ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP-Đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến phân cấp

Đề tài:
Đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến phân cấp
mạng WSN
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Đặng Trung Hiếu
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đình Thiệu
Hà Nội, 1-2013
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐiỆN LỰC
Khoa Điện tử Viễn thông
NỘI DUNG
Giao thức định tuyến phân cấp trong mạng
WSN
2
Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1
Đánh giá mức tiêu thụ năng lượng giao
thức định tuyến phân cấp mạng WSN
3
Đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến phân cấp mạng WSN
 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là mạng
liên kết các thiết bị tự vận hành, liên kết với nhau bằng kết nối
sóng vô tuyến trang bị cảm biến để giám sát các tham số trong
một môi trường vật lý.
 Các nút mạng có chức năng cảm ứng, quan sát môi trường xung
quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, âm thanh, độ rung, độ bức
xạ, độ ô nhiễm…; theo dõi các mục tiêu cố định hoặc di động.
Giới thiệu
Sink
Internet,
vệ tinh
Nút cảm biến
Trường cảm biến

Người dùng
Nút quản
lý tác vụ
Mô hình hoạt động của mạng WSN
Ứng dụng
mạng WSN
Ngôi nhà thông minh
HT giao thông thông minh
Môi trường và nông nghiệp
Quân sự và an toàn
công nghiệp
Y tế và giám sát sức khỏe
Giám sát hoạt động
công nghiệp
Ứng dụng của mạng WSN
 Số lượng nút cảm biến khá lớn nên không thể xây dựng một
quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai.
 Các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý
và dung lượng bộ nhớ.
 Số liệu được lựa chọn bởi các nút cảm biến thường dựa vào
hiện tượng chung, do đó sẽ có độ dư thừa.
Vấn đề định tuyến trong mạng WSN
 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierachy): giao thức phân cấp
theo cụm thích ứng năng lượng thấp dùng trong mạng WSN.
 Mục tiêu chính của LEACH là mở rộng thời gian sống của mạng, giảm sự
tiêu thụ năng lượng của mỗi nút mạng, sử dụng tập trung dữ liệu để giảm
bản tin truyền dẫn trong mạng.
Giao thức định tuyến LEACH
Mô hình mạng WSN sử dụng giao thức định tuyến phân cấp LEACH
Giao thức định tuyến LEACH (tiếp)

Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành 2 pha là
pha thiết lập và pha ổn định.
 Pha thiết lập bao gồm 2 bước là lựa chọn nút chủ và
thông tin về cụm.
 Pha ổn định trạng thái gồm thu thập dữ liệu, tập trung
dữ liệu và truyền đến trạm gốc.
P: tỷ lệ phần trăm mong muốn trở thành nút chủ
cụm.
r: vòng (chu kỳ) hiện tại
G: tập hợp các nút chưa trở thành nút chủ cụm ở
1/P vòng trước đó

 PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems): Tập
trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến.
 Mục tiêu chính của PEGASIS là làm giảm năng lượng tiêu thụ và truyền
dữ liệu thu thập được từ các nút đến trạm gốc với độ trễ thấp.
Mô hình mạng WSN sử dụng giao thức định tuyến phân cấp PEGASIS
Giao thức định tuyến PEGASIS
Giao thức định tuyến PEGASIS (tiếp)
Quá trình hoạt động của PEGASIS:
 Khởi tạo mạng, xây dựng chuỗi.
 Chọn nút chủ.
 Truyền dữ liệu.
 Xử lý lỗi khi nút chết.
Xử lý lỗi khi một nút chết
1
2
3
4
5

6
BS
Mô hình mạng PEGASIS
 Mặc dù có những cải tiến đáng kể so với LEACH, nhưng một vấn đề
hạn chế trong PEGASIS là trễ truyền.
 Mô hình khắc phục nhược điểm của PEGASIS
Giao thức định tuyến PEGASIS (tiếp)
Mô hình chuỗi con
Giải thuật tập hợp dữ liệu song song
Thiết lập thông số mô phỏng
Đánh giá mức tiêu thụ năng lượng giao thức định
tuyến phân cấp mạng WSN
Số
nút 100 nút 100 nút 100 nút
Phạm
vi 50m x 50m 50m x 50m 100m x 100m
Năng
lượng ban đầu 0.25J 0.5J 0.25J
Năng
lượng tiêu tốn khi
xử
lý
1 bit
50nJ/bit
50nJ/bit

50nJ/bit

Chiều
dài mỗi bản

tin
DATA

2000bit 2000bit 2000bit
1. Kết quả mô phỏng mạng có kích thước (50m,50m) với mức năng lượng ban đầu 0.25J/node.
Đánh giá mức tiêu thụ năng lượng giao thức định
tuyến phân cấp mạng WSN (tiếp)
Giao thức 1% nút chết 20% nút chết 50% nút chết 100% nút chết
Direct 54 62 76 117
LEACH 402 480 523 635
PEGASIS 788 1004 1041 1096
2. Kết quả mô phỏng mạng có kích thước (50m,50m) với mức năng lượng ban đầu 0.5J/node.
Giao thức 1% nút chết 20% nút chết 50% nút chết 100% nút chết
Direct 108 124 152 235
LEACH 803 962 1036 1208
PEGASIS 1578 2011 2082 2192
3. Kết quả mô phỏng mạng có kích thước (100m,100m) với mức năng lượng ban đầu 0.25J/node.
Giao thức 1% nút chết 20% nút chết 50% nút chết 100% nút chết
Direct
14 16 20 30
LEACH
166 204 232 308
PEGASIS
335 624 684 779
Đơn vị: vòng chu kỳ
4. Tổng hợp kết quả mô phỏng
Phạm vi
Năng lượng
(J/Node)
Giao thức 1% nút chết 20% nút chết 50% nút chết 100% nút chết

50m x 50m
0.25
Direct 54 62 76 117
LEACH 402 480 523 635
PEGASIS 788 1004 1041 1096
0.5
Direct 108 124 152 235
LEACH 803 962 1036 1208
PEGASIS 1578 2011 2082 2192
1
Direct 215 248 304 471
LEACH 1610 1921 2055 2351
PEGASIS 3159 4023 4165 4379
100m x 100m
0.25
Direct 14 16 20 30
LEACH 166 204 232 308
PEGASIS 335 624 684 779
0.5
Direct 28 32 40 61
LEACH 339 408 461 576
PEGASIS 675 1250 1362 1544
1
Direct 56 64 80 122
LEACH 690 812 911 1077
PEGASIS 1346 2497 2720 3076
Đánh giá mức tiêu thụ năng lượng giao thức định
tuyến phân cấp mạng WSN (tiếp)
Đơn vị: vòng chu kỳ

Đánh giá mức tiêu thụ năng lượng giao thức định
tuyến phân cấp mạng WSN (tiếp)
Nhận xét, đánh giá chung
 PEGASIS tiết kiệm năng lượng hơn so với LEACH và Direct.
 Trong PEGASIS, các nút chết đồng loạt sau khi 20% nút trong mạng bị
chết.
 PEGASIS khắc phục được nhược điểm của LEACH bằng cách loại bỏ
thông tin mào đầu của các cụm động, tối thiểu hóa khoảng cách truyền
nhận giữa các nút trong mạng và chỉ sử dụng 1 lần truyền dữ liệu hợp
nhất đến trạm cơ sở.
14/01/2014
KẾT LUẬN
 LEACH vào PEGASIS có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn
so với Direct
 Mặc dù có những cải tiến đáng kể so với LEACH nhưng
PEGASIS vẫn tồn tại hạn chế đó là trễ trong mạng khá lớn,
đặc biệt là khi kích hướng mạng lớn.
Xin trân trọng cảm ơn!