clustering Hierarchy LWIM Low PowerWireless Integrated Microsensor MAC Medium Access Control MEMS Micro Electro-Mechanical System MH Meesage Holder PDA Personal Digital Assistant PEGASIS Power - Efficient Gathering in Sensor Information System QoS Quality of Service Yêu cầu lặp tự động Hệ thống tự động hóa tòa nhà Trạm gốc Trung tâm nghiên cứu vô tuyến Berkely Đa truy nhập phân chia theo mã Hội thảo mạng cảm biến phân phối Cơ quan đặc trách nghiên cứu quốc phòng cao cấp Mạng cảm biến phân phối Giao thức lựa chọn cụm đầu não cân Sửa lỗi phía trước Hệ thống định vị toàn cầu Yêu cầu lặp tự động lai ghép Số nhận dạng Thuật toán phân nhóm bậc tương thích lượng thấp Bộ vi xử lý tích hợp vô tuyến công suất thấp Điều khiển truy nhập môi trường Hệ thống vi điện tử Node giữ tin Thiết bị số hỗ trợ cá nhân Tập trung hiệu suất lượng hệ thống thông tin cảm biến Chất lượng dịch vụ Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam SCADA SensIT SPIN TCP TEEN VLSI WLAN WSAN μAMPS Supervisor Control and Data Acquisition Sensor Information Technology Sensor Protocols for Information via Negotiation Transmission Control Protocol Threshold - sensitive Energy - Efficient sensor Network Very Large Scale Intergration Wireless Local Area Network Wireless Sensor and Actuator Network micro-Adaptive Multidomain Power-aware Sensors Điều khiển giám sát dò liệu Công nghệ thông tin cảm biến Giao thức cảm biến cho thông tin thông qua thỏa thuận Giao thức điều khiển truyền tải Giao thức TEEN Tích hợp phạm vi lớn Mạng cục không dây Mạng kích hoạt cảm biến vô tuyến Bộ vi cảm biến nhận biết công suất đa miền tương thích Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Mô tả tin interest sử dụng cặp giá trị thuộc tính 69 Bảng 3.1: So sánh giao thức định tuyến khác 85 Bảng 3.2: So sánh giao thức định tuyến phân cấp 88 Bảng 3.3: So sánh giao thức ECHERP với giao thức LEACH, PEGASIS BCDCP theo khoảng cách trạm gốc từ trung tâm trường cảm ứng lượng khởi tạo node 2J 105 Bảng 3.4: Phần trăm thay đổi hoạt động mạng WSN cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr trạm gốc đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m 105 Bảng 3.5: Phần trăm thay đổi hoạt độngcủa mạng WSN cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr trạm gốc đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 300m 106 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Kích hoạt dò liệu15 Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây 16 Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trường cảm biến Hình 1.4: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến 17 19 Hình 1.5: Mạng tự động hóa nhà sử dụng mạng Zigbee 29 Hình 1.6: Mạng BAS dựa mạng mắt lưới không dây 31 Hình 1.7: Các ứng dụng quân mạng cảm biến không dây (được sản xuất với cho phép viện khoa học thông tin USC) 36 Hình 1.8: Ứng dụng giám sát môi trường mạng cảm biến không dây 37 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 10 Hình 2.1: Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 40 Hình 2.2: Flooding mạng giao tiếp liệu 47 Hình 2.3: Vấn đề bùng nổ lưu lượng với flooding 48 Hình 2.4: Vấn đề chồng lấn lưu lượng flooding 48 Hình 2.5: Các hoạt động giao thức SPIN Hình 2.6: Giao thức bắt tay ba bước SPIN - PP 52 52 Hình 2.7: Các hoạt động giao thức SPIN – BC 54 Hình 2.8: Kiến trúc mạng cảm biến phân cấp56 Hình 2.9: Mô hình mạng LEACH59 Hình 2.10: Các pha LEACH 60 Hình 2.11: Phương pháp tập hợp thu thập liệu dựa chuỗi 65 Hình 2.12: Quyết định chuyển tiếp định vị toàn cầu hóa 72 Hình 2.13: Giải pháp chuyển tiếp định tuyến theo vị trí 73 Hình 2.14: Lỗi chuyển tiếp thuật toán tham lam 75 Hình 2.15: Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến 76 Hình 3.1: Các thành phần mạng cảm biến không dây 78 Hình 3.2: Cấu trúc Topo 100 node ngẫu nhiên với mạng 50m x 50m Trạm gốc BS đặt vị trí (25, 150) cách node gần nhất 100m 88 Hình 3.3: Kết hoạt động mạng 50m x 50m với lượng khởi đầu node 25J 89 Hình 3.4: Các kết thực mạng 100m x 100m với lượng khởi tạo 0.5J node 89 Hình 3.5: So sánh số lượng node sống sử dụng giao thức LEACH, TEEN APTEEN90 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 126 a 11  a 21 a 31  a 41    a k1 a 12 a 13 a 22 a 23 a 32 a 33 a 42 a 43   a k2 a k3 a 14 a 1k   a 24 a k  a 34 a k   a 44 a k      a k a kk   x   b1   x  b   2  2  x  b   =   x  b           x k   b k  (3.3) 3.4.3 Ước lượng khả hoạt động giao thức ECHERP Để ước lượng khả hoạt động trình mô giao thức ECHERP, qua 50 cấu trúc mạng 100m x 100m khác Kiến trúc mạng xem xét phải tuân theo điều kiện sau: • Trạm gốc cố định đặt xa trường cảm ứng; • Các node cảm biến bị giới hạn lượng với phân bổ lượng khởi tạo giống nhau; • Mỗi node cảm ứng môi trường với tốc độ cố định có liệu để gửi đến trạm gốc (dữ liệu gửi có kiện); • Các node cảm biến giả thiết không di động Tuy nhiên, giao thức hỗ trợ tính di động node; • Mạng đồng nhất, tất node ngang nhau, ví dụ, node có khả giao tiếp tính toán; • Mạng không quan tâm đến vị trí, ví dụ, vị trí địa lý node không cần biết; • Máy phát điều chỉnh công suất khuếch đại dựa vào khoảng cách truyền dẫn Kiến trúc mạng đề cập đặc trưng cho số lượng ứng dụng mạng cảm biến không dây phân cấp, ví dụ ứng Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 127 dụng giám sát môi trường sống, giám sát trinh sát, y sinh, tự động nhà, truy tìm đối tượng, điều khiển lưu lượng, giám sát lửa, điều khiển hàng tồn kho, quản lý lượng chuẩn đoán lỗi máy, nông nghiệp Trong ứng dụng thực giao thức ECHERP, giao thức sử dụng hệ thống giám sát lửa đặt tòa nhà với cảm biến tòa nhà đặt cụm để gửi liệu đến cụm tòa nhà Quá trình mô thực cách phát triển môi trường phần mềm ngẫu nhiên hóa dựa ngôn ngữ lập trình Java Trong tất mô thực hiện, 500 node ngẫu nhiên với lượng khởi tạo 2J đặt ngẫu nhiên môi trường cảm biến 100 x 100 m Trạm gốc đặt vị trí (0,150), nên trạm gốc cách xa node gần nhất 100m, gói gửi 500 byte Năng lượng tiêu thụ giao tiếp tính toán sử dụng mô hình lượng first order Giả sử node cảm ứng không di chuyển tạo gói liệu vòng để truyền đến trạm gốc Các node cảm biến nhóm thành cụm có cụm đầu não để gửi liệu đến cụm đầu não mức cao để tới trạm gốc Hình 3.10 3.11 biểu diễn lượng phân tán trung bình số lượng node sống sử dụng giao thức LEACH, PEGASIS ECHERP [5] Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 128 Hình 3.10: Năng lượng phân tán trung bình thời gian sống mạng theo vòng Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 129 Hình 3.11: Số lượng node sống thời gian sống mạng theo vòng Như hình 3.10 3.11, khả hoạt động ECHERP tốt hẳn só với giao thức LEACH, PEGASIS BCDCP Trong giao thức thức LEACH, PEGASIS BCDCP, tất node mạng chết cuối vòng tương ứng vòng thứ 110, 115 120 Trong áp dụng giao thức ECHERP, node cuối chết vòng thứ 145 Ngoài ra, khả hoạt động giao thức ECHERP ước lượng tỷ lệ node mức cao node mức thấp Chính xác cụm đầu não mức cao không truyền liệu đến trạm gốc mà chuyển tiếp liệu node mức thấp đến trạm gốc Vì vậy, cụm đầu não có lượng tiêu tán cao node mức thấp Mối quan hệ giữ khả hoạt động giao thức ECHERP với khả phân phối node cấu trúc mạng biểu diễn dựa vào tỷ số node Nr: ∑n u N = r ∑n l (3.4) Với ∑nu số lượng node mức cao hơn; ∑ n l số lượng node mức thấp Các kết mô cho thấy hiệu tốt mặt lượng đạt trạm gốc đặt vị trí cách xa trung tâm trường mạng 150m số lượng node mức cao phải lớn 10% so với node mức thấp Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 130 Hình 3.12: Thời gian xóa node cuối tỷ số Nr (Trạm gốc đặt vị trí cách xa trung tâm trường mạng 100m, 150m, 200m, 300m 400) Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 131 Hình 3.13: Thời gian xóa node vòng tỷ số Nr với trạm gốc đặt cách xa trung tâm trường mạng 100m, 150m, 200m, 300m 400m Bảng 3.3 tổng hợp kết quả, thông số quan tâm biểu diễn Hình 3.12 Hình 3.13 trường hợp phân phối lượng [5] Bảng 3.3: So sánh giao thức ECHERP với giao thức LEACH, PEGASIS BCDCP theo khoảng cách trạm gốc từ trung tâm trường cảm ứng lượng khởi tạo node 2J Khoảng cách trạm gốc trung tâm trường WS (m) 150 150 150 Thời gian xóa node (%) Thời gian xóa node cuối (%) Năng lượng tiêu thụ (%) Các giao thức so sánh +98 +5 -10 +7.5 +30 +16 -25.05 -19.12 -17.25 LEACH PEGASIS BCDCP Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 132 Bảng 3.4 3.5 biểu diễn kết mô Hình 3.12 3.13, trạm gốc đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m 300m [5] Bảng 3.4: Phần trăm thay đổi hoạt động mạng WSN cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr trạm gốc đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m Tỷ số node Nr node mức cao so với node mức thấp Thời gian xóa node (%) - Thời gian xóa node cuối (%) - Năng lượng tiêu thụ (%) - 1.07 +2 +3.5 -2.4 1.1 +10 +10 -5.7 1.15 +8.2 +8 -4.5 1.2 +4 +4.8 -3.2 1.25 +2 +2.7 -2.1 1.5 +2 +2 -1.9 Trong hai bảng, giao thức kiến nghị thực tốt tỷ số node Nr node mức cao so với node mức thấp 1.1 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 133 Bảng 3.5: Phần trăm thay đổi hoạt độngcủa mạng WSN cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr trạm gốc đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 300m Tỷ số node Nr node mức cao so với node mức thấp Thời gian xóa node (%) - Thời gian xóa node cuối (%) - Năng lượng tiêu thụ (%) - 1.07 +2.1 +3.1 -2.2 1.1 +10 +10 -5.7 1.15 +6.8 +7 -3.5 1.2 +4.9 +4.6 -3.2 1.25 +2.1 +3.1 -2.4 1.5 +0.1 +1.5 -1.5 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Với mạng cảm biến không dây, việc trì lượng node cảm biến yêu cầu quan trọng Để thực yêu cầu này, giao thức định tuyến khác xây dựng Trong đó, giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây chia thành ba loại: định tuyến khởi tạo trước, định tuyến phản ứng định tuyến lai ghép dựa vào chức mục đích ứng dụng Ngoài ra, giao thức phân chia Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 134 thành giao thức định tuyến trực tiếp, định tuyến phẳng định tuyến phân cấp Trong loại giao thức trên, giao thức sử dụng phương pháp định tuyến phân cấp tỏ vượt trội việc tiết kiệm lượng Mặc dù giao thức định tuyến phân cấp hiệu việc tiết kiệm lượng, nhiên, chúng tồn số nhược điểm đòi hỏi cần khắc phục để đáp ứng tốt yêu cầu tiết kiệm lượng Do đó, giao thức theo lý thuyết giao thức ECHERP kiến nghị Giao thức ECHERP giúp nâng cao hiệu việc tiết kiệm lượng thông qua cân cụm, sử dụng mô hình mạng giống với hệ thống tuyến tính sử dụng thuật toán khử Gauss, lựa chọn cụm đầu não mạng Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 135 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN Mạng cảm biến không dây sở hạ tầng bao gồm hàng trăm (thậm chí hàng nghìn) thiết bị cảm ứng, tính toán liên lạc, cung cấp khả giám sát phản ứng với kiện, tượng môi trường định Các kỹ thuật tính toán cảm ứng cho phép phát triển cảm biến có kích thước nhỏ gọn, công suất giá thành thấp Các node cảm biến sau triển khai phụ thuộc nhiều vào ứng dụng Để thực nhiệm vụ cách hiệu cần phải có giao thức định tuyến hiệu mặt lượng để thiết lập tuyến node cảm biến sink Quá trình lựa chọn tuyến phải đảm bảo thời gian sống mạng tối ưu Các đặc điểm môi trường chứa node cảm biến, với giới hạn lượng tài nguyên khiến cho trình định tuyến gặp phải nhiều thách thức Các giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây chia thành ba loại: định tuyến khởi tạo trước, định tuyến phản ứng Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 136 định tuyến lai ghép dựa vào chức mục đích ứng dụng Ngoài ra, giao thức phân chia thành giao thức định tuyến trực tiếp, định tuyến phẳng định tuyến phân cấp Trong loại giao thức trên, giao thức sử dụng phương pháp định tuyến phân cấp tỏ vượt trội việc tiết kiệm lượng node mạng nhóm thành cụm cụm đầu não chịu trách nhiệm tập hợp truyền liệu tất node cảm biến cụm Quá trình giúp tiết kiệm trình giao tiếp xử lý, đồng thời giúp tiết kiệm lượng cho toàn mạng Một số giao thức định tuyến phân cấp phổ biến ứng dụng rộng rãi đời sống giao thức LEACH sử dụng cấy ghép võng mạc nhân tạo, giao thức APTEEN sử dụng ứng dụng giám sát tòa nhà… Mặc dù giao thức định tuyến phân cấp có khả tiết kiệm lượng tốt chúng tồn số nhược điểm như: • Giao thức LEACH phù hợp với ứng dụng hỗ trợ định tuyến tĩnh việc phân cấp động dẫn tới mào đầu lớn làm giảm độ lợi lượng tiêu thụ Ngoài ra, giao thức LEACH giả thiết tất node bắt đầu với mức lượng đó, cụm đầu não tiêu thụ lượng xấp xỉ với lượng tiêu thụ node cụm • Giao thức PEGASIS giả thiết tất node cảm biến có mức lượng nên tất node chết thời điểm Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 137 • Trong giao thức TEEN, node phải chờ khe thời gian để truyền liệu khe thời gian bị lãng phí node không truyền liệu • Vấn đề giao thức APTEEN nằm mào đầu độ phức tạp trình xây dựng cụm thành nhiều mức Do đó, giao thức định tuyến tiết kiệm lượng theo lý thuyết kiến nghị giao thức ECHERP Giao thức ECHERP cung cấp khả tiết kiệm lượng thông qua việc thực cân cụm, sử dụng mô hình mạng giống với hệ thống tuyến tính sử dụng thuật toán khử Gauss, lựa chọn cụm đầu não mạng Giao thức ECHERP xem xét mức lượng dư ước lượng mức lượng tương lai node, với số vòng để trở thành cụm đầu não nhằm tối đa hóa thời gian sống mạng Giao thức ECHERP tính toán lượng tiêu thụ cách sử dụng thuật toán khử Gauss để tối thiểu hóa lượng tiêu thụ tổng toàn mạng vòng Vì vậy, chọn node để trở thành cụm đầu não nhằm tối thiểu lượng tiêu thụ tổng cụm không chọn node tiêu thụ nhiều lượng Giao thức ECHERP sử dụng phương pháp định tuyến đa chặng để truyền liệu đến trạm gốc Vì vậy, giao thức ECHERP thực hiệu đáng kể mặt lượng so với giao thức định tuyến phân cấp trước Tuy nhiên, giao thức ECHERP chưa cân nhắc đến giới hạn mặt thời gian QoS Do đó, thời gian tới, để nâng cao hiệu hoạt động giao thức ECHERP đòi hỏi cần có nghiên cứu chuyên sâu ảnh hưởng thời gian QoS đến Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 138 khả hoạt động giao thức ECHERP, góp phần hoàn thiện mặt lý thuyết để áp dụng vào thực tiễn Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 139 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer (2010), Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory and Practice, A John Willey and Sons, Ltd Ian F Akyildiz, Mehmet Can Vuran (2010), Wireless Sensor Network, A John Willey and Sons, Ltd Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Application, John Willey and Sons, Inc Subhas Chandra Mukhopadhyay, Yueh – Min Huang (2008), Sensor Advancements in Modeling, Design Issues, Fabrication and Practical Applications, Lecture Notes Eclectrical Engineering, Vol 21, Springer – Verlag Berlin Heidelberg Stefanos A Nikolidakis, Dionisis Kandris, Dimitrios D Vergados, Christos Douligeris (2013), “Energy Efficient Routing in Wireless Sensor Networks Through Balanced Clustering”, MDPI, Basel, Switzerland Arati Manjeshwar, Dharma P Agrawal (2002), “APTEEN: A Hybrid Protocol for Efficient Routing and Comprehensive Information Retrieval in Wireless Sensor Networks”, IEEE Anjali Bharti, Kanika Sharma (2013), “Comparative Study of Clustering based Routing Protocols for Wireless Sensor Network”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887), Volume 66, No.21 Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 140 Debnath Bhattacharyya, Tai-hoon Kim, Subhajit Pal (2010), “A Comparative Study of Wireless Sensor Networks and Their Routing Protocols”, www.mdpi.com/journal/sensors Sunita Gupta, Ph.D K.C.Roy (2013), “Comparison of different Energy Minimization Techniques in Wireless Sensor Network”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887), Vol.75, No.18 10 Stephanie Lindsey Cauligi S Raghavendra, “PEGASIS: PowerEfficient Gathering in Sensor Information Systems” Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam [...]... tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, các giải pháp định tuyến trong mạng cảm biến không dây, giải pháp định tuyến phân cấp tiết kiệm năng lượng như LEACH, PEGASIS, TEEN, APTEEN và đề xuất giải pháp định tuyến mới nhằm sử dụng năng lượng một cách hiệu quả trong mạng cảm biến không dây Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu các giải pháp định tuyến trong mạng cảm biến Trong đó tập trung vào các giao... giá giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng làm luận văn cao học Luận văn tìm hiểu về mạng cảm biến không dây WSN, các giao pháp định tuyến trong mạng cảm biến không dây, trong đó tập trung vào các giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng, và đề xuất giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng mới góp phần nâng cao khả năng hiệu quả về mặt năng lượng, cũng như kéo dài thời gian sống cho mạng Mục tiêu... thức định tuyến định tuyến tiết kiệm năng lượng sử dụng phương pháp định tuyến phân cấp Về phương pháp nghiên cứu: trên cơ sở tổng hợp lý thuyết, phân tích đưa ra đề xuất giải pháp và đánh giá Luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 15 Chương 2: Các giải pháp định tuyến sử dụng trong mạng cảm biến không dây Chương... kích hoạt và cảm biến giá thành thấp, với khả năng đáp ứng được các yêu cầu cao về độ chính xác, hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ và môi trường Công nghệ cảm biến và điều khiển gồm có các mảng cảm biến, các bộ cảm biến trường điện và trường từ, các bộ cảm biến địa chấn, các bộ cảm biến tần số sóng vô tuyến, các bộ cảm biến hồng ngoại và quang điện, các rađa laze và các bộ cảm biến định vị và vị trí Sự... về năng lượng và tài nguyên khiến cho quá trình định tuyến gặp phải rất nhiều khó khăn Rất nhiều các thuật toán truyền dữ liệu, quản lý công suất và định tuyến đã được thiết kế riêng cho các mạng cảm biến không dây với mục tiêu nhằm tiết kiệm năng lượng Hiện nay, các kỹ thuật định tuyến có thể được chia ra thành ba loại chính, dựa trên cấu trúc mạng, gồm có: định tuyến phẳng (flat routing), định tuyến. .. nhiều năng lượng để có thể sử dụng cho các node cảm biến công suất thấp và giá thành thấp 1.3 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ NGĂN XẾP GIAO THỨC Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 24 Các node cảm biến thường phân tán trong trường cảm biến như hình 1.3 [2] Internet và vệ tinh Sink D E B C A Node quản lý nhiệm vụ Người sử dụng Trường cảm biến Các node cảm biến Hình 1.3: Các node cảm biến. .. node cảm biến có thể làm việc cùng nhau một cách hiệu quả về mặt năng lượng, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ các tài nguyên giữa các node cảm biến Nếu không có các mặt phẳng quản lý này, các node cảm biến sẽ chỉ hoạt động độc lập Từ quan điểm của toàn bộ mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể kết nối với nhau nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng cảm biến. .. không dây dưới nước và các mạng cảm biến không dây dưới lòng đất Các lĩnh vực nghiên cứu mới này đặt ra những thách thức mới mà hiện tại vẫn chưa được xem xét bởi một lượng lớn các giải pháp hiện đang được phát triển cho các mạng cảm biến không dây truyền thống Với các đặc điểm như độ linh hoạt, khả năng chấp nhận lỗi, độ chính xác cảm biến cao, giá thành thấp và khả năng triển khai nhanh của các mạng. .. độ tiết kiệm năng lượng cho node cảm biến Cách đơn giản nhất để duy trì năng lượng là tắt bộ thu phát khi không có yêu cầu Mặc dù phương pháp tiết kiệm năng lượng này dường như cung cấp độ lợi năng lượng một cách đáng kể, nó cũng có thể cản trở quá trình kết nối của mạng Một khi bộ thu phát được tắt, node cảm biến sẽ không thể nhận bất kỳ gói nào từ các node lân cận và về cơ bản, được xem như là không. .. riêng khác với các giải pháp mạng truyền thống Mặc dù ban đầu, quá trình nghiên cứu và triển khai mạng cảm biến không dây tập trung vào truyền dữ liệu trong các thiết lập không dây, nhưng một số lĩnh vực ứng dụng theo lý thuyết của mạng cảm biến không dây nảy sinh một số vấn đề Những vấn đề này bao gồm các mạng Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam 36 actor và cảm biến vô tuyến, gồm có các bộ