Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bố cục của Luận văn này gồm có 3 chương: Chương 1: Khái quát về mạng cảm biến không dây; Chương 2 - Giao thức phân cụm hiệu quả năng lượng LEACH; Chương 3 - Cải thiện giao thức LEACH để nâng cao hiệu năng mạng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGUYỄN NGỌC CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2020
Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Chiến Trinh Phản biện 1: ………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………….…………………………….. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ...... giờ ...... ngày ...... tháng ....... năm .............. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1 MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây WSN đóng vai trò hạ tầng quan trọng trong các giải pháp kết nối Internet of Things (IoT) của cuộc cách mạng 4.0 hiện nay. Mạng cảm biến không dây thu thập các thông tin từ môi trường, chuyển về trung tâm xử lý để đưa ra các quyết định điều khiển phản hồi tự động và có sự hỗ trợ bởi các công nghệ mới như deep learning, AI hay tính toán thông minh. Hạ tầng mạng cảm biến không dây là rất quan trọng trong mục đích cung cấp các kết nối truyền thông đảm bảo độ tin cậy, hiệu quả và phù hợp với môi trường ứng dụng. Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây gặp phải một số vấn đề trợ ngại khi hoạt động trong các môi trường linh động. Tuổi thọ của mạng, thời gian sống của các thiết bị cảm biến luôn là một bài toán được quan tâm hàng đầu đối với các nhà nghiên cứu và khai thác mạng. Thời gian sống của mạng phụ thuộc rất lớn bào cấu trúc mạng, thiết bị mạng hay giao thức truyền thông của mạng. Trong đó, giao thức LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) là một giao thức tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây đã đem lại tính hiệu quả nhất định. Tuy nhiên, tùy vào các ứng dụng cụ thể, giao thức LEACH đem lại các hiệu quả khác nhau, nhất là trong các ứng dụng riêng biệt trong thực tiễn. Vì vậy, việc nghiên cứu cải thiện giao thức LEACH luôn được đặt ra như một vấn đề nghiên cứu trên cả khía cạnh lý thuyết hay ứng dụng. Trong nghiên cứu này, sinh viên mong muốn tìm kiếm giải pháp cải thiện LEACH để nâng cao hiệu năng mạng cảm biến không dây. Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về giao thức LEACH, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH” để tìm hiểu, nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông. Luận văn gồm 3 chương và trình bày về các vấn đề: Chương 1: Khái quát về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Giao thức phân cụm hiệu quả năng lượng LEACH. Chương 3: Cải thiện giao thức LEACH để nâng cao hiệu năng mạng.
2 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây Từ những thập niên cuối của thế kỷ 20, sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ kỹ thuật số đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển các công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin, ứng dụng chúng vào mọi mặt trong cuộc sống con người. Xuất phát từ thực tiễn đó, một công nghệ mạng mới đã được nghiên cứu và phát triển, để đáp ứng việc trao đổi thông tin đó là công nghệ truyền thông đa bước tùy biến không dây (Ad-hoc). Mạng Ad-hoc có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với các hạ tầng mạng cố định còn lại hoặc khu vực lân cận để tạo thành mạng thông tin khu vực hoặc toàn cầu. Một trong những mô hình mạng con của mạng Ad-hoc là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network –WSN). Một mạng cảm biến không dây bao gồm một tập các cảm biến được triển khai trong một khu vực mục tiêu nhằm thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên. Các thông tin này được chuyển đến nút trung tâm gọi là BS (Base Station) bằng sóng vô tuyến. Từ đó dữ liệu được phân tích, xử lý bởi người sử dụng để đưa ra các quyết định cho hệ thống. Việc thiết kế một mô hình mạng cảm biến không dây chuẩn để đáp ứng được hàng loạt các ứng dụng trên thực tế là việc là vô cùng khó khăn và phức tạp. Do đó, với mỗi một loại ứng dụng cụ thể phải thiết kế một mạng cảm biến không dây phù hợp với qui mô ứng dụng. Thiết kế mạng cảm biến không dây cần đáp ứng một số điểm chung như sau: - Khả năng tự tổ chức mạng của các nút mạng. - Sử dụng truyền thông không dây và truyền đa bước. - Triển khai nhanh với số lượng lớn trên phạm vi rộng. - Năng lượng, dung lượng bộ nhớ và khả năng xử lý. - Khả năng quảng bá trong phạm vi hẹp, nhiễu lớn. - Định tuyến đa bước. Ngoài những ưu điểm có được, mạng cảm biến không dây còn đối mặt với rất nhiều vấn đề cần giải quyết. Điểm quan trọng và then chốt đó là nguồn năng lượng giới hạn của
3 các nút mạng, điều này làm ảnh hưởng tới thời gian sống của nút mạng nói riêng cũng như tuổi thọ của toàn mạng nói chung. Đã có rất nhiều nghiên cứu đã và đang tập trung vào giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến. Một trong những giải pháp hiệu quả đã và đang được nghiên cứu là sử dụng giao thức định tuyến tối ưu cho từng loại mạng cụ thể để tìm đường đi giữa các nút mạng, qua đó giảm thiểu năng lượng sử dụng của mỗi nút mạng và các nút lân cận nó, kéo dài đáng kể thời gian sống của mối nút làm tăng tuổi thọ của mạng [1]. 1.2. Các thiết bị mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây thường có 4 thành phần sau: - Các nút cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên, có thể tập trung hoặc phân tán trên mô hình mạng. - Mạng lưới liên kết giữa các nút cảm biến lại với nhau: Hữu tuyến hoặc vô tuyến. - Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu ( Clustering ) - Bộ phận xử lí dữ liệu trung tâm. 1.3. Một số ứng dụng điển hình Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến động đất, cảm biến từ trường ( với tốc độ lấy mẫu thấp), cảm biến thị giác, cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát một vùng rộng lớn các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của dòng xe, ánh sáng… Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ. Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.  Ứng dụng trong quân đội  Ứng dụng trong môi trường  Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe  Tự động hoá trong gia đình và điện dân dụng  Giám sát và điều khiển công nghiệp
4 1.4. Các vấn đề liên quan tới hiệu quả năng lượng 1.4.1. Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến Do các nút cảm biến thường có nguồn năng lượng giới hạn nên thời gian tồn tại của một mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nút mạng. Mà năng lượng của mỗi nút mạng cũng bị hạn chế bởi bộ nguồn có kích cỡ giới hạn. Tuy nhiên, có thể tăng thời gian sống của mỗi nút mạng cũng như toàn mạng mạng bằng cách cung cấp năng lượng bổ xung cho các nút mạng từ năng lượng thu được của môi trường. Các nút cảm biến được triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong mục tiêu để quan sát. Vì thế, chúng thường hoạt động tự động tại các vùng cách xa. Chúng có thể làm việc trong mọi môi trường, kể cả trong các môi trường khắc nghiệt nhất, có thể liệt kê như sau:  Trong các phần tiếp giáp.  Bên trong các bộ phận lớn của máy móc.  Đáy biển.  Bên trong các vùng thời tiết có diễn biến phức tạp.  Trên mặt biển.  Các vùng ô nhiễm sinh hóa.  Các vùng chiến sự.  Gắn vào xe cộ.  Trong các đường ống hay dòng sông theo dòng chảy. 1.4.2. Sự tiêu thụ năng lượng Nhiệm vụ chính của một nút cảm biến trong trường cảm biến là theo dõi các sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu. Công suất tiêu thụ bởi ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu.
5 1.5. Kết luận chương Chương 1, đã giới thiệu tổng quan về đặc điểm, kiến trúc mạng cảm biến, phần cứng, phần mềm của nút và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường... cùng với một số vấn đề liên quan đến năng lượng của mạng cảm biến. Qua đó, ta thấy rõ được tầm quan trọng và tiềm năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến trong phát triển sản xuất, quản lý và vận hành xã hội, an ninh, quốc phong, cũng như sự thiết yếu việc những nghiên cứu cải thiện mạng cảm biến. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến
6 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LEACH 2.1. Giới thiệu chung 2.1.1. Vấn đề định tuyến trong mạng WSN Định tuyến là một tiến trình xác định đường đi giữa nguồn và đích dựa trên yêu cầu truyền dẫn dữ liệu. Trong mạng WSN thì lớp mạng sẽ thực hiện việc định tuyến cho dữ liệu đầu vào. Với các mạng truyền thông đa bước các nút nguồn không thể kết nối với đích một cách trực tiếp mà phải có các nút trung gian chuyển tiếp các gói tin. Trong bảng định tuyến tại mỗi nút gồm một danh sách các nút để gói tin được gửi tới đích. Các giao thức định tuyến sẽ làm nhiệm vụ xây dựng và duy trì các bảng định tuyến này. Hình 2. 1. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN Các giao thức định tuyến trong mạng WSN có thể được phân loại như hình 2.1. Các giao thức được phân loại theo kiến trúc mạng có các hoat động được yêu cầu rất chặt chẽ. Nó được phân thành 3 phân lớp nhỏ hơn là: định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa trên vị trí. 2.1.2. Giao thức LEACH và các biến thể Giao thức LEACH đóng vai trò quan trọng là đại diện tiêu biểu cho các giao thức phân cấp. LEACH là một giao thức định tuyến phân cụm thích nghi được đề xuất bởi Wendi
7 B. Heinzelman. Giao thức LEACH(Low-energy adaptive clustering hierarchy) đã được phát triển. Hình 2. 2. Các giao thức Leach cho mạng lưới LEACH bao gồm sự hình thành cụm phân tán, xử lý cục bộ để giảm truyền thông chung và xoay vòng ngẫu nhiên trong việc chọn đầu cụm. Các tính năng này cho phép LEACH đạt được các yêu cầu mong muốn. Leach là một cụm giao thức bao gồm các tính năng sau đây:  Ngẫu nhiên, thích nghi, tự cấu hình thành cụm;  Kiểm soát dữ liệu truyền nhận;  Phương tiện truyền thông năng lượng thấp;  Ứng dụng cụ thể xử lý dữ liệu, như là tập hợp dữ liệu 2.2. Cơ chế hoạt động của LEACH Hình 2. 3. Lưu đồ quá trình chọn nút đầu cụm
8 Nguyên tắc hoạt động của LEACH bắt đầu bằng việc chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các đầu cụm (Cluster - Head), vì thế sự suy hao năng lượng lớn trong truyền thông với các trạm gốc được trải ra tới tất cả các nút cảm biến trong mạng cảm biến. Hoạt động của LEACH được chia thành hai giai đoạn là giai đoạn thiết lập và giai đoạn ổn định. 2.3. Đặc trưng và ứng dụng của LEACH trong mạng Các mục tiêu chính của LEACH là: tăng tuổi thọ mạng, giúp mạng tiêu thụ năng lượng thấp, giảm số lượng thông điệp truyền thông bằng tập hợp dữ liệu. Leach được gọi là "Giao thức thích nghi năng lượng hiệu quả cho nhóm các mạng cảm biến không dây ”. Giá trị của giao thức LEACH đó là mỗi nút có xác suất bằng nhau để trở thành đầu cụm, làm cho sự phân bố năng lượng của mỗi nút được cân bằng. Dựa trên quá trình phân cụm ta nhận thấy giao thức LEACH là một thuật toán phân cụm với chi phí thấp và khả năng tự thích ứng. Các nút đầu cụm sẽ thu thập dữ liệu của các nút cảm biến từ các cụm, sau đó dữ liệu được xử lý và gửi đến các tiêu điểm, là đầu cụm với cấu trúc phân lớp. Rất dễ dàng để chọn đường dẫn truyền thông tin và lưu thông tin định tuyến mà không phải lưu một lượng lớn thông tin trong các hàm phức tạp. [11] Ưu điểm: LEACH về mặt bản chất là một giao thức định tuyến phân tán hoàn chỉnh. Do đó, nó không yêu cầu thông tin toàn cầu. Những ưu điểm chính của LEACH bao gồm: - Khái niệm phân cụm được sử dụng bởi giao thức LEACH thực thi ít giao tiếp giữa các nút cảm biến và BS, giúp tăng tuổi thọ mạng. - Đầu cụm làm giảm dữ liệu giao tiếp nội cụm bằng cách áp dụng kỹ thuật tổng hợp dữ liệu giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng đáng kể. - Phân bổ lịch trình TDMA theo đầu cụm cho các nút thành viên cho phép các nút thành viên chuyển sang chế độ ngủ. Điều này ngăn ngừa tranh chấp trong cụm và tăng tuổi thọ pin của các nút cảm biến. - Giao thức LEACH tạo cơ hội như nhau cho mọi nút cảm biến để trở thành đầu cụm ít nhất một lần và trở thành nút thành viên nhiều lần trong suốt vòng đời của nó. Vòng quay ngẫu nhiên này của đầu giúp tăng tuổi thọ mạng. Nhược điểm: Tuy nhiên, có một số nhược điểm trong LEACH như sau:
9 - Trong mỗi vòng, đầu cụm được chọn ngẫu nhiên và xác suất trở thành đầu cụm là như nhau cho mỗi nút cảm biến. Sau khi hoàn thành một số vòng, xác suất các nút cảm biến có năng lượng cao cũng như năng lượng thấp trở thành đầu cụm là như nhau. Nếu nút cảm biến có ít năng lượng được chọn là đầu cụm thì nó sẽ chết rất nhanh chóng. Do đó, độ bền của mạng bị ảnh hưởng và tuổi thọ của mạng sụt giảm. - LEACH không đảm bảo vị trí và số lượng đầu cụm trong mỗi vòng. Sự hình thành các cụm trong LEACH cơ bản là ngẫu nhiên và dẫn đến sự phân phối không đồng đều của các cụm trong mạng. Hơn nữa, ở một số cụm, vị trí của đầu cụm có thể ở giữa các cụm và ở một số cụm, vị trí của đầu cụm có thể ở gần ranh giới của cụm. Kết quả là, giao tiếp trong cụm trong tinh huống như vậy dẫn đến sự tiêu tán năng lượng cao hơn và làm giảm hiệu suất tổng thể của mạng cảm biến. - LEACH theo dõi giao tiếp đơn bước giữa đầu cụm và trạm gốc. Khi vùng cảm biến vượt quá một khoảng cách nhất định, các đầu cụm ở xa trạm gốc sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với các đầu cụm ở gần tram gốc. Điều này dẫn đến sự tiêu tán năng lượng không đồng đều, cuối cùng làm suy giảm tuổi thọ của mạng cảm biến.. 2.4. Kết luận chương Chương 2 đã giải thích một cách rõ ràng về giao thức LEACH, từ định nghĩa đến các đặc điểm, cấu tạo, nguyên lí cũng như điểm yếu, điểm mạnh của LEACH. Đồng thời ta còn biết được thêm về các biến thể của giao thức LEACH để rồi từ đó thấy được sự tối ưu của giao thức và lí do tại sao giao thức lại được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến không dây.
10 CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN GIAO THỨC LEACH ĐỂ NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG 3.1. Tóm tắt các hướng cải thiện giao thức LEACH Với tính ứng dụng cao của, giao thức định tuyến phân cụm dựa trên giao thức LEACH đã và đang được nghiên cứu chuyên sâu bởi nhiều người. Các hướng nghiên cứu được chia thành ba hướng chính: làm cho việc phân cụm đồng đều hơn, tối ưu hóa việc bầu chọn đầu cụm và kiểm soát số lượng đầu cụm. Trong giao thức LEACH, có thể chọn các nút có ít năng lượng hơn làm chủ cụm. Nếu chọn nút có nhiều năng lượng dư làm yếu tố tham chiếu, cả hai giao thức LEACH-C và Hiệu quả năng lượng LEACH (EE-LEACH) đều chọn đầu cụm là nút có nhiều năng lượng dư làm yếu tố tham chiếu [13]. Giao thức phân cụm LEACH dựa trên ba lớp (LEACH-T) chia mạng cảm biến thành ba lớp và chọn một đầu cụm trong mỗi lớp. Giao thức lựa chọn ổn định (SEP) xác định xem một nút cảm biến có chọn đầu cụm theo xác suất có trọng số hay không. CL-LEACH chuyển tiếp dữ liệu theo năng lượng hiện tại của nút để cân bằng năng lượng mạng tốt hơn.Trong LEACH, các nút có nhiều năng lượng dư được chọn là đầu cụm với tỷ lệ thành công cao hơn bằng cách chọn đầu cụm xác định (LEACH-DCHS). Việc chọn các đầu cụm theo giao thức LEACH có tính ngẫu nhiên lớn và số lượng đầu cụm dao động rất lớn. Giao thức mạng cảm biến hiệu quả năng lượng ngưỡng (TEEN) kiểm soát số lượng đầu cụm tốt hơn bằng cách điều chỉnh kích thước ngưỡng. Giao thức Cell-LEACH cũng giống như giao thức LEACH. Cả V-LEACH và TL-LEACH đều cân bằng mức tiêu thụ năng lượng giữa các cụm bằng cách chọn các đầu cụm phụ. LEACH- MAC duy trì sự ổn định của cụm bằng cách kiểm soát tính ngẫu nhiên của các thuật toán phân cụm. Nhiều hệ thống phân cấp thích ứng năng lượng thấp (LEACH) đã được nghiên cứu, phát triển và phân tích. Nó đã kết hợp các ý tưởng về định tuyến và truy cập phương tiện dựa trên cụm cùng với tổng hợp dữ liệu dành riêng cho ứng dụng để đạt được hiệu suất tốt về tuổi thọ hệ thống, độ trễ và chất lượng cảm nhận ứng dụng.
11 3.1.1. Giao thức LEACH-C( LEACH – CENTRALIZED) LEACH-C là một giao thức tập trung trong đó tất cả các quyết định như lựa chọn đầu cụm, hình thành cụm và phân phối thông tin vào mạng được thực hiện bởi trạm gốc. LEACH-C tạo ra các cụm tuyệt vời bằng cách phân tán đầu cụm trên toàn mạng cảm biến. Do pha trạng thái ổn định được thực hiện hoàn toàn tại trạm gốc, không có hao tổn cho các nút cảm biến trong quá trình hình thành các cụm. Trong LEACH-C, quy trình hoàn chỉnh được quản lý bởi đầu cụm, vì vậy nó rất tiết kiệm năng lượng so với LEACH. Đối với thông tin vị trí, mọi nút yêu cầu có GPS là một thiết bị tốn kém và nó tiêu thụ thêm năng lượng. Mặc dù nó tập trung nhưng nó ít có khả năng mở rộng hơn [14]. 3.1.2. Giao thức SEP(Stable Election Protocol) Giao thức SEP được đưa ra như một biện pháp thay thế cho LEACH. Giao thức LEACH không nhận thức được sự không đồng nhất giữa các nút, theo nghĩa là khi có sự mất cân bằng năng lượng giữa các nút này trong mạng, các cảm biến sẽ chết nhanh hơn bình thường nếu chúng phải duy trì năng lượng đồng đều. Giao thức SEP được coi như là một đối thủ nặng kí của LEACH và được nhắc đến ở đây để có thể so sánh với các cải tiến giao thức LEACH được nhắc đến ở phần sau. 3.2. Đánh giá và đưa ra đề xuất cải thiện tham số ngưỡng chọn chủ cụm Vấn đề về ổn định số lượng đầu cụm và giảm tải thừa trên mạng do quá nhiều hoặc quá ít đầu cụm được nghiên cứu và đưa ra giải pháp. Sơ đồ Voronoi sẽ được sử dụng để giảm mức tiêu thụ truyền dữ liệu của giao tiếp trong cụm. Đồng thời, ta tối ưu hóa giao thức định tuyến truyền đa chặng bằng thuật toán đàn kiến để giảm mức tiêu thụ năng lượng của truyền dữ liệu đường dài. Ta gọi phương pháp này là LEACH-VA 3.2.1. Cấu hình cụm Trong giao thức LEACH, giả sử mỗi nút có cùng năng lượng ban đầu của mạng. Mỗi khoảng thời gian có trao đổi dữ liệu. Thông thường, các nút có xác suất được chọn là đầu cụm cao khi có năng lượng dư nhiều hơn. Ngoài ra, việc lựa chọn như vậy làm giảm khả năng các nút sẽ ngừng hoạt động do cạn kiệt năng lượng.
12 3.2.2. Cấu tạo mô hình pha giao tiếp Việc thành lập các cụm đầu cần tiêu hao thời gian và năng lượng mỗi vòng. Thời gian giao tiếp giữa các nút mất nhiều thời gian hơn thời gian thiết lập đầu cụm tối ưu về mặt năng lượng. Trong giai đoạn giao tiếp, thời gian quá dài, không có lợi cho các nút khác giao tiếp với trạm gốc. Bởi vì năng lượng tiêu thụ cho đầu cụm tăng lên, nó sẽ nhanh chóng cạn kiệt. Do đó, thời gian liên lạc trên mỗi vòng cần phải được tính toán để có được giải pháp tối ưu. 3.3. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả đề xuất 3.3.1. Xây dựng và mô phỏng nền tảng thử nghiệm Vùng mô phỏng kích thước 100 m × 100 m với 100 nút cảm biến được đặt ngẫu nhiên. Các nút này được mô phỏng để thu thập các thông số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm. Trạm cơ sở đặt ở trung tâm của khu vực tại vị trí (50, 50) trong đó trạm gốc và các nút cảm biến được biểu thị dưới dạng một hình tam giác màu đỏ và một chấm đen tương ứng. Hình 3.4a cho thấy 100 nút được phân phối ngẫu nhiên trong khu vực. Hình 3.4b cho thấy các đầu cụm được bầu. Hình 3.4c cho thấy sự phân cụm. Hình 3.4d cho thấy đường dẫn tối ưu. Hình 3.4. Kết quả mô phỏng trên nền tảng thử nghiệm
13 3.3.2. Sự ổn định của số lượng đầu cụm Số lượng đầu cụm ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả năng lượng của giao thức. Nếu số lượng đầu cụm ít, khoảng cách truyền dữ liệu của các nút cảm biến đến đầu cụm sẽ quá dài dẫn đến tiêu thụ thêm năng lượng. Đồng thời, dữ liệu dữ liệu dư thừa nhận và chuyển tiếp bởi đầu cụm khiến nó tiêu thụ năng lượng quá mức. Nếu số lượng đầu cụm lớn, tổng tải của mạng tăng lên, tổng mức tiêu thụ năng lượng của mỗi vòng mạng được tăng lên, hiệu quả tổng hợp dữ liệu mạng sẽ giảm và tuổi thọ của mạng không được kéo dài. Hình 3.5 cho thấy số lượng đầu cụm của mỗi vòng trong giao thức LEACH, giao thức LEACH-C, giao thức SEP và giao thức LEACH-VA. Như có thể thấy trong hình, các biến động số lượng đầu cụm trong giao thức LEACH-VA được đề xuất cho kết quả tốt hơn và vượt trội hơn so với các giao thức LEACH, LEACH-C và SEP. Trong quá trình chọn đầu cụm giao thức LEACH, lựa chọn đầu cụm và số lượng đầu cụm được tạo ngẫu nhiên dựa trên mô hình hàm ngưỡng, có tính ngẫu nhiên lớn. Từ hình vẽ, số lượng đầu cụm dao động trong phạm vi 5 ≤ k ≤18 trong giao thức LEACH và 3 ≤ k ≤10 trong giao thức LEACH-VA. Hình 3. 5. Đồ thị số đầu cụm ứng với số vòng Giao thức LEACH-VA tính toán số lượng đầu cụm tối ưu dựa trên tổng nhu cầu năng lượng mỗi vòng của mạng cảm biến không dây, do đó làm giảm tính ngẫu nhiên của số lượng đầu cụm. Trọng mạng cảm biến không dây, khi có một nút chết, chức năng ổn định số
14 lượng đầu cụm vẫn còn hiệu lực trong giao thức LEACH-VA. Khi có một số lượng lớn các nút chết trong mạng cảm biến không dây, để cân bằng mức tiêu thụ năng lượng của mạng, tổng công suất của cụm sẽ bị giảm 3.3.3. Thời gian hoạt động của mạng Với phép đo tham số này, chúng ta có thể theo dõi vòng đời của khu vực mạng cảm biến không dây. Nó bao gồm hai phần, thời kỳ ổn định và thời kỳ không ổn định. Thời gian giữa Nút đầu tiên chết (FND) và Nút cuối cùng chết (LND) là thời kỳ không ổn định. Nó chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực giám sát môi trường và đòi hỏi một diện tích lớn để đặt các nút cảm biến. Do khu vực phân phối rộng, nếu các nút diện tích lớn bị chết, một số dữ liệu được thu thập không thể đánh giá chính xác các tham số môi trường. Do đó, bài viết này đánh giá tuổi thọ mạng theo FND để đánh giá liệu LEACH-VA có lợi thế rõ ràng so với ba giao thức trên hay không. Hình 3.6 chỉ ra sự phân bố số lượng nút chết trong các giao thức LEACH, LEACH- C, SEP và LEACH-VA qua các vòng. Từ hình vẽ, có thể thấy rằng các vòng FND của bốn giao thức là 991, 1847, 1970 và 2257. So với LEACH, LEACH-VA tăng FND thêm 127%, tăng 22,2% so với LEACH-C và tăng 14,5% % so với SEP. Do đó, phương pháp LEACH- VA được đề xuất đã cải thiện đáng kể hiệu suất trong giai đoạn ổn định. Hình 3. 6. Đồ thị số nút chết ứng với số vòng Sự cải thiện hiệu suất này là do số lượng đầu cụm ổn định. Ở các giao thức LEACH, LEACH-C và SEP, ta quan sát thấy đầu cụm dao động lớn, đặc biệt là khi FND xuất hiện.
15 Giao thức LEACH-VA làm giảm các dao động này như sau. Thứ nhất, nó có giá trị số lượng đầu cụm ổn định, làm giảm xác suất các đầu cụm bị quá tải, và giảm tổn thất năng lượng của các đầu cụm. Sau đó, giao thức phân cụm sử dụng nguyên lý hình học sơ đồ Voronoi để giảm mức tiêu thụ năng lượng của giao tiếp với nội bộ cụm. LEACH-VA có hiệu quả kéo dài thời gian tồn tại của mạng cảm biến và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng của các nút đơn vị. 3.3.4. Số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc Số lượng gói dữ liệu mà trạm gốc nhận được cũng là một tham số để đánh giá tốc độ sử dụng năng lượng. Phân phối năng lượng trong mạng càng cân bằng, trạm cơ sở nhận được càng nhiều gói tin. Hình 3.7 quan sát rằng số lượng gói tin nhận được tại BS cho các giao thức LEACH, LEACH-C, SEP và LEACH-VA, trong đó độ dài của một gói là 4000/bit. Như có thể thấy từ hình ảnh này, LEACH-VA tăng số lượng gói tin nhận được tại BS lên 71,4% so với LEACH, 33,3% so với LEACH-C và 14.3% so với SEP. Hình 3.7. Đồ thị số gói tin nhận được tại trạm gốc ứng với số vong Sự gia tăng đáng kể số lượng gói tin mà trạm cơ sở nhận được là do giảm xác suất cụm của đầu cụm và giảm hiệu quả tiêu thụ năng lượng của truyền thông đàm nội cụm. Dựa trên số lượng đầu cụm ổn định và nguyên lý hình học của sơ đồ Voronoi, các cụm đồng đều hơn, mức tiêu thụ năng lượng giữa các cụm tốt hơn và việc sử dụng năng lượng của các nút đơn vị cũng được cải thiện. Ngoài ra, trong bài báo, giao thức định tuyến truyền đa chặng
16 theo thuật toán tối ưu hóa đàn kiến được sử dụng để chuyển tiếp các gói dữ liệu của đầu cụm xa thông qua cụm lân cận với trạm gốc để giảm mức tiêu thụ năng lượng so với việc truyền trực tiếp. 3.3.5. Năng lượng dư Việc tiêu thụ năng lượng nút được chia thành chủ yếu bốn phần: truyền dữ liệu, nhận dữ liệu, hợp nhất dữ liệu và giao tiếp nội cụm. Khi việc tiêu thụ năng lượng đồng đều hơn, các nút sống lâu hơn. Kết luận được rút ra là mức tiêu thụ năng lượng của giao thức LEACH-VA đồng đều hơn các giao thức LEACH, LEACH-C và SEP (Hình 3.8). Sự thay đổi của giá trị hàm ngưỡng sẽ gây ra sự thay đổi số lượng đầu cụm. Một số lượng lớn các đầu cụm được tạo ra trong quá trình lọc là nguyên nhân chính gây ra tiêu thụ năng lượng lọc. Các giao thức LEACH-C và SEP không xem xét mức tiêu thụ năng lượng của truyền thông nội cụm. Nhiều năng lượng hơn được sử dụng trong giao thức LEACH-VA để truyền dữ liệu để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Hình 3.8. Đồ thị năng lượng dư ứng với số vòng Phương pháp được đề xuất giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng giữa các cụm và giảm mức tiêu thụ năng lượng của giao tiếp nội cụm. Nó cũng tối ưu hóa việc truyền dữ liệu của các đường dẫn đa bước. Năng lượng còn lại đã được cải thiện cả trong giai đoạn thiết lập và giai đoạn ổn định (Hình 3.8), giúp tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ mạng được tăng lên.
17 Từ các thử nhiệm trên, ta thấy phương pháp đề xuất có thể kiểm soát số lượng đầu cụm dao động trong phạm vi 3 ≤ k ≤10. So với các giao thức còn lại, giao thức LEACH-VA tăng hiệu quả FND lên 1300 vòng, tuổi thọ mạng tăng 127% và các gói dữ liệu nhận được của BS tăng 71,4% trong khi mức tiêu thụ năng lượng của nút chỉ là 2,0084 × 10-4 J. Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức LEACH-VA có hiệu quả về năng lượng vượt trội so với LEACH truyền thống, LEACH-C hay SEP. 3.4. Kết luận chương Để phân tích một hướng cải thiện hiệu quả năng lượng trong giao thức LEACH, nội dung Chương 3 đã đề cập đến các hướng cải thiện giao thức LEACH, đồng thời tổng quát hóa hai giao thức LEACH-C và SEP. Qua các số liệu ta thấy: (i) số lượng đầu cụm tối ưu được tính cho mức tiêu thụ năng lượng chung trên mỗi vòng, (ii) sơ đồ Voronoi được thành lập, (iii) thuật toán đàn kiến được thêm vào giao thức để tối ưu hóa giao thức định tuyến đa bước.. Kết quả mô phỏng đã chỉ rõ rằng giao thức LEACH-VA tối ưu hơn so với LEACH-C và SEP. Mô hình được đề xuất cho lại kết quả chính xác và nhanh chóng hơn.
18 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mạng cảm biến không dây và các giải pháp kéo dài thời gian sống của mạng trong những năm gần trở lại đây đang trở thành tiêu điểm của các nghiên cứu trong cùng sự phát triển lớn mạnh của các giải pháp Internet vạn vật. Qua nhiều nghiên cứu ta thấy: các giải pháp cân bằng năng lượng phụ thuộc vào nhiều kiểu cấu hình và ứng dụng mạng. Tiếp cận định tuyến hiệu quả năng lượng trong mạng phẳng và phân cụm là khác nhau và đặc tính quan trọng nhất là giao thức định tuyến phải tối thiểu hóa được năng lượng tiêu thụ từ đó mới kéo dài được thời gian sống của mạng. Tiếp cận trong luận văn tốt nghiệp của em là cải thiện giao thức định tuyến LEACH để sử dụng năng lượng hiệu quả. Trong Luận văn của mình em đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: Chương 1: Trình bày về kiến trúc và ứng dụng của mạng cảm biến không dây từ khía cạnh sơ đồ khối, mô hình kết nối, ứng dụng và các vấn đề liên quan tới hiệu quả năng lượng Chương 2: Tóm tắt vấn đề định tuyến trong mạng WSN và đi sâu nghiên cứu giao thức LEACH về các khía cạnh cơ chế hoạt động, đặc trưng và ứng dụng của nó. Chương 3: Chương này tóm tắt các giải pháp cải thiện của LEACH, tìm kiếm và giải quyết vấn đề cải thiện giao thức LEACH sao cho sử dụng năng lượng hiệu quả, kéo dài thời gian sống của mạng. Mạng cảm biến không dây ngày càng được dùng trong nhiều lĩnh vực như môi trường, sức khỏe, quân đội, sinh học hay các ứng dụng thương mại… với các yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau. Vì vậy vấn đề định tuyến trong WSN là một thách thức bởi giao thức định tuyến buộc phải đảm bảo đc sự cân bằng của các yêu cầu về năng lượng cũng như chất lượng dịch vụ. Thêm nữa các kỹ thuật định tuyến đề cập trong luận văn cũng như giao thức LEACH đều giả định rằng các nút cảm biến và BS không chuyển động. Tuy nhiên, có rất nhiều các ứng dụng như thu thập dữ liệu môi trường nơi mà các BS và những nút cảm biến cần phải di động. Vì vậy, chúng ta cần phải nghiên cứu thuật toán định tuyến mới có thể xử lý Topology thay đổi trong ngưỡng năng lượng cho phép.