Chuyên đề: “Định tuyến trong mạng WSN“

1
Nhóm 9
D11VT3
CSKT mạng truyền thông
Chuyên đề: “Định tuyến trong mạng WSN“
Giảng viên: Nguyễn Thu Hằng
CSKT mạng truyền thông
Chuyên đề: “Định tuyến trong mạng WSN“
Giảng viên: Nguyễn Thu Hằng
Nhóm sinh viên:
Nguyễn Hữu Đức
Lường Khắc Cường
Dương Văn Tuấn
Phạm Quang Ánh
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG
2
Nhóm 9
D11VT3
Nội dung:
Phần I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
(WSN)
Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không
dây
3
Nhóm 9
D11VT3
Phần I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN)
1.1 Giới thiệu
chung
1.2 Cấu trúc

mạng WSN
1.3 Ứng dụng
4
Nhóm 9 D11VT3
Giới thiệu chung
- Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một mạng bao gồm
nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông
qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích
thu nhập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.
1.1
- Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần : Các bộ vi xử lý rất
nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích
thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt
bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng.
5
Nhóm 9 D11VT3
Giới thiệu chung
1.1
- Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm
quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính
là sự giới hạn về năng lượng của chúng.
Hinh 1: Cấu tạo của nút cảm biến
6
Nhóm 9 D11VT3
Cấu trúc mạng WSN
1.2
Hình 2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
- Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (2). Mỗi một nút cảm
biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.
- Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên.

Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng
Internet hoặc vệ tinh.
7
Nhóm 9 D11VT3
Cấu trúc mạng WSN
1.2
a, Cấu trúc phẳng (flat architecture)
-
Tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng.
-
Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ
tiếp sóng.
-
Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ
tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn.
Hình 3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây
8
Nhóm 9 D11VT3
Cấu trúc mạng WSN
1.2
b, Cấu trúc tầng (tiered architecture)
-
Các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu
singlehop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn,
thường gọi là nút chủ (cluster head).
-
Các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mồi nút ở một mức xác định
thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Hình 4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến
không dây

9
Nhóm 9 D11VT3
Ứng dụng mạng WSN
1.3
Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến
động đất, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát vùng rộng các điều kiện xung
quanh đa dạng bao gồm:
+Nhiệt độ.
+Độ ẩm.
+Sự chuyển động của xe cộ.
+Điều kiện ánh sáng.
+Áp suất.
+Sự hình thành mặt đất.
+Mức nhiễu.
+Sự có mặt hay vắng của một đối tượng nào đó.
+Mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn.
+Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước
của đối tượng.
10
Nhóm 9 D11VT3
Ứng dụng mạng WSN
1.3

Trong quân đội:
- Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược.
- Giám sát chiến trường
- Giám sát địa hình và lực lượng quân địch
- Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường
- Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân
11

Nhóm 9 D11VT3
Ứng dụng mạng WSN
1.3

Trong môi trường:
-
Phát hiện cháy rừng
-
Phát hiện lũ lụt, gió mưa, ô nhiễm, chất thải
-
Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, rò rỉ…
12
Nhóm 9 D11VT3
Ứng dụng mạng WSN
1.3

Trong y tế và các hệ thống tự động:
-
Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện.
-
Hệ thống báo động khẩn cấp
-
Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông
-
Hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, báo hiệu kẹt xe, tai nạn…
-
Điều khiển tự động các thiết bị, robot.
-
Các thiết bị cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh trong nhà…
WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông

minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ viễn thông khác (hệ
thống thông tin di động, internet )
13
Nhóm 9
D11VT3
Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
2.1 Giao thức
trung tâm dữ liệu
2.2 Giao thức
phân cấp
2.3 Giao thức
dựa trên vị trí
14
Nhóm 9
D11VT3
Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến:
- Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp
- Rằng buộc về tài nguyên
- Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
- Cách truyền dữ liệu
15
Nhóm 9 D11VT3
2.1
Giao thức trung tâm dữ liệu
a, Flooding và Gossiping
-
Flooding:
+ Là kỹ thuật chung thường được sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong
mạng ad-hoc.

+ Đơn giản và không phụ thuộc vào cấu hình mạng và các giải thuật định tuyến phức
tạp.
+ Sử dụng phương pháp reactive nên mỗi nút nhận dữ liệu hoặc điều khiển dữ liệu để
gửi các gói tới các nút lân cận.
16
Nhóm 9 D11VT3
2.1
Giao thức trung tâm dữ liệu
-
Flooding:
Nhược điểm:
+ Hiện tượng bản tin kép
+ Hiện tượng chồng chéo
+ Các nút tiêu hao năng lượng, làm giảm thời gian sống của
mạng.
-
Flooding:
Nhược điểm:
+ Hiện tượng bản tin kép
+ Hiện tượng chồng chéo
+ Các nút tiêu hao năng lượng, làm giảm thời gian sống của
mạng.
Hình 5: truyền gói trong Flooding
- Gossiping (là cải tiến của flooding) thuật toán này cải tiến ở chỗ
mỗi nút sẽ ngẫu nhiên gửi gói mà nó nhận được đến một trong
các nút lân cận của nó. Nhược điểm: có gói k bao giờ tới được
đích.
- Gossiping (là cải tiến của flooding) thuật toán này cải tiến ở chỗ
mỗi nút sẽ ngẫu nhiên gửi gói mà nó nhận được đến một trong
các nút lân cận của nó. Nhược điểm: có gói k bao giờ tới được

đích.
17
Nhóm 9 D11VT3
2.1
Giao thức trung tâm dữ liệu
b, SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)
- là giao thức định tuyến thông tin trên sự dàn xếp dữ liệu.
- tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt
trong toàn bộ mạng.
- tránh được nguy cơ bị bùng nổ các gói và vấn đề chồng lấn trong giao thức flooding và
gossiping. Theo mô phỏng hiệu quả gấp 3.5 lần so với flooding. Giao thức còn đạt tốc
độ dữ liệu cao gần tối ưu so với lý thuyết.
18
Nhóm 9 D11VT3
2.1
Giao thức trung tâm dữ liệu
b, SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)
Để thực hiện truyền và xắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử dụng ba loại
bản tin.
Hình 6: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN
19
Nhóm 9 D11VT3
2.1
Giao thức trung tâm dữ liệu
c, Directed Diffusion
-
là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng
cảm biến không dây.
-
Với mục tiêu tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng, giao thức này

giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong
vùng lân cận mạng.
-
Gồm 4 thành phần chính:
+interest (các mối quan tâm của mạng).
+data message (các bản tin dữ liệu).
+gradient (độ chênh lệch)
+reinforcements (sự tăng cường)
20
Nhóm 9 D11VT3
2.2
Giao thức phân cấp
a, LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
- là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp (thu lượm và phân phát dữ
liệu tới các sink đặc biệt là các trạm cơ sở).
- mục tiêu chính:

Mở rộng thời gian sống của mạng

Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền dẫn trong mạng
21
Nhóm 9 D11VT3
2.2
Giao thức phân cấp
a, LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
Hình 7: Mô hình mạng LEACH
22
Nhóm 9 D11VT3

2.2
Giao thức phân cấp
a, LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

Ưu điểm:
tiết kiệm năng lượng, và sự tiết kiệm này phụ thuộc chủ yếu vào hệ số tập trung dữ
liệu các nút chủ của cụm.

Nhược điểm:
- Các node chính ở xa trạm gốc sẽ tiêu thụ năng lượng nhiều và dừng hoạt động nhanh
hơn các node khác.
- Chu kì ngắn làm tăng năng lượng mào đầu, chu kì dài thì sẽ làm tiêu hao năng lượng
nút chủ.
23
Nhóm 9 D11VT3
2.2
Giao thức phân cấp
b, PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)
- là một họ các giao thức định tuyến và tập trung thông tin trong mạng cảm biến.
- hỗ trợ kéo dài thời gian sống của mạng nhờ đạt được việc tiêu thụ năng lượng đồng
nhất và hiệu suất năng lượng cao qua tất cả các nút trong mạng.
- giảm trễ truyền dữ liệu đến sink.
24
Nhóm 9 D11VT3
2.2
Giao thức phân cấp
b, PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)
- Dùng PEGASIS sẽ giải quyết được vấn đề về mào đầu gây ra bởi việc hình thành
các cụm động trong LEACH và giảm được số lần truyền và nhận bằng việc tập hợp
dữ liệu. Tuy nhiên PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn đối với các nút ở xa trong

chuỗi. Hơn nữa ở nút chính có thể xảy ra hiện tượng thắt cổ chai.
25
Nhóm 9 D11VT3
2.3
Giao thức dựa trên vị trí
Mục tiêu chính của giải thuật định tuyến này là dựa vào các thông tin về vị trí của các
nút cảm biến để tìm một đường đi hiệu quả đến đích. Loại định tuyến này rất phù hợp
với mạng cảm biến nơi mà việc tập trung dữ liệu là kỹ thuật hữu ích để giảm thiểu việc
truyền bản tin đến trạm cơ sở bằng cách loại bỏ sự dư thừa giữa các gói đến từ các
nguồn khác nhau. Loại định tuyến này còn yêu cầu sự tính toán và lượng mào đầu
truyền dẫn thấp.
Mục tiêu chính của giải thuật định tuyến này là dựa vào các thông tin về vị trí của các
nút cảm biến để tìm một đường đi hiệu quả đến đích. Loại định tuyến này rất phù hợp
với mạng cảm biến nơi mà việc tập trung dữ liệu là kỹ thuật hữu ích để giảm thiểu việc
truyền bản tin đến trạm cơ sở bằng cách loại bỏ sự dư thừa giữa các gói đến từ các
nguồn khác nhau. Loại định tuyến này còn yêu cầu sự tính toán và lượng mào đầu
truyền dẫn thấp.