Sử dụng phương pháp tiếp cận mờ và các thuật toán tìm kiếm để cân bằng mức năng lượng tiêu thụ và tối đa tuổi thọ cho các mạng cảm biến không dây (tt)

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

NGUYỄN QUỐC THỊNH

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỜ VÀ CÁC THUẬT TOÁN
TÌM KIẾM ĐỂ CÂN BẰNG MỨC NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ VÀ
TỐI ĐA TUỔI THỌ CHO CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 8.48.01.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2018


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
Ngày nay với sự phát triển của Khoa học – Công nghệ và Internet kết
hợp với tiến bộ kỹ thuật đã phát triển các thế hệ cảm biến mới giá thành
thấp, khả năng triển khai qui mô lớn với độ chính xác cao. Các tiến bộ trong
việc thiết kế cảm biến, vật liệu giúp giảm kích thước, trọng lượng và chi phí
sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả năng hoạt động và độ chính xác. Trong
tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ có thể tích hợp hàng triệu cảm
biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và tuổi thọ mạng. Do đó, các mạng
cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng để thu thập
thông tin sau đó chuyển tiếp đến trung tâm phân tích.
Với tiềm năng vô cùng lớn không chỉ trong khoa học và nghiên cứu,
mà các mạng cảm biến không dây còn được sử dụng rộng rãi trong các ứng
dụng an ninh, quân sự (bảo vệ mục tiêu trọng yếu, trinh sát tìm mục tiêu,
thu thập tin tức tình báo, giám sát chiến trường, phát hiện vũ khí hóa học –
sinh học – hạt nhân,…), lĩnh vực y tế (chuẩn đoán, theo dõi kiểm tra tình
trạng bệnh nhân, chăm sóc sức khỏe,…), bảo vệ môi trường, năng lượng, an
toàn thực phẩm, sản xuất, điều khiển công nghiệp, nhà thông minh, giám sát
điều khiển giao thông, nông nghiệp xanh,…và nhiều lĩnh vực khác mà mạng
cảm biến không dây sẽ mang lại sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực
nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.
Bên cạnh đó, các cảm biến còn hạn chế bộ nhớ, khả năng tính toán và
năng lượng (nguồn pin thấp) nên việc tăng cường tuổi thọ của mạng cảm
biến không dây là một thách thức lớn.Vì vậy, nghiên cứu đề xuất phương
thức định tuyến hiệu quả cho các mạng cảm biến không dây để mở rộng tuổi
thọ mạng luôn là một trong những vấn đề được quan tâm.

2
Chính vì các lý do cơ bản trên, việc lựa chọn đề tài nghiên cứu “Sử
dụng phương pháp tiếp cận mờ và các thuật toán tìm kiếm để cân bằng
mức năng lượng tiêu thụ và tối đa tuổi thọ cho các mạng cảm biến
không dây” là cần thiết và đáp ứng yêu cầu cấp thiết của việc sử dụng năng
lượng hiệu quả trong cảm biến mạng không dây hiện nay.
Luận văn được bố cục như sau:
Chương 1 – Cơ sở lý luận
Chương 2 – Các công trình liên quan
Chương 3 – Phương thức định tuyến hiệu quả để cân bằng mức năng
lượng tiêu thụ và tối đa tuổi thọ cho các mạng cảm biến không dây
Chương 4 – Mô phỏng và đánh giá


3

CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây [1]
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một
tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng
ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin
dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa
lý nào, giám sát nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp suất, chuyển động hoặc
các chất gây ô nhiễm và phối hợp truyền dữ liệu qua mạng đến vị trí chính
hoặc bộ thu phát tại đây dữ liệu được xem xét và phân tích.
Do yêu cầu về thiết bị đơn giản cùng với mức tiêu thụ năng lượng thấp
(tuổi thọ mạng), cần phải có sự cân bằng giữa truyền nhận và khả năng xử
lý tín hiệu/dữ liệu. Từ đó thúc đẩy nỗ lực trong nghiên cứu, chuẩn hóa quy
trình, đầu tư công nghiệp vào lĩnh vực cảm biến không dây. Hiện tại, hầu

hết các nghiên cứu về WSN tập trung vào việc thiết kế các thuật toán và
giao thức hiệu quả về năng lượng và tính toán. Hầu hết thời gian, các nghiên
cứu về mạng cảm biến không dây đều xét trên các nút cảm biến đồng nhất.
Nhưng ngày nay các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các mạng cảm biến
không đồng nhất nơi các nút cảm biến không giống nhau về mặt năng lượng.
Kiến trúc mạng mới với các thiết bị không đồng nhất và sự tiến bộ công
nghệ loại bỏ những hạn chế hiện tại và mở rộng dải ứng dụng cho WSN.

1.1.1.

Cấu trúc mạng cảm biến không dây:

1.1.1.1.

Cấu trúc của một nút cảm biến không dây:

1.1.1.2.

Cấu trúc giao tiếp của một mạng cảm biến không dây

1.1.2.

Đặc điểm mạng cảm biến không dây [4]:

1.1.3.

Ứng dụng mạng cảm biến không dây:


4

1.2. Vấn đề tiêu thụ năng lượng và tuổi thọ mạng [5]
Không cân bằng năng lượng là một vấn đề nghiêm trọng trong mạng
cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây có thể chứa đến hàng ngàn
nút cảm biến để giám sát một vùng không gian rộng lớn, các nút cảm biến
xử lý, lưu trữ và gửi thông tin thu thập đến các nút khác trong mạng; do đó,
để truyền dữ liệu các nút cảm biến yêu cầu phải có nguồn năng lượng, nếu
một nút không đủ năng lượng thì không thể truyền dữ liệu, ngoài ra việc
phân tán năng lượng không đều có thể giảm đáng kể tuổi thọ mạng.
Tiêu thụ năng lượng là yếu tố quan trọng nhất để xác định tuổi thọ của
một mạng cảm biến vì thường các nút cảm biến được điểu khiển bởi pin.
Đôi khi năng lượng tối ưu phức tạp hơn trong các mạng cảm biến vì nó
không chỉ liên quan đến giảm tiêu thụ năng lượng mà còn kéo dài tuổi thọ
mạng càng lâu càng tốt. Tối ưu hóa có thể được thực hiện bằng cách nhận
thức về năng lượng trong mọi khía cạnh của thiết kế và vận hành. Điều này
đảm bảo rằng nhận thức về năng lượng cũng được đưa vào các nhóm giao
tiếp giữa các nút cảm biến và toàn bộ mạng và không chỉ trong các nút riêng
lẻ.
Một nút cảm biến thường bao gồm 4 hệ thống phụ:
Một hệ thống tính toán phụ: bao gồm bộ vi xử lý (microcontroller unit,
MCU) có trách nhiệm kiểm soát các cảm biến và thực hiện các giao thức
giao tiếp. MCU thường hoạt động dưới nhiều chế độ khác nhau cho mục
đích quản lý năng lượng. Khi các chế độ hoạt động này liên quan đến tiêu
thụ năng lượng, nên xem xét mức tiêu thụ năng lượng ở các chế độ khác
nhau trong khi xem xét tuổi thọ pin của mỗi nút.
Một hệ thống giao tiếp phụ: bao gồm một dải vô tuyến ngắn mà giao
tiếp với các nút lân cận và thế giới bên ngoài. Vô tuyến có thể hoạt động


5
theo các chế độ khác nhau. Điều quan trọng là phải tắt hoàn toàn vô tuyến

thay vì đặt nó ở chế độ không hoạt động khi nó không truyền hoặc nhận để
tiết kiệm năng lượng.
Một hệ thống cảm biến phụ: bao gồm một nhóm các bộ cảm biến và
thiết bị truyền động và liên kết các nút với thế giới bên ngoài. Năng lượng
tiêu thụ có thể được giảm bằng cách sử dụng các thành phần năng lượng
thấp và tiết kiệm năng lượng so với chi phí hiệu suất không cần thiết.
Một hệ thống cấp nguồn phụ: bao gồm một pin cung cấp năng lượng
cho nút cảm biến. Nên lượng năng lượng rút ra từ pin được kiểm tra bởi vì
nếu lượng năng lượng lớn được rút ra trong một thời gian dài, pin sẽ chết
nhanh hơn mặc dù nó có thể đã hoạt động lâu hơn. Thông thường công suất
định mức hiện tại của pin được sử dụng cho một nút cảm biến nhỏ hơn mức
tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Tuổi thọ của pin có thể tăng lên bằng cách
giảm năng lượng sử dụng hiện tại xuống mạnh hoặc thậm chí tắt nguồn.
Để giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của mạng cảm biến,
các loại giao thức và thuật toán đã được nghiên cứu cho đến nay trên toàn
thế giới. Tuổi thọ của một mạng cảm biến có thể tăng lên đáng kể nếu hệ
điều hành, lớp ứng dụng và các giao thức mạng được thiết kế để nhận thức
năng lượng. Các giao thức và thuật toán này phải được nhận thức về phần
cứng và có thể sử dụng các tính năng đặc biệt của vi xử lý và thu phát để
giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng của nút cảm biến. Điều này có thể đẩy
đến một giải pháp tùy chỉnh khác nhau của thiết kế các loại nút cảm biến.
Các loại nút cảm biến khác nhau được triển khai cũng dẫn đến các loại mạng
cảm biến khác nhau. Điều này cũng có thể dẫn đến các loại thuật toán kết
hợp khác nhau trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây.


6
1.3. Các giao thức và thuật toán định tuyến trong mạng cảm
biến không dây [4], [6]
Cách liên lạc đơn giản từ các nút đến trạm gốc là trao đổi trực tiếp.

Tuy nhiên, liên kết truyền một chặng (single-hop) tiêu hao năng lượng nhanh
chóng của các nút ở cách xa trạm trung tâm, do đó làm giảm tuổi thọ mạng.
Đây là vấn đề quan trọng đối với các mạng cảm biến không dây được xây
dựng phân bố trên phạm vi rộng hay các nút di động và có thể di chuyển ra
xa trạm trung tâm. Để giải quyết nhược điểm đó, thì dữ liệu trao đổi giữa
các cảm biến và trạm gốc được truyền đa chặng (multihop). Việc truyền đa
chặng có thể kéo dài khoảng cách và đưa ra một đường đi linh hoạt. Phương
pháp này tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể nhiễu giữa các nút.
Trong truyền đa chặng, các nút trung gian phải tham gia vào việc chuyển
các gói dữ liệu giữa nguồn và đích. Xác định các nút trung gian cần phải đi
qua là nhiệm vụ của giải thuật định tuyến. Định tuyến trong mạng lớn gặp
nhiều khó khăn, thiết kế phải đảm bảo chính xác, tính ổn định và khả năng
tối ưu. Cùng với đặc tính mạng cảm biến không dây như tiết kiệm năng
lượng và băng thông hạn chế tạo ra yêu cầu giải thuật định tuyến cần thỏa
mãn yêu cầu lưu lượng và kéo dài tuổi thọ mạng.
Trong WSN, nhiệm vụ chính của một nút cảm biến là phát hiện dữ liệu
và gửi nó đến trạm gốc trong môi trường đa chặng mà tuyến đường định
tuyến là điều cần thiết. Để tính toán tuyến đường định tuyến từ nút nguồn
đến trạm gốc có một số lượng lớn các giao thức định tuyến được đề xuất [7].
Việc thiết kế các giao thức định tuyến cho WSN phải xem xét các hạn chế
năng lượng và tài nguyên của các nút mạng, chất lượng thay đổi theo thời
gian của kênh vô tuyến, và khả năng mất gói và độ trễ. Để giải quyết các
yêu cầu thiết kế này nhiều giao thức định tuyến được đưa ra như sau [4].


7
Dạng thứ nhất là giao thức dành cho kiến trúc mạng phẳng trong đó
tất cả các nút xem như cùng cấp. Kiến trúc phẳng có nhiều ưu điểm như chi
phí tối thiểu để xây dựng hạ tầng mạng và có khả năng tìm ra nhiều tuyến
đường giữa các nút với sai số cho phép. Ở đây có thể kể đến là giao thức

thông tin qua sự thỏa thuận giữa các nút (SPIN) là họ các giao thức dựa trên
thỏa thuận để phát tán thông tin trong mạng WSN.
Dạng thứ hai dùng trong mạng có cấu trúc tiết kiệm năng lượng, ổn
định và khả năng mở rộng, áp đặt một cấu trúc trên mạng để đạt được hiệu
suất năng lượng. Trong dạng này các nút mạng được sắp xếp vào các cụm,
trong đó một nút có năng lượng lớn nhất giữ vai trò cụm chủ. Cụm chủ có
trách nhiệm điều phối các hoạt động giữa các nút trong cụm và chuyển thông
tin giữa các cụm. Việc phân cụm giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài tuổi
thọ mạng. Đại diện có thể kể đến LEACH là một thuật toán định tuyến được
thiết kế để thu thập và phân phối dữ liệu đến các bộ góp dữ liệu, thường là
các trạm gốc (base station). Tiếp đến là giao thức tập trung hiệu quả công
suất trong hệ thống thông tin cảm biến (Power-efficient gathering in sensor
information systems_PEGASIS) và các cấu trúc mở rộng là họ giao thức
định tuyến và tập hợp thông tin cho mạng WSN.
Dạng thứ ba dùng phương pháp lấy dữ liệu làm trung tâm (datacentric) để phân bổ yêu cầu trong mạng. Phương pháp dựa trên thuộc tính,
ở đó một nút nguồn truy vấn đến một thuộc tính của hiện tượng nào đó hơn
là một nút cảm biến riêng biệt. Việc phân tán yêu cầu thực hiện bằng cách
phân nhiệm vụ cho các nút cảm biến và định rõ một thuộc tính cho các nút
riêng biệt. Các chiến lược khác nhau có thể được sử dụng để giao tiếp đến
các nút cảm biến bao gồm như quảng bá (broadcasting), đa luồng dựa trên
thuộc tính (attribute-based multicasting), geo-casting và anycasting.


8
Dạng thứ tư dùng vị trí để xác định một nút cảm biến. Định tuyến dựa
trên vị trí rất hữu ích cho các ứng dụng mà vị trí của nút nằm trong một vùng
phủ sóng địa lý của mạng có thể được truy vấn bởi nút nguồn. Truy vấn như
vậy có thể chỉ định một khu vực cụ thể mà một hiện tượng có thể xảy ra
hoặc vùng lân cận đến một điểm cụ thể trong môi trường mạng. Có thể kể
đến các giao thức như Geographic Adaptive Fidelity (GAF), Geographic

and Energy Aware Routing (GEAR),…

1.3.1.

Flooding:

1.3.2.

Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận

(SPIN):

1.3.3.

Phân nhóm phân cấp tương thích, năng lượng thấp

(LEACH):

1.3.4.
cảm biến:

Tập trung hiệu quả công suất trong hệ thống thông tin


9

Chương 2 - CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
Các nút cảm biến trong các mạng thu thập dữ liệu qui mô lớn thường
có nguồn năng lượng pin thấp và giá rẻ với mong muốn hoạt động trong một
thời gian dài [8]. Mỗi nút cảm biến đưa ra quyết định dựa trên nhiệm vụ,

thông tin hiện có, các tính toán, giao tiếp và nguồn năng lượng của nó. Do
những hạn chế trong phạm vi truyền, các nút cảm biến truyền dữ liệu cảm
biến của nó thông qua nhiều bước nhảy. Mỗi nút cảm biến hoạt động như
một phần tử định tuyến cho các nút khác để truyền dữ liệu. Năng lượng do
đó có tầm quan trọng vô cùng lớn trong mạng cảm biến thu thập dữ liệu bị
hạn chế về năng lượng. Năng lượng tiêu thụ nên được quản lí tốt để tối đa
tuổi thọ mạng [9].
Nói chung, trong thuật toán định tuyến, đường đi tốt nhất được lựa
chọn để truyền dữ liệu từ nguồn đến đích. Trong một khoảng thời gian nếu
cùng một đường đi được chọn cho tất cả các giao tiếp để đạt được hiệu suất
của pin về thời gian truyền nhanh, thì các nút trên tuyến đường này sẽ bị tiêu
hao năng lượng nhanh [6], [8], [10]. Trong hầu hết các ứng dụng mạng cảm
biến không dây, các nút cảm biến được triển khai ở các khu vực mật độ rộng
lớn. Khi triển khai các nút không thể được nạp lại hoặc thay thế. Sau khi cạn
kiệt nguồn năng lượng, các nút chuyển sang chết và ngừng hoạt động. Vì
mạng không thể thực hiện được các nhiệm vụ được giao sau khi các nút
chết. Tuổi thọ các mạng cảm biến không dây là một tham số quan trọng khi
đánh giá hiệu suất của các giao thức định tuyến [6]. Trong các sơ đồ định
tuyến đường đi tối ưu truyền thống trong các mạng cảm biến không dây,
mỗi nút chọn các nút cụ thể để chuyển dữ liệu theo một số tiêu chí để tối đa


10
tuổi thọ mạng. Do quan niệm này, vấn đề tuổi thọ mạng cảm biến không dây
luôn được chú ý đáng kể.
2.1. Các công trình liên quan Quốc Tế
Yali Yuan và các cộng sự trong công trình nghiên cứu “CAF: Thuật
toán phân cụm và A-Sao với logic mờ (Cluster Algorithm and A-Star with
Fuzzy Approach)” [11] đề xuất một phương thức định tuyến mới trong mạng
cảm biến không dây để mở rộng tuổi thọ mạng sử dụng sự kết hợp của một

thuật toán phân cụm, một tiếp cận mờ và một phương thức A-sao. Đầu tiên,
mạng cảm biến không dây được phân vào các cụm sử dụng phương thức
Stable Election Protocol (SEP). Tiếp theo, kết hợp phương thức tiếp cận mờ
và thuật toán A-sao được đề nghị dựa trên các yếu tố như năng lượng còn
lại, bước nhảy tối thiểu và lưu lượng của các nút. Việc thực hiện đề xuất bao
gồm 4 phần: Thực hiện phương thức SEP, Thực hiện logic mờ, Thực hiện
thuật toán A-Sao, Thực hiện thuật toán CAF. Mục tiêu chính của thuật toán
CAF là kéo dài tuổi thọ WSN bằng cách phân bổ đồng đều khối lượng công
việc, giữ lại năng lượng còn lại và giảm số bước nhảy. Để đạt được mục tiêu
này, bài báo này tập trung chủ yếu vào lựa chọn các cụm chủ thích hợp từ
các nút cảm biến hiện tại và bước nhảy tối ưu tiếp theo từ các cụm chủ.
Thuật toán SEP đã được sử dụng để chọn các cụm chủ tốt nhất, trong khi
phương pháp A-Sao và logic mờ được sử dụng để chọn bước nhảy kế tiếp
của tuyến đường tối ưu.
Vuyyuru. Lalitha. V và các cộng sự trong nghiên cứu “Một phương
pháp mới để giảm thiểu năng lượng sử dụng và tối đa tuổi thọ cho các mạng
cảm biến không dây di động (A Novel Approach for Minimizing Energy
Utilization and Maximizing Network Lifetime for Mobile WSNs)” [12] đề
xuất một phương thức định tuyến mới cho mạng cảm biến không dây để sử


11
dụng năng lượng tối thiểu sử dụng kết hợp của logic mờ và thuật toán A-sao
với giao thức Leach. Phương thức đề xuất cho thông lượng cao, giảm tỉ lệ
mất gói tin và tối thiểu năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến. Trong phương
pháp mới, nút nguồn chuẩn bị lịch trình định tuyến và quảng bá nó cho mỗi
cụm, thuật toán A-Sao được sử dụng để tìm tuyến đường tối ưu từ nút đến
nút nguồn và áp dụng cho mỗi nút. Thuật toán A-Sao tạo ra một cây cấu trúc
để tìm kiếm tuyến đường tối ưu từ một nút nhất định đến trạm gốc.
Chandra Prakash Yadav và các tác giả trong bài nghiên cứu “An

Efficient Routing Method for Lifetime Enhancement in Wireless Sensor
Network using Fuzzy Approach and A-Star Algorithm” [13] cũng đề xuất
một phương thức kết hợp logic mờ và thuật toán A-sao để chọn tuyến đường
tối ưu từ nguồn đến đích dựa vào năng lượng pin còn lại cao nhất, số bước
nhảy nhỏ nhất và tải lưu lượng thấp nhất.
Haifeng Jiang và các tác giả [14] dựa trên phân tích mức tiêu thụ năng
lượng cho bộ thu phát dữ liệu, cơ chế chuyển tiếp đơn chặng được chứng
minh tiêu thụ năng lượng hơn so với truyền đa chặng trong phạm vi truyền
của bộ cảm biến nguồn hoặc bộ thu phát hiện tại. Các tác giả dự đoán năng
lượng dư của nút lân cận sau khi chọn các nút tiếp theo. Dựa vào sự mất cân
bằng năng lượng, phương pháp được thiết kế để tính mức độ cân bằng năng
lượng. Các tham số như mức độ gần nhau của nút với đường đi ngắn nhất,
mức độ gần nhau của nút đến bộ thu phát và mức độ cân bằng năng lượng
được đưa vào hệ thống logic mờ. Thuật toán định tuyến được tối ưu hóa dựa
trên logic mờ được đề xuất để đạt được nhiều tham số, quyết định định tuyến
mờ. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán kéo dài tuổi thọ mạng hiệu quả
so với các thuật toán tương tự cho các mô hình dữ liệu khác nhau và có hiệu
suất tốt về cân bằng năng lượng và hiệu quả năng lượng.


12
2.2. Các công trình liên quan trong nước
Tác giả PGS. TS. Trần Công Hùng và các cộng sự đã đưa ra các công
trình nghiên cứu và đề xuất các giải pháp nhằm tối ưu cân bằng năng lượng
tiêu thụ và tối đa tuổi thọ mạng WSNs. Tác giả và Phan Thị Thể [15] (2015)
đưa ra công trình nghiên cứu thuật toán định tuyến sử dụng năng lượng của
nút cảm biến hiệu quả và kéo dài tuổi thọ mạng WSN (Tựa đề: A Proposal
to Reduce Energy Consumption for Wireless Sensor Network). Tác giả
nghiên cứu lựa chọn cụm chủ (CH) và sử dụng thuật toán Dijkstra để tìm
đường đi ngắn nhất tới các cụm chủ và tới các trạm gốc (BS), thuật toán này

trình bày một đường đi ngắn nhất giữa cụm chủ và nút lân cận, đảm bảo
cung cấp truyền và tiêu thụ năng lượng chi phí thấp. Thuật toán đề xuất đã
giảm được tiêu thụ năng lượng như là cách phân cụm để tính khoảng cách
đến trạm gốc, khoảng cách đến cụm chủ và năng lượng giữa các nút.
Để tối ưu năng lượng tiêu thụ và tối đa tuổi thọ mạng WSNs, việc triển
khai cân bằng cảm biến cũng như chi phí đường đi thấp được tìm thấy bởi
thuật toán Dijkstra. Thuật toán Dijkstra sẽ tìm tuyến đường chi phí thấp nhất
dựa trên khoảng cách tuyến đường, trong khi các tác giả đề xuất áp dụng mô
hình năng lượng vào thuật toán Dijkstra để chọn tuyến đường tối ưu đến
cụm chủ. Vì vậy, đó là lí do để có mức năng lượng tiêu thụ đồng đều. Trong
nghiên cứu này, tác giả phân lớp cụm chủ và sử dụng thuật toán Dijkstra để
giảm tiêu thụ năng lượng. Các tác giả đề xuất một chiến lược tổ chức lại các
cảm biến của mình. Giải pháp của họ là đặt các nút cảm biến vào cụm chủ
đầu tiên. Bước thứ hai là tìm tuyến đường có chi phí thấp nhất theo thuật
toán Dijkstra dựa trên mô hình tiêu thụ năng lượng. Cuối cùng, trọng số
tuyến đường được thay đổi tự động dựa trên mô hình năng lượng.


13
Tác giả PGS. TS. Trần Công Hùng và các cộng sự [16] (2017) đã chỉ
ra tiết kiệm năng lượng và kéo dài vòng đời mạng là những mục tiêu quan
trọng nhất cho các giao thức định tuyến trong WSN. Các tác giả đưa ra
nghiên cứu “Improving Distributed Energy-Efficient Clustering Algorithm
to Save Lifetime for Heterogeneous WSN” đề xuất cải tiến các giao thức
BEENISH và DEEC. Dựa trên các thuật toán phân cụm mạng WSN không
đồng nhất, các tác giả đã xây dựng một thuật toán định tuyến dựa trên các
giao thức (EDDEEC, BEENISH, DEEF,…) và dựa trên tỉ lệ giữa năng
lượng còn lại và trung bình năng lượng của toàn mạng trong vòng hiện tại
để xây dựng nên xác xuất chọn nút trở thành cụm chủ. Mục tiêu của giao
thức là giảm tổng tiêu thụ năng lượng mạng và kéo dài tuổi thọ mạng.

Trong nghiên cứu này, các tác giả đề xuất một thuật toán để tăng tính
không đồng nhất của các nút như trong một số công trình trước, nhưng bổ
sung thêm các thành phần ước lượng khoảng cách giữa các nút từ xa và gần
hơn trạm gốc về xác xuất lựa chọn cụm chủ, cũng như thêm thành phần ước
lượng năng lượng còn lại trong lựa chọn ngưỡng cụm chủ. Theo đó, có thể
thấy rằng thuật toán đề xuất đã cải thiện giao tiếp giữa các nút không đồng
nhất và kéo dài tuổi thọ của các nút để tối đa giao tiếp. Các mô phỏng cho
thấy rằng giao thức đề xuất tốt hơn EDEEC, EDDEEC và BEENISH, mang
lại một cơ chế tốt hơn cho việc định tuyến cũng như cân bằng năng lượng
trong các mạng cảm biến không dây.
Tác giả PGS. TS. Trần Công Hùng và Nguyễn Hồng Quân [17] (Tiêu
đề: A Proposal For Improve The Life-time Of Wireless Sensor Network 2014) đã đề xuất một giao thức định tuyến mới dựa trên giao thức LEACH
(thuật toán phân cụm hiệu quả năng lượng). Giao thức đề nghị mở rộng tuổi
thọ WSN bằng cách xem xét năng lượng còn lại và khoảng cách từ các nút


14
đến trạm gốc trong việc bầu chọn cụm chủ. Giống như giao thức LEACH,
giao thức đề xuất hoạt động thành các vòng. Mỗi vòng bao gồm hai giai
đoạn: giai đoạn phân cụm và giai đoạn truyền dữ liệu. Trong giai đoạn phân
cụm, cuộc bầu chọn cụm chủ dựa trên hai yếu tố: năng lượng còn lại của các
nút và khoảng cách từ nút tới trạm gốc. Việc sử dụng tham số năng lượng
còn lại của các nút sẽ làm tăng khả năng trở thành cụm chủ của các nút năng
lượng cao tương ứng với khoảng cách của nút tới trạm gốc để làm cho các
nút gần trạm gốc có khả năng trở thành cụm chủ cao hơn các nút ở xa trạm
gốc. Sau giai đoạn phân cụm, các nút truyền dữ liệu của chúng qua hai bước
chính, truyền dữ liệu từ các nút tới các cụm chủ và từ cụm chủ sang trạm
gốc. Dữ liệu trong quá trình truyền từ nút tới cụm chủ, cụm chủ tạo bảng đa
truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA)
xác định khung thời gian cho nút truyền dữ liệu trong cụm, sau đó nó sẽ

quảng bá bảng TDMA tới các nút trong cụm của nó, các nút trong cụm dựa
trên bảng này sẽ biết đó là thời gian để gửi dữ liệu đến cụm chủ, trong thời
gian còn lại các nút khác ở trạng thái nhàn rỗi để tiết kiệm năng lượng,
phương pháp sử dụng truyền TDMA cho phép các nút trong cụm tránh đụng
độ dữ liệu với tất cả các nút khác. Tuy nhiên, giao thức này chỉ được áp
dụng trong trường hợp trạm gốc trong khu vực cảm biến. Nhưng với trạm
gốc là xa khu vực cảm biến, tác giả không thể áp dụng các giao thức này.
Tác giả Đỗ Tuấn Anh [18] (2014), Đại học Công nghệ (ĐH Quốc gia
Hà Nội) cũng sử dụng giao thức định tuyến LEACH để cân bằng năng lượng
kéo dài tuổi thọ mạng WSN. Tác giả cũng thực hiện mô phỏng trong nhiều
trường hợp để thấy được sự ảnh hưởng của các yếu tố tác động đến tuổi thọ
mạng như thiết kế topo mạng, số nút cảm biến, vị trí trạm gốc, năng lượng
của nút,…


15

Chương 3 - PHƯƠNG THỨC ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ ĐỂ
CÂN BẰNG MỨC NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ VÀ TỐI ĐA
TUỔI THỌ CHO CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
3.1. Tiếp cận mờ và thuật toán A-sao:
3.1.1.

Tổng quan về phương pháp tiếp cận mờ:

3.1.2.

Tổng quan thuật toán A-Sao:

3.2. Phương thức định tuyến đề xuất

Các nút cảm biến được phân phối ngẫu nhiên trong một vùng và liên
kết trực tiếp với nhau. Một nút thu phát (Sink) có nhiệm vụ thu thập dữ liệu
từ tất cả các nút cảm biến khác trong khoảng cách truyền của nó [25]. Lịch
trình định tuyến được tính toán bởi trạm gốc (Base Station), nó tính toán lịch
trình định tuyến tối ưu và quảng bá lịch này cho các nút cảm biến. Mỗi nút
sẽ đi theo lịch trình này. Tiến trình tìm đường đi tối ưu, quảng bá nó trong
mạng và gửi dữ liệu từ các nút đến trạm gốc theo lịch trình định tuyến này
được lặp lại mỗi vòng. Phương thức đề xuất này giả định các nút biết vị trí
của mình, vị trí các nút lân cận và nút thu phát. Các nút có cùng khoảng cách
truyền tối đa và phân làm 2 loại (nút thường và nút tốt) nút tốt có năng lượng
tiêu hao khi truyền thấp hơn nút thường và chiếm tỉ lệ nhỏ. Mỗi nút có một
số lưu lượng chưa xử lý trong hàng đợi bao gồm lưu lượng ứng dụng và lưu
lượng mà nó phải chuyển tiếp.
Một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không dây là tuổi thọ
mạng. Trong mô hình đề xuất bất kì nút cảm biến nào hết năng lượng thì
liên kết của nó với trạm gốc sẽ dừng, điều này dẫn đến kết thúc vòng đời
của mạng. Trong khi tuổi thọ của mỗi nút cảm biến phụ thuộc vào năng


16
lượng tiêu thụ. Do đó việc giữ năng lượng còn lại trong các nút cảm biến là
một trong các phương thức để mở rộng vòng đời mạng.
Mục tiêu chính là thiết kế một giao thức sẽ kéo dài tuổi thọ mạng cảm
biến không dây thông qua việc hạn chế chi phí năng lượng cũng như phân
phối đồng đều mức tiêu thụ năng lượng. Phương pháp đề xuất đưa ra một
cách tiếp cận mới bằng cách kết hợp phương pháp tiếp cận mờ và thuật toán
A-Sao để chọn tuyến đường định tuyến tối ưu từ nguồn đến đích bằng cách
cân nhắc 3 tiêu chuẩn định tuyến (Năng lượng còn lại cao nhất, số hop tối
thiểu và tải lưu lượng thấp nhất) kết hợp với biến α (xác định nút thường và
nút tốt) để chọn nút lân cận tối ưu so với việc để thuật toán tự chọn ngẫu

nhiên các nút và cân bằng giữa chúng để kéo dài tuổi thọ cho mạng cảm
biến. Tiến trình gồm 2 phần:
Cài đặt logic mờ:
Mục tiêu của đoạn chương trình mờ của giao thức đề xuất là xác định
giá trị chi phí tối ưu cho một liên kết giữa hai nút cảm biến sao cho tuổi thọ
mạng đạt tối đa. Tuổi thọ của các mạng cảm biến không dây thường được
định nghĩa là thời điểm khi mức năng lượng của nút cảm biến đầu tiên trở
thành mức 0. Cơ sở quy tắc mờ đã được điều chỉnh để không chỉ kéo dài
tuổi thọ của mạng cảm biến mà còn để cân bằng tải định tuyến giữa các nút
cảm biến một cách hiệu quả sao cho số nút tối đa có đủ năng lượng để tiếp
tục thực hiện nhiệm vụ cảm biến của riêng chúng.
Một số các chỉ số khác nhau được sử dụng để kéo dài tuổi thọ của các
mạng cảm biến. Các chỉ số này như sau [13]:
Năng lượng còn lại (Remaining Energy – RE): Một giao thức định
tuyến sử dụng chỉ số này sau đó sẽ ưu tiên các tuyến đường có tổng công


17
suất năng lượng lớn nhất từ nguồn đến đích. Nói cách khác, các nút có lượng
năng lượng lớn hơn tham gia nhiều hơn các nút có năng lượng giới hạn.
Bước nhảy tối thiểu (Minimum Hop – MH): Ý tưởng cơ bản của chỉ
số này là sử dụng con đường ngắn nhất sẽ là kết quả thấp nhất độ trễ đầu
cuối đến đầu cuối và mức tiêu thụ tài nguyên thấp vì số lượng nút chuyển
tiếp nhỏ nhất sẽ tham gia.
Tải lưu lượng (Traffic Load – TL): Tải lưu lượng cao gây ra tràn hàng
đợi dữ liệu trong các nút cảm biến, dẫn đến mất thông tin quan trọng. Ngoài
ra, vì năng lượng pin của các nút cảm biến nhanh chóng cạn kiệt, toàn bộ
tuổi thọ của mạng cảm biến không dây sẽ rút ngắn. Do đó, tải lưu lượng
trong các nút sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của mạng.
Tìm nút tốt nhất bằng cách tích hợp một số yếu tố trong vấn đề, chẳng

hạn như năng lượng thừa, số lưu lượng, số bước nhảy tối thiểu. Điều này
tương đương với việc tìm đường đi tối ưu từ nút bắt đầu đến nút thu phát.
Đối với logic mờ, giá trị mờ được xử lý bởi Fuzzy Inference System (FIS),
bao gồm cơ sở quy tắc và nhiều cách khác nhau để suy luận các quy tắc này.
Có một loạt các quy tắc nếu-thì trong cơ sở quy tắc, và các tập mờ được kết
hợp với các biến ngôn ngữ mờ đầu vào và đầu ra được mô tả bởi toán tử ngụ
ý mờ để xây dựng FIS cùng nhau.
Nghiên cứu này đã sử dụng FIS để tính toán xác xuất của mỗi nút. Hai
biến đầu vào của FIS là năng lượng thừa và số lưu lượng, và tham số đầu ra
duy nhất là xác xuất của một nút được chọn là nút tốt nhất trong tuyến đường
tối ưu. Giá trị xác xuất lớn hơn sẽ có nghĩa là nút có nhiều cơ hội để trở
thành một nút tốt nhất. Phạm vi giá trị của RE là [0, 10], phạm vi của TN là
[0, 10], và xác xuất là [0, 1]. Trong cách tiếp cận của đề xuất, quá trình đầu
ra trong suy luận mờ thực sự là một quá trình giải mờ. Nói chung, các quy


18
tắc mờ có thể được tạo ra từ suy nghiệm hoặc từ các dữ liệu thực nghiệm.
Các quy tắc mờ được sử dụng theo nguyên tắc: một nút chứa nhiều năng
lượng còn lại hơn và số lưu lượng thấp hơn có xác xuất cao hơn. Xác xuất
cao hơn của các nút tốt hơn các nút lận cận xác xuất thấp sẽ dễ dàng được
chọn là nút tiếp theo trong tuyến đường tối ưu.
Giao thức được đề xuất xác định giá trị tối ưu chi phí NC(n) của nút n
phụ thuộc vào năng lượng còn lại RE(n) và tải lưu lượng TL(n), sử dụng 5
hàm liên kết cho mỗi tập đầu vào (RE, TL) và một biến đầu ra (NC) như
hình 3.1, 3.2, 3.3, 3.4.

Hình 3.1: Logic mờ với 2 biến đầu vào (RE, TL) và biến đầu ra NC [22]

Hình 3.2: Đồ thị liên kết cho biến đầu vào Năng lượng còn lại (RE)

19

Hình 3.3: Đồ thị liên kết cho biến đầu vào Tải lưu lượng (TL)

Hình 3.4: Đồ thị liên kết cho biến đầu ra Chi phí nút (NC)

Đối với phương pháp tiếp cận mờ, các giá trị mờ được xử lý bởi cơ
cấu suy luận, bao gồm một cơ sở quy tắc và các phương pháp khác nhau để
suy luận các quy tắc. Bảng 3.1 cho thấy các quy tắc Nếu-Thì được sử dụng
trong phương pháp đề xuất với tổng số 52 = 25 cơ sở quy tắc mờ. Ví dụ, nếu
RE(n) là rất cao và TL(n) là rất thấp thì NC(n) là rất cao. Tất cả các quy tắc
này được xử lý theo cách song song bằng một cơ cấu suy luận mờ.


20
Bảng 3. 1: Các quy tắc Nếu-Thì
RE(n) Rất thấp

Thấp

Trung bình

Cao

Rất cao

Trung bình

Cao

Rất cao

Rất cao

Rất thấp Trung bình Trung bình

Cao

Rất cao

Trung bình

Rất thấp

Thấp

Trung bình

Cao

Rất cao

Cao

Rất thấp

Thấp

Thấp

Trung bình

Cao

Rất cao

Rất thấp

Rất thấp

Thấp

Trung bình

Cao

TL(n)
Rất thấp
Thấp

Thấp

Cuối cùng, giải mờ sẽ tìm ra một giá trị xuất ra duy nhất từ giải pháp
không gian mờ. Giá trị này thể hiện chi phí của nút. Giải mờ được tính bởi
công thức:
𝑁𝑜𝑑𝑒_𝐶𝑜𝑠𝑡 =

∑𝑛

𝑖=1 𝑈𝑖∗𝐶𝑖
∑𝑛
𝑖=1 𝑈𝑖

(3.5)

Ui là đầu ra cơ sở quy tắc i, Ci là trung tâm đầu ra của hàm liên kết
Cài đặt thuật toán A-Sao:
Có n nút cảm biến đồng nhất phân bố ngẫu nhiên và đều trên một vùng,
và một nút thu phát thu thập các sự kiện hoặc dữ liệu cảm biến từ các nút
cảm biến trong mỗi vòng. Mục tiêu chính của thiết kế thuật toán định tuyến
là tối đa tuổi thọ mạng.
Mô hình năng lượng tiêu thụ: Mức tiêu thụ năng lượng của mỗi nút
cảm biến bao gồm ba thành phần: năng lượng cảm biến, năng lượng truyền
nhận, và năng lượng xử lý dữ liệu. Cảm biến và xử lý dữ liệu đòi hỏi ít năng
lượng hơn truyền nhận. Đề xuất này sử dụng mô hình tiêu thụ năng lượng
giống như Heinzelman đã sử dụng cho phần cứng truyền nhận không dây


21
[26], [27]. Nếu nút truyền một gói tin k bit qua khoảng cách d, năng lượng
tiêu thụ là: ETx (k, d) = Eelec * k + Eamp * k * d2

(3.6)

Năng lượng tiêu thụ khi nhận gói tin k bit là: ERx (k) = Eelec * k (3.7)
Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng vô tuyến
thấp. Các giả thuyết khác nhau về đặc tính của vô tuyến, bao gồm năng
lượng tiêu tan trong chế độ truyền và nhận, sẽ thay đổi các ưu điểm của các
giao thức khác nhau. Trong đề xuất này giả sử một mô hình đơn giản ở đây

sóng vô tuyến tiêu hao Eelec = 50 nJ/bit để truyền hoặc nhận và Eamp = 100
pJ/bit/m2 để truyền khuếch đại (đối với nút thường, Eelec và Eamp đề xuất đặt
ra thấp hơn với nút tốt).

Hình 3.5: Mô hình truyền nhận vô tuyến [26], [27]

Trong phương pháp mới, trạm gốc chuẩn bị lịch trình định tuyến và
quảng bá nó đến mỗi nút. Thuật toán A-Sao sẽ tìm tuyến đường tối ưu từ
nút đến trạm gốc được áp dụng cho mỗi nút và xây dựng một tuyến đường
truyền đa chặng giữa nút đến trạm gốc. Thuật toán A-sao tạo ra một cấu trúc
cây để tìm kiếm tuyến đường tối ưu từ một nút nhất định đến trạm gốc, nút
cây được tìm thấy dựa trên hàm đánh giá của thuật toán như sau:
f(n) = [NC(n) + (1/MH(n))] * α

(3.8)

Nếu f(n) có giá trị lớn thì sẽ chọn là nút tối ưu.


22
Trong đó: NC(n) là chi phí của nút n, có giá trị [0…1] và được tính
toán bởi logic mờ. Giá trị này được tính toán dựa trên năng lượng còn lại
của nút n RE(n) và tải lưu lượng của nút n TL(n). Chi phí tối đa của nút là
chi phí cao nhất.
MH(n) khoảng cách ngắn nhất từ nút n đến trạm gốc. Chi phí thực tế
từ nút khởi tạo đến nút lân cận n là g(n). Chi phí ước tính của đường đi tối
ưu từ nút n đến trạm gốc (nút đích) là h(n), phụ thuộc vào thông tin suy
nghiệm của khu vực có vấn đề. Trong công thức trên, biến α là một hằng số
được sử dụng để cân bằng chi phí năng lượng của các tham số nút (tốt,
thường) và khoảng cách. α = 1.5 nếu là nút tốt và α = 1 nếu là nút thường.

Ở đây ta đặt một tỉ lệ nhỏ nút tốt để tiến hành thực nghiệm so sánh với kết
quả thực nghiệm của các tác giả ở bài báo [11] (các tác giả dùng khác mức
năng lượng giữa nút tốt và nút thường, cùng mức tiêu hao năng lượng khi
truyền cho các nút), [22] (các tác giả dùng cùng một mức năng lượng, cùng
mức tiêu hao năng lượng khi truyền cho các nút và chọn ngẫu nhiên theo
điều kiện ban đầu) để so sánh.
Phương pháp đề xuất sẽ ưu tiên chọn nút tốt nếu cùng nằm trên tuyến
đường định tuyến thay vì chọn ngẫu nhiên nút lân cận theo hàm f(n) mà
không có trọng số ưu tiên. Việc chọn lựa ưu tiên nút tốt này giúp đưa ý tưởng
bài toán rằng khi thiết kế mạng cảm biến không dây sẽ chèn vào mạng một
số nút cảm biến có năng lượng tiêu hao khi truyền thấp hơn nút thường, từ
đó cải tiến thuật toán định tuyến để trong trường hợp thuật toán lựa chọn
tuyến đường nút tốt sẽ được ưu tiên lựa chọn, điều này giúp trong một số
trường hợp (ngoại trừ các trường hợp đặt biệt) đề xuất mới sẽ tối ưu hơn
trong việc tiêu hao năng lượng khi truyền và làm tăng vòng đời mạng. Hình
3.6 mô tả lưu đồ của thuật toán đề xuất kết hợp giữa logic mờ và thuật toán


23
A-sao trong việc lựa chọn tuyến đường (có xem xét độ ưu tiên) định tuyến
tối ưu để tăng tuổi thọ mạng cảm biến không dây.

Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán đề xuất

Trong mạng cảm biến không dây các nút hoạt động giới hạn bởi năng
lượng pin nên việc sử dụng hiệu quả năng lượng là rất quan trọng. Một đặc
điểm nữa là tuổi thọ của mạng liên quan đến việc lựa chọn tuyến đường.
Không cân bằng năng lượng là một vấn đề trong mạng WSN. Chính vì vậy
đề xuất phương thức mới này là lựa chọn tuyến đường tối ưu từ nút nguồn
đến điểm thu phát dựa vào năng lượng còn lại, bước nhảy tối thiểu, tải lưu

lượng thấp nhất sử dụng kết hợp phương pháp tiếp cận mờ và thuật toán Asao để tăng tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây.