intTypePromotion=3

Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

Chia sẻ: ViUzumaki2711 ViUzumaki2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

0
14
lượt xem
0
download

Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết tập trung phân tích hoạt động của giao thức LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) - một trong những giao thức được đánh giá đạt hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Từ đó, bằng phương pháp mô phỏng, bài báo đưa ra quy luật giảm năng lượng tiêu thụ trong giao thức LEACH khi phân bố mật độ nút cảm biến và khi phân cụm trong mạng cảm biến không dây.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG<br /> TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY<br /> SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH<br /> Lê Thị Thanh Bình1<br /> <br /> Tóm tắt: Tiết kiệm năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu trong tất cả các<br /> lĩnh vực, đặc biệt, trong các lĩnh vực mà nguồn năng lượng hạn chế như mạng cảm<br /> biến không dây thì vấn đề tiết kiệm năng lượng càng cấp thiết. Bài báo tập trung phân<br /> tích hoạt động của giao thức LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) - một<br /> trong những giao thức được đánh giá đạt hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến<br /> không dây [6]. Từ đó, bằng phương pháp mô phỏng, bài báo đưa ra quy luật giảm<br /> năng lượng tiêu thụ trong giao thức LEACH khi phân bố mật độ nút cảm biến và khi<br /> phân cụm trong mạng cảm biến không dây.<br /> Từ khóa: Giao thức LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy, năng<br /> lượng trong mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến.<br /> 1. Mở đầu<br /> Sự phát triển của Công nghệ thông tin và Truyền thông góp phần to lớn vào<br /> sự phát triển của xã hội. Xã hội càng phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng<br /> phong phú. Để đáp ứng nhu cầu đó, nhiều giải pháp công nghệ mới ra đời trong đó có<br /> sự ra đời của mạng cảm biến không dây.<br /> Ngày nay, mạng cảm biến không dây được sử dụng rất phổ biến trong các lĩnh<br /> vực: An ninh (giám sát chiến trường, theo dõi, giám sát mục tiêu), môi trường (cảnh<br /> báo động đất, cháy rừng, giám sát trong nông nghiệp, bảo vệ động vật), ứng dụng điều<br /> khiển trong các tòa nhà thông minh, điều khiển trong công nghiệp…<br /> Mỗi ứng dụng của mạng cảm biến không dây bao gồm hàng trăm, hàng ngàn nút<br /> cảm biến. Nút cảm biến sử dụng nguồn năng lượng rất hạn chế đó là nguồn năng lượng<br /> pin. Các nút cảm biến hoạt động trong môi trường khắc nghiệt nên việc thay thế hay<br /> nạp lại pin cho các nút cảm biến là không thể. Do đó giảm năng lượng tiêu thụ trong<br /> mạng cảm biến không dây là vấn đề luôn được quan tâm.<br /> Nhiều loại giao thức định tuyến được phát triển để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ<br /> trong mạng cảm biến. Trong đó giao thức định tuyến theo cụm giảm đáng kể năng<br /> lượng tiêu thụ nhờ việc nhóm các nút cảm biến thành cụm để thu thập và tổng hợp dữ<br /> liệu. Giao thức LEACH là một trong những giao thức định tuyến phân cụm đầu tiên.<br /> 1. ThS, Khoa CNTT, trường Đại học Quảng Nam<br /> <br /> 5<br /> <br /> Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến...<br /> Giao thức này tạo sự cân bằng năng lượng giữa các nút và kéo dài thời gian sống của<br /> mạng.<br /> Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến với nguồn năng lượng<br /> hạn chế nhưng nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp, trong đó cần có sự tương<br /> tác giữa các nút mạng. Các nút cảm biến không dây có nguồn năng lượng và phạm vi<br /> truyền sóng hạn chế. Do đó, để truyền được dữ liệu về điểm thu thập thì các nút cảm<br /> biến phải thực hiện việc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút lân cận của chúng.<br /> Vì vậy, các giao thức định tuyến đóng một vai trò hết sức quan trọng trong mạng cảm<br /> biến không dây.<br /> Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất<br /> cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại<br /> thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào<br /> thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ.<br /> <br /> Hình 1. Các giao thức định tuyến<br /> Trong kiến trúc phân cấp, các nút có vai trò khác nhau: các nút có năng lượng<br /> cao hơn được sử dụng để xử lý và gửi thông tin trong khi các nút có năng lượng thấp<br /> được sử dụng để cảm nhận, thu thập dữ liệu. Điều này có nghĩa là tạo ra các cụm và chỉ<br /> định các nhiệm vụ đặc biệt cho các nút chủ cụm. Mục đích chính của định tuyến phân<br /> cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến bằng việc đặt<br /> chúng trong giao tiếp đa chặng trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung<br /> và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến trạm gốc. Sự hình thành các<br /> cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của nút và vùng lân cận của nút so với các nút<br /> chủ của cụm.<br /> 6<br /> <br /> LÊ THỊ THANH BÌNH<br /> Trong các giao thức định tuyến phân cấp, LEACH là một giao thức được đánh<br /> giá là có nhiều ưu điểm nổi trội. LEACH thực hiện phân cấp theo cụm thích ứng năng<br /> lượng thấp để thu thập và phân phối dữ liệu tới sink. Mục tiêu chính của LEACH là<br /> kéo dài thời gian sống của mạng, giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút, sử dụng tập<br /> trung dữ liệu để giảm số bản tin truyền trong mạng.<br /> 2. Nội dung<br /> 2.1. Mạng cảm biến không dây<br /> Mạng cảm biến không dây là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trường như ánh<br /> sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây công suất<br /> thấp được gọi là các nút cảm biến.<br /> Mỗi nút cảm biến được tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến,<br /> các phần tử cảm biến môi trường và nguồn nuôi.<br /> <br /> Hình 2. Mô hình mạng cảm biến không dây<br /> Mạng cảm biến bao gồm ba thành phần chính: trạm cơ sở, trạm người dùng và<br /> mạng các nút cảm biến (hình 1)<br /> - Trạm người dùng: đưa ra yêu cầu số liệu với trạm cơ sở và thu nhận các số liệu<br /> đã yêu cầu.<br /> - Trạm cơ sở: gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp để<br /> chuyển tới mạng các nút cảm biến, nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng<br /> các nút cảm biến.<br /> - Mạng các nút cảm biến: Mạng các nút cảm biến là thành phần trọng tâm của<br /> 7<br /> <br /> Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến...<br /> hệ thống. Các nút cảm biến đảm nhận việc thu thập số liệu về môi trường và chuyển<br /> các số liệu này đến trạm cơ sở. Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm cơ sở. Các nút cảm<br /> biến này có nhiệm vụ thu thập các thông tin cảm biến từ môi trường bao gồm ánh sáng,<br /> nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến trạm cơ sở. Chúng truyền thông tin qua<br /> liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz.<br /> 2.2. Giao thức LEACH<br /> 2.2.1. Giới thiệu giao thức LEACH<br /> LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho<br /> mạng cảm biến. Ý tưởng là để hình thành các cụm nút cảm biến dựa vào cường độ tín<br /> hiệu nhận và dùng các nút chủ của cụm như là các router đến các trạm gốc. Việc này<br /> sẽ tiết kiệm năng lượng vì quá trình truyền chỉ có thể thực hiện bằng các nút chủ của<br /> cụm thay cho việc sử dụng tất cả các nút cảm biến. Số lượng các nút chủ tối ưu của<br /> cụm là vào khoảng 5% tổng số lượng các nút. Trong giao thức LEACH, nhờ việc lựa<br /> chọn ngẫu nhiên một số nút làm nút chủ cụm và sau đó quay vòng vai trò nút chủ cụm<br /> cho các nút khác trong cụm, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với trạm gốc<br /> được trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng. Nhờ đó góp phần vào việc kéo<br /> dài thời gian sống cho mạng. Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha<br /> là pha thiết lập và pha ổn định. Thời gian của pha ổn định kéo dài hơn so với thời gian<br /> của pha thiết lập để giảm thiểu phần.<br /> <br /> 2.2.2. Hoạt động của LEACH<br /> Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng, mỗi vòng được bắt đầu với<br /> pha thiết lập, trong đó diễn ra quá trình chọn nút chủ và thành lập cụm. Sau pha thiết<br /> 8<br /> <br /> LÊ THỊ THANH BÌNH<br /> lập là pha ổn định, trong pha này, xảy ra quá trình truyền dữ liệu đến nút chủ và đến<br /> trạm cơ sở.<br /> <br /> Khung<br /> <br /> Hình 4. Trạng thái ổn định của LEACH<br /> Pha thiết lập<br /> Các cụm được hình thành và các nút chủ cụm được lựa chọn. Các nút chủ được<br /> lựa chọn như sau: Mỗi nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số<br /> này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) được tính như sau:<br /> Công thức 1<br /> <br /> Trong đó:<br /> P: tỉ lệ phần trăm mong muốn trở<br /> thành nút chủ của mạng.<br /> <br /> r: là vòng hiện tại.<br /> G: là tập các nút chưa trở thành nút chủ trong (1/P) vòng trước đó.<br /> <br /> Mỗi nút chủ cụm được lựa chọn sẽ truyền thông tin quảng bá cho các nút còn lại<br /> trong mạng bản tin thông báo rằng chúng là nút chủ cụm mới. Các nút còn lại không là<br /> nút chủ, khi nhận được bản tin quảng bá, chúng sẽ quyết định chúng thuộc về cụm của<br /> nút chủ nào. Quyết định này dựa trên độ mạnh của tín hiệu của bản tin quảng bá các<br /> nút chủ cụm phát đi mà chúng nhận được. Các nút không phải chủ cụm này sẽ thông<br /> báo cho nút chủ cụm rằng chúng sẽ thuộc về cụm nào. Sau khi các nút chủ cụm nhận<br /> được hết các thông báo của các nút thuộc về cụm của chúng, căn cứ vào số nút trong<br /> cụm, nút chủ cụm sẽ chỉ định thời gian mà các nút trong cụm gửi dữ liệu đến cho nó<br /> dựa trên TDMA.<br /> <br /> 9<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản