Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

BÙI HOÀNG MAI

NGHIÊN CỨU MỘT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN NHẰM
ĐẢM BẢO SỰ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC NÚT
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 – 2017


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

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS TRẦN CÔNG HÙNG

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 được ứng dụng trong rất nhiều
lĩnh vực như: quốc phòng, an ninh, dân sự, y tế, giao thông, môi
trường, nông nghiệp. Ở từng lĩnh vực cụ thể, mạng cảm biến
không dây được dùng cho việc: rà soát bom mìn, khí độc hại,
cảnh báo xâm nhập của quân địch; chống đột nhập; giám sát chu
trình và sản phẩm trong sản xuất công nghiệp; cảnh báo cháy nổ,
nhà thông minh; kiểm tra giám sát sức khỏe; kiểm soát lưu lượng
giao thông; giám sát mức độ ô nhiễm môi trường, dự báo thời
tiết, khí hậu; đo nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển tưới tiêu tự động
theo độ ẩm không khí, theo dõi sự di chuyển của động vật hoang
dã.
Tuy nhiên WSN cũng có nhiều mặt hạn chế, một trong
những hạn chế lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn (kích
thước thiết bị nhỏ - nguồn pin nhỏ) và rất khó khăn để nạp lại
năng lượng cho thiết bị. Trong khi nguồn năng lượng là không
thể thay đổi, chúng ta phải làm gì để kéo dài thời gian hoạt động
của toàn mạng?
Việc gom nhóm (Clustering) các nút cảm biến là một kỹ
thuật hiệu quả để cải thiện khả năng mở rộng và thời gian cuộc
sống của một mạng cảm biến không dây (WSN). Tuy nhiên,
trong một cụm dựa trên WSN, các nút chủ nhóm (Cluster heads)


2
tiêu thụ nhiều năng lượng hơn do một số phụ tải cho các hoạt
động khác nhau như thu thập dữ liệu, tổng hợp số liệu, thông tin

liên lạc và các dữ liệu tổng hợp đến trạm gốc. Vì vậy, vấn đề cân
bằng năng lượng của các Cluster heads là một vấn đề rất quan
trọng cho các hoạt động dài hạn của WSNs. Cân bằng năng
lượng có thể được sử dụng để kéo dài tuổi thọ của một mạng
lưới cảm biến bằng cách giảm tiêu thụ năng lượng. Cân bằng
năng lượng dựa trên kỹ thuật phân cụm cũng có thể làm tăng khả
năng mở rộng mạng lưới. Mạng cảm biến không dây với các nút
có mức năng lượng khác nhau có thể kéo dài tuổi thọ mạng của
mạng và củng cố độ tin cậy của nó.
Vì lý do đó, luận văn này đề xuất cải tiến một giao thức
định tuyến nhằm đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa các nút
mạng trong mạng cảm biến không dây.
Nội dung của luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chương 2: Kỹ thuật phân cụm trong mạng cảm biến
không dây
Chương 3: Giao thức đề xuất cải tiến
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá giao thức cải tiến


3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network –
WSN ra đời là một thành tựu to lớn của khoa học. WSN là sự
kết hợp giữa cảm biến, tính toán và truyền thông vào trong các
thiết bị nhỏ gọn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con
người, giúp cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân

công, nâng cao được hiệu quả công việc.
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến
không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều
các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi
trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do
thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn
đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát
các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh
viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ...

1.2 Khái niệm, ứng dụng mạng WSN
1.3 Kiến trúc mạng cảm biến
1.3.1 Cấu tạo của nút cảm biến
1.3.2 Nút cơ sở và nút nguồn
1.3.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây


4
1.3.4 Mục tiêu thiết kế mạng cảm biến và tiêu chí đánh
giá
1.3.4.1 Chất lượng dịch vụ
1.3.4.2 Hiệu quả năng lượng
1.3.4.3 Khả năng bảo trì và thay thế
1.3.4.4 Tiềm lực của hệ thống
1.3.4.5 Xử lý trong mạng
1.3.4.6 Kĩ thuật khai thác thông tin vị trí
1.3.4.7 Kĩ thuật lấy mẫu tích cực
1.3.5.8 Kĩ thuật khai thác tính hỗn độn

1.4 Khó khăn trong việc phát triển mạng không dây

1.4.1 Giới hạn năng lượng
1.4.2 Giới hạn về giải thông
1.4.3 Giới hạn về phần cứng
1.4.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài

1.5 Định tuyến trong WSN
Trong một WSN, khoảng cách giữa các nút cảm biến và
BS có thể khác biệt lớn. Điều này ngụ ý rằng dữ liệu từ một nút
cảm biến có thể cần phải đi qua nhiều bước nhảy để đến được
BS, vì thế các giao thức định tuyến được đưa ra. Một giao thức
định tuyến xác định các phương pháp để chuyển tiếp dữ liệu từ
các nút cảm biến đến BS dựa trên các yêu cầu khác nhau. Dưới
đây chúng tôi trình bày một số thách thức định tuyến:


Tiêu hao năng lượng


5


Khả năng mở rộng



Truyền dẫn

1.6 Tổng kết chương
Ở chương này, luận văn đưa ra các lý thuyết tổng quan
về mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm các khái niệm,

ứng dụng, mô tả kiến trúc của một WSN, qua đó chúng ta nhận
thấy được là WSN đang ngày càng phát triển và ứng dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống. Tuy nhiên gắn liền với nó là
vẫn còn tồn tại một số hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng
mở rộng, độ tin cậy cũng như độ trễ. Và để khắc phục được hạn
chế về năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống cho một WSN
thì vấn đề về cân bằng năng lượng trong WSN rất được quan tâm
trong những năm trở lại đây. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về vấn
đề này trong chương tiếp theo.


6

CHƯƠNG 2 - KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG
WSN
2.1 Khái niệm
Để chuyển tiếp thông tin từ nhiều nút cảm biến đối với
một BS một cách hiệu quả, thì kỹ thuật định tuyến phân cụm
thường được sử dụng. Một cụm dựa trên định tuyến nhằm mục
đích để tạo thành một hệ thống phân cấp mạng định tuyến dựa
trên một số cụm như hình 2.1.

Hình 2.1: Một mạng cảm biến dựa trên kỹ thuật phân cụm

2.2 Ưu điểm của kỹ thuật phân cụm
2.3 Các vấn đề được xem xét khi xây dựng thuật toán
dựa trên phân cụm
2.3.1 Quá trình lựa chọn cluster head (CH)
2.3.2 Quá trình hình thành phân cụm
2.3.3 Các giao tiếp trong cụm

7
2.4 Đồng nhất và không đồng nhất trong WSN
Hầu hết các nghiên cứu ở WSN cho rằng nó đồng nhất.
Tuy nhiên, trong thực tế, các cảm biến có các khả năng khác
nhau như các mức năng lượng ban đầu khác nhau, tỷ lệ suy hao
năng lượng khác nhau, vv. Chỉ một vài nút thông thường các nút
có lượng năng lượng tương đối nhiều hơn nhằm thực hiện lọc dữ
liệu, nhiệt hạch và vận chuyển. Do đó các mạng cảm biến không
đồng nhất rất hữu ích trong các triển khai thực sự vì chúng gần
với tình huống thực tế hơn. Do đó trong luận văn tôi sẽ tìm hiểu,
đi sâu hơn về một số giao thức phân cụm dựa trên mạng WSN
không đồng nhất và đưa ra đề xuất cải tiến giao thức của mình
dựa trên các giao thức đó.
2.4.1 Các loại tài nguyên không đồng nhất trong WSN
• Tính không đồng nhất trong tính toán
• Liên kết không đồng nhất
• Không đồng nhất về năng lượng
2.4.2 Ảnh hưởng của tính không đồng nhất trên mạng
cảm biến không dây
• Giảm độ trễ của truyền dữ liệu
• Kéo dài thời gian sống cho mạng
• Cải thiện độ tin cậy của truyền dữ liệu


8
2.4.3 Các cách đánh giá hiệu suất của WSN không
đồng nhất
Một số cách đo lường được sử dụng để đánh giá hiệu suất

của các giao thức phân cụm được liệt kê dưới đây.






Thời gian sống
Số lượng các CH trên mỗi vòng
Tuổi thọ mạng
Thông lượng

2.5 Một số giao thức định tuyến dựa trên kỹ thuật phân
cụm
2.5.1 LEACH
2.5.2 SEP
2.5.3 DEEC
2.5.4 DDEEC
2.5.5 TDEEC
2.5.6 EDEEC
2.5.7 EDDEEC
2.5.8 BEENISH

2.6 Nhận xét
2.7 Tổng kết chương
Chương này trình bày các khái niệm cơ bản trong phân
cụm mà phần còn lại của luận văn được xây dựng. Nó mô tả các
thuật toán định tuyến dựa trên phân cụm của một mạng WSN
không đồng nhất, các thuật toán đi từ những hướng đầu tiên đề

9
xuất đến những thuật toán gần đây nhất liên quan đến phân cụm
trong mạng WSN không đồng nhất. Từ những hạn chế của một
số giao thức liên quan thúc đẩy chúng ta đưa ra một thuật toán
định tuyến dựa trên phân cụm mới trong mạng WSN không đồng
nhất mà nó bổ sung thêm được thành phần ước lượng được
khoảng cách giữa các nút mạng đến CH và BS, đề xuất này sẽ
được trình bày chi tiết hơn trong Chương 3 của luận văn.


10

CHƯƠNG 3 - GIAO THỨC ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN
Dựa trên ý kiến của chúng tôi trình bày trong mục 2.6 và
2.7 về các vấn đề trong các thuật toán dựa trên phân cụm trong
WSN không đồng nhất hiện có, chúng tôi đã xây dựng một thuật
toán định tuyến mới dựa trên các giao thức gần đây, vẫn dựa trên
tỉ lệ giữa mức năng lượng còn lại của nút và năng lượng trung
bình của toàn mạng trong vòng hiện tại của từng loại nút không
đồng nhất để xây dựng xác xuất cho việc lựa chọn một nút trở
thành CH. Tuy nhiên giao thức cải tiến sẽ bổ sung thêm thành
phần ước lượng khoảng cách vào trong xác xuất lựa chọn CH
cũng như bổ sung thêm thành phần ước lượng năng lượng còn
lại vào trong việc xác định nghưỡng cho một nút trong quá trình
phân cụm. Mục tiêu chính của giao thức này là giảm tổng tiêu
thụ năng lượng trong mạng và kéo dài tuổi thọ mạng. Chương
này trình bày một mô tả chi tiết của thuật toán đề xuất cũng như
những lợi ích dự kiến của nó. Mục 3.1 trình bày sự phân cụm
trong giao thức đề xuất bao gồm việc chọn CH và hình thành

cụm. Mục 3.2 sẽ mô tả hoạt động của giao thức đề xuất bao gồm
sự tương tác giữa BS và các nút trong WSN.


11
3.1 Quá trình phân cụm
Trước hết, xét về mức độ không đồng nhất trong mạng
thì giao thức đề xuất sẽ giữ ở mức độ 4, bao gồm 4 loại nút
normal, advance, super, ultra-super với 4 mức năng lượng khởi
tạo khác nhau giống như giao thức BEENISH đã đưa ra nhưng
thay vào đó giao thức đề xuất sẽ cải tiến ngưỡng hình thành cụm
cũng như bổ sung thành phần ước lượng khoảng cách vào trong
quá trình tính toán xác xuất của việc lựa chọn CH.
Tương tự như các giao thức trong mục 2.5. Mỗi nút sẽ
chọn 1 số ngẫu nhiên trong khoảng (0,1). Nếu số này thấp hơn
giá trị ngưỡng của nút si thì nút đó sẽ trở thành một CH.
Dựa trên giao thức DCHS đưa ra để đưa vào giao thức cải tiến
nhằm cải thiện ngưỡng Ts của các giao thức dựa trên WSN
không đồng nhất đã xây dựng trước đây với mong muốn là
những nút có mức năng lượng còn lại cao hơn sẽ có nhiều cơ hội
trở thành CH hơn bằng cách thêm vào thành phần ước lượng
𝐸

năng lượng còn lại của một nút si, dựa trên tỉ lệ ( 𝐸𝑖 ). Công thức
0

(2.1) sẽ được xây dựng lại trong công thức (3.1)
𝑃

𝑇(𝑠𝑖) = {

0

1
1−𝑃𝑖 × [𝑟 𝑚𝑜𝑑 ]
𝑃𝑖

×

𝐸𝑖
𝐸0

,

𝑖𝑓 𝑠 ∈ 𝐺
(3.1)

,

𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑤𝑖𝑠𝑒

(3.1) Công thức tính ngưỡng lựa chọn CH của giao thức đề xuất


12
Trong đó Ei là năng lượng còn lại của nút si ở vòng hiện
tại và Eo là năng lượng ban đầu của nút normal. Với Pi được định
nghĩa riêng cho từng loại nút tùy theo mức độ không đồng nhất,
ở đây là 4.
Xác xuất cho việc lựa chọn CH được sửa đổi trong giao
thức đề xuất so với công thức (2.17) bằng cách đưa vào thành

phần ước lượng khoảng cách. Giả sử ta có dhiện tại là khoảng cách
thực tế từ nút thứ i đến BS. Khi đó ta có:
𝑑ℎ𝑖ệ𝑛 𝑡ạ𝑖 = √(𝑋𝑖 − 𝑋𝐵𝑆 )2 + (𝑌𝑖 − 𝑌𝐵𝑆 )2

(3.2)

(3.2) Công thức tính khoảng cách của nút hiện tại đến BS

Trong đó 𝑑ℎ𝑖ệ𝑛 𝑡ạ𝑖 : Khoảng cách hiện tại từ nút thứ i tới
BS.
(𝑋𝑖 , 𝑌𝑖 ): Tọa độ nút i.
(𝑋𝐵𝑆 , 𝑌𝐵𝑆 ): Tọa độ trạm gốc.
Mặt khác ta lấy dtrung bình là khoảng cách trung bình từ
một nút bất kỳ đến BS, dtoCH là khoảng cách trung bình từ CH
đến các nút thành viên trong cụm và dtoBS là khoảng cách trung
bình của các CH đến BS. dtoCH và dtoBS được xây dựng trong
công thức (2.11).


13

Hình 3.1: Khoảng cách trung bình từ 1 nút bất kỳ đến BS

Ta được công thức tính khoảng cách trung bình từ 1 nút bất kỳ
đến BS như sau:

dtrung bình = dtoBS + dtoCH

(3.3)

(3.3) Công thức tính khoảng cách trung bình từ 1 nút bất kỳ đến BS

Dựa vào khoảng cách dtrung bình, Ta phân được phạm vi các nút ở
gần và các nút xa trạm gốc như hình 3.2.


14

Hình 3.2: Khoảng cách những nút gần và nút xa BS

Ta định nghĩa:
Nếu khoảng cách hiện tại dhiện tại <= dtrung bình
Thì xác xuất lựa chọn một nút trở thành CH sẽ được tính theo
công thức:
Nếu 𝐸𝑖 (𝑟) > 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 , Thì

(3.4) Công thức tính xác xuất cải tiến khi dhiện tại <= dtrung bình với
điều kiện Ei(r) > Tabsolute trong giao thức đề xuất


15
Nếu 𝐸𝑖 (𝑟) ≤ 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 , Thì
𝑃(𝑖)𝑐ả𝑖 𝑡𝑖ế𝑛 = 𝑐.

𝑃𝑜𝑝𝑡 .(1+𝑢).𝐸𝑖 (𝑟)

∗

̅ (𝑟)
1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E

𝑑ℎ𝑖ệ𝑛 𝑡ạ𝑖
𝑑𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ

𝑐ℎ𝑜 𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 𝑛𝑜𝑑𝑒

(3.5)

(3.5) Công thức tính xác xuất cải tiến khi d hiện tại <= dtrung bình với điều
kiện Ei(r) <= Tabsolute trong giao thức đề xuất

Ngước lại nếu dhiện tại > dtrung bình
Thì xác xuất lựa chọn một nút trở thành CH sẽ được tính theo
công thức như giao thức EDDEEC cho 4 loại nút không đồng
nhất.
Nếu 𝐸𝑖 (𝑟) > 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 , Thì
𝑃𝑜𝑝𝑡 . 𝐸𝑖 (𝑟)
̅ (𝑟)
1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E
𝑃𝑜𝑝𝑡 .(1+𝑎).𝐸𝑖 (𝑟)
̅ (𝑟)
1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E

𝑃(𝑖) =

𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑐 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑛𝑜𝑑𝑒
𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑐 𝑎𝑑𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑛𝑜𝑑𝑒

𝑃𝑜𝑝𝑡 .(1+𝑏).𝐸𝑖 (𝑟)
̅ (𝑟)

1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E
𝑃𝑜𝑝𝑡 .(1+𝑢).𝐸𝑖 (𝑟)

{

̅ (𝑟)
1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E

𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑐 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟 𝑛𝑜𝑑𝑒

𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑐 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎 − 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟 𝑛𝑜𝑑𝑒

(3.6)
(3.6) Công thức tính xác xuất khi d hiện tại > dtrung bình với điều kiện Ei(r) >
Tabsolute trong giao thức đề xuất


16
Nếu 𝐸𝑖 (𝑟) ≤ 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 , Thì

𝑃(𝑖) = 𝑐.

𝑃𝑜𝑝𝑡 .(1+𝑢).𝐸𝑖 (𝑟)
̅ (𝑟)
1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E

𝑐ℎ𝑜 𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 𝑛𝑜𝑑𝑒

(3.7)

(3.7) Công thức tính xác xuất khi d hiện tại > dtrung bình với điều kiện Ei(r)
<= Tabsolute trong giao thức đề xuất

Với 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 = 𝑧. 𝐸𝑜

3.2 Hoạt động của giao thức đề xuất
Bước 1: Tính toán năng lượng hiện tại của nút mạng thứ i (Ei),
năng lượng của vòng hiện tại (Er) theo công thức (2.10) và
khoảng cách trung bình của một nút bất kỳ đến BS (dtrung bình)
theo công thức (3.3).
Bước 2: Ước lượng năng lượng trung bình của toàn mạng ở vòng
hiện tại theo công thức (2.7).
Bước 3: Xem xét nếu dhiện tại <= dtrung bình thì xác suất lựa chọn
CH P(i) sẽ được tính theo công thức (3.4) (nếu 𝐸𝑖 (𝑟) >
𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 ,) hoặc (3.5) (nếu 𝐸𝑖 (𝑟) ≤ 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 ,).
Ngược lại nếu dhiện tại > dtrung bình thì xác suất P(i) sẽ được tính theo
công

thức

(3.6)

(nếu

𝐸𝑖 (𝑟) > 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 ,)

hoặc

(3.7)

(nếu 𝐸𝑖 (𝑟) ≤ 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 ,).
Bước 4: Xét nút được lựa chọn làm CH đã là CH chưa. Nếu chưa
thì sẽ chọn nút này làm CH cho vòng tiếp theo và chuyển đến


17
bước 5, ngược lại nếu nút được lựa chọn đã làm CH trong vòng
trước đó rồi thì sẽ trở thành nút thành viên cho cụm và kết thúc
quá trình lựa chọn CH.
Bước 5: Chọn một số ngẫu nhiên từ 0 đến 1. Sau đó so sánh số
này với giá trị ngưỡng 𝑇𝑠𝑖 (𝑇𝑠𝑖 dựa trên công thức cải tiến (3.1)).
Nếu số ngẫu nhiên <= 𝑇𝑠𝑖 thì sẽ chọn nút thứ i làm CH sau đó
kết thúc quá trình chọn CH, ngược lại nếu số ngẫu nhiên >𝑇𝑠𝑖 thì
nút i sẽ trở thành nút thành viên cho cụm và kết thúc quá trình
lựa chọn CH.
Dựa vào sơ đồ do nhóm tác giả đề xuất giao thức
EDDEEC đưa ra. Tôi tiến hành xây dựng sô đồ cải tiến như hình
3.3.


18
Tính toán các nút
mạng còn sống

Bắt đầu

Tính toán Ei và Er
cho mỗi nút mạng
còn sống

Tính toán phần trăm
CH

Tính toán Ea năng
lượng trung bình
của toàn mạng, dhiện
tại và dtrung bình trong
vòng hiện tại

Đề xuất

BEENISH

EDDEEC

dhiện tại <= dtrung

No

Năng lượng còn lại của
nút > 0.7*Năng lượng
ban đầu của nút
Normal

No
Điều chỉnh lại
xác xuất trở
thành CH cho
cả 4 loại nút
dựa theo

ngưỡng Tabsolute
, kết hợp với giá
trị (dhiện tại/d trung
bình)

Yes
Tính toán xác
xuất của mỗi
node trở thành
CH ứng với 4
loại nút trong
mạng, kết hợp
với giá trị (dhiện
tại/d trung bình)

Yes

Năng lượng còn lại của
nút > 0.7*Năng lượng
ban đầu của nút
Normal

No
Điều chỉnh lại
xác xuất trở
thành CH cho
cả 4 loại nút
dựa theo
ngưỡng Tabsolute

Xác định các xác
xuất trở thành CH
cho 4 mức độ nút
mạng không đồng
nhất

Năng lượng còn lại của
nút > 0.7*Năng lượng
ban đầu của nút Normal

bình

Yes

No
Điều chỉnh lại
xác xuất trở
thành CH của 3
loại nút dựa
theo ngưỡng
Tabsolute

Tính toán xác
xuất của mỗi
node trở thành
CH ứng với 4
loại nút trong
mạng

EDEEC

Xác định các xác
xuất trở thành CH
cho 3 mức độ nút
mạng không đồng
nhất

Yes
Tính toán xác
xuất của mỗi
node trở thành
CH ứng với 3
loại nút trong
mạng

Nút chưa là CH
trong các vòng
trước

No

Yes
Nút dựa vào tập G, trong
đó G là tập các nút hợp
pháp để trở thành CH và
nút chọn 1 số ngẫu nhiên
giữa 0 và 1

Nút thành viên trong
nhóm và gửi dữ liệu

đến CH của nó

Đề xuất
Chọn số ngẫu nhiên <=
ngưỡng T(i)
Dựa trên P(i) và năng
lượng còn lại tương ứng
cho nút S(i)

Chọn số ngẫu nhiên <=
ngưỡng T(i)
Dựa trên P(i) tương ứng
cho nút S(i)

Yes
Yes

No

No

Kết thúc

EDEEC, BEENISH, EDDEEC

Hình 3.3. Sơ đồ khối cho các giao thức EDEEC, EDDEEC, BEENISH,
Giao thức đề xuất trong quá trình lựa chọn CH.


19

3.3 Tổng kết chương
. Chương này trình bày một mô tả chi tiết của thuật toán
đề xuất cũng như những đề xuất cải tiến giá trị xác xuất dự kiến
của nó. Mục 3.1 trình bày sự phân cụm trong giao thức đề xuất
bao gồm việc chọn CH và hình thành cụm. Mục 3.2 mô tả hoạt
động của giao thức đề xuất bao gồm sự tương tác giữa BS và các
nút trong WSN thông qua sơ đồ khối trình bày sự cải tiến trong
việc lựa chọn CH so với các giao thức được đưa ra gần đây như
EDEEC, EDDEEC, BEENISH. Để chứng minh sự hiệu quả của
giao thức đề xuất so với các giao thức trên chúng tôi đã tiến hành
mô phỏng giao thức đề xuất qua đó so sánh kết quả với các giao
thức này trên phần mềm mô phỏng MATLAB R2015a. Kết quả
cho thấy rằng cùng các thông số mô phỏng, giao thức đề xuất
cho ra kết quả tốt hơn so với các giao thức EDEEC, EDDEEC,
BEENISH về thời gian sống, độ ổn định cũng như thông lượng
truyền tải gói tin trong mạng WSN không đồng nhất. Thông tin
mô phỏng, kết quả và đánh giá mô phỏng sẽ được đề cập đến
trong chương tiếp theo của luận văn.


20

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU
SUẤT GIAO THỨC CẢI TIẾN
4.1 Mô hình và tham số mô phỏng
4.1.1 Mô hình năng lượng sóng vô tuyến
4.1.2 Mô hình mạng
4.1.3 Tham số của giao thức đề xuất
Bảng 4.1: Bảng các tham số mô phỏng
Tham số

Kích thước mạng (m2)
Vị trí nút gốc (m)
Số lượng nút mạng
Chiều dài gói tin dữ liệu (bits)
Khoảng cách ngưỡng, d0 (m)
Năng lượng điện tích thu phát, Eelec
Năng lượng tổng hợp dữ liệu, EDA
Năng lượng truyền bộ tín hiệu , Efs , nếu dtoBS < d0
Năng lượng truyền bộ tín hiệu , Eamp , nếu dtoBS >= d0
Xác xuất CH tối ưu, Popt
4 cấp độ không đồng nhất
Phần trăm số lượng nút Advance, m
Phần trăm số lượng nút Super, m0
Phần trăm số lượng nút Ultra-super, m1
Năng lượng cho các nút Advance, a
Năng lượng cho các nút Super, b
Năng lượng cho các nút Ultra-super, u
Năng lượng ban đầu cho các nút Normal (Joules)

Giá trị
100 x100
(50,50)
100
4000
70
50 nJ/bit
5 nJ/bit
10 pJ/bit/m2
0.0013
pJ/bit/m4

0.1
0.5
0.4
0.3
1.5
2.5
3.5
0.5


21
4.1.4 Tiêu chí đánh giá hiệu suất
• Thời gian ổn định:
• Tuổi thọ mạng:
• Số lượng gói tin được gửi đến BS:

4.2 Kịch bản mô phỏng
Bảng 4.2: Kịch bản mô phỏng

Tiêu chí đánh giá

Giao thức
đánh giá

 Độ ổn định (nút đầu tiên chết)
 Thời gian sống (nút cuối cùng chết)
 Thông lượng (Số lượng gói tin gửi
đến BS)
 Năng lượng còn lại trung bình của
các nút mạng

EDEEC,
EDDEEC,
BEENISH,
Giao thức đề
xuất

Tọa độ
trạm
gốc

(50,50)

4.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá
Kết quả mô phỏng của các thuật toán tham gia mô phỏng
theo các tiêu chí đánh giá được trình bày lần lượt thông qua các
bảng biểu 4.3, 4.4.
Trong trường hợp này, chúng ta xem xét một mạng lưới
chứa 50 nút normal có năng lượng E0, 30 nút advance có năng
lượng gấp 2 lần so với các nút normal, 14 nút super có năng
lượng gấp 5 lần so với các nút normal và 6 nút ultra-super có
năng lượng gấp 7 lần các nút normal.


22
Hình 4.3 và 4.4 cho thấy số lượng các nút còn sống và đã
chết trong suốt thời gian mạng. Node đầu tiên của giao thức
EDEEC, EDDEEC, BEENISH, và giao thức đề xuất chết ở các
vòng lần lượt là 1003, 1409, 1087 và 1817, giao thức đề xuất cao
hơn EDEEC 81%, EDDEEC 28%, 67% BEENISH về số vòng

mà nút đầu tiên chết và tất cả các nút chết ở các vòng lần lượt
là7761, 7697, 10839 và 11923, giao thức đề xuất là cao hơn 53%
EDEEC, 54% EDDEEC, 10% BEENISH về số vòng mà nút cuối
cùng chết.
Như có thể thấy từ hình 4.3 và 4.4, giao thức đề xuất thực
hiện tốt hơn so với các giao thức khác đã chọn hiện tại về tuổi
thọ mạng, thời gian ổn định. Do đó, giao thức đề xuất tiêu thụ
năng lượng ít hơn dẫn đến không chỉ kéo dài tuổi thọ mạng mà
còn kéo dài thời gian ổn định so với các giao thức cùng tham gia
mô phỏng.
4.3.1 Độ ổn định và tuổi thọ mạng
Bảng 4.3: Bảng so sánh tuổi thọ mạng của các giao thức tham gia
mô phỏng

Giao thức
EDEEC
EDDEEC
BEENISH
Đề xuất

Nút đầu tiên chết
(vòng)
1003
1409
1087
1817

Nút cuối cùng
chết (vòng)
7761

7697
10839
11923


23

Hình 4.1: Đồ thị so sánh thời gian sống của các giao thức tham
gia mô phỏng

Hình 4.2: Đồ thị so sánh thời gian các nút chết của các giao thức
tham gia mô phỏng