Cải tiến giao thức định tuyến LEACH nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây

Bài viết trình bày việc đề xuất cải tiến giao thức LEACH bằng cách kết hợp sử dụng thuật toán K-means để phân cụm và lựa chọn các nút làm CH sao cho tổng khoảng cách các nút trong cụm đến CH và từ CH đến trạm gốc (Base Station – BS) là nhỏ nhất, dẫn đến việc tiêu thụ năng lượng trung bình trong mạng giảm và kéo dài tuổi thọ của mạng.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Dương Thị Hằng Phạm Thị Quỳnh Trang Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: hangdt@haui.edu.vn pham.trang@haui.edu.vn Abstract— Giao thức định tuyến phân cụm thích ứng lượng thấp, LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy – LEACH) đề xuất dành riêng cho mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN) toán tăng tuổi thọ hệ thống Tuy nhiên, LEACH chưa xem xét đầy đủ tiêu chí phân cụm chọn nút chủ cụm (Cluster Head – CH) Trong báo này, đề xuất cải tiến giao thức LEACH cách kết hợp sử dụng thuật toán K-means để phân cụm lựa chọn nút làm CH cho tổng khoảng cách nút cụm đến CH từ CH đến trạm gốc (Base Station – BS) nhỏ nhất, dẫn đến việc tiêu thụ lượng trung bình mạng giảm kéo dài tuổi thọ mạng Các kết mô chứng tỏ rằng, so với số giao thức định tuyến có, giao thức đề xuất làm tăng đáng kể tuổi thọ WSN Đặc biệt đánh giá mức tiêu thụ lượng New LEACH với thuật toán LEACH I-LEACH, tỉ lệ chết nút cảm biến (SN – Sensor Node) thuật toán đề xuất giảm xuống cách rõ rệt tuổi thọ mạng tăng vượt trội khoảng 43% 27% so với LEACH ILEACH TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network - TEEN) [5] LEACH giao thức tiếp cận định tuyến phân cấp dùng phổ biến [6] Trong giao thức LEACH, nút cảm biến tập hợp thành cụm, cụm thực chức thu thập truyền liệu tới trạm gốc (BS) thông qua nút chủ cụm (CH) Với nguyên lý này, LEACH kéo dài tuổi thọ mạng, giảm lượng tiêu thụ nút, tập trung liệu để giảm tin truyền mạng Ý tưởng LEACH động lực cho nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác phát triển Tác giả [7] đề xuất giao thức I-LEACH (Improved LEACH) thông qua việc chọn nút cảm biến có lượng dư cao làm CH, [8] sử dụng thuật toán K-means để xác định CH, [9] đề xuất LEACH-C (LEACH-Centralized) thực tập trung liệu thơng tin tồn nút cảm biến trạm gốc tiến hành chọn CH hình thành cụm…Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất giao thức New-LEACH nhằm cải tiến giao thức LEACH việc sử dụng thuật toán K-means để phân cụm theo mật độ SN với số lượng cụm giao thức LEACH kết hợp với việc chọn CH nút có tổng khoảng cách nút cụm đến CH từ CH đến BS nhỏ Việc chọn CH theo cách đảm bảo lượng tiêu thụ CH tối ưu [6], kéo dài tuổi thọ mạng Hiệu đề xuất mô so sánh với giao thức LEACH ILEACH Keywords- Mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến, tuổi thọ mạng I GIỚI THIỆU Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm nút cảm biến (Sensor Node - SN) với lượng hạn chế, SN thu thập tham số môi trường truyền thông tin đến trạm gốc (BS) nhằm theo dõi phát thông số tùy theo ứng dụng khác [1] Do WSN thường triển khai phạm vi lớn môi trường khắc nghiệt, việc sạc thay pin SN khó khăn nên vấn đề sử dụng hiệu lượng pin SN coi mục tiêu nghiên cứu thiết kế giao thức truyền dẫn kiến trúc phần cứng [2] II A Giao thức định tuyến LEACH LEACH giao thức phân cấp đề xuất Heinzelman cộng cơng trình [3], dựa việc tự phân cụm với SN phân bố ngẫu nhiên CH có chức điều khiển nút cụm gửi liệu đến theo chu kỳ định Tại CH, liệu thu thập xử lý tùy thuộc vào ứng dụng trước gửi tới BS Hình mơ tả giao thức định tuyến LEACH Với đặc điểm mạng cảm biến khơng dây, việc tăng tuổi thọ mạng nói chung tăng tuổi thọ nút mạng nói riêng vấn đề quan tâm nhà nghiên cứu chế tạo Các loại giao thức định tuyến chia thành ba loại: giao thức định tuyến dựa phân cấp, giao thức định tuyến trung tâm liệu giao thức định tuyến dựa vị trí Với giao thức định tuyến dựa phân cấp, nhiều giao thức đề xuất, giao thức LEACH [3], HEED (Hybrid Energy-Efficient Distributed – HEED) [4], ISBN 978-604-80-5958-3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 432 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) SN lân cận mạng thông tin chúng CH Để tránh xung đột với CH khác, LEACH sử dụng phương thức đa truy cập dựa cảm nhận sóng mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access – CSMA) Khi SN nhận thông tin quảng bá từ CH, chúng xác định CH mà chúng thuộc Nếu SN nhận thơng tin quảng bá từ CH, SN tự động trở thành thành viên cụm Nếu SN nhận thơng tin quảng bá từ nhiều CH, việc lựa chọn CH dựa cường độ tín hiệu mà SN nhận từ CH, CH có cường độ tín hiệu cao chọn Sau tạo cụm xong, giai đoạn tạo lịch thực hiện, CH định thời gian mà SN gửi liệu đến CH theo phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access – TDMA) lịch quảng bá cho SN thành viên cụm Các CH chọn mã CDMA phân phối đến SN cụm, vào mã để lọc liệu SN cụm chọn mã CDMA để truyền liệu đến BS Sau pha thiết lập hoàn thành, LEACH chuyển sang pha trạng thái ổn định Trong pha này, SN bắt đầu cảm biến liệu truyền tới CH theo thời gian lập giai đoạn lập lịch Khi SN chờ đến lượt truyền liệu, chuyển sang trạng thái ngủ để tiếp kiệm lượng Cuối trang thái ổn định, mạng vào pha thiết lập lần để tham gia vào vòng tiếp lựa chọn CH BS Cụm CH Cụm Nút cụm Cụm Hình Giao thức định tuyến LEACH Hoạt động LEACH chia thành vòng (round), vòng gồm hai pha: pha thứ pha thiết lập (set-up phase), pha diễn trình chọn CH thành lập cụm pha thứ hai pha ổn định trạng thái (steady-state phase), pha diễn trình truyền liệu từ SN đến CH từ CH đến BS Trong giao thức LEACH việc lựa chọn CH tiến hành bắt đầu vòng Các SN tự định có hay khơng trở thành CH vòng hoạt động Cơ sở để SN đưa định làm CH xác suất mong muốn trở thành CH mạng ( P ) số lần SN trở thành CH tính vịng Mỗi SN WSN lựa chọn giá trị ngẫu nhiên ( S ) khoảng 1, giá trị thấp giá trị ngưỡng T ( n ) , SN trở thành CH vòng Ngược lại, B Cải tiến giao thức LEACH Với cách thức LEACH hoạt động phân tích mục A, yêu cầu lượng hệ thống phân phối cho tất nút, tự phân cụm không cần điều khiển từ BS, SN ngủ chờ truyền liệu dẫn đến tiết kiệm lượng hệ thống Tuy nhiên, LEACH có hạn chế sau: i) Không xem xét đến lượng cịn lại SN: Vì chọn CH ngẫu nhiên dẫn đến SN cịn lại lượng chọn làm CH ii) Các CH xa BS tiêu thụ lượng nhanh chóng dừng hoạt động iii) Số cụm số lượng thành viên cụm phân chia khơng đều, hai SN gần CH dẫn đến tuổi thọ CH khác Để khắc phục hạn chế LEACH, đề xuất giao thức New-LEACH, sử dụng thuật tốn K-means để phân cụm nhằm khắc phục hạn chế (iii) kết hợp việc chọn CH cho tổng khoảng cách nút cụm đến CH từ CH đến BS nhỏ nhằm khắc phụ hạn chế (i), (ii) Thuật toán K-means đề xuất MacQueen [10] thuộc lớp phương pháp học không giám sát (Unsupervised Learning) học máy (Machine S lớn T ( n ) SN SN thơng thường Giá trị ngưỡng ) xác định công thức (1): P  , nG  1  P  r mod    (1) T ( n)      P      0 , nG  với r  vòng tại, G tập nút chưa trở thành CH P vịng trước Với ngưỡng T ( n ) này, SN trở thành CH vào thời điểm chu kỳ P vòng Trong vịng ( r  ), SN có xác suất trở thành CH P Các SN CH vịng 0, khơng thể CH cho P  vịng tiếp theo, xác suất trở thành CH SN lại tăng lên Tại vòng P  , giá trị T (n )  SN chưa làm CH, nút trở thành CH sau P vòng, tất SN lần lại đủ điều kiện trở thành CH Sau chọn CH, CH phát quảng bá cho ISBN 978-604-80-5958-3 433 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) vùng mô Ngồi tham số mơ chọn theo đề xuất [7], [9] với giá trị bảng Để có kết mơ biểu diễn hình phương pháp mơ Monte Carlo phần mềm MATLAB 2018ª sử dụng Nguyên lý phương pháp diễn đạt sau : xét vịng hoạt động WSN, hình 3a biểu diễn cụm phân chia theo đề xuất giao thức LEACH Ở đây, SN Learning) Mục đích K-means tìm cách phân nhóm đối tượng (objects) cho vào cụm ( số cụm xác đinh trước, nguyên dương) cho tổng bình phương khoảng cách đối tượng đến tâm nhóm (centroid) nhỏ Trong WSN, khoảng cách tính cơng thức (2) Di , j  ( x j  xi )2  (y j  yi )2 (2) với có dấu lựa chọn ngẫu nhiên làm CH, với việc phân vùng hình 3a, cách làm cịn tồn nhược điểm khơng xem xét đến lượng cịn lại SN, Vì lựa chọn CH ngẫu nhiên xuất trường hợp SN có lượng thấp lại chọn làm CH Mặt khác, CH xa BS việc tiêu thụ lượng tốn rơi vào trạng thái dừng hoạt động Bảng 1: Các tham số mô ( xi , yi ) , ( x j , y j ) tọa độ SNi SN j Hình mơ tả lưu đồ thuật toán thực New-LEACH với bước thực sau: Bước 1: Chọn số cụm mạng theo giá trị ngưỡng công thức (1) Nếu khơng có nút thỏa mãn điều kiện nhỏ , tất nút WSN truyền liệu trực tiếp BS Bước 2: Phân chia nút cụm thuật toán K-means Bước 3: Xác định nút có tổng khoảng cách từ đến nút khác cụm nhỏ nhất, đặt nút làm CH Giá trị Tham số Bắt đầu Thiết lập tham số: số nút cảm biến; lượng nút; vùng khảo sát Tính số cụm định phân chia theo cơng thức (1) Số cụm > Sai Diện tích vùng mô 100 x 100 m2 Tổng số SN 100 Xác suất SN trở thành CH 0,1 Vị trí SN Ngẫu nhiên Vị trí BS (100,100) Năng lượng ban đầu SN 0,5J Kích thước gói tin 4000 bits Năng lượng truyền 50nJ/bit Năng lượng nhận 50nJ/bit Số vòng tối đa ( rmax ) 3500 Đúng Với đánh vậy, giải pháp cải tiến phương pháp LEACH kết phân vùng biểu diễn hình 3b minh họa cho hiệu phương pháp đề xuất chúng tơi Trên hình biểu diễn phân chia cụm mạng WSN theo thuật toán KMeans, SN có dấu nút chọn làm CH cụm Kết biểu diễn đồ thị hình minh họa số SN cịn sống theo số vòng hoạt động giao thức LEACH truyền thống, giao thức I-ELEACH giao thức NEW-LEACH nhóm tác giả đề xuất Theo kết này, xét số lượng vòng dao động khoảng 1000, hiệu phương pháp gần tương đương Phân cụm theo thuật toán K-means Các nút truyền liệu trực tiếp BS Chọn CH cho cụm cho CH nút trung tâm có tổng quãng đường truyền dẫn đến nút cụm nhỏ Kết thúc Hình 2: Lưu đồ thuật tốn New-LEACH III MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Để đánh giá hiệu New-LEACH so với phương pháp truyền thống báo xây dựng tham số diện tích vùng mô phỏng, tống số SN sử dụng Tham số diện tích vùng mơ lựa chọn giá trị 100 m x 100 m để đảm bảo không tính tổng qt thực Số SN lựa chọn 100, đảm báo không dày đặc diện tích ISBN 978-604-80-5958-3 434 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80 100 a) 100 90 Hình 5: Thời gian nút đầu tiên, nửa nút cuối chết 80 70 60 0.6 LEACH New - LEACH I-LEACH 50 0.5 Năng l-ợng tiêu hao trung bình 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 b) Hình 3: Phân cụm chọn CH: a)LEACH; b)NewLEACH Tuy nhiên, số lượng vòng nằm khoảng từ 1000 đến 1500 hiệu phương pháp có chênh lệch rõ rệt Tại khoảng này, số SN phương pháp LEACH sống qua vịng giảm nhanh chóng tiến đến số vòng đạt 1500 Điều gây hiệu LEACH so với phương pháp lại Với phương pháp I –LEACH hiệu tốt so với LEACH nhiên số vòng hoạt động tăng lên lớn 1500 I – LEACH lại giảm gần theo quỹ đạo đường tuyến tính Kết cho thấy, SN sống New-LEACH tăng 54% so với LEACH tăng 3,4% so với I-LEACH Trong hình tham số đánh giá thời gian nút chết, FND (First Node Death - FND), nửa nút chết, MND (Mid Node Death- MND) nút cuối chết, LND (Last Node Death - LND) Kết rằng, số trường hợp, thời gian FND New-LEACH sớm so LEACH I-LEACH thời lượng ổn định mạng bị giảm phần Tuy nhiên, mức tiêu thụ lượng giảm so với thuật toán LEACH I-LEACH dẫn đến tỉ lệ chết SN New-LEACH giảm đáng kể tuổi thọ mạng tăng lên IV Sè nót sèng 30 20 10 1500 2000 2500 3000 3500 Sè vßng (r) Hình 4: Số lượng nút sống theo số vòng hoạt động ISBN 978-604-80-5958-3 1000 1500 2000 2500 3000 KẾT LUẬN Tiết kiệm sử dụng hiệu lượng tiêu thụ cân tải thách thức đáng kể thuật toán định tuyến WSN Trong báo này, thuật toán định tuyến hiệu lượng cho WSN đề xuất xem xét việc phân cụm lựa chọn nút CH Bằng cách sử dụng thuật toán K-means để phân cụm, lựa chọn SN có khoảng cách tương đối nhỏ để trở thành nút CH dẫn đến lượng tiêu thụ trung bình WSN giảm; tuổi thọ WSN kéo dài so với thuật toán LEACH, I- LEACH Kết mơ thuật tốn New-LEACH có tính linh hoạt việc lựa chọn CH phân cụm 40 1000 500 đến 43% so với LEACH tăng 27% so với ILEACH.So sánh lượng lại mạng WSN sử dụng thuật toán New-LEACH, LEACH ILEACH cho kết biểu diễn hình Từ kết mơ cho thấy việc phân phối lượng cân tải thực đồng thời, sử dụng chiến lược quản lý lựa chọn nút CH thành viên cụm Nói cách khác, tổng lượng tiêu thụ mạng sử dụng New-LEACH quản lý tốt so với LEACH I-LEACH 50 500 Hình 6: Năng lượng tiêu hao trung bình mạng 60 0.1 Sè vßng(r) 70 0.2 -0.1 LEACH New - LEACH I-LEACH 80 0.3 100 90 0.4 435 3500 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) TÀI LIỆU THAM KHẢO 12th International Conference on Communication Technology, 648651, 2010 [7] Z Beiranvand, A Patooghy, M Fazeli, “ I-LEACH: An efficient routing algorithm to improve performance & to reduce energy consumption in wireless sensor networks”, The 5th Conference on Information and Knowledge Technology, 13–18, 2013 [8] P Saheb, ” Improved LEACH Protocol Based on KMeans Clustering Algorithm for Wireless Sensor Networ”, International Journal of Electronics & Communication Technology, 8, 28–32,2017 [9] W B Heinzelman, A P Chandrakasan, H Balakrishnan, “An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks”, IEEE Transactions Wireless Communication, 1(14), 660–670,2002 [10] J B MacQueen, “ Some Methods for classification and Analysis of Multivariate Observations”, Proc 5th Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability, 281–297, 1967 [1] D Zhang, G Li, K Zheng, X Ming, Z H Pan, ” An energy-balanced routing method based on forward-aware factor for wireless sensor networks” IEEE Transactions on Industrial Informatics, 10(1), 766–773, 2014 [2] T Ma, M Hempel, D Peng, H Sharif, “A survey of energy-efficient compression and communication techniques for multimedia in resource constrained systems”, IEEE Communication Survey Tutorials, 15(3), 963–972, 2013 [3] C Donati-Martin, “Stochastic integration with respect to q Brownian motion Probab” Theory Relat Fields, 125(1), 77–95, 2003 [4] C H Lin, M J Tsai, “A comment on „HEED: A Hybrid, Energy-Efficient, Distributed clustering approach for ad hoc sensor networks”, IEEE Transactions on Mobile Computing, 5(10), 1471– 1472, 2006 [5] Arati Manjeshwar, Dharma P Agrawal, “A Routing Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks”, Proc IPDPS 2001 Workshop [6] Z Xin, X Junyuan, M Zhengkun, “A Distance-based Clustering Routing Protocol in Wireless Sensor Networks”, IEEE ISBN 978-604-80-5958-3 436 ... New -LEACH sớm so LEACH I -LEACH thời lượng ổn định mạng bị giảm phần Tuy nhiên, mức tiêu thụ lượng giảm so với thuật toán LEACH I -LEACH dẫn đến tỉ lệ chết SN New -LEACH giảm đáng kể tuổi thọ mạng. .. diễn đồ thị hình minh họa số SN cịn sống theo số vòng hoạt động giao thức LEACH truyền thống, giao thức I-ELEACH giao thức NEW -LEACH nhóm tác giả đề xuất Theo kết này, xét số lượng vòng dao động... trở thành CH vòng Ngược lại, B Cải tiến giao thức LEACH Với cách thức LEACH hoạt động phân tích mục A, yêu cầu lượng hệ thống phân phối cho tất nút, tự phân cụm không cần điều khiển từ BS, SN