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 />