NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TÌM ĐƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC
TÌM ĐƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
Sinh viên thực hiện: TRẦN TUẤN VIỆT
Lớp ĐT3- K50
Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN NAM QUÂN

Hà nội, 6 -2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------------------
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
---------------------------------
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ……………………………… Số hiệu sinh viên: ……………..
Khoá: ………. Khoa: ……………………………..Ngành: ………………………...
1. Đầu đề đồ án:
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

 Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
 Ứng dụng mạng cảm biến không dây.
 Các giao thức điều khiển truy cập trong mạng cảm biến không dây.
 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây.
 Kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến.
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
2
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn:
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …………..................
7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………….
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
3
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ...............................................Số hiệu sinh viên:.........................
Ngành:.................................................................................Khoá:................................
Giảng viên hướng dẫn:.................................................................................................
Cán bộ phản biện:........................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
...............................................................................................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
........................................................................................................................
4
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..............................................................................................................
Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
5

Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
LỜI NÓI ĐẦU
Trước sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin và truyền thông. Nhu
cầu trao đổi thông tin, dữ liệu của con người ngày càng cao và đa dạng. Chính vì
những nhu cầu và sự phát triển đó mà những mạng bao gồm các cảm biến giá thành
rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa dạng các chức năng đã nhận được sự chú ý đáng kể.
Khi mạng cảm biến không dây xuất hiện trên thị trường và trở thành một lựa chọn
khả thi, thì mạng cảm biến không dây bắt đầu mang một diện mạo mới. Sự phát triển
của công nghệ là nhân tố thúc đẩy thế giới cảm biến tìm đến các giải pháp thay thế để
giảm chi phí, độ phức tạp và tăng mức độ tin cậy.
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đã
lựa chọn và đi sâu vào nghiên cứu và mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng
cảm biến không dây. Vì việc đưa ra giao thức định tuyến như thế nào là một bài toán
rất khó để giải quyết được vấn đề năng lượng cũng như trễ truyền dẫn. Do đó mà em
đã quyết định chọn đề tài này làm đồ án tốt nghiệp.
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những kiến thức quý
báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trong suốt năm năm
qua. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong suốt
thời gian đó.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Nam Quân đã tận tình chỉ bảo và giúp
đỡ chỉ dẫn giúp em hoàn thành đề tài này,và em cũng chân thành cảm ơn TS .Hoàng
Mạnh Thắng và Kỹ Sư Nguyễn Huy Hoàng thuộc bộ môn Điện Tử Tin Học – Khoa
Điện Tử - Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,đã có những lời khuyên
quý báu trong quá trình làm đồ án . Các thầy đã giúp đỡ em về mọi mặt trong suốt
quá trình thực hiện đề tài này .
Hà Nội, tháng 5 năm 2010
SV Trần Tuấn Việt
ĐT3 – K50 6 Trần Tuấn Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng

cảm biến không dây
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Sự phát triển của mạng cảm biến không dây mở đầu là các ứng dụng trong
quân đội. Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngày nay mạng
cảm biến không dây còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân dụng bao gồm :
giám sát môi trường sống, chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh và điều khiển giao
thông.
Mạng cảm biến không dây là một lĩnh vực rất sâu rộng, đồ án này sẽ giới thiệu
một cách khái quát nhất về các đặc điểm của mạng cảm biến không dây. Sau đó phần
cuối cùng sẽ là các kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến
không dây, sử dụng phần mềm OMNet++
Đồ án này gồm 5 chương :
Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương này trình bày
những khái niệm chung nhất về mạng cảm biến không dây và đưa ra cấu trúc của
mạng cảm biến không dây.
Chương 2 : Ứng dụng mạng cảm biến không dây. Chương này trình bày
những ứng dụng cụ thể của mạng cảm biến không dây trong nhiều lĩnh vực của đời
sống.
Chương 3 : Giao thức điều khiển truy cập trong mạng cảm biến không dây.
Chương này đưa ra các giao thức đặc trưng trong mạng cảm biến không dây.
Chương 4 : Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Chương
này đưa ra các thuật toán định tuyến chủ yếu dùng trong mạng cảm biến không dây,
ví dụ : LEACH, PEGASIS, Directed Disffusion…
Chương 5 : Kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến LEACH sử dụng
OMNet++ Chương này sẽ đưa ra các hình ảnh minh họa về nguyên lý hoạt động của
các giao thức định tuyến.
ĐT3 – K50 7 Trần Tuấn Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
Abstract

The development of Wireless Sensor Network is begun by application for
army. However, The development of Science and technology, Nowadays, Wireless
Sensor Networks are also applied in many fields of application include :
invironmental monitoring, health care, smart home and control traffic.
Wireless Sensor Networks are a very broad field. This thesis will present the
best overview about the features of wireless sensor networks. Then the last part will
be the simulation results of routing protocols in wireless sensor networks, using
software OMNet++
This thesis include 5 chapters :
Chapter 1 : Overview of Wireless Sensor Networks. This chapter presents the
best general concept of wireless sensor networks and give the structure of wireless
sensor networks.
Chapter 2 : Applications of Wireless Sensor Networks. This chapter presents
the specific applications of wireless sensor networks in many fields of life.
Chapter 3 : Medium Access Control Protocols for Wireless Sensor Network.
This chapter offers specific protocols in wireless sensor networks.
Chapter 4 : Routing protocols for Wireless Sensor Networks. This chapter
offers the routing algorithm is mainly used in wireless sensor networks, for example :
LEACH, PEGASIS, Directed Disffusion…
Chapter 5 : The simulation results of routing protocols used OMNet++ This
chapter shows the illustration of the principles of operation of the routing protocols.
ĐT3 – K50 8 Trần Tuấn Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................................................................6
TÓM TẮT ĐỒ ÁN...................................................................................................................................................7
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN...............................................................................................11
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................................................................12
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN......................................................................................13

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.......................................................14
1.1 Giới thiệu...................................................................................................................... 14
1.2. Tổng quan về kĩ thuật WSN...........................................................................................18
1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến.....................19
1.2.2 Các thách thức và trở ngại:......................................................26
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.....................................................................29
2.1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây.................................................................29
2.2 Các ví dụ của mạng theo từng mô hình..........................................................................35
CHƯƠNG 3 : GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.................38
3.1 Giới thiệu .....................................................................................................................38
3.2 Mô hình giao thức cho WSNs........................................................................................38
3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs...............................................................................39
3.3.1 Giao thức MAC dựa trên cơ sở kế hoạch (Schedule-Based
Protocols) .............................................................................................40
3.3.2 Giao thức MAC truy cập ngẫu nhiên (Random Access-Based
Protocols)..............................................................................................41
3.4 Giao thức SENSOR MAC.................................................................................................42
3.4.1 Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep) ................42
3.4.2 Sự phối hợp và lựa chọn lịch làm việc. ....................................43
3.4.3 Đồng bộ khung thời gian............................................................44
3.4.4 Lắng nghe thích ứng..................................................................45
3.4.5 Điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu ....................................45
3.4.6 Chuyển thông điệp ....................................................................47
3.5 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs ....................................................................................48
CHƯƠNG 4 : GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..............................................56
4.1 Giới Thiệu..................................................................................................................... 56
4.2 Giao thức định tuyến trong WSNs.................................................................................58
4.2.1 Flooding và Gossiping.................................................................58
4.2.2 Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận (SPIN –
Sensor Protocols for Information via Negotiation)............................61

4.2.3 Phân nhóm phân cấp thích ứng năng lượng thấp (LEACH -
Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)...................................66
4.2.4 PEGASIS (Power – Efficient gathering in Sensor Information
System)..................................................................................................70
4.2.5 Directed Disffusion......................................................................73
CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH DÙNG OMNeT++ .....77
5.1. Giới thiệu chung về OMNeT++......................................................................................78
5.1.1. Tổng quan về OMNeT++...........................................................78
ĐT3 – K50 9 Trần Tuấn Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
5.1.2. Sử dụng OMNeT++....................................................................81
5.2 mô hình mô phỏng........................................................................................................85
5.2.1 xây dựng các module ..................................................................85
5.2.2 Mô phỏng đối tượng kẻ đột nhập (object module )...................88
5.2.3 Mô phỏng một mạng cảm biến với các đối tượng kẻ đột nhập 89
5.3 lý thuyết nền tảng.........................................................................................................92
5.3.1 cở sở lý thuyết thu phát không dây ...........................................92
5.4 Kết quả mô phỏng ......................................................................................................98
5.4.1 Tóm lược các bước mô phỏng....................................................98
5.5 Xây dựng kịch bản.........................................................................................................99
5.4.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................101
b. Pha ổn định trạng thái...................................................................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................................................111
ĐT3 – K50 10 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN
...................................................................................................................................................................20

Hình 1.1 : Mô hình mạng cảm biến thông thường.............................................................................................20
Hình 1.2 : Cấu tạo nút cảm biến..........................................................................................................................21
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến....................................................................................................23
Hình 1.4 : Các giao thức có thể dùng cho Lower-layer WSN..........................................................................24
Hình 1.5 : Cấu trúc phần cứng hạt Mica ...........................................................................................................27
Hình 2.1 : Mạng WSN cảnh báo cháy rừng. ......................................................................................................30
Hình 2.2 : Mạng WSN cảnh báo lũ lụt. ..............................................................................................................30
Hình 2.3 : Cảnh báo và đo thông số động đất....................................................................................................31
Hình 2.4 : Ứng dụng trong y tế ............................................................................................................................31
Hình 2.5 : Ứng dụng nhà thông minh .................................................................................................................32
Hình 2.6 : Ứng dụng trong quản lý hàng hóa.....................................................................................................32
Hình 2.7 : Ứng dụng ở cảng. ................................................................................................................................33
Hình 2.8 : Ứng dụng trong trồng trọt .................................................................................................................34
Hình 2.9 : Ứng dụng trong chăn nuôi ................................................................................................................34
Hình 2.10 : Ứng dụng trong quân sự ..................................................................................................................34
Hình 2.11 : Ứng dụng trong giao thông .............................................................................................................35
Hinh 2.12 : Máy bay rải các node vào khu ........................................................................................................36
Hinh 2.13 : Sự phân bố các nodes. ......................................................................................................................36
Hình 2.14 : Thông tin về nhiệt độ tại khu vực quan sát....................................................................................36
Hình 2.15 : Các node được chọn làm Cluster.....................................................................................................37
Hình 2.16 : Thông tin đươc gửi về máy tính.......................................................................................................37
Hình 3.1 : Mô hình tham chiếu OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu..............................................................39
Hình 3.2 : Giao thức MAC dựa trên TDMA ứng dụng trong WSN......................................................40
Hình 3.3 : Khung thời gian làm việc của node...................................................................................................43
Hình 3.4 : Sự đồng bộ và lựa chọn lịch làm việc của node biên...................................................................44
Hình 3.5 : Đồng bộ giữa máy thu và máy phát..................................................................................................44
Hình 3.6 : Mô hình tránh đụng độ trong S – MAC...........................................................................................46
Hình 3.7 : Quá trình truyền thông điệp trong S – MAC...................................................................................47
Hình 3.8 : Mô hình tham khảo IEEE 802.15.4 và Zig Bee................................................................................48
Hình 3.9 : Mô hình tham khảo ngăn xếp ZigBee...............................................................................................49

Hình 3.10 : Băng tần hoạt đông của lớp PYH IEEE 802.14.5.........................................................................50
Hình 3.11 : Cấu trúc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.14.5..................................................................51
Hình 3.12 : Cấu trúc liên kết mạng ............................................................................................................53
Hình 3.13 : Cấu trúc siêu khung. ...............................................................................................................54
Hình 3.14 : Khung dữ liệu và xác nhận AC........................................................................................................54
Hình 4.1 : Các ứng dụng trong mạng WSNs......................................................................................................56
Hình 4.2 : Mô hình truyền dữ liệu đa chặn........................................................................................................57
Hình 4.3 : Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin................................................................................59
Hình 4.4 : Bùng nổ lưu lượng do Flooding ........................................................................................................60
Hình 4.5 : Vấn đề overlap lưu lượng do Flooding.............................................................................................60
Hình 4.6 : Hoạt động cơ bản của giao thứ SPIN................................................................................................63
Hình 4.7 : Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN – PP..............................................................................64
Hình 4.8 : Giao thức SPIN – BC..........................................................................................................................65
Hình 4.9 : Mô hình mạng LEACH..................................................................................................67
Hình 4.10 Các pha trong LEACH. ......................................................................................................................68
Hình 4.11 : Cấu trúc mạng hình chuỗi................................................................................................................72
Hình 4.12 : Truyền interest. .................................................................................................................................75
Hình 4.13 : Hoạt động cơ bản của giao thức định tuyến Directed Disffusion................................................75
Hình 4.14 : Pha cài đặt gradient. ......................................................................................................................76
Hình 4.15 : Phân phối dữ liệu theo đường được chọn nâng cao chất lượng..................................................77
Hình 5.1 : Các module đơn giản và kết hợp.......................................................................................................80
Hình 5.2 : Các kết nối ...........................................................................................................................................81
Hình 5.3 : Lược đồ xây dựng và chạy một chương trình mô phỏng OmNet++.............................................84
ĐT3 – K50 11 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
Hình 5.4 cấu trúc một node cảm biến .................................................................................................................86
Hình 5.5 cấu trúc của node mô phỏng ................................................................................................................87
.........................................................................................................................................................................88

Hình 5.6 cấu trúc của đối tượng ..........................................................................................................................88
Hình 5.6 cấu trúc mô phỏng của đối tượng đột nhập.......................................................................................89
Hình 5.7 cấu trúc mô phỏng mạng trong omnet++............................................................................................90
Hình 5.8 Mạng luới cảm biến trong chế độ mô phỏng......................................................................................90
Hình 5.9: mô hình năng lượng cho một thiết bị không dây..............................................................................93
Hình 5.12 Tóm lược các bước mô phỏng ..........................................................................................................98
Hình 5.13 đồ thị đường đi của các đối tượng...................................................................................................100
Hinh 5.14: mô hình mạng của DC .....................................................................................................................101
Hinh 5.15: cảm biến các đối tượng và gửi tin về BS của DC..........................................................................102
Hình 5.16 : Quá trình lựa chọn cluster – head trong LEACH.......................................................................103
Hình 5.17 : Thiết lập kết nối từ node chính về trạm gốc trong LEACH............................................104
Hình 5.18: Cluster – heard gửi bản tin INVITATION đến các node lân cận trong LEACH.................104
Hình 5.19 : Node chính gửi bản tin IVITATION về trạm gốc trong LEACH.............................................105
Hình 5.20 : Hoàn thành pha thiết lập cluster...................................................................................................105
Hình 5.21 : Sự xuất hiện 4 đối tượng cần cảm biến.........................................................................................106
Hình 5.22 : Các node không tham gia vào cluster chuyển sang chế độ sleep...............................................106
Hình 5.23 : Bản tin SENSING_INFO được gửi đến node cảm biến.............................................................107
Hình 5.24 : Bản tin SENSING_DATA được gửi đến các node hàng xóm....................................................107
Hình 5.25 : Node chính forward đến các node thành viên..............................................................................108
Hình 5.26 : Node chính gửi dữ liệu đến trạm gốc............................................................................................108
Hình 5.27 : Hình ảnh các đối tượng đi sâu hơn vào mạng cảm biến............................................................109
KẾT LUẬN CHUNG...........................................................................................................................................110
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 : Các lĩnh vực nghiên cứu về WSNs.............................................................................16
Bảng 3.1 : Kênh truyền và tần số..................................................................................................................51
Bảng 3.2 : Băng tần và tốc độ dữ liệu..................................................................................................................51
Bảng 4.1 : Miêu tả interest sử dụng cặp thuộc tính giá trị...............................................................................74
Bảng 5.1 giả định làm cơ sỏ tính toán..................................................................................................................94
Bảng 5.2 tóm tắt các hoạt động và năng lượng tiêu thụ tương ứng của node cảm biến...............................96
Bảng 5.3 trạng thái của nobe cảm biến trong DC..............................................................................................96

Bảng 5.4: Tóm lược của các quốc gia trong Leach............................................................................................98
ĐT3 – K50 12 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN
Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt
WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
WINS Wireless Integrated Network Sensors
Cảm biến mạng tích hợp không
dây
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
TDMA Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
CSMA Carrier Sense Multiple Access
Truy cập đường truyền có lắng
nghe sóng mang.
SPIN
Sensor protocols for information via
negotiation
Giao thức cho thông tin dữ liệu
thông qua đàm phán
LEACH Low-energy adaptive clustering hierarchy
Giao thức phân cấp theo cụm
thích ứng năng lượng thấp
PEGASIS
Power-efficient Gathering in Sensor
Information Systems

Tổng hợp năng lượng trong các
hệ thống thông tin cảm biến
ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - Số
ĐT3 – K50 13 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
ADV Advertise Bản tin quảng bá
REQ Request Bản tin yêu cầu
DSSS Directed-Sequence Spread Spectrum Trải phổ tuần tự
BS Base Station (Sink) Trạm gốc
CH Cluster Head Nút chủ cụm
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu.
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang
được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như : theo dõi sự thay
đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc
tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc,
thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sĩ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các
bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ…
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của các hệ thống các công
nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch
tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu… đã tạo ra các con
cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp,
làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến.
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
ĐT3 – K50 14 Trần Tuấn

Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
hạn về năng lượng của chúng. Các node cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất
thấp. Các node cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế
được nguồn cung cấp. Do đó, khi mạng truyền thông tập trung vào mục đích đạt
được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung
đầu tiên vào bảo toàn công suất. Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một
mạng cảm biến và một mạng wireless khác chính là giá thành, mật độ node mạng,
phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu
thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode).
Mạng cảm biến (Sensor Networks) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng
cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân
tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiên tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào
đó. Có 4 thành phần cơ bản tạo nên một mạng cảm biến :
• Các cảm biến được phân bố theo một mô hình tập trung hay rải rác.
• Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến ( có dây hoặc vô tuyến ).
• Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering).
• Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý,
hay còn gọi là các mote. Mạng cảm biến không dây ( WSN ) là mạng cảm biến trong
đó liên kết các node cảm biến bằng sóng vô tuyến.(RF connection) trong đó các node
mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp … và có số lượng
lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non – topology) trên một diện tích
rộng.
Trong mạng cảm biến, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất
phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến
trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các cảm
biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường, và các cảm biến phục vụ
ĐT3 – K50 15 Trần Tuấn

Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
trong ứng dụng an ninh, sinh hóa…Ngày nay, cảm biến ngày càng được sử dụng rộng
rãi với số lượng lớn.
Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng
lượng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn , chu kì nhiệm vụ ngắn, quan hệ
đa điểm - điểm, số lượng lớn các cảm biến…
Cảm biến có thể bao gồm 1 hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng,từ nano
(1-100nm), meso (100 - 1000nm), micro (10 - 1000um), macro (vài mm - m),…
Như chúng ta đã biết thì WSNs, với đặc tính di động và trước đây chủ yếu cho
các ứng dụng quân sự, chính vì thế đòi hỏi tính bảo mật là khá cao. Ngày nay, các
ứng dụng WSNs mở rộng cho các ứng dụng dân dụng, môi trường, thương mại, việc
tiêu chuẩn hóa sẽ tạo ra tính thương mại cao cho WSNs đem lại một diện mạo mới
cho mạng cảm biến không dây. Bên cạnh đó, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học
công nghệ mạng cảm biến không dây đã vươn lên một tâm cao mới và khẳng định
được vị thế của mình trong lĩnh vực truyền thông. Các nghiên cứu về WSNs có thể
chia làm nhiều phần như trong bảng thống kê số liệu dưới đây :
Triển khai
Dò tìm mục tiêu
Định vị
Thu thập dữ liệu
Tập hợp
Bảo mật
Giao thức Mac
Truy vấn dữ liệu
Đồng bộ thời gian
9.70%
7.27%
6.06%

6.06%
5.76%
5.76%
4.85%
4.25%
3.64%
Bảng 1.1 : Các lĩnh vực nghiên cứu về WSNs
Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các node xử lý
giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải
quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí :
ĐT3 – K50 16 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
• Chu kỳ hoạt động ngắn.
• Xủ lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền.
• Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm suy hao
tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền.
WSNs được phân ra làm 2 loại chính, theo mô hình kết nối và định tuyến mà
các nodes sử dụng :
♦ Loại 1 ( C1WSNs ) :
• Sử dụng giao thức định tuyến động.
• Các node tìm đường đi tốt nhất tới đích.
• Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét).
• Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp.
• Vai trò các node sensor này với các node kế tiếp như là các trạm lặp (repeater).
• Mạng khá phức tạp.
♦ Loại 2 ( C2WSNs ) :
• Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh.
• 1 node không cung cấp thông tin cho các node khác.

• Mô hình sử dụng là đa điểm-điểm, kết nối radio đến node trung tâm.
• Khoảng cách vài trăm mét.
• Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các node khác.
• Hệ thống tương đối là đơn giản.
Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4 . Hoạt
động tại tần số 2.4 GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM), cung cấp đường
truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet
ĐT3 – K50 17 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
.Zigbee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như
bluetooth, wifi, ultrawideband(UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương
mại.
Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigee/IEEE 802.15.4 , các hệ thống dần phát
triển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh truyền
được tiêu chuẩn hóa. Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile adhoc
(MANETs). WSNs tương tự như MANETs theo một vài đặc điểm, cả hai đều là
chuẩn mạng wireless, multihop. Tuy nhiên, các ứng dụng và kỹ thuật giữa hai hệ
thống này là khác nhau.
• Dạng thông thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận, khác hẳn
điểm - điểm trong MANETs.
• Các node trong WSNs ít di động, trong khi adhoc các là di động.
• Trong WSNs, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tượng, sự kiện ở thế
giới thực. Ở MANETs chủ yếu là dữ liệu.
• Nguồn giới hạn, năng lượng trong WSNs được quản lí sử dụng rất chặt chẽ.
Trong MANETs có thể không bị giằng buộc bởi nguồn cung cấp do các thiết bị thông
tin có thể được thay thế nguồn cung cấp thường xuyên bởi người dùng.
• Số lượng node trong WSNs rất lớn, MANETs ít hơn.
• Do sự khác biệt giữa hai mô hình giao thức mà các giao thức định tuyến trong

MANETs không thể áp dụng hoàn toàn cho WSNs. Tuy nhiên WSNs có thể coi như
một phần trong MANETs (adhoc).
1.2. Tổng quan về kĩ thuật WSN
Như đã đề cập ở phần trên, một vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lí tại
node nguồn trung tâm, một số dùng giao thức xử lí theo cấu trúc hay gọi là xử lý
trước tại node. Thay vì gửi đi dữ liệu đến node chuyển tiếp, node thường dùng khả
năng xử lý của mình để giải quyết trước khi phát đi. Với dạng có cấu trúc, dữ liệu
ĐT3 – K50 18 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
được xử lý đến mức tốt nhất nhờ đó làm giảm được năng lượng cần dùng và băng
thông kênh truyền. Một vài kĩ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến như
sau:
• Kỹ thuật truyền vô tuyến
 Dãy truyền sóng.
 Sự hư hại đường truyền.
 Kĩ thuật điều chế.
 Giao thức mạng.
• Tiêu chuẩn
 IEEE 802.11a/b/g.
 IEEE 802.15.1 Pan/Bluetooth.
 IEEE 802.15.3 Ultrawideband (UWB).
 IEEE 802.15.4/Zigbee (IEEE 802.14.4 là tiêu chuẩn cho vô tuyến).
 IEEE 802.15.16 Wimax.
 IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group).
 Mobile IP.
• Phần mềm ứng dụng
 Hệ điều hành.
 Phần mềm mạng.

 Phần mềm kết nối cơ sở dữ liệu trực tiếp.
 Phần mềm middleware.
 Phần mềm quản lí dữ liệu.
1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến.
Các thành phần cơ bản và thiết kế trọng tâm của mạng WSNs cần được đặt
trong ngữ cảnh của mô hình WSNs dạng 1 (C1WSNs) đã được giới thiệu ở phần
trước. Bởi vì là mô hình với số lượng lớn cảm biến trong mạng, chứa dữ liệu nhiều,
dữ liệu không thật hoàn hảo, khả năng hư hỏng các node cao, cũng như khả năng bị
nhiễu lớn, giới hạn công suất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin các node trong mạng.
Do vậy, C1WSNs tổng quát hơn so với mô hình C2WSNs. Sự phát triển mạng cảm
biến, thông tin, và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng và phần mềm).
ĐT3 – K50 19 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây


Hình 1.1 : Mô hình mạng cảm biến thông thường
Hình 1.1 cho thấy mô hình cấu trúc của mạng cảm biến thường dùng. Các cảm
biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra node có khả năng tốt
nhất làm node trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lí chính. Nhờ
vậy, năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn. Tuy
nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và định
tuyến cũng trở nên khó khăn hơn.
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 node quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua
mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên
trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là
một thiết bị thực sự, ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến,

hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lơn hơn như Internet
nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong
mạng.
Giới thiệu về node cảm biến :
ĐT3 – K50 20 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây

Hình 1.2 : Cấu tạo nút cảm biến.
Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến như trên hình 1.2:
đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn
(a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra, có thể có thêm những thành
phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding
system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).
Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn vị thực thi (nếu có), bao
gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số. Dựa trên những hiện tượng quan sát
được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu bằng bộ ADC,
sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Đơn vị xử lí thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng.
Nguồn cung cấp, một trong những bộ phận quan trọng nhất của một node cảm
biến. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng
mặt trời. Ngoài ra cũng cso những thành phần phục khác phụ thuộc vào từng ứng
dụng. Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu
cầu có độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phân di động đôi lúc cần phải dịch chuyển
các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những
thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các node
ĐT3 – K50 21 Trần Tuấn

Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng
lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến
với sự biến đổi của môi trường. Các node cảm biến không dây, có thể coi là một thiết
bị vi điện tử chỉ có thê được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (< 0,5Ah, 1.2V).
Software (Operating Systems and Middleware)
Để cung cấp sự hoạt động cho các node, phần quan trọng là các hệ điều hành
nguồn mở được thiết kế đặc biệt cho WSNs. Thông thường, các hệ điều hành như
thế dùng kiến trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóng
trong khi kích thước code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của sensor networks.
TinyOS là một ví dụ về dạng này, đây là một chuẩn không chính thức. Thành phần
của TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối các node, drivers cho cảm biến và các
ứng dụng.
Rất nhều nghiên cứu sử dụng TinyOS trong mô phỏng để phát triển và kiểm tra
các giao thức và giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu đang cố gắng kết hợp các mã
để xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ mạng tương thích.
Tiêu chuẩn giao thức vận chuyển (Standards for Transport Protocols)
Mục đích thiết kế WSN là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêu
chuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp - trung bình,
tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống. Vị trí các node cảm
biến hầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức và giải thuật mạng phải có khả
năng tự xây dựng.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSN, trong đó
vấn dề căn bản là năng lượng tiêu thụ phải thấp nhất đến mức có thể. Chủ yếu tập
trung vào giao thức định tuyến bởi vì định tuyến có khác so với các mạng truyền
thống (phụ thuộc vào ứng dụng và kiến trúc mạng).
ĐT3 – K50 22 Trần Tuấn
Việt

Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây


Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Kiến trúc mạng gồm mặt phẳng quản lý :
• Mặt phẳng quản lý năng lượng: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng
lượng của nó. Ví dụ : node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin.
Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang node cảm biến bên
cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá
trình định tuyến.
• Mặt phẳng quản lý di động : Nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của
các node , các node theo dõi xem ai là hàng xóm của chúng.
• Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ : cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ của các node trong
một vùng quan tâm.
Và các lớp :
 Layer 1 : Lớp vật lý, các quy ước về điện, kênh truyền, cảm biến, xử lý tín
hiệu. Băng tần ISM 915MHz được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến.
Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý.
ĐT3 – K50 23 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
 Layer 2 : Lớp liên kết dữ liệu, lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu,
phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều
khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm và các node cảm biến có thể di động,
giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công
suất và phải cso khả năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tin quảng bá
của các node lân cận.
 Layer 3 : Lớp mạng, được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau :

 Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng.
 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.
 Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác
có hiệu quả của các node cảm biến.
 Layer 4 : Lớp chuyển vận, truyền dữ liệu trong mạng, lưu trữ dữ liệu
 Lớp ứng dụng, phục vụ các ứng dụng trong mạng, bao gồm xử lí ứng
dụng, kết hợp dữ liệu, xử lí các yêu cầu từ bên ngoài, cơ sở dữ liệu ngoại.


Hình 1.4 : Các giao thức có thể dùng cho Lower-layer WSN
Hình 1.4 nêu ra một số giao thức thấp có thể ứng dụng cho WSNs. So sánh
giữa các chuẩn, mục đích của ứng dụng, tiêu chuẩn cho thiết kế, khoảng cách truyền
và băng thông tối đa.
ĐT3 – K50 24 Trần Tuấn
Việt
Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng
cảm biến không dây
Mặc dù cảm biến có giá thành ngày càng thấp, nhưng vẫn còn thiếu các tiêu
chuẩn mạng cho WSNs, điều này là một yếu tố gây cản trở sự phát triển mạng cảm
biến cho mục đích thương mại.
 Năm chức năng của mạng cảm biến không dây :
 Định tuyến và phổ biến dữ liệu
Giao thức định tuyến cho WSNs rơi vào 3 nhóm: dữ liệu trung tâm, kiến trúc
mạng, và căn cứ vào vị trí. Các quy ước về tập hợp dữ liệu đến từ các nguồn khác
nhau qua đường truyền. Điều này cho phéo hạn chế sự dư thừa trong mạng, làm giảm
số đường truyền, giảm năng lượng tiêu thụ. Vấn đề quan tâm trong xử lí nội mạng,
ngay khi dữ liệu đang được truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của toàn
hệ thống. Băng thông bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất các node bị hạn chế
hay giá thành cao. Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lí tại nguồn trước
khi chuyển qua các node lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp

nhất.
 Sắp xếp mạng và theo dõi
Các vấn đề liên quan đến sự sắp xếp mạng và theo dõi và giám sát bao gồm
quản lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm, xây dựng phiên làm việc…
 Tập hợp dữ liệu
Tính toán liên quan đến tập hợp dữ liệu, dung hợp, phân tích, tính toán cấu trúc
và xử lí tín hiệu.
 Quản lý dữ liệu
Quản lí dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lí cơ sở dữ liệu, kĩ thuật truy
vấn và lưu trữ dữ liệu. Trong môi trường mạng truyền thống, dữ liệu được thu thập
đến trung tâm để lưu trữ khi có yêu cầu được gửi đi. Trong các mạng phức tạp hơn,
các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kĩ thuật được xây dựng dùng cho các mô
hình kưư trữ dữ liệu phân bố. Dữ liệu cần được đánh chỉ số cho việc kiểm tra (theo
không gian và thời gian) hiệu quả hơn.
ĐT3 – K50 25 Trần Tuấn
Việt