Mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

ĐÀM MINH LỊNH

MÔ HÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG VÀ ĐỘ TRỄ
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN
MÃ SỐ:

60.48.01.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM – NĂM 2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.TRẦN CÔNG HÙNG
(Ghi rõ học hàm, học vị)

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
1. Tính cấp thiết của đề tài
2.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

3. Mục đích của đề tài nghiên cứu mô hình cân bằng năng
lƣợng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây
Mục tiêu chính:
- Tìm hiểu về mô hình cân bằng tải độ trễ và năng lượng trong
mạng cảm biến không dây.
- Một số giải thuật kỹ thuật phân cụm (nội cụm, liên cụm) dựa
trên mức năng lượng và khoảng cách của mỗi nút.
- Tìm hiểu thuật toán tìm đường đi ngắn nhất từ CH (chủ cụm)
đến BS (có sự liên kết chuỗi/ mắc xích giữa các CH với nhau),
Sao cho tiết kiệm năng lượng và độ trễ chấp nhận được.
Dự kiến kết quả đạt được:
- Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm biến không dây: khái niệm,
các thành phần cơ bản về cân bằng năng lượng và độ trễ của
mạng cảm biến.
- Cài đặt thuật toán LEACH, SEP, để làm mục tiêu, kết quả mô
phỏng.
- Tìm hiểu lý thuyết và cài đặt, cải tiến về kỹ thuật cân bằng
năng lượng theo sự kiện được đề xuất.
- Trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu, đề tài sẽ thực hiện mô
phỏng để phân tích và so sánh hiệu quả cân bằng năng lượng và

2

độ trễ của thuật toán được cải tiến đề xuất và các thuật toán có
sẵn.

4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu mô hình cân bằng
năng lƣợng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây
Đối tượng nghiên cứu:
Phân tích giao thức HEED, LEACH, SEP, OEDSR, giao thức
định tuyến phân cụm, giải thuật tối ưu bầy đàn và hiệu năng
mạng cảm biến không dây sử dụng các giao thức này.
Phạm vi nghiên cứu:
- Tập trung nghiên cứu về các giao thức LEACH, SEP,
OEDSR, giải thuật tối ưu bầy đàn được sử dụng, mô hình trong
mạng cảm biến không dây.
-

Tìm hiểu công cụ MATLAB 2012b, OMNeT++, NS2 dùng

để mô phỏng về mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ cho
toàn mạng lưới.
-

Cài đặt và đánh giá, so sánh hiệu quả của các thuật toán đã

có với thuật toán được đề xuất cải tiến.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu mô hình cân bằng năng lƣợng
và độ trễ trong mạng cảm biến không dây

Phương pháp tài liệu: Thu thập thông tin về mạng cảm biến các
yêu cầu về năng lượng và độ trễ trên các tạp chí trong nước, nước
ngoài, các diễn đàn trên Internet.


3

Phương pháp thực nghiệm: Cài đặt và so sánh các giải thuật và
đưa ra giải thuật cho mô hình đa chặng đang được tìm hiểu và
nghiên cứu.

6. Đóng góp của đề tài mô hình cân bằng năng lƣợng và độ
trễ trong mạng cảm biến không dây
Ứng dụng được trong việc truyền tải dữ liệu trong mô hình
mạng cảm biến không dây, được cân bằng năng lượng và độ trễ,
nhằm giải quyết vấn đề tối ưu việc sử dụng năng lượng có giới hạn.
Đề tài sẽ mô phỏng và đánh giá được kết quả mới sẽ tối ưu hơn
ở một số trường hợp cụ thể nhất định.

7. Cấu trúc các chƣơng
Chương 1: Cơ sở lý luận
Chương 2: Lý thuyết về kỹ thuật phân cụm
Chương 3: Giải thuật và phương án đề xuất cho mô hình cân
bằng năng lượng và độ trễ.
Chương 4: Cài đặt mô phỏng và đánh giá.


4

Chƣơng 1- CƠ SỞ LÝ LUẬN

1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1. Giới thiệu
1.1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.2. Thách thức về tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm
biến không dây
1.3. Kết luận chƣơng 1


5

Chƣơng 2 - LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT PHÂN CỤM
2.1. Mô hình sóng Radio[1]
2.2. LEACH [1][2]
Nút chủ cụm thiết lập bản tin định thời TDMA và truyền tới các
nút thành viên trong cụm; Mỗi cụm sử dụng phương pháp đa truy
nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access),
một cụm có một mã trải phổ (spread code) duy nhất; Nút chủ gửi dữ
liệu tới BS sử dụng một mã trải phổ cố định, và dùng cơ chế CSMA
để tránh xảy ra xung đột với nút chủ cụm.
LEACH thực hiện phân cụm bằng việc sử dụng giải thuật phân
tán, các nút tự quyết định mà không cần bất cứ sự điều khiển nào.
Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu việc giao tiếp với
trạm gốc, do đó tránh được việc tiêu hao năng lượng nếu các nút ở
xa trạm gốc. Đồng thời việc hình thành các cụm phân tán có thể
được thực hiện mà không cân biết chính xác vị trí của các nút trong
mạng. Thêm vào đó, nó không yêu cầu sự liên lạc toàn cục trong
pha thiết lập cụm và không có giả thiết nào về trạng thái hiện tại của
các nút khác trong quá trình hình thành cụm.
Lựa chọn nút chủ cụm Khi các cụm đươc tạo ra, mỗi nút tự
động quyết định nó có là nút chủ cho vòng tiếp theo hay không. Quá

trình chọn lựa diễn ra như sau: mỗi nút cảm biến chọn một số ngẫu


6

nhiên giữa 0 và 1. Nếu con số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút đó
trở thành nút chủ.
Trong pha phân cụm, một nút sensor lựa chọn làm CH và nhỏ
P

if n  G

1

2.7 
T (n)  1  P * (r mod )
P


otherwise
0

hơn
ngưỡng T(n):
Trong đó: p là tỉ lệ phần trăm chủ cụm
r là chu kì hiện tại
G là tập hợp các nút không được lựa chọn làm
nút chủ trong 1/p chu kì trước
LEACH không xét mức năng lượng còn lại để lựa chọn nút chủ,
mà căn cứ vào số lần đã trở thành nút chủ trong các vòng trước đó.

Nếu nút ở xa trạm gốc (BS) sẽ làm tiêu hao năng lượng nhiều.
P quyết định số lượng trung bình các nút chủ trong một vòng,
r là số vòng hiện tại. Dùng thuật toán này thì mỗi nút sẽ là nút chủ
đúng một lần trong 1/P vòng. Chú ý rằng sau 1/P-1 vòng, T1(n)=1
với tấc cả các nút chưa được làm nút chủ. Khi một nút được chọn
làm nút chủ, nó sẽ thông báo tới tấc cả các nút khác. Các nút không
phải là nút chủ dùng những bản tin này từ các nút chủ để chọn cụm


7

mà chúng muốn tham gia dựa trên cường độ tín hiệu nhận được bản
tin này. Sau khi các nút chủ đã được hình thành, nó sẽ quyết định
mô hình TDMA cho các nút tuỳ thuộc từng cụm, quảng bá mô hình
và sau đó pha trạng thái tĩnh bắt đầu.

BSSINK

Hình 2.2 : Mô hình truyền dữ liệu của LEACH

Sau 1 vòng, tấc cả các chủ cụm tổng hợp dữ liệu từ các nút
cảm biến về sau đó chuyển đến nút BS.

2.3. LEACH–C[3],[4]
2.4. PEGASIS[6]
2.5. Thuật toán OEDSR[12],[13]
2.6. Kết luận chƣơng 2


8

Chƣơng 3 - GIẢI THUẬT VÀ PHƢƠNG ÁN ĐỀ
XUẤT CHO MÔ HÌNH CÂN BẰNG
NĂNG LƢỢNG VÀ ĐỘ TRỄ
3.1. Tổng quát về mô hình năng lƣợng

CH gần BS

Hình 3.1: Mô tả truyền dữ liệu cho thuật toán đề xuất dạng liên cụm
Multihop

Chủ yếu được dựa vào 2 pha chính đó là:
- Pha thiết lập cụm:
- Pha truyền dữ liệu:
.


9

3.2. Thuật toán
Chọn nút Chủ cụm từ nút ưu điểm và bình thường
Thuật toán:
Khởi tạo nút n ={100}
Vòng lặp (1:rmax)
Tìm nút CH chuyển tiếp (Relay){ near (CH) -> BS}
Vòng lặp (1:n)
If (năng lượng Ei > 0 && Nút chưa xét (G=0))
- Xét điều kiện Nút bình thường:
+ Chọn nút CH từ nút bình thường
+ Gửi đến nút chuyển tiếp R

+ Tính lại năng lượng Ei
- Xét điều kiện Nút ưu điểm:
+ Chọn nút CH từ nút ưu điểm
+ Gửi đến nút chuyển tiếp R
+ Tính lại năng lượng Ei
End if
Kết thúc vòng lặp n
{
Gửi gói từ nút chuyển tiếp(CH) đến BS
Tính năng lượngcòn lại nút chuyển tiếp Er
}
 Nút cảm biến
{


10

Tìm nút chủ cụm gần nhất để gửi thông tin
Tính lại năng lượng
}
Kết thúc lặp Rmax
3.3. Mô hình Độ trễ cho giao thức LEACH [5]
3.3.1. Mô hình tổng quát

d <= d0
BS SINK

d > d0
BS – SINK: Trạm gốc
: Nút Chủ cụm

: Nút bình thường
d: Khoảng cách từ CH đến BS

Hình 3.2: Mô tả về mô hình tổng quát độ trễ cho thuật toán LEACH
√

(3.4)

Ở đây:
L: Thành phần bị mất của hệ thống, không liên quan trong truyền /
nhận.
Chiều cao của angten nhận tín hiệu.


11

: Chiều cao của angten truyền tín hiệu.
: (lamda)- Độ dài của sóng tín hiệu.
Gt : Tín hiệu truyền của Angten đạt được.
Gr : Tín hiệu nhận của Angten đạt được
Thông số Angten được sử dụng như sau:
Gt = Gr = 1, ht = hr = 1.5m, L = 1 (hệ thống bình thường)
Tần số vô tuyến 914 MHz, and λ =3*108 / 914*106 =
0.328m.
Vậy giá trị của d0 = 86.1585 m

3.3.2. Thành phần của độ trễ

dend-end = N ( dtrans + dprop + dproc + dqueue )

(3.5)

Trong đó:
dend-end (end-to-end delay) : Độ trễ đầu cuối đến đầu cuối
N : Số liên kết (Số lượng Nút - 1)
dtrans (transmission delay) : Độ trễ truyền tải.
dprop (propagation delay) : Độ trễ lan truyền.
dproc (processing delay) : Độ trễ xử lý.
dqueue (Queuing delay) : độ trễ hàng đợi.
Mỗi nút sẽ có các thành phần riêng biệt như là: dtrans
(transmission delay), dprop (propagation delay), dproc (processing
delay).
Ở đây bỏ qua độ trễ hàng đợi dqueue (Queuing delay).
Sau đây sẽ khái quát hơn về bốn thành phần được giới thiệu ở
trên.


12

- Nút xử lý:
o Kiểm tra bit bị lỗi
o Xác định liên kết đầu ra
- Hàng đợi:
o Thời gian chờ đợi tại liên kết đầu ra cho việc truyền
o Phụ thuộc vào mức độ tắc nghẽn của nút
- Độ trễ truyền tải:
o R = băng thông của liên kết ( bit / s)
o L = chiều dài gói tin (bits)
Vậy thời gian để gửi các bits cho một liên kết = L / R
- Độ trễ lan truyền:

o d = Chiều dài của liên kết vật lý
o s = tốc độ lan truyền trong môi trường
Vậy độ trễ lan truyền = d / s

3.3.3. Thuật toán Độ trễ cho các nút bình thường có chung
Chủ cụm
∑

(3.6)

Trong đó:
: Độ trễ tại một chủ cụm.
∑
của các nút thuộc vùng Chủ cụm quản lý trực tiếp.
Thuật toán:
Vòng lặp for c=1:1:cluster-1
// Duyệt từng chủ cụm

: Tổng độ trễ


13

disp(C(c).endtoend);
ss_ch_dprop = 0;
ss_chbsdprop = 0;
Vòng lặp for i=1:1:n
// duyệt từng nút bình thường, nếu cùng chủ cụm
Điều kiện if(c == S(i).parentId)
ss_ch = S(i).min_dis;

ss_ch_dprop= ss_ch_dprop +
ss_ch/Stocdolantruyen;
Kết thúc if
ss_chbsdprop = ss_ch_dprop+(C(c).endtoend);
Kết thúc lặp for
SS_CH(c)=ss_ch_dprop;
SS_CHBS(c)=ss_chbsdprop;
Kết thúc lặp for

3.3.4. Phân tích và áp dụng cho bài toán về tính toán độ trễ

A

R Mbps

BS SINK
SINK

BS – SINK: Trạm gốc
: Nút A đến trạm
gốc


14

Hình 3.3: Mô tả về mô hình áp dụng tính toán độ trễ cho 1 bài toán
cụ thể

Theo mô hình trên có 2 nút chính đó là nút A và nút BS, được kết
nối với nhau thông qua một liên kết có tốc độ truyền R Mbps.

Khoảng cách giữa 2 điểm này là m meters, tốc độ lan truyền liên kết
này là s meters / sec. Cuối cùng là Nút A sẽ gửi đến nút BS 1 gói tin
có kích thước L bits.
1. Độ trễ lan truyền là:

dprop

(3.6)

2. Thời gian truyền gói tin là:
(3.7)

trans

3. Giả định rằng ở đây: Độ trễ xử lý (dproc) và độ trễ hàng đợi
(dqueue) không tính. Thì công thức tổng độ trễ từ nút A đến BS
được xác định như sau:
(3.8)
4. Nếu dùng gói tin 54 Kbyte, thì độ trễ truyền tải từ Nút A
đến BS sẽ được tính như sau:
(3.9)

3.5. Kết luận chƣơng 3


15

Năng lƣợng:
+ Đưa ra mô hình năng lượng theo dạng liên cụm, sau khi
bầu chọn Chủ cụm xong thì sẽ chuyển tiếp dữ liệu này đến 1 chủ

cụm gần BS nhất, nhằm giải quyết vấn đề một Chủ cụm ở xa
BS-Sink, tránh tiêu hao nhiều năng lượng trong việc truyền nhận
dữ liệu.
+ Trong mô hình đề xuất này, đã đưa ra một kỹ thuật sẽ
được áp dụng nhiều trong thực tế, trong cuộc sống, do điều kiện
tự nhiên rất khác nhau. Nên việc chọn một trạm BS- Sink ở xa
để thu nhận tín hiệu dữ liệu là một trường hợp rất bình thường.
Độ trễ:
+ Đưa ra một mô hình độ trễ cho giải thuật LEACH, được áp
dụng tính toán độ trễ rất cụ thể từ các nút bình thường đến Chủ
cụm (CH) mà nó được quản lý và đến nút BS- SINK.
+ Tìm hiểu chi tiết về bài toán độ trễ cho việc truyền nhận
dữ liệu với các thông số quan trọng liên quan và sẽ được áp dụng
mô phỏng cụ thể ở chương 4 tiếp theo.


16

Chƣơng 4 - CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Cài đặt thuật toán đã có và thuật toán được đề xuất ở
chương 2, 3 để đánh giá được mức độ cải thiện, về việc cân
bằng tải năng lượng trong mạng cảm biến không dây theo
hướng sự kiện.
Bảng 4.1: Các thông số mô phỏng đánh giá
Tên thông số

Giá trị thông số

Số lượng nút

100

Năng lượng ban đầu

0.5J

Kích thước

200x200m

Tọa độ nút BS (x,y)

1 x 0.8

Năng lượng truyền ERX = ETX

50nJ / bit

Tổng hợp dữ liệu EDA

5nJ / bit / report

Truyền khuếch đại
If dtoBS d0
Truyền khuếch đại
If dtoBS d0

fs =

10pJ / bit / m2

=mp =

0.0013pJ / bit / m4


17

4.1. Cài đặt mô phỏng giải thuật LEACH

Hình 4.1: Mô tả cài đặt tấc cả các thuật toán đƣợc thực hiện 100 sensor,
đi qua 1000 vòng, tọa độ nút BS đặt ở vị trí x=1, y=0.8


18

Hình 4.2: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán
LEACH, thực hiện 100 nút sensor đi qua 1000 vòng, cho thấy nút đầu
tiên chết ở vòng thứ round = 254


19

4.2. Cài đặt mô phỏng giải thuật SEP

Hình 4.3: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán
SEP, thực hiện 100 nút sensor đi qua 1000 vòng, cho thấy nút đầu
tiên chết ở vòng thứ round = 246

20

4.3. Cài đặt mô phỏng giải thuật cân bằng năng lƣợng

Hình 4.4: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán
đề xuất, thực hiện 100 nút sensor đi qua 1000 vòng, cho thấy nút
đầu tiên chết ở vòng thứ round = 323


21

4.4. So sánh kết quả về năng lƣợng đƣợc mô phỏng Thuật toán
đề xuất BALANCED và LEACH, SEP

LEACH
SEP
BALANCED

80
70

Number of Dead Nodes

60
50
40
30
20
10
0

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Round Number 1000

Hình 4.5: Phần mềm ORIGINPRO 8.5.1 để vẽ sơ đồ so sánh kết quả
thuật toán đƣợc đề xuất BALANCED và LEACH, SEP, đƣợc thực
hiện 100 nút sensor đi qua 1000 vòng, cho thấy thuật toán đƣợc đề
xuất tối ƣu năng lƣợng nhất và thể hiện đƣợc mức tiêu hao năng
lƣợng ở mỗi vòng của mạng lƣới

22

4.6. Bảng so sánh kết quả về mức tối ƣu năng lƣợng

350

SEP
BALANCED
LEACH

323

315

Node dead of Rounds

280
245

254

246

210
175
140
105
70
35

0
0.8

1.2

1.6

2.0

Round Number 1000

Hình 4.6: Kết quả tối ƣu về năng lƣợng ở mỗi thuật toán đƣợc thực hiện
100 nút, thì nút hết năng lƣợng đầu tiên của LEACH là vòng thứ 253,
SEP là vòng thứ 246, BALANCED là vòng thứ 323


23

4.7. Kết quả mô phỏng về độ trễ
Thông số mô phỏng:
Số lượng nút ngẫu nhiên: 10 nút, qua quá trình bầu chọn
CHs, nút bình thường được mô phỏng ở hình Hình 4.6.
Kích thước hệ trục tọa độ X, Y=1000x1000m
Nút BS-SINK (1000,1000(m)) = (X, Y).

Hình 4.7: Mô tả độ trễ đƣợc phân cụm nhiều vùng khác nhau, của từng
vị trí nút bình thƣờng, nút CHs, BS-SINK