GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEAC

GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH Lê Thị Thanh Bình1 Tóm tắt: Tiết kiệm lượng vấn đề quan tâm hàng đầu tất lĩnh vực, đặc biệt, lĩnh vực mà nguồn lượng hạn chế mạng cảm biến khơng dây vấn đề tiết kiệm lượng cấp thiết Bài báo tập trung phân tích hoạt động giao thức LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) - giao thức đánh giá đạt hiệu lượng mạng cảm biến khơng dây [6] Từ đó, phương pháp mô phỏng, báo đưa quy luật giảm lượng tiêu thụ giao thức LEACH phân bố mật độ nút cảm biến phân cụm mạng cảm biến khơng dây Từ khóa: Giao thức LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy, lượng mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến Mở đầu Sự phát triển Công nghệ thông tin Truyền thơng góp phần to lớn vào phát triển xã hội Xã hội phát triển nhu cầu người ngày phong phú Để đáp ứng nhu cầu đó, nhiều giải pháp cơng nghệ đời có đời mạng cảm biến không dây Ngày nay, mạng cảm biến không dây sử dụng phổ biến lĩnh vực: An ninh (giám sát chiến trường, theo dõi, giám sát mục tiêu), môi trường (cảnh báo động đất, cháy rừng, giám sát nông nghiệp, bảo vệ động vật), ứng dụng điều khiển tịa nhà thơng minh, điều khiển công nghiệp… Mỗi ứng dụng mạng cảm biến không dây bao gồm hàng trăm, hàng ngàn nút cảm biến Nút cảm biến sử dụng nguồn lượng hạn chế nguồn lượng pin Các nút cảm biến hoạt động môi trường khắc nghiệt nên việc thay hay nạp lại pin cho nút cảm biến khơng thể Do giảm lượng tiêu thụ mạng cảm biến không dây vấn đề quan tâm Nhiều loại giao thức định tuyến phát triển để tiết kiệm lượng tiêu thụ mạng cảm biến Trong giao thức định tuyến theo cụm giảm đáng kể lượng tiêu thụ nhờ việc nhóm nút cảm biến thành cụm để thu thập tổng hợp liệu Giao thức LEACH giao thức định tuyến phân cụm ThS, Khoa CNTT, trường Đại học Quảng Nam Giải pháp tiết kiệm lượng mạng cảm biến Giao thức tạo cân lượng nút kéo dài thời gian sống mạng Mạng cảm biến không dây bao gồm nút cảm biến với nguồn lượng hạn chế thực nhiều nhiệm vụ phức tạp, cần có tương tác nút mạng Các nút cảm biến không dây có nguồn lượng phạm vi truyền sóng hạn chế Do đó, để truyền liệu điểm thu thập nút cảm biến phải thực việc chuyển tiếp tin thông qua nút lân cận chúng Vì vậy, giao thức định tuyến đóng vai trị quan trọng mạng cảm biến không dây Trong thời gian qua, có nhiều giao thức định tuyến khác đề xuất cho mạng cảm biến không dây Các giao thức định tuyến phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thơng tin vị trí định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ Hình Các giao thức định tuyến Trong kiến trúc phân cấp, nút có vai trị khác nhau: nút có lượng cao sử dụng để xử lý gửi thơng tin nút có lượng thấp sử dụng để cảm nhận, thu thập liệu Điều có nghĩa tạo cụm định nhiệm vụ đặc biệt cho nút chủ cụm Mục đích định tuyến phân cấp để trì hiệu việc tiêu thụ lượng nút cảm biến việc đặt chúng giao tiếp đa chặng cụm cụ thể việc thực tập trung hợp liệu để giảm số tin truyền đến trạm gốc Sự hình thành cụm chủ yếu dựa lượng dự trữ nút vùng lân cận nút so với nút chủ cụm LÊ THỊ THANH BÌNH Trong giao thức định tuyến phân cấp, LEACH giao thức đánh giá có nhiều ưu điểm trội LEACH thực phân cấp theo cụm thích ứng lượng thấp để thu thập phân phối liệu tới sink Mục tiêu LEACH kéo dài thời gian sống mạng, giảm tiêu thụ lượng nút, sử dụng tập trung liệu để giảm số tin truyền mạng Nội dung 2.1 Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây hệ thống thu nhận liệu môi trường ánh sáng, nhiệt độ độ ẩm từ mạng gồm thiết bị cảm biến không dây công suất thấp gọi nút cảm biến Mỗi nút cảm biến tích hợp vi điều khiển, thu phát vô tuyến, phần tử cảm biến mơi trường nguồn ni Hình Mơ hình mạng cảm biến khơng dây Mạng cảm biến bao gồm ba thành phần chính: trạm sở, trạm người dùng mạng nút cảm biến (hình 1) - Trạm người dùng: đưa yêu cầu số liệu với trạm sở thu nhận số liệu yêu cầu - Trạm sở: gửi lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp để chuyển tới mạng nút cảm biến, đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng nút cảm biến - Mạng nút cảm biến: Mạng nút cảm biến thành phần trọng tâm Giải pháp tiết kiệm lượng mạng cảm biến hệ thống Các nút cảm biến đảm nhận việc thu thập số liệu môi trường chuyển số liệu đến trạm sở Nó cịn phải nhận lệnh từ trạm sở Các nút cảm biến có nhiệm vụ thu thập thơng tin cảm biến từ môi trường bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm truyền số liệu đến trạm sở Chúng truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp dải tần ISM 900 MHz 2.2 Giao thức LEACH 2.2.1 Giới thiệu giao thức LEACH LEACH số cách tiếp cận định tuyến phân cấp cho mạng cảm biến Ý tưởng để hình thành cụm nút cảm biến dựa vào cường độ tín hiệu nhận dùng nút chủ cụm router đến trạm gốc Việc tiết kiệm lượng q trình truyền thực nút chủ cụm thay cho việc sử dụng tất nút cảm biến Số lượng nút chủ tối ưu cụm vào khoảng 5% tổng số lượng nút Trong giao thức LEACH, nhờ việc lựa chọn ngẫu nhiên số nút làm nút chủ cụm sau quay vịng vai trị nút chủ cụm cho nút khác cụm, việc tiêu hao lượng liên lạc với trạm gốc trải cho tất nút cảm biến mạng Nhờ góp phần vào việc kéo dài thời gian sống cho mạng Quá trình hoạt động LEACH chia thành hai pha pha thiết lập pha ổn định Thời gian pha ổn định kéo dài so với thời gian pha thiết lập để giảm thiểu phần 2.2.2 Hoạt động LEACH Hoạt động LEACH chia thành vòng, vòng bắt đầu với pha thiết lập, diễn q trình chọn nút chủ thành lập cụm Sau pha thiết LÊ THỊ THANH BÌNH lập pha ổn định, pha này, xảy trình truyền liệu đến nút chủ đến trạm sở Khung Hình Trạng thái ổn định LEACH Pha thiết lập Các cụm hình thành nút chủ cụm lựa chọn Các nút chủ lựa chọn sau: Mỗi nút cảm biến lựa chọn số ngẫu nhiên Nếu số nhỏ ngưỡng T(n) nút cảm biến nút chủ T(n) tính sau: Cơng thức Trong đó: P: tỉ lệ phần trăm mong muốn trở thành nút chủ mạng r: vòng G: tập nút chưa trở thành nút chủ (1/P) vịng trước Mỗi nút chủ cụm lựa chọn truyền thông tin quảng bá cho nút cịn lại mạng tin thơng báo chúng nút chủ cụm Các nút cịn lại khơng nút chủ, nhận tin quảng bá, chúng định chúng thuộc cụm nút chủ Quyết định dựa độ mạnh tín hiệu tin quảng bá nút chủ cụm phát mà chúng nhận Các nút chủ cụm thông báo cho nút chủ cụm chúng thuộc cụm Sau nút chủ cụm nhận hết thông báo nút thuộc cụm chúng, vào số nút cụm, nút chủ cụm định thời gian mà nút cụm gửi liệu đến cho dựa TDMA Giải pháp tiết kiệm lượng mạng cảm biến Hình Quá trình chọn nút chủ cụm Pha ổn định Các nút bắt đầu thu thập liệu gửi liệu đến nút chủ cụm Các nút chủ cụm tích hợp liệu nút cụm gửi đến trước gửi liệu đến Trạm gốc Sau khoảng thời gian pha ổn định, mạng trở lại pha thiết lập vào bước lựa chọn nút chủ cụm Các nút ngừng hoạt động ngẫu nhiên cụm động làm tăng thời gian sống mạng Tuy nhiên LEACH dùng định tuyến đơn điểm, nút truyền trực tiếp đến nút chủ trạm gốc Vì khơng thích hợp với mạng mà triển khai diện rộng Hơn nữa, ý tưởng cụm động đòi hỏi số lượng mào đầu lớn, ví dụ thay đổi nút chủ, quảng bá… Hình Hoạt động pha ổn định LEACH 10 LÊ THỊ THANH BÌNH 2.3 Mơ giải pháp tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH Mô tìm quy luật giảm lượng tiêu thụ giao thức LEACH phân bố mật độ nút cảm biến phân cụm mạng cảm biến không dây Để tiến hành mô phỏng, báo tích hợp code MIT vào NS2 hệ điều hành Ubutu 9.04 Code MIT đời năm 2000 tương thích với hệ điều hành củ Ubuntu 9.04, Ubuntu 10.04 Những hệ điều hành sau Fedora 11, Fedora 12, code MIT không tương thích Code MIT tích hợp vào NS nhằm hỗ trợ cho mạng cảm biến khơng dây mơ hình giảm lượng nút cảm biến, trạng thái nút cảm biến đồng thời hỗ trợ tốt cho vài giao thức định tuyến mạng cảm biến khơng dây Hình Code MIT tích hợp vào NS 2.34 2.3.1 Kịch mô Mô thực mạng cảm biến không dây gồm nút cảm biến triển khai cách ngẫu nhiên phạm vi 100m x 100m Trạm sở nằm trung tâm khu vực triển khai với tọa độ 50m x 50m Kịch mô sử dung đối số bảng minh họa hình 11 Giải pháp tiết kiệm lượng mạng cảm biến Bảng Các đối số mơ Các đối số mơ Giá trị Kích thước mạng 100m x 100m Địa điểm trạm sở (50,50) Năng lượng ban đầu nút 2J Thời gian mơ 600s Topo mạng 100nodes.txt Hình Kịch triển khai mạng cảm biến không dây 2.3.2 Kết mô Kết biểu diễn đồ thị tương ứng a Khi số nút cảm biến thay đổi Với mạng cảm biến không dây gồm nút cảm biến triển khai cách ngẫu nhiên diện tích có kích thước 100m x 100m Tiến hành khảo sát hiệu sử dụng lượng tiêu thụ giao thức LEACH số nút cảm biến thay đổi (10 nút, 20 nút, 30 nút, 40 nút, 50 nút, 60 nút, 70 nút, 80 nút, 90 nút, 100 nút) cịn kích thước mạng cố định 100m x 100m 12 LÊ THỊ THANH BÌNH Hình Năng lượng tiêu thụ giao thức LEACH thay đổi số nút Kết mơ hình biểu diễn lại bảng: Bảng Kết mô số nút cảm biến thay đổi Số nút mạng (nút) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thời gian sống (s) 100 150 200 220 300 320 380 420 520 400 Kết cho thấy, với mạng cảm biến không dây triển khai diện tích có kích thước 100m x 100m, lượng toàn mạng 200J, thời gian sống mạng dài 520s phân bố số nút mạng 90 nút, tương ứng với mật độ mạng 9000 nút/1km2 b Khi số cụm thay đổi Với mạng cảm biến không dây gồm 90 nút cảm biến triển khai cách ngẫu nhiên diện tích có kích thước 100m x 100m Tiến hành khảo sát hiệu sử dụng lượng tiêu thụ giao thức LEACH 13 Giải pháp tiết kiệm lượng mạng cảm biến số cụm thay đổi (1 cụm, cụm, cụm, cụm, cụm, cụm, cụm, cụm, cụm, 10 cụm) cịn kích thước mạng cố định 100m x 100m Hình 10 Năng lượng tiêu thụ giao thức LEACH số cụm thay đổi Kết mơ hình 10 biểu diễn lại bảng: Bảng Kết mô số cụm thay đổi 14 Số cụm mạng (cụm) Thời gian sống (s) 180 230 600 480 290 200 350 250 300 10 120 LÊ THỊ THANH BÌNH Kết cho thấy, với mạng cảm biến khơng dây gồm 90 nút triển khai diện tích có kích thước 100m x 100m, lượng tồn mạng 200J, thời gian sống mạng dài 600s phân bố số cụm mạng cụm, tương ứng với số nút cảm biến cụm 30 nút Kết luận Kết mô phỏng, cho thấy, mật độ nút cảm biến phân cụm mạng ảnh hưởng lớn đến việc tiêu thụ lượng Khi mật độ nút cảm biến mạng thấp cao mức độ tiêu thụ lượng giao thức LEACH mạng cảm biến lớn Nút cảm biến từ 80 đến 100 nút tương ứng với mật độ mạng 8000 nút/1km2 đến 10000nút/1km2 giao thức LEACH đạt hiệu lượng Khi q cụm nút chủ cụm xa nút cảm biến, tiêu tốn nhiều lượng truyền liệu Khi nhiều cụm, nút chủ cụm xử lý nhiều liệu từ nút cảm biến truyền đến nên tiêu tốn nhiều lượng Với 90 nút cảm biến số cụm từ đến cụm tương ứng với số nút cảm biến cụm từ 20 đến 30 nút giao thức LEACH đạt hiệu lượng Hầu hết giao thức định tuyến sử dụng mạng cảm biến không dây giả định nút cảm biến trạm sở cố định Tuy nhiên có nhiều ứng dụng, nút cảm biến trạm sở cần di chuyển, việc cập nhật thơng tin vị trí nút chủ cụm nút cảm biến việc truyền thơng tin qua mạng tiêu thụ mức lượng đáng kể nút Vì tương lai cần nghiên cứu thuật toán định tuyến để xử lý thơng tin độ di chuyển thay đổi cấu hình mạng điều kiện hạn chế lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Brownfield, M I.,et al.(2006), “Cross-layer wireless sensor network radio power management”, Wireless Communications and Networking, 2(6), 1160-1165 [2] Habib, A (2008), “ Sensor network security issues at network layer”, In Advances in Space Technologies, 2nd International Conference on IEEE,1, 58-63 [3] Alkhatib, A A A., & Baicher, G S (2012), “Wireless Sensor Network Architecture”, International Conference on Computer Networks and Communication Systems, 35, 11-15 [4] Anna Ha’c (2003), Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd [5]   Edgar H.Callaway Jr (2004), Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, A CRC Press Company 15 Giải pháp tiết kiệm lượng mạng cảm biến [6] W Heinzelman, A Chandrakasan and H Balakrishnan (2000), Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks, in Proc of the 33rd Annual V Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS), Maui [7] E Shih, S Cho, N Ickes, R Min, A.Sinha, A Wang, and A Chandrakasan (2001), Physical layer driven protocol and algorithm design for energy-efficient wireless sensor networks, in: Proceedings of the 7thACM/IEEE Conference on Mobile Computing and Networks (MOBICOM’01), Rome, Italy [8] O Younis and S Fahmy (2004), HEED: A Hybrid, Energy-Efficient, Distributed Clustering Approach for Ad Hoc Sensor Networks, IEEE Trans Mobile Comp., vol 3, no 4, pp 366–79 [9] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey [10] Mei-hong, H., Cheng-qian, X and Dong-liang, Z (2009), The simulation and analysis of LEACH protocol Based on NS2, Electronic Measurement Technology, vol.1, Title: A SOLUTION TO SAVE ENERGY FOR WIRELESS SENSOR NETWORK BY USING LEACH PROTOCOL LE THI THANH BINH Quang Nam University Abstract: Energy efficiency is a primary concern in all fields, specially the area which has limited power sources such as wireless sensor network is an urgent issue The article focuses on analyzing the operation of the protocol for low energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) - one of the protocols is evaluated the energy efficiency in wireless sensor networks [6] From there, by the simulation method, the paper has proposed the rule to reduce the energy consumes in the Leach protocol when distributing the density of sensor nodes and clusters in wireless sensor networks Key words: Leach protocol, low energy adaptive clustering hierarchy, energy in wireless sensor networks, routing protocols 16