HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 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 TS TRẦN CÔNG HÙNG MỤC LỤC 1 G[.]
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 : TS TRẦN CÔNG HÙNG MỤC LỤC Giới thiệu .3 Cơng trình liên quan DCEER: Sơ đồ phân cụm phân tán DCEER: Định tuyến đa bước .10 4.1 Thuật toán khám phá tuyến đường .10 4.2 Sự hội tụ phức tạp DCEER .13 Kết mô 16 Kết luận 22 Tài liệu tham khảo 22 Thuật toán Heuristic phân tán để định tuyến hiệu lượng có giới hạn độ trễ mạng cảm biến khơng dây Tóm tắt: Bên cạnh việc hạn chế lượng, mạng cảm biến khơng dây (WSN) cung cấp độ trễ đầu cuối giới hạn chúng sử dụng để hỗ trợ ứng dụng thời gian thực hệ thống báo cháy rừng sớm Trong báo này, chúng tơi nghiên cứu vấn đề tìm đường tiêu thụ lượng có hạn chế độ trễ với độ phức tạp tính tốn thấp mạng Dựa phương pháp định tuyến theo vectơ khoảng cách, có độ phức tạp tính tốn chi phí thơng báo hơn, chúng tơi đề xuất thuật toán heuristic phân tán gọi Định tuyến hiệu lượng hiệu trì hỗn (DCEER) để giảm thiểu tổng mức tiêu thụ lượng đáp ứng độ trễ đầu cuối yêu cầu DCEER yêu cầu lượng thông tin vừa phải nút cảm biến không bị nhiều thời gian chạy Chúng chứng minh thuật tốn đề xuất chúng tơi ln hồn thành khoảng thời gian hữu hạn độ phức tạp tính tốn O (n), n ước số số nút cảm biến Bằng chứng minh tốn học mơ phỏng, chúng tơi xác minh DCEER phù hợp với WSN quy mơ lớn số lượng thông báo trao đổi nút cảm biến biểu diễn đa thức chức Hơn nữa, chúng tơi đánh giá đề xuất để so sánh hiệu suất với giao thức liên quan 1 Giới thiệu Hiệu lượng mục tiêu thiết kế WSN Tuy nhiên, ứng dụng thời gian thực hệ thống báo cháy rừng sớm, liệu phải truyền từ nguồn đến tải tiêu thụ thời gian giới hạn Nếu vượt thời gian này, liệu khơng cịn hữu ích Do đó, tồn cân tiêu thụ lượng độ trễ đầu cuối cho ứng dụng Mặc dù nhiều giải pháp heuristic đề xuất để cân độ trễ mạng mức tiêu thụ lượng WSN [1–6], khơng có giải pháp đạt cân tối ưu Tổng hợp liệu mạng kỹ thuật xử lý liệu dư thừa hợp liệu khác thành liệu thống [7] Các thuật toán phân cụm sử dụng tổng hợp liệu nội mạng để tạo gói liệu nhỏ mang tất thông tin cần thiết từ cảm biến giám sát vùng cụ thể trước chuyển tiếp chúng đến đích [8] Ngồi ra, giao thức định tuyến đa bước chuyển tiếp liệu đến đích theo nhiều tuyến đa bước với độ tin cậy cao cân lượng tốt [9] Phương pháp tiếp cận dựa việc kết hợp phân cụm [8] định tuyến đa bước [9] để (i) tổng hợp liệu mạng trước truyền chúng đến tải tiêu thụ để giảm tổng mức tiêu thụ lượng chi phí truyền thơng tồn mạng; (ii) theo đuổi chuyển tiếp liệu đa bước để giảm thiểu lượng truyền tải đáp ứng yêu cầu độ trễ đầu cuối Có số kỹ thuật để giảm thiểu tiêu thụ lượng WSN dựa cách tiếp cận phân cụm [8] Tuy nhiên, công việc này, chúng tơi áp dụng sơ đồ phân nhóm đề xuất [6], sử dụng số Trao đổi Năng lượng Độ trễ (TED) để cân mức tiêu thụ lượng độ trễ đầu cuối Đóng góp báo đề xuất thuật tốn định tuyến đa bước tìm tuyến đường tiêu thụ lượng đầu cụm định đến tải tiêu thụ khoảng thời gian trễ đầu cuối giới hạn Trong [1] [5], tác giả tập trung vào việc xây dựng cấu trúc liên kết mạng nhằm mục đích cân tốt mức tiêu thụ lượng độ trễ đầu cuối để định tuyến chuyển tiếp liệu từ nguồn đến đích đến định với cấu trúc liên kết cố định Trong báo này, thay vào đó, chúng tơi nghiên cứu việc lựa chọn tuyến đường dựa điều kiện mạng thời điểm khác Bên cạnh đó, thay định tuyến dựa hàm chi phí tổng hợp số độ trễ tiêu thụ lượng [6], tập trung vào việc lựa chọn tuyến đường dựa số liệu riêng biệt bị ràng buộc lẫn Nhiều giải pháp [10–18] đề xuất để giải vấn đề định tuyến hiệu lượng bị hạn chế độ trễ WSN với nhiều mức độ thành công khác Vấn đề để giảm thiểu tổng lượng tiêu thụ E total tuyến đường Ri, giữ cho độ trễ đầu cuối D ete theo ràng buộc Delta Δ định Cụ thể, chúng tơi muốn tập hợp tuyến đường từ đầu cụm i đến nút đích, SINK Trong mơ hình chúng tơi, có nút đích Nút nhận tất liệu từ nút cảm biến tồn mạng Thật khơng may, tốn chứng minh khó NP [19], khơng tồn thuật tốn tìm lời giải tối ưu chạy thời gian đa thức Các giải pháp nêu không cố gắng giải vấn đề phức tạp này, thay vào chúng xác định vấn đề đơn giản Trong báo này, tập trung vào vấn đề đơn giản hóa cách xem xét lớp ứng dụng có đích Thuật tốn sử dụng tuyến đường kết hợp thay số liệu kết hợp để giảm khơng gian tìm kiếm Tính đề xuất chúng tơi chủ yếu nằm thuật tốn khám phá tuyến đường Nó sử dụng lượng thông tin vừa phải từ nút lân cận thay tồn mạng việc định tuyến hiệu quả, hội tụ nhanh tốn Để đạt vậy, xác định số thông điệp đặc biệt để trao đổi thông tin nút lân cận mục nhập đơn giản để lưu trữ thông tin trao đổi Những điều hỗ trợ định tuyến nhanh chóng xác định nút tốt tuyến đường tối ưu với độ phức tạp tính tốn thấp Phần lại báo xếp sau Phần thảo luận đề xuất có cho vấn đề Phần mơ tả ngắn gọn mã giả thuật toán phân cụm đề xuất [6] Phần trình bày thuật tốn định tuyến đa bước cho DCEER phân tích hội tụ độ phức tạp Phần hiển thị kết mô cho hiệu suất DCEER Phần kết thúc báo Cơng trình liên quan Huỳnh cộng đề xuất sơ đồ định tuyến đa bước để cân mức tiêu thụ lượng độ trễ mạng [1] Thuật toán định tuyến độ trễ lượng * áp dụng cho nút cảm biến cụm ba bước thuật toán xây dựng chuỗi hiệu lượng áp dụng cho đầu cụm để xây dựng chuỗi tiết kiệm lượng từ đầu cụm đến trạm gốc Trong [5], tác giả đề xuất thuật toán định tuyến nhận biết độ trễ hiệu lượng khác cho WSN nhiều lớp, đầu cụm lớp kết nối với dạng đồ thị de Bruijn để cải thiện độ trễ mạng, mức tiêu thụ lượng độ tin cậy hệ thống Gần đây, [6], tác giả đề xuất phương pháp phân cụm phân tán để xác định đầu cụm tốt cho cụm cách kiểm sốt thơng số điều chỉnh Ngồi ra, họ đề xuất hàm chi phí tổng hợp sử dụng thuật toán định tuyến nhiều bước nhảy từ đầu cụm để cân mức tiêu thụ lượng độ trễ đầu cuối Trong HEED [10], đầu cụm chọn định kỳ dựa lượng dư nút cảm biến khoảng cách từ nút cảm biến đến nút lân cận HEED đạt phân phối đầu cụm đồng toàn mạng, cần nhiều lần lặp lại, dẫn đến chi phí cao Dựa kiến trúc HEED, Akkaya Younis đề xuất giao thức định tuyến [11] để tìm tuyến đường tiết kiệm lượng mà theo yêu cầu độ trễ đầu cuối đáp ứng Giao thức chia gói liệu thành hai loại dựa yêu cầu độ trễ băng thông, đặt chúng vào hàng đợi tương ứng chuyển tiếp đến tải tiêu thụ Tuy nhiên, cách tiếp cận họ không tính đến yếu tố trì hỗn xảy tranh giành kênh lớp MAC Trong [12], tác giả đề xuất giao thức định tuyến hạn chế độ trễ tiết kiệm lượng dựa độ dài gói liệu độ dài hàng đợi để giảm tắc nghẽn mạng Giao thức cho phép gói nhạy cảm với thời gian chọn đường ngắn để giảm độ trễ đầu cuối gói liệu khác chọn nút lân cận để chuyển tiếp liệu đến tải tiêu thụ để cân lượng Trong [13], Han cộng đề xuất bao trùm tối thiểu với số Wiener cho WSN, nút sở di động Đối với WSN quy mơ nhỏ, thuật tốn rẽ nhánh liên kết sử dụng để giảm thiểu không gian tìm kiếm Đối với WSN quy mơ lớn, thuật tốn ủ mơ sử dụng để bỏ qua giải pháp tối ưu cục hướng tới giải pháp tối ưu tốt Đề xuất vượt trội bao trùm tối thiểu mức tiêu thụ lượng độ trễ mạng Với mục tiêu, Niu cộng nghiên cứu độ trễ tối thiểu việc xây dựng bị tràn hiệu lượng cho WSN có liên kết không đáng tin cậy [14] Vấn đề xây dựng vấn đề bao trùm tối thiểu với ràng buộc trễ khơng xác định Một thuật tốn heuristic phân tán dựa giới hạn trễ biết đề xuất để giải vấn đề Mặc dù thuật toán đề xuất họ đạt cân tốt độ trễ bị tràn tiêu thụ lượng, địi hỏi nhiều chi phí để xây dựng bao trùm tối thiểu Nadeem cộng đề xuất giao thức định tuyến đa bước dựa phần mềm lượng dựa cổng cho WSN gọi MGEAR [15] Để tiết kiệm lượng, giao thức đề xuất chia nút cảm biến vùng khác nhau, vùng sử dụng kiến trúc định tuyến khác Ngoài ra, giao thức triển khai cổng nằm vùng cảm biến để hỗ trợ nút cảm biến việc phân cụm định tuyến Dựa khoảng cách từ nút cảm biến đến cổng vào đến trạm gốc, giao thức định thực truyền trực tiếp truyền đa bước gián tiếp Tuy nhiên, giao thức áp dụng cho mạng cảm biến tĩnh; khó thực cấu trúc liên kết mạng Hơn nữa, việc xử lý phân cụm thiết lập lịch biểu TDMA phụ thuộc vào cổng; khơng thể triển khai mạng phân tán Tương tự, Guidoni cộng đề xuất giao thức định tuyến dựa cấu trúc liên kết cho WSN không đồng gọi RouT [16] Với kiến trúc mạng vật lý, giao thức đề xuất tạo cấu trúc liên kết logic khác tùy thuộc vào dung lượng nút cảm biến Chúng chia thành hai loại L-sensor (công suất thấp) Hsensors (công suất cao) Mỗi cấu trúc liên kết logic thiết lập dựa độ trễ liên kết kết nối cảm biến H Bằng cách này, cấu trúc liên kết logic tạo cân mức tiêu thụ lượng độ trễ mạng Tuy nhiên, thông điệp trao đổi nút cảm biến để thiết lập cấu trúc liên kết logic dẫn đến độ trễ đầu cuối đầu cuối nhiều thành viên cụm đầu cụm tải tiêu thụ liên kết từ thành viên cụm đến đầu cụm liên kết từ đầu cụm đến đầu cụm (hoặc SINK) Hình Mơ hình mạng cảm biến khơng dây phân cấp DEAR (định tuyến giới hạn lượng thích ứng trì hỗn) đề xuất [17] giao thức định tuyến đa đường Nó xem xét nhiều thơng số độ tin cậy, độ trễ tiêu thụ lượng Giao thức cho phép gói phân phối liên tục mạng đường dẫn gặp cố Nó cân độ trễ đường khác cách sử dụng thuật toán thời gian đa thức để giải vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu Trong [18], Yao cộng thiết kế giao thức nhận biết độ trễ hiệu lượng để cân tuổi thọ mạng, gọi EDAL Họ đề xuất phương pháp heuristic tập trung để giảm độ phức tạp tính toán phương pháp heuristic phân tán để làm cho thuật tốn phù hợp với WSN quy mơ lớn Thuật toán mở rộng, để giảm tổng tiêu thụ lượng cho ứng dụng có ràng buộc trễ lỏng DCEER: Sơ đồ phân cụm phân tán Hãy xem xét tập hợp nút cảm biến phân tán trường minh họa Hình Chúng tơi sử dụng mơ hình mạng phân cấp nút cảm biến phân bố cụm Mỗi cụm tự chọn đầu cụm tổng hợp liệu từ nút thành viên cụm gửi liệu tổng hợp đến SINK nhiều bước nhảy Thuật toán Mã giả thuật toán phân cụm cho nút cảm biến Input: Tin nhắn ADV từ SINK Output: Node Role Tính khoảng cách gần từ cảm biến nút tới SINK, dtoSINK Chờ τ = E phát thông điệp ADV cho cụm lân cận if nhận tin nhắn ADV từ cụm lân cận khác then for j = to Ni if Ei ≤ Ej then flag = break end if 10 end for 11 if flag == then 12 NodeRole = Cluster-member 13 end if 14 end if 15 Chờ TEDi 16 if Nhận tin nhắn JCR then 17 Gửi tin nhắn ACK tới đầu cụm 18 NodeRole = Cluster-member 19 else 20 Truyền thông báo JCR cho người khác 21 NodeRole = Cluster-head 22 end if 23 Truyền thông báo NCR đến đầu cụm khác 24 Cập nhật nút lượng dư 25 Quay lại NodeRole DCEER hoạt động vòng liên tiếp Mỗi vòng chia thành hai giai đoạn: (i) tổ chức mạng, thiết lập cấu trúc liên kết mạng cụm (ii) truyền liệu, tìm tuyến đường tốt để truyền liệu từ đầu cụm đến SINK Trong giai đoạn đầu, DCEER sử dụng sơ đồ phân cụm phân tán đề xuất [6] để thiết lập cụm Ei lượng cịn lại ứng cử viên đầu cụm i, E total lượng tích lũy ứng cử viên đầu cụm khác mà nhận từ tin ADV, di,SINK khoảng cách từ ứng viên đầu cụm i đến SINK Giá trị α β nằm khoảng [0, 1] α + β ≠ Trong dòng 16 20, thông báo JCR (Join Cluster Request) sử dụng để xác định xem nút cảm biến tham gia vào cụm hay chưa Trong dòng 23, thông báo NCR (Neighbor Cluster-head Request) sử dụng để xác định đầu cụm lân cận DCEER: Định tuyến đa bước Sau cụm thiết lập, nút thành viên cụm tắt radio thời gian truyền phân bổ để gửi liệu đến đầu cụm Đầu cụm giữ cho máy thu tiếp tục nhận liệu từ nút thành viên cụm Sau tất liệu nhận, đầu cụm tổng hợp tất gói liệu thành gói để giảm dự phịng lượng truyền Sau đó, phát đường tốt để chuyển liệu tổng hợp đến SINK Tuyến đường phải có tổng mức tiêu thụ lượng giữ độ trễ đầu cuối giá trị Δ cho trước 4.1 Thuật toán khám phá tuyến đường Mỗi đầu cụm i phải có thơng tin sau để tìm tuyến đường tốt để phân phối liệu đến SINK (i) nextCHle: đầu cụm (nút j) làm cho đầu cụm tiêu thụ lượng việc gửi liệu đến nút j, nghĩa Ni lân cận đầu cụm i, ETx (i, j) lượng tiêu thụ việc truyền gói liệu lbit từ đầu cụm i đến đầu cụm j khoảng cách dij định nghĩa Eelec hệ số tiêu thụ lượng điện tử, ε fs εmp lượng khuếch trì tỷ lệ tín hiệu nhiễu chấp nhận được, d = (εfs / εmp) 1/2 khoảng cách tham chiếu máy phát máy thu (ii) nextCHld: phần đầu cụm (nút j) làm cho phần đầu cụm i có độ trễ việc gửi liệu đến nút j, nghĩa Ni lân cận đầu cụm i, D (i, j) thước đo độ trễ mà gói tin trải qua truyền liên kết từ đầu cụm i đến đầu cụm j, định nghĩa DQ, DT DP tương ứng độ trễ xếp hàng cho nút đầu cụm, độ trễ truyền tin độ trễ lan truyền Theo [6], có: µ tốc độ phân phát biến ngẫu nhiên hàm mũ, λ tốc độ nhập gói biến ngẫu nhiên Poisson, l kích thước gói (tính bit), ψ băng thơng liên kết (tính bps), dij chiều dài liên kết vật lý từ đầu cụm i đến đầu cụm j γ tốc độ lan truyền mơi trường (tính m / s) (iii) ld (i, SINK): thời gian cần thiết để gửi liệu từ đầu cụm i đến SINK Giá trị tính tương tự Công thức (7) ngoại trừ dij thay di, SINK, khoảng cách từ đầu cụm i đến SINK Khoảng cách tính cách sử dụng giá trị RSSI (Chỉ báo cường độ tín hiệu nhận) mà nhận từ bước giai đoạn thiết lập cụm Tại thời điểm nào, đầu cụm i có liệu để gửi đến SINK, bắt đầu khám phá tuyến đường cách kiểm tra ld (i, SINK) Nếu giá trị lớn độ trễ giới hạn, không tồn tuyến đường tiêu đề cụm i SINK đáp ứng giới hạn độ trễ Nó dừng việc thực thi thuật tốn khơng gửi liệu Tuy nhiên, ld (i, SINK) ≤ Δ, tức tuyến đáp ứng giới hạn trì hỗn đầu cụm i SINK, tiếp tục thực thi tìm thấy tuyến Trong trường hợp này, đầu cụm i xác định đầu cụm tiếp theo, j, thỏa mãn Công thức (3) Sau đó, đầu cụm i gửi thơng báo u cầu trễ (LDR) đến đầu cụm lân cận để nhận giá trị ld (j, SINK) Đầu cụm j trả giá trị ld (j, SINK) cho đầu cụm i Đầu cụm i kiểm tra bất bình đẳng sau: D(initCH, currCH) thời gian trôi qua từ đầu cụm bắt đầu tuyến đường đến đầu cụm (trong trường hợp này, đầu cụm i) Nếu bất đẳng thức thỏa mãn tồn tuyến đường ràng buộc trễ hợp lệ từ đầu cụm i đến SINK thỏa mãn giới hạn trễ Δ chúng sử dụng liên kết (i, j) để theo tuyến lượng Đầu cụm i chọn đầu cụm j làm nút tuyến đường hướng tới SINK Nếu bất đẳng thức không thỏa mãn, đầu cụm i chọn đầu cụm khác, k, làm nút cách sử dụng Công thức (5) để theo tuyến đường có độ trễ Lựa chọn đảm bảo tuyến đường từ tiêu đề cụm tại, i, đến SINK phần tuyến đường từ đầu cụm khởi tạo đến SINK đáp ứng giới hạn độ trễ, không, đầu cụm chọn bước trước Sau chọn liên kết (nút tiếp theo) để theo dõi, đầu cụm tại, i, tạo mục nhập bảng định tuyến cho tuyến đường Nó chứa thơng tin Hình Đối với đầu cụm (CHi) tuyến đường xác định routeCODE, initCH đầu cụm khởi đầu tuyến, prevCH đầu cụm lân cận đứng trước CHi tuyến nextCH đầu cụm lân cận theo sau CH i lộ trình nextCH nextCHle (8) thỏa mãn nextCHld, không D (initCH, currCH) thời gian trôi qua từ initCH đến đầu cụm tuyến đường Hình Mục nhập bảng định tuyến Hình Thơng báo Cluster-heads Route (CCR) xây dựng Sau đó, đầu cụm tạo giá trị độ trễ mới, D(initCH, nextCH), độ trễ dọc theo tuyến đường xây dựng từ đầu cụm khởi tạo đến đầu cụm Giá trị tính cách thêm D(currCH, nextCH) vào độ trễ D(initCH, currCH), nghĩa Rốt cuộc, gửi thơng báo Tuyến đầu cụm xây dựng (CCR) đến người đứng đầu cụm Thơng báo chứa thơng tin Hình Trong Hình 3, Δ độ trễ giới hạn tuyến đường xác định routeCODE Nếu đầu cụm j nào, SINK, nhận thơng báo CCR, trở thành đầu cụm tuyến Đầu cụm j chọn đầu cụm tiếp theo, tạo mục nhập bảng định tuyến xây dựng tuyến đường theo cách tương tự mô tả Tại thời điểm này, giá trị prevCH mục nhập bảng định tuyến đầu cụm j đầu cụm i gửi cho thông báo CCR Khi SINK nhận tin CCR, gửi tin xác nhận (ACK) trở lại người đứng đầu cụm khởi tạo tuyến đường Khi đầu cụm khởi tạo nhận tin ACK, bắt đầu truyền liệu tới SINK theo tuyến đường phát trước Việc lựa chọn đầu cụm trình bày chi tiết Thuật toán 2, thực đầu cụm 4.2 Sự hội tụ phức tạp DCEER Chúng ta xác minh hội tụ DCEER cách chứng minh ln kết thúc thời gian hữu hạn Ngoài ra, chúng tơi chứng minh độ phức tạp tính tốn DCEER hàm số chi phí thơng báo hàm đa thức Chúng ta ký hiệu tuyến tạo k đầu cụm Rk, Rk: CH0 —>…—>CHk Tuyến Rk+1 tạo cách thêm liên kết đến Rk Cho Tk = {CH0 , CHk} tập hợp đầu cụm tuyến Rk, Rk = {R0 , , Rk} tập hợp tuyến đường xây dựng bước thứ k Định lý Thuật tốn ln tìm tuyến đường tiêu thụ lượng đáp ứng ràng buộc trễ end-to-end tuyến đường tồn khơng có tuyến đường thời gian hữu hạn Bằng chứng: Nếu không tồn tuyến đường từ cụm tiêu đề định i đến SINK, tức là, ld (i, SINK)> Δ(dịng 2), thuật tốn kết thúc sau dịng mà khơng xây dựng tuyến Nếu không, tức là, ld (i, SINK) ≤ Δ, thuật tốn tiếp tục thực tìm thấy tuyến Nó chứng minh quy nạp số lượng tuyến đường xây dựng sau Đối với k = 0, đầu cụm i đầu khởi tạo tuyến kết nối trực tiếp với SINK, tức R0 = CH0, R0 = R0 Vì D(R0) = ld (CH0, SINK) ≥ Δ, nên thuật toán chắn dừng với nextCH = SINK Giả sử Chúng ta có hai trường hợp sau Trường hợp 1: Rk+1 mở rộng tuyến đường Rk Є Rk cách thêm liên kết chọn nextCHle làm đầu cụm từ CH k để theo tuyến đường lượng Các bất đẳng thức sau phải thỏa mãn: Trường hợp 2: Rk+1 mở rộng tuyến đường Rj Є Rk (0 ≤ j ≤ k) cách thêm liên kết chọn nextCHld làm đầu cụm từ CH j để theo tuyến đường trễ Trong trường hợp này, chúng tơi có Do đó, bất đẳng thức sau phải thỏa mãn: Trong hai trường hợp, rõ ràng độ trễ lộ trình R k+1 giới hạn Δ bất đẳng thức (11) (12) Định lý Tuyến đường xây dựng Thuật toán từ đầu cụm cho trước i đến SINK khơng có vịng lặp Chứng minh: Gọi Tj tập hợp đầu cụm tuyến Rj Vòng lặp tạo tồn liên kết thêm vào cách kết nối đầu cụm j với đầu cụm khác, k, CH k ≠ CHj CHk Є Tj Tuy nhiên, mục nhập bảng định tuyến đầu cụm k tồn liên kết j k cho tuyến đường Mục nhập khơng thêm vào bảng định tuyến Do đó, tuyến đường DCEER xây dựng khơng có vịng lặp Định lý Độ phức tạp tính tốn DCEER hàm tuyến tính n, tức O (n), n ước số số nút cảm biến WSN Chứng minh: Đối với Thuật toán 1, dễ thấy nút thực số phép tính đơn giản cố định (tính khoảng cách gần dtoSINK dịng 1, tính định thời thứ t dịng 2, tính định thời thứ hai w dòng 15 cập nhật lượng dư nút dòng 24) số hoạt động cố định (phát tin ADV đến hàng xóm dịng 3, gửi tin ACK trở lại đầu cụm dịng 17 phát tin JCR NCR tới hàng xóm đường 20 23) Bên cạnh đó, thực kiểm tra số điều kiện đơn giản cố định (dòng 4, 6, 11 16) Vòng lặp FOR thực lặp lặp lại Ni = N / K, N số nút cảm biến, K số cụm dự kiến Ni số nút cảm biến trung bình cụm cho WSN Do đó, độ phức tạp tính tốn Thuật tốn hàm tuyến tính O (m), m số nút cảm biến trung bình cụm WSN Ngồi ra, độ phức tạp tính tốn Thuật tốn đầu cụm để xây dựng tuyến đường đầu cụm i cho SINK O (Ni), Ni số đầu cụm lân cận nút i Điều đầu cụm nhận thơng báo CCR, thực kiểm tra điều kiện trễ (dịng 1, 11) tính toán giá trị tối thiểu độ trễ lượng cho liên kết (dòng 8, 15 19) để chọn người đứng đầu cụm số lượng hạn chế hàng xóm, Ni Trong trường hợp xấu nhất, phép tính dịng 15 lấy Ni lần có độ phức tạp O (Ni) Do đó, độ phức tạp tính tốn DCEER hàm tuyến tính O (m) + O (Ni) ≈ O (n), n ước số số nút cảm biến WSN Định lý Chi phí thơng báo DEER hàm đa thức O(N 2), N số nút cảm biến Chứng minh: Đối với Thuật toán 1, số lượng thông báo cần thiết để thiết lập cụm phụ thuộc vào thông báo ADV, JCR ACK (dòng 3, 17 20) Đối với mạng gồm N nút cảm biến, K cụm dự kiến, xem xét hoạt động nút dòng 3, số lượng tin ADV tối đa phát tới vùng lân cận K(N i (Ni + 1) / 2) ≈ KNi2, Ni số lượng nút cảm biến trung bình cụm Bởi N i = N / K, số lượng tin ADV tối đa gần với N2 / K Xem xét hoạt động dòng 17, số lượng tin ACK tối đa gửi đến đầu cụm (N - K) Tương tự, dòng 20, số lượng tin JCR tối đa phát tới cụm lân cận KNi Vì Ni = N / K nên số lượng tin JCR tối đa xấp xỉ N Do đó, trường hợp xấu nhất, tổng số tin trao đổi trình thiết lập cụm (N2 / K) + N Trong trường hợp xấu nhất, tổng số tin trao đổi trình thiết lập cụm (N2 / K) + N từ, chi phí thơng báo Thuật tốn O(N2) Hơn nữa, Thuật tốn 2, dễ dàng nhận thấy số lượng thông điệp cần thiết để xây dựng tuyến tỷ lệ thuận với số lượng liên kết tuyến Đối với mạng gồm K đầu cụm, tuyến dài khơng có vòng lặp chứa nhiều K đầu cụm (K - 1) liên kết Do đó, việc xây dựng tuyến đường khơng có vịng lặp u cầu tin O (K) trường hợp xấu Do đó, chi phí thơng báo DCEER hàm đa thức O(N 2) + O(K) ≈O (N2) Kết mô Độ trễ bước tối đa phụ thuộc vào độ trễ nhỏ từ nút xa đến nút chìm Để đảm bảo nút đầu cụm tìm đủ tuyến đường đến nút chìm, độ trễ đầu cuối giới hạn không nhỏ độ trễ nhỏ Ngoài ra, để giảm nhiễu nút cảm biến lân cận để đảm bảo nút đầu cụm tìm thấy đủ tuyến đến SINK mà không bị lỗi, đặt giá trị phạm vi truyền tối đa dựa giá trị RSSI Dựa [20], viết lại công thức sau để thể mối quan hệ khoảng cách (phạm vi truyền) RSSI WSN với n = cho không gian trống Sau đó, phạm vi truyền tối đa (khoảng cách) phụ thuộc vào giá trị RSSI ETx xác định Cơng thức (4) Trong tình mơ chúng tôi, đặt giá trị RSSI tối thiểu −91 dBm Mô thực cho WSN dựa cụm cách sử dụng trình mơ Castalia [21] tảng Ubuntu Chúng đặt thông số chung cho tất thử nghiệm sau Kích thước gói liệu 30 byte, l = 3, m = 6, lượng ban đầu nút joule, Eelec = 50 nJ / bit, efs = 10 pJ / bit / m2, emp = 0,0013 pJ / bit / m4, E aggr = nJ / bit, y = 250 bps, g = × 108 m / s a = b = 0,5 Các thông số khác thiết lập phù hợp với thử nghiệm cụ thể Trong kịch mô đầu tiên, đo số lượng thơng báo trung bình cần thiết để xây dựng tuyến đường hiệu lượng đáp ứng giới hạn độ trễ giới hạn, D Mô thực cho kích thước mạng khác 100, 200, 300, 400 500 nút cảm biến Đối với kích thước mạng, chúng tơi thay đổi giới hạn trễ 2, 4, 6, 10 s Đối với giá trị giới hạn độ trễ, thực năm thử nghiệm với kích thước mạng Áp dụng thuật tốn DCEER, chúng tơi đo số lượng thơng điệp trung bình trao đổi nút cảm biến Đối với mức độ tin cậy đặt thành 95%, khoảng tin cậy định cho giá trị giới hạn độ trễ tương ứng Hình Số lượng tin nhắn trung bình so với kích thước mạng Hình cho thấy số lượng thơng điệp trung bình so với kích thước mạng năm giá trị khác độ trễ giới hạn Cả năm đường cong số lượng tin nhắn trung bình tăng theo quy mô mạng Đối với giá trị độ trễ giới hạn nào, việc mở rộng quy mô mạng dẫn đến việc tăng số lượng thông báo trung bình lên tối đa 10% Điều làm cho DCEER phù hợp để triển khai cho WSN quy mô lớn Hình Hiệu suất Multihop-HEED, DEM DCEER Số lượng nút sống giới hạn trễ định sizeCH(i) số nút thành viên cụm thuộc đầu cụm i, E elec hệ số tổng hợp liệu, F số nút chuyển tiếp, dij khoảng cách từ đầu cụm i đến đầu cụm định nghĩa Phương trình (4) Sau đó, tổng lượng tiêu thụ cho vịng cho K số đầu cụm, N số nút cảm biến mạng Trong Multihop-HEED, nút tự chọn để trở thành đầu cụm với xác suất CHprob (i) = Copt (Ei / Emax), Ei lượng dư nút i, Emax lượng cực đại tham chiếu nút i, C opt số đầu cụm tối ưu đặt làm tỷ lệ phần trăm đầu cụm ban đầu số tất N nút cảm biến Đối với hoạt động Multihop-HEED, Định tuyến nguồn động [22] sử dụng để giao tiếp đầu cụm đầu cụm SINK Tuy nhiên, chọn tuyến tiết kiệm lượng để chuyển tiếp yêu cầu trả lời yêu cầu độ trễ đầu cuối ứng dụng Hơn nữa, DCEER DEM giao thức định tuyến đa bước liên cụm có tính đến độ trễ đầu cuối định định tuyến Mặc dù vậy, để giảm khơng gian tìm kiếm tiết kiệm lượng, DCEER sử dụng tuyến đường kết hợp thay số liệu kết hợp đề xuất [6], hàm chi phí kết hợp độ trễ tiêu thụ lượng Do đó, tổng lượng tiêu thụ truyền liệu sử dụng DCEER đáng kể so với sử dụng Multihop-HEED chút so với sử dụng DEM Điều dẫn đến việc nút cảm biến chết nhanh sau vòng MultihopHEED DEM so với DCEER Hình Do đó, DCEER kéo dài tuổi thọ mạng tốt so với Multihop-HEED DEM Trong kịch mô thứ ba, để đánh giá hiệu sử dụng lượng độ tin cậy việc truyền liệu, chúng tơi thực năm thí nghiệm với kích thước mạng khác giá trị độ trễ giới hạn, D = 2, 4, 6, 8, 10 Đối với mức tin cậy đặt thành 95%, kết hiển thị với khoảng tin cậy Hình Hiệu suất lượng tỷ lệ tổng liệu đạt SINK với tổng lượng tiêu thụ Trong Hình 6, Multihop-HEED khơng liên quan đến giới hạn độ trễ đầu cuối nên hiệu lượng khơng bị ảnh hưởng độ trễ đầu cuối giới hạn, DCEER cho thấy rõ ràng tác động độ trễ đầu cuối giới hạn hiệu lượng Đặc biệt, độ trễ end-toend bị giới hạn chặt chẽ (D = 2, 4), DCEER hiệu DEM Multihop-HEED mức tiêu thụ lượng Tuy nhiên, ràng buộc nới lỏng (D = 6, 8, 10), DCEER tiết kiệm lượng giao thức khác Đó Multi-HEED khơng cho phép cảm biến gửi liệu đến SINK chúng có liệu yêu cầu độ trễ ứng dụng mà chọn đầu cụm dựa lượng dư nút khoảng cách nút cảm biến Ngoài ra, DEM DCEER sử dụng sơ đồ cụm, tức hai chọn đứng đầu cụm dựa lượng dư nút khoảng cách nút cảm biến Tuy nhiên, DEM liên kết hệ số trễ vào hàm chi phí, nên khơng bị ảnh hưởng ràng buộc trễ ứng dụng Do đó, hạn chế độ trễ đầu cuối nới lỏng, DCEER tìm thấy nhiều tuyến lượng hiệu từ nút cảm biến đến SINK so với DEM Multihop-HEED làm ... 22 Thuật toán Heuristic phân tán để định tuyến hiệu lượng có giới hạn độ trễ mạng cảm biến khơng dây Tóm tắt: Bên cạnh việc hạn chế lượng, mạng cảm biến không dây (WSN) cung cấp độ trễ đầu... tuyến đa bước để cân mức tiêu thụ lượng độ trễ mạng [1] Thuật toán định tuyến độ trễ lượng * áp dụng cho nút cảm biến cụm ba bước thuật toán xây dựng chuỗi hiệu lượng áp dụng cho đầu cụm để xây dựng... Trong Hình 6, Multihop-HEED khơng liên quan đến giới hạn độ trễ đầu cuối nên hiệu lượng không bị ảnh hưởng độ trễ đầu cuối giới hạn, DCEER cho thấy rõ ràng tác động độ trễ đầu cuối giới hạn hiệu