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

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.TRẦN CÔNG HÙNG

TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TP.HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2016
Học viên thực hiện luận văn

Đàm Minh Lịnh


ii

LỜI CÁM ƠN

Trong thời gian học tập vừa qua, ở Học Viện Công Nghệ Bƣu Chính
Viễn Thông, cơ sở 2 Thành phố Hồ Chí Minh và giờ đây em đã hoàn thành đề tài
môn học Phƣơng pháp Nghiên cứu khoa học.
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô Học Viện
Công Nghệ Bƣu Chính Viễn Thông, đã hết lòng quan tâm, truyền đạt những kiến
thức, kinh nghiệm quý báu và đặc biệt là Thầy P G S . T S . TRẦN CÔNG HÙNG
đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành
tốt đề tài này. Chính nhờ sự giúp đỡ của Thầy đã mang lại cho em những kiến
thức vô cùng quý giá trong học tập cũng nhƣ trong cuộc sống và là hành trang vững
chắc tiếp bƣớc trong tƣơng lai.
Tiếp đến, cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn trong lớp, đã chia sẻ
những khó khăn, thuận lợi trong thời gian học vừa qua.
Qua đây, em xin kính chúc Thầy giáo TRẦN CÔNG HÙNG thật nhiều sức
khỏe để thành công trong công việc trồng ngƣời, ƣơm mầm tốt cho thế hệ mai sau.
Em xin trân trọng cảm ơn!
TP.HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2016

Học viên thực hiện luận văn

Đàm Minh Lịnh


iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................ i
Lời cảm ơn .............................................................................................................. ii
Mục lục .................................................................................................................. iii
Danh mục các thuật ngữ, các chữ viết tắc ............................................................. v
Danh mục các bản ................................................................................................ vi
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................ vii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
1.Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 1
2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ......................................................................... 1
3. Mục đích của đề tài nghiên cứu mô hình cân bằng năng lƣợng và độ trễ trong
WSN ......................................................................................................................... 2
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu mô hình cân bằng năng lƣợng và độ trễ trong
WSN ......................................................................................................................... 3
5. Phƣơng pháp nghiên cứu mô hình cân bằng năng lƣợng và độ trễ trong WSN .. 3
6. Đóng góp của đề tài mô hình cân bằng năng lƣợng và độ trễ trong WSN .......... 4
7. Cấu trúc các chƣơng ............................................................................................. 4
Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN................................................................................. 5
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây ........................................................ 5
1.1.1. Giới thiệu ................................................................................................. 5
1.1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ............................................... 5
1.2. Thách thức về tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây ............ 6
1.3. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................. 7

Chƣơng 2: LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT PHÂN CỤM........................................ 8
2.1. Mô hình sóng Radio ......................................................................................... 8
2.2. LEACH ............................................................................................................ 9
2.3. LEACH–C ....................................................................................................... 14
2.4. PEGASIS......................................................................................................... 15
2.5.Thuật toán OEDSR .......................................................................................... 16


iv
2.6. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................... 17
Chƣơng 3: GIẢI THUẬT VÀ PHƢƠNG ÁN ĐỀ XUẤT CHO MÔ HÌNH CÂN
BẰNG NĂNG LƢỢNG VÀ ĐỘ TRỄ .................................................................. 19
3.1. Tổng quát về mô hình năng lƣợng .................................................................. 19
3.2. Thuật toán........................................................................................................ 21
3.3. Mô hình Độ trễ cho giao thức LEACH .......................................................... 22
3.3.1. Mô hình tổng quát .................................................................................... 22
3.3.2. Thành phần của độ trễ.............................................................................. 23
3.3.3. Thuật toán Độ trễ cho các nút bình thƣờng có chung Chủ cụm ...............24
3.3.4. Phân tích và áp dụng cho bài toán về tính toán độ trễ ............................. 24
3.5. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................... 26
Chƣơng 4: CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................... 27
4.1. Cài đặt mô phỏng giải thuật LEACH .............................................................. 28
4.2. Cài đặt mô phỏng giải thuật SEP .................................................................... 30
4.3. Cài đặt mô phỏng giải thuật đề xuất ............................................................... 31
4.4. So sánh kết quả về năng lƣợng đƣợc mô phỏng Thuật toán đề xuất
BALANCED và LEACH, SEP .............................................................................. 32
4.5. Kết quả mô phỏng về độ trễ cho thuật giáo thức LEACH .............................. 32
4.6. Bảng so sánh kết quả về mức tối ƣu năng lƣợng .............................................33
4.7. Kết quả mô phỏng về độ trễ .............................................................................34
4.7.1. Độ trễ của các nút bình thƣờng thuộc vùng quản lý của Chủ cụm ...........35

4.7.2. Độ trễ của chủ cụm đến BS/SINK ............................................................36
4.7.3. Tính tổng độ trễ từ nút bình thƣờng thuộc Chủ cụm mà nó trực tiếp
quản lý đến nút BS/SINK ...................................................................................37
4.8. Công cụ Mô phỏng thuật toán ......................................................................... 37
4.9. Hƣớng phát triển ............................................................................................. 37
4.10. Kết luận chƣơng 4 ......................................................................................... 38
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................ 39-40


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BS

Base Station

Trạm cơ sở

CH

Cluster Head

Chủ cụm

GPS

Global Positioning System
Low Energy Adaptive Clustering
Hierarchy
Optimized Energy-Delay Subnetwork Routing

LEACH
OEDSR
PEGASIS
WSN
LEACH-C
TDMA
CDMA
TDMA

Hệ thống định vị toàn cầu
Phân cấp theo cụm thích ứng
năng lƣợng thấp
Tối ƣu Độ trễ-năng lƣợng
định tuyến mạng con
Tập trung hiệu suất thu thập
Power-Efficient Gathering in
trong hệ thống thông tin cảm
Sensor Information Systems
biến
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không dây
Low Energy Adaptive Clustering
Phân cấp theo cụm trung tâm

Hierarchy Centralized
thích ứng năng lƣợng thấp
Đa truy cập phân chia theo
Time Division Multiple Access
mã
Đa truy cập cảm nhận sóng
Carrier Sense Multiple Access
mang
Đa truy cập phân chia theo
Time Division Multiplexing Access
thời gian


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Các thông số mô phỏng đánh giá .......................................................... 27


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1: Mô tả mạng lƣới cảm biến không dây ....................................................... 1
Hình 2.1: Mô hình phân tán năng lƣợng Vô tuyến ................................................. 8
Hình 2.2: Mô hình truyền dữ liệu của LEACH ..................................................... 11
Hình 2.3: Giải thuật hình thành cluster trong LEACH ......................................... 12
Hình 2.4: Lƣu đồ hoạt động ở pha ổn định của LEACH ...................................... 13
Hình 2.5: Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng ............................... 13
Hình 2.6: Pha thiết lập của LEACH-C .................................................................. 14
Hình 2.7: Mô tả hƣớng truyền dữ liệu của thuật toán PEGASIS .......................... 16

Hình 3.1: Mô tả truyền dữ liệu cho thuật toán đề xuất dạng liên cụm Multihop ... 19
Hình 3.2: Mô tả về mô hình tổng quát độ trễ cho thuật toán LEACH .................. 22
Hình 3.3: Mô tả về mô hình áp dụng tính toán độ trễ cho 1 bài toán cụ thể ......... 25
Hình 4.1: Mô tả Cài đặt tấc cả các thuật toán đƣợc thực hiện 100 nút ................. 28
Hình 4.2: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán LEACH ...... 29
Hình 4.3: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán SEP ............. 30
Hình 4.4: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán đề xuất
BALANCED ......................................................................................................... 31
Hình 4.5: Thuật toán đƣợc đề xuất đƣợc tối ƣu năng lƣợng nhất và thể hiện mức tiêu
hao năng lƣợng hơn ở mỗi vòng của mạng lƣới .................................................... 32
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 .................................................................................33
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 ...........................................................................34
Hình 4.8: Mô tả tính tổng độ trễ các nút bình thƣờng thuộc vùng mà Chủ cụm của
nó quản lý ................................................................................................................35
Hình 4.9: Mô tả độ trễ của từng vị trí nút CHs đến BS-SINK ................................36
Hình 4.10: Mô tả tổng độ trễ của từng vị trí các nút cảm biến bình thƣờng đến CHs
và đến BS-SINK ......................................................................................................37


1

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc đã và đang đƣợc mô hình

hóa phát triển, mọi ngành nghề cần đƣợc cũng cố và phát triển để sánh vai cùng với
các nƣớc bạn năm châu anh em. Trong đó có ngành công nghệ thông tin, lĩnh vực
này đóng vai trò hết sức quan trọng trong nhiều hình thái nhƣ là Kinh tế, xã hội,
quân sự, văn hóa,…. Và xem đó nhƣ là nhiệm vụ then chốt trong việc điều tiết quản
lý vĩ mô của cả hệ thống mạng lƣới liên lạc toàn cầu. Mạng lƣới thông tin dữ liệu
đƣợc chia sẽ tài nguyên với nhau, ngày càng quan trọng hơn trong mọi lĩnh vực, để
đáp ứng nhu cầu rất lớn về trao đổi thông tin, dữ liệu. Mặt khác giúp chúng ta gần
nhau hơn nữa.
Chính vì thế mạng cảm biến không dây (WSN) đƣợc hình thành và phát
triển, nhằm đáp ứng nhu cầu trong thực tế trong xã hội để thay thế con ngƣời, làm
việc trong môi trƣờng trong điều kiện còn giới hạn nhƣ giám sát, cảm biến nhiệt độ
cháy rừng, cảm biến nhiệt độ thiết bị card điều khiển Router Cisco, theo dõi nhiệt
độ công ty, nhà máy.

2.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Hình 1: Mô tả mạng lƣới cảm biến không dây


2
Ngày nay, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN)
đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhằm thay thế cho con ngƣời trong
điều kiện tiếp xúc trực tiếp còn nhiều hạn chế. Nhiều nhà nghiên cứu, chuyên gia,
kỹ sƣ đã thiết kế linh kiện, ứng dụng, thuật toán sao cho thật tối ƣu, nhằm giải quyết
hai vấn đề lớn đó chính là năng lƣợng đƣợc tiết kiệm và độ trễ chấp nhận đƣợc của
toàn mạng lƣới. Trong mạng cảm biến không dây đồng nhất là các nút cảm biến có
một mức năng lƣợng ban đầu là nhƣ nhau, sau đó sẽ thiết lập nút chủ cụm 1 -CH1
(ClusterHead1) và nút này có nhiệm vụ thu thập, tập trung dữ liệu từ các sensor

thành viên của nó, sau đó sẽ đóng gói dữ diệu chuyển đến chủ cụm CH2
(ClusterHead2) và cứ chuyển dần đến trạm BS (Base station) / Sink. Mô hình dữ
liệu này tạm gọi là chuỗi (mắc xích) liên kết với nhau của các CH.
Mô hình cân bằng năng lƣợng và độ trễ đƣợc dựa chủ yếu vào pha thiết lập
cụm và pha truyền dữ liệu: Giao thức và kiến trúc cho mạng cảm biến không dây
đƣợc giới thiệu, mô phỏng bằng giải thuật phân cụm trong [1],[2], sau đó kỹ thuật
phân cụm đƣợc tối ƣu, cải tiến hiệu quả năng lƣợng [3],[4], giải thuật về độ trễ và
năng lƣợng đầu cuối trong mạng cảm biến [5], phƣơng pháp, thuật toán thu thập
phân cụm năng lƣợng đề xuất bởi [6],[7], kéo dài tuổi thọ cho mạng lƣới dựa trên
thuật toán tìm kiếm thông minh, đƣợc mô tả theo dạng mắc xích để nhằm chia tải
công việc giữa các chủ cụm (CH) [8], thuật toán cân bằng năng lƣợng đƣợc áp dụng
cho phân cụm [9], Cân bằng tải năng lƣợng và độ trễ dựa trên chế độ nghe lỏm
(trạng thái ngủ) [10], Thuật toán định tuyến hiệu quả năng lƣợng thông qua cân
bằng tải cho cụm theo dạng đa cụm [11], Thuật toán định tuyến cân bằng tải
[12],[13] cho năng lƣợng và độ trễ theo dạng đa cụm, dựa trên chia sẻ công việc
giữa các CH thông qua việc chọn một chủ cụm tạm thời, nhằm giảm tiêu hao năng
lƣợng, qua đó một ý tƣởng không kém phần quan trọng và cũng dựa trên tiêu chí
cân tải năng lƣợng và độ trễ nhằm mục đích chung kéo dài tuổi thọ cho mạng, tránh
tiêu hao năng lƣợng vô ích giữa các bản tin không cần thiết đƣợc đề xuất trong 14].

3.

Mục đích của đề tài nghiên cứu mô hình cân bằng năng lƣợng và độ

trễ trong mạng cảm biến không dây


3
Mục tiêu chính:
- Tìm hiểu về mô hình cân bằng tải độ trễ và năng lƣợng trong mạng cảm

biến không dây.
- Một số giải thuật kỹ thuật phân cụm (nội cụm, liên cụm) dựa trên mức năng
lƣợng và khoảng cách của mỗi nút.
- Tìm hiểu thuật toán tìm đƣờng 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 lƣợng
và độ trễ chấp nhận đƣợc.
Dự kiến kết quả đạt đƣợc:
- Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm biến không dây: khái niệm, các thành
phần cơ bản về cân bằng năng lƣợng 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 lƣợng theo
sự kiện đƣợc 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 lƣợng và độ trễ của thuật toán đƣợc 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 tƣợng nghiên cứu:
Phân tích giao thức HEED, LEACH, SEP, OEDSR, giao thức định tuyến
phân cụm, giải thuật tối ƣu 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 ƣu bầy đàn đƣợc 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 lƣợng và độ trễ cho toàn mạng lƣới.


4
-

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

toán đƣợc đề xuất cải tiến.

5.

Phƣơng pháp nghiên cứu mô hình cân bằng năng lƣợng và độ trễ

trong mạng cảm biến không dây
Phƣơng pháp tài liệu: Thu thập thông tin về mạng cảm biến các yêu cầu về
năng lƣợng và độ trễ trên các tạp chí trong nƣớc, nƣớc ngoài, các diễn đàn trên
Internet.
Phƣơng pháp thực nghiệm: Cài đặt và so sánh các giải thuật và đƣa ra giải
thuật cho mô hình đa chặng đang đƣợc tìm hiểu và nghiên cứu.

6.

Đóng góp của đề tài nghiên cứu mô hình cân bằng năng lƣợng và độ

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

7.

Cấu trúc các chƣơng
Chƣơng 1: Cơ sở lý luận
Chƣơng 2: Lý thuyết về kỹ thuật phân cụm
Chƣơng 3: Giải thuật và phƣơng án đề xuất cho mô hình cân bằng năng lƣợng

và độ trễ.
Chƣơng 4: Cài đặt mô phỏng và đánh giá.


5

Chƣơng 1- CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1. Giới thiệu
Mạng cảm biến (WSN) là hệ thống ít tốn chi phí, không đòi hỏi năng
lƣợng cao, đa chức năng và các node cảm biến kích thƣớc nhỏ có thể kết hợp
với nhau để cảm biến môi trƣờng, xử lý dữ liệu và giao tiếp không dây qua một
khoảng cách ngắn. Các cảm biến thƣờng đƣợc sử dụng để giám sát vật lý hoặc
các yếu tố môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp lực, sự chuyển
động hoặc ô nhiễm tại các khu vực khảo sát. Một số các node cảm biến có thể di
chuyển, bằng cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động, nhƣ đã đạt

đƣợc trong dự án Robomote.
Sự phát triển của WSN ban đầu chỉ đƣợc thúc đẩy trong những ứng dụng
quân sự nhƣ giám sát chiến trƣờng. Tuy nhiên, WSN hiện đang đƣợc sử dụng
trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng, bao gồm cả giám sát và điều
khiển quá trình xử lý công nghiệp, máy theo dõi sức khỏe, môi trƣờng và môi
trƣờng sống, quản lý thiên tai, các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, điều khiển giao
thông và tự động hóa.
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến
nhỏ có giá thành thấp và tiêu thụ năng lƣợng ít, giao tiếp thông qua các kết nối
không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập,
tập trung dữ liệu để đƣa ra các quyết định toàn cục về môi trƣờng tự nhiên.

1.1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Những đặc tính của mạng cảm biến hứa hẹn một phạm vi ứng dụng rộng
rãi với một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể nhƣ: an ninh quốc phòng, y tế, môi
trƣờng, thƣơng mại… Có thể hình dung trong tƣơng lai, những mạng cảm biến


6
không dây sẽ là một phần gắn liền với cuộc sống nhiều hơn so với những máy
tính cá nhân hiện nay.
Ví dụ trong giám sát thảm họa, hệ thống dự đoán, giám sát, cảnh báo
thiên tai hiệu quả có thể giúp các nhà chức trách và dân chúng đƣợc chuẩn bị tốt
hơn để đối mặt với thảm họa và giảm thiệt hại tối đa về ngƣời và tài sản. Một
khía cạnh khác rất quan trọng trong việc giảm số lƣợng thƣơng vong là hoạt
động tìm kiếm và cứu hộ. Chúng ta tin tƣởng rằng WSN có thể đóng vai trò
quan trọng trong việc tăng cƣờng hiệu quả của quản lý thiên tai. Hệ thống WSN
đƣợc sử dụng cho việc phát hiện, cảnh báo thảm họa có thể cảm nhận bất kỳ
thay đổi đáng kể nào của môi trƣờng và gửi tín hiệu cảnh báo thích hợp, ví dụ:
cảm biến mực nƣớc tại một bờ sông có thể cảnh báo cho nhà chức trách cũng

nhƣ dân chúng về khả năng xảy ra lũ lụt và sạt lở đất. Trong hoạt động tìm kiếm
và cứu hộ, chúng ta triển khai hệ thống WSN để quét khu vực thảm họa và xác
định nạn nhân thông qua nhều node cảm biến. Hệ thống WSN có thể giúp đội
tìm kiếm và cứu hộ xác định vị trí nạn nhân. WSN cũng cung cấp những thông
tin quan trọng nhƣ vị trí địa lý vùng xung quanh khu vực thảm họa, những trở
ngại họ cần vƣợt qua…Nhờ đó, đội cứu hộ có thể lên kế hoạch cho các hành
động của họ với độ chính xác cao, kịp thời, an toàn cho cả nạn nhân lẫn các
thành viên trong đội cứu hộ. Có nhiều vấn đề quan trọng cần đƣợc xem xét
trong việc phát triển WSN cho ứng dụng tìm kiếm và cứu hộ.

1.2. Thách thức về tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây
Tuy mạng cảm biến không dây có rất nhiều ƣu điểm và ứng dụng hữu ích,
nhƣng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ
thuật. Khi nắm rõ đƣợc những khó khăn này chúng ta sẽ có điều kiện để cải tạo
nhằm tối ƣu hơn nữa.
Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể
đƣợc trang bị nguồn năng lƣợng giới hạn. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung


7
năng lƣợng không thể thực hiện đƣợc. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm
biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc,
mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc
của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và
yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý
nguồn năng lƣợng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay
ngƣời ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn
mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trƣờng cảm biến là phát
hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ
liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lƣợng đƣợc chia ra làm 3 vùng: cảm nhận, giao tiếp,

và xử lý dữ liệu.

1.3.

Kết luận chƣơng 1
Mạng cảm biến vô tuyến ngày càng phát triển và đƣợc ứng dụng rộng rãi

trong cuộc sống. Tuy nhiên WSN vẫn còn một số hạn chế về nguồn năng lƣợng, vì
thế các nhà nghiên cứu đã và đang tìm hiểu về các giải thuật và giao thức để giúp
nguồn mạng cảm biến tiết kiệm năng lƣợng hơn.


8

Chƣơng 2 - LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT PHÂN CỤM
2.1. Mô hình sóng Radio[1]
Tại một nút sensor, việc tính toán truyền và nhận quảng bá gói tin sẽ tiêu hao
rất nhiều năng lƣợng, vì vậy để tiết kiệm năng lƣợng và độ trễ là một điều hết sức
quan trọng, bên cạnh đó phải tìm ra đƣợc đƣờng đi ngắn nhất từ các CHs đến BS

(Sink).
Hình 2.1: Mô hình phân tán năng lƣợng vô tuyến

Hình 2.1 cho biết là số bit cho mỗi gói tin truyền và d là khoảng cách giữa
truyền và nhận. Năng lƣợng tiêu thụ cho việc truyền và nhận dữ liệu:
ETx (k)= ERx (k) = k . Eelec

(2.1)

Eelec là năng lƣợng tiêu hao cho mỗi bit để chạy bộ phát hoặc các mạch thu.

Năng lƣợng tiêu thụ của 1 sensor khi truyền dữ liệu:
ETx (k,d) = ETx electric +Eamp = k . Eelectric + k . Efs . d2
Với

(2.2)

ETx electric = k . Eelectric

và năng lƣợng khuếch đại là:
Eamp = k . Efs . d2

(2.3)

Trong đó: k là số bit các gói dữ liệu (k=25 bytes là gói tin Broadcast, k=500 là
gói tin dữ liệu); Eelectric là năng lƣợng điện truyền nhận; d là khoảng cách từ 1 nút
sensor gửi đến 1 sensor nhận; Efs là năng lƣợng truyền trong không gian.
Năng lƣợng tiêu thụ của 1 sensor khi nhận k bit dữ liệu:


9
ERx (k)= k . Eelectric

(2.4)

Việc truyền nhận dữ liệu phải tiêu hao năng lƣợng, dựa trên khoảng cách điểm
đầu và điểm cuối, nếu điểm truyền dữ liệu càng xa điểm nhận thì càng tiêu tốn
nhiều năng lƣợng cũng nhƣ độ trễ gói tin, đƣợc chứng minh qua công thức sau:
ETx (l,d) = {

(2.5)

Với d0 = √

(2.6)

Ở đây:
là mức tiêu hao năng lƣợng cho mỗi bit khi truyền hoặc nhận.
,

là phụ thuộc vào mô hình khuyết đại đƣợc sử dụng.

d là khoảng cách giữa nơi gửi và nhận dữ liệu, nếu
lần khoảng cách và ngƣợc lại

thì tích 4

thì tích 2 lần khoảng cách.

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 phƣơng 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. Ƣu điểm của phƣơng pháp này
là không yêu cầu việc giao tiếp với trạm gốc, do đó tránh đƣợc việc tiêu hao năng
lƣợng nếu các nút ở xa trạm gốc. Đồng thời việc hình thành các cụm phân tán có thể
đƣợc 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.


10
Lựa chọn nút chủ cụm Khi các cụm đƣơc 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 nhƣ sau:
mỗi nút cảm biến chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu con số này nhỏ hơn
ngƣỡng T(n) thì nút đó trở thành nút chủ.
Trong pha phân cụm, một nút sensor lựa chọn làm CH và nhỏ hơn

P

if n  G

1

2.7 
T (n)  1  P * (r mod )
P


otherwise
0
ngƣỡng 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 đƣợc lựa chọn làm nút chủ
trong 1/p chu kì trƣớc

LEACH không xét mức năng lƣợng còn lại để lựa chọn nút chủ, mà căn cứ
vào số lần đã trở thành nút chủ trong các vòng trƣớc đó. Nếu nút ở xa trạm gốc (BS)
sẽ làm tiêu hao năng lƣợng nhiều.
P quyết định số lƣợng 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 chƣa đƣợc làm nút chủ. Khi
một nút đƣợc 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 mà chúng
muốn tham gia dựa trên cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc bản tin này. Sau khi các nút
chủ đã đƣợc 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.


11

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.


12

Hình 2.3: Lƣu đồ giải thuật hình thành cluster trong LEACH

Mô tả sơ đồ giải thuật của quá trình hình thành cụm trong LEACH. Sau mỗi
vòng thì lại bắt đầu pha thiết lập mới để chọn ra cụm

13

Hình 2.4: Lƣu đồ hoạt động ở pha ổn định của LEACH

Hình 2.4 thể hiện sau khi pha thiết lập hình thành Chủ cụm, các chủ cụm
tổng hợp dữ liệu truyền đến trạm gốc BS.

Hình 2.5: Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng


14
Mô tả sơ đồ giải thuật của quá trình hình thành cụm trong LEACH. Sau mỗi
vòng thì lại bắt đầu pha thiết lập mới để chọn ra cụm mới phù hợp.

2.3. LEACH–C[3],[4]
Khắc phục những nhƣợc điểm của giao thức LEACH.
Pha thiết lập: LEACH thì mỗi sensor có một công thức xác suất chọn làm
CH, nhƣng LEACH-C thì sensor ở cụm nào và CH đƣợc chọn đƣợc chỉ định bởi
trạm gốc (BS-Base Station).
Tấc cả sensor gửi thông tin vị trí và năng lƣợng về BS. Sau đó BS sẽ tính
toán để hình thành các cụm và CH.
BS sẽ phát tín hiệu Broadcast ADV (id, header), các sersor nhận đƣợc bản tin
trong đó có id của BS và biết là nút chủ của chính nó, sau đó gửi lại thông điệp
REQ (vị trí, năng lƣợng) cho BS để xác định CH.
BS xác định đƣợc CH thì nó sẽ Broadcast gói tin (id), khi các sensor nhận
đƣợc thì kiểm tra id của nó trùng khớp thì biết nó chính là CH ở vòng đó. ngƣợc lại,
nó sẽ chờ bản tin quảng bá từ nút chủ cụm. Khi đã quyết định trở thành nút chủ hay
không trong vòng hiện tại, pha thiết lập cụm và truyền dữ liệu.

Kết thúc một vòng, các sensor phải gửi về cho BS (vị trí và năng lƣợng). Nếu
sensor nào ở xa BS gửi nhƣ vậy sẽ tốn nhiều năng lƣợng.

Hình 2.6 : Pha thiết lập của LEACH-C


15
Việc dùng trạm gốc để xác định cụm nói chung là tốt hơn so với việc hình
thành cụm dùng giải thuật phân tán. Tuy nhiên, LEACH-C yêu cầu các nút phải gửi
thông tin về vị trí của nó về trạm gốc tại thời điểm bắt đầu của mỗi vòng, thông tin
này có thể bao gồm việc phải sử dụng hệ thống định vị toàn cầu để xác định vị trí
hiện tại của mỗi nút.
Nguyên tắc hoạt động tƣơng tự với LEACH-C. Trạm gốc sẽ căn cứ vào tọa độ
và năng lƣợng hiện tại của các nút để phân chia cấu hình mạng. Tuy nhiên ở StatCluster trạm gốc chỉ chia nhóm một lần và giữ nguyên cấu hình mạng đó để gửi dữ
liệu.
Ƣu điểm: Các nút chủ cụm là cố định nên không tốn thời gian và năng
lƣợng cho quá trình phân chia lại.
Nhƣợc điểm: Thời gian sống ngắn vì quá trình chọn nút chủ cụm ban
đầu là ngẫu nhiên và nếu các nút chủ cụm này ở quá xa trạm gốc thì mạng sẽ
hết năng lƣợng rất nhanh.

2.4. PEGASIS[6]
Tập trung hiệu suất năng lƣợng trong hệ thống thông tin cảm biến) là một
giao thức định tuyến phân cấp.
Nhiệm vụ: Kéo dài thời gian sống cho mạng; Đồng bộ năng luợng tại tấc cả
các nút mạng và giảm độ trễ của gói dữ liệu.
Biết đƣợc vị trí các sensor trong mạng, có khả năng điều khiển công suất và
bao phủ một vùng tùy ý, đƣợc trang bị bộ thu phát sóng sử dụng công nghệ CDMA.
Nhiệm vụ các sensor là thu thập và truyền dữ liệu đến BS, nhằm giảm thiểu
năng lƣợng tiêu thụ, độ trễ, trong khi vẫn cân bằng sự tiêu thụ năng lƣợng giữa các

sensor trong mạng.
Xây dựng chuỗi: Mục đích là tạo ra một chuỗi các nút cảm biến – mỗi nút có
thể nhận và truyền dữ liệu tới nút gần nó. Nếu thêm nút vào chuỗi đƣợc áp dụng
theo thuật toán Greedy. Nút có phạm vi xa BS đều có nút lân cận gần nó vì trong


16
thuật toán greedy khoảng cách giữa các nút sẽ tăng dần và nút nằm trong chuỗi sẽ
không đƣợc thăm lại, nút mạng đƣợc thêm dần vào chuỗi làm cho chuỗi lớn dần, kể
từ nút láng giềng gần nhất.
Dùng cƣờng độ tín hiệu để đo khoảng cách tới các nút gần nó.
Chọn CH: Một chuỗi có 1 CH (vòng thứ i thì nút thứ i mod N - N là số nút
trong mạng) và nhiệm vụ tập hợp dữ liệu gửi BS. CH sẽ đƣợc thay đổi vòng kế tiếp
nhằm đảm bảo sự cân bằng tiêu thụ năng lƣợng. Nếu nút CH xa trạm BS thì đòi hỏi
tốn nhiều năng lƣợng hơn.
Truyền dữ liệu: Tập hợp dữ liệu dọc theo chuỗi, mỗi nút nhận dữ liệu từ nút
láng giềng và kết hợp với dữ liệu của nó rồi chuyển tiếp đến nút kế tiếp trong chuỗi.
CH sử dụng cơ chế token passing để bắt đầu truyền dữ liệu từ hai đầu của chuỗi.

Hình 2.7: Mô tả hƣớng truyền dữ liệu của thuật toán PEGASIS

PEGASIS lại có độ trễ đƣờng truyền lớn đối với các nút ở xa trong chuỗi, vì
vậy cũng khó áp dụng cho mạng có quy mô lớn, số nút cảm biến lớn. Hơn nữa ở nút
chính có thể xảy ra hiện tƣợng thắt cổ chai.

2.5. Thuật toán OEDSR[12],[13]
Là giao thức định tuyến phân cụm hƣớng sự kiện; định tuyến tối ƣu năng
lƣợng trong pha truyền. Gồm có 2 pha chính:
Pha thiết lập cụm: Các sensor sẽ Broadcast gói tin (ID, năng lượng hiện tại
của nó) khi có sự kiện xảy ra (thay đổi về môi trƣờng) đến các nút lân cận, sau đó

mỗi nút sẽ so sánh năng lƣợng hiện tại của nó với năng lƣợng nút khác, nút có năng
lƣợng và ID cao nhất sẽ đƣợc làm chủ cụm tạm thời TH, các TH chọn ra một số chủ
cụm –CHs (ClusterHeads) dự trên tiêu chí hàm đánh giá và ID cao nhất, các nút