Mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây (tt)

Mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.TRẦN CÔNG HÙNG

(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

3 Mục đích của đề tài nghiên cứu mô hình cân bằng năng lƣợng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây

Dự kiến kết quả đạt được:

- Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm biến không dây: khái niệm,

các thành phần cơ bản về cân bằng năng lượng và độ trễ của mạng cảm biến

- Cài đặt thuật toán LEACH, SEP, để làm mục tiêu, kết quả mô

phỏng

- Tìm hiểu lý thuyết và cài đặt, cải tiến về kỹ thuật cân bằng

năng lượng theo sự kiện được đề xuất

- Trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu, đề tài sẽ thực hiện mô

phỏng để phân tích và so sánh hiệu quả cân bằng năng lượng và

độ trễ của thuật toán được cải tiến đề xuất và các thuật toán có sẵn

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây

Đối tượng nghiên cứu:

Phân tích giao thức HEED, LEACH, SEP, OEDSR, giao thức định tuyến phân cụm, giải thuật tối ưu bầy đàn và hiệu năng mạng cảm biến không dây sử dụng các giao thức này

Phạm vi nghiên cứu:

- Tập trung nghiên cứu về các giao thức LEACH, SEP,

OEDSR, giải thuật tối ưu bầy đàn được sử dụng, mô hình trong

mạng cảm biến không dây

- Tìm hiểu công cụ MATLAB 2012b, OMNeT++, NS2 dùng

để mô phỏng về mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ cho toàn mạng lưới

- Cài đặt và đánh giá, so sánh hiệu quả của các thuật toán đã

có với thuật toán được đề xuất cải tiến

5 Phương pháp nghiên cứu mô hình cân bằng năng lượng

và độ trễ trong mạng cảm biến không dây

Phương pháp tài liệu: Thu thập thông tin về mạng cảm biến các yêu cầu về năng lượng và độ trễ trên các tạp chí trong nước, nước ngoài, các diễn đàn trên Internet

Phương pháp thực nghiệm: Cài đặt và so sánh các giải thuật và đưa ra giải thuật cho mô hình đa chặng đang được tìm hiểu và nghiên cứu

6 Đóng góp của đề tài mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây

Ứng dụng được trong việc truyền tải dữ liệu trong mô hình mạng cảm biến không dây, được cân bằng năng lượng và độ trễ, nhằm giải quyết vấn đề tối ưu việc sử dụng năng lượng có giới hạn

Đề tài sẽ mô phỏng và đánh giá được kết quả mới sẽ tối ưu hơn

ở một số trường hợp cụ thể nhất định

7 Cấu trúc các chương

Chương 1: Cơ sở lý luận

Chương 2: Lý thuyết về kỹ thuật phân cụm

Chương 3: Giải thuật và phương án đề xuất cho mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ

Chương 4: Cài đặt mô phỏng và đánh giá

Chương 1- CƠ SỞ LÝ LUẬN

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.1.1 Giới thiệu

1.1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.2 Thách thức về tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây

1.3 Kết luận chương 1

Chương 2 - LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT PHÂN CỤM

2.1 Mô hình sóng Radio[1]

2.2 LEACH [1][2]

Nút chủ cụm thiết lập bản tin định thời TDMA và truyền tới các nút thành viên trong cụm; Mỗi cụm sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access), một cụm có một mã trải phổ (spread code) duy nhất; Nút chủ gửi dữ liệu tới BS sử dụng một mã trải phổ cố định, và dùng cơ chế CSMA

để tránh xảy ra xung đột với nút chủ cụm

LEACH thực hiện phân cụm bằng việc sử dụng giải thuật phân tán, các nút tự quyết định mà không cần bất cứ sự điều khiển nào

Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu việc giao tiếp với trạm gốc, do đó tránh được việc tiêu hao năng lượng nếu các nút ở

xa trạm gốc Đồng thời việc hình thành các cụm phân tán có thể được thực hiện mà không cân biết chính xác vị trí của các nút trong mạng Thêm vào đó, nó không yêu cầu sự liên lạc toàn cục trong pha thiết lập cụm và không có giả thiết nào về trạng thái hiện tại của các nút khác trong quá trình hình thành cụm

Lựa chọn nút chủ cụm Khi các cụm đươc tạo ra, mỗi nút tự động quyết định nó có là nút chủ cho vòng tiếp theo hay không Quá trình chọn lựa diễn ra như sau: mỗi nút cảm biến chọn một số ngẫu

nhiên giữa 0 và 1 Nếu con số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút đó trở thành nút chủ

Trong pha phân cụm, một nút sensor lựa chọn làm CH và nhỏ

hơn

ngưỡng T(n):

Trong đó: p là tỉ lệ phần trăm chủ cụm

r là chu kì hiện tại

G là tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì trước

LEACH không xét mức năng lượng còn lại để lựa chọn nút chủ,

mà căn cứ vào số lần đã trở thành nút chủ trong các vòng trước đó Nếu nút ở xa trạm gốc (BS) sẽ làm tiêu hao năng lượng nhiều

P quyết định số lượng trung bình các nút chủ trong một vòng,

r là số vòng hiện tại Dùng thuật toán này thì mỗi nút sẽ là nút chủ đúng một lần trong 1/P vòng Chú ý rằng sau 1/P-1 vòng, T1(n)=1 với tấc cả các nút chưa được làm nút chủ Khi một nút được chọn làm nút chủ, nó sẽ thông báo tới tấc cả các nút khác Các nút không phải là nút chủ dùng những bản tin này từ các nút chủ để chọn cụm

 2 7 otherwise

0

G

n if )

1 mod (

* 1 ) (

P

P n

T

mà chúng muốn tham gia dựa trên cường độ tín hiệu nhận được bản tin này Sau khi các nút chủ đã được hình thành, nó sẽ quyết định

mô hình TDMA cho các nút tuỳ thuộc từng cụm, quảng bá mô hình

và sau đó pha trạng thái tĩnh bắt đầu

Hình 2.2 : Mô hình truyền dữ liệu của LEACH

Sau 1 vòng, tấc cả các chủ cụm tổng hợp dữ liệu từ các nút cảm biến về sau đó chuyển đến nút BS

Chương 3 - GIẢI THUẬT VÀ PHƯƠNG ÁN ĐỀ

XUẤT CHO MÔ HÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG VÀ ĐỘ TRỄ

3.1 Tổng quát về mô hình năng lượng

Hình 3.1: Mô tả truyền dữ liệu cho thuật toán đề xuất dạng liên cụm

If (năng lượng Ei > 0 && Nút chưa xét (G=0))

- Xét điều kiện Nút bình thường:

+ Chọn nút CH từ nút bình thường + Gửi đến nút chuyển tiếp R

+ Tính lại năng lượng Ei

- Xét điều kiện Nút ưu điểm:

+ Chọn nút CH từ nút ưu điểm + Gửi đến nút chuyển tiếp R + Tính lại năng lượng Ei End if

Kết thúc vòng lặp n

{

Gửi gói từ nút chuyển tiếp(CH) đến BS

Tính năng lượngcòn lại nút chuyển tiếp Er

 Nút cảm biến {

Tìm nút chủ cụm gần nhất để gửi thông tin Tính lại năng lượng

} Kết thúc lặp Rmax

3.3 Mô hình Độ trễ cho giao thức LEACH [5]

BS – SINK: Trạm gốc

: Nút Chủ cụm : Nút bình thường

d : Khoảng cách từ CH đến BS

: Chiều cao của angten truyền tín hiệu

: (lamda)- Độ dài của sóng tín hiệu

Gt : Tín hiệu truyền của Angten đạt được

Gr : Tín hiệu nhận của Angten đạt được

Thông số Angten được sử dụng như sau:

Gt = Gr = 1, ht = hr = 1.5m, L = 1 (hệ thống bình thường) Tần số vô tuyến 914 MHz, and λ =3*108 / 914*106 =

dtrans (transmission delay) : Độ trễ truyền tải

dprop (propagation delay) : Độ trễ lan truyền

dproc (processing delay): Độ trễ xử lý

dqueue (Queuing delay) : độ trễ hàng đợi

Mỗi nút sẽ có các thành phần riêng biệt như là: dtrans (transmission delay), dprop (propagation delay), dproc (processing delay)

Ở đây bỏ qua độ trễ hàng đợi dqueue (Queuing delay)

Sau đây sẽ khái quát hơn về bốn thành phần được giới thiệu ở trên

- Nút xử lý:

o Kiểm tra bit bị lỗi

o Xác định liên kết đầu ra

- Hàng đợi:

o Thời gian chờ đợi tại liên kết đầu ra cho việc truyền

o Phụ thuộc vào mức độ tắc nghẽn của nút

- Độ trễ truyền tải:

o R = băng thông của liên kết ( bit / s)

o L = chiều dài gói tin (bits) Vậy thời gian để gửi các bits cho một liên kết = L / R

- Độ trễ lan truyền:

o d = Chiều dài của liên kết vật lý

o s = tốc độ lan truyền trong môi trường Vậy độ trễ lan truyền = d / s

3.3.3 Thuật toán Độ trễ cho các nút bình thường có chung Chủ cụm

BS – SINK: Trạm gốc

: Nút A đến trạm gốc

Hình 3.3: Mô tả về mô hình áp dụng tính toán độ trễ cho 1 bài toán

cụ thể

Theo mô hình trên có 2 nút chính đó là nút A và nút BS, được kết nối với nhau thông qua một liên kết có tốc độ truyền R Mbps Khoảng cách giữa 2 điểm này là m meters, tốc độ lan truyền liên kết này là s meters / sec Cuối cùng là Nút A sẽ gửi đến nút BS 1 gói tin

Năng lƣợng:

+ Đưa ra mô hình năng lượng theo dạng liên cụm, sau khi bầu chọn Chủ cụm xong thì sẽ chuyển tiếp dữ liệu này đến 1 chủ cụm gần BS nhất, nhằm giải quyết vấn đề một Chủ cụm ở xa BS-Sink, tránh tiêu hao nhiều năng lượng trong việc truyền nhận

dữ liệu

+ Trong mô hình đề xuất này, đã đưa ra một kỹ thuật sẽ được áp dụng nhiều trong thực tế, trong cuộc sống, do điều kiện

tự nhiên rất khác nhau Nên việc chọn một trạm BS- Sink ở xa

để thu nhận tín hiệu dữ liệu là một trường hợp rất bình thường

Độ trễ:

+ Đưa ra một mô hình độ trễ cho giải thuật LEACH, được áp dụng tính toán độ trễ rất cụ thể từ các nút bình thường đến Chủ cụm (CH) mà nó được quản lý và đến nút BS- SINK

+ Tìm hiểu chi tiết về bài toán độ trễ cho việc truyền nhận

dữ liệu với các thông số quan trọng liên quan và sẽ được áp dụng

mô phỏng cụ thể ở chương 4 tiếp theo

Chương 4 - CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ

Cài đặt thuật toán đã có và thuật toán được đề xuất ở chương 2, 3 để đánh giá được mức độ cải thiện, về việc cân bằng tải năng lượng trong mạng cảm biến không dây theo hướng sự kiện

Bảng 4.1: Các thông số mô phỏng đánh giá

Tên thông số Giá trị thông số

Năng lượng ban đầu 0.5J

Tọa độ nút BS (x,y) 1 x 0.8

Năng lượng truyền E RX = E TX 50nJ / bit

Tổng hợp dữ liệu E DA 5nJ / bit / report

Truyền khuếch đại

4.1 Cài đặt mô phỏng giải thuật LEACH

Hình 4.1: Mô tả cài đặt tấc cả các thuật toán đƣợc thực hiện 100 sensor,

đi qua 1000 vòng, tọa độ nút BS đặt ở vị trí x=1, y=0.8

Hình 4.2: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán LEACH, thực hiện 100 nút sensor đi qua 1000 vòng, cho thấy nút đầu

tiên chết ở vòng thứ round = 254

4.2 Cài đặt mô phỏng giải thuật SEP

Hình 4.3: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán SEP, thực hiện 100 nút sensor đi qua 1000 vòng, cho thấy nút đầu

tiên chết ở vòng thứ round = 246

4.3 Cài đặt mô phỏng giải thuật cân bằng năng lƣợng

Hình 4.4: Thể hiện mức tiêu hao năng lƣợng khi cài đặt thuật toán

đề xuất, thực hiện 100 nút sensor đi qua 1000 vòng, cho thấy nút

đầu tiên chết ở vòng thứ round = 323

4.4 So sánh kết quả về năng lượng được mô phỏng Thuật toán

đề xuất BALANCED và LEACH, SEP

0 10 20 30 40 50 60 70 80

LEACH SEP BALANCED

lượng ở mỗi vòng của mạng lưới

4.6 Bảng so sánh kết quả về mức tối ƣu năng lƣợng

Hình 4.6: Kết quả tối ƣu về năng lƣợng ở mỗi thuật toán đƣợc thực hiện

100 nút, thì nút hết năng lƣợng đầu tiên của LEACH là vòng thứ 253,

SEP là vòng thứ 246, BALANCED là vòng thứ 323

4.7.1 Độ trễ của các nút bình thường thuộc vùng quản lý của

Chủ cụm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.00E+000

1.00E+011 2.00E+011 3.00E+011 4.00E+011 5.00E+011

4.7.2 Độ trễ của chủ cụm đến BS/SINK

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1.00E+011

1.50E+011 2.00E+011 2.50E+011 3.00E+011 3.50E+011 4.00E+011 4.50E+011 5.00E+011

4.7.3 Tính tổng độ trễ từ nút bình thường thuộc Chủ cụm

mà nó trực tiếp quản lý đến nút BS/SINK

1.00E+011 2.00E+011 3.00E+011 4.00E+011 5.00E+011 6.00E+011 7.00E+011

4.8 Công cụ Mô phỏng thuật toán

Phần mềm MATLAB 2012b (64 bit) để cài đặt thuật toán, mô phỏng thuật toán

Phần mềm ORIGINPRO 8.5.1 để vẽ sơ đồ mô phỏng kết quả thuật toán

4.9 Kết luận chương 4

- Về độ trễ: Đưa ra hướng đề xuất, sau đó mô phỏng, tính toán được độ trễ cho giải thuật LEACH, bài toán tính độ trễ cho tấc cả các nút trong mô hình mạng cảm biến

- Về năng lượng: Mô phỏng, tính toán được năng lượng tiêu hao theo mô hình liên cụm, tránh tiêu hao năng lượng đáng kể, nhằm giải quyết được bài toán khi một chủ cụm ở xa với trạm gốc

4.10 Kết luận và hướng phát triển

Về độ trễ:

Đưa ra mô hình đề xuất mới cho thuật toán LEACH, được cài đặt thuật toán và mô phỏng rất chi tiết cụ thể cho thuật toán này, với thời gian độ trể tính từ các nút thuộc CH, sau đó tính độ trể từ CH đến BS và cuối cùng là tính tổng độ trể từ nút thành viên thuộc CH đến BS cho mỗi cụm thuộc vùng BS quản lý

Phát triển lên mô hình đa chặng

Về năng lượng:

Đưa ra mô hình đề xuất mới cho thuật toán cân bằng năng lượng,

làm cho giảm thời gian tiêu hao năng lượng của 1 nút, đồng thời kéo dài tuổi thọ cho mạng lưới Trong mô hình đề xuất này, đã mô phỏng và so sánh được với thuật toán LEACH, SEP Qua kết quả cho thấy đã tối ưu hơn về số nút chết và kéo dài tuổi thọ mạng lưới lâu hơn

Cài đặt thuật toán đề xuất theo dạng bầu chọn chủ cụm tĩnh