ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THÀNH CÔNG NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH HIỆU QUẢ VỀ MẶT NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THÀNH CÔNG NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH HIỆU QUẢ VỀ MẶT NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu Mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VIỆT ANH Hà Nội - 2014 Lời cảm ơn Trong trình học tập trƣờng Đại học Công nghệ-Đại học Quốc gia Hà Nội, đƣợc thầy cô trƣờng, bạn bè gia đình quan tâm, giúp đỡ mặt Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô trƣờng Đại học Công NghệĐại học Quốc gia Hà Nội, giảng viên nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập nhƣ thời gian làm luận văn Đặc biệt, xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc thầy TS Nguyễn Việt Anh, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, bảo góp ý cho để hoàn thành luận văn Cuối xin cảm ơn bạn bè, tập thể lớp K18 chuyên ngành Truyền liệu Mạng máy tính gia đình giúp đỡ, chia sẻ kiến thức, tạo điều kiện để hoàn thành khóa học Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2014 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết đạt đƣợc luận văn sản phẩm riêng cá nhân tôi, không chép ngƣời khác Trong toàn nội dung luận văn, vấn đề đƣợc trình bày cá nhân đƣợc tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc rõ ràng đƣợc trích dẫn cách hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật cho lời cảm đoan Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2014 Học viên Nguyễn Thành Công Mục Lục Lời cảm ơn .1 Lời cam đoan Mục Lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng sơ đồ Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) 12 1.1 Giới thiệu 12 1.2 Lịch sử mạng cảm biến .13 1.3 Nút cảm biến 14 1.3.1 Kiến trúc phần cứng .14 1.3.2 Phần mềm .15 1.4 Kiến trúc truyền thông mạng WSN 16 1.4.1 Kiến trúc truyền thông 16 1.4.2 Truyền thông nút mạng 17 1.5 Những yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế mạng .18 1.6 Chồng giao thức mạng WSN 20 1.7 Ứng dụng mạng WSN 22 1.7.1 Các kiểu ứng dụng 22 1.7.2 Các ứng dụng mạng WSN .23 CHƢƠNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG WSN 26 2.1 Giới thiệu 26 2.2 Thách thức vấn đề định tuyến 26 2.3 Phân loại giao thức định tuyến 29 2.4 Một số giao thức định tuyến .31 2.4.1 Giao thức bình đẳng .31 2.4.2 Giao thức phân cấp .37 2.4.3 Giao thức dựa vị trí .40 Chƣơng GIAO THỨC LEACH VÀ CẢI TIẾN 42 3.1 Giới thiệu 42 3.2 Hoạt động 42 3.3 Hạn chế LEACH cải tiến 44 3.3.1 Hạn chế .44 3.3.2 Cải tiến 45 3.4 Đề xuất 48 3.4.1 Giả thiết hoạt động giao thức LEACH-DE .48 3.4.2 Lí đề xuất .49 3.4.2 Cơ sở chọn c 50 CHƢƠNG CÁC CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MẠNG WSN 51 4.1 Giới thiệu 51 4.2 Các công cụ mô mạng WSN 51 4.2.1 NS2 (Network Simulatior version 2) 51 4.2.2 OMNET ++ 52 4.2.3 TOSSIM .52 4.2.4 OPNET 53 4.3 Công cụ mô mạng NS2 55 4.3.1 Giới thiệu 55 4.3.1.1 Một số đặc điểm mô NS2 .55 4.3.1.2 Các thành phần mô NS2 56 4.3.2 Cấu trúc phần mềm NS2 56 4.3.2.1 Lập trình tách biệt 56 4.3.2.2 Lập trình hƣớng đối tƣợng 57 4.3.3 Lập trình mô NS2 .57 4.3.3.1 Tạo lập lịch kiện (Creating Event Scheduler) .57 4.3.3.2 Ghi lại vết kiện mạng mô (vào tệp “*.tr” và/hoặc “*.nam”) .57 4.3.3.3 Thiết lập mạng mô 58 4.3.3.4 Tạo kết nối tầng giao vận (giao thức TCP, UDP ) 59 4.3.3.5 Tạo nguồn sinh lƣu lƣợng 59 4.3.3.6 Xác định thời gian mô 60 4.3.4 Mô hình truyền radio 60 4.3.5 Mô hình lƣợng .60 4.3.6 NAM 61 4.4 Một số công cụ hỗ trợ việc phân tích hiển thị kết mô 62 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 65 4.1 Các độ đo thƣờng dùng .65 4.2 Mô 65 4.2.1 Các công việc chuẩn bị 65 4.2.2 Các thông số mô 66 4.2.3 Tiến hành chạy mô 67 4.2.4 Các tệp liệu đầu 68 4.3 Đánh giá kết 71 4.3.1 Giao thức LEACH-DE1 với giá trị c nhỏ 0.02 .71 4.3.2 Giao thức LEACH-DE1 với giá trị c 0.03, 0.05 71 4.3.2.1 Mức lƣợng tiêu hao .72 4.3.2.2 Thời gian sống mạng 73 4.3.2.3 Lƣợng liệu nhận đƣợc BS .74 4.3.3 Giao thức LEACH-DE1 với giá trị c lớn 0.06 nhỏ .75 4.4 Kết luận .75 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 76 KẾT LUẬN 76 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .77 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Từ viết tắt Viết đầy đủ ADC Analog to Digital Converter ADV ADV ARQ Automatic Repeat Request BS Base Station BWRC Berkeley Wireless Research Center CBR Constant Bit Rate CDMA Code Division Multiple Access CH Cluster Head CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor CSMA Carrier Sense Multiple Access DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DSN Distributed Sensor Networks E-LEACH Energy-LEACH FEC Forward Error Correction GAF Geographic Adaptive Fidelity GPS Global Positioning System Grep Global Regular Expression Parser ID Identification IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy LEACH-C Centralizzed – LEACH LEACH-DE LEACH-Distance Energy LWIM Low Power Wireless Integrated Microsensor MAC Medium Access Control MEMS Micro electro-mechanical systems MIT μAMPS micro-Adaptive Multidomain Power-aware Sensors NAM Network Animator NS2 Network Simulator Version OMNET++ Objective Modular Network Testbed in C++ OTCL Object Tool Command Language PDA Personal Digital Assistant PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems Perl Practical Extraction and Report Language QoS Quality of Service REAL (Realistic and Large) REQ Request SensIT Sensor Information Technology SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation SPIN-BC SPIN for Broadcast Network SPIN-EC SPIN with Energy Consumption awareness SPIN-PP SPIN for Point to Point Network SPIN-RL SPIN with Reliability TCP Transmission Control Protocol TDMA Time Division Multiple Access TEEN Threshold-sensitive Energy-Efficient sensor Network TL-LEACH Two-Level LEACH UDP User Datagram Protocol Wi-Fi Wireless Fidelity WINS Wireless Integrated Network Sensors WSN Wireless Sensor Network Danh mục bảng sơ đồ Bảng 4.1 Một số công cụ mô mạng WSN 54 Bảng 5.1 Các thông số mô mạng WSN 67 Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1.1 Mạng cảm biến không dây 12 Hình 1.2 Các thành phần nút cảm biến 14 Hình 1.3 Các hệ thống phần mềm nút cảm biến 16 Hình 1.4 Các nút cảm biến nằm rải rác trƣờng cảm biến 17 Hình 1.5 Truyền thông Single-Hop Multi-hop mạng WSN 18 Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng WSN 20 Hình 2.1 Phân loại giao thức định tuyến 29 Hình 2.2 Tổng quan giao thức định tuyến 31 Hình 2.3 Flooding 32 Hình 2.4 Vấn đề bùng nổ (hình bên trái) chồng chéo (hình bên phải) Flooding 32 Hình 2.5 Các hoạt động giao thức SPIN 34 Hình 2.6 Giao thức bắt tay ba bƣớc SPIN-PP 34 Hình 2.7 Các hoạt động giao thức SPIN 35 Hình 2.8 Hoạt động Directed Diffusion 36 Hình 2.9 Mô hình mạng dùng LEACH 38 Hình 2.10 Cấu trúc chuỗi PEGASIS 39 Hình 2.11 Cách tiếp cận lƣới ảo GAF 40 Hình 3.1 Hai pha hoạt động vòng Leach 44 Hình 3.2 TL-LEACH 45 Hình 3.3 Kiến trúc truyền thông Multi-hop LEACH 46 Hình 3.4 V-LEACH 47 Hình 3.5 Sơ đồ hoạt động giao thức LEACH-DE 48 Hình 4.1 Giao diện đồ họa NAM 61 Hình 5.1 Kiến trúc MIT 66 Hình 5.2 Một phần nội dung tệp leach.alive 68 Hình 5.3 Một phần nội dung tệp leach.energy 69 Hình 5.4 Một phần nội dung tệp leach.data 69 Hình 5.5 Một phần nội dung tệp leach.out 70 Hình 5.6 Mức lƣợng tiêu hao(c=0.02 với LEACH-DE1) 71 Hình 5.7 Mức lƣợng tiêu hao (c=0.05 với LEACH-DE1) 72 Hình 5.8 Thời gian sống mạng (c=0.05 với LEACH-DE1) 73 Hình 5.9 Lƣợng liệu nhận đƣợc BS(c=0.05 với LEACH-DE1) 74 Hình 5.10 Mức lƣợng tiêu hao (c=0.06 với LEACH-DE1) 75 64 Xgraph Xgraph phần mềm ứng dụng để vẽ đồ thị, luôn kèm với NS2 Đầu vào tệp dạng văn bản, dòng cặp số liệu có dạng “x y” cho điểm đồ thị Trace graph Đây phần mềm mã nguồn mở miễn phí với phiên ban đầu, nhƣng thƣơng mại hoá phiên đời từ khoảng năm 2004 Tác giả Trace graph Jaroslaw Malek Phần mềm có khả phân tích hiển thị kết mô tốt với đầu vào tệp vết Với nhà nghiên cứu muốn có kết nhanh phần mềm lựa chọn tốt 65 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Các độ đo thƣờng dùng Để đánh giá kết mô thu đƣợc, có nhiều loại độ đo đƣợc sử dụng, có ba loại độ đo hay đƣợc dùng thời gian sống mạng, mức lƣợng tiêu thụ lƣợng liệu nhận đƣợc BS Ý nghĩa độ đo đƣợc trình bày sau đây:  Thời gian sống mạng đƣợc hiểu thời gian mạng tồn tại, khoảng thời gian từ nút mạng bắt đầu hoạt động nút mạng cuối mạng ngừng hoạt động (nút mạng bị chết) hay nói cách khác đƣợc biểu diễn tỷ lệ nút mạng sống theo thời gian  Mức lƣợng tiêu hao đƣợc hiểu tỷ lệ tổng lƣợng tiêu hao toàn mạng (của tất nút mạng) theo thời gian  Lƣợng liệu nhận đƣợc BS đƣợc hiểu lƣợng liệu nhận đƣợc BS thời gian mạng tồn 4.2 Mô Tiến hành mô công cụ NS2, phiên ns-allinone-2.34, chạy hệ điều hành Ubutu 10.04.4 4.2.1 Các công việc chuẩn bị Tác giả sử dụng phần mở rộng NS cho giao thức LEACH đƣợc triển khai dự án MIT uAMPS (MIT’s project) để mô Hình 5.1 kiến trúc MIT Để sử dụng đƣợc MIT, lớp đối tƣợng tài nguyên đƣợc cung cấp sẵn NS2, cần thêm số tệp nữa, bao gồm: app.[cc,h], channel.cc, cmu-trace.[cc,h], mac.cc, packet.[cc,h], phy.[cc,h], tệp wireless-phya.[cc,h], mac-sensor.[cc,h], mac-sensor-timers.[cc,h] Với MIT, tệp để thiết lập lƣợng nút, tác nhân chức tầng liên kết đƣợc đặt thƣ mục mit/rca bao gồm: nsranode.tcl, rcagent.[cc,h], rca-ll[cc,h], resource.[cc,h] energy.[cc,h] Trong thƣ mục mit/uAMPS chứa số giao thức định tuyến, bao gồm: nsleach.tcl, ns-leach-c.tcl ns-stat-clus.tcl Để mô đƣợc giao thức LEACH-DE, giao thức tác giả đề xuất, tác giả bổ sung thêm giao thức vào thƣ mục mit/uAMPS Ngoài ra, tệp ns-bsapp.tcl, extras.tcl stats.tcl chứa chức cần thiết để chạy giao thức định tuyến, tệp bsagent.[cc,h] chứa chức trạm gốc BS Để thuận tiện cho việc 66 phân tích kết mô phỏng, tác giả thực số sửa đổi tệp stats.tcl Hình 5.1 Kiến trúc MIT 4.2.2 Các thông số mô Các giao thức đƣợc mô sử dụng thông số mô đầu vào giống nhƣ sau: Tô pô mạng: Sử dụng tô pô mạng 100 nút đƣợc sinh ngẫu nhiên đƣợc định nghĩa sẵn module giao thức, tệp chứa thông tin nút 100nodes_random.txt, tệp đƣợc đặt thƣ mục mit/uAMPS/sims Các thông số khác: Đƣợc cho bảng 5.1 bên dƣới Riêng với giao thức LEACH-DE1, tác giả luận văn chọn giá trị c khác công thức (2) khoảng từ đến để mô 67 Bảng 5.1 Các thông số mô mạng WSN LEACH, LEACH-DE, LEACH-DE1 Các giao thức đƣợc mô Phạm vi mô 100 x 100 (m x m) Số nút 100 nút, nút BS Năng lƣợng ban đầu nút 2J Năng lƣợng tiêu hao nút truyền 50 nJ/byte Năng lƣợng tiêu hao nút nhận nJ/byte Năng lƣợng tiêu hao nút ngủ 0J Ví trí nút mạng Ngẫu nhiên Vị trí đặt BS (hay nút Sink) Có tọa độ (50,175) Kích thƣớc gói tin 500 bytes Số cụm 4.2.3 Tiến hành chạy mô Để thực đƣợc việc mô giao thức trƣớc hết phải thiết lập biến môi trƣờng RCA_LIBRARY = mit/rca uAMPS_LIBRARY = mit/uAMPS.RCA Một số thông số mô đƣợc thiết lập tệp leach_test, tệp đƣợc đặt thƣ mục ns-allinone-2.34/ns-2.34 Một phần nội dung tệp là: alg= leach # Chọn giao thức để mô cách gán tên giao thức cần mô vào biến alg agl= leach agl= leach-DE… dirname="mit/leach_sims" filename=$alg # Thiết đặt thư mục chứa tệp thu sau mô phỏng, với phần tên tệp giá trị biến $alg topology_file= « mit/uAMPS/sims/100nodes_random.txt » # để khai báo tô pô mạng sử dụng … eq_energy=1 # Lựa chọn giá trị lượng ban đầu nút cảm biến (1 nhau, không nhay) init_energy=2 # Giá trị lượng khởi tạo ban đầu giành cho nút cảm biến, 2J stop=3600 # thời gian kết thúc mô 68 x=100 y=100 bs_x=50 bs_y=175 nn=101 … # kích thước mạng, trục z gán giá trị # Thiết đặt vị trí trạm sở BS hay nút Sink # Số lượng nút mạng, tính trạm sở BS Với mô hình sử dụng lƣợng dùng mô phỏng, tác giả sử dụng mô hình lƣợng mặc định tệp condition.txt với giá trị đƣợc thiết lập nhƣ sau : RXThresh = 6e-9 CSThresh = 1e-9 … Psleep = Sau thiết lập thông số mô phỏng, chọn mô hình sử dụng lƣợng, chọn giao thức cần mô phỏng, tiến hành chạy mô Để mô giao thức, cửa sổ Terminal gõ lệnh: ~/ns-allinone-2.34/ns-2.34$ leach_test 4.2.4 Các tệp liệu đầu Mỗi lần tiến hành mô giao thức thu đƣợc số tệp, có bốn tệp liệu đầu lần lƣợt filename.data, filename.alive, filename.energy, filename.out, filename tên giao thức đƣợc mô phỏng, chẳng hạn với giao thức LEACH tệp leach.data, leach.alive, leach.energy, leach.out Các tệp chứa liệu cần thiết cho việc phân tích kết mô phỏng, ý nghĩa liệu tệp cụ thể nhƣ sau: - Tệp filename.alive lƣu lại tình trạng sống/chết nút Dữ liệu đƣợc lƣu tệp filename.alive dƣới dạng ba cột, cột thứ thời gian, cột thứ hai định danh nút, cột thứ ba tình trạng nút (0 nút sống, nút chết) Hình 5.2 phần nội dung tệp leach.alive Hình 5.2 Một phần nội dung tệp leach.alive 69 - Tệp filename.energy lƣu lại tổng số lƣợng tiêu hao theo thời gian nút mạng Dữ liệu lƣu tệp filename.energy có dạng ba cột, cột thứ thời gian, cột thứ hai định danh nút, cột thứ ba lƣợng tiêu hao nút theo thời gian Hình 5.3 phần nội dung tệp leach.energy Hình 5.3 Một phần nội dung tệp leach.energy - Tệp filename.data lƣu lại tổng số liệu nhận đƣợc trạm BS theo thời gian nút Dữ liệu đƣợc lƣu tệp filename.data dƣới dạng ba cột, cột thứ thời gian, cột thứ hai định danh nút, cột thứ ba tổng liệu gửi từ nút tới CH BS Hình 5.4 phần nội dung tệp leach.data Hình 5.4 Một phần nội dung tệp leach.data 70 - Tệp filename.out lƣu lại tất kiện xảy trình mô Hình 5.5 phần nội dung tệp leach.out Hình 5.5 Một phần nội dung tệp leach.out 71 4.3 Đánh giá kết 4.3.1 Giao thức LEACH-DE1 với giá trị c nhỏ 0.02 Khi mạng sử dụng giao thức LEACH-DE1 với giá trị c  0.02 đa số giá trị Pi(t) nhỏ (với c=0.02 vòng thứ giao thức bắt đầu hoạt động hầu hết nút có giá trị Pi(t) dƣới 0.035) Do khả nút trở thành cụm trƣởng vòng thấp, thƣờng 1, đặc biệt với giá trị c mà nhỏ 0.02 nhiều việc không chọn đƣợc cụm trƣởng (số cụm 0) hay xảy Khi số cụm làm tăng mức lƣợng tiêu hao nút, dẫn đến tăng mức lƣợng tiêu hao toàn mạng Hình 5.6 biểu đồ thể mức lƣợng tiêu hao giao thức LEACH, LEACH-DE LEACH-DE1 với c=0.02 Có thể kết luận giao thức LEACH-DE1 với giá trị c  0.02 không hiệu giao thức LEACH hiệu giao thức LEACH-DE mặt lƣợng Hình 5.6 Mức lượng tiêu hao(c=0.02 với LEACH-DE1) 4.3.2 Giao thức LEACH-DE1 với giá trị c 0.03, 0.05 Khi chọn giá trị c=0.03 c=0.05 Pi(t) có giá trị nhỏ lớn, khả nút trở thành cụm trƣởng không quá nhiều, giao thức LEACH-DE1 hoạt động tốt, với c=0.05 Sau so sánh giao thức LEACH, LEACH-DE LEACH-DE1 với c=0.05 theo độ đo trình bày 72 4.3.2.1 Mức lƣợng tiêu hao Hình 5.7 biểu đồ thể mức lƣợng tiêu hao mạng sử dụng giao thức LEACH, LEACH-DE LEACH-DE1 Từ biểu đồ ta thấy ba giao thức sử dụng tối đa 200J lƣợng có sẵn mạng Tuy nhiên mạng sử dụng giao thức LEACH tiêu hao lƣợng nhanh hẳn mạng sử dụng giao thức LEACH-DE LEACH-DE1, mạng sử dụng giao thức LEACH-DE1 tiêu hao lƣợng chậm mạng sử dụng giao thức LEACH-DE Lí giao thức LEACH-DE1 hiệu hẳn giao thức LEACH mặt lƣợng số cụm vừa phải, với giao thức LEACH-DE1 việc chọn cụm trƣởng vào mức lƣợng lại nút khoảng cách tới BS, giao thức LEACH không Do đó, với giao thức LEACH nút có lƣợng lại thấp, nằm xa BS đƣợc chọn làm cụm trƣởng nút nhanh chóng tiêu hao hết lƣợng ngừng hoạt động, dẫn đến lƣợng mạng bị tiêu hao nhanh Hình 5.7 Mức lượng tiêu hao (c=0.05 với LEACH-DE1) 73 4.3.2.2 Thời gian sống mạng Hình 5.8 biểu đồ thể thời gian sống mạng sử dụng các giao thức LEACH, LEACH-DE LEACH-DE1 Nhìn vào biểu đồ ta thấy thời gian sống mạng sử dụng giao thức LEACH-DE1 dài hẳn so với mạng sử dụng giao thức LEACH Nguyên nhân giao thức LEACH-DE1 nút cụm trƣởng đƣợc chọn dựa mức lƣợng lại nút khoảng cách từ nút tới BS Những nút mà lƣợng lại khoảng cách tới BS không thỏa mãn tiêu chí chọn cụm trƣởng giao thức trở thành cụm trƣởng, thời gian sống nút đƣợc kéo dài, dẫn đến thời gian sống toàn mạng tăng Còn giao thức LEACH, việc chọn cụm trƣởng không vào mức lƣợng lại khoảng cách tới BS, nên nút có lƣợng lại thấp đƣợc chọn làm cụm trƣởng nút nhanh chóng tiêu hao hết lƣợng ngừng hoạt động, dẫn đến thời gian sống mạng ngắn Cũng từ biểu đồ thấy thời gian sống mạng sử dụng giao thức LEACH-DE1 dài mạng sử dụng giao thức LEACH-DE Ngoài ra, nhìn vào biểu đồ cho thấy tƣơng đồng tỷ lệ nút sống theo thời gian với mức lƣợng tiêu hao toàn mạng biểu đồ 5.7 Hình 5.8 Thời gian sống mạng (c=0.05 với LEACH-DE1) 74 4.3.2.3 Lƣợng liệu nhận đƣợc BS Hình 5.9 biểu đồ thể lƣợng liệu nhận đƣợc BS (BS đặt tọa độ khác nhau) mạng sử dụng giao thức LEACH, LEACH-DE LEACH-DE1 Từ biểu đồ cho thấy, với BS có tọa độ (50, 175) (vị trí gần vùng mạng), dù thời gian sống nhƣng lƣợng liệu gửi từ nút BS mạng sử dụng giao thức LEACH nhiều so với mạng sử dụng giao thức LEACH-DE1 Nguyên nhân việc việc chọn cụm nút thành viên giao thức Khi đặt vị trí BS xa phạm vi mạng (BS có tọa độ (50,265)) lƣợng liệu gửi BS mạng sử dụng giao thức LEACH-DE1 nhiều mạng sử dụng giao thức LEACH Nguyên nhân việc cách chọn cụm trƣởng, chọn cụm nút thành viên giao thức The number of message received by BS in Leach, Leach-DE, Leach-DE1 45000 The number of message received by BS 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 BS(50,175) BS(50,265) BS(X,Y) Leach Leach-DE Leach-DE1 Hình 5.9 Lượng liệu nhận BS (c=0.05 với LEACH-DE1) 75 4.3.3 Giao thức LEACH-DE1 với giá trị c lớn 0.06 nhỏ Khi mạng sử dụng giao thức LEACH-DE1 với giá trị c  0.06 giá trị Pi(t) lớn (với c=0.06 vòng thứ giao thức bắt đầu hoạt động đa số nút có giá trị Pi(t) lớn 0.075) Do khả nút trở thành cụm trƣởng cao, đặc biệt với giá trị c lớn so với 0.06, dẫn đến số cụm trƣởng nhiều Khi số cụm trƣởng nhiều mức lƣợng tiêu hao toàn mạng nhanh Hình 5.10 biểu đồ thể mức lƣợng tiêu hao giao thức LEACH, LEACH-DE LEACH-DE1 với c=0.06 Có thể kết luận giao thức LEACH-DE1 với giá trị c  0.06 không hiệu giao thức LEACH hiệu giao thức LEACH-DE mặt lƣợng Hình 5.10 Mức lượng tiêu hao (c=0.06 với LEACH-DE1) 4.4 Kết luận Sau mô giao thức LEACH, LEACH-DE, LEACH-DE1 (với giá trị c khác nhau) đánh giá, so sánh kết quả, kết luận giao thức LEACH-DE1 với c=0.05 hiệu hẳn giao thức LEACH tƣơng đối hiệu so với giao thức LEACH-DE mặt lƣợng nhƣ thời gian sống mạng 76 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Với việc tìm hiểu nghiên cứu mạng WSN, tập trung vào việc nghiên cứu cải tiến giao thức LEACH hiệu mặt lƣợng, số hạn chế nhƣng sau hoàn thành luận văn thu đƣợc số kết nhƣ sau: Về lý thuyết - Tìm hiểu tổng quan mạng WSN - Phân loại giao thức định tuyến tìm hiểu số giao thức định tuyến mạng WSN - Nghiên cứu giao thức LEACH tìm hiểu cải tiến nó, đƣa đề xuất tác giả - Nghiên cứu số công cụ mô hỗ trợ mô mạng WSN công cụ hỗ trợ cho việc phân tích hiển thị kết mô Về mô đánh giá kết - Nghiêu cứu, cài đặt công cụ mô NS-2 phiên NS-2.34 - Sử dụng phần mở rộng NS cho giao thức LEACH đƣợc triển khai dự án MIT uAMPS (MIT’s project) để mô giao thức - Tiến hành mô giao thức LEACH, LEACH-DE, giao thức đề xuất LEACH-DE1 (với giá trị c khác nhau) tác giả luận văn - Sau đánh giá, so sánh kết mô phỏng, thấy giao thức LEACH-DE1 với c=0.05 hiệu hẳn giao thức LEACH tƣơng đối hiệu so với giao thức LEACH-DE mặt lƣợng nhƣ thời gian sống mạng HƢỚNG PHÁT TRIỂN - Nghiên cứu tìm số lƣợng nút tối ƣu cụm, nghiên cứu phức tạp môi trƣờng triển khai mạng - Nghiên cứu, mô phỏng, đƣa đề xuất cải tiến cho số giao thức định tuyến khác mạng WSN - Sử dụng giao thức LEACH-DE1 mạng thực lấy kết so sánh với kết mô 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng đánh giá hiệu mạng máy tính, Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội Tiếng Anh Kazem Sohraby,Daniel Minoli, Taieb, “WIRELESS SENSOR NETWORKS Technology, Protocols, and Applications” Ian F Akyildiz (Georgia Institute of Technology, USA), Mehmet Can Vuran (University of Nebraska-Lincoln, USA), “Wireless Sensor Networks” Ahmad Abed Alhameed Alkhatib, Gurvinder Singh Baicher (University of Wales Newport, City Campus, Usk Way, NP20 2BP, Newport, U.K), “Wireless Sensor Network Architecture” Waltenegus Dargie (Technical University of Dresden, Germany), Christian Poellabauer (University of Notre Dame, USA), “FUNDAMENTALS OF WIRELESS SENSOR NETWORKS THEORY AND PRACTICE” Holger Karl, Andreas Willig, “Protocols and architectures for wireless sensor networks Holger Karl, Andreas Willig” Wendi Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrishnan Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA 02139, “EnergyEfficient Communication Protocol forWireless Microsensor Networks” Fan Xiangning, Song Yulin "Improvement on LEACH Protocol of Wireless Sensor Network", 2007 V Loscrif, G Morabito and S Marano "A Two-Levels Hierarchy for LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy" 10 Dissertation, Hang Zhou, Zhe Jiang and Mo Xiaoyan, “Study and Design on Cluster Routing Protocols of Wireless Sensor Networks”, 2006 11 W B Heinzelman et al., “An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks” 12 Nguyen Duy Tan, Longzhe Han, Nguyen Dinh Viet, and Minho Jo “An Improved LEACH Routing Protocol for Energy-Efficiency of Wireless Sensor Networks” 13 M Bani Yassein, A Al-zou'bi, Y Khamayseh, W Mardini, “Improvement on LEACH Protocol of Wireless Sensor Network (VLEACH)” 78 14 Yazeed Al-Obaisat, Robin Braun, “On Wireless Sensor Networks: Architectures, Protocols, Applications, and Management”, Institute of Information and Communication Technologies University of Technology, Australia 15 Xiaodong Xian, Weiren Shi and He Huang(2008), “Comparison of OMNET++ and other simulator for simulation”, 978-1-4244-1718-6/08© 2008 IEEE, p 1439-1443 16 Kevin Fall, Kannan Varadhan (2010), The NS Manual Formerly NS Notes and Docmentation, The VINT Project A Colllaboration between researchers at UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC [...]... nghiên cứu, cải tiến các giao thức đã có để giao thức hoạt động tốt hơn cũng rất cần thiết Vì vậy tôi đã chọn đề tài Nghiên cứu, cải tiến giao thức định tuyến LEACH hiệu quả về mặt năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây (WSN) để nghiên cứu trong luận văn này Mục đích của luận văn là nghiên cứu về giao thức LEACH, tìm hiểu các giao thức cải tiến từ giao thức này, đề xuất cải tiến cho giao thức LEACH, ... thức gặp phải trong vấn đề định tuyến, tìm 11 hiểu về việc phân loại các giao thức định tuyến trong mạng WSN, nghiên cứu một số giao thức định tuyến trong mạng WSN Chương 3 Giao thức LEACH và cải tiến: Giới thiệu và nghiên cứu về hoạt động của giao thức LEACH, tìm hiểu một số giao thức cải tiến từ giao thức LEACH đã đƣợc đề xuất, và đề xuất cải tiến của tác giả Chương 4 Các công cụ mô phỏng mạng WSN: Tìm... cứu lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan về mạng WSN, vấn đề định tuyến trong mạng WSN, một số giao thức định tuyến trong mạng WSN và các vấn đề liên quan - Nghiên cứu về giao thức LEACH, tìm hiểu về một số giao thức cải tiến từ giao thức này Thực nghiệm: - Đƣa ra đề xuất cải tiến giao thức LEACH hiệu quả về mặt năng lƣợng - Tiến hành mô phỏng và so sánh, đánh giá kết quả 4 Bố cục Để có thể thực hiện đƣợc... quan về mạng cảm biến không dây (WSN): Giới thiệu một cách tổng quan về mạng WSN, lịch sử của mạng WSN, cấu tạo phần cứng và các thành phần phần mềm của một nút cảm biến, kiến trúc truyền thông của WSN, những yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế mạng WSN, chồng giao thức mạng WSN, các ứng dụng của mạng WSN Chương 2 Định tuyến trong mạng WSN: Giới thiệu về định tuyến trong mạng WSN, tìm hiểu về các thách thức. .. bảo định tuyến hiệu quả trong mạng WSN phải đối mặt với nhiều thách thức do ảnh hƣởng của truyền thông không dây và do các đặc thù của mạng cảm biến Sau đây sẽ trình bày một số thách thức chính phải đối mặt trong vấn đề định tuyến trong mạng WSN Mức tiêu thụ năng lƣợng Mục tiêu chính của các giao thức định tuyến là cung cấp hiệu quả thông tin giữa các nút cảm biến và Sink Vì mụch đích này, tiêu thụ năng. .. sánh giao thức LEACH với giao thức cải tiến của mình 10 2 Mục tiêu Từ mục đích của luận văn tôi xin đƣa ra các mục tiêu cụ thể nhƣ sau:  Tìm hiểu tổng quan về mạng WSN  Phân loại giao các thức định tuyến và tìm hiểu về một số giao thức định tuyến trong mạng WSN  Nghiên cứu về giao thức LEACH và tìm hiểu một số cải tiến của nó, đƣa ra đề xuất của mình  Nghiên cứu một số các công cụ mô phỏng mạng. .. mạng WSN và các công cụ hỗ trợ cho việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng  Thiết lập kịch bản mô phỏng, tiến hành mô phỏng, so sánh và đánh giá kết quả mô phỏng Trên cơ sở các tìm hiểu và nghiên cứu trên viết luận văn với nội dung: Nghiên cứu, cải tiến giao thức định tuyến LEACH hiệu quả về mặt năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây (WSN) 3 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên. .. ít năng lƣợng, có thể truyền thông không dây là hoàn toàn khả thi Các nút cảm biến rất nhỏ có thể thực hiện nhiều chức năng, bao gồm cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền thông không dây, cho phép triển khai các mạng WSN trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống Khái niệm mạng cảm biến không dây: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN) là tập nhiều nút cảm biến có khả năng cảm. .. cho mạng WSN, việc thiết kế các giao thức truyền thông phức tạp và hiệu quả cũng đƣợc đặt ra Với mạng WSN, các nút cảm biến hay các nút mạng có năng lƣợng hạn chế nên không giống nhƣ các mạng truyền thống, các giao thức đƣợc thiết kế để cải thiện các thông số nhƣ hiệu năng mạng, thông lƣợng và độ trễ…, các giao thức trong mạng WSN tập trung chủ yếu vào việc tiết kiệm năng lƣợng, kéo dài tuổi thọ mạng. .. nút cảm biến chết Ngoài ra kênh không dây cũng bị mất trong quá trình truyền thông Ngoài tính bền vững chống lại tình trạng nút hỏng, giao thức định tuyến phải đảm bảo rằng hiệu quả của các giao thức không dựa vào một gói duy nhất có thể bị mất Ngay cả trong điều kiện rất khắc nghiệt với các lỗi kênh thƣờng xuyên, giao thức định tuyến phải cung cấp phân phối hiệu quả giữa nút cảm biến và Sink Tô pô mạng ... giao thức định tuyến mạng WSN, nghiên cứu số giao thức định tuyến mạng WSN Chương Giao thức LEACH cải tiến: Giới thiệu nghiên cứu hoạt động giao thức LEACH, tìm hiểu số giao thức cải tiến từ giao. .. nghiên cứu, cải tiến giao thức có để giao thức hoạt động tốt cần thiết Vì chọn đề tài Nghiên cứu, cải tiến giao thức định tuyến LEACH hiệu mặt lƣợng mạng cảm biến không dây (WSN) để nghiên cứu... giao thức định tuyến mạng WSN vấn đề liên quan - Nghiên cứu giao thức LEACH, tìm hiểu số giao thức cải tiến từ giao thức Thực nghiệm: - Đƣa đề xuất cải tiến giao thức LEACH hiệu mặt lƣợng - Tiến