Nguyên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN
CÂN BẰNG TẢI NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

S K C0 0 4 6 0 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI
NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ CHO MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605020203
Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10/2015


LÝ LỊCH CÁ NHÂN
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Thị Thu Trang

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 23/10/1989

Nơi sinh: Bình Dƣơng

Quê quán: BắcTân Uyên, Bình Dƣơng

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp 1, Tân Mỹ, Bắc Tân Uyên, Bình Dƣơng
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng:

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ …

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 2/2012

Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật TP. HCM
Ngành học: Công nghệ điện tử viễn thông
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:Giải pháp thoại VOIP cho trƣờng
Đại học sƣ phạm kỹ thuật TP. HCM
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:2/2012 tại trƣờng Đại
học sƣ phạm kỹ thuật TP. HCM
Ngƣời hƣớng dẫn:Th.S Phan Thanh Toản
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

10/2012 – 1/2013 Trƣờng Trung cấp nghề Thủ Dầu Một

Giáo viên

1/2013 – đến nay Trƣờng Trung cấp nghề Việt Hàn Bình Dƣơng

Giáo viên

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 8 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thị Thu Trang

ii


LỜI CẢM TẠ
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành thành công luận văn
này, tôi đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô giáo, các anh
chị và các bạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin đƣợc bày tỏ lời cám
ơn chân thành tới tất cả mọi cá nhân và tập thể đã tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến,
khích lệ tinh thần để tôi hoàn thành luận văn của mình.
Đầu tiên, tôi muốn bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Dƣơng Hoài
Nghĩa đã tận tình, tận tâm chỉ bảo, hƣớng dẫn và định hƣớng cho tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn của mình đến Ban Giám Hiệu, Phòng
Đào tạo sau đại học trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP. HCM đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt khóa học và tốt nghiệp.

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cám ơn đến gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã
quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu,
hoàn thành luận văn này.
Một lần nữa tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 8 năm 2015

Nguyễn Thị Thu Trang

iii


Tóm tắt
Các điều kiện về môi trƣờng, năng lƣợng, băng thông, bộ nhớ và khả năng xử lý
trong mạng cảm biến không dây làm cho nó luôn là thách thức của những nhà
nghiên cứu. Trong đó làm thế nào để duy trì tối đa tuổi thọ mạng là vấn đề cấn
thiết.Đề tài“Nghiên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải nhằm nâng cao tuổi
thọ cho mạng cảm biến không dây”tập trung vào mô hình cân bằng tải với mức
tiêu thụ năng lƣợng của các nút cảm biến của toàn mạng đƣợc phân bố đồng đều từ
đó kéo dài tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây. Qua các số liệu mô phỏng trên
Matlab nhƣ sự phân bố năng lƣợng còn lại của các nút cảm biến khi có một nút cảm
biến cạn kiệt năng lƣợng, sự thay đổi về bán kính phạm vi liên lạc hay số nút cảm
biến trong một diện tích không đổi cũng nhƣ sử dụng mô phỏng Monte Carlo đã
chứng minh đƣợc hiệu quả của phƣơng án định tuyến cân bằng tải.Giải pháp đƣợc
đề xuất là bổ sung thêm vào giải thuật định tuyến đƣờng đi ngắn nhất với trọng số là
tỉ lệ nghịch của năng lƣợng còn lại của mỗi nút cảm biến. Nhƣ vậy, việc một nút
đƣợc lựa chọn là nút trung gian không chỉ dựa vào khoảng cách từ nút nguồn đến
trạm gốc mà còn phụ thuộc vào năng lƣợng còn lại của nút đó.

iv

Abstract
Conditions of environment, energy, bandwidth, memory and processing
capability in wireless sensor networks make it always a challenge of researchers.In
particular, how to maintain the network's maximum lifetime isa necessary
issues.Research topics routing algorithm load balancing to improve lifetime for
wireless sensor networks focusing on load balancer models with energy
consumption of sensor nodes are uniformly distributed to extend the life of wireless
sensor network.Through the Matlab simulation data such as the distribution of the
remaining energy of sensor nodes when a sensor node was energy depletion, the
change in radius communication range or number of sensor nodes in a constant
area, as well as using Monte Carlo simulations have demonstrated the effectiveness
of the alternative load balancing routing.The proposed solution is added to the
algorithm shortest path routing with weights that are inversely proportional to the
residual energy of each sensor node.Thus, the selection of intermediate node is not
only based on the distance from the source node to the base station but also depends
on the remaining energy of the node.

v


MỤC LỤC
TRANG
Trang tựa
Lý lịch cá nhân

i

Lời cam đoan

ii

Lời cảm tạ

iii

Tóm tắt

iv

Danh sách chữ viết tắt/ký hiệu khoa học

ix

Danh sách các hình

xi

Danh sách các bảng

xiii

Chƣơng 1: TỔNG QUAN

1

1.1. Lý do chọn đề tài

1

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

2

1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu

2

1.4. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu

3

1.5. Giả thuyết nghiên cứu

3

1.6. Phạm vi nghiên cứu

3

1.7. Phƣơng pháp nghiên cứu

3

1.8. Kế hoạch thực hiện

4

Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

5

2.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

5

2.2. Giới thiệu về IEEE 802.15.4 MAC

8

2.2.1. Phƣơng thức mạng và cấu trúc siêu khung

8

a. Phƣơng thức mạng

8

b. Cấu trúc siêu khung

9

2.2.2. Quản lý khe thời gian đảm bảo

10

2.2.3. Chế độ truyền dữ liệu

10

2.3. Một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
vi

11


2.4. Một số ví dụ triển khai

13

2.5. Kết luận chƣơng

14

Chƣơng 3: ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI

15

3.1. Tổng quan

15

3.2. Khung định tuyến

15

3.3. Cấu hình và duy trì mạng

18

3.3.1. Sơ đồ định tuyến

18

3.3.2. Các giai đoạn thành lập định tuyến

20

3.3.3. Quá trình lựa chọn nút chuyển tiếp thích ứng

21

3.3.4. Phòng chống định tuyến vòng và khả năng thích ứng với các biến động
liên kết

22

3.4. Tổng hợp và phân phối dữ liệu cân bằng

24

3.4.1. Tổng hợp nhận thức tại

24

3.4.2. Giới hạn thời hạn chuyển tiếp

26

3.5. Định tuyến cân bằng năng lƣợng

28

3.5.1. Năng lƣợng tiêu hao trung bình trên mỗi tuyến đƣờng

28

3.5.2. Năng lƣợng và xác suất tin cậy

30

3.5.3. Xác suất chuyển tiếp gói dữ liệu

31

3.5.4. Mô hình cân bằng năng lƣợng

32

3.5.5. Sự tiêu thụ năng lƣợng trên mỗi nút cảm biến chuyển tiếp

34

3.6. Kết luận chƣơng

37

Chƣơng 4:MÔ PHỎNG ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI

38

4.1. Các thông số mô phỏng

38

4.2. Phƣơng pháp định tuyến

39

4.3. Các trƣờng hợp mô phỏng

41

4.3.1. Phân bố đều các nút cảm biến

41

4.3.1.1. Sự tổng hợp và chuyển tiếp các gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân
bố đều

41

4.3.1.2. Phân bố năng lƣợng còn lại tại các nút cảm biến phân bố đều

46

vii


4.3.2. Phân bố ngẫu nhiên các nút cảm biến

47

4.3.2.1. Sự tổng hợp và chuyển tiếp các gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân
bố ngẫu nhiên

48

4.3.2.2. Phân bố năng lƣợng còn lại tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên 52
4.3.2.3. Ảnh hƣởng của số lƣợng nút cảm biến N và bán kính phạm vi liên lạc
R trong phân bố ngẫu nhiên

53

4.4. Mô phỏng Monte Carlo

56

4.7. Kết luận chƣơng

58

Chƣơng 5:KẾT LUẬN

59

5.1. Kết luận

59

5.2. Hƣớng phát triển

59

TÀI LIỆU THAM KHẢO

60

PHỤ LỤC

62

Phụ lục 1: Thuật toán Floyd - Warshall

62

Phụ lục 2: Tổng số gói dữ liệu theo bán kính phạm vi liên lạc

64

Phụ lục 3: Số liệu mô phỏng Monte Carlo

64

viii


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT/KÝ HIỆU KHOA HỌC
ADC:

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số

APs:

Access Points

Các điểm truy cập

AoA:

Angle of Arrival

Góc tới

B-MAC:

Bluetooth - MAC

Giao thức MAC cho Bluetooth

BS:

Base Station

Trạm gốc

CSMA:

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy cập cảm nhận sóng mang

CSI:

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

DSP:

Digital Signal Processing

Bộ xử lý tín hiệu số

EAR:

Energy-Aware Routing

Định tuyến nhận thức năng lƣợng

HC:

Hop Count

Số chặng

IEEE:

Institute of Electrical and Electronic
Engineering

Viện kỹ thuật điện và điện tử

LQI:

Link Quality Indicator

Chỉ số chất lƣợng liên kết

MAC:

Medium access control

Điều khiển truy cập môi trƣờng

MANET: Mobile ad hoc Network

Mạng tùy biến không dây

MTU:

Maximum Transmission Unit

Đơn vị truyền cực đại

PDF:

Probability Distribution Function

Hàm phân bố xác suất

SNR:

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPR:

Shortest Path Routing

Định tuyến đƣờng đi ngắn nhất

PRR:

Packet Reception Ratio

Tỉ lệ tiếp nhận gói dữ liệu

PLR:

Packet Loss Ratio

Tỉ lệ mất gói dữ liệu

QoS:

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ

ix


RF:

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

LBR:

Load-Balancing Routing

Định tuyến cân bằng tải

RSSI:

Received Strength Signal Indicator

Chỉ số báo hiệu cƣờng độ tín hiệu
thu

TDMA:

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời

gian

THL:

Time Has Lived

Thời gian đã sống

ToA:

Time of Arrival

Thời điểm đến

WSNs:

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Cấu trúc siêu khung

9

Hình 3. 1: Khung định tuyến của định tuyến cân bằng tải

16

Hình 3. 2: Sơ đồ định tuyến với 100 nút cảm biến

19

Hình 3. 3: Cấu trúc khung định tuyến của LBR

20

Hình 3. 4: Quá trình chọn nút chuyển tiếp

22

Hình 3. 5: Tổng hợp nhận thức tải

25

Hình 3. 6: Giới hạn thời hạn tổng hợp/chuyển tiếp

27

Hình 3. 7: Tính toán chi phí năng lƣợng trên tuyến đƣờng r

29

Hình 3. 8: Các thành phần mô hình liên lạc

35

Hình 4. 1: Mô hình xác định định tuyến

39

Hình 4. 2: Sơ đồ mô phỏng với 100 nút cảm biến phân bố đều

41

Hình 4. 3: Tổng số gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân bố đều (LBR)

42

Hình 4. 4: Tổng số gói tin thu tại các nút cảm biến phân bố đều (LBR)

43

Hình 4. 5: Tổng số gói tin phát tại các nút cảm biến phân bố đều (LBR)

43

Hình 4. 6: Tổng số gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân bố đều (SPR)

44

Hình 4. 7: Tổng số gói tin thu tại các nút cảm biến phân bố đều (SPR)

45

Hình 4. 8: Tổng số gói tin phát tại các nút cảm biến phân bố đều (SPR)

45

Hình 4. 9: Năng lƣợng còn lại của các nút cảm biến phân bố đều (LBR)

46

Hình 4. 10: Năng lƣợng còn lại của các nút cảm biến phân bố đều (SPR)

47

Hình 4. 11: Sơ đồ mô phỏng với 100 nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên

47

Hình 4. 12: Tổng số gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR) 48
Hình 4. 13: Tổng số gói tin thu tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR)

49

Hình 4. 14: Tổng số gói tin phát tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR) 49
Hình 4. 15: Số gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (SPR)

50

Hình 4. 16: Tổng số gói tin thu tại các nút cảm biền phân bố ngẫu nhiên (SPR)

51

Hình 4. 17: Tổng số gói tin phát tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (SPR) 51
xi


Hình 4. 18: Năng lƣợng còn lại tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (LBR)

52

Hình 4. 19: Năng lƣợng còn lại tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên (SPR)

53

Hình 4. 20: Mật độ phân bố ngẫu nhiên 80 nút cảm biến

54

Hình 4. 21: Mật độ phân bố 100 nút cảm biến

54

Hình 4. 22: Định tuyến đƣờng đi ngắn nhất theo N và R

55

Hình 4. 23: Định tuyến cân bằng tải theo N và R

55

Hình 4. 24: Hàm phân phối và hàm mật độ xác suất

57

xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 4. 1: Các thông số mô phỏng

39

Bảng 4. 2: Thông số mô phỏng Monte Carlo

56

Bảng 4. 3: Kỳ vọng toán học và phƣơng sai

58

xiii


Chƣơng 1

TỔNG QUAN

1.1. Lý do chọn đề tài
Một mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm một số nút, mỗi nút thƣờng
có năng lƣợng nhỏ và không đƣợc nạp lại. Trong kiến trúc mạng WSN, dữ liệu
đƣợc truyền từ nút nguồnđến trạm gốc thông qua các nút trung giansử dụng giao
tiếp không dây, giao tiếp này đƣợc thực hiện bằng vô tuyến. Việc truyền hoặc nhận,
ngay cả vô tuyến công suất thấp cũng tốn nhiều năng lƣợng nên vô tuyến phải đƣợc
sử dụng một cách khôn ngoan để tránh sự suy giảm không cần thiết của năng lƣợng.
Cuối cùng, cạn kiệt năng lƣợng tại mỗi nút làm cho nó ngừng hoạt động, dẫn đến
mất mát của thu thập dữ liệu và cung cấp dữ liệu. Trong khi sự cạn kiệt của một số
nút có thể chấp nhận đƣợc mặc dù không mong muốn, nhƣng sựcạn kiệt của một số
nút quan trọng nhất định trong một môi trƣờng định tuyến multihop có thể gây ra
phân vùng mạng làm cho dữ liệu có thể không đƣợc truyền đến trạm gốc, làm giảm
tính hữu ích của mạng.
Có nhiều giao thức định tuyến nhận thức năng lƣợng đƣợc đƣa ra trong [1],
[2]. Một trong những giao thức nhận thức năng lƣợng phổ biến nhất là định tuyến
nhận thức năng lƣợng EAR đã đƣợc đề xuất trong [2]. Giao thức định tuyến nhận
thức năng lƣợng là giao thức tìm định tuyến có chi phí năng lƣợng thấp và sử dụng
định tuyến đó cho tất cả quá trình truyền dẫn. Tuy nhiên, đây không phải là phƣơng
án giải quyết tối ƣu để tăng thời gian sống của mạng bởi vì việc sử dụng định tuyến
có chi phí năng lƣợng thấp thƣờng xuyên dẫn đến sự cạn kiệt năng lƣợng của các
nút cảm biến dọc theo những tuyến đƣờng và dẫn đến phân vùng mạng.
Giao thức định tuyến đƣờng đi ngắn nhất SPR [3], [4] là giao thức cung cấp
một phƣơng pháp đơn giản trong quá trình lựa chọn nút chuyển tiếp bằng cách liên
kết ngay lập tức với các nút lân cận có khoảng cách ngắn nhất trong phạm vi liên
lạc của chúng. Đƣờng định tuyến là đƣờng ngắn nhất để các nút cảm biến chuyển
các gói dữ liệu về trạm gốc và tránh đƣợc các vòng lặp. Định tuyến đƣờng đi ngắn
1


nhất cũng giúp cho các nút cảm biến tiết kiệm đƣợc năng lƣợng trong quá trình

chuyển gói dữ liệu. Tuy nhiên, phƣơng pháp này cũng không thực sự tối ƣu cho
việc tối đa thời gian sống của mạng do định tuyến đƣờng ngắn nhất chỉ phù hợp với
cấu trúc mạng tĩnh, cấu trúc mạng động hoặc hỗn hợp thì hiệu quả sử dụng thấp.
Quá trình định tuyến liên tục sử dụng các đƣờng định tuyến ngắn nhất dẫn đến các
nút cảm biến dọc theo đƣờng định tuyến, đặc biệt là các nút gần trạm gốc đƣợc
nhiều nút lựa chọn sẽ nhanh chóng cạn kiệt năng lƣợng làm cho mạng có thể phân
vùng hoặc đột ngột dừng hoạt động.
Để khắc phục sự cố này, đề tài nghiên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải
nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây đƣợc đề xuất. Các tuyến
đƣờng sử dụng năng lƣợng gần mức tối ƣu kết hợp với khoảng cách ngắn nhất từ
nút nguồn đến trạm gốc nhằm đảm bảo sự cân bằng năng lƣợng cho mạng. Năng
lƣợng của mạng sẽ tiêu hao đồng đều trên các nút cảm biến nhờ đó mà kéo dài đƣợc
thời gian sống của toàn mạng.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn làcân bằng sự tham gia vào quá trình định tuyến của
các nút cảm biến sao cho tổng số gói dữ liệu nhận đƣợc tại trạm gốc là nhiều nhất
hoặc tuổi thọ của mạng cảm biến không dây là lâu nhất.
Luận văn này góp phần vào kiến thức học thuật trong các lĩnh vực phát triển
đề án định tuyến đáng tin cậy và tiết kiệm năng lƣợng cho mạng cảm biến không
dây.
1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Dựa trên thuật toán đƣờng đi ngắn nhất. Đề án bổ sung thêm trọng số là
nghịch đảo của năng lƣợng còn lại của nút đó. Khi một tuyến đƣờng đƣợc thiết lập,
chúng không chỉ dựa vào khoảng cách ngắn nhất để truyền dữ liệu đến trạm gốc mà
còn dựa vào năng lƣợng còn lại của nút cảm biến. Những nút cảm biến có năng
lƣợng còn lại lớn hơn sẽ đƣợc ƣu tiên hơn trong quá trình lựa chọn tuyến đƣờng.

2

1.4. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
Đề án nghiên cứu dựa trên 100 nút cảm biến đƣợc phân bố ngẫu nhiên trên
diện tích 500x500 m2 và một trạm gốc. Mỗi nút lần lƣợt truyền dữ liệu thu thập
đƣợc về cho trạm gốc. Dựa trên định tuyến đƣờng đi ngắn nhất, đề án đề xuất bổ
sung thêm trọng số là nghịch đảo năng lƣợng còn lại của mỗi nút nhằm cân bằng
năng lƣợng của mỗi nút cảm biến từ đó duy trì đƣợc tuổi thọ cho mạng cảm biến
không dây.
1.5. Giả thuyết nghiên cứu
Với thuật toán định tuyến đƣờng đi ngắn nhất của Floyd-Warshall thì chúng
chỉ dựa vào khoảng cách ngắn nhất mà thiết lập tuyến đƣờng. Từ đó một số nút
quan trọng gần trạm gốc sẽ bị lạm dụng một cách đáng kể, làm cho tuổi thọ của
mạng không đƣợc duy trì lâu. Giả thuyết đƣa thêm trọng số năng lƣợng còn lại vào
trong điều kiện lựa chọn tuyến đƣờng. Tuyến đƣờng đƣợc lựa chọn với năng lƣợng
cao hơn và khoảng cách ngắn hơn, giúp năng lƣợng của các nút đƣợc sử dụng một
cách đồng đều hơn, từ đó tuổi thọ của toàn mạng đƣợc duy trì lâu hơn.
1.6. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu trên 100 nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trên diện tích
500x500m2 và một trạm gốc. Bán kính phạm vi liên lạc giữa hai nút cảm biến là
100m. Năng lƣợng ban đầu của mỗi nút cảm biến là 1 đơn vị năng lƣợng. Khi cảm
biến tham gia vào quá trình định tuyến sẽ tiêu hao một mức năng lƣợng gọi là năng
lƣợng phát bằng 0.0005 đvnl. Nút cảm biến sẽ tiêu hao một mức năng lƣợng thu
0.0001 đvnl nếu nút đó là nút trung gian giữa nút nguồn đến trạm gốc.
1.7. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn đƣợc thực hiện theo mạng lƣới chuẩn 802.16. Luận văn mô phỏng,
so sánh các thuật toán nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây.
Luận văn dựa trên thuật toán tìm đƣờng đi ngắn nhất của Floyd-Warshall. Từ
đó đề xuất thêm trọng số là tỷ lệ nghịch của năng lƣợng còn lại của nút cảm biến để
tối đa hóa tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây.

3

Dựa vào phần mềm mô phỏng Matlab 2013a, mô phỏng một mạng cảm biến
với 100 nút và một trạm gốc. Mô phỏng cho lần lƣợt từ nút cảm biến truyền dữ liệu
thu thập đƣợc về cho trạm gốc. Mô phỏng dừng lại khi một nút cảm biến đầu tiên
hết hạn.
1.8. Kế hoạch thực hiện
Thời gian thực hiện

Nội dung thực hiện

23/2/2015 – 20/3/2015

Nghiên cứu định tuyến cân bằng tải

20/3/2015 – 20/6/2015

Mô phỏng thuật toán định tuyến cân bằng tải

20/6/2015 – 20/7/2015
20/7/2015 – 20/8/2015

So sánh phƣơng pháp định tuyến cân bằng tải và
phƣơng pháp định tuyến đƣờng đi ngắn nhất
Viết báo cáo luận văn tốt nghiệp

4


Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Trong lịch sử, WSN đã đƣợc mô tả nhƣ là mạng không dây bao gồm rất
nhiều nút, năng lƣợng hạn chế, chi phí thấp, và tự trị. Nó đƣợc phân phối trên một
diện tích cho mục đích giám sát hoặc cảm biến. Truyền thông hoặc chuyển tiếp dữ
liệu thƣờng thông qua định tuyến không dây multi-hop. Phần lớn WSN đƣợc mô tả
trong chƣơng này trình bày kiến trúc, có thể bao gồm bất kỳ số lƣợng của:
 Nút source: tạo dữ liệu, thƣờng sử dụng cảm biến để đo yếu tố môi trƣờng
nhƣ nhiệt độ, độ ẩm hoặc bức xạ.
 Nút sink: tập hợp các dữ liệu đã đƣợc tạo từ nút source.
 Nút intermediate: có thể bao gồm nút source, hỗ trợ việc truyền tải dữ liệu từ
nút source đến nút sink.
Việc tạo dữ liệu tại các nút nguồn có thể xảy ra hoặc chủ động hoặc đáp ứng
từ một số yêu cầu. Có ý kiến cho rằng các nút sink thƣờng gọi là base station, có thể
có công suất cao, đƣợc liên kết đến cơ sở dữ liệu thông qua kết nối vệ tinh hoặc có
nhiều tài nguyên hơn các nút khác.
Các nút trong WSN thƣờng đƣợc cung cấp năng lƣợng từ pin.Năng lƣợng
của một nút đƣợc sử dụng lên quan đến năng lƣợng pin còn lại của nó. Năng lƣợng
của pin phụ thuộc vào kích thƣớc của nó và khi các nút đƣợc dự kiến sẽ đƣợc thu
nhỏ, pin không thể có năng lƣợnglớn. Vấn đề cạn kiệt pin là một trong những thách
thức chính trong việc phát triển và làm việc với WSN, đặc biệt là khi mọi hoạt động
đƣợc thực hiện bởi các nút đòi hỏi hao tốn năng lƣợng. Trong khi các nguồn tài
nguyên khác nhƣ CPU, bộ nhớ hoặc lƣu trữ có thể ngay lập tức đƣợc tái sử dụng khi
mất nguồn, điều này không đúng đối với pin. Trừ khi nút có một số phƣơng tiện bổ
sung năng lƣợng, năng lƣợngcủa pin hạn chế cả về thời gian sống tối đa của nút và
cả về tần số mà nút có thể thực hiện các hoạt động cụ thể.

5

Ngoài những đặc điểm này, rất khó để cung cấp một định nghĩa chính thức
khả năng chính xác của WSN, đặc biệt là do số lƣợng ngày càng tăng của việc sử
dụng các công nghệ. Có giả thuyết cho rằng, với WSN thƣờng phụ thuộc vào ứng
dụng, nó sẽ không bao giờ tạo ra một kiến trúc duy nhất để sử dụng cho tất cả các
ứng dụng. Nếu không có một kiến trúc xác định, nó không thể xác định chính xác
các đặc tính. Romer đã tạo ra một không gian thiết kế, đề cập về số lƣợng lớn các
kích thƣớc trong triển khai WSN, bao gồm:
 Loại khiển khai
 Nút chuyển động
 Kích thƣớc nút
 Giá thành nút (theo dollars)
 Năng lƣợng cho phép
 Tính không đồng nhất của nút
 Phƣơng pháp truyền thông không dây
 Cơ sở hạ tầng
 Cấu trúc liên kết mạng
 Mức độ bao phủ vật thể của cảm biến
 Loại kết nối
 Số lƣợng nút
 Ƣớc lƣợng thời gian hoạt động
 Chất lƣợng dịch vụ
Loại triển khai đề cập đến bố trí vật lý của các nút đƣợc triển khai, tức là các
nút đƣợc triển khai một lần hoặc lặp đi lặp lại và vị trí các nút là ngẫu nhiên hoặc
bằng tay. Cơ sở hạ tầng quy định cách định tuyến xảy ra trong hệ thống; giá trị có
thể là ad hoc trong đó các nút có thể giao tiếp với các nút khác và với base station,
hoặc các nút có thể trực tiếp giao tiếp với một base station. Các cấu trúc liên kết
mạng ảnh hƣởng đến các nút là liên kết với nhau, tức là các nút có thể giao tiếp với
nhau. Mức độ bao phủ vật thể của cảm biến phản ánh mật độ của các nút source,
nghĩa là thƣa thớt hoặc dày đặc. Trong trƣờng hợp lý tƣởng, mức độ bao phủ vật thể

6


S

K

L

0

0

2

1

5

4