Đồ án Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến PEGASIS trong mạng cảm biến

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 ĐỊNH TUYẾN PEGASIS TRONG MẠNG CẢM BIẾN Sinh viên thực hiện: ĐỖ THỊ TUYẾT Lớp ĐT6 - K48 Giảng viên hướng dẫn: TS. TRẦN NGỌC LAN Cán bộ phản biện: TS. ĐỖ TRỌNG TUẤN Hà nội, 5-2008 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: Điện tử - Viễn thông 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: ………………………………………………………………………………………………………………..….……………… ……………………………………………………………………………………………………………………..….………… ……………………………………………………………………………………………………………………………..….… ………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….……… …………………………………………………………………………………………………………………..……….……… …………………………………………………………………………………………………. 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 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: ....................................................................................................................................... Nội dung thiết kế tốt nghiệp: .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... ............................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên) LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ sự phát triển của những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã 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 về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai không xa, 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. Tuy nhiên mạng cảm ứng đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến, em đã lựa chọn và tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS. Giao thức này cải thiện đáng kể thời gian sống của mạng cảm biến, và em quyết định chọn đề tài này làm đồ án tốt nghiệp. Để có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong suốt năm năm đại học. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong thời gian học tập này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS. Trần Ngọc Lan-bộ môn kỹ thuật thông tin – Khoa điện tử viễn thông- Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em nghiên cứu đề tài này. Cô đã cho em những lời khuyên quan trọng trong suốt quá trình hoàn thành đồ án. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành đồ án này. Hà nội, tháng 5 năm 2008 Sinh viên Đỗ Thị Tuyết TÓM TẮT ĐỒ ÁN Ngày nay nhờ tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được sự tiến bộ đáng kể trong vài năm qua. Mạng cảm biến là mạng vô tuyến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý , hay điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, sự chấn động, áp suất, sự chuyển động, ô nhiễm ở các vị trí khác nhau. Sự phát triển của mạng cảm biến mở đầu là các ứng dụng trong quân đội ví dụ như giám sát chiến trường. Tuy nhiên bây giờ mạng cảm biến còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực dân dụng bao gồm: quan sát môi trường sống, chăm sóc sức khỏe, nhà tự động hay điều khiển giao thông. Các con cảm biến là các thiết bị điện tử nhỏ, thông thường được trang bị bộ thu phát vô tuyến hoặc các thiết bị không dây khác, một bộ vi xử lý nhỏ và một nguồn năng lượng. Các con cảm biến này có khả năng thu thập, xử lý và truyền thông thông tin đến các nút khác và ra thế giới bên ngoài. Mạng cảm biến 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. Sau đó phần cuối sẽ nghiên cứu và đưa ra giải thuật định tuyến PEGASIS nhằm cải thiện đáng kể thời gian sống của mạng. Đồ án này gồm có 4 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến. Chương này trình bày những khái niệm chung nhất về WSNs và đưa ra cấu trúc của mạng cảm biến. Đồng thời cũng nêu ra các ứng dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực cuộc sống. Chương 2: Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến. Chương này đưa ra hai giao thức đặc trưng đó là : đồng bộ thời gian và giao thức vị trí. Hai giao thức này rất quan trọng và có ý nghĩa đối với mạng cảm biến. Chương 3: Định tuyến trong mạng cảm biến. Chương này phân loại các giao thức định tuyến ra làm ba loại : trung tâm dữ liệu, phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí địa lý. Chương 4: Giới thiệu về Mobility framework của OMNeT++ và mô phỏng giao thức định tuyến PEGASIS. Chương này nêu ra những ưu điểm của PEGASIS so với giải thuật LEACH và đưa ra kết quả mô phỏng . Abstract Nowadays thanks to rapid advances in science and technology, Wireless Sensor Networks have become a hot issue in research, and significant progress has been achieved in the past few years. Wireless sensor network (WSN) is a wireless network consisting of spatially distributed autonomous devices using sensors to cooperatively monitor physical or environmental conditions, such as temperature, sound, vibration, pressure, motion or pollutants, at different locations. The development of wireless sensor networks was originally motivated by military applications such as battlefield surveillance. However, wireless sensor networks are now used in many civilian application areas, including environment and habitat monitoring, healthcare applications, home automation, and traffic control. Sensor nodes are small electronic components, typically equipped with a radio transceiver or other wireless communications device, a small microcontroller, and an energy source, usually a battery. It’s capable of gathering, processing, and communicating information to other nodes and to the outside world. The field of WSN is wide and deep. This thesis will introduce overview about WSN and give out a protocol which extends lifetime of WSN. This thesis has a total of 4 chapters: Chapter 1: Overview of wireless sensor networks: giving out the definition, the architecture (includes factors that influence the architecture of the networks and the two typical architectures of sensor networks), the applications and also pointing out many challenges that WSN are facing. Chapter 2: Protocols in WSN: giving out an overview of protocols used in WSN and the most two important ones, those are localization and time synchronization protocols. Chapter 3: Routing in WSN: summarizing recent routing protocols for sensor networks and presenting a classification for the various approaches pursued. The three main categories explored in this chapter are data – centric, hierarchical and location – based. Each routing protocol is described and discussed under the appropriate category. Chapter 4: Simulating PEGASIS using Mobility framework of OMNeT++: giving out an overview of OMNeT++ and Mobility framework, a basic algorithm of PEGASIS. After that, the presented simulation results show that PEGASIS extends significantly the life time of sensor networks. i Mục lục DANH SÁCH HÌNH VẼ.............................................................................................. iii DANH SÁCH BẢNG BIỂU ..........................................................................................v DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vi Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến ....................................................................1 1.1. Giới thiệu...............................................................................................................1 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến ........................................................................................2 1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến ......................................2 1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng ...............................................................................8 1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến .................................................10 1.2.3.1. Cấu trúc phẳng.......................................................................................10 1.2.3.2. Cấu trúc tầng .........................................................................................10 1.3. Ứng dụng .............................................................................................................13 1.3.1. Ứng dụng trong quân đội..............................................................................14 1.3.2. Ứng dụng trong môi trường..........................................................................16 1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe..............................................................17 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình ..............................................................................18 1.4. Kết luận ...............................................................................................................18 Chương 2. Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến .........................................19 2.1. Giới thiệu về giao thức đặc trưng trong mạng cảm biến.....................................19 2.2. Giao thức đồng bộ thời gian ................................................................................19 2.2.1. Đồng hồ các nút cảm biến và sự chính xác ..................................................21 2.2.2. Đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến......................................................22 2.2.2.1. Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên phát......................................24 2.2.2.2. Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận.....................................30 2.3. Giao thức vị trí.....................................................................................................34 2.3.1. Định vị dựa vào mốc có sẵn .........................................................................35 2.3.2. Định vị dựa vào vị trí tương đối ...................................................................36 2.4 Kết luận ................................................................................................................37 Chương 3. Định tuyến trong mạng cảm biến ............................................................38 3.1. Giới thiệu.............................................................................................................38 3.2. Thách thức trong vấn đề định tuyến....................................................................38 3.3. Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến........................................................39 ii 3.3.1. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng .............................39 3.3.2. Ràng buộc về tài nguyên...............................................................................39 3.3.3. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến..........................................................40 3.3.4. Cách truyền dữ liệu ......................................................................................40 3.4. Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến ....................................................42 3.5. Giao thức trung tâm dữ liệu.................................................................................44 3.5.1. Flooding và Gossiping..................................................................................44 3.5.2. SPIN..............................................................................................................45 3.5.3. Directed Diffusion ........................................................................................47 3.6. Giao thức phân cấp..............................................................................................50 3.6.1. LEACH..........................................................................................................50 3.6.2. PEGASIS.......................................................................................................53 3.7. Giao thức dựa trên vị trí ......................................................................................54 3.7.1. GAF...............................................................................................................55 3.7.2. GEAR ............................................................................................................57 3.8. Kết luận ...............................................................................................................59 Chương 4. Mô phỏng PEGASIS bằng Mobility Framework của OMNeT++........60 4.1. Giới thiệu về OMNeT++ và Mobility Framework..............................................60 4.1.1. Giới thiệu về OMNeT++ ..............................................................................60 4.1.2. Giới thiệu về Mobility ...................................................................................64 4.2. Giới thiệu về PEGASIS.......................................................................................71 4.2.1. PEGASIS cơ bản...........................................................................................72 4.2.2. PEGASIS cải tiến..........................................................................................73 4.3. Mô phỏng.............................................................................................................76 4.3.1. Mô hình năng lượng .....................................................................................76 4.3.2. Giả thiết và thiết lập thông số ban đầu cho quá trình mô phỏng.................82 4.3.3. Kết quả mô phỏng.........................................................................................89 4.4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo..............................................................91 KẾT LUẬN...................................................................................................................92 Tài liệu tham khảo .......................................................................................................93 iii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến....................................................................................3 Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến........................................................................................4 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến .................................................................8 Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến ...............................................................10 Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng c