Cải thiện thuật toán phân cụm hiệu quả năng lượng phân tán để tiết kiệm thời gian tồn tại cho wsn không đồng nhất

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II BÁO CÁO MÔN HỌC MẠNG CẢM BIẾN NIÊN KHÓA: 2017 – 2022 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Trần Cơng Hùng CẢI THIỆN THUẬT TỐN PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG PHÂN TÁN ĐỂ TIẾT KIỆM THỜI GIAN TỒN TẠI CHO WSN KHƠNG ĐỒNG NHẤT Tóm tắt Tiết kiệm lượng kéo dài vòng đời mạng mục tiêu quan trọng giao thức định tuyến WSN Clustering cách hiệu cho sống mạng lan rộng cách giảm tiêu thụ lượng Ngày nay, hầu hết nghiên cứu hướng tới môi trường đồng nhất, tất nút cảm biến có lượng lượng ban đầu Tuy nhiên, môi trường mạng không đồng nhất, số nút cảm biến trang bị thêm nguồn điện, dẫn đến phân cấp công suất Sự không đồng nút cảm biến dẫn đến tuổi thọ mạng, độ ổn định Trong báo này, đề xuất cải tiến giao thức BEENISH DEEC Kết mô chứng minh giao thức đề xuất có hiệu suất tốt tuổi thọ mạng, độ ổn định phân phối gói so với Phân nhóm hiệu lượng phân tán nâng cao (EDEEC), Phân cụm hiệu lượng phân tán phát triển nâng cao (EDDEEC), Mạng tích hợp hiệu lượng cân Siêu không đồng (BEENISH ) 1.Giới thiệu Ngày nay, mạng cảm biến không dây hoạt động dựa truyền thông, cảm biến, lưu trữ lượng điện tốn cơng suất thấp Các kỹ thuật phân cụm thực để WSN hoạt động hiệu Nó làm tăng mức tiêu thụ điện mạng cảm biến kéo dài tuổi thọ LEACH Heinzelman cộng [1] giao thức dựa kỹ thuật phân cụm đầu tiên, Cluster Heads (CH) chọn cách ngẫu nhiên Vai trị CH [2], [3] cung cấp thông tin liên lạc liệu nút cảm biến trạm gốc hiệu quả.Do đó, Cluster Heads nên có quyền lực cao nút khác, để thực việc thu thập liệu.Các cải tiến khác đề xuất cho LEACH DEEC [4], DDEEC [5], TDEEC [6], EDEEC [7], EDDEEC [8], BEENISH [9] thuật tốn phân cụm cụm chọn dựa xác suất tỷ lệ lượng cịn lại cơng suất trung bình mạng Khi chúng từ hướng đến thuật toán phân cụm gần WSN khơng đồng nhất, Nó bao gồm tính việc lựa chọn CH, hình thành cụm, số vấn đề hạn chế thuật toán xem xét tùy chọn CH dựa mức lượng chưa chưa coi khoảng cách trung bình nút đến trạm gốc CH chúng, mục đích chúng cân lượng nút gần nút xa từ khoảng cách trung bình nút đến CH chúng BS Điều thúc đẩy chúng tơi giới thiệu thuật tốn định tuyến dựa phân cụm mạng WSN không đồng Trong báo này, giao thức đề xuất cải tiến dựa hai giao thức: BEENISH DEEC Ý tưởng dựa tỷ lệ lượng lại lượng trung bình tồn mạng vịng loại nút không đồng để xây dựng xác suất chọn nút trở thành CH giao thức Tuy nhiên, giao thức đề xuất thêm thành phần ước lượng khoảng cách vào xác suất lựa chọn CH thêm thành phần ước lượng lượng lại để xác định ràng buộc cho nút trình phân cụm Giao thức đề xuất bao gồm bốn mức không đồng với bốn kiểu nút khác (nút thường, nút nâng cao, nút siêu cấp cực siêu) với mức cơng suất khác nhau, q trình lựa chọn cụm từ nút có cơng suất cao khoảng cách đến trạm gốc ngắn Giao thức đề xuất kéo dài thời gian tồn mạng, thông lượng, đặc biệt thời gian ổn định, thuật tốn phân cụm có mái che đồng Kết mô cho thấy giao thức đề xuất đạt thời gian tồn tại, thông lượng thời gian ổn định mạng lâu BEENISH môi trường không đồng bốn cấp độ Bài viết bố cục sau: Phần 1: Giới thiệu, Phần trình bày vấn đề nghiên cứu liên quan; Phần giao thức đề xuất, phần 4: Mơ thuật tốn đề xuất; Phần cuối kết luận 2.Các vấn đề nghiên cứu liên quan Có nhiều thuật tốn phân cụm WSN Trong phần này, xem xét thuật tốn DEEC, DDEEC, TDEEC, EDDEEC BEENISH mà liên quan trực tiếp đến đề xuất Qing cộng [4] đề xuất giao thức DEEC dựa ý tưởng Leach Đặc điểm giao thức chọn CH cách tiếp cận dựa xác suất để ước tính tỷ lệ lượng cịn lại nút cơng suất trung bình tồn mạng Trong DEEC, CH chọn theo xác suất dựa tỷ lệ lượng lại nút lượng trung bình tồn mạng sau Xác suất cho nút bình thường nút trước tính theo cơng thức [2.1] [4] Phương trình (2.1) Cơng thức tính xác suất chọn CH giao thức DEEC Ei (r) lượng lại nút 'Si' vòng 'r' Ē (r) lượng trung bình vịng 'r' tồn mạng tính theo cơng thức (2.2) [4]: Phương trình (2.2) Cơng thức tính lượng trung bình vịng N: Tổng số nút cảm biến mạng • r: vịng • Etotal: Tổng lượng ban đầu cho tồn mạng tính theo cơng thức (2.3) [4]: Phương trình (2.3)Cơng thức tính tổng lượng cho WSN khơng đồng • R: Tổng số vịng mạng cho cơng thức (2.4) [4]: Phương trình (2.4) Cơng thức tính tổng số vịng mạng Trong đó: • Etotal: tính theo cơng thức (2.3) • Eround: Tổng lượng tiêu thụ vịng tính theo cơng thức (2.5) [4]: Phương trình (2.5) Cơng thức tính tổng lượng tiêu thụ chu kỳ Trong đó: • L: Độ dài bit gói tin • k: Số CH • dtoBS: Khoảng cách trung bình CH BS • dtoCH: Khoảng cách trung bình nút thành viên CH • DtoBS dtoCH tính theo cơng thức (2.6) [4]: Phương trình (2.6) Cơng thức tính khoảng cách CH BS Theo đó, nút có lượng dư cao trở thành CH thường xuyên nút công suất thấp Kết mơ cho thấy DEEC có tuổi thọ cao giao thức LEACH môi trường không đồng Hạn chế giao thức lượng trung bình ước tính tỷ lệ nghịch với lượng tiêu thụ vòng lặp Đây hạn chế việc ước lượng mơ hình DEEC Giao thức (DDEEC) [5] giống với DEEC Sự khác biệt hai nút nằm biểu thức xác định xác suất để nút bình thường nút trước trở thành CH Sau số vòng truyền liệu, nút trước có lượng với nút bình thường Trong giai đoạn này, DEEC tiếp tục trừng phạt nút trước xác suất chọn cho nút trước cao nút bình thường, khơng phải phương pháp tối ưu, nút trước chết nhanh nút bình thường Để tránh cân này, DDEEC đưa ngưỡng lượng lại Khi mức lượng nút trước nút bình thường giảm xuống ngưỡng này, xác suất sử dụng cho tất nút trở thành CH, làm cho trình chọn CH hiệu TDEEC [6] sử dụng quy trình chọn CH ước tính lượng trung bình DEEC Khi bắt đầu vòng, nút định trở thành CH cách chọn số ngẫu nhiên từ đến Nếu số chọn thấp ngưỡng T (các), nút trở thành CH cho vịng Kết mô cho thấy giao thức EDEEC TDEEC tốt DEEC Parul Saini Ajay K Sharma đề xuất giao thức EDEEC [7] sử dụng khái niệm ba mức độ khơng đồng WSN Nó bao gồm ba loại nút - bình thường, trước siêu dựa lượng ban đầu EDEEC kết hợp giá trị xác suất khác cho nút bình thường, nâng cao siêu nút Năm 2013, N Javaid et al đề xuất cải tiến giao thức EDDEEC [8] [9] [10] dựa DDEEC giao thức EDEEC Sự khác biệt EDDEEC DDEEC sử dụng ba mức độ không đồng WSN thông qua ba loại nút giới thiệu EDEEC Mặt khác, tham số c cơng thức tính xác suất chung cho tất nút nút mức siêu lượng trước giảm xuống ngưỡng Tabsolute c≈0.025 không giống c≈0.02 DDEEC Cũng năm 2013 N Javaid et al tiếp tục tạo giao thức BEENISH [11] dựa giao thức EDEEC Sự khác biệt bao gồm bốn loại nút - bình thường, trước, siêu siêu siêu siêu dựa lượng ban đầu BEENISH kết hợp giá trị xác suất khác cho nút bình thường, nút tiến, nút siêu siêu siêu để tăng tính khơng đồng WSN Xác suất nút cực siêu, siêu siêu, nút tiến nút bình thường trở thành CH cho đây: [14] Kết cho thấy giao thức cải thiện đáng kể tính ổn định, hiệu lượng kéo dài tuổi thọ mạng Nhìn chung, hầu hết thuật tốn phân cụm dựa WSN khơng đồng phát triển cải tiến với mục đích kéo dài tuổi thọ, tăng cường độ ổn định mạng tối ưu hóa kiểm sốt luồng Đó mục tiêu mà báo muốn giải để đề xuất cải tiến cho giao thức Đề xuất giao thức mạng Dựa thuật toán phân cụm kế thừa WSN, chúng tơi xây dựng thuật tốn định tuyến dựa giao thức [8] [9] [10] [11] [12] [13] dựa tỷ lệ lượng lại lượng trung bình tồn mạng vịng cho loại nút khơng đồng để xây dựng xác suất để chọn nút trở thành CH Tuy nhiên, giao thức cải tiến thêm thành phần khoảng cách ước lượng vào xác suất lựa chọn CH thêm thành phần ước lượng lượng lại để xác định ràng buộc cho nút q trình phân cụm Mục tiêu giao thức giảm tiêu thụ điện tổng thể mạng kéo dài tuổi thọ mạng 3.1 Quá trình điều chỉnh Trước hết, xem xét mức độ không đồng mạng, giao thức đề xuất mức 4, bao gồm bốn loại nút bình thường, nâng cao, siêu siêu, siêu siêu với bốn mức lượng ban đầu khác nhau, theo hiểu biết tác giả [11] hiển thị, thay vào giao thức đề xuất cải thiện mức độ hình thành cụm thành phần bổ sung để ước tính khoảng cách trình tính tốn xác suất chọn CH Tương tự giao thức trên, nút chọn số ngẫu nhiên phạm vi (0,1) Nếu số thấp giá trị ngưỡng nút si, trở thành nút CH Dựa giao thức tác giả [14] đề xuất đưa vào cải tiến giao thức nhằm cải thiện ngưỡng Ts giao thức dựa tính khơng đồng mà WSN xây dựng trước với kỳ vọng nút có lượng cịn lại có hội trở thành cao nhiều CH cách thêm thành phần để ước tính lượng cịn lại nút si, dựa tỷ lệ Ei/Eo Công thức tính ngưỡng CHs Leach protoccol xây dựng lại công thức (3.1) 3.1 Công thức ngưỡng cho tùy chọn CH giao thức đề xuất lượng lại nút s i vòng lượng Eo pháp tuyến ban đầu nút Pi định nghĩa riêng biệt cho nút tùy thuộc vào mức độ không quán, Xác suất để chọn CH sửa đổi giao thức đề xuất cách đưa vào thành phần ước lượng khoảng cách so với [1] Giả sử rằng, có d current khoảng cách thực tế từ nút đến BS Sau chúng tơi có: 3.2) Cơng thức tính khoảng cách nút đến BS Trong dcurrent: khoảng cách từ Node đến BS (Xi, Yi): Tọa độ node (XBS, YBS): Trạm gốc Tọa độ Mặt khác, chúng tơi lấy daverage khoảng cách trung bình từ nút đến BS, d toCH khoảng cách trung bình từ CH đến nút thành viên cụm dtoBS khoảng cách trung bình CH đến BS theo cơng thức [2.6] Sau , chúng tơi biết rằng, Khoảng cách trung bình từ nút đến BS theo Hình bên dưới: Hình Khoảng cách trung bình từ nút đến BS Chúng tơi có cơng thức để tính khoảng cách trung bình từ nút đến BS: (3.3) Cơng thức tính Khoảng cách trung bình từ nút đến BS Dựa độ nhạy sáng, ấn định khoảng cách nút gần nút xa từ trạm gốc Hình 3.2 Hình Khoảng cách nút gần nút xa từ trạm gốc Chúng xác định: dcurrent Tabsolute, (3.4) Cơng thức tính xác suất cải thiện d current Tabsolute Nếu Ei (r)