ĐIỀU KHIỂN sự DI CHUYỂN các NODES TRONG MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây NHIỀU CHẶNG để tối ưu hóa THÔNG LƯỢNG MẠNG (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN SỰ DI CHUYỂN CÁC
NODES TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY NHIỀU CHẶNG ĐỂ TỐI
ƯU HÓA THÔNG LƯỢNG MẠNG


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...................................................................................VIII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................IX
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI...................................................................................1
1.1

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI...................................................................................................1

1.2

YÊU CẦU ĐỀ TÀI.........................................................................................................1

1.3

PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN..........................................................................................2

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY...........................3
2.1

KHÁI NIỆM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY[1].............................................................3

2.2

CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY[1]..............................................................3

2.3

ĐẶC ĐIỂM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY[1]..............................................................5

2.4

KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY[1].............................................................7

2.5

ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY[1].....................................................8

2.6

VẤN ĐỀ BẢO MẬT.....................................................................................................10

2.7

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐƯỢC ĐỀ XUẤT........................................................11

CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT MÔ HÌNH MẠNG................................................................13
3.1

TỔNG QUAN VỀ NHIỆM VỤ TỐI ƯU HÓA THÔNG LƯỢNG...........................................13

3.2

MÔ HÌNH HỆ THỐNG.................................................................................................14

3.2.1

Mô hình mạng giao thức truyền từng tự...........................................................14

3.2.2

Mô hình mạng giao thức truyền mới.................................................................15

3.3

GIẢI THUẬT TỐI ƯU..................................................................................................16

3.3.1

Giải thuật tối ưu giao thức truyền từng tự........................................................16

3.3.2

Giải thuật tối ưu giao thức truyền mới.............................................................20

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC HIỆN............................................................................25
4.1

THÔNG SỐ MÔ PHỎNG...............................................................................................25


4.2

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TRUYỀN TỪNG TỰ................................................26

4.2.1

Kết quả mô phỏng giao thức truyền từng tự các nodes di chuyển cố định.......26

4.2.2

Kết quả mô phỏng mạng bán song công với các node di chuyển trong phạm vi

cố định 27
4.3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MẠNG SONG CÔNG...............................................28

4.3.1

Kết quả mô phỏng mạng song công lưu lượng đơn..........................................28

4.3.2

Kết quả mô phỏng mô hình mạng song công với các node di chuyển trong phạm

vi cố định........................................................................................................................29
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN.................................................................................................30
5.1

KẾT LUẬN..............................................................................................................30

5.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................................................................30

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................31
PHỤ LỤC A ……………………………………………………………………………32


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 2-1: MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐƠN GIẢN......................4
HÌNH 2-2: MÔ HÌNH CHUNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY............................5
HÌNH 2-4: BẢO MẬT TRONG HỆ THỐNG MẠNG [1].............................................10
HÌNH 2-5: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA..................................................11
HÌNH 3-1: MÔ HÌNH MẠNG GIAO THỨC TỪNG TỰ.............................................14
HÌNH 3-2: SƠ ĐỒ GIAO THỨC TRUYỀN TỪNG TỰ................................................14
HÌNH 3-3: MÔ HÌNH MẠNG GIAO THỨC TRUYỀN MỚI......................................15
HÌNH 3-4: SƠ ĐỒ TRUYỀN GIAO THỨC MỚI..........................................................16
HÌNH 3-5: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO THỨC TRUYỀN TỪNG TỰ CÁC
NODES DI CHUYỂN TỰ DO...........................................................................................18
HÌNH 3-6: MÔ HÌNH MẠNG GIAO THỨC TỪNG TỰ VỚI CÁC NODES DI
CHUYỂN TRONG PHẠM VI CỐ ĐỊNH........................................................................19
HÌNH 3-7: ĐỒ THỊ BIỄU DIỄN TÍCH PHÂN PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC.....21
HÌNH 3-8: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO THỨC TRUYỀN MỚI CÁC NODES DI
CHUYỂN TỰ DO................................................................................................................22
HÌNH 3-9: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO THỨC TRUYỀN MỚI CÁC NODES DI
CHUYỂN……......................................................................................................................23
TRONG PHẠM VI CỐ ĐỊNH...........................................................................................23
HÌNH 4-1: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TRUYỀN TỪNG TỰ CÁC
NODES DI CHUYỂN CỐ ĐỊNH......................................................................................25
HÌNH 4-2: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MẠNG BÁN SONG CÔNG CÁC NODE DI
CHUYỂN TRONG PHẠM VI CỐ ĐỊNH........................................................................26

HÌNH 4-3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MẠNG SONG CÔNG LƯU LƯỢNG ĐƠN....27
HÌNH 4-4: KẾT QUẢ MÔ HÌNH MẠNG SONG CÔNG CÁC NODE DI CHUYỂN
TRONG PHẠM VI CỐ ĐỊNH...........................................................................................29



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
NO TABLE OF CONTENTS ENTRIES FOUND.


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MMP

Mobility Management Plane

PMP

Power Management Plane

TMP

Task Management Plane

AL

Application Layer

TL

Transport Layer

NL

Metwork Layer

DL

Datalink Layer


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/37

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1
Lý do chọn đề tài
Ngày nay nhờ sự tiến bộ trong khoa học và kĩ thuật, sự phát triển của internet mạng
bao gồm mạng cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nhận
được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng
cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó là các lĩnh vực y tế, quân
sự, môi trường, giao thông… Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây đang phải đối
mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm
biến không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất nhiều nghiên cứu đang tập
trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực
khác nhau. Các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu
trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà

không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến.Trong đồ án này em tìm
hiểu về mạng cảm biến không dây và đưa ra các giải thuật để tối ưu hóa thông
lượng, qua đó thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến không dây và ảnh
hưởng của giải thuật đến việc tối ưu thông lượng để có mô hình mạng hoạt động
hiệu quả nhất
1.2
Yêu cầu đề tài
Mạng cảm biến không dây là một hệ thống mạng kết hợp các cảm biến có khả năng
xử lí thông tin, các thành phần liên lạc tạo khả năng quan sát phân tích, phản ứng lại
các điều kiện, hiện tưởng xãy ra trong môi trường cụ thể. Một mạng cảm biến bao
gồm nhiều các cảm biến hay còn gọi là nodes trung gian có thể di chuyển và các
nguồn cố định, qua đó đề tài đưa ra biểu thức tính thông lượng theo từng vị trí các
nodes trung gian. Mạng cảm biến không dây là một mô hình mạng mới con nhiều
hạn chế về nhiều mặt, đã có nhiều đề xuất được đưa ra để tối ưu hóa về năng lượng,
thông lượng cải thiện chất lượng các nodes... Để có một hệ thống mạng cảm biến tối
ưu thì vấn đề tối ưu hóa được thông lượng là một trong những vấn đề được quan
tâm nhiều, đề tài đề xuất xây dựng giải thuật điều khiển sự di chuyển của các nodes

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/37

trung gian để có thông lượng tối ưu trong điều kiện đảm bảo vùng phủ sóng của mỗi
node. Đề tài mô phỏng mô hình mạng cảm biến không dây với các nodes nguồn và
các nodes trung gian có thể di chuyển với sự hổ trợ của phần mềm matlab 2014, sử
dụng đồ thị để đánh giá tối ưu thông lượng thông qua sự di chuyển của các nodes
trung gian.
1.3

Phương pháp thực hiện
Mô hình mạng cảm biến không dây là một mô hình mới nên còn hạn chế về nhiều
mặt, đã có nhiều đề xuất được đưa ra như tối ưu hóa năng lượng, tăng dung lượng
hiệu suất hoạt động của các cảm biến , nodes trung gian, tăng công suất phát các
nguồn, đưa ra giải pháp tối ưu hóa năng lượng, hiệu suất kênh truyền ... Trong đó
vấn đề tối ưu hóa thông lượng là một trong những vấn đề được nhiều quan tâm để
có được một hệ thống mạng tối ưu nhất. Để từng bước tối ưu hóa được thông lượng,
ta cần phải đưa ra được công thức chính xác về thông lượng, qua đó đưa ra các giải
pháp để có được công thức sao cho tối ưu nhất về mặt lí thuyết cũng như thực tế.
Với phương pháp mô phỏng matlab gắn các giá trị ngẫu nhiên cho các tham số độ
lợi kênh truyền, bán kinh các nodes, suy hao kênh truyền, áp dụng công thức tối ưu
thông lượng mô hình sẽ cho ta đánh giá cụ thể về ảnh hưởng của các nodes đến
thông lượng mạng. Đánh giá được thông lượng chưa tối ưu và đã áp dụng công thức
tối ưu qua sơ đồ biễu diễn sự di chuyển của các nodes.

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/37

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây[1]
Mạng cảm biến được mô tả là một cuỗi các node mạng có khả năng cảm nhận và
điều chỉnh môi trường, đồng thời cho phép tương tác giữa con người với môi trường
xung quanh.
Các nodes cảm biến có thể là bộ chấp hành, cổng giao tiếp hay chính người dùng

Dữ liệu sau khi thu nhập ở mỗi nodes sẽ được truyền qua các nodes mạng khác và
cuối cùng là node quản lý thông qua kĩ thuật định tuyến gián tiếp đa điểm.
2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây[1]
Khi cảm biến không dây trở thành thương phẩm quen thuộc trên thị trường thì việc
lựa chọn giữa các loại cảm biến và kiểu mạng mới và cũ làm đau đầu các chuyên
gia và làm cho họ phải xem xét lại những chiến lược xây dựng kiến trúc mạng mà
trước đây đã từng bị gạt sang một bên. Sau đây, chúng ta cùng tìm hiểu về 3 kiểu
mạng cơ bản sử dụng cho cảm biến đánh giá sức mạnh và điểm yếu của mỗi kiểu
mạng và quy luật bị xoay chuyển như thế nào khi hệ thống không dây đi vào ứng
dụng. Bên cạnh đó, để xây dựng được một mạng cảm biến khả dụng, cũng phải xét
đến việc tích hợp phần cứng và phần mềm từ nhiều nhà cung cấp thiết bị. Đi kèm
theo đó là những vấn đề về giao thức và các chuẩn đã có và sẽ có cho cảm biến.
Chúng là yếu tố đảm bảo sự tương thông trong nhà máy

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/37

Hình 2-1: Mô hình mạng cảm biến không dây đơn giản

Hình 2-1 biểu diễn cấu trúc mạng cảm biến không dây. Trong trường cảm biến các
nodes được triễn khai. Một vấn đề khác cũng được quan tâm nhiều trong cấu trúc
mạng cảm biến kết nối web là đường truyền. Vì tất cả các nút mạng có thể liên lạc
với các nút mạng khác chỉ bằng một thao tác nhảy cóc, nên rất cần một cơ cấu lặp
cho cấu trúc mạng này. Và đường truyền cho kiểu mạng này là một trong những vấn
đề làm cho nó trở nên phức tạp, khó nắm bắt hơn so với các kiểu mạng khác. Qua
internet có thể liên lạc trực tiếp trạm điều hành cảu người dùng với bộ thu nhận
2.3

Đặc điểm mạng cảm biến không dây[1]

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/37

Hình 2-2: Mô hình chung mạng cảm biến không dây

Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác
của các thiết bị cơ sở, các nút cảm biến nói chung có kích thước nhỏ với phạm vi
hạn chế. Do kích thước và năng lượng của nó là có hạn làm cho khả năng truyền
thông thấp. Năng lượng hiệu quả: Năng lượng trong WSN được sử dụng cho các
mục đích khác nhau mục đích như tính toán, truyền thông và lưu trữ. Nút cảm biến
tiêu thụ năng lượng nhiều hơn so với bất kỳ giao tiếp khác. Vì thế,các giao thức và
sự phát triển thuật toán nên xem xét tiêu thụ điện năng trong giai đoạn thiết kế.
Công suất tính toán: bình thường nút có giới hạn tính toán như chi phí và năng
lượng cần phải được xem xét. · Khả năng truyền thông: WSN thường giao tiếp sử
dụng sóng vô tuyến qua một kênh không dây. Nó có thể giao tiếp trong phạm vi
ngắn, hẹp và băng thông rộng. Kênh truyền thông có thể là hai chiều hoặc đơn
hướng. Với những người không được giám sát và thù địch môi trường vận hành thì
rất khó chạy WSN trơn tru.Vì vậy, phần cứng và phần mềm để truyền thông phải có
để xem xét tính mạnh mẽ, an ninh và khả năng phục hồi. Phân biệt cảm biến và xử
lý số lượng lớn nút cảm biến được phân phối thống nhất hoặc ngẫu nhiên. WSN mỗi
node có khả năng thu thập, phân loại, xử lý, tập hợp và gửi dữ liệu đến bộ thu nhận
(sink). Vì vậy phân phối cảm nhận cung cấp sự vững mạnh cho hệ thống. · Nền

Tối ưu hóa thông lượng mạng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/37

mạng liên kết động: nói chung WSN là động mạng. Nút cảm biến có thể bị hỏng do
pin cạn kiệt hoặc các trường hợp khác, kênh truyền thông có thể bị gián đoạn cũng
như nút cảm biến bổ sung có thể được thêm vào mạng dẫn đến những thay đổi
thường xuyên trong cấu trúc mạng. Vì vậy, các nút WSN phải được nhúng với chức
năng của cấu hình lại, tự điều chỉnh. · Truyền thông đa chiều: một số lượng lớn các
nút cảm biến được triển khai trong WSN. Vì vậy, cách thức khả thi để giao tiếp với
sinker hoặc trạm cơ sở là để có sự trợ giúp của một nút trung gian thông qua đường
dẫn định tuyến. Nếu cần giao tiếp với các nút khác hoặc trạm cơ sở đó là vượt ra
ngoài tần số vô tuyến của nó phải thông qua các định tuyến đa chiều bằng nút trung
gian. · Định hướng ứng dụng: WSN khác với mạng thông thường do tính chất của
nó. Nó phụ thuộc rất cao về các ứng dụng từ quân đội, môi trường cũng như ngành
y tế. Các nút được triển khai ngẫu nhiên và kéo dài tùy thuộc vào loại ứng dụn. Việc
tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng
độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc
của thiết bị đơn lẻ.
2.4

Kiến trúc mạng cảm biến không dây[1]

Hình 2-3: Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận và tất cả các nút cảm
biến được thể hiện trên hình. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm

Tối ưu hóa thông lượng mạng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/37

việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm nhận
di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Mặt phẳng quản lý năng
lượng: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : nút 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 truyền thông (broadcast) sang nút cảm biến bên cạnh thông
báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định
tu Mặt phẳng quản lý di động: Nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của
các nút , các nút theo dõi xem ai là hàng xóm của chúng. Mặt phẳng quản lý nhiệm
vụ: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ của các nút trong một vùng quan tâm. Các lớp có
kiến trúc như mô hình OSI gồm 5 lớp: Layer 1 Lớp vật lý , Layer 2 Lớp liên kết dữ
liệu, Layer 3 Lớp mạng, Layer 4Lớp truyền tải, Layer 5 Lớp ứng dụng. Có nhiệm
vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ liệu, cách truy cập đường truyền
và điều khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao
thức điều khiển truy cập môi trường phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả
năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
2.5
Ứng dụng của mạng cảm biến không dây[1]
Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không đòi
hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về độ tin cậy
và đáp ứng thời gian thực dụng một bộ điều khiển từ xa có thể được lập trình để
điều khiển một số lượng các bóng đèn trong một theo nhiều cách khác nhau gần như
vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được yêu cầu bởi một bộ phận lắp
đặt quảng cáo.. Các mạng cảm biến không dây có thể tận dụng các cảm biến để phát
hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá
trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá

học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng có xảy ra và trước khi các chất
vượt ra ngoài vùng kiểm soát. Các mạng cảm biến không dây là một nút phân phối
độc lập và một cổng mạng cảm biến. Các nút cảm biến đặt tại các địa điểm khác
nhau, liên tục mua lại các thông tin vật lý của thế giới bên ngoài, chẳng hạn như
nhiệt độ, độ rung, âm thanh. Độc lập với nhau giữa các nút giao tiếp thông qua một

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/37

mạng không dây. Mỗi nút của các mạng cảm biến không dây có thể đạt được thu
thập, xử lý đơn giản của dữ liệu, mà còn để nhận dữ liệu từ các nút khác, và cuối
cùng để gửi dữ liệu đến cổng. Kỹ sư có thể được thu được từ các dữ liệu cổng, xem
hồ sơ dữ liệu lịch sử để phân tích. Thông thường, cấu trúc phần cứng của một nút
mạng cảm biến không dây điển hình: giao diện cảm biến, ADC, bộ vi xử lý, cung
cấp điện và các thiết bị phát sóng không dây và nhà. Trên nông trại, chúng ta cần
cho biết trong suốt các vụ thủy lợi, chất lượng không khí đất và đảm bảo rằng các
loại cây trồng tăng trưởng khỏe mạnh; trong khu vực khai thác, chúng ta cần biết
nồng độ khí, khai thác vị trí và nhiệt độ mỏ dưới lòng đất và độ ẩm, nồng độ bụi để
đảm bảo sự an toàn cá nhân của người lao động; Trong các tòa nhà lớn, chúng ta
cần biết các địa điểm khác nhau của tòa nhà bằng độ ẩm môi trường xung quanh,
ảnh hưởng của tốc độ gió và mức độ của sự lão hóa, cũng như để duy trì cấu trúc
của tòa nhà sức khỏe. Thông thường, trong những trường hợp này, các cảm biến
được sử dụng để thu thập dữ liệu được đặt trong vị trí cây số từ dữ liệu liên tục để
phát hiện, và sự cần thiết cho một vài tháng hoặc thậm chí nhiều năm, các nhân viên
có thể không phải luôn luôn được duy trì. Tại hệ thống dây điện thời gian này dài
khoảng cách, bản tóm tắt của dữ liệu, và cấu hình từ xa của cảm biến, hệ thống an
ninh lâu dài của cung và tín hiệu là tất cả các kỹ sư cần phải xem xét.

2.6

Vấn đề bảo mật[1]

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/37

Hình 2-4: Bảo mật trong hệ thống mạng [1]

Bảo mật trong mạng cảm biến không dây tập trung vào bảo mật bản thân dữ liệu và
kết nối mạng giữa các nút cảm biến. Đối với dữ liệu nội bộ một số tiêu chí cần đảm
bảo gồm tính toàn vẹn, tính bí mật, tính sẵng sàng, tính xác thực và tính liên tục của
dữ liệu. Tính toàn vẹn nói đến việc các gói dữ liệu nhận được phải giống với gói
được truyền đi từ nút mạng, không bị thay thế bởi gói tin nào khác. Nhờ tính bí mật,
dữ liệu được bảo vệ chỉ có thể đọc bởi người xác định. Trong lĩnh vực này các thuật
toán bảo mật được ứng dụng nhiều, các dịch vụ mạng cũng luôn sẵn sàng cho việc
truyền nhận dữ liệu kể cả khi bị tự chối dịch vụ. Trong khi đó tính xác thực đảm bảo
dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền. Tính liên tục rất quan trọng trong
mạng cảm biến không dây, đảm bảo dữ liệu nhận được là mới và không bị lặp lại
thông qua các cơ chế ấn thời.
2.7

Một số phương pháp tối ưu được đề xuất

Hình 2-5: một số phương pháp tối ưu hóa

Tối ưu hóa thông lượng mạng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/37

Để một hệ thống mạng tối ưu đã có nhiều giải pháp được đưa ra. Tối ưu về lớp vật
lí, lớp mac, link layer, network layer, application layer. Lớp vật lí thiết kế mạch điện
năng thấp, tối ưu về phần cứng cũng như mềm, thiết kế dạng sóng tối ưu về năng
lượng, hiệu chỉnh công suất phù hợp. Lớp mac hiệu chỉnh năng lượng hiệu quả,
giảm truyền lại và thu phát đúng giờ, hoạt đồng liên tục đồng bộ. Link layer liên kết
chiều dài gói tin thích ứng. Network layer thiết lập lộ trình đa đường, thuật toán
định tuyến năng lượng. Applycation layer ứng dụng video nén giải khung, tổng hợp
và kết hợp dữ liệu mạng.

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/37

CHƯƠNG 3.

KHẢO SÁT MÔ HÌNH MẠNG

3.1
Tổng quan về nhiệm vụ tối ưu hóa thông lượng
Gần đây các mạng cảm biến không dây đã nổi lên như là một chủ đề nghiên cứu thú
vị vì khả năng nhận ra các nhiệm vụ quan trọng như phát hiện quân đội hoặc hoang
dã, đặc biệt khi khả năng di động trở nên dễ dàng hơn đối với các nút không dây.
Mạng cảm biến không dây di động điển hình bao gồm nhiều nút di động, chẳng hạn

như các robot di động được trang bị một số bộ nhớ và khả năng xử lý hạn chế, khả
năng truyền thông và di động, được phân phối trên một số vùng cộng tác tạo thành
một mạng ad-hoc. Di từ các mạng không dây tĩnh, tính di động làm cho toàn bộ
mạng không dây di động có khả năng tự kết nối. Nếu một số nút trong mạng không
thể hoạt động vì một số nguyên nhân, các nút còn lại có thể tổ chức lại mạng thông
qua di chuyển, sửa chữa cấu trúc mạng tự động và hoàn thành việc tự triển khai.
Ngoài ra, tính di động có thể nâng cao tính linh hoạt của các mạng và làm cho toàn
bộ mạng có khả năng triển khai node tốt hơn và điều khiển tô pô để hoàn thành các
nhiệm vụ cụ thể.
Do đó, tính di động là cái gì đó cần được kiểm soát một cách thích nghi để giúp các
yêu cầu tiếp cận mạng được đặt ra bởi các nhiệm vụ cụ thể và nguồn lực hạn chế.
Tuy nhiên, rất nhiều công việc hiện tại xem xét tính di động chỉ coi nó như một yếu
tố bên ngoài không kiểm soát được mà mạng truyền thông phải xử lý.
Kết quả, các nghiên cứu sau đây là để thêm một chiều nữa, nghĩa là tính di động,
vào mô hình mạng được thiết kế có mục đích để cải thiện hiệu suất mạng. Chúng tôi
xác định vấn đề nghiên cứu bằng cách sử dụng tính di động để tạo các đường dẫn
định tuyến giữa các nguồn và các node bằng cách di chuyển các nút đến những vị trí
sao cho thông lượng truyền tải cần thiết cho luồng dữ liệu được giảm thiểu để tối đa
hóa tuổi thọ của mạng. Các vấn đề được đưa ra trong các vấn đề tối ưu hóa và sử
dụng phương pháp tối ưu để phát triển thuật toán lặp để giải quyết.

3.2

Mô hình hệ thống

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/37

3.2.1 Mô hình mạng giao thức truyền từng tự[2]

Hình 3-1: Mô hình mạng giao thức từng tự

Đây là mô hình mạng căn bản gồm 2 node nguồn với 2 node trung gian có thể duy
chuyển. Tín hiệu được truyền theo dạng chuỗi các bits từ nguồn phát đến nguồn thu,
node 1 nhận tín hiệu từ nguồn phát truyền qua node 2 và cứ thế đến nguồn thu. Các
node nguồn cũng như trung gian cách nhau 1 khoảng cách d, và chịu ảnh hưởng của
nhiễu gau . Tại mỗi node trung gian sau khi nhận tín hiệu từ node phía trước đều có
một thông số SNR gọi là tín hiệu truyền trên nhiễu.

Hình 3-2: Sơ đồ giao thức truyền từng tự

Qua sơ đồ trên ta thấy được gói tin được truyền từ nguồn phát node 1 đến nguồn
thu node 5 qua từng thời điểm. Tại thời điểm thứ nhất nguồn phát truyền gói tin từ

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/37

node 1 qua node 2. Tại thời điểm thứ 2, node 2 sau khi nhận được tin từ node 1 tiếp
tục truyền đến cho node 3. Tại thời điểm thứ 3 node 3 truyền gói tin cho node 4.
Tại thời điểm thứ 4 node 4 truyền gói tin đến nguồn thu node 5.
3.2.2 Mô hình mạng giao thức truyền mới

Hình 3-3: Mô hình mạng giao thức truyền mới

Đây là mô hình mạng căn bản gồm 2 node nguồn với 2 node trung gian có thể duy
chuyển.Tín hiệu được truyền từ nguồn phát đến nguồn thu theo dạng chuỗi các bits,
sự khác biệt của mô hình này so với mô hình 1 chiều là tại các node đồng thời thực
hiện một lúc hai quá trình là vừa nhận tín hiệu từ node phía trước và vừa phát tín
hiệu tới node phía sau, việc đó là sản sinh ra nhiễu công suất tại các node. Các node
nguồn cũng như trung gian cách nhau 1 khoảng cách d, và chịu ảnh hưởng của
nhiễu gau . Tại mỗi node trung gian sau khi nhận tín hiệu từ node phía trước đều có
một thông số SNR gọi là tín hiệu truyền trên nhiễu

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/37

Hình 3-4: Sơ đồ truyền giao thức mới

Sơ đồ trên cho thấy quá trình truyền các gói tin từ nguồn phát node 1 đến nguồn thu
node 5 qua các thời điểm khác nhau. Tại thời điểm thứ nhất nguồn phát node 1
truyền đi gói tin đến node 2. Tại thời điểm thứ 2, diễn ra đồng thời 2 quá trình node
2 tiếp tục truyền gói tin cho node 3 và đồng thời nhận gói tin mới được truyền từ
node 1. Tại thời điểm thứ 3 diễn ra đồng thời 3 quá trình node 1 truyền một gói tin
mới , node 2 truyền node 3 gói tin và node 3 truyền node 4 gói tin . Tại thời điểm
thứ tư diễn ra đồng thời 4 quá trình, node 1 truyền gói tin mới cho node 2, node 2
truyền node 3 gói tin , node 3 truyền node 4 gói tin , node 4 truyền đến nguồn thu
node 5 gói tin .
3.3

Giải thuật tối ưu

3.3.1 Giải thuật tối ưu giao thức truyền từng tự[2]
Với mô hình mạng giao thức truyền từng tự nói trên ta có thể thấy được tín hiệu sẽ
được truyền từ nguồn phát qua các nodes đến nguồn thu, với mỗi lần truyền như
vậy thông lượng sẽ bị suy hao, với T là thông thượng truyền từ nguồn phát đến
nguồn thu ta có
T = (1 - )* (1)

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/37

trong đó R là tốc độ bits truyền đi, xác suất lỗi bits của hệ thống. Để hoạt thống
hoạt động thì tín hiệu trên nhiễu mỗi node SNR phải nhỏ hơn ngưỡng thu tại mỗi
node.
= ( SNR < ) (2)
tín hiệu truyền trên nhiễu SNR tại mỗi node được tính theo công thức
SNR = (3)
theo lý thuyết Rayleigh fading với P là công suất phát tại mỗi nodes, độ lợi kênh
truyền, suy hao kênh truyền. Vậy để đảm bảo hệ thống hoạt động thì toàn bộ các
node phải hoạt động
=1 - > ) = 1 – [ (> )*(> )*…*(> ) ] = 1 - > ) = < ) (4)
như ở trên đã nói
< ) = < ) = < ) (5)
với hàm phân phối mũ và > 0, nên ta được
< ) = 1 - (6)
trong đó ới = , = , vậy ta được = 1 - (7)
theo như công thức tính thông lượng ở trên có
T = (1 - )* = (1 – (1 – )* = * (8)

vậy để thông lượng thì min
= với B = (9)
với B là hằng số muốn tối ưu được thông lượng ta phải tối ưu khoảng cách giữa các
nodes sao cho khoảng cái là nhỏ nhất.
3.3.1.1Giao thức truyền từng tự với nodes di chuyển tự do[2]

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/37

Hình 3-5: Mô hình mô phỏng giao thức truyền từng tự các nodes di chuyển tự do

Với nguồn phát nodes 0, nguồn thu node n+1 cố định, các node trung gian có thể di
chuyển tự do trong không gian. Để tối ưu công thứ thông lượng như ở trên đã chứng
minh thì ta chỉ có thể tối tưu hóa khoảng các giữa các nodes để khoảng cách giữa
các nodes là nhỏ nhất.
(10)
đạo hàm hàm trên theo ta được
= α*()* + α*()* (11)
ta được phương trình
,i=1,…,n (12)
Vị trí tối ưu của mỗi nút có thể được trực tiếp bắt nguồn
(13)

3.3.1.2Giao thức truyền từng tự với nodes di chuyển trong phạm vi cố định[2]
Mô hình tối ưu hóa với di chuyển của các node trung gian

Tối ưu hóa thông lượng mạng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/37

Hình 3-6: Mô hình mạng giao thức từng tự với các nodes di chuyển trong phạm vi cố định

Để đơn giản, chúng ta quay trở lại trường hợp duy nhất và thêm các ràng buộc, sau
đó vấn đề có thể được xây dựng như sau
(14)
với
Trong đó xi0 là trung tâm vòng tròn của vùng phủ sóng cho nút i-th, và R i là bán
kính của nó. Ở đây, chúng tôi giả sử các khu vực phủ sóng là tất cả các vòng kết
nối. Liên kết các nhân đấu Lagrange λ với các ràng buộc. Lagrangian là
)=(15)
Kể từ khi điều kiện Slater giữ, phải có hệ số Lagrange λ * sao cho X * minimmize L
(X *, λ *)
= + + (16)
Với alpha = 2 ta có
() + ,i=1,…,n (17)
Phương trình cập nhật cho λ la
= [ + - ],i=1,…,n (18)

3.3.2 Giải thuật tối ưu giao thức truyền mới

Tối ưu hóa thông lượng mạng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/37

Với mô hình mạng giao thứ truyền mới ta có thể thấy được tín hiệu sẽ được truyền
từ nguồn phát qua các nodes đến nguồn thu, với mỗi lần truyền như vậy thông
lượng sẽ bị suy hao với T là thông thượng truyền từ nguồn phát đến nguồn thu ta có
T = (1 - )* (19)
trong đó R là tốc độ bits truyền đi, xác suất lỗi bits của hệ thống. Để hoạt thống
hoạt động thì tín hiệu trên nhiễu mỗi node SNR phải nhỏ hơn ngưỡng thu tại mỗi
node.
= ( SNR < ) (20)
tín hiệu truyền trên nhiễu SNR tại mỗi node được tính theo công thức
SNR = (21)
theo lý thuyết Rayleigh fading với P là công suất phát tại mỗi nodes, độ lợi kênh
truyền , suy hao kênh truyền, độ lợi kênh truyền tại mỗi nodes, . Vậy để đảm bảo
hệ thống hoạt động thì toàn bộ các node phải hoạt động
=1 - > ) = 1 – [ (> )*(> )*…*(> ) ] = 1 - > ) = < ) (22)
như ở trên đã nói
< ) = < ) = < ) (23)
gán giá trị x = , y = ta được hàm
<) = (24)

Tối ưu hóa thông lượng mạng