Đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây với một số giao thức định định tuyến

Download

ISSN 2354-0575

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VỚI MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH ĐỊNH TUYẾN

Nguyễn Văn Hậu, Phạm Thị Ánh Hương

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Ngày nhận: 22/06/2016

Ngày sửa chữa: 16/08/2016

Ngày xét duyệt: 09/09/2016

Tóm tắt:

Hiện nay, mạng cảm biến không dây được triển khai và áp dụng rất phổ biên trong đời sống: theo

dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, trong y tế, trong quân sự, và trong công nghiệp. Tuy nhiên, mạng

cảm biến không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thứ. Một trong những thách thức lớn nhất trong

mạng cảm biến không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. Chính vì thế rất nhiều

nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của toàn mạng. Xuất

phát từ những thực tế đó, bài báo tập trung vào đánh giá hiệu năng của của mạng cảm biến không dây với

một số giao thức định tuyến nhằm mục địch đưa ra kết quả so sánh, đánh giá hiệu quả trong việc tiết kiệm

năng lượng tiêu thụ cho các nút cảm biến của từng giao thức. Với đóng góp đó, bài báo có thể coi là một

tham khảo cho việc áp dụng các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây.

Từ khóa: Giao thức định tuyến, hiệu năng mạng, mạng cảm biến không dây.

1. GIỚI THIỆU

Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless

ánh sáng và tia hồng ngoại, âm thanh, áp lực, các

cảm biến hóa học, từ trường… cho đến những loại

tham số vô cùng tinh vi như: khả năng nhận thức

(ví dụ như các cảm biến tương tác hoặc di chuyển).

Chính nhờ khả năng cảm biến được rất nhiều thông

số vật lý đó mà WSN ngày càng được ứng dụng

rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, giám sát

môi trường và đa dạng sinh học, căn hộ thông minh,

quản lý nhà máy hoặc các ứng dụng trong chăm sóc

sức khỏe con người. Trong tương lai gần, WSN và

các ứng dụng của nó sẽ đóng vai trò thiết yếu trong

cuộc sống của con người [3].

Sensor Network) được định nghĩa là một mạng

được hình thành từ số lượng lớn các nút cảm biến và

có ít nhất một trạm gốc. Nút cảm biến là những thiết

bị nhỏ gọn, có khả năng tự điều hành và hoạt động

trong một số điều kiện đặc biệt như: sử dụng nguồn

năng lượng pin, tiêu tốn ít năng lượng và có đầy đủ

các tính năng để thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, đo

đạc, tính toán, lưu trữ dữ liệu nhằm đưa ra các nhận

định toàn cục về môi trường xung quanh. Ngoài ra,

chúng cũng được trang bị bộ thu, phát vô tuyến để

truyền thông với trạm gốc, là nơi mà các thông số

từ nút gửi về sẽ được phân tích, tính toán, lưu trữ

và luôn sẵn sàng cho người sử dụng [1,2]. Mô hình

mạng cảm biến không dây thể hiện trong Hình 1.

Có rất nhiều lý do khiến WSN trở thành một

trong những đề tài nghiên cứu hấp dẫn nhất trong

lĩnh vực viễn thông những năm gần đây, trong đó,

quan trọng nhất là khả năng triển khai mạng và khả

năng đáp ứng được rất nhiều ứng dụng thực tế khác

nhau của nó. Ngày nay, nhờ những tiến bộ trong

công nghệ cảm biến, chi phí để xây dựng một mạng

WSN được giảm đáng kể, thời gian hoạt động của

các nút cảm biến cũng được cải thiện, thêm vào đó

là ưu điểm của mạng WSN là rất đơn giản trong xây

dựng và lập trình mạng. Tuy nhiên, nhân tố cốt lõi

và quan trọng nhất khiến WSN được xem như một

công nghệ mới đầy hứa hẹn chính là ở khả năng

cung cấp những ứng dụng thực tế của nó. Với công

nghệ cảm biến hiện đại, các nút cảm biến ngày nay

có thể cảm biến được số lượng lớn tham số vật lý, từ

những tham số đã rất phổ biến như: nhiệt độ, độ ẩm,

Hình 1. Mô hình tổng quan về mạng cảm biến

không dây

Tuy nhiên bên cạnh những ưu thế có được,

mạng WSN đang phải đối mặt với rất nhiều thách

thức một trong những thách thức lớn nhất đó là

nguồn năng 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

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

Journal of Science and Technology

ISSN 2354-0575

lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác có cụm nào được hình thành, trong khi ở những

nhau. Trong đó đáng chú ý nhất là phương pháp sử vòng khác lại có quá nhiều cụm, từ đó, dữ liệu gửi

dụng giao thức định tuyến phù hợp để tìm đường đi tới trạm gốc bị gián đoạn.

giữa các nút mạng, qua đó kéo dài đáng kể thời gian

sống của mạng WSN.

- Xác định nút chủ không căn cứ vào năng

lượng còn lại: Một trong những ưu điểm của

LEACH là phân bố đều vai trò làm nút chủ trong

2. MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN một chu kỳ cho tất cả nút mạng, tuy nhiên, trong

TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY trường hợp mạng lớn, khoảng cách từ nút đến trạm

Trong bài báo này chúng tôi sẽ tập trung gốc chênh lệch nhau nhiều, do đó, lượng năng lượng

ba giao thức định tuyến hay được sử dụng trong tiêu hao khi trở thành nút chủ cũng khác xa nhau,

mạng cảm biến không dây: Giao thức phân theo nhưng LEACH lại không căn cứ vào năng lượng

cụm thích ứng năng lượng LEACH (Low Energy còn lại để lựa chọn nút chủ, mà căn cứ vào số lần đã

Adaptive Clustering Hierarchy), giao thức phân cấp trở thành nút chủ trong các vòng trước đó. Nhược

theo cụm thích ứng năng lượng tập trung LEACH điểm này làm cho nút ở xa trạm gốc mất năng lượng

(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy sớm hơn.

Centralized) và giao thức phân theo cụm cố đinh

(STAT-CLUSTER).

2.1. Giao thức LEACH

- Phân bổ cụm không hiệu quả: Quá trình

chọn nút chủ và do đó là phân bổ cụm hoàn toàn

không quan tâm tới vị trí của nút mạng nên có rất

nhiều trường hợp hai nút chủ nằm cạnh nhau, tạo

Nguyên tắc hoạt động

Hoạt động của LEACH được chia thành các nên hai cụm chồng lấn lên nhau, ảnh hưởng đến

vòng , mỗi vòng được bắt đầu với pha thiết lập, hiệu quả của mạng.

trong đó diễn ra quá trình chọn nút chủ và thành lập

Để khắc phục những nhược điểm của giao

cụm. Sau pha thiết lập là pha ổn định, trong pha này, thức LEACH cơ bản, rất nhiều nghiên cứu đã được

xảy ra quá trình truyền dữ liệu đến nút chủ và đến tiến hành, trong đó giao thức LEACH-C đã đưa ra

trạm gốc (base station). Để giảm lượng bản tin vào được những giải pháp hiệu quả cho vấn đề đó và

đầu trong mạng thì pha ổn định phải dài hơn so với được đánh giá rất cao về khả năng ứng dụng trong

mạng WSN [2,5].

pha thiết lập [5].

2.2. Giao thức LEACH-C

Nguyên tắc hoạt động

Hình 2. Mô hình hoạt động của LEACH

Ưu điểm:

Hình 3. Mô hình hoạt động pha thiết lập của

- Đơn giản: Trong giao thức định tuyến

LEACH, nút cảm biến tự tiến hành quyết định nút

chủ và phân bổ cụm, không đòi hỏi thông tin điều

khiển từ trạm gốc và nút không yêu cầu hiểu biết

về toàn bộ cấu hình mạng. Ưu điểm này giảm gánh

nặng cho trạm gốc và lượng bản tin mào đầu truyền

trong mạng.

LEACH-C

Về mặt ý tưởng, LEACH-C hoàn toàn giống

với LEACH cơ bản, chỉ khác ở pha thiết lập, còn

pha ổn định nó kế thừa từ giao thức LEACH. Khác

với LEACH (mỗi nút sẽ có một xác suất để nó có

thể được chọn làm nút chủ cụm), trong giao thức

LEACH-C, quá trình lựa chọn cụm và nút chủ được

thực hiện bởi trạm gốc. Trong pha thiết lập của

LEACH – C, tất cả nút mạng sẽ gửi thông tin về

trạng thái hiện tại của nó (bao gồm vị trí và năng

Nhược điểm:

- Số cụm trong một vòng không cố định vì

vậy thuật toán LEACH không có cơ chế nào để đảm

bảo được số lượng cụm trong một vòng. Nhược

điểm này dẫn đến hậu quả là có những vòng không

Journal of Science and Technology

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

ISSN 2354-0575

lượng còn lại) về trạm gốc. Trạm gốc, sau đó, sẽ

Thời gian hoạt động ngắn vì quá trình chọn

dùng thuật toán tối ưu để xác định ra các cụm và nút node chủ cụm ban đầu là ngẫu nhiên và nếu các

chủ cho vòng hiện tại [5].

node chủ cụm này ở quá xa trạm gốc thì mạng sẽ hết

năng lượng rất nhanh.

Ưu điểm:

- Phân bổ năng lượng hiệu quả: Trong

Trong phần 2 của bài báo chúng tôi đã giới

LEACH-C, trạm gốc - không bị giới hạn về năng thiệu về nguyên tắc hoạt động, ưu, nhược điểm của

lượng - đảm nhiệm chức năng lựa chọn nút chủ, ba giao thức thường được sử dụng trọng mạng

do đó, có thể áp dụng những thuật toán tối ưu phức cảm biến không dây: LEACH, LEACH-C, STAT-

tạp hơn và đưa nhiều tham số hơn vào quá trình ra CLUSTER đây là tiền đề cho phần mô phỏng thực

quyết định, do đó, lựa chọn được nút chủ tối ưu hơn, hiện ở phần 3 của bài báo.

nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của các nút

trong mạng.

- Xác định nút chủ căn cứ vào năng lượng

3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Có khá nhiều phần mềm để mô phỏng

dự trữ: Với việc đưa tham số năng lượng dự trữ mạng, tuy nhiên trong bài báo tác giả đã chọn phần

trở thành một điều kiện trong quá trình xác định mềm NS2 (Network Simulation 2) Để thực hiện

nút chủ, rõ ràng là LEACH-C đạt hiệu quả tốt hơn việc mô phỏng ba giao thức LEACH, LEACH-C,

LEACH cơ bản. Thêm vào đó, BS thực hiện chức STAT-CLUSTER dựa vào kết quả mô phỏng để

năng xác định nút chủ làm giảm năng lượng cho xử đánh giá tính hiệu quả của các giao thức thông qua

lý tại các nút cảm biến.

các tiêu chí: Năng lượng tiêu thụ của mỗi nút, thời

- Phân bổ cụm hiệu quả theo vị trí: LEACH-C gian sống của các nút, dữ liệu truyền thành công của

thực hiện tập trung thông tin toàn mạng về trạm các nút, tổng dữ liệu nhận được/tổng năng lượng

gốc, nên BS xác định được topo mạng căn cứ vào tiêu hao.

vị trí của các nút, từ đó, có chiến lược phân bố cụm

theo vị trí hiệu quả hơn LEACH.

3.1. Bài toán mô phỏng

Để xây dựng mô hình một mạng cảm biến

- Kiểm soát được số cụm trong một vòng: không dây chúng ta cần quan tâm đến các tham số

Việc loại bỏ tham số ngẫu nhiên S trong quá trình chính: Topo khởi tạo ban đầu, năng lượng ban đầu

lựa chọn nút chủ (từ đó hình thành nên cụm) đã giúp của các nút, kích thước mỗi gói tin, các thông số vật

LEACH-C có thể xác định được số cụm trong một lý của kênh vô tuyến.

vòng hoạt động, ưu điểm này có tác động tích cực

đến tính liên tục của dữ liệu nhận được tại BS.

Nhược điểm:

Kết quả mô phỏng thu được sẽ là:

- Số nút hoạt động sau một thời gian xác định

- Tổng dữ liệu truyền đi từ mỗi nút đến trạm

- Phức tạp: Việc thiết kế thuật toán để lựa gốc

chọn nút chủ tối ưu cho trạm gốc là rất phức tạp, với

số lượng lớn tham số đầu vào.

- Tổng năng lượng tiêu thụ của mỗi nút.

- Số lượng lớn bản tin mào đầu: Trong giao

thức LEACH-C, khi kết thúc một vòng, nút cảm

biến phải gửi về cho BS thông tin về vị trí và trạng

thái năng lượng của nút. Mặc dù kích thước của bản

tin này nhỏ, nhưng với những nút có khoảng cách

tới BS lớn thì năng lượng tiêu thụ cho việc gửi gói

tin này cũng làm ảnh hưởng đáng kể tới thời gian

sống của nút.

3.2. Kịch bản mô phỏng

Thời gian mô phỏng

Số Cluster khởi tạo

Max=600s

Num_cluster=5

Năng lượng khởi tạo của

node

Số node mạng

101(0->99; 100-BS)

(50;175)

Trạm gốc(BS) đặt ở tọa độ

2.3. Giao thức Stat-Clustering

Vị trí các node mạng được

khời tạo ngẫu nhiên

(1000;1000)

Nguyên tắc hoạt động

Giao thức Stat – Clustering tương tự với

LEACH-C. Trạm gốc sẽ căn cứ vào tọa độ và năng

lượng hiện tại của các node để phân chia cấu hình

mạng. Tuy nhiên ở Stat - Cluster trạm gốc chỉ chia

nhóm một lần và giữ nguyên cấu hình mạng đó để

gửi dữ liệu.[5]

3.3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận

Đánh giá: Dựa vào Hình 4 hoạt động của ba

giao thức định tuyến LEACH, LEACH-C và stat-

clus ta có thế thấy số lượng các node còn sống theo

thời gian của hai giao thức LEACH, LEACH–c lớn

hơn rất nhiều so với giao thức stat-clus. Giao thức

stat-clus chỉ tiến hành phân cụm 1 lần nên năng

lượng của các node sẽ hết rất nhanh và hệ thống sẽ

Ưu điểm:

Các node chủ cụm là cố định nên không tốn

thời gian và năng lượng cho quá trình phân chia lại.

Nhược điểm:

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

Journal of Science and Technology

ISSN 2354-0575

sớm ngừng hoạt động. Trong giao thức LEACH-C,

do trạm gốc có các thông số về năng lượng và vị trí

của các node cảm biến, nên việc lựa chọn các node

chủ cụm tối ưu hơn, nên số lượng các node còn sống

trong mạng khi sử dụng giao thức LEACH-C cao

hơn khi sử dụng giao thức.

Hình 6. Tổng mức độ tiêu thụ năng lượng của các

node theo thời gian

Đánh giá: Dựa vào Hình 6 ta thấy trong

khoảng 150 giây đầu tiên hoạt động mức độ tiêu thụ

năng lượng của giao thức LEACH-C có cao hơn so

với giao thức LEACH. Tuy nhiên càng thời gian về

sau thì tổng mức năng lượng tiêu năng lượng của

các node trong giao thức LEACH-C lại thấp hơn

giao thức LEACH. Điều đó chứng tỏ, nếu xét toàn

bộ quá trình hoạt động của toàn hệ thống mạng giao

thức LEACH-C sẽ tối ưu hơn giao thức LEACH về

mức tiêu thu năng lượng.

Hình 4. Sơ đồ các node mạng còn sống theo thời

gian của ba giao thức

Hình 7. Tổng dữ liệu nhận được/tổng năng lượng

tiêu hao

Hình 5. Tổng dữ liệu gửi thành công của các node

theo thời gian

Đánh giá: Tại Hình 7 cho thấy tổng dữ liệu

tại trạm gốc (BS) và tổng năng lượng tiêu hao của

tất cả các node cảm biến trong mặc định. Dựa vào

hình ta thấy giao thức định tuyến LEACH-C hoạt

động hiệu quả hơn, tổng dữ liệu nhận được/mức

độ tiêu thụ năng lượng là tăng ổn định và ít biến

động hơn so với giao thức LEACH. Do quá trình

chọn các node chủ cụm là ngẫu nhiên, nên càng thời

gian hoạt động về sau hệ thống sử dụng giao thức

LEACH hoạt động càng kém hiệu quả.

Đánh giá: Nhìn vào Hình 5 ta có thể thấy

tổng dữ liệu mà các node gốc nhận được thì giao

thức LEACH-C vượt trội hơn hẳn. Hiệu năng và

độ tin cậy của mạng cao khi sử dụng giao thức định

tuyến LEACH-C. Do đó việc sử dụng giao thức

LEACH-C là tối ưu hơn về việc truyền dữ liệu giữa

các node cảm biến tới trạm gốc hơn hai giao thức

định tuyến LEACH và stat-clus.

3.4. Nhận xét chung

Trong cùng một điều kiện môi trường giả

Journal of Science and Technology

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

ISSN 2354-0575

lập (các thông số đầu vào là giống nhau) ba giao thời bài báo cũng giới thiệu được phương thức hoạt

thức định tuyến phân cấp Static-cluster, LEACH, động, ưu nhược điểm của một số giao thức thường

LEACH-C. Đối với giao thức định tuyến Static- được sử dụng trong mạng cảm biến không dây để từ

cluser, do các node CH là cố định nên mạng rất đó thực hiện việc mô phỏng ba giao thức LEACH,

nhanh chóng dừng hoạt động (vì node CH hết năng LEACH-C, STAT-CLUSTER dựa vào kết quả mô

lượng quá nhanh). Giao thức LEACH-C được cải phỏng để đánh giá tính hiệu quả của các giao thức

tiến từ giao thức LEACH nên tối ưu hơn về các thông qua các tiêu chí: Năng lượng tiêu thụ của mỗi

node sống theo thời gian, tổng năng lượng tiêu thụ nút, thời gian sống của các nút, dữ liệu truyền thành

và tổng dữ liệu nhận được tại node cơ sở so với giao công của các nút, tổng dữ liệu nhận được/ tổng năng

thức LEACH.

lượng tiêu hao

Trên cơ sở nghiên cứu đã đạt được chúng tôi

sẽ tiếp tục nghiên cứu tìm ra các giao thức mới để

4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong bài báo này chúng tôi đã trình bày có thể vừa tiết kiệm đươc năng lượng tiêu thụ trên

tổng quan về mạng cảm biến không dây, những ứng toàn mạng, vừa đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả từ

dụng cần thiết của mạng cảm biến không dây đồng các node về trạm gốc.

Tài liệu tham khảo

[1]. Lê Nhật Thăng, Nguyễn Quý Sỹ, Các kỹ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến,

Tạp chí Bưu chính viễn thông, số 301, năm 2007.

[2]. Holger Karl, Andreas Willig, Protocols and Architecture for Wireless Sensor Networks, John

Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005.

[3]. Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, Wireless Sensor Networks Technology, Protocols,

and Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007.

[4]. Robrto Verdone, Davide Dardari, Gianluca Mazzini, Andrea Conti, Wireless Sensor and

Actualtor Networks – Technologies, Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New

Jersey, 2006.

[5]. Bhaskar Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press, 2005.

PERFORMENCE EVALUATION OF A WIRELESS SENSOR NETWORK

WITH DIFFERENT ROUTING PROTOCOLS

Abstract:

Wireless Sensor Network (WSN) has been considerably applied and deployed in many areas, e.g.

commonly used in order to monitor environmental conditions, in hospitals, army, and emergency. However,

there are many issues and challenges in WSN, e.g. the limited energy resource is one of the most chal-

lenging. One of such challenge is the energy consumed in WSN which is very limited and non-chargeable.

Therefore, many researchers have investigated in improvements of reducing the amount of energy required

to provide routers in WSN. Our paper focuses on the study and evaluates the performance of some common

routing protocols in WSN by providing a comparison among them through experiments in term of saving

energy consumption in each node for each protocol. We believe that the paper can be considered as a good

reference for using routing protocols in WSN.

Keywords: routing protocols, performance of routing networks, wireless sensor network.

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

Journal of Science and Technology

5 trang yennguyen 23040 Free

Download

Bạn đang xem tài liệu "Đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây với một số giao thức định định tuyến", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

danh_gia_hieu_nang_cua_mang_cam_bien_khong_day_voi_mot_so_gi.pdf