Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ....................................................................................................................... iii
BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ................................................................................... vii
BẢNG DANH MỤC KÝ HIỆU ....................................................................................... xi
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. xv
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... xvii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN ............................................................... 1
2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................. 2
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................... 3
4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN ................................................................ 3
5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN .............................................................................. 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................... 7
1.1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN ......................................... 7
1.1.1 Nút mạng ....................................................................................... 8
1.1.2 Mạng lưới liên kết .......................................................................... 9
1.1.3 Mô hình năng lượng ..................................................................... 10
1.1.4 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................ 10
1.1.4.1 Phân loại định tuyến trong mạng cảm biến không dây ....... 11
1.1.4.2 Đặc điểm của định tuyến đa đường trong mạng cảm biến
không dây ....................................................................................... 14
1.1.5 Giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây ........................ 19
1.1.5.1 Phân loại theo đặc điểm xung đột ....................................... 20
1.1.5.2 Cơ chế đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA .............. 22
1.1.6 Những yêu cầu chất lượng đặc biệt của mạng cảm biến không dây
đa sự kiện ............................................................................................. 25iv
1.2 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
............................................................................................................................... 29
1.2.1 Hiệu quả sử dụng năng lượng....................................................... 29
1.2.1.1 Thời gian sống ................................................................... 30
1.2.1.2 Năng lượng cho việc truyền một đơn vị dữ liệu................... 31
1.2.2 Trễ gói tin .................................................................................... 31
1.2.3 Độ tin cậy .................................................................................... 32
1.3 CÁC TIẾP CẬN LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ...................... 33
1.3.1 Phân tích, đánh giá các tiếp cận ở Việt Nam ................................ 33
1.3.2 Phân tích, đánh giá các tiếp cận trên thế giới ................................ 34
1.3.2.1 Hạn chế trong các nghiên cứu về giao thức định tuyến ....... 36
1.3.2.2 Hạn chế trong các nghiên cứu sử dụng hàng đợi ưu tiên .... 36
1.3.2.3 Hạn chế trong các nghiên cứu về giao thức MAC ............... 37
1.4 HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 40
1.4.1 Các giải pháp để làm giảm độ trễ ................................................. 40
1.4.2 Các giải pháp làm tăng độ tin cậy................................................. 41
1.4.3 Các giải pháp để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng mạng ........... 42
1.4.4 Sự trả giá cho các tham số hiệu năng trong WSN ......................... 43
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................. 44
CHƯƠNG 2: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ
KIỆN SỬ DỤNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LINH HOẠT ........................................ 45
2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 46
2.2 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐỊNH HƯỚNG SỰ KIỆN ....................... 48
2.2.1 Giao thức định tuyến GPSR ......................................................... 48
2.2.2 Giao thức định tuyến đa đường linh hoạt hướng theo sự kiện ....... 50
2.2.3 Định tuyến đa đường nâng cao độ tin cậy và đảm bảo băng thông 52
2.3 GIẢI PHÁP DRPDS KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG VỚI CƠ CHẾ TRUYỀN
GÓI LINH HOẠT .................................................................................................. 53
2.3.1 Phân tích giải pháp chọn tuyến và cơ chế phân tải linh hoạt ......... 54
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiv
2.3.2 Giải thuật định tuyến và cơ chế truyền gói linh hoạt DRPDS ....... 55
2.3.3 Phân tích hiệu năng WSN đa sự kiện khi truyền đa đường ........... 59
2.3.3.1 Phân tích về độ tin cậy ....................................................... 59
a) Độ tin cậy của gói tin khi truyền trên một đường ..................... 59
b) Độ tin cậy của gói tin khi truyền sao chép trên nhiều đường ... 60
2.3.3.2 Phân tích tính trễ gói .......................................................... 62
2.3.3.3 Một số trường hợp đặc biệt làm ảnh hưởng tới lợi thế trễ và
độ tin cậy của định tuyến đa đường ................................................ 65
2.3.4. Đánh giá hiệu năng WSN đa sự kiện sử dụng DRPDS ................ 66
2.3.4.1 Kịch bản mô phỏng ............................................................ 66
2.3.4.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá ........................................... 68
a) Tỷ lệ lỗi gói ............................................................................. 68
b) Thời gian trễ và hiệu quả trễ của gói loại C so với A và B ...... 70
2.4 GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN NHẬN THỨC NĂNG LƯỢNG EARPhần mềm .......... 71
2.4.1 Phân tích giải pháp chọn tuyến EARPhần mềm ...................................... 71
2.4.2 Giải thuật định tuyến EARPhần mềm ..................................................... 74
2.4.3 Đánh giá hiệu năng WSN đa sự kiện sử dụng EARPhần mềm ................ 76
2.4.3.1 Kịch bản mô phỏng ............................................................ 76
2.4.3.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá ........................................... 78
a) Thời gian sống và số lượng nút chết ........................................ 78
b) Tỷ lệ lỗi gói ............................................................................. 80
c) Thời gian trễ ............................................................................ 81
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................. 82
CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ
KIỆN SỬ DỤNG GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN ............................................................ 84
3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 84
3.2 GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN ......................................................................... 85
3.2.1 Giao thức QAEE .......................................................................... 86
3.2.2 Giao thức MPQ ............................................................................ 87vi
3.3 ĐỀ XUẤT GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN PMME ........................................... 89
3.3.1 Giao thức MAC ưu tiên PMME ................................................... 89
3.3.1.1 Cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên của
gói tin ............................................................................................. 90
3.3.1.2 Cơ chế chấp nhận Tx-Beacon sớm nhất .............................. 93
3.3.2 Phân tích hiệu năng WSN đa sự kiện khi sử dụng PMME ............ 93
3.3.2.1 Phân tích ảnh hưởng của mức độ ưu tiên tới trễ gói sử dụng
giao thức PMME ............................................................................ 94
3.3.2.2 Phân tích ảnh hưởng của mức độ ưu tiên tới độ tin cậy sử
dụng giao thức PMME ................................................................... 96
3.3.3 Đánh giá hiệu năng WSN đa sự kiện sử dụng PMME .................. 99
3.3.3.1 Kịch bản mô phỏng ............................................................ 99
3.3.3.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá ......................................... 101
a) Trễ gói trung bình .................................................................... 101
b) Trễ gói PMME theo mức độ ưu tiên của gói tin ....................... 103
c) Tỷ lệ truyền gói thành công ...................................................... 105
d) Hiệu quả tiêu thụ năng lượng .................................................. 106
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................... 107
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 108
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 112
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phivii
BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
A
ABMR Agent Based Multipath
Routing
Định tuyến đa đường dựa trên tác
tử
ACK Acknowledgement Xác nhận
APLR Average Packet Loss Ratio Tỷ lệ mất gói trung bình
B
BS Base Station Trạm gốc
C
CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh có rỗi không
CDMA Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CODA Congestion detection and
avoidance
Phát hiện và tránh nghẽn
CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
CSMA-CD CSMA-Collission Detection CSMA- Phát hiện xung đột
CSMA-CA CSMA- Collission Avoidance CSMA-Tránh xung đột
D
DA Destination Address Địa chỉ đích
DMP Dynamic Multilevel Priority Ưu tiên đa lớp động
DRPDS Dynamic Routing Protocol
and Delivering Scheme
Giao thức định tuyến và cơ chế
truyền tải linh hoạt
E
E2E End to End Từ đầu tới cuối
EARPhần mềm Energy Aware Routing
Protocol for Multievent
Wireless Sensor Network
Giao thức định tuyến nhận thức
năng lượng cho Mạng cảm biến
không dây đa sự kiện
ESRT Event-to-Sink Reliable
Transport
Vận chuyển tin cậy từ nút phát hiện
sự kiện tới sinkviii
F
FC Frame Control
Điều khiển khung (trường kiểm tra
đầu khung)
FCFS First Come First Serve Vào trước phục vụ trước
FCS Frame Check Sequence
Trình tự kiểm tra khung (trường
thứ tự để kiểm tra)
FDMA Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
G
GPSR Greedy Perimeter Stateless
Routing
Giao thức định tuyến phi trạng thái
chọn nút chuyển tiếp gần sink nhất
trong chu vi phủ sóng
L
LAN Local Area Network Mạng nội bộ
LEDMPR
Location Aware Event Driven
Multipath Routing
Định tuyến đa đường định hướng
sự kiện có nhận thức vị trí
LIEMRO Low-Interference Energyefficient Multipath ROuting
protocol
Giao thức định tuyến đa đường
hiệu quả năng lượng có mức nhiễu
thấp
LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng
M
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
MEMS
Micro ElectroMechanical
System
Hệ thống vi cơ điện tử
MEMPR
MultiEvent Multipath Routing
Protocol
Giao thức định tuyến đa đường đa
sự kiện
MPMPS
Multi-priority Multi-path
Selection
Lựa chọn đa đường đa mức ưu tiên
MPQ Multi-priority based QoS
MAC protocol
Giao thức MAC đa mức ưu tiên
dựa trên QoS
P
PER Packet Error Rate Tỷ lệ mất gói
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiix
PMME Priority MAC protocol for
MultiEvent Wireless Sensor
Network
Giao thức MAC ưu tiên cho mạng
cảm biến không dây đa sự kiện
PSR Packet Success Rate Tỷ lệ gói truyền thành công
Q
QAEE
QoS aware energy-efficient
MAC protocol
Giao thức MAC hiệu quả năng
lượng và nhận thức QoS
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
R
ReInForM
Reliable Information
Forwarding using Multiple
paths
Chuyển tiếp thông tin đáng tin cậy
sử dụng nhiều đường dẫn
REQ Routing Request message Bản tin yêu cầu định tuyến
RX Receive Nhận/ Thu
S
SA Source Address Địa chỉ nguồn
SIFS Short Interframe Space Khoảng cách liên khung ngắn
SMAC Sensor MAC Giao thức điều khiển truy nhập môi
trường cho mạng cảm biến
SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý mạng cảm biến
SQDDP Sender Query and Data
Dissemination Protocol
Giao thức phân phối dữ liệu và truy
vấn bên gửi
T
TADAP Task Assignment and Data
Advertisement Protocol
Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ
định nhiệm vụ
TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn
TDMA Time Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
TX Transmission Phát
U
UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu đồ người sử dụngx
W
WMSN
Wireless Mulimedia Sensor
Network
Mạng cảm biến đa phương tiện
không dây
WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phixi
BẢNG DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu Từ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt
a The differiented base a Cơ số ưu tiên
bL Burst Length Số gói sinh ra từ một sự kiện
d Distance Khoảng cách
dACK The ACK transmission time Thời gian truyền phản hồi
dCCA CCA check delay Thời gian đủ để cảm nhận được chính xác
trạng thái của môi trường truyền dẫn
d j The delay at the relay node j Trễ ở nút chuyển tiếp j
dmax The sensor node’s radio
transmission radius
Bán kính truyền vô tuyến của nút cảm biến
dMAC The medium access delay of
a packet
Trễ truy nhập môi trường của một gói
dque The queueing delay of a
packet
Trễ xếp hàng của một gói ở hàng đợi
dservice The service delay of a packet Trễ xử lý của một gói ở hàng đợi
dSIFS the duration of the short
interframe space
Thời gian của SIFS (khoảng cách giữa các
khung)
dtotal Total delay Tổng trễ
dtrans The transmission delay of a
packet
Trễ truyền dẫn của một gói
dts Time slot in CSMA ppersistent
Khe thời gian sử dụng trong CSMA ppersistent
dTxB m , Time for mth trying to send a
Tx-Beacon
Thời gian để được gửi Tx-Beacon trong
lần gieo thứ m
Davr Average Packet Delay Trễ gói trung bình
Di The ith Packet Delay Trễ gói thứ i
amp The energy required per bit
of data for transmitter
amplifier
Năng lượng để khuếch đại và phát đi một
bitxii
elec The energy required for
transceiver circuitry to
process one bit of data
Năng lượng để thu hay phát một bít dữ
liệu
e The perhop channel packet
error rate
Tỷ lệ lỗi gói kênh của một chặng
eS j , The perhop channel packet
error rate at jth hop with a
packet size of S bits
Tỷ lệ lỗi gói kênh của chặng thứ j với
kích thước gói tin là S bít
eS i j , , The probability that a packet
is dropped at the jth hop of
the ith path with a packet size
of S bits
Xác suất gói bị rơi ở chặng j trên đường
i với kích thước gói tin là S bít
E E represents the set of edges
in WSN
E biểu thị tập các cạnh trong đồ thị
Eavg The average energy
consumption for successfully
receive a data bit
Năng lượng tiêu thụ trung bình để nhận
được một bít dữ liệu
E S d hop , The energy consumption to
transmit and receive a S -bit
message at a distance d
Năng lượng thu và phát một bản tin có độ
dài S bit qua khoảng cách d
ET Total energy consumption Tổng năng lượng tiêu thụ
G The undirected graph of
WSN
Đồ thị vô hướng
h Hopcount /Number of hops Số chặng trên một đường truyền
k Sensor node radio state (4
states: transmit, receive,
listen and sleep)
Trạng thái vô tuyến của nút cảm biến (4
trạng thái: phát, thu, nghe, ngủ)
L Dimension of Sensing Area Chiều dài cạnh của vùng cảm biến (kích
thước đo, mét)
m The maximum trying
numbers to send a Tx-Beacon
Số lần thử truyền tối đa một Tx-Beacon
mS Number of sensor node radio
states
Tổng số lượng trạng thái vô tuyến của một
nút
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phixiii
M Number of paths in multipath
routing
Số lượng đường trong định tuyến đa
đường
n The number of priority levels Số mức ưu tiên
ns The number of senders Số lượng nút gửi khung dữ liệu
N The total number of packets
received by the receiver
Tổng số gói bên nhận nhận được
Nr The number of distinctive
packets received by the sink
Số gói đích nhận được (không tính gói
trùng do sao chép).
Ns The number of original
packets sent by the source
Số gói gốc gửi từ nguồn
p The probability of CSMA ppersistent for one frame
Xác suất chọn gửi theo CSMA p-persistent
của một khung
pi The probability of CSMA ppersistent for one frame with
the priority level of i
Xác suất chọn gửi theo CSMA p-persistent
của một khung có mức ưu tiên là i
pi a n , , The probability of none linear
value of CSMA p-persistent
for one frame with the
priority level of i in n
priority levels, differiented
base a
Xác suất chọn gửi theo giá trị phi tuyến
CSMA p-persistent của một khung có
mức ưu tiên là i trong n mức ưu tiên với
cơ số phân biệt a
pi n , The probability of linear
value of CSMA p-persistent
for one frame with the
priority level of i in n
priority levels
Xác suất chọn gửi theo giá trị tuyến tính
CSMA p-persistent của một khung có
mức ưu tiên là i trong n mức ưu tiên
prand The random number for a
node to decide sending TxBeacon or not
Giá trị gieo ngẫu nhiên của một nút trước
khi quyết định có gửi Tx-Beacon hay
không
p L The probability that at least
one copy of a packet is
successfully received by the
sink
Xác suất ít nhất có một bản sao của gói tới
được đích (sink) qua i đường thông qua
định tuyến L đường
psrS j , Reliability at jth hop with a
packet size of S bits
Độ tin cậy ở chặng thứ j với kích thước
gói là S bítxiv
Pk
Energy consumption power
at kth state
Công suất tiêu thụ năng lượng ở trạng thái
k
PER Packet Error Rate Tỷ lệ lỗi gói
PER (1,h) Single path Packet Error Rate
over h hops
Tỷ lệ lỗi gói truyền đơn đường qua h
chặng
PER M h , M Packet Error Rate over M
paths of hM hops
Tỷ lệ lỗi gói truyền trên M đường có hM
chặng
Psize The packet size Kích thước gói tin
PSR Packet Success Rate Tỷ lệ truyền gói thành công
PSR h 1, Packet Success Rate over a
path of h hops
Tỷ lệ nhận gói qua một đường gồm h
chặng
PSR M h , M Packet Success Rate over M
paths of hM hops
Tỷ lệ nhận gói qua M đường gồm hM
chặng
PSRTxB m , Packet Success Rate for the
th
m trying to send a TxBeacon
Tỷ lệ truyền Tx-Beacon thành công sau m
lần thử
R Reliability R= Nr / Ns Độ tin cậy R= Nr / Ns
Tg Time duration for a wakeup
node to sense the medium
before sending its frame.
Khoảng thời gian lắng nghe môi trường
sau khi nút thức dậy đảm bảo để tránh gây
xung đột
S Message Size Kích thước một bản tin
tk The duration of state k Khoảng thời gian tồn tại trạng thái k
Tw The Tx-Beacon contention
duration
Khoảng thời gian cạnh tranh gửi TxBeacon
V The set of vertices (sensor
nodes and sink) in WSN
Tập các đỉnh trong đồ thị vô hướng
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phixv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây đa sự kiện với những ứng dụng yêu cầu đa
dạng về chất lượng .................................................................................................. 7
Hình 1.2: Thành phần của một nút cảm biến [15] .................................................... 8
Hình 1.3: Mô tả hình năng lượng thu phát của nút cảm biến [15], [58] .................. 10
Hình 1.4: Phân loại giao thức định tuyến trong WSN ............................................ 11
Hình 1.5: Phân loại giao thức định tuyến đa đường [109] ...................................... 18
Hình 1.6: Phân loại các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây (tổng hợp
từ [36], [95], [109], [117]). .................................................................................... 20
Hình 1.7: Mô tả hoạt động trong CSMA/CA ........................................................ 23
Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của ba kiểu truyền CSMA [48] .................................... 24
Hình 1.9: Các khái niệm liên quan tới thời gian sống trong WSN .......................... 31
Hình 1.10: Phân loại khái niệm độ tin cậy truyền tin trong WSN [95] ................... 32
Hình 2.1: Mô tả cách chọn đường Greedy theo GPSR ........................................... 49
Hình 2.2: Mô tả cơ chế định tuyến kết hợp đơn đường, đa đường [J2] ................... 54
Hình 2.3: Mô tả hoạt động định tuyến DRPDS [J2] ............................................... 57
Hình 2.4: Chọn nút chuyển tiếp trong DRPDS ....................................................... 58
Hình 2.5: Độ tin cậy gói tin truyền trên một đường ................................................ 59
Hình 2.6: Độ tin cậy truyền tin khi truyền gói sao chép trên nhiều đường [J3] ....... 60
Hình 2.7: Đánh giá tỷ lệ lỗi gói khi truyền đơn và đa đường với các tham số về số
đường, số chặng khác nhau theo tỷ lệ lỗi gói đơn chặng là 1% và 2% [J3] ............. 61
Hình 2.8: Sự chiếm giữ hàng đợi của ba loại gói.................................................... 63
Hình 2.9: So sánh về trễ của định tuyến đa đường sử dụng cơ chế phân tải so với
định tuyến đơn đường với số lượng đường và độ dài hàng đợi thay đổi ................. 65
Hình 2.10: Hình trạng mạng mô phỏng chạy giao thức DRPDS [J2] ...................... 68
Hình 2.11: Đánh giá tỷ lệ lỗi gói của ba loại gói dữ liệu của ba loại gói sự kiện (A,
B và C) trong các điều kiện WSN đa sự kiện khác nhau sử dụng DRPDS.............. 69
Hình 2.12: Đánh giá độ trễ của ba loại gói dữ liệu của ba loại gói sự kiện (A, B và
C) trong WSN với các điều kiện khác nhau sử dụng DRPDS ................................. 70xvi
Hình 2.13: Mô tả cơ chế định tuyến kết hợp đơn đường, đa đường và nhận thức
năng lượng [J3] ..................................................................................................... 73
Hình 2.14: Mô tả hoạt động và giải thuật định tuyến EARPhần mềm [J3] ........................ 75
Hình 2.15: So sánh thời gian sống của mạng WSN đa sự kiện sử dụng EARPhần mềm so
với DRPDS ........................................................................................................... 79
Hình 2.16: Số lượng nút chết và thời gian sống của mạng WSN đa sự kiện sử dụng
EARPhần mềm so với DRPDS ......................................................................................... 80
Hình 2.17: Phân tích tỷ lệ lỗi gói của ba loại gói dữ liệu trong mạng WSN đa sự
kiện sử dụng EARPhần mềm và DRPDS .......................................................................... 80
Hình 2.18: Phân tích độ trễ của ba loại gói dữ liệu trong mạng WSN đa sự kiện sử
dụng EARPhần mềm ........................................................................................................ 81
Hình 3.1: Mô tả hoạt động truyền thông của giao thức QAEE-MAC [76] .............. 86
Hình 3.2: Khuôn dạng các Beacon trong giao thức MPQ [115] ............................. 88
Hình 3.3: Mô tả hoạt động truyền thông của giao thức PMME [C4] ...................... 90
Hình 3.4: Cơ chế CSMA p-persistent cho việc gửi Tx-Beacon theo mức độ ưu tiên
dữ liệu trong PMME [C3] ...................................................................................... 91
Hình 3.5: Đánh giá trễ truyền và tỷ lệ truyền thành công Tx-Beacon của một nút gửi
với các tham số khác nhau ..................................................................................... 97
Hình 3.6: Thời gian trễ trung bình của gói tin sử dụng giao thức PMME so với sử
dụng giao thức QAEE và MPQ ............................................................................ 102
Hình 3.7: Thời gian trễ trung bình của gói tin PMME với 4 mức ưu tiên khác nhau
và với hai kiểu p khác nhau ................................................................................ 104
Hình 3.8: Tỷ lệ truyền gói thành công của mạng sử dụng các giao thức QAEE, MPQ
và PMME với maxTxRetries =10 ........................................................................ 105
Hình 3.9: Năng lượng tiêu thụ trung bình (mj/bit) [C3] ....................................... 106
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phixvii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Những lợi ích của định tuyến đa đường trong WSN .............................. 15
Bảng 1.2: Các hoạt động trong giao thức định tuyến đa đường trong WSN [109] .. 16
Bảng 1.3: Các cấp độ thông báo cháy rừng [156] .................................................... 25
Bảng 1.4: Một số ứng dụng cảm biến đa sự kiện và yêu cầu ứng dụng .................. 28
Bảng 1.5: Các giải pháp cải thiện hiệu năng WSN theo cách tiếp cận lớp chức năng
.............................................................................................................................. 34
Bảng 1.6: Đánh giá một số giải pháp kỹ thuật đảm bảo hiệu năng cho mạng cảm
biến không dây đa sự kiện ..................................................................................... 37
Bảng 2.1: Các thông số mô phỏng mạng cảm biến sử dụng giao thức DRPDS [J2],
[36], [58] ............................................................................................................... 67
Bảng 2.2: Các thông số mô phỏng mạng cảm biến sử dụng giải thuật định tuyến
EARPhần mềm [J2], [36], [58] ......................................................................................... 77
Bảng 3.1: Các mức ưu tiên gói [115] ..................................................................... 88
Bảng 3.2: Các thông số mô phỏng mạng cảm biến sử dụng giao thức MAC [76],
[114], [115], [J4] ................................................................................................... 991
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN
Mạng cảm biến không dây (WSN) đã, đang và tiếp tục là lĩnh vực được nhiều
nhà nghiên cứu quan tâm và phát triển mở rộng [15], [55], [74]. Dự báo từ những
năm đầu thế kỷ 21 cho thấy trong tương lai cảm biến sẽ là phần không thể thiếu
trong cuộc sống hơn nhiều so với các máy vi tính hiện dùng và trong thế giới IoT
thì thiết bị cảm biến là một trong những thành phần thiết yếu [152], [154]. Những
công nghệ không dây và vi cơ điện tử (MEMS) đã cho phép triển khai nhiều ứng
dụng WSN trong những điều kiện mạng đặc biệt và khắc nghiệt, nó cho phép thay
thế con người hay các thiết bị truyền thông thông dụng trong các lĩnh vực quân sự,
giao thông, y tế, môi trường, công nông nghiệp …[12], [15], [51], [55], [80], [112],
[113].
Trong giai đoạn phát triển ban đầu, với các ứng dụng cảm biến chuyên biệt,
các cảm biến trong một mạng chỉ có nhiệm vụ cảm nhận những trạng thái hay quá
trình vật lý/hóa học ở môi trường cần khảo sát, biến đổi chúng thành thông tin về
trạng thái hay quá trình đó rồi gửi tín hiệu mang thông tin qua hạ tầng truyền thông
về trung tâm để xử lý. Sau đó, trung tâm sẽ đưa ra cảnh báo/điều khiển cho mạng.
Ngày nay, những yêu cầu ứng dụng đa dạng cần kết hợp nhiều kiểu loại cảm biến
như ứng dụng trong thông báo cháy rừng, công nghiệp hầm mỏ, nông nghiệp thông
minh, nhà thông minh hay y tế thông minh [59], [66], [126], [151], [152], [156],
các cảm biến cần có khả năng phân tích thông tin về nhiều loại sự kiện khác nhau
rồi gửi thông báo về trung tâm và với mỗi sự kiện sẽ có thể có những yêu cầu truyền
thông khác nhau như độ trễ, tốc độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …[15], [46], [51], [65],
[116], [130], [146].
Như vậy ngoài rất nhiều thách thức trong việc thiết kế các mạng cảm biến
không dây do đặc điểm khác biệt của mạng này so với mạng truyền thông truyền
thống: số lượng thông tin cảm biến lớn, kích thước của nút cảm biến nhỏ, năng
lượng hạn chế trong môi trường có độ tổn thất cao và phải có khả năng tự vận hành,
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi2
quản lý của mạng cảm biến còn có thêm thách thức về việc thiết kế mạng sao cho
có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ (QoS) của nhiều sự
kiện trong mạng.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về mạng cảm biến không
dây đa sự kiện với nhiệm vụ truyền thông của thiết bị cảm biến được thực hiện khi
xuất hiện sự kiện đặc biệt trong mạng và có nhiều sự kiện cùng xuất hiện trong
mạng với những yêu cầu chất lượng khác nhau. Những nghiên cứu này đang thu hút
khá nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học [51], [65], [76], [115], [116], [130].
Tuy nhiên, những nghiên cứu đi trước mới chỉ đáp ứng được một vài yêu cầu về
chất lượng về trễ, độ tin cậy và/hay sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng, hiếm
khi giải quyết được nhiều yêu cầu khác biệt cùng xuất hiện trong mạng. Chính vì
vậy, cần có thêm những nghiên cứu chuyên sâu để theo kịp và phù hợp với nhu cầu
phát triển nhanh của những ứng dụng WSN đa sự kiện. Xuất phát từ các phân tích
trên, nghiên cứu sinh đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện
hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện” cho luận án nghiên cứu của
mình.
2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu: Luận án nghiên cứu, tìm kiếm và xây dựng các giải
pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây, cụ thể là giảm được thời gian
trễ truyền gói, tăng độ tin cậy và đảm bảo sử dụng năng lượng hiệu quả. Để đạt
được mục tiêu này, luận án tiếp cận theo hai hướng: (1) đề xuất giải thuật định
tuyến và lựa chọn ưu tiên phù hợp với yêu cầu ứng dụng, (2) đề xuất giao thức
MAC có xét tới mức độ ưu tiên của dữ liệu. Trên cơ sở phân tích, so sánh với các
tác giả trước, luận án sẽ chứng minh cách tiếp cận của mình qua tính toán toán học
và mô phỏng rời rạc.
Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu các vấn đề liên quan tới giải pháp
cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây, bao gồm:
- Kỹ thuật định tuyến đa đường linh hoạt theo sự kiện và có nhận thức năng
lượng trong WSN.3
- Giao thức MAC ưu tiên trong WSN.
Phạm vi nghiên cứu được đề cập trong Luận án
- Mạng cảm biến bao gồm số lượng nút hữu hạn có vị trí cố định với phân bố
ngẫu nhiên trong trường cảm biến có phạm vi giới hạn.
- Nút cảm biến là đồng nhất (về cấu trúc, năng lượng, phạm vi thu phát) tại
thời điểm mạng bắt đầu hoạt động. Suy hao năng lượng của cảm biến phụ
thuộc vào hoạt động thu, phát ngẫu nhiên của cảm biến.
- Các sự kiện xuất hiện trong mạng cảm biến là ngẫu nhiên theo thời gian. Có
những thời điểm nhiều sự kiện cùng xuất hiện.
- Các sự kiện có thể có yêu cầu chất lượng khác nhau và đã được phân loại
trước khi được truyền đi.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu vừa nêu, phương pháp nghiên cứu được
sử dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết dựa trên việc phân tích giao thức,
phân tích toán học kết hợp với mô phỏng số và đối sánh với các phương pháp trước
đây. Cụ thể, phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng cho các nghiên cứu về
nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây và các giao thức định tuyến
cũng như giao thức MAC. Phương pháp tính toán số kết hợp với công cụ phần mềm
mô phỏng được sử dụng để kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết và đối sánh với các
phương pháp trước.
4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN
Các kết quả đóng góp mới về khoa học của luận án có thể phân thành hai
nhóm chính hướng tới đối tượng nghiên cứu mới là mạng cảm biến không dây đa sự
kiện xuất hiện đồng thời:
Đóng góp thứ nhất của luận án là đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng
mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng kỹ thuật định tuyến linh hoạt: (1) giải
pháp thứ nhất là đề xuất giao thức định tuyến DRPDS kết hợp định tuyến linh hoạt
theo mức độ ưu tiên của sự kiện với cơ chế truyền gói tin theo kiểu sự kiện khác
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi4
nhau để đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện có mức ưu tiên khác
nhau và (2) giải pháp thứ hai là đề xuất giải thuật định tuyến EARPhần mềm là phiên bản
cải tiến từ giải thuật DRPDS ở đề xuất thứ nhất với giải thuật định tuyến phát triển
dựa trên việc nhận thức năng lượng còn lại kết hợp với tính toán khoảng cách để
nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống của mạng. Kết
quả phân tích toán học và mô phỏng cho thấy hiệu quả của hai giải pháp là đáp ứng
được yêu cầu khác nhau về trễ và độ tin cậy của ba loại sự kiện khác nhau và vẫn
đảm bảo sử dụng hiệu quả năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng.
Đóng góp thứ hai của luận án là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng
cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên PMME. Giao thức
này kết hợp cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên của dữ liệu với
cơ chế nhận sớm Beacon. Kết quả phân tích toán học và mô phỏng cho thấy giải
pháp đã mang lại hiệu quả về mặt chất lượng mạng như giảm trễ truyền dữ liệu,
đảm bảo tỷ lệ truyền gói thành công cao mà vẫn sử dụng năng lượng hiệu quả.
5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
Luận án được bố cục thành ba chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1 “Tổng quan về vấn đề nghiên cứu”. Chương này trình bày tổng quan về
mạng cảm biến không dây. Các tham số hiệu năng cũng được giới thiệu trong
chương. Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát các nghiên cứu liên quan
đến hiệu năng mạng cảm biến không dây, khảo sát hai cách tiếp cận sử
dụng giao thức định tuyến và giao thức MAC để cải thiện hiệu năng mạng cảm biến
định hướng sự kiện đa mức ưu tiên, từ đó thấy được những hạn chế của các nghiên
cứu trước đây và đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu cũng như phương
thức tiếp cận của luận án. Một phần nội dung trình bày trong Chương 1 liên quan
đến tìm kiếm giải pháp đáp ứng đa sự kiện sự kiện trong WSN đã được trình bày
trong tạp chí [J1].
Chương 2 “Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử
dụng giao thức định tuyến linh hoạt”. Chương này tìm hiểu và nghiên cứu một số
giải pháp định tuyến linh hoạt theo sự kiện trong mạng cảm biến. Từ đó đưa ra hai5
đề xuất: (1) đề xuất giao thức định tuyến DRPDS kết hợp định tuyến linh hoạt theo
mức độ ưu tiên của sự kiện với cơ chế truyền gói tin theo kiểu sự kiện khác nhau để
đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện có mức ưu tiên khác nhau và
(2) đề xuất giải thuật định tuyến EARPhần mềm là phiên bản cải tiến từ giải thuật DRPDS
với giải thuật định tuyến phát triển dựa trên việc nhận thức năng lượng còn lại kết
hợp với tính toán khoảng cách để nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo
dài thời gian sống của mạng. Đóng góp mới của luận án trong chương này là đề
xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện có tên là
DRPDS và EARPM, phân tích toán về hiệu quả của việc truyền nhân tải lên đa
đường làm tăng độ tin cậy của việc truyền gói tin và truyền san tải lên đa đường làm
giảm thời gian trễ của gói tin trong điều kiện mạng có nghẽn. Cuối cùng là sử dụng
công cụ mô phỏng số OMNeT++ để đối sánh với phương pháp định tuyến trước đây
là GPSR [73]. Nội dung của Chương 2 liên quan đến giải pháp đề xuất đã được công
bố trong 02 bài báo đăng trên tạp chí JSTIC [J1, J2], 01 bài báo đăng trên tạp chí
Khoa học và Công nghệ Quân sự [J3] và báo cáo tại 02 hội nghị quốc tế [C1, C2].
Chương 3 “Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử
dụng giao thức MAC ưu tiên”. Chương này tìm hiểu và phân tích các giao thức
MAC trong mạng cảm biến không dây và nghiên cứu giải pháp ưu tiên của hai giao
thức MAC có xét nhiều mức ưu tiên dữ liệu khác nhau là QAEE [76] và MPQ [114].
Hai giao thức này đã phân biệt và ưu tiên từ 2 tới 4 mức độ khác nhau cho gói tin
trong mạng, tuy nhiên việc ưu tiên vẫn còn cứng nhắc và không thực tế với mạng
cảm biến đa sự kiện có nhiều sự kiện có thể xuất hiện với số sự kiện ngẫu nhiên.
Chính vì thế, nghiên cứu sinh đã nghiên cứu và đề xuất thay đổi tham số p trong
CSMA p-persistent theo mức độ ưu tiên của gói tin dữ liệu, đồng thời với việc thay
đổi cơ chế nhận sớm Tx-Beacon ở lớp MAC. Đóng góp mới của luận án trong
chương này là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự
kiện sử dụng giao thức MAC có tên là PMME. Cuối cùng là sử dụng công cụ mô
phỏng số Castalia để đối sánh với hai giao thức QAEE và MPQ. Kết quả cho thấy
PMME giúp mạng hoạt động hiệu quả hơn với việc giảm trễ truyền dữ liệu, tăng
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi6
hiệu quả sử dụng năng lượng mà vẫn đảm bảo tỷ lệ truyền gói thành công cao. Các
đóng góp của luận án được trình bày trong chương này được công bố trong 01 bài
báo đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Quân sự [J4], 01 hội nghị trong nước
[C3] và 01 hội nghị quốc tế [C4].
Trong phần Kết luận, luận án tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính của luận
án và đưa ra những gợi mở cho những nghiên cứu tiếp theo.7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tóm tắt (1): Nội dung của chương trình bày tổng quan về mạng cảm biến không
dây và các giao thức lớp định tuyến và MAC sử dụng trong mạng này. Các tham số
hiệu năng trong mạng cảm biến không dây cũng được giới thiệu trong chương. Mục
tiêu chính của chương sẽ tập trung khảo sát các nghiên cứu liên quan đến cải thiện
hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện để từ đó tìm ra các hạn chế của các
nghiên cứu trước đây và từ đó đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và
cách tiếp cận của luận án.
1.1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây đa sự kiện với những ứng dụng yêu cầu đa dạng
về chất lượng
Mạng cảm biến không dây đa sự kiện (như mạng thông báo cháy rừng, mạng
cảm biến trong nhà thông minh …) là mạng cảm biến không dây trong đó các nút
1 Một phần nội dung của Chương 1 đã được công bố trong Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin và truyền
thông (JSTIC) 2016 [J1].
Sự kiện 1
QoS1
Sin
Sự kiện 2
QoS2
Sự kiện n
QoSn
Sự kiện 3
QoS3
Yêu cầu QoS ứng dụng:
- Độ trễ thấp
- Độ tin cậy cao
- Thông lượng cao
Yêu cầu của WSN:
- Sử dụng hiệu quả
năng lượng
SINK
Internet và
vệ tinh
Nút quản lý
nhiệm vụ
Người sử
dụng
Trường
cảm biến
Các nút
cảm biến
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi8
cảm biến cần chuyển tiếp thông tin cảm biến về các sự kiện tới điểm tập hợp dữ liệu
(sink). Mỗi sự kiện sẽ có yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ như độ trễ, tốc
độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …[12], [90]. Hình 1.1 mô tả một mạng cảm biến không
dây đa sự kiện.
Các nút cảm biến nằm rải rác trong trường cảm biến và thường gồm một hoặc
vài thiết bị cảm biến đơn giản, nhỏ gọn, giá thành rẻ… tạo nên sự kết hợp các khả
năng cảm biến, xử lý và chuyển tiếp thông tin qua hạ tầng không dây về điểm tập
hợp dữ liệu (sink) và từ đó chuyển tiếp tới người sử dụng cuối. Dữ liệu được định
tuyến về sink thông qua con đường trực tiếp hay qua đa chặng. Sink có thể truyền
thông với nút quản lý nhiệm vụ qua vệ tinh hay Internet.
1.1.1 Nút mạng
Công nghệ điện tử siêu nhỏ (MEMS – Micro ElectroMechanical System) hỗ
trợ sản xuất cảm biến dưới dạng vi cơ điện tử có kích thước từ vài micromet tới vài
milimet [157].
Hình 1.2: Thành phần của một nút cảm biến [15]
Một nút mạng cảm biến thường có bốn khối [15]: (1) khối cảm biến dùng để
cảm nhận sự thay đổi từ môi trường bên ngoài và chuyển thành tín hiệu điện về khối
xử lý, (2) khối xử lý có dung lượng nhỏ để quản lý dữ liệu thu được, (3) khối truyền
thông là một bộ thu phát vô tuyến được sử dụng để trao đổi thông tin giữa các nút
và (4) khối nguồn để cung cấp năng lượng cho các khối còn lại; ngoài ra còn tùy
KẾT LUẬN
Với mục tiêu cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện qua
giao thức định tuyến linh hoạt và giao thức MAC ưu tiên, luận án đã đạt được mục
tiêu đề ra là đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa
sự kiện có thể đáp ứng đồng thời nhiều yêu cầu hiệu năng khác nhau cho các sự
kiện xuất hiện trong mạng mà vẫn đảm bảo sử dụng hiệu quả năng lượng. Những
kiến thức nền tảng và các kết quả nghiên cứu đã được trình bày trong luận án với bố
cục ba chương như sau: (1) Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, (2) Cải thiện hiệu
năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức định tuyến linh
hoạt và (3) Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng
giao thức MAC ưu tiên. Các kết quả đóng góp mới về khoa học của luận án có thể
phân thành hai nhóm lớn:
1. Đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự
kiện sử dụng định tuyến linh hoạt
Đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện
sử dụng kỹ thuật định tuyến linh hoạt là DRPDS và EARPM.
Giao thức định tuyến DRPDS linh hoạt kết hợp định tuyến đơn và đa đường
cùng với cơ chế phân tải lưu lượng linh hoạt theo sự kiện để đáp ứng 3 loại sự kiện
có yêu cầu QoS khác nhau trong mạng cảm biến không dây. Kết quả mô phỏng trên
OMNeT++ cho thấy giao thức định tuyến DRPDS giúp mạng đáp ứng được yêu cầu
đồng thời của nhiều sự kiện khác loại trong điều kiện khác nhau về tỷ lệ lỗi gói, (a)
sự kiện yêu cầu trễ thấp giảm được 20% thời gian trễ so với các loại sự kiện còn lại,
(b) sự kiện yêu cầu độ tin cậy cao đáp ứng được yêu cầu tỷ lệ mất gói nhỏ hơn
nhiều lần so với tỷ lệ lỗi gói của một chặng và nhỏ hơn so với những sự kiện khác
dù truyền thông đa chặng;
Giải thuật EARPhần mềm tiếp tục phát triển dựa trên DRPDS kết hợp với việc nhận
thức năng lượng còn lại để nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo dài thời
gian sống của mạng và vẫn đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện
có mức ưu tiên khác nhau. Kết quả mô phỏng trên OMNeT++ đã kiểm chứng khả
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ....................................................................................................................... iii
BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ................................................................................... vii
BẢNG DANH MỤC KÝ HIỆU ....................................................................................... xi
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. xv
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... xvii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN ............................................................... 1
2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................. 2
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................... 3
4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN ................................................................ 3
5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN .............................................................................. 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................... 7
1.1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN ......................................... 7
1.1.1 Nút mạng ....................................................................................... 8
1.1.2 Mạng lưới liên kết .......................................................................... 9
1.1.3 Mô hình năng lượng ..................................................................... 10
1.1.4 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................ 10
1.1.4.1 Phân loại định tuyến trong mạng cảm biến không dây ....... 11
1.1.4.2 Đặc điểm của định tuyến đa đường trong mạng cảm biến
không dây ....................................................................................... 14
1.1.5 Giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây ........................ 19
1.1.5.1 Phân loại theo đặc điểm xung đột ....................................... 20
1.1.5.2 Cơ chế đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA .............. 22
1.1.6 Những yêu cầu chất lượng đặc biệt của mạng cảm biến không dây
đa sự kiện ............................................................................................. 25iv
1.2 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
............................................................................................................................... 29
1.2.1 Hiệu quả sử dụng năng lượng....................................................... 29
1.2.1.1 Thời gian sống ................................................................... 30
1.2.1.2 Năng lượng cho việc truyền một đơn vị dữ liệu................... 31
1.2.2 Trễ gói tin .................................................................................... 31
1.2.3 Độ tin cậy .................................................................................... 32
1.3 CÁC TIẾP CẬN LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ...................... 33
1.3.1 Phân tích, đánh giá các tiếp cận ở Việt Nam ................................ 33
1.3.2 Phân tích, đánh giá các tiếp cận trên thế giới ................................ 34
1.3.2.1 Hạn chế trong các nghiên cứu về giao thức định tuyến ....... 36
1.3.2.2 Hạn chế trong các nghiên cứu sử dụng hàng đợi ưu tiên .... 36
1.3.2.3 Hạn chế trong các nghiên cứu về giao thức MAC ............... 37
1.4 HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 40
1.4.1 Các giải pháp để làm giảm độ trễ ................................................. 40
1.4.2 Các giải pháp làm tăng độ tin cậy................................................. 41
1.4.3 Các giải pháp để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng mạng ........... 42
1.4.4 Sự trả giá cho các tham số hiệu năng trong WSN ......................... 43
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................. 44
CHƯƠNG 2: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ
KIỆN SỬ DỤNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LINH HOẠT ........................................ 45
2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 46
2.2 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐỊNH HƯỚNG SỰ KIỆN ....................... 48
2.2.1 Giao thức định tuyến GPSR ......................................................... 48
2.2.2 Giao thức định tuyến đa đường linh hoạt hướng theo sự kiện ....... 50
2.2.3 Định tuyến đa đường nâng cao độ tin cậy và đảm bảo băng thông 52
2.3 GIẢI PHÁP DRPDS KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG VỚI CƠ CHẾ TRUYỀN
GÓI LINH HOẠT .................................................................................................. 53
2.3.1 Phân tích giải pháp chọn tuyến và cơ chế phân tải linh hoạt ......... 54
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiv
2.3.2 Giải thuật định tuyến và cơ chế truyền gói linh hoạt DRPDS ....... 55
2.3.3 Phân tích hiệu năng WSN đa sự kiện khi truyền đa đường ........... 59
2.3.3.1 Phân tích về độ tin cậy ....................................................... 59
a) Độ tin cậy của gói tin khi truyền trên một đường ..................... 59
b) Độ tin cậy của gói tin khi truyền sao chép trên nhiều đường ... 60
2.3.3.2 Phân tích tính trễ gói .......................................................... 62
2.3.3.3 Một số trường hợp đặc biệt làm ảnh hưởng tới lợi thế trễ và
độ tin cậy của định tuyến đa đường ................................................ 65
2.3.4. Đánh giá hiệu năng WSN đa sự kiện sử dụng DRPDS ................ 66
2.3.4.1 Kịch bản mô phỏng ............................................................ 66
2.3.4.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá ........................................... 68
a) Tỷ lệ lỗi gói ............................................................................. 68
b) Thời gian trễ và hiệu quả trễ của gói loại C so với A và B ...... 70
2.4 GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN NHẬN THỨC NĂNG LƯỢNG EARPhần mềm .......... 71
2.4.1 Phân tích giải pháp chọn tuyến EARPhần mềm ...................................... 71
2.4.2 Giải thuật định tuyến EARPhần mềm ..................................................... 74
2.4.3 Đánh giá hiệu năng WSN đa sự kiện sử dụng EARPhần mềm ................ 76
2.4.3.1 Kịch bản mô phỏng ............................................................ 76
2.4.3.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá ........................................... 78
a) Thời gian sống và số lượng nút chết ........................................ 78
b) Tỷ lệ lỗi gói ............................................................................. 80
c) Thời gian trễ ............................................................................ 81
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................. 82
CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ
KIỆN SỬ DỤNG GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN ............................................................ 84
3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 84
3.2 GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN ......................................................................... 85
3.2.1 Giao thức QAEE .......................................................................... 86
3.2.2 Giao thức MPQ ............................................................................ 87vi
3.3 ĐỀ XUẤT GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN PMME ........................................... 89
3.3.1 Giao thức MAC ưu tiên PMME ................................................... 89
3.3.1.1 Cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên của
gói tin ............................................................................................. 90
3.3.1.2 Cơ chế chấp nhận Tx-Beacon sớm nhất .............................. 93
3.3.2 Phân tích hiệu năng WSN đa sự kiện khi sử dụng PMME ............ 93
3.3.2.1 Phân tích ảnh hưởng của mức độ ưu tiên tới trễ gói sử dụng
giao thức PMME ............................................................................ 94
3.3.2.2 Phân tích ảnh hưởng của mức độ ưu tiên tới độ tin cậy sử
dụng giao thức PMME ................................................................... 96
3.3.3 Đánh giá hiệu năng WSN đa sự kiện sử dụng PMME .................. 99
3.3.3.1 Kịch bản mô phỏng ............................................................ 99
3.3.3.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá ......................................... 101
a) Trễ gói trung bình .................................................................... 101
b) Trễ gói PMME theo mức độ ưu tiên của gói tin ....................... 103
c) Tỷ lệ truyền gói thành công ...................................................... 105
d) Hiệu quả tiêu thụ năng lượng .................................................. 106
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................... 107
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 108
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 112
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phivii
BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
A
ABMR Agent Based Multipath
Routing
Định tuyến đa đường dựa trên tác
tử
ACK Acknowledgement Xác nhận
APLR Average Packet Loss Ratio Tỷ lệ mất gói trung bình
B
BS Base Station Trạm gốc
C
CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh có rỗi không
CDMA Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CODA Congestion detection and
avoidance
Phát hiện và tránh nghẽn
CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
CSMA-CD CSMA-Collission Detection CSMA- Phát hiện xung đột
CSMA-CA CSMA- Collission Avoidance CSMA-Tránh xung đột
D
DA Destination Address Địa chỉ đích
DMP Dynamic Multilevel Priority Ưu tiên đa lớp động
DRPDS Dynamic Routing Protocol
and Delivering Scheme
Giao thức định tuyến và cơ chế
truyền tải linh hoạt
E
E2E End to End Từ đầu tới cuối
EARPhần mềm Energy Aware Routing
Protocol for Multievent
Wireless Sensor Network
Giao thức định tuyến nhận thức
năng lượng cho Mạng cảm biến
không dây đa sự kiện
ESRT Event-to-Sink Reliable
Transport
Vận chuyển tin cậy từ nút phát hiện
sự kiện tới sinkviii
F
FC Frame Control
Điều khiển khung (trường kiểm tra
đầu khung)
FCFS First Come First Serve Vào trước phục vụ trước
FCS Frame Check Sequence
Trình tự kiểm tra khung (trường
thứ tự để kiểm tra)
FDMA Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
G
GPSR Greedy Perimeter Stateless
Routing
Giao thức định tuyến phi trạng thái
chọn nút chuyển tiếp gần sink nhất
trong chu vi phủ sóng
L
LAN Local Area Network Mạng nội bộ
LEDMPR
Location Aware Event Driven
Multipath Routing
Định tuyến đa đường định hướng
sự kiện có nhận thức vị trí
LIEMRO Low-Interference Energyefficient Multipath ROuting
protocol
Giao thức định tuyến đa đường
hiệu quả năng lượng có mức nhiễu
thấp
LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng
M
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
MEMS
Micro ElectroMechanical
System
Hệ thống vi cơ điện tử
MEMPR
MultiEvent Multipath Routing
Protocol
Giao thức định tuyến đa đường đa
sự kiện
MPMPS
Multi-priority Multi-path
Selection
Lựa chọn đa đường đa mức ưu tiên
MPQ Multi-priority based QoS
MAC protocol
Giao thức MAC đa mức ưu tiên
dựa trên QoS
P
PER Packet Error Rate Tỷ lệ mất gói
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiix
PMME Priority MAC protocol for
MultiEvent Wireless Sensor
Network
Giao thức MAC ưu tiên cho mạng
cảm biến không dây đa sự kiện
PSR Packet Success Rate Tỷ lệ gói truyền thành công
Q
QAEE
QoS aware energy-efficient
MAC protocol
Giao thức MAC hiệu quả năng
lượng và nhận thức QoS
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
R
ReInForM
Reliable Information
Forwarding using Multiple
paths
Chuyển tiếp thông tin đáng tin cậy
sử dụng nhiều đường dẫn
REQ Routing Request message Bản tin yêu cầu định tuyến
RX Receive Nhận/ Thu
S
SA Source Address Địa chỉ nguồn
SIFS Short Interframe Space Khoảng cách liên khung ngắn
SMAC Sensor MAC Giao thức điều khiển truy nhập môi
trường cho mạng cảm biến
SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý mạng cảm biến
SQDDP Sender Query and Data
Dissemination Protocol
Giao thức phân phối dữ liệu và truy
vấn bên gửi
T
TADAP Task Assignment and Data
Advertisement Protocol
Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ
định nhiệm vụ
TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn
TDMA Time Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
TX Transmission Phát
U
UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu đồ người sử dụngx
W
WMSN
Wireless Mulimedia Sensor
Network
Mạng cảm biến đa phương tiện
không dây
WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phixi
BẢNG DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu Từ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt
a The differiented base a Cơ số ưu tiên
bL Burst Length Số gói sinh ra từ một sự kiện
d Distance Khoảng cách
dACK The ACK transmission time Thời gian truyền phản hồi
dCCA CCA check delay Thời gian đủ để cảm nhận được chính xác
trạng thái của môi trường truyền dẫn
d j The delay at the relay node j Trễ ở nút chuyển tiếp j
dmax The sensor node’s radio
transmission radius
Bán kính truyền vô tuyến của nút cảm biến
dMAC The medium access delay of
a packet
Trễ truy nhập môi trường của một gói
dque The queueing delay of a
packet
Trễ xếp hàng của một gói ở hàng đợi
dservice The service delay of a packet Trễ xử lý của một gói ở hàng đợi
dSIFS the duration of the short
interframe space
Thời gian của SIFS (khoảng cách giữa các
khung)
dtotal Total delay Tổng trễ
dtrans The transmission delay of a
packet
Trễ truyền dẫn của một gói
dts Time slot in CSMA ppersistent
Khe thời gian sử dụng trong CSMA ppersistent
dTxB m , Time for mth trying to send a
Tx-Beacon
Thời gian để được gửi Tx-Beacon trong
lần gieo thứ m
Davr Average Packet Delay Trễ gói trung bình
Di The ith Packet Delay Trễ gói thứ i
amp The energy required per bit
of data for transmitter
amplifier
Năng lượng để khuếch đại và phát đi một
bitxii
elec The energy required for
transceiver circuitry to
process one bit of data
Năng lượng để thu hay phát một bít dữ
liệu
e The perhop channel packet
error rate
Tỷ lệ lỗi gói kênh của một chặng
eS j , The perhop channel packet
error rate at jth hop with a
packet size of S bits
Tỷ lệ lỗi gói kênh của chặng thứ j với
kích thước gói tin là S bít
eS i j , , The probability that a packet
is dropped at the jth hop of
the ith path with a packet size
of S bits
Xác suất gói bị rơi ở chặng j trên đường
i với kích thước gói tin là S bít
E E represents the set of edges
in WSN
E biểu thị tập các cạnh trong đồ thị
Eavg The average energy
consumption for successfully
receive a data bit
Năng lượng tiêu thụ trung bình để nhận
được một bít dữ liệu
E S d hop , The energy consumption to
transmit and receive a S -bit
message at a distance d
Năng lượng thu và phát một bản tin có độ
dài S bit qua khoảng cách d
ET Total energy consumption Tổng năng lượng tiêu thụ
G The undirected graph of
WSN
Đồ thị vô hướng
h Hopcount /Number of hops Số chặng trên một đường truyền
k Sensor node radio state (4
states: transmit, receive,
listen and sleep)
Trạng thái vô tuyến của nút cảm biến (4
trạng thái: phát, thu, nghe, ngủ)
L Dimension of Sensing Area Chiều dài cạnh của vùng cảm biến (kích
thước đo, mét)
m The maximum trying
numbers to send a Tx-Beacon
Số lần thử truyền tối đa một Tx-Beacon
mS Number of sensor node radio
states
Tổng số lượng trạng thái vô tuyến của một
nút
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phixiii
M Number of paths in multipath
routing
Số lượng đường trong định tuyến đa
đường
n The number of priority levels Số mức ưu tiên
ns The number of senders Số lượng nút gửi khung dữ liệu
N The total number of packets
received by the receiver
Tổng số gói bên nhận nhận được
Nr The number of distinctive
packets received by the sink
Số gói đích nhận được (không tính gói
trùng do sao chép).
Ns The number of original
packets sent by the source
Số gói gốc gửi từ nguồn
p The probability of CSMA ppersistent for one frame
Xác suất chọn gửi theo CSMA p-persistent
của một khung
pi The probability of CSMA ppersistent for one frame with
the priority level of i
Xác suất chọn gửi theo CSMA p-persistent
của một khung có mức ưu tiên là i
pi a n , , The probability of none linear
value of CSMA p-persistent
for one frame with the
priority level of i in n
priority levels, differiented
base a
Xác suất chọn gửi theo giá trị phi tuyến
CSMA p-persistent của một khung có
mức ưu tiên là i trong n mức ưu tiên với
cơ số phân biệt a
pi n , The probability of linear
value of CSMA p-persistent
for one frame with the
priority level of i in n
priority levels
Xác suất chọn gửi theo giá trị tuyến tính
CSMA p-persistent của một khung có
mức ưu tiên là i trong n mức ưu tiên
prand The random number for a
node to decide sending TxBeacon or not
Giá trị gieo ngẫu nhiên của một nút trước
khi quyết định có gửi Tx-Beacon hay
không
p L The probability that at least
one copy of a packet is
successfully received by the
sink
Xác suất ít nhất có một bản sao của gói tới
được đích (sink) qua i đường thông qua
định tuyến L đường
psrS j , Reliability at jth hop with a
packet size of S bits
Độ tin cậy ở chặng thứ j với kích thước
gói là S bítxiv
Pk
Energy consumption power
at kth state
Công suất tiêu thụ năng lượng ở trạng thái
k
PER Packet Error Rate Tỷ lệ lỗi gói
PER (1,h) Single path Packet Error Rate
over h hops
Tỷ lệ lỗi gói truyền đơn đường qua h
chặng
PER M h , M Packet Error Rate over M
paths of hM hops
Tỷ lệ lỗi gói truyền trên M đường có hM
chặng
Psize The packet size Kích thước gói tin
PSR Packet Success Rate Tỷ lệ truyền gói thành công
PSR h 1, Packet Success Rate over a
path of h hops
Tỷ lệ nhận gói qua một đường gồm h
chặng
PSR M h , M Packet Success Rate over M
paths of hM hops
Tỷ lệ nhận gói qua M đường gồm hM
chặng
PSRTxB m , Packet Success Rate for the
th
m trying to send a TxBeacon
Tỷ lệ truyền Tx-Beacon thành công sau m
lần thử
R Reliability R= Nr / Ns Độ tin cậy R= Nr / Ns
Tg Time duration for a wakeup
node to sense the medium
before sending its frame.
Khoảng thời gian lắng nghe môi trường
sau khi nút thức dậy đảm bảo để tránh gây
xung đột
S Message Size Kích thước một bản tin
tk The duration of state k Khoảng thời gian tồn tại trạng thái k
Tw The Tx-Beacon contention
duration
Khoảng thời gian cạnh tranh gửi TxBeacon
V The set of vertices (sensor
nodes and sink) in WSN
Tập các đỉnh trong đồ thị vô hướng
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phixv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây đa sự kiện với những ứng dụng yêu cầu đa
dạng về chất lượng .................................................................................................. 7
Hình 1.2: Thành phần của một nút cảm biến [15] .................................................... 8
Hình 1.3: Mô tả hình năng lượng thu phát của nút cảm biến [15], [58] .................. 10
Hình 1.4: Phân loại giao thức định tuyến trong WSN ............................................ 11
Hình 1.5: Phân loại giao thức định tuyến đa đường [109] ...................................... 18
Hình 1.6: Phân loại các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây (tổng hợp
từ [36], [95], [109], [117]). .................................................................................... 20
Hình 1.7: Mô tả hoạt động trong CSMA/CA ........................................................ 23
Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của ba kiểu truyền CSMA [48] .................................... 24
Hình 1.9: Các khái niệm liên quan tới thời gian sống trong WSN .......................... 31
Hình 1.10: Phân loại khái niệm độ tin cậy truyền tin trong WSN [95] ................... 32
Hình 2.1: Mô tả cách chọn đường Greedy theo GPSR ........................................... 49
Hình 2.2: Mô tả cơ chế định tuyến kết hợp đơn đường, đa đường [J2] ................... 54
Hình 2.3: Mô tả hoạt động định tuyến DRPDS [J2] ............................................... 57
Hình 2.4: Chọn nút chuyển tiếp trong DRPDS ....................................................... 58
Hình 2.5: Độ tin cậy gói tin truyền trên một đường ................................................ 59
Hình 2.6: Độ tin cậy truyền tin khi truyền gói sao chép trên nhiều đường [J3] ....... 60
Hình 2.7: Đánh giá tỷ lệ lỗi gói khi truyền đơn và đa đường với các tham số về số
đường, số chặng khác nhau theo tỷ lệ lỗi gói đơn chặng là 1% và 2% [J3] ............. 61
Hình 2.8: Sự chiếm giữ hàng đợi của ba loại gói.................................................... 63
Hình 2.9: So sánh về trễ của định tuyến đa đường sử dụng cơ chế phân tải so với
định tuyến đơn đường với số lượng đường và độ dài hàng đợi thay đổi ................. 65
Hình 2.10: Hình trạng mạng mô phỏng chạy giao thức DRPDS [J2] ...................... 68
Hình 2.11: Đánh giá tỷ lệ lỗi gói của ba loại gói dữ liệu của ba loại gói sự kiện (A,
B và C) trong các điều kiện WSN đa sự kiện khác nhau sử dụng DRPDS.............. 69
Hình 2.12: Đánh giá độ trễ của ba loại gói dữ liệu của ba loại gói sự kiện (A, B và
C) trong WSN với các điều kiện khác nhau sử dụng DRPDS ................................. 70xvi
Hình 2.13: Mô tả cơ chế định tuyến kết hợp đơn đường, đa đường và nhận thức
năng lượng [J3] ..................................................................................................... 73
Hình 2.14: Mô tả hoạt động và giải thuật định tuyến EARPhần mềm [J3] ........................ 75
Hình 2.15: So sánh thời gian sống của mạng WSN đa sự kiện sử dụng EARPhần mềm so
với DRPDS ........................................................................................................... 79
Hình 2.16: Số lượng nút chết và thời gian sống của mạng WSN đa sự kiện sử dụng
EARPhần mềm so với DRPDS ......................................................................................... 80
Hình 2.17: Phân tích tỷ lệ lỗi gói của ba loại gói dữ liệu trong mạng WSN đa sự
kiện sử dụng EARPhần mềm và DRPDS .......................................................................... 80
Hình 2.18: Phân tích độ trễ của ba loại gói dữ liệu trong mạng WSN đa sự kiện sử
dụng EARPhần mềm ........................................................................................................ 81
Hình 3.1: Mô tả hoạt động truyền thông của giao thức QAEE-MAC [76] .............. 86
Hình 3.2: Khuôn dạng các Beacon trong giao thức MPQ [115] ............................. 88
Hình 3.3: Mô tả hoạt động truyền thông của giao thức PMME [C4] ...................... 90
Hình 3.4: Cơ chế CSMA p-persistent cho việc gửi Tx-Beacon theo mức độ ưu tiên
dữ liệu trong PMME [C3] ...................................................................................... 91
Hình 3.5: Đánh giá trễ truyền và tỷ lệ truyền thành công Tx-Beacon của một nút gửi
với các tham số khác nhau ..................................................................................... 97
Hình 3.6: Thời gian trễ trung bình của gói tin sử dụng giao thức PMME so với sử
dụng giao thức QAEE và MPQ ............................................................................ 102
Hình 3.7: Thời gian trễ trung bình của gói tin PMME với 4 mức ưu tiên khác nhau
và với hai kiểu p khác nhau ................................................................................ 104
Hình 3.8: Tỷ lệ truyền gói thành công của mạng sử dụng các giao thức QAEE, MPQ
và PMME với maxTxRetries =10 ........................................................................ 105
Hình 3.9: Năng lượng tiêu thụ trung bình (mj/bit) [C3] ....................................... 106
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phixvii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Những lợi ích của định tuyến đa đường trong WSN .............................. 15
Bảng 1.2: Các hoạt động trong giao thức định tuyến đa đường trong WSN [109] .. 16
Bảng 1.3: Các cấp độ thông báo cháy rừng [156] .................................................... 25
Bảng 1.4: Một số ứng dụng cảm biến đa sự kiện và yêu cầu ứng dụng .................. 28
Bảng 1.5: Các giải pháp cải thiện hiệu năng WSN theo cách tiếp cận lớp chức năng
.............................................................................................................................. 34
Bảng 1.6: Đánh giá một số giải pháp kỹ thuật đảm bảo hiệu năng cho mạng cảm
biến không dây đa sự kiện ..................................................................................... 37
Bảng 2.1: Các thông số mô phỏng mạng cảm biến sử dụng giao thức DRPDS [J2],
[36], [58] ............................................................................................................... 67
Bảng 2.2: Các thông số mô phỏng mạng cảm biến sử dụng giải thuật định tuyến
EARPhần mềm [J2], [36], [58] ......................................................................................... 77
Bảng 3.1: Các mức ưu tiên gói [115] ..................................................................... 88
Bảng 3.2: Các thông số mô phỏng mạng cảm biến sử dụng giao thức MAC [76],
[114], [115], [J4] ................................................................................................... 991
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN
Mạng cảm biến không dây (WSN) đã, đang và tiếp tục là lĩnh vực được nhiều
nhà nghiên cứu quan tâm và phát triển mở rộng [15], [55], [74]. Dự báo từ những
năm đầu thế kỷ 21 cho thấy trong tương lai cảm biến sẽ là phần không thể thiếu
trong cuộc sống hơn nhiều so với các máy vi tính hiện dùng và trong thế giới IoT
thì thiết bị cảm biến là một trong những thành phần thiết yếu [152], [154]. Những
công nghệ không dây và vi cơ điện tử (MEMS) đã cho phép triển khai nhiều ứng
dụng WSN trong những điều kiện mạng đặc biệt và khắc nghiệt, nó cho phép thay
thế con người hay các thiết bị truyền thông thông dụng trong các lĩnh vực quân sự,
giao thông, y tế, môi trường, công nông nghiệp …[12], [15], [51], [55], [80], [112],
[113].
Trong giai đoạn phát triển ban đầu, với các ứng dụng cảm biến chuyên biệt,
các cảm biến trong một mạng chỉ có nhiệm vụ cảm nhận những trạng thái hay quá
trình vật lý/hóa học ở môi trường cần khảo sát, biến đổi chúng thành thông tin về
trạng thái hay quá trình đó rồi gửi tín hiệu mang thông tin qua hạ tầng truyền thông
về trung tâm để xử lý. Sau đó, trung tâm sẽ đưa ra cảnh báo/điều khiển cho mạng.
Ngày nay, những yêu cầu ứng dụng đa dạng cần kết hợp nhiều kiểu loại cảm biến
như ứng dụng trong thông báo cháy rừng, công nghiệp hầm mỏ, nông nghiệp thông
minh, nhà thông minh hay y tế thông minh [59], [66], [126], [151], [152], [156],
các cảm biến cần có khả năng phân tích thông tin về nhiều loại sự kiện khác nhau
rồi gửi thông báo về trung tâm và với mỗi sự kiện sẽ có thể có những yêu cầu truyền
thông khác nhau như độ trễ, tốc độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …[15], [46], [51], [65],
[116], [130], [146].
Như vậy ngoài rất nhiều thách thức trong việc thiết kế các mạng cảm biến
không dây do đặc điểm khác biệt của mạng này so với mạng truyền thông truyền
thống: số lượng thông tin cảm biến lớn, kích thước của nút cảm biến nhỏ, năng
lượng hạn chế trong môi trường có độ tổn thất cao và phải có khả năng tự vận hành,
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi2
quản lý của mạng cảm biến còn có thêm thách thức về việc thiết kế mạng sao cho
có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ (QoS) của nhiều sự
kiện trong mạng.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về mạng cảm biến không
dây đa sự kiện với nhiệm vụ truyền thông của thiết bị cảm biến được thực hiện khi
xuất hiện sự kiện đặc biệt trong mạng và có nhiều sự kiện cùng xuất hiện trong
mạng với những yêu cầu chất lượng khác nhau. Những nghiên cứu này đang thu hút
khá nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học [51], [65], [76], [115], [116], [130].
Tuy nhiên, những nghiên cứu đi trước mới chỉ đáp ứng được một vài yêu cầu về
chất lượng về trễ, độ tin cậy và/hay sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng, hiếm
khi giải quyết được nhiều yêu cầu khác biệt cùng xuất hiện trong mạng. Chính vì
vậy, cần có thêm những nghiên cứu chuyên sâu để theo kịp và phù hợp với nhu cầu
phát triển nhanh của những ứng dụng WSN đa sự kiện. Xuất phát từ các phân tích
trên, nghiên cứu sinh đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện
hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện” cho luận án nghiên cứu của
mình.
2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu: Luận án nghiên cứu, tìm kiếm và xây dựng các giải
pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây, cụ thể là giảm được thời gian
trễ truyền gói, tăng độ tin cậy và đảm bảo sử dụng năng lượng hiệu quả. Để đạt
được mục tiêu này, luận án tiếp cận theo hai hướng: (1) đề xuất giải thuật định
tuyến và lựa chọn ưu tiên phù hợp với yêu cầu ứng dụng, (2) đề xuất giao thức
MAC có xét tới mức độ ưu tiên của dữ liệu. Trên cơ sở phân tích, so sánh với các
tác giả trước, luận án sẽ chứng minh cách tiếp cận của mình qua tính toán toán học
và mô phỏng rời rạc.
Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu các vấn đề liên quan tới giải pháp
cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây, bao gồm:
- Kỹ thuật định tuyến đa đường linh hoạt theo sự kiện và có nhận thức năng
lượng trong WSN.3
- Giao thức MAC ưu tiên trong WSN.
Phạm vi nghiên cứu được đề cập trong Luận án
- Mạng cảm biến bao gồm số lượng nút hữu hạn có vị trí cố định với phân bố
ngẫu nhiên trong trường cảm biến có phạm vi giới hạn.
- Nút cảm biến là đồng nhất (về cấu trúc, năng lượng, phạm vi thu phát) tại
thời điểm mạng bắt đầu hoạt động. Suy hao năng lượng của cảm biến phụ
thuộc vào hoạt động thu, phát ngẫu nhiên của cảm biến.
- Các sự kiện xuất hiện trong mạng cảm biến là ngẫu nhiên theo thời gian. Có
những thời điểm nhiều sự kiện cùng xuất hiện.
- Các sự kiện có thể có yêu cầu chất lượng khác nhau và đã được phân loại
trước khi được truyền đi.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu vừa nêu, phương pháp nghiên cứu được
sử dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết dựa trên việc phân tích giao thức,
phân tích toán học kết hợp với mô phỏng số và đối sánh với các phương pháp trước
đây. Cụ thể, phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng cho các nghiên cứu về
nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây và các giao thức định tuyến
cũng như giao thức MAC. Phương pháp tính toán số kết hợp với công cụ phần mềm
mô phỏng được sử dụng để kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết và đối sánh với các
phương pháp trước.
4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN
Các kết quả đóng góp mới về khoa học của luận án có thể phân thành hai
nhóm chính hướng tới đối tượng nghiên cứu mới là mạng cảm biến không dây đa sự
kiện xuất hiện đồng thời:
Đóng góp thứ nhất của luận án là đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng
mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng kỹ thuật định tuyến linh hoạt: (1) giải
pháp thứ nhất là đề xuất giao thức định tuyến DRPDS kết hợp định tuyến linh hoạt
theo mức độ ưu tiên của sự kiện với cơ chế truyền gói tin theo kiểu sự kiện khác
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi4
nhau để đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện có mức ưu tiên khác
nhau và (2) giải pháp thứ hai là đề xuất giải thuật định tuyến EARPhần mềm là phiên bản
cải tiến từ giải thuật DRPDS ở đề xuất thứ nhất với giải thuật định tuyến phát triển
dựa trên việc nhận thức năng lượng còn lại kết hợp với tính toán khoảng cách để
nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống của mạng. Kết
quả phân tích toán học và mô phỏng cho thấy hiệu quả của hai giải pháp là đáp ứng
được yêu cầu khác nhau về trễ và độ tin cậy của ba loại sự kiện khác nhau và vẫn
đảm bảo sử dụng hiệu quả năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng.
Đóng góp thứ hai của luận án là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng
cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên PMME. Giao thức
này kết hợp cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên của dữ liệu với
cơ chế nhận sớm Beacon. Kết quả phân tích toán học và mô phỏng cho thấy giải
pháp đã mang lại hiệu quả về mặt chất lượng mạng như giảm trễ truyền dữ liệu,
đảm bảo tỷ lệ truyền gói thành công cao mà vẫn sử dụng năng lượng hiệu quả.
5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
Luận án được bố cục thành ba chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1 “Tổng quan về vấn đề nghiên cứu”. Chương này trình bày tổng quan về
mạng cảm biến không dây. Các tham số hiệu năng cũng được giới thiệu trong
chương. Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát các nghiên cứu liên quan
đến hiệu năng mạng cảm biến không dây, khảo sát hai cách tiếp cận sử
dụng giao thức định tuyến và giao thức MAC để cải thiện hiệu năng mạng cảm biến
định hướng sự kiện đa mức ưu tiên, từ đó thấy được những hạn chế của các nghiên
cứu trước đây và đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu cũng như phương
thức tiếp cận của luận án. Một phần nội dung trình bày trong Chương 1 liên quan
đến tìm kiếm giải pháp đáp ứng đa sự kiện sự kiện trong WSN đã được trình bày
trong tạp chí [J1].
Chương 2 “Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử
dụng giao thức định tuyến linh hoạt”. Chương này tìm hiểu và nghiên cứu một số
giải pháp định tuyến linh hoạt theo sự kiện trong mạng cảm biến. Từ đó đưa ra hai5
đề xuất: (1) đề xuất giao thức định tuyến DRPDS kết hợp định tuyến linh hoạt theo
mức độ ưu tiên của sự kiện với cơ chế truyền gói tin theo kiểu sự kiện khác nhau để
đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện có mức ưu tiên khác nhau và
(2) đề xuất giải thuật định tuyến EARPhần mềm là phiên bản cải tiến từ giải thuật DRPDS
với giải thuật định tuyến phát triển dựa trên việc nhận thức năng lượng còn lại kết
hợp với tính toán khoảng cách để nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo
dài thời gian sống của mạng. Đóng góp mới của luận án trong chương này là đề
xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện có tên là
DRPDS và EARPM, phân tích toán về hiệu quả của việc truyền nhân tải lên đa
đường làm tăng độ tin cậy của việc truyền gói tin và truyền san tải lên đa đường làm
giảm thời gian trễ của gói tin trong điều kiện mạng có nghẽn. Cuối cùng là sử dụng
công cụ mô phỏng số OMNeT++ để đối sánh với phương pháp định tuyến trước đây
là GPSR [73]. Nội dung của Chương 2 liên quan đến giải pháp đề xuất đã được công
bố trong 02 bài báo đăng trên tạp chí JSTIC [J1, J2], 01 bài báo đăng trên tạp chí
Khoa học và Công nghệ Quân sự [J3] và báo cáo tại 02 hội nghị quốc tế [C1, C2].
Chương 3 “Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử
dụng giao thức MAC ưu tiên”. Chương này tìm hiểu và phân tích các giao thức
MAC trong mạng cảm biến không dây và nghiên cứu giải pháp ưu tiên của hai giao
thức MAC có xét nhiều mức ưu tiên dữ liệu khác nhau là QAEE [76] và MPQ [114].
Hai giao thức này đã phân biệt và ưu tiên từ 2 tới 4 mức độ khác nhau cho gói tin
trong mạng, tuy nhiên việc ưu tiên vẫn còn cứng nhắc và không thực tế với mạng
cảm biến đa sự kiện có nhiều sự kiện có thể xuất hiện với số sự kiện ngẫu nhiên.
Chính vì thế, nghiên cứu sinh đã nghiên cứu và đề xuất thay đổi tham số p trong
CSMA p-persistent theo mức độ ưu tiên của gói tin dữ liệu, đồng thời với việc thay
đổi cơ chế nhận sớm Tx-Beacon ở lớp MAC. Đóng góp mới của luận án trong
chương này là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự
kiện sử dụng giao thức MAC có tên là PMME. Cuối cùng là sử dụng công cụ mô
phỏng số Castalia để đối sánh với hai giao thức QAEE và MPQ. Kết quả cho thấy
PMME giúp mạng hoạt động hiệu quả hơn với việc giảm trễ truyền dữ liệu, tăng
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi6
hiệu quả sử dụng năng lượng mà vẫn đảm bảo tỷ lệ truyền gói thành công cao. Các
đóng góp của luận án được trình bày trong chương này được công bố trong 01 bài
báo đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Quân sự [J4], 01 hội nghị trong nước
[C3] và 01 hội nghị quốc tế [C4].
Trong phần Kết luận, luận án tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính của luận
án và đưa ra những gợi mở cho những nghiên cứu tiếp theo.7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tóm tắt (1): Nội dung của chương trình bày tổng quan về mạng cảm biến không
dây và các giao thức lớp định tuyến và MAC sử dụng trong mạng này. Các tham số
hiệu năng trong mạng cảm biến không dây cũng được giới thiệu trong chương. Mục
tiêu chính của chương sẽ tập trung khảo sát các nghiên cứu liên quan đến cải thiện
hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện để từ đó tìm ra các hạn chế của các
nghiên cứu trước đây và từ đó đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và
cách tiếp cận của luận án.
1.1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây đa sự kiện với những ứng dụng yêu cầu đa dạng
về chất lượng
Mạng cảm biến không dây đa sự kiện (như mạng thông báo cháy rừng, mạng
cảm biến trong nhà thông minh …) là mạng cảm biến không dây trong đó các nút
1 Một phần nội dung của Chương 1 đã được công bố trong Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin và truyền
thông (JSTIC) 2016 [J1].
Sự kiện 1
QoS1
Sin
Sự kiện 2
QoS2
Sự kiện n
QoSn
Sự kiện 3
QoS3
Yêu cầu QoS ứng dụng:
- Độ trễ thấp
- Độ tin cậy cao
- Thông lượng cao
Yêu cầu của WSN:
- Sử dụng hiệu quả
năng lượng
SINK
Internet và
vệ tinh
Nút quản lý
nhiệm vụ
Người sử
dụng
Trường
cảm biến
Các nút
cảm biến
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi8
cảm biến cần chuyển tiếp thông tin cảm biến về các sự kiện tới điểm tập hợp dữ liệu
(sink). Mỗi sự kiện sẽ có yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ như độ trễ, tốc
độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …[12], [90]. Hình 1.1 mô tả một mạng cảm biến không
dây đa sự kiện.
Các nút cảm biến nằm rải rác trong trường cảm biến và thường gồm một hoặc
vài thiết bị cảm biến đơn giản, nhỏ gọn, giá thành rẻ… tạo nên sự kết hợp các khả
năng cảm biến, xử lý và chuyển tiếp thông tin qua hạ tầng không dây về điểm tập
hợp dữ liệu (sink) và từ đó chuyển tiếp tới người sử dụng cuối. Dữ liệu được định
tuyến về sink thông qua con đường trực tiếp hay qua đa chặng. Sink có thể truyền
thông với nút quản lý nhiệm vụ qua vệ tinh hay Internet.
1.1.1 Nút mạng
Công nghệ điện tử siêu nhỏ (MEMS – Micro ElectroMechanical System) hỗ
trợ sản xuất cảm biến dưới dạng vi cơ điện tử có kích thước từ vài micromet tới vài
milimet [157].
Hình 1.2: Thành phần của một nút cảm biến [15]
Một nút mạng cảm biến thường có bốn khối [15]: (1) khối cảm biến dùng để
cảm nhận sự thay đổi từ môi trường bên ngoài và chuyển thành tín hiệu điện về khối
xử lý, (2) khối xử lý có dung lượng nhỏ để quản lý dữ liệu thu được, (3) khối truyền
thông là một bộ thu phát vô tuyến được sử dụng để trao đổi thông tin giữa các nút
và (4) khối nguồn để cung cấp năng lượng cho các khối còn lại; ngoài ra còn tùy
KẾT LUẬN
Với mục tiêu cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện qua
giao thức định tuyến linh hoạt và giao thức MAC ưu tiên, luận án đã đạt được mục
tiêu đề ra là đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa
sự kiện có thể đáp ứng đồng thời nhiều yêu cầu hiệu năng khác nhau cho các sự
kiện xuất hiện trong mạng mà vẫn đảm bảo sử dụng hiệu quả năng lượng. Những
kiến thức nền tảng và các kết quả nghiên cứu đã được trình bày trong luận án với bố
cục ba chương như sau: (1) Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, (2) Cải thiện hiệu
năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức định tuyến linh
hoạt và (3) Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng
giao thức MAC ưu tiên. Các kết quả đóng góp mới về khoa học của luận án có thể
phân thành hai nhóm lớn:
1. Đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự
kiện sử dụng định tuyến linh hoạt
Đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện
sử dụng kỹ thuật định tuyến linh hoạt là DRPDS và EARPM.
Giao thức định tuyến DRPDS linh hoạt kết hợp định tuyến đơn và đa đường
cùng với cơ chế phân tải lưu lượng linh hoạt theo sự kiện để đáp ứng 3 loại sự kiện
có yêu cầu QoS khác nhau trong mạng cảm biến không dây. Kết quả mô phỏng trên
OMNeT++ cho thấy giao thức định tuyến DRPDS giúp mạng đáp ứng được yêu cầu
đồng thời của nhiều sự kiện khác loại trong điều kiện khác nhau về tỷ lệ lỗi gói, (a)
sự kiện yêu cầu trễ thấp giảm được 20% thời gian trễ so với các loại sự kiện còn lại,
(b) sự kiện yêu cầu độ tin cậy cao đáp ứng được yêu cầu tỷ lệ mất gói nhỏ hơn
nhiều lần so với tỷ lệ lỗi gói của một chặng và nhỏ hơn so với những sự kiện khác
dù truyền thông đa chặng;
Giải thuật EARPhần mềm tiếp tục phát triển dựa trên DRPDS kết hợp với việc nhận
thức năng lượng còn lại để nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo dài thời
gian sống của mạng và vẫn đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện
có mức ưu tiên khác nhau. Kết quả mô phỏng trên OMNeT++ đã kiểm chứng khả
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links