Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (tt)

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

V NHƢ

NH

C I TI N TH I GI N
NG C
HÔNG D Y D NG H N C
T
THU H T DI

NG C
BI N
TH
NG

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
ã số: 60.48.01.04

TÓ

TẮT LUẬN VĂN TH C Ĩ

TP.HCM – 2017


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

Người hướng dẫn khoa học:………………………………………………
(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ………………………………………………………………
Phảnbiện 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
U
Trong nh ng năm g n đ y

ireless ensor Networks

thu h t ngày càng nhi u c c nhà nghi n c u ch

N

vì nh ng ti m

năng lợi ích to lớn mà ch ng có thể cung cấp cho c c lĩnh v c công
nghiệp và kinh tế-xã hội. Ngày càng có nhi u ng dụng

N được

ph t triển cho nhi u lĩnh v c mục ti u chiến lược quan trọng và tiện
dụng. Mạng cảm biến không d y

N đã và đang là lĩnh v c

nghi n c u thu h t được nhi u s quan t m.

N với nh ng ti m

năng n i trội đã mang lại nh ng ng dụng thiết th c trong cuộc s ng
con người.

n i l n của c c mạng cảm biến không d y là kết quả

của s tiến hóa mới gi a s ph t triển của điện tử s

vi điện tử hệ

th ng cơ học vi mô và tiến bộ trong công nghệ truy n thông không
d y đã cho phép triển khai nhi u ng dụng
qu n s

N trong lĩnh v c

giao thông y tế môi trường s c khỏe công nông nghiệp...

và trong hệ sinh th i thì cảm biến không d y là thành ph n thiết yếu.
N là một tập hợp bao gồm c c thiết bị cảm biến sử dụng c c li n
kết không d y để ph i hợp th c hiện nhiệm vụ nh m thu thập thông

tin d liệu ph n t n với quy mô lớn trong bất k đi u kiện c ng như
bất k địa hình nào. Tất cả c c n t được theo d i và kiểm so t b i
một trạm g c B . Hiệu suất sử dụng năng lượng là th ch th c
chính mà c c nhà thiết kế phải đ i m t trong

N. Nói chung

nguồn năng lượng trong một n t cảm biến v cơ bản được cung cấp
t một pin có nguồn năng lượng hạn chế. Nguồn năng lượng này
không dễ dàng để thay thế ho c nạp lại khi c c n t cảm biến triển
khai trong một v ng rộng lớn các nút cảm biến bị giới hạn b i s c


2
mạnh tính toán và khả năng truy n thông mà chúng có thể cung cấp.
Nếu các cảm biến được n i mạng và lập trình chính xác, tất cả các
tác vụ xử lý tín hiệu có thể được th c hiện hợp l để thu thập thông
tin t c c v ng xa c ng như c c khu v c nguy hiểm. T i ưu hóa thời
gian s ng của mạng là một bài to n ph c tạp.
Truy n tải d liệu là công việc ti u hao năng lượng chủ yếu
trong

Ns. Đi u c n thiết là làm sao để kiểm soát m c tiêu thụ

năng lượng trong giai đoạn thu thập d liệu. Đi u này được th c hiện
b ng cách cho phép s lượng nút t i thiểu liên lạc tr c tiếp với trạm
g c hay trạm thu ph t sink nơi tập hợp d liệu ng dụng trong
N. Có nhi u thuật to n đã ph t triển cho việc phân cụm trong
N nh m giảm thiểu s n t giao tiếp với trạm g c. Đi u này được
th c hiện b ng c ch nhóm c c n t được triển khai thành các cụm

ho c c c khu v c. Mỗi cụm được đi u khiển b i một n t Trư ng
Cụm gọi là cluster-head CH c c n t kh c trong cụm tr thành n t
thành viên của cụm đó. C c n t thành vi n chỉ liên lạc với n t
Trư ng Cụm trong một phạm vi hạn chế và do đó giảm tiêu thụ năng
lượng. N t Trư ng Cụm sẽ t ng hợp d liệu thu thập được t c c n t
thành viên thành một gói và chuyển tiếp tới Trạm g c. C n lưu
r ng chỉ có c c n t Trư ng Cụm có tr ch nhiệm gửi d liệu trong
cụm đã thu thập đến trạm thu ph t nơi xử lý và ra quyết định. Việc
triển khai trạm thu ph t trong một WSN là một m i quan tâm lớn. Do
đó c c vấn đ li n quan đến năng lượng ti u thụ thời gian s ng của
N đang được nghi n c u. Nói chung giả sử các trạm thu ph t là
tĩnh c định trong t nhi n tuy nhi n ch ng có khả năng di động


3
trong một s tình hu ng để thu thập d liệu t các nút cảm biến [1].
Để đạt được kết quả tiết kiệm năng lượng cao hơn tính di động của
trạm thu ph t nh m tăng thời gian s ng của

N được xem xét

trong luận văn này.
Mục tiêu của luận văn:
Mục ti u của luận văn là cải tiến thời gian s ng của mạng

N. Do

đó sẽ tìm hiểu v giao th c ph n cụm LE CH và giải thuật ph n
cụm d a tr n logic mờ CHEF với hướng tiếp cận mới là trạm thu
ph t di động mobile sink .

ua đó sẽ sử dụng thuật toán phân cụm

mờ kết hợp với trạm thu ph t di động mobile sink để cải tiến thời
gian s ng của mạng cảm biến không d y.
Vấn đề cần giải quyết của luận văn
Hãy xem xét một mạng lưới cảm biến triển khai một cách ngẫu
nhiên. Một nút cảm biến có giao diện truy n thông không dây có thể
giao tiếp với c c n t kh c trong v ng l n cận của nó. B i vì hạn chế
của các nguồn năng lượng và do th c tế r ng giao tiếp làm tiêu hao
điện năng đ ng kể trong một nút cảm biến, phạm vi truy n dẫn của
c c n t này được giới hạn cho mục đích năng lượng hiệu quả, các nút
cảm biến xa sink sẽ sử dụng chuyển tiếp đa ch ng multi hop để
truy n d liệu đến sink.

ết quả truy n thông đa ch ng cho thấy ti u

hao năng lượng không cân b ng trong c c ph n kh c nhau trong
mạng c c n t xung quanh sink thì cạn kiệt năng lượng nhanh hơn
nhi u so với c c n t

xa. Đi u này không chỉ gây ra nh ng cảm biến

g n sink ngưng hoạt động mà c n làm cho sink không thể truy cập
b i c c n t cảm biến kh c. Trong trường hợp này, các d liệu cảm


4
biến không thể gửi thành công đến sink d liệu chuyển tiếp đến c c
bộ cảm biến g n sink bị t c nghẽn theo dạng th t n t c chai có thể

làm cho mạng ngưng hoạt động đ y là một kết quả tr c tiếp của việc
có một sink tĩnh c định . Do đó để đạt được kết quả tiết kiệm năng
lượng cao hơn tính di động của trạm thu ph t nh m tăng tu i thọ
N được xem xét trong luận văn này.
ối tƣợng nghiên cứu
Tìm hiểu c c ưu và nhược điểm của mạng cảm biến không dây, thuật
toán phân cụm LE CH thuật to n ph n cụm d a tr n logic mờ
CHEF mô hình trạm thu ph t di động mobile sink .
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên c u các kiến trúc mạng WSN
- Tìm hiểu v giao th c ph n cụm LE CH thuật to n ph n cụm d a
tr n logic mờ CHEF mô hình trạm thu ph t di động.
- Tập trung nghi n c u kết hợp thuật to n ph n cụm mờ với trạm thu
ph t di động để cải tiến thời gian s ng của

N.

hƣơng pháp nghiên cứu
- Tài liệu: tìm hiểu c c đ i tượng c n nghiên c u t các bài báo khoa
học đã được xuất bản và đăng tr n c c tạp chí uy tín trên thế giới.
- Tiến hành thiết kế đ xuất thuật toán, kiểm ch ng b ng mô phỏng.
Các đóng góp của luận văn
- Đ xuất 1 cải tiến thời gian s ng của

N b ng phương ph p tiếp

cận giao th c định tuyến ph n cụm LE CH kết hợp sink di động
theo đường dẫn c định.

5
- Đ xuất 2 cải tiến thời gian s ng của

N b ng phương ph p tiếp

cận thuật to n ph n cụm mờ CHEF kết hợp sink di động theo đường
dẫn c định.
Để cải tiến thời gian s ng của mạng

N c c phương ph p tiếp cận

thiết kế d a tr n sink di động là một giải ph p triển vọng.
Cấu trúc luận văn
Nội dung của luận văn gồm 4 chương:
Chƣơng 1: Trình bày t ng quan v mạng cảm biến không dây.
Trong chương này mô tả v cấu trúc mạng cảm biến không d y đ c
điểm và cấu trúc của nút cảm biến. Nh ng vấn đ g p phải của mạng
cảm biến không d y như năng lượng đi u khiển truy nhập đường
truy n. Đồng thời chương này c ng chỉ ra các ng dụng phong phú
trong đời s ng của mạng cảm biến như c c ng dụng trong y tế, ng
dụng trong qu n đội, ng dụng trong gia đình và trong môi trường.
Chƣơng 2: C c công trình li n quan. Trong chương này giới thiệu v
định tuyến c c loại chính của các giao th c định tuyến, giao th c
định tuyến kinh điển LE CH. Tiếp theo là giới thiệu logic mờ thuật
to n ph n cụm d a tr n logic mờ CHEF. Cu i c ng tìm hiểu c c mô
hình sink di động thuật to n d a tr n sink di động MEC

M

.

Chƣơng 3: Chương này em trình bày giải ph p đ xuất kết hợp ph n
cụm mờ với sink di động để cải tiến thời gian s ng của mạng cảm
biến không d y.
Chƣơng 4: Mô phỏng và đ nh gi hiệu suất của giải ph p đ xuất.
ết uận và hƣ ng phát t iển


6
CHƢƠNG 1
T NG

1.1

U NV

NG C

BI N

HÔNG D Y

Gi i thiệu
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network, viết

t t là WSN) là tập nhi u nút cảm biến có khả năng cảm biến môi
trường như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến cường độ
nh s ng m thanh... có khả năng xử lý d liệu, truy n thông không
dây với nhau, phủ sóng trên một vùng vật l nào đó nh m giám sát
và quản lý vùng vật l đó. Mạng cảm biến (WSN) là hệ th ng ít t n

chi phí không đ i hỏi năng lượng cao đa ch c năng và c c node
cảm biến kích thước nhỏ có thể kết hợp với nhau để cảm biến môi
trường, xử lý d liệu và giao tiếp không dây qua một khoảng cách
ng n. Các cảm biến thường được sử dụng để giám sát vật lý ho c các
yếu t môi trường như nhiệt độ

m thanh rung động, áp l c, s

chuyển động ho c ô nhiễm tại các khu v c khảo sát. Một trạm thu
ph t ho c trạm cơ s hoạt động như một giao diện gi a người sử
dụng và mạng. Người ta có thể lấy thông tin t mạng b ng cách chèn
các truy vấn và thu thập các kết quả t trạm thu ph t. Thông thường
một mạng cảm biến không dây có ch a hàng trăm nghìn nút cảm
biến. Các nút cảm biến có thể giao tiếp với nhau b ng cách sử dụng
các tín hiệu radio. Một nút cảm biến không d y được trang bị các
thiết bị cảm biến và tính toán, các máy thu phát vô tuyến và các bộ
phận nguồn. Một s c c n t cảm biến có thể di chuyển, b ng cách
g n các cảm biến này vào các thiết bị di động như đã đạt được trong


7
d án Robomote. Ngày nay với s phát triển nhanh chóng của khoa
học kĩ thuật nói chung và s phát triển của mạch kĩ thuật s , hệ th ng
vi cơ điện tử MEMS, truy n thông không dây nói riêng thì việc thiết
kế và phát triển các nút cảm biến (sensor node) với kích thước nhỏ,
th c hiện được nhi u ch c năng gi thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng,
có thể truy n thông không dây, các nút cảm biến rất nhỏ có thể th c
hiện nhi u ch c năng bao gồm cảm nhận xử lý d liệu, có thể phân
tích tính toán trên các d liệu thu thập được sau đó truy n tr c tiếp
ho c đa ch ng (multihop) v trạm đi u khiển để tiếp tục phân tích và

đưa ra c c quyết định toàn cục v môi trường xung quanh. Tuy
nhiên, các nút cảm biến này có nguồn l c hạn chế v : năng lượng
giới hạn khả năng xử l

dung lượng lưu tr và băng thông truy n

thông thấp. Mỗi n t cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng
thu thập thông tin định tuyến thông tin v trạm thu ph t

ink để

chuyển tới người d ng thông qua mạng internet và định tuyến c c
bản tin mang theo y u c u t

ink đến c c n t cảm biến. Thông tin

được định tuyến v phía sink sau đó sink có thể liên lạc tr c tiếp
ho c gián tiếp với người dùng thông qua mạng Internet hay vệ tinh.
Trạm thu ph t
l

ink ho c trạm g c (BS hay Base Station) với bộ xử

năng lượng và khả năng lưu tr lớn đảm nhận ch c năng như

nhận d liệu t các nút cảm biến và xử lí...


8

H nh 1 1:

t

ạng cả

Mạng cảm biến không d y

iến hông

y điển h nh

Ns cho phép nhi u ng dụng mới

và do y u c u v độ ph c tạp của thiết bị thấp cùng với tiêu thụ năng
lượng thấp kéo dài thời gian s ng của mạng, c n phải có s cân
b ng gi a khả năng truy n thông và khả năng xử lý tín hiệu, d
liệu. Đi u này th c đẩy một nỗ l c rất lớn trong các hoạt động
nghiên c u, quá trình chuẩn hóa và đ u tư công nghiệp trong nhi u
năm g n đ y. Mạng cảm biến không d y thông thường có một s đ c
điểm sau:
-

Có khả năng t t ch c, yêu c u ít ho c không có s can thiệp
của con người.

-

Truy n thông không tin cậy và quảng bá trong phạm vi hẹp, sử
dụng định tuyến đơn ch ng ho c đa ch ng.

-

Triển khai dày đ c và có khả năng kết hợp gi a các nút cảm
biến.


9
-

Cấu hình mạng thường xuy n thay đ i phụ thuộc vào s
chuyển hao m n và hư hỏng

-

di

các nút cảm biến.

Bị giới hạn v năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất
tính toán.

Chính nh ng đ c điểm này đã đưa ra nh ng yêu c u đ c biệt trong
thiết kế mạng cảm biến không dây. Một trong nh ng hạn chế chính
của

Ns có li n quan tr c tiếp đến hiệu suất ph n c ng ch ng hạn

như khả năng xử l và pin mà kết quả là lượng năng lượng ti u thụ
cao hơn và giảm thời gian s ng của mạng. Tuy nhi n có rất nhi u

ng dụng sử dụng

N như c c hoạt động c u hộ thảm họa ph ng

ch ng ch y r ng c c khu v c chiến tranh k thuật y tế và nông
nghiệp ... nơi mà s can thiệp tr c tiếp của con người là tương đ i
có nguy hiểm cao ho c đôi khi không thể th c hiện được. Trong
nhi u trường hợp thay thế pin c ng không khả thi vì s lượng lớn n t
cảm biến của

N c ng như c c hạn chế của khu v c triển khai.

Nếu một n t t t nguồn và mất kết n i có thể bị ảnh hư ng làm cho
mục ti u của mạng tr n n vô ích. Do tính chất hạn chế nguồn l c
khả năng sao lưu năng lượng rất hạn chế và c ch duy nhất để duy trì
kết n i mạng là sử dụng năng lượng có hiệu quả để kéo dài tu i thọ
của toàn bộ mạng. C c ng dụng sử dụng mạng cảm biến không d y
sẽ phải có kết n i li n tục với khu v c mà ch ng được triển khai mà
không có bất k s c nào nếu không s tham gia của việc triển khai
cảm biến sẽ không có hiệu quả. Để duy trì tu i thọ của mạng l a
chọn duy nhất là sử dụng hiệu quả năng lượng có sẵn

m c t i đa.


10
ng ụng củ

1.2

ạng cả

iến hông

y

1.2.1
1.2.2

Tự độ

óa
u

1.2.3
1.2.4

a đì

T

Đ

ử êu dù

ự

d

u

u

u

d

1.2.5
1.2.6

t số vấn đề thiết ế

1.3
1.3.1

u

1.3.2

ở ộ

1.3.3

C

í

1.3.4

Hạ

ế ủa

1.3.5

Cấu ì

1.3.6

S

1.3.7

T êu

1.3.8

Độ

1.3.9

Độ ễ

1.4

ạng cảm biến không dây

xuấ
ầ

ạ

ế

ạng cả

iến hông

d độ

iến t c

1.4.1

Cấu

ủa

1.4.2

Cấu

a

1.4.3

Cấu

ê

ộ
ế

y

ế
ủa

ạ

ủa

ạ

d
ế

d
ế

d

S

topologies)
Là một ph n quan trọng của WSN, quản lý cấu trúc liên kết
luôn được sử dụng để tiết kiệm năng lượng trong khi vẫn duy trì kết
n i mạng. Việc phát triển và triển khai c c

N đã p dụng các cấu

11
trúc mạng truy n th ng theo c c hướng mới. Các cấu trúc mạng cảm
biến không dây khác nhau là Bus, Tree, Star, Ring, Mesh, Circular
và Grid [14].
1.5

ết uận chƣơng 1

Chương này giới thiệu t ng quan v mạng cảm biến không d y bao
gồm: C c ng dụng và c c vấn đ thiết kế một

N. B n cạnh đó

c ng đ cập đến kiến tr c của một mạng cảm biến không d y.


12
CHƢƠNG 2
C C CÔNG T

NH LI N

U N

nh tuyến t ng W N

2.1

D liệu thu thập được b i các nút cảm biến trong một WSN
thường được truy n cho một trạm cơ s
là li n kết

base station hay sink như

N với các mạng kh c nơi d liệu có thể được xử l

ph n tích và ra quyết định. Trong c c mạng cảm biến nhỏ nơi các
nút cảm biến và một sink n m g n nhau, truy n thông tr c tiếp
(single-hop) gi a tất cả các nút cảm biến và sink có thể là khả thi.
Tuy nhiên, h u hết các ng dụng

N đ i hỏi một s lượng lớn các

nút cảm biến bao phủ các khu v c rộng lớn đ i hỏi cách tiếp cận
truy n thông gián tiếp đa ch ng multi-hop). T c là, các nút cảm biến
không chỉ phải tạo ra và ph biến thông tin của riêng mình mà còn
phục vụ như c c rơle ho c các nút chuyển tiếp cho các nút cảm biến
khác. Quá trình thiết lập c c đường dẫn t nguồn đến một sink thông
qua một ho c nhi u rơle được gọi là định tuyến. Khi các nút của
N được triển khai theo c ch x c định nghĩa là ch ng được đ t
các vị trí được x c định trước), s giao tiếp gi a n t và sink có thể
th c hiện b ng các tuyến đường được thiết lập trước. Tuy nhi n khi
c c n t được triển khai theo cách ngẫu nhi n nghĩa là ch ng được
ph n t n vào môi trường ngẫu nhiên), kết quả là cấu hình mạng
không thể đo n trước. Trong trường hợp này, các nút này c n phải t
t ch c, nghĩa là ch ng phải hợp t c để x c định vị trí của chúng, xác
định nh ng n t l n cận và kh m ph c c đường dẫn đến sink.

13
Chương này giới thiệu các loại chính của các giao th c định tuyến,
chiến lược truy n d liệu và trình bày các công trình có liên quan.
2.2

Các thông số đ nh tuyến

2.2.1

T

u

u

H

2.2.2
2.2.3

C ấ

d

ua

S

2.3

Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols)

2.4

Gi

2.5

L gic

thức LE CH
Fu y

gic

Việc sử dụng logic mờ trong

Ns được thể hiện là một k

thuật đ y h a hẹn vì nó cho phép kết hợp và đ nh gi c c tham s đa
dạng một cách hiệu quả. Logic mờ là một cách tiếp cận t t do yêu
c u th c hiện có thể dễ dàng hỗ trợ b i các nút cảm biến, trong khi
nó có thể cải thiện hiệu suất mạng t ng thể. Ti m năng của logic mờ
vượt xa các hệ th ng truy n th ng và có thể được sử dụng trong
nhi u lĩnh v c nghiên c u (th ng kê, kiểm soát chất lượng, k thuật
t i ưu ho ... cho phép tiếp cận đa ngành và cải tiến hiệu năng.
Trong WSNs, logic mờ đã được sử dụng để cải thiện việc đưa ra
quyết định, giảm tiêu thụ tài nguy n và nói chung tăng hiệu suất
thông qua việc triển khai hiệu quả s định vị ph n cụm và l a chọn

trư ng cụm định tuyến, tập hợp d liệu, bảo mật, v.v..
Lý thuyết logic mờ được Gi o sư Lotfi Zadeh n u ra l n đ u tiên vào
năm 1965 [21]. L thuyết này giải quyết các bài toán rất g n với cách
tư duy của con người. Tới nay, lý thuyết logic mờ đã ph t triển rất
mạnh mẽ và được ng dụng trong nhi u lĩnh v c của cuộc s ng.


14
Theo logic truy n th ng (traditional logic), một biểu th c logic chỉ
nhận một trong hai giá trị: True ho c False. Khác với lý thuyết logic
truy n th ng, một biểu th c logic mờ có thể nhận một trong vô s giá
trị n m trong khoảng s th c t 0 đến 1. Nói cách khác, trong logic
truy n th ng, một s kiện chỉ có thể ho c là đ ng tương đương với
True - 1) ho c là sai tương đương với False - 0) còn trong logic mờ,
m c độ đ ng của một s kiện được đ nh gi b ng một s th c có giá
trị n m gi a 0 và 1, tu theo m c độ đ ng “nhi u” hay “ít” của nó.
Logic mờ được ph t triển t l thuyết tập mờ nh m th c hiện một lập
luận xấp xỉ cho phép s không chính x c tính bất định g n đ ng
nh m tìm lời giải hiệu quả đơn giản dễ hiểu và dễ th c hiện với chi
phí thấp.
u

2.5.1
2.5.2

Bế

2.5.3

u

2.5.4

H

2.6

Gi

ữ
u u

S

thức CHEF C ust

H

E cti n

ch nis

using Fuzzy logic)
Để t i đa hóa tu i thọ, CHEF là một cơ chế l a chọn trư ng
cụm cục bộ sử dụng logic mờ [24]. CHEF x c định một s yếu t có
thể ảnh hư ng đến tu i thọ mạng. Như nh ng nhân t này, CHEF áp
dụng hệ th ng suy luận mờ FI vào cơ chế b u chọn trư ng cụm cục
bộ mà sink không c n phải thu thập thông tin t tất cả các nút. B ng
cách sử dụng logic mờ chi phí tính to n được giảm và tu i thọ mạng
được m rộng. Ngoài ra, hoạt động của cơ chế này được cục bộ hóa

15
sink không chọn các CH, các nút cảm biến chỉ b u chọn c c trư ng
cụm b ng cách sử dụng logic mờ.
ô h nh t ạ

2.7

thu phát i đ ng t ng W N

2.7.1

Tí

d độ

u

2.7.2

Tí

d độ

ó

2.7.3

Tí

d độ

ó

2.8

Thuật t án

EC

ê

ủa ạ

dự đ

u
đ

i

sin

s

En gy-efficient

Clustering Algorithm)
Mạng cảm biến không dây với một sink c định thường g p

vấn đ lỗ năng lượng có nghĩa là ti u thụ năng lượng của một s
cảm biến g n sink ho c tr n c c đường dẫn quan trọng nhanh hơn
nhi u so với c c n t kh c. Do đó có khả năng g y ra ph n v ng
mạng và các nút bị cô lập. Để giải quyết vấn đ này, một thuật toán
phân cụm hiệu quả năng lượng d a tr n sink di động MEC
các mạng cảm biến không d y [31] c c sink di động

cho

rìa của khu

v c cảm biến sink đi theo một con đường c định và có thể d đo n
được. Mạng được chia thành nhi u cụm kh c nhau. CH được chọn
d a tr n năng lượng dư mỗi CH thu thập d liệu và gửi nó đến sink
di động. Thuật to n định tuyến chuỗi nội bộ c ng được đ xuất sử
dụng lược đồ đa ch ng multihop . Do đó nó không chỉ tiết kiệm
năng lượng thông qua việc phân cụm mà c n đảm bảo r ng kh i
lượng công việc được ph n t n để giảm bớt vấn đ tiêu thụ năng
lượng không cân b ng xung quanh một sink c định.


16
2.8.1

ì

d độ
đ

2.8.2

2.9

C
u ế

Thuật t án

ong MECA
i

in

ssist

En gy E ici nt

Routing Algorithm)
Để duy trì tu i thọ của mạng, l a chọn duy nhất là sử dụng
hiệu quả năng lượng có sẵn

m c t i đa. Mỗi lớp giao th c có các

chiến lược ri ng để giảm tiêu thụ năng lượng. Trong đó định tuyến
đ t một vai trò quan trọng. So với các ch c năng cảm biến và xử lý,
quá trình truy n thông tiêu t n nhi u năng lượng hơn và do đó t m
quan trọng của một giao th c định tuyến năng lượng hiệu quả để
nâng cao tu i thọ của các mạng cảm biến không dây. Một cách tiếp
cận mới mà trong đó c c sink di động có được đ xuất với các mô
phỏng m rộng thể hiện hiệu quả của thuật toán MSA (Mobile Sink
Assisted) [32].

2.9.1

ì
u

2.9.2
2.10

d độ

S
S

ết uận chƣơng 2

Trong chương này em cung cấp một trình bày ng n gọn v giao th c
định tuyến trong

N đồng thời giới thiệu thuật to n định tuyến

ph n cụm LE CH t ng quan v Logic mờ và một s các bộ phận
cấu thành Logic mờ thuật to n ph n cụm d a tr n logic mờ CHEF
mô hình sink di động và c c thuật to n d a tr n sink di động như
MECA, MSA.


17
CHƢƠNG 3
GI I H

3.1

XU T

Gi i thiệu
ề uất 1: h n cụ

3.2
3.2.1

ì

3.2.2

Mô ì

D a tr n

ết hợp v i sin

i

ng

êu
d độ

tư ng thuật to n MEC

v ng tr n như trình bày

v mô hình sink di động theo

chương 2 ban đ u triển khai một sink di

động b n ngoài quanh khu v c cảm biến sink di động theo chi u
kim đồng hồ (ho c ngược chi u kim đồng hồ) với vận t c nhất định
dọc theo đường tr n con đường của nó c định và chuyển động được
d đo n. Trong cơ chế LEACH thì vị trí sink c định c n trong cơ
chế đ xuất tọa độ sink thay đ i theo thời gian. Tại t ng vị trí thì sink
có khoảng thời gian d ng nhất định để t ng hợp thông tin t các CH.
Hướng di chuyển của sink ngược chi u kim đồng hồ (ho c theo
chi u kim đồng hồ) và vận t c v của sink đ u được x c định trước.
Do đó sink chỉ c n phát sóng trên mạng để thông báo cho tất cả các
nút cảm biến vị trí hiện tại của nó P0 ngay t đ u với chỉ trong một
khoảng thời gian giới hạn. au khi c c n t cảm biến ghi nhận lại vị
trí ban đ u của sink, sink có thể di động theo góc
v c cảm biến sau một khoảng thời gian t:
v=

=>

xét t t m khư


18

100m

75m

15m
50m

H nh 3 1:

sink node

25m

ô h nh sin

i đ ng củ thuật t án đề uất

Hoạt động của thuật to n đ xuất 1 được chia thành 3 giai đoạn:
- Giai đoạn phân cụm mạng
- Giai đoạn đi u hướng sink di động
- Giai đoạn thu thập d liệu


19

1.B t đ u

2.C c n t cảm biến
được ph n b ngẫu
nhiên

7.Tất cả c c n t trong
cụm gửi d liệu đến

nút CH

3.C c n t l a chọn
CH d a tr n x c xuất
ngẫu nhi n

8.Một c ch định k
ink thay đ i vị trí
của nó

4.Thông b o trạng
th i n t Trư ng cụm

9.C c n t chờ cho
đến khi sink gửi 1
ready packet để b t
đ u send d liệu t ng
hợp

5.C c n t gửi thông
điệp y u c u gia nhập
cụm tới CH

10. ink kích hoạt 1
thông điệp để mạng
b t đ u send data

6.CH lập lịch
TDM và gửi đến
c c n t thành vi n

của cụm
11.Vòng
mới?

no
12. ết th c

H nh 3 2: Lƣu đ h ạt đ ng củ thuật t án đề uất 1

yes


20
Nhận

t

Thuật to n đ xuất 1 với hướng tiếp cận ph n cụm d a tr n LE CH
kết hợp sink di động có thể cải tiến t t hơn thời gian s ng của mạng
vì sink di động đã giảm ti u thụ năng lượng chuyển tiếp t c c CH so
với mô hình sink c định. Tuy nhi n đ xuất 1 chưa đạt được hiệu
suất t t nhất do nh ng hạn chế trong qu trình l a chọn CH d a tr n
x c suất ngẫu nhi n của thuật to n LE CH. Để kh c phục hạn chế
này c n thuật to n l a chọn trư ng cụm t t hơn đ xuất thuật to n
ph n cụm mờ kết hợp sink di động có thể giải quyết vấn đ này.
3.3

ề uất 2: h n cụ

ết hợp sin

i đ ng

Thuật to n đ xuất 2 đưa ra một giải ph p cải tiến thuật to n
đ xuất 1 trong việc l a chọn trư ng cụm t t hơn qua đó cải tiến thời
gian s ng của mạng. C c trư ng cụm giao tiếp với sink. Việc l a
chọn c c CH được th c hiện b ng cách sử dụng phương ph p tiếp
cận d a trên logic mờ c c CH được l a chọn d a tr n 2 tham s đ u
vào hệ th ng suy luận mờ FI

là: năng lượng c n lại residual

energy khoảng c ch cục bộ local distance của mỗi n t. Cơ chế cải
tiến của thuật to n đ xuất 2 b ng c ch kết hợp thuật to n ph n cụm
mờ CHEF với mô hình sink di động theo v ng tr n.
Lưu đồ hoạt động của giải ph p đ xuất 2 như sau:


21
1.B t đ u

2.C c n t cảm biến
được ph n b ngẫu
nhiên

7.Tất cả c c n t
trong cụm gửi d
liệu đến n t CH

3.C c n t p dụng

logic mờ tính to n
cơ hội tr thành CH

8.Một c ch định k
ink thay đ i vị trí
của nó

4.Thông b o trạng
th i n t Trư ng cụm

5.C c n t gửi thông
điệp y u c u gia
nhập cụm tới CH

6.CH lập lịch
TDM và gửi đến
c c n t thành vi n
của cụm

9.C c n t chờ cho
đến khi sink gửi 1
ready packet để b t
đ u send d liệu
t ng hợp

10. ink kích hoạt
1 thông điệp để
mạng b t đ u
send data

11.Vòng
mới?

12. ết th c

H nh 3 3: Lƣu đ h ạt đ ng củ thuật t án đề uất 2


22

Hoạt động của thuật to n đ xuất 2 được chia thành 3 giai đoạn:
- Giai đoạn phân cụm mạng d a tr n logic mờ
- Giai đoạn đi u hướng sink di động
- Giai đoạn thu thập d liệu
Cơ chế của CHEF kh c phục c c khuyết điểm được tìm thấy trong
LEACH. Nút cảm biến có nhi u năng lượng có nhi u cơ hội hơn để
tr thành trư ng cụm vì năng lượng được xem xét trong việc tính
toán một cơ hội trong logic mờ. Ngoài ra, biến mờ khoảng c ch địa
phương làm cho n t cục bộ t i ưu như một trư ng cụm có nhi u cơ
hội hơn. Đi u này là do tiêu thụ năng lượng của giao tiếp không dây
chủ yếu phụ thuộc vào khoảng cách gi a hai nút và mật độ xung
quanh nút sẽ g n như nhau. B ng c ch xem xét năng lượng và
khoảng c ch địa phương CHEF có thể chọn các CH t i ưu vào thời
điểm đó và có thể kéo dài tu i thọ mạng.
Gi i đ ạn điều hƣ ng sin

i đ ng

Trong đ xuất 2 sink di động c ng d a tr n mô hình sink di động
của thuật to n MEC

tọa độ sink thay đ i theo thời gian. Tại t ng vị

trí thì sink có khoảng thời gian d ng nhất định để t ng hợp tín hiệu
t c c CH. Trong đ xuất 2 này em cho sink di động theo qu đạo
hình tròn, với bán kính tính t t m khu v c cảm biến R = 50m, 15m,
và sau khoảng thời gian t = 40s thì sink thay đ i vị trí 1 l n và t c độ
di chuyển V=10m/s.
Gi i đ ạn thu thập

iệu


23
Tương t như đ xuất 1

ink di động một khi đến g n n t CH sẽ

ph t tín hiệu quảng cáo yêu c u n t CH gửi tất cả các d liệu lưu tr
đến sink di động. Nút CH sẽ chuyển tiếp tất cả các d liệu t ng hợp
đến sink di động.
Nhận

t

Đ xuất 2 với ph n cụm mờ d a tr n thuật to n CHEF kết hợp sink
di động đã giảm ti u thụ năng lượng đ ng kể do l a chọn trư ng cụm
t t hơn đ xuất 1 với ph n cụm d a tr n thuật to n LE CH kết hợp
sink di động t đó cải tiến thời s ng của mạng ngày càng tăng.
3.4

ết uận chƣơng 3

Chương này em trình bày một mô tả chi tiết của thuật to n cải tiến
thời gian s ng của mạng

N qua phương ph p tiếp cận sink di

động kết hợp với giao th c định tuyến ph n cụm LE CH và đ xuất
cải tiến ph n cụm d a tr n logic mờ sử dụng thuật to n CHEF kết
hợp mô hình sink di động theo v ng tr n với c c b n kính kh c nhau.
ết quả mô phỏng cho thấy r ng khi sink di động theo v ng tr n
b n kính

xét t t m khu v c cảm biến càng nhỏ thì thời gian

s ng của mạng càng tăng đồng thời kết hợp cải tiến ph n cụm d a
tr n logic mờ cho kết quả t t nhất. Đ ch ng minh hiệu quả của giải
ph p đ xuất c c thuật to n được mô phỏng so s nh đ nh gi kết
quả trên ph n m m mô phỏng MATLAB.