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

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

ĐÀM MINH LỊNH

MÔ HÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG VÀ ĐỘ TRỄ

TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

ĐÀM MINH LỊNH

MÔ HÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG VÀ ĐỘ TRỄ

TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN

MÃ SỐ: 60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.TRẦN CÔNG HÙNG

TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP.HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2016

Học viên thực hiện luận văn

Đàm Minh Lịnh

LỜI CÁM ƠN

Trong thời gian học tập vừa qua, ở Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, cơ sở 2 Thành phố Hồ Chí Minh và giờ đây em đã hoàn thành đề tài môn học Phương pháp Nghiên cứu khoa học

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, đã hết lòng quan tâm, truyền đạt những kiến

thức, kinh nghiệm quý báu và đặc biệt là Thầy P G S T S TRẦN CÔNG HÙNG

đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành tốt đề tài này Chính nhờ sự giúp đỡ của Thầy đã mang lại cho em những kiến thức vô cùng quý giá trong học tập cũng như trong cuộc sống và là hành trang vững chắc tiếp bước trong tương lai

Tiếp đến, cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn trong lớp, đã chia sẻ những khó khăn, thuận lợi trong thời gian học vừa qua

Qua đây, em xin kính chúc Thầy giáo TRẦN CÔNG HÙNG thật nhiều sức khỏe để thành công trong công việc trồng người, ươm mầm tốt cho thế hệ mai sau

Em xin trân trọng cảm ơn!

TP.HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2016

Học viên thực hiện luận văn

Đàm Minh Lịnh

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các thuật ngữ, các chữ viết tắc v

Danh mục các bản vi

Danh mục các hình vẽ vii

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1

3 Mục đích của đề tài nghiên cứu mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong WSN 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong WSN 3

5 Phương pháp nghiên cứu mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong WSN 3

6 Đóng góp của đề tài mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong WSN 4

7 Cấu trúc các chương 4

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 5

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 5

1.1.1 Giới thiệu 5

1.1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 5

1.2 Thách thức về tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây 6

1.3 Kết luận chương 1 7

Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT PHÂN CỤM 8

2.1 Mô hình sóng Radio 8

2.2 LEACH 9

2.3 LEACH–C 14

2.4 PEGASIS 15

2.5.Thuật toán OEDSR 16

2.6 Kết luận chương 2 17

Chương 3: GIẢI THUẬT VÀ PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT CHO MÔ HÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG VÀ ĐỘ TRỄ 19

3.1 Tổng quát về mô hình năng lượng 19

3.2 Thuật toán 21

3.3 Mô hình Độ trễ cho giao thức LEACH 22

3.3.1 Mô hình tổng quát 22

3.3.2 Thành phần của độ trễ 23

3.3.3 Thuật toán Độ trễ cho các nút bình thường có chung Chủ cụm 24

3.3.4 Phân tích và áp dụng cho bài toán về tính toán độ trễ 24

3.5 Kết luận chương 3 26

Chương 4: CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 27

4.1 Cài đặt mô phỏng giải thuật LEACH 28

4.2 Cài đặt mô phỏng giải thuật SEP 30

4.3 Cài đặt mô phỏng giải thuật đề xuất 31

4.4 So sánh kết quả về năng lượng được mô phỏng Thuật toán đề xuất BALANCED và LEACH, SEP 32

4.5 Kết quả mô phỏng về độ trễ cho thuật giáo thức LEACH 32

4.6 Bảng so sánh kết quả về mức tối ưu năng lượng 33

4.7 Kết quả mô phỏng về độ trễ 34

4.7.1 Độ trễ của các nút bình thường thuộc vùng quản lý của Chủ cụm 35

4.7.2 Độ trễ của chủ cụm đến BS/SINK 36

4.7.3 Tính tổng độ trễ từ nút bình thường thuộc Chủ cụm mà nó trực tiếp quản lý đến nút BS/SINK 37

4.8 Công cụ Mô phỏng thuật toán 37

4.9 Hướng phát triển 37

4.10 Kết luận chương 4 38 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 39-40

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

OEDSR Optimized Energy-Delay

Sub-network Routing

Tối ƣu Độ trễ-năng lƣợng định tuyến mạng con

PEGASIS Power-Efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Tập trung hiệu suất thu thập trong hệ thống thông tin cảm biến

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây LEACH-C Low Energy Adaptive Clustering

Hierarchy Centralized

Phân cấp theo cụm trung tâm thích ứng năng lƣợng thấp TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo

mã CDMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng

mang TDMA Time Division Multiplexing Access Đa truy cập phân chia theo

thời gian

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Các thông số mô phỏng đánh giá 27

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Mô tả mạng lưới cảm biến không dây 1

Hình 2.1: Mô hình phân tán năng lượng Vô tuyến 8

Hình 2.2: Mô hình truyền dữ liệu của LEACH 11

Hình 2.3: Giải thuật hình thành cluster trong LEACH 12

Hình 2.4: Lưu đồ hoạt động ở pha ổn định của LEACH 13

Hình 2.5: Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng 13

Hình 2.6: Pha thiết lập của LEACH-C 14

Hình 2.7: Mô tả hướng truyền dữ liệu của thuật toán PEGASIS 16

Hình 3.1: Mô tả truyền dữ liệu cho thuật toán đề xuất dạng liên cụm Multihop 19

Hình 3.2: Mô tả về mô hình tổng quát độ trễ cho thuật toán LEACH 22

Hình 3.3: Mô tả về mô hình áp dụng tính toán độ trễ cho 1 bài toán cụ thể 25

Hình 4.1: Mô tả Cài đặt tấc cả các thuật toán được thực hiện 100 nút 28

Hình 4.2: Thể hiện mức tiêu hao năng lượng khi cài đặt thuật toán LEACH 29

Hình 4.3: Thể hiện mức tiêu hao năng lượng khi cài đặt thuật toán SEP 30

Hình 4.4: Thể hiện mức tiêu hao năng lượng khi cài đặt thuật toán đề xuất BALANCED 31

Hình 4.5:Thuật toán được đề xuất được tối ưu năng lượng nhất và thể hiện mức tiêu hao năng lượng hơn ở mỗi vòng của mạng lưới 32

Hình 4.6: Kết quả tối ưu về năng lượng ở mỗi thuật toán được thực hiện 100 nút, thì nút hết năng lượng đầu tiên của LEACH là vòng thứ 253, SEP là vòng thứ 246, BALANCED là vòng thứ 323 33

Hình 4.7: Mô tả độ trễ được phân cụm nhiều vùng khác nhau, của từng vị trí nút bình thường, nút CHs, BS-SINK 34

Hình 4.8: Mô tả tính tổng độ trễ các nút bình thường thuộc vùng mà Chủ cụm của nó quản lý 35

Hình 4.9: Mô tả độ trễ của từng vị trí nút CHs đến BS-SINK 36

Hình 4.10: Mô tả tổng độ trễ của từng vị trí các nút cảm biến bình thường đến CHs và đến BS-SINK 37

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đã và đang được mô hình hóa phát triển, mọi ngành nghề cần được cũng cố và phát triển để sánh vai cùng với các nước bạn năm châu anh em Trong đó có ngành công nghệ thông tin, lĩnh vực này đóng vai trò hết sức quan trọng trong nhiều hình thái như là Kinh tế, xã hội, quân sự, văn hóa,… Và xem đó như là nhiệm vụ then chốt trong việc điều tiết quản

lý vĩ mô của cả hệ thống mạng lưới liên lạc toàn cầu Mạng lưới thông tin dữ liệu được chia sẽ tài nguyên với nhau, ngày càng quan trọng hơn trong mọi lĩnh vực, để đáp ứng nhu cầu rất lớn về trao đổi thông tin, dữ liệu Mặt khác giúp chúng ta gần nhau hơn nữa

Chính vì thế mạng cảm biến không dây (WSN) được hình thành và phát triển, nhằm đáp ứng nhu cầu trong thực tế trong xã hội để thay thế con người, làm việc trong môi trường trong điều kiện còn giới hạn như giám sát, cảm biến nhiệt độ cháy rừng, cảm biến nhiệt độ thiết bị card điều khiển Router Cisco, theo dõi nhiệt

độ công ty, nhà máy

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Hình 1: Mô tả mạng lưới cảm biến không dây

Ngày nay, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhằm thay thế cho con người trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp còn nhiều hạn chế Nhiều nhà nghiên cứu, chuyên gia,

kỹ sư đã thiết kế linh kiện, ứng dụng, thuật toán sao cho thật tối ưu, nhằm giải quyết hai vấn đề lớn đó chính là năng lượng được tiết kiệm và độ trễ chấp nhận được của toàn mạng lưới Trong mạng cảm biến không dây đồng nhất là các nút cảm biến có một mức năng lượng ban đầu là như nhau, sau đó sẽ thiết lập nút chủ cụm 1 -CH1 (ClusterHead1) và nút này có nhiệm vụ thu thập, tập trung dữ liệu từ các sensor thành viên của nó, sau đó sẽ đóng gói dữ diệu chuyển đến chủ cụm CH2 (ClusterHead2) và cứ chuyển dần đến trạm BS (Base station) / Sink Mô hình dữ liệu này tạm gọi là chuỗi (mắc xích) liên kết với nhau của các CH

Mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ được dựa chủ yếu vào pha thiết lập cụm và pha truyền dữ liệu: Giao thức và kiến trúc cho mạng cảm biến không dây được giới thiệu, mô phỏng bằng giải thuật phân cụm trong [1],[2], sau đó kỹ thuật phân cụm được tối ưu, cải tiến hiệu quả năng lượng [3],[4], giải thuật về độ trễ và năng lượng đầu cuối trong mạng cảm biến [5], phương pháp, thuật toán thu thập phân cụm năng lượng đề xuất bởi [6],[7], kéo dài tuổi thọ cho mạng lưới dựa trên thuật toán tìm kiếm thông minh, được mô tả theo dạng mắc xích để nhằm chia tải công việc giữa các chủ cụm (CH) [8], thuật toán cân bằng năng lượng được áp dụng cho phân cụm [9], Cân bằng tải năng lượng và độ trễ dựa trên chế độ nghe lỏm (trạng thái ngủ) [10], Thuật toán định tuyến hiệu quả năng lượng thông qua cân bằng tải cho cụm theo dạng đa cụm [11], Thuật toán định tuyến cân bằng tải [12],[13] cho năng lượng và độ trễ theo dạng đa cụm, dựa trên chia sẻ công việc giữa các CH thông qua việc chọn một chủ cụm tạm thời, nhằm giảm tiêu hao năng lượng, qua đó một ý tưởng không kém phần quan trọng và cũng dựa trên tiêu chí cân tải năng lượng và độ trễ nhằm mục đích chung kéo dài tuổi thọ cho mạng, tránh tiêu hao năng lượng vô ích giữa các bản tin không cần thiết được đề xuất trong 14]

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

- 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 nghiên cứu 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

Mạng cảm biến (WSN) là hệ thống ít tốn chi phí, không đòi hỏi năng lượng cao, đa chức năng và các node cảm biến kích thước nhỏ có thể kết hợp với nhau để cảm biến môi trường, xử lý dữ liệu và giao tiếp không dây qua một khoảng cách ngắn Các cảm biến thường được sử dụng để giám sát vật lý hoặc các yếu tố môi trường như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp lực, sự chuyển động hoặc ô nhiễm tại các khu vực khảo sát Một số các node cảm biến có thể di chuyển, bằng cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động, như đã đạt được trong dự án Robomote

Sự phát triển của WSN ban đầu chỉ được thúc đẩy trong những ứng dụng quân sự như giám sát chiến trường Tuy nhiên, WSN hiện đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng, bao gồm cả giám sát và điều khiển quá trình xử lý công nghiệp, máy theo dõi sức khỏe, môi trường và môi trường sống, quản lý thiên tai, các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, điều khiển giao thông và tự động hóa

Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập,

tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên

1.1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Những đặc tính của mạng cảm biến hứa hẹn một phạm vi ứng dụng rộng rãi với một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể như: an ninh quốc phòng, y tế, môi trường, thương mại… Có thể hình dung trong tương lai, những mạng cảm biến

không dây sẽ là một phần gắn liền với cuộc sống nhiều hơn so với những máy tính cá nhân hiện nay

Ví dụ trong giám sát thảm họa, hệ thống dự đoán, giám sát, cảnh báo thiên tai hiệu quả có thể giúp các nhà chức trách và dân chúng được chuẩn bị tốt hơn để đối mặt với thảm họa và giảm thiệt hại tối đa về người và tài sản Một khía cạnh khác rất quan trọng trong việc giảm số lượng thương vong là hoạt động tìm kiếm và cứu hộ Chúng ta tin tưởng rằng WSN có thể đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu quả của quản lý thiên tai Hệ thống WSN được sử dụng cho việc phát hiện, cảnh báo thảm họa có thể cảm nhận bất kỳ thay đổi đáng kể nào của môi trường và gửi tín hiệu cảnh báo thích hợp, ví dụ: cảm biến mực nước tại một bờ sông có thể cảnh báo cho nhà chức trách cũng như dân chúng về khả năng xảy ra lũ lụt và sạt lở đất Trong hoạt động tìm kiếm

và cứu hộ, chúng ta triển khai hệ thống WSN để quét khu vực thảm họa và xác định nạn nhân thông qua nhều node cảm biến Hệ thống WSN có thể giúp đội tìm kiếm và cứu hộ xác định vị trí nạn nhân WSN cũng cung cấp những thông tin quan trọng như vị trí địa lý vùng xung quanh khu vực thảm họa, những trở ngại họ cần vượt qua…Nhờ đó, đội cứu hộ có thể lên kế hoạch cho các hành động của họ với độ chính xác cao, kịp thời, an toàn cho cả nạn nhân lẫn các thành viên trong đội cứu hộ Có nhiều vấn đề quan trọng cần được xem xét trong việc phát triển WSN cho ứng dụng tìm kiếm và cứu hộ

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

Tuy mạng cảm biến không dây có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu ích, nhưng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ thuật Khi nắm rõ được những khó khăn này chúng ta sẽ có điều kiện để cải tạo nhằm tối ưu hơn nữa

Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung

năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Đó là lý do vì sao mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận, giao tiếp,

và xử lý dữ liệu

1.3 Kết luận chương 1

Mạng cảm biến vô tuyến ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Tuy nhiên WSN vẫn còn một số hạn chế về nguồn năng lượng, vì thế các nhà nghiên cứu đã và đang tìm hiểu về các giải thuật và giao thức để giúp nguồn mạng cảm biến tiết kiệm năng lượng hơn

Chương 2 - LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT PHÂN CỤM 2.1 Mô hình sóng Radio[1]

Tại một nút sensor, việc tính toán truyền và nhận quảng bá gói tin sẽ tiêu hao rất nhiều năng lượng, vì vậy để tiết kiệm năng lượng và độ trễ là một điều hết sức quan trọng, bên cạnh đó phải tìm ra được đường đi ngắn nhất từ các CHs đến BS

(Sink)

Hình 2.1: Mô hình phân tán năng lượng vô tuyến

Hình 2.1 cho biết là số bit cho mỗi gói tin truyền và d là khoảng cách giữa truyền và nhận Năng lượng tiêu thụ cho việc truyền và nhận dữ liệu:

E Tx (k)= E Rx (k) = k E elec (2.1)

Năng lượng tiêu thụ của 1 sensor khi truyền dữ liệu:

E Tx (k,d) = E Tx electric +E amp = k E electric + k E fs d 2 (2.2)

và năng lượng khuếchđại là:

E amp = k E fs d 2 (2.3)

Trong đó: k là số bit các gói dữ liệu (k=25 bytes là gói tin Broadcast, k=500 là

gói tin dữ liệu); E electric là năng lượng điện truyền nhận; d là khoảng cách từ 1 nút

sensor gửi đến 1 sensor nhận; E fs là năng lượng truyền trong không gian

Năng lượng tiêu thụ của 1 sensor khi nhận k bit dữ liệu:

E Rx (k)= k E electric (2.4)

Việc truyền nhận dữ liệu phải tiêu hao năng lượng, dựa trên khoảng cách điểm đầu và điểm cuối, nếu điểm truyền dữ liệu càng xa điểm nhận thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng cũng như độ trễ gói tin, được chứng minh qua công thức sau:

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 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

 2.7otherwise

0

G

n if )

1mod(

*1)(

P

P n

T

Hình 2.2 : Mô hình truyền dữ liệu của LEACH

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

BS- SINK

Hình 2.3: Lưu đồ giải thuật hình thành cluster trong LEACH

Mô tả sơ đồ giải thuật của quá trình hình thành cụm trong LEACH Sau mỗi vòng thì lại bắt đầu pha thiết lập mới để chọn ra cụm

Hình 2.4: Lưu đồ hoạt động ở pha ổn định của LEACH

Hình 2.4 thể hiện sau khi pha thiết lập hình thành Chủ cụm, các chủ cụm tổng hợp dữ liệu truyền đến trạm gốc BS

Hình 2.5: Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng

Mô tả sơ đồ giải thuật của quá trình hình thành cụm trong LEACH Sau mỗi vòng thì lại bắt đầu pha thiết lập mới để chọn ra cụm mới phù hợp.

2.3 LEACH–C[3],[4]

Khắc phục những nhƣợc điểm của giao thức LEACH

Pha thiết lập: LEACH thì mỗi sensor có một công thức xác suất chọn làm

CH, nhƣng LEACH-C thì sensor ở cụm nào và CH đƣợc chọn đƣợc chỉ định bởi trạm gốc (BS-Base Station)

Tấc cả sensor gửi thông tin vị trí và năng lƣợng về BS Sau đó BS sẽ tính toán để hình thành các cụm và CH

BS sẽ phát tín hiệu Broadcast ADV (id, header), các sersor nhận đƣợc bản tin trong đó có id của BS và biết là nút chủ của chính nó, sau đó gửi lại thông điệp REQ (vị trí, năng lƣợng) cho BS để xác định CH

BS xác định đƣợc CH thì nó sẽ Broadcast gói tin (id), khi các sensor nhận đƣợc thì kiểm tra id của nó trùng khớp thì biết nó chính là CH ở vòng đó ngƣợc lại,

nó sẽ chờ bản tin quảng bá từ nút chủ cụm Khi đã quyết định trở thành nút chủ hay không trong vòng hiện tại, pha thiết lập cụm và truyền dữ liệu

Kết thúc một vòng, các sensor phải gửi về cho BS (vị trí và năng lƣợng) Nếu sensor nào ở xa BS gửi nhƣ vậy sẽ tốn nhiều năng lƣợng

Hình 2.6 : Pha thiết lập của LEACH-C

Việc dùng trạm gốc để xác định cụm nói chung là tốt hơn so với việc hình thành cụm dùng giải thuật phân tán Tuy nhiên, LEACH-C yêu cầu các nút phải gửi thông tin về vị trí của nó về trạm gốc tại thời điểm bắt đầu của mỗi vòng, thông tin này có thể bao gồm việc phải sử dụng hệ thống định vị toàn cầu để xác định vị trí hiện tại của mỗi nút

Nguyên tắc hoạt động tương tự với LEACH-C Trạm gốc sẽ căn cứ vào tọa độ

và năng lượng hiện tại của các nút để phân chia cấu hình mạng Tuy nhiên ở Cluster trạm gốc chỉ chia nhóm một lần và giữ nguyên cấu hình mạng đó để gửi dữ liệu

Stat-Ưu điểm: Các nút chủ cụm là cố định nên không tốn thời gian và năng

lượng cho quá trình phân chia lại

Nhược điểm: Thời gian sống ngắn vì quá trình chọn nút chủ cụm ban

đầu là ngẫu nhiên và nếu các nút chủ cụm này ở quá xa trạm gốc thì mạng sẽ hết năng lượng rất nhanh

Xây dựng chuỗi: Mục đích là tạo ra một chuỗi các nút cảm biến – mỗi nút có thể nhận và truyền dữ liệu tới nút gần nó Nếu thêm nút vào chuỗi được áp dụng theo thuật toán Greedy Nút có phạm vi xa BS đều có nút lân cận gần nó vì trong