tóm tắt đề án thạc sĩ nghiên cứu giao thức phân cụm sử dụng logic mờ để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Đồng Văn Hiệp

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC PHÂN CỤM SỬ DỤNG LOGICMỜ ĐỂ TĂNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện thôngMã số: 8.52.02.03

TÓM TẮT ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2024

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trương Cao Dũng, TS Bùi XuânKiên

MỞ ĐẦU

Mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network (WSN) đang đóng vai trò quan

trọng trong hạ tầng mạng IoT và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự,y tế, nông nghiệp, môi trường WSN thu thập thông tin từ môi trường và gửi đến trung tâmđể xử lý Tuy nhiên, mạng cảm biến gặp vấn đề về năng lượng và truyền dẫn do các nút cảmbiến có nguồn năng lượng hạn chế Cải thiện hiệu năng của mạng là ưu tiên hàng đầu trongnghiên cứu toàn cầu vì những ứng dụng quan trọng của WSN

Rất nhiều các nghiên cứu đã được thực hiện với mục đích cải thiện hiệu năng củamạng cảm biến không dây và trong đó cải thiện và kéo dài tuổi thọ của mạng là một trongnhững giải pháp hiệu quả nhất Thông qua các kĩ thuật khác nhau như cân bằng tải, phâncụm, định tuyến … tuổi thọ của mạng đã được cải thiện đáng kể Trong các cách tiếp cận đóthì phương pháp phân cụm đã chứng minh được tính hiệu quả và được ưu tiên sử dụng Tuynhiên, để có thể tìm ra một phương pháp phân cụm hiệu quả và tối ưu thì đó lại là một tháchthức không hề Trong đồ án này, tôi sẽ trình bày một số phương pháp phân cụm dựa trên kĩthuật Logic Mờ (Fuzzy Logic) và sử dụng công cụ Matlab để mô phỏng và đánh giá kết quả.Từ đó thể hiện được hiệu năng và việc phân bố sử dụng năng lượng của các phương phápphân cụm dựa trên Logic Mờ đã hiệu quả hơn so với các phương pháp phân cụm truyềnthống.

Nội dung đề án tốt nghiệp “Nghiên cứu giao thức phân cụm sử dụng Logic mờ để

tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây” được trình bày theo

3 chương như sau:

 Chương 1: Tổng quan về Mạng cảm biến không dây (WSN): Giới thiệu chung về

lịch sử phát triển cũng như ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây WSN; cáccấu trúc của mạng và vấn đề định tuyến và phân cụm của mạng

 Chương 2: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây: Trình bày về

một số tham số trong WSN và một số giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc mạngphẳng, vị trí và cấu trúc phân tầng Đưa ra các ưu điểm của các giao thức định tuyếncấu trúc phân tầng, trong đó phần phân cụm đóng vai trò quan trọng.

 Chương 3: Đề xuất giao thức phân cụm sử dụng logic mờ: Đề xuất giao thức phân

cụm dựa trên logic mờ, từ đó thử nghiệm trên các giao thức và đánh giá hiệu năngcủa giao thức đó.

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNGDÂY (WSN)

1.1 Giới thiệu chung về WSN

1.1.1 Mô hình kiến trúc mạng cảm biến không dây WSN

Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là một khái niệm đãđược phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1980, đặc biệt là với sự phát triển nhanhchóng của các thiết bị thông minh thì IoT mới trở thành một lĩnh vực được nhiều nhà khoahọc chú ý và có khả năng phát triển rộng rãi trong tương lai.

Mạng cảm biến không dây là một loại mạng không dây được tạo ra bằng cách kếthợp các cảm biến không dây và các nút mạng không dây để thu thập dữ liệu từ môi trườngvật lý và truyền dữ liệu đến các điểm cuối khác nhau Các cảm biến trong mạng này có thểthu thập dữ liệu về nhiều thông số khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ rung, độ ồn,áp suất và nhiều yếu tố khác Mô hình kiến trúc mạng cảm biến bao gồm các thành phần:

- Trường cảm biến: bao gồm các cảm biến- Thiết bị thu phát (Sink hoặc trạm gốc BS)

- Mạng truyền thông: có thể là Internet, vệ tinh, mạng di động…- Người dùng: quản lý các tác vụ

Có thể nói trong WSN thì nút cảm biến là thành phần rất quan trọng nó bao gồm: bộcảm biến, bộ lưu trữ và xử lý, bộ thu phát, bộ nguồn Trong đó các bộ cảm biến có thể cónhiều loại để phục vụ nhiều mục đích và ứng dụng khác nhau như: cảm biến nhiệt, cảm biếnvị trí, cảm biến quang, cảm biến rung…

1.1.2 Ứng dụng của Mạng cảm biến không dây

Với sự phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây hiện nay, các ứng dụngcủa chúng trải khắp các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, nông nghiệp (trồng trọt, chănnuôi…), cứu trợ thiên tai, tòa nhà thông minh, chăm sóc y tế, giao thông

1.2 Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là một xu hướng công nghệ quan trọng, WSN đã đónggóp đáng kể trong việc giám sát và quản lý môi trường vật lý, cung cấp thông tin chính xácvà chi phí hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau và vào sự phát triển kinh tế và xã hội,giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của con người và đáp ứng các nhu cầu của xã hội ngàycàng cao và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể bao gồm:

- Giám sát liên tục- Tiết kiệm chi phí

- Tự động hóa và tính tự động- Dễ dàng mở rộng và tích hợp - Tiết kiệm năng lượng

- Đa dạng ứng dụng

- Cung cấp thông tin tương tác và thời gian thực

Mặc dù WSN đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, nhưng vẫn còn tồn tại một số vấnđề cần được giải quyết để đảm bảo sự phát triển bền vững của công nghệ này và đem lại lợiích cho xã hội bao gồm:

- Tiêu thụ năng lượng- Quản lý dữ liệu

- Độ phức tạp và chi phí triển khai - Bảo mật và Quyền riêng tư- Quản lý tương tác và tổ hợp

Để khắc phục những nhược điểm hay hạn chế của mạng cảm biến không dây, có mộtsố phương pháp hay công nghệ như:

- Tiết kiệm năng lượng- Quản lý mạng hiệu quả- Tăng cường bảo mật

Trong đề án này chủ yếu tập trung vào việc khắc phục nhược điểm hay hạn chế của WSNbằng phương pháp sử dụng những thuật toán định tuyến hiệu quả.

1.3 Các kiểu mạng cảm biến không dây

1.3.1 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng, mọi nút đều có cùng một vị trí và chức năng, không có sựphân biệt Các nút có thể trực tiếp giao tiếp với trung tâm xử lý hoặc thông qua các nút trunggian để tạo thành một mạng lưới kết nối Trong phạm vi truyền dẫn cố định, các nút gầntrung tâm xử lý sẽ đảm nhận vai trò quan trọng hơn trong việc truyền tải dữ liệu, trong khicác nút xa hơn có thể phụ trách việc tạo thành bộ tiếp sóng cho số lượng lớn nguồn Giả sửrằng tất cả các nguồn sử dụng cùng một tần số để truyền dữ liệu, điều này cho phép chia sẻthời gian giữa các nguồn Tuy nhiên, hệ thống chỉ hoạt động hiệu quả khi chỉ có một nguồnduy nhất được chia sẻ, như thời gian hoặc tần số Ưu điểm của cấu trúc này là sự đơn giản

và dễ dàng triển khai, linh hoạt và có khả năng mở rộng Tuy nhiên, các hạn chế bao gồmchi phí triển khai lớn, vấn đề định tuyến phức tạp, sự phân tán của các nút gây khó khăntrong việc quản lý toàn cầu và tiêu thụ năng lượng không đồng đều.

1.3.2 Cấu trúc phân tầng

Để khắc phục nhược điểm của cấu trúc phẳng thì cấu trúc phân tầng được ra đời.Mạng cảm biến được chia thành các vùng được gọi là cụm, các nút trong cụm truyền dữ liệuđơn chặng hoặc đa chặng đến chủ cụm (Cluster Header-CH) Các chủ cụm truyền đơn hoặcđa chặng đến trạm thu phát (điểm xử lý trung tâm) Trong cấu trúc này, hệ thống sẽ phânchia các nút trong mạng thành các cấp bậc, cấp bậc thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận,cấp trung gian thực hiện tính toán và cấp cao nhất thực hiện chức năng phân phối dữ liệu.

1.4 Định tuyến và phân cụm trong WSN

1.4.1 Vấn đề định tuyến trong WSN

Trong mạng cảm biến không dây (WSN), định tuyến (routing) là quá trình xác địnhvà chọn lựa các đường dẫn dữ liệu từ các nút cảm biến đến trạm cơ sở (base station) hoặccác điểm mục tiêu khác trong mạng Định tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảodữ liệu được truyền đạt một cách hiệu quả, đáng tin cậy và tiết kiệm năng lượng Các thuậttoán định tuyến trong WSN thường cần xử lý một số vấn đề sau:

- Tiết kiệm năng lượng: Một trong những mục tiêu quan trọng của định tuyến trongWSN là tiết kiệm năng lượng Việc chọn các đường dẫn ngắn và hiệu quả giúp giảmthiểu tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến, kéo dài tuổi thọ của pin và giảm chiphí bảo trì

- Độ trễ và độ tin cậy: Đối với các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, độ trễ trong việctruyền dẫn dữ liệu cần được giảm thiểu Đồng thời, việc đảm bảo độ tin cậy củađường dẫn là một yếu tố quan trọng trong việc chọn lựa thuật toán định tuyến.

1.4.2 Vấn đề phân cụm trong WSN

Trong mạng cảm biến không dây (WSN), phân cụm (clustering) là một phương phápquản lý mạng bằng cách chia các nút cảm biến thành các nhóm nhỏ gọi là cụm Mỗi cụmthường bao gồm một số lượng các nút cảm biến được tổ chức một cách logic và chức năng.Một trong những nút trong cụm thường được chọn làm nút chủ (cluster head) để điều phốivà quản lý các hoạt động trong cụm Trong nhiều trường hợp, các thuật toán định tuyếntrong WSN thường được thiết kế để hoạt động phối hợp với các thuật toán phân cụm

1.5 Kết luận chương

Chương 1 của đề án đã giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây WSN như lịchsử hình thành, những thành tựu đã đạt được trong những năm qua và một số thách thức vàvấn đề của WSN Bên cạnh đó chương 1 cũng đã trình bày các cấu trúc hay các kiểu mạngcảm biến không dây thông dụng Hơn nữa, vấn đề định tuyến và phân cụm của mạng cảmbiến không dây cũng đã được đề cập.

CHƯƠNG 2 – GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢMBIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Giới thiệu chung

Mạng cảm biến không dây (WSN) đang đóng vai trò quan trọng trong cơ sở hạ tầngmạng truyền thông IoT hiện nay và được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực Mạngcảm biến không dây có khả năng thu thập thông tin, dữ liệu từ môi trường sau đó gửi đếntrung tâm để xử lý dữ liệu Phần lớn các mô hình mạng các nút cảm biến đều gặp phải vấnđề về năng lượng do các nút cảm biến thường có nguồn năng lượng hạn chế cũng như cácvấn đề về truyền dẫn Vì những ứng dụng quan trọng của mạng cảm biến không dây mà việccải thiện hiệu năng của mạng luôn là những vấn đề quan trọng và là ưu tiên hàng đầu củacác nhà nghiên cứu trên toàn thế giới Do đó cần phải hiểu rõ các thách thức, hạn chế củamạng cảm biến không dây để có thể thiết kế được những giao thức, thuật toán tối đa đượchiệu năng của mạng cảm biến không dây Để có thể tối đa được hiệu năng và thời gian hoạtđộng của mạng ta cần phải thiết kế các giao thức hoặc các thuật toán phù hợp Một trongnhững cách hiệu quả để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống đó là sử dụng định tuyến hay nhữngthuật toán định tuyến hiệu quả Rất nhiều các nghiên cứu đã được thực hiện với mục đíchcải thiện hiệu năng của mạng cảm biến không dây và trong đó cải thiện và kéo dài tuổi thọcủa mạng là một trong những giải pháp hiệu quả nhất thông qua các kĩ thuật khác nhau nhưcân bằng tải, phân cụm, định tuyến … tuổi thọ của mạng đã được cải thiện đáng kể

2.2 Một số tham số sử dụng trong WSN

Để tối ưu hóa các thuật toán hay giao thức thì cần phải biết được những tham số quantrọng trong mạng cảm biến không dây Trong phần này những phân tích đánh giá được nêura trong quá trình phát triển một mạng cảm biến.

2.2.1 Năng lượng nút cảm biến

Năng lượng của một nút cảm biến là một tham số quan trọng trong mạng cảm biếnkhông dây Một nút cảm biến được coi là "chết" khi nút tiêu thụ hết năng lượng của nó.Thời gian sống của một nút được xác định thông qua việc tính mức năng lượng của nút saumỗi một vòng truyền nhận dữ liệu Tham số này ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian sống vàhiệu năng của mạng cảm biến không dây Mức năng lượng ban đầu của nút cảm biến được

gọi là năng lượng khởi tạo EInitial Mức năng lượng của nút cảm biến sau mỗi vòng được gọi

là năng lượng dư ERe và sẽ tiêu hao sau mỗi vòng theo mô hình tiêu hao năng lượng Năng

lượng dư hay năng lượng còn lại của nút được tính theo công thức (2.1).

Khi r = 0, tương ứng với trạng thái ban đầu của nút thì ERe = EInitial và R là số vòng truyền

nhận cuối cùng, tương ứng với lúc mạng ngừng hoạt động.

2.2.2 Mật độ nút mạng

Khi triển khai mạng cảm biến không dây, mật độ nút cảm biến được sử dụng cũng làmột tham số cần được quan tâm Tham số này sẽ ảnh hưởng tới sự phân bố của các nútmạng trong môi trường cảm biến là dày đặc hay thưa thớt, do đó sẽ ảnh hưởng tới dữ liệucảm biến thu thập được nếu mật độ quá thấp mạng sẽ không thu thập được đầy đủ thông tintừ môi trường, nếu mật độ quá cao dữ liệu cảm biến giữa các nút cảm biến có thể bị trùngnhau và cần phải xử lý thêm; ngoài ra mật độ cũng ảnh hưởng tới khả năng truyền thônggiữa các nút mạng, quá thấp sẽ tốn năng lượng để truyền thông, quá cao thì sẽ có quá nhiềubản tin quảng bá tranh chấp với nhau Tham số về mật độ được thể hiện qua công thức 2.2.

Trong đó ρ được coi là mật độ nút (nút/m2), n là số nút trên một đơn vị diện tích S.

2.2.3 Thời gian sống của mạng

Đã có rất nhiều các nghiên cứu được thực hiện để nâng cao hiệu năng của mạng cảmbiến không dây và một trong những cách tiếp cận là cải thiện thời gian sống - thời gian hoạtđộng của mạng Mục đích chính của một số các giao thức hay thuật toán là thực hiện tiêuthụ cân bằng và hiệu quả nguồn năng lượng ít ỏi của nút cảm biến và từ đó kéo dài đượcthời gian sống của mạng, giúp mạng hoạt động hiệu quả đầy đủ các chức năng Tham sốthời gian sống của mạng được sử dụng để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng trongmạng cảm biến không dây Tuy nhiên, tuỳ vào tình hình của mạng mà tham số này đượcđánh giá dựa trên số nút chết như 50% nút chết, 75% nút chết hay 100% nút chết

2.2.4 Số bước nhảy

Số bước nhảy được định nghĩa là số lần một gói tin được chuyển tiếp từ nút nguồntới nút đích Tham số này thường được sử dụng để đánh giá hiệu năng của mạng cảm biếnkhông dây Nếu giảm số bước nhảy có thể giảm được tiêu hao năng lượng nhờ đó cải thiện

được thời gian sống của mạng do giảm thiểu số lần chuyển tiếp dữ liệu của nút tuy nhiên lạicó thể gây ra vấn đề "điểm nóng" do nhiều nút trên mạng sẽ chịu tải lớn hơn Vì vậy việc sửdụng số bước nhảy hợp lý trong các giao thức, thuật toán là rất quan trọng trong việc cânbằng tải cho các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây.

2.2.5 Chi phí

Hình 2.1 Phân bố của nút cảm biến

Chi phí hay được gọi là giá hoặc chi phí giữa các nút mạng hoặc từ nút cảm biến tớinút gốc Trong hầu hết các mô hình mạng đặc biệt là mô hình đa bước (MM) chi phí luôn làmột tham số quan trọng mà các nhà thiết kế để ý tới trong việc thiết kế phân bố các nútmạng và thường được sử dụng thông qua tham số khoảng cách giữa các nút mạng Tham sốnày phản ánh thực tế chi phí về năng lượng mà nút mạng tiêu tốn khi mỗi lần định tuyến.

Với mạng cảm biến không dây như trong hình 2.1 ta có thể thấy chi phí giữa hai nút

bất kỳ SNi và SNj được tính bởi công thức 2.3 áp dụng công thức tính khoảng cách Euclid.

Cost(S Ni, S Nj)=√ (xSNi− xSNj)2+(ySNi− ySNj)2 (2.3)

Và cost giữa SN1 và BS thông qua nút SN2 được tính bởi công thức 2.4.

Cost(S N1,BS)=√ (xSN1−xSN2)2+(ySN1− ySN2)2+√ (xSN2−xBS)2+(ySN2− yBS)2 (2.4)

2.3 Mô hình tiêu thụ năng lượng trong WSN

Mối quan tâm của các thuật toán định tuyến sử dụng trong mạng cảm biến không dâylà mức tiêu hao năng lượng của toàn hệ thống Hình 2.2 là mô hình giả định trong đó máyphát tiêu thụ năng lượng để chạy thiết bị điện tử vô tuyến, bộ khuếch đại công suất và máythu tiêu hao năng lượng để chạy thiến bị điện tử vô tuyến Khoảng cách giữa máy phát và

máy thu “d” là nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm công suất Suy hao lan truyền có thể

được mô hình hóa là tỷ lệ nghịch với 𝑑 đối với khoảng cách tương đối ngắn và tỷ lệ nghịchvới 𝑑4 đối với khoảng cách xa hơn Việc điều chỉnh công suất có thể được sử dụng để đảongược sự suy hao này bằng cách đặt bộ khuếch đại công suất ở máy thu để đảm bảo một

công suất nhất định Để chuyển tiếp một bản tin k-bit đến một khoảng cách d, ta có mô hình

tiêu tán năng lượng vô tuyến được thể hiện trong hình 2.2.

Hình 2.2 Mô hình tiêu hao năng lượng vô tuyến

Năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào một vài yếu tố như mã hoá kỹ thuật số, điều chếvà lọc tín hiệu trước khi dữ liệu gửi tới máy phát do đó ta có công thức mức tiêu thụ nănglượng cần thiết cho việc truyền k bit dữ liệu được xác định theo công thức (2.5) sau:

Và công thức mức tiêu thụ năng lượng của máy thu khi nhận k bit dữ liệu:

Trong đó, Eelec là năng lượng truyền 1 bit dữ liệu, εfs và εmp lần lượt hệ số khuếch đại trongkhông gian tự do và đa đường, d0 là ngưỡng giá trị khoảng cách được tính:

2.4 Một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

2.4.1 Giao thức dựa trên cấu trúc mạng phẳng

Trong các giao thức dựa trên dạng phẳng, tất cả các nút đóng vai trò như nhau vàhoàn toàn không có sự phân cấp Giao thức định tuyến phẳng phân phối thông tin khi cầnthiết tới bất kỳ nút cảm biến nào có thể tiếp cận trong mạng cảm biến Không cần nỗ lực nào