Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây

Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................3
NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI..................................................................................4
MỞ ĐẦU..............................................................................................................5
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY...........6
I.1Định nghĩa mạng cảm nhận không dây........................................................6
I.2. Yêu cầu của mạng cảm nhận không dây....................................................6
I.3.Ưu nhược điểm của WSN..............................................................................6
I.3.1 Ưu điểm của WSN......................................................................................6
I.3.2 Nhược điểm của WSN................................................................................6
I.4. CácKiến trúc của mạng cảm nhận khơng dây...........................................7
I.4.1 Mạng đơn.....................................................................................................7
I.4.2 Mạng liên kết bước.....................................................................................7
I.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế giới và Việt Nam
hiện nay................................................................................................................8
I.5.1 Ứng dụng WSN ở Trên thế giới.................................................................8
I.5.2 Ứng dụng WSN ở Việt Nam.......................................................................9
CHƯƠNG II : KIẾN TRÚC NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY....10
II.1 Bộ vi xử lý (xử lý dữ liệu: Nhiều loại).......................................................10
II.2 Bo mạnh........................................................................................................10
II.3 Bộ lưu trữ......................................................................................................10
II.4 Bộ truyền thông............................................................................................10
II.5 Bộ cảm biến, bộ khởi động.........................................................................10
II.6 Giới thiệu về vi điều khiển CC1010..........................................................11
CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY - KIẾN TRÚC
CLUSTER...........................................................................................................12

III.1 Giới thiệu chung về kiến trúc CLUSTER..............................................12
III.2 Cấu trúc bó (địa chỉ các nút trong bó)....................................................13
III.3.1Chu kỳ thiết lập bó....................................................................................14
III.3.2 Giải thuật chọn nút đầu bó.......................................................................15
III.3.3 Thiết lập bó...............................................................................................17
III.3.4 Giao thức phân cấp năng lượng thấp LEACH.........................................20
III.4 Truyền thông trong WSN kiến trúc bó...................................................23
III.4.1Truyền nhận dữ liệu...............................................................................23
III.4.2 Giao thức truyền thơng tránh xung đột..............................................27
III.4.2.1 Giao thức lộ trình phản ứng DSR (Dynamic Source Routing).............28
III.4.2.2 Giao thức điều khiển truy cập môi trường trong mạng (MAC)............31
III.5 Các tình huống đặt ra đối với WSN kiến trúc bó..................................38
III.5.1 Giới hạn nút trong bó(quản lý kớch thc bú)....................................38
III.5.2 kh nng t cu hỡnh.............................................................................38
Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

1


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

III.5.3 khả năng cấu hình lại khi thêm nút hoặc có nút bị hỏng...................39
CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG
DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc Bó)...............................................43
IV.1. u cầu......................................................................................................43
IV.2 Lập trình thử nghiệm...............................................................................44

IV.2.1 Khái quát về chương trình........................................................................44
IV.2.2 Sơ đồ khối và giải thuật.........................................................................46
IV.2.4 Thư viện HAL của CC1010.....................................................................47
IV.2.5 Chương trình chính..................................................................................59
IV.3 Các bước thực hiện chương trình............................................................67
IV.3.1 Dịch chương trình..................................................................................67
IV.3.2 Nạp chương trình...................................................................................67
IV.3.3 Thực hiện truyền nhận d liu.............................................................68

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

2


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo hướng
dẫn Thạc sĩ Hịa Quang Dự, Sở Khoa học và Cơng Nghệ Hải Phịng đã tận tình
giúp đỡ, chỉ bảo em trong những năm học qua và đã dành rất nhiều thời gian q
báu để hướng dẫn em hồn thành báo cáo tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu và các Thầy cô giáo của Trường
Đại học Dân Lập Hải Phòng đã giảng dạy chúng em trong suốt quãng thời gian
qua, cung cấp cho chúng em những kiến thức chuyên môn cần thiết và quý báu
giúp chúng em hiểu rõ hơn các lĩnh vực đã nghiên cứu để hoàn thành đề tài .
Xin cảm ơn các bạn bè và gia đình đã động viên cổ vũ, đóng góp ý kiến,

trao đổi, động viên trong suốt q trình học cũng như làm tốt nghiệp, giúp em
hoàn thành đề tài đúng thời hạn.

Hải Phòng ngày 10 tháng 7 năm 2007
Nguyn Vn Hnh

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

3


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm nhận không dây(WSN): Khái niệm ,Yêu
cầu của WSN, Ưu nhược điểm của WSN, Kiến trúc của WSN,kiến trúc của nút
mạng, Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế giới và Việt Nam
hiện nay.
Nghiên cứu, tìm hiểu xây dựng một mạng cảm nhận không dây kiến trúc
CLUSTER với các giao thức lớp mạng, hệ điều hành áp dụng cho mạng, cách
thức quản lý các nút mạng trong một CLUSTER, cách thức giao tiếp giữa các
CLUSTER,cách thức chon nút đầu bó trong một CLUSTER,cách thức xử lý sự
cố khi một nút trong CLUSTER bi hỏng, hoặc thêm bớt một nút mạng trong một
CLUSTER.
Viết chương trình truyền dữ liệu giữa các nút mạng làm cơ sở để xây dựng
các ứng dụng thực tế của mạng cảm nhận không dây, ví dụ: xây dựng hệ thống

đo nhiệt độ , đo khí tượng dự báo thời tiết, cảnh báo thảm họa mụi trng

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

4


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

MỞ ĐẦU
Ngày nay cơng nghệ thơng tin phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng ở
hầu hết các lĩnh vực, đặc biệt là sự phát triển của công nghệ mạng. Mạng cảm
nhận không dây ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu cao của công
nghệ chế tạo linh kiện điện tử và công nghệ thông tin.
Mạng cảm nhận không dây hiện nay đang được nghiên cứu và có xu hướng
phát triển rộng khắp, bởi nó mang lại lợi ích về nhiều phương diện cho con
người. Đặc điểm của mạng loại này là tính linh hoạt, tiết kiệm được chi phi xây
lắp, dễ dàng sử dụng và cài đặt, dễ dàng mở rộng hệ thống mạng, nút mạng vừa
có chức năng truyền nhận thơng tin vừa có chức năng cảm nhận. Sau khi tiến
hành cảm nhận, đo đạc các thông số của môi trường, nút mạng sẽ tiến hành
truyền dữ liệu không dây về trạm gốc (nút gốc), để trên cơ sở đó, nút gốc có thể
đưa ra các lệnh xử lý cần thiết hoặc chuyển số liệu vào máy tính.
Mạng cảm nhận khơng dây đã mở ra một hướng nghiên cứu mới, với một loạt
các ứng dụng hấp dẫn đáp ứng được đòi hỏi khắt khe trong nhiều lĩnh vực quân
sự, công nghiệp, nông nghiệp, y tế ...
Trước xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm nhận khơng dây, căn cứ

vào tình hình thực tế của nước ta đang cần để phục vụ cho nhiều nghành, lĩnh
vực và mong muốn tìm hiểu về kiến thức mới . Được sự động viên hướng dẫn
của thầy giáo và bạn bè , em đã chọn hướng nghiên cứu về một mơ hình
mạng cảm nhận khơng dây, đó là mạng cảm nhận không dây kiến trúc
CLUSTER
Đề tài gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây
Chương 2: Kiến trúc nút mạng cảm nhận không dây
Chương 3: Mạng cảm nhận không dây kiến trúc CLUSTER
Chương 4: Xây dựng thử nghiệm mạng cảm nhận không dây
kiến trúc CLUSTER

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

5


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY
I.1Định nghĩa mạng cảm nhận không dây

Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là
một mạng không dây mà các nút mạng là các vi điều khiển sau khi đã
được cài đặt các phần mềm nhúng kết hợp với các bộ phát sóng vơ

tuyến cùng với các cảm biến và nó có khả năng thu nhận, xử lý dữ liệu
từ các nút mạng và môi trường xung quanh nut mạng
I.2. Yêu cầu của mạng cảm nhận không dây

+ Các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít.
+ Các nút mạng có thời gian sống dài
+ Độ bao phủ rộng
+ Mạng phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra
các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng.
+ Tích hợp ADC để có thể ghép nối với cảm biến tương tự
+ Kích thước vật lý nhỏ
+ Bảo mật và tốc độ thu thập thông tin hiệu quả
+ Giá thành rẻ và tính dễ triển khai
I.3.Ưu nhược điểm của WSN
I.3.1 Ưu điểm của WSN

+ Tính linh hoạt cao (khơng cần cơ sở hạ tầng)
+ Tiết kiệm được chi phi lắp đặt
+ Dễ dàng sử dụng và cài đặt
+ Dễ dàng mở rộng h thng mng

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

6


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

I.3.2 Nhược điểm của WSN

+ Mạng cảm nhận khơng dây có thể cho mọi người truy cập ở
bất kỳ đâu nhưng do thiết bị di động có màn hình hiển thị nhỏ
nên khi hiển thi thơng tin gặp khó khăn
+Tốc độ truyền dữ liệu của mạng khơng dây chậm
+An tồn bảo mật thông tin trên mạng phức tạp
+ Thời gian sống của nút mạng phụ thuộc vào nguồn pin độc lập
gắn theo nút mạng
I.4. CácKiến trúc của mạng cảm nhận không dây
I.4.1 Mạng đơn

Tất cả các nút liên lạc trực tiếp tới trạm gốc

I.4.2 Mạng liên kết bước
Các nút ở xa truyền dữ liệu tới trạm gốc thông qua các nút trung
gian, nhằm giảm năng lượng tiêu thụ cho các nỳt xa nỳt gc

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

7


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

Hình 1.2 :Kiến trúc mạng liên kết bước

I.4.3 Mạng liên kết bó.

Nhóm các nút gần nhau tập hợp dữ liệu và đánh dấu một nút giữ
việc truyền thông với trạm gc.

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

8


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

I.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế giới và Việt Nam
hiện nay
I.5.1 Ứng dụng WSN ở Trên thế giới
Trên thế giới đang hình thành những trào lưu nghiên cứu, phát triển và khai
thác các ứng dụng rất đa dạng của WSN. Đã thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi
WSN trong tất cả các lĩnh vực như trong truyền thơng, sản xuất tự động hố ,y tế
,quốc phịng và nghiên cứu mơi trường...để thu thập thơng tin cần thiết qua
những môi trường nhạy cảm, vượt qua cách trở địa lý .
Ví dụ như : Thu thập thông tin về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng, áp suất… trong các phân xưởng, nhà kho, hầm mỏ, trong sản xuất nông
nghiệp, ứng dung trong theo doi sức khoẻ y tế,điều khiển tự động trong công

nghiệp, giám sát an ninh quốc phòng.
I.5.2 Ứng dụng WSN ở Việt Nam
Ở nước ta bài toán tự động hoá đang được đặt ra cho mọi lĩnh vực kinh tế,
quốc phòng...nhằm nâng cao hiệu quả cơng việc, tiến kịp trình độ chung của khu
vực và thế giới .Việc nghiên cứu và ứng dụng WSN mới bắt đầu nghiên cứu và
chưa có ứng dụng cụ thể nào chỉ tạm thời có nhóm nghiên cứu của ĐHQG
như :Nghiên cứu về lý thuyết ,nghiên cứu và cấu hình truyền thơng giữa hai nút,
truyền thơng tuyến tính đa bước để đo một số thơng số như :Nhiệt độ, độ ẩm ,
Quang học….Vì vậy nhu cầu nghiên cứu triển khai WSN trong các lĩnh vực là
rất lớn v cn thit.

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

9


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

CHƯƠNG II
KIẾN TRÚC NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY
Kiến trúc của một nút mạng cảm nhận không dây gần tương tự như kiến
trúc của một máy tính thơng thường, gồm các thành phần chính như : Bộ vi xử
lý, bộ lưu trữ, bộ truyền thông, và bộ cảm nhận, bộ khởi động.
II.1 Bộ vi xử lý (xử lý dữ liệu: Nhiều loại)
Xử lý dữ lệu thu thập từ môi trường, xử lý tín hiệu truyền nhận giữa các
nút mạng do cấu tạo của nút mạng rất nhỏ nên bộ vi xử lý phải đáp ứng

được kiến trúc nhỏ ,tiêu thu điện năng ít...(ví dự như CC1010 của hãng Chipcon)
II.2 Bo mạnh
Bao gồm nguồn nuôi, các cổng giao tiếp và là nơi để tích hợp các thiết bị
như : bộ cảm biến ,bộ lưu trữ dữ liệu,bộ truyền thông…
II.3 Bộ lưu trữ
Các nút mạng cảm nhận khơng dây có những thành phần lưu trữ rất
nhỏ. Chúng thường sử dụng bộ nhớ DRAM và Flash. việc truyền thơng
chính là thành phần tiêu thụ năng lượng chính của mạng cảm nhận khơng dây do
vậy n ếu chúng ta mong muốn khả năng lưu trữ tại mỗi nút mạng sẽ tăng lên thì
phải qu ản lý được năng lượng của mạng.
II.4 Bộ truyền thông
Gồm ăng ten (thu, phát sóng radio với bước sóng trong giải khơng cần cấp
phép của ISM).
Mơ hình truyền thơng thường được đề cập trong mạng cảm nhận không
dây hiện thời là việc truyền thơng đa bước theo kiến trúc bó. Các kết quả hiện
thời chỉ ra rằng việc truyền thông đa bước theo kiến trúc bó sẽ tiết kiệm được
năng lượng chỉ có nút gốc sẽ tiêu thu điện năng khá lớn vì chính việc lắng nghe
u cầu năng lượng ngang bng vi vic truyn thụng tin.

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

10


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

II.5 Bộ cảm biến, bộ khởi động
Có rất nhiều loại cảm biến như cảm biến quang, cơ, nhiệt.... bộ cảm biến như
là đôi mắt của mạng cảm nhận không dây bộ khởi động như là cơ bắp của nó
II.6 Giới thiệu về vi điều khiển CC1010
Chip CC1010 là một bộ vi xử lí hồn hảo cho các ứng dụng truyền nhận
khơng dây. CC1010 được tích hợp rất nhiều các tính năng phục vụ cho các ứng
dụng không dây như bộ truyền nhận vô vuyến, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ lập
trình Flash, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp... Vì vậy CC1010 chỉ cần
đến rất ít các thành phần phụ trợ khác để có thể trở thành một nút mạng của
mạng cảm nhận không dây. Chip CC1010 thuộc họ vi điều khiển 8051, nên
mang đầy đủ các đặc tính của họ vi điều khiển 8051, sau đây là các đặc điểm
của CC1010:Tốc độ xử lý bằng 2.5 lần vi điều khiển 8051 chuẩn.
32 kB flash, 2048 + 128 Byte SRAM
3 kênh ADC 10 bit
4 bộ định thời
2 cổng UART, RTC
Watchdog
Giao diện lập trình SPI
Bộ mã hóa DES tích hợp bên trong
26 chân vào ra chung
Nguồn cung cấp 2.7 - 3.6 V
Bộ thu phát sóng vơ tuyến 300-1000MHz
Tiêu thụ dịng rất thấp (9.1 mA trong chế độ thu)
Công suất phát có thể lập trình được (có thể lên tới +10dBm)
Tốc thu phỏt d liu lờn ti 76.8 kbit/
Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

11

Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

CHƯƠNG III
MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY - KIẾN TRÚC CLUSTER
III.1 Giới thiệu chung về kiến trúc CLUSTER
Trong mạng tổ chức thành một tập hợp của những bó các nút, mỗi nút
thuộc về ít nhất một bó. Mỗi bó có tiều đề bó hành động như một điều khiển cục
bộ cho những nút bên trong bó.
Những nút trong bó thực hiện một giải thuật để chọn nút đầu bó và các nút thành
viên khác. Tất cả các nút thành viên trong bó truyền dữ liệu của chúng tới nút
đầu bó, sử dụng giao thức TDMA điều khiển truy cập. Trong khi đó nút đầu bó
nhận dữ liệu từ tất cả các thành viên trong bó, thực hiện xử lý dữ liệu và truyền
dữ liệu tới trạm gốc.

Base Station

Hình 3.1: Kiến trúc mạng liên kết bó
Ưu điểm:
 Tiết kiệm năng lượng truyền tải từ các nút tới trạm gốc
 Quản lý dễ
 Hạn chế xung đột giữa các gói tin truyền về nút trung tâm
 Tiện dụng có thể truy cập ở bất kì chỗ nào(trong vùng phủ sóng)
 Dễ dàng mở rng kớch thc mng

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

12


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

Nhược điểm:
Năng lượng tại các nút đầu bó tiêu hao nhanh chóng, có thể dẫn tới hoạt
động của bó tạm dừng. do thiết bị di động có màn hình hiển thị nhỏ nên khi hiển
thi thơng tin gặp khó khăn.Tốc độ truyền thơng chậm,bảo mật thơng tin gặp
nhiều khó khăn…
III.2 Cấu trúc bó (địa chỉ các nút trong bó)
Mạng thiết kế bắt đầu với gốc(DD-Designated Device), sự nhận biết của
DD là sự nhận dạng mạng (NetID) DD được định nghĩa là đầu bó của bó 0.
Trong mạng các nút tổ chức thành một tập hợp của những bó, mỗi nút thuộc về
ít nhất một bó. Những nút trong bó sẽ được gán địa chỉ (NID-Node
Indentification) nhận ra nút gốc của bó.nút gốc của bó sẽ được gán cả địa chỉ
(CID-Cluster Indentification)nhận dạng bó.

Hình 3.2 : mơ hình WSN hình cây kin trỳc bú

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

13

Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

Việc tự tổ chức bó trong mạng có thể theo hai cách tương tự với tinh thể
- Cách đầu tiên có thể được xem bằng cách tiếp cận đơn tinh thể:
Trong giải thuật này những nút xung quanh DD không phải thực hiện
truyền thơng với việc phát triển mạng có thể không liên lạc với nhau như những
nút kết nối mạng ,chúng được gán những chức năng như những bình thường nút
hoặc nhũng nút đầu bó như vậy phát triển cây phân cấp được kiểm soat bởi DD
Những nút thực hiện giải thuật để chọn nút đầu bó. Một vấn đề là sử dụng
các bó trong những mạng cảm nhận khơng dây những nút đầu bó tiêu thụ điện
lớn hơn tiêu thụ điện trung bình của các nút trong bó. Các nút này vì chúng điều
khiển truyền thơng điệp, có những chu trình tác vụ cao hơn và bởi vậy tuổi thọ
nguồn pin ngắn hơn hẳn các nút mạng khác.Vấn đề này được khắc phục trong
giao thức phân cấp năng lượng thấp (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy LEACH)

III.3 Chu kỳ thiết lập bó, các giải thuật tạo nút đầu bó
III.3.1Chu kỳ thiết lập bó
Tại mỗi vịng bao gồm một giai đoạn thiết lập bó và một số lượng các khung
thời gian truyền dữ liệu dành cho các nút mạng. Trong giai đoạn thiết lập bó ta
lựa chọn một giải thuật chọn các nút đầu bó thích hợp với từng vịng, các nút
đầu bó được chọn sẽ quảng bá một thơng điệp thông báo đến các nút lân cận sự
tồn tại của mình. Các nút lân cận sẽ tiếp nhận các thơng điệp thơng báo của các
nút đầu bó và sẽ lựa chọn để trở thành nút thành viên của bó thích hợp bằng
cách gửi lại một thơng điệp đồng ý tới nút đầu bó mà nó tham gia. Nút đầu bó
tiếp nhận các thơng điệp từ các nút thành viên tham gia vào nhóm, sau đó nó sẽ
tạp ra lịch trình TDMA và gửi tới các nút thành viên của bó để thơng báo khung
thời gian làm việc của các thnh viờn.

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

14


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

Trong mỗi giai đoạn thiết lập bó ta sẽ có một kiến trúc bó mới bao gồm một
nút đầu bó mới và các nút thành viên, tùy thuộc vào giải thuật chọn nút đầu bó
mà chúng ta chọn. Lập lại q trình trên cho đến khi khơng thể thiết lập được
kiến trúc mạng (Tiêu thụ hết năng lượng).

III.3.2 Giải thuật chọn nút đầu bó
Trong kiến trúc mạng liên kết bó thì vai trị của nút đầu bó là vơ cùng quan
trọng. Nút đầu bó lưu dữ thơng tin về tất cả các nút trong bó, tập hợp dữ liệu từ
các nút trong bó chuyển tới, cũng như truyền tín hiệu tới các nút trong bó. Nếu
như nút đầu bó khơng cịn hoạt động thì tất cả các nút trong bó khơng thể làm
việc. Việc chọn đầu bó sao cho thích hợp là một cơng việc u cầu địi hỏi có sự
chính xác và thích hợp giúp cho hệ thống mạng hoạt động một cách hiệu quả.
Do đó trong giai đoạn thiết lập bó, ta cần chọn một giải thuật thích hợp để
lựa chọn nút đầu bó trong mỗi vịng để đảm bảo năng lượng tải dành cho nút đầu
bó được phân đều cho các nút mạng. Lựa chọn một nút đầu bó như thế nào cho
thích hợp cho từng trường hợp là vấn đề cần phải quan tâm giải quyết.

§å án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

15


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

Trong phạm vi đề tài chỉ tiến hành nghiên cứu việc lựa chọn nút đầu bó sao
cho thích hợp đối với một kiến trúc mạng bao gồm số lượng bó và các nút thành
viên đã được xác định sẵn. Với các nút trong bó đều có khả năng trở thành nút
đầu bó của các nút thành viên trong bó, tức là không bị giới hạn về phạm vi để
trở thành nút đầu bó của bó đã xác định. Việc lựa chọn như vậy giúp ta có thể
đánh giá một cách chính xác được kết quả của giải thuật hơn.
Để bắt đầu tiến hành xem xét việc lựa chọn nút đầu bó ta cần quan tâm tới
trạng thái của các nút trong bó để lựa chọn giải thuật xác định nút đầu bó sao
cho thích hợp.
Trường hợp 1
• Mỗi nút tự bầu chọn chính mình thành nút đầu bó với xác suất Pi(t) trong
tổng số N nút mạng

• Để đảm bảo mỗi nút trở thành nút đầu bó duy nhất một lần trong mỗi N/k
vòng, đánh dấu Ci(t) = 0 nếu nút đã là nút đầu bó trong vịng hiện tại và
Ci(t) = 1 nếu ngược lại
Mỗi cá nhân nút chọn làm nút đầu bó trong vịng r với xác suất:

Giá trị: N - k*(r mod N/k) đại diện
Giá trị: N - k*(r mod N/k) đại diện cho số lýợng các nút chưa được chọn

Sử dụng r mod N/k bảo đảm bắt đầu lại sau khi tất cả các nút đã c chn lc

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

16


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng

Trng hp 2
ã Cỏc nỳt cú mc nng lng cao hơn sẽ có xác suất trở thành nút đầu bó
cao hơn các nút khác
• Như vậy, xác suất mỗi nút được chọn dựa trên mức năng lượng của mỗi
nút và mức năng lượng tổng thể của các nút trong bó

• Với Ei(t) là mức năng lượng của nút i

• Chú ý rằng giải thuật này yêu cầu mỗi nút cần phải biết giá trị Etotal(t), để
xác định chính xác giá trị thời gian hoạt động và năng lượng tiêu thụ
• Để tính tốn được tổng năng lượng các nút trong bó
– Các nút thường xun thơng báo mức năng lượng hiện tại của mình
cho nút đầu bó.
– Nút đầu bó tính tốn mức năng lượng và gửi giá trị Etotal(t) này tới
tất cả các nút trong bó
III.3.3 Thiết lập bó
Sau khi chọn được nút đầu bó q trình thiết lập bó được bắt đầu thực hiện.

Nút đầu bó quảng bá gói tin thơng báo (ADV) sử dụng phương pháp điều khiển
truy cập CSMA - đa truy cập cảm nhận sóng mang, để thơng báo sự hiện diện
của mình và đón nhn cỏc nỳt thnh viờn trong bú.

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

17


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

Các nút khơng phải là nút đầu bó sẽ chờ đợi để nhận các thơng báo ADV
của các bó mà chúng có thể tham gia và chọn tham gia vào bó mà chúng thích
hợp nhất. Sau khi chọn được bó mà chúng tham gia, các nút này sẽ gửi sự lựa
chọn của mình tới nút đầu bó với một thơng báo gia nhập (Join-REQ). Nút đầu
bó sau khi nhận được gói tin Join-REQ của các nút mạng sẽ tạo một lịch trình
TDMA quy định dành cho các nút mạng trong bó và gửi tới các nút thành viên.
Quy trình làm việc có thể mơ tả như sau:

Hình 3.4: sơ đồ thit lp bú

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

18

Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

Ta có thể giải thích sơ đồ thiết lập bó như sau:
Ban đầu mỗi nút sẽ kiểm tra xem mình có phải là nút đầu bó hay chưa.
Nếu là nút đầu bó, thì nút sẽ quảng bá một thơng điệp quảng cáo về tình trạng
nút đầu bó của mình để các nút lân cận có thể biết được.
Nếu một nút khơng phải là nút đầu bó thì sẽ chờ đợi để nhận thơng điệp
quảng cáo của các nút đầu bó, rồi quyết định chọn bó mà nút tham gia vào bằng
cách gửi thông báo gia nhập join-REQ tới nút đầu bó mà nút tham gia.
Nút đầu bó sau khi đợi các thông điệp từ các nút thành viên tham gia hoạt
động trong nhóm sẽ tạo các lịch trình làm việc TDMA và gửi lịch trình đó tới
các nút thành viên trong bó. Sau đó nút đầu bó sẽ chuyển sang trạng thái ổn
định và bắt đầu làm việc.
Các nút thành viên nhận được lịch trình làm việc từ nút đầu bó mà mình
gia nhập cũng chuyển sang trạng thái ổn định và bắt đầu làm việc.
Sau khi quá trình thiết lập kết thúc, các nút bắt đầu làm việc trong trạng
thái ổn định .
Trên đây ta đã đi sâu nghiên cứu về kiến trúc mạng liên kết bó. Sau đây ta
xem xét về một giao thức đặc biệt được phát triển để khắc phục các khuyết điểm
của mạng liên kết bó, nhằm nâng cao hiệu quả của kiến trúc mạng liên kết bó,
giao thức mà chúng ta sẽ đề cập tới là giao thức phân cấp năng lượng thấp
LEACH – Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy.

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

19


Khoa công nghệ thông tin

Trờng Đại học Dân lập Hải Phßng

III.3.4 Giao thức phân cấp năng lượng thấp LEACH
Để giải quyết vấn đề sử dụng năng lượng cho các nút trong mạng cảm nhận
không dây, giao thức phân cấp năng lượng thấp LEACH được phát triển. Giao
thức LEACH bao gồm các đặc tính sau:
 Ngẫu nhiên, thích ứng, tự tổ chức
 Điều khiển truyền thông dữ liệu
 Truyền thông năng lượng thấp
 Ứng dụng đặc biệt để xử lý dữ liệu
Giải thuật LEACH quay vịng ngẫu nhiên vị trí của nút đầu bó giữa các nút
trong bó để tránh làm tiêu hao năng lượng của bất kỳ năng lượng của một nút
nào trong mạng. Trong cách này, năng lượng tải cho nút đầu bó được phân tán
bằng nhau giữa tất cả các nút.
Thao tác của LEACH được chia làm nhiều vòng, mỗi vòng bắt đầu với giai
đoạn thiết lập (set-up phase), khi các bó được tổ chức, tiếp theo là giai đoạn
“trạng thái ổn định” (steady-state phase), nơi vài khung dữ liệu được truyền từ
các nút tới nút đầu bó, rồi tới trạm cuối, như trong hình sau:

Hình 3.5: Time line của LEACH
Các nút phải đều đồng bộ hóa thời gian để bắt đầu giai đoạn thiết lập cùng
thời điểm. Nên tối giản sự phức tạp trong thiết lập, vì giai đoạn trạng thái ổn
định kéo dài hơn so với giai đoạn thiết lập.
giai đoạn 1: quảng bá

Mỗi nút tự bầu chọn mình là một nút đầu bó cho vịng hiện tại bằng cách
quảng bá một thông báo tới tất c cỏc nỳt cũn li. Trong giai on ClusterĐồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hạnh

20