Giảm độ trễ end to end và tổng năng lượng tiêu thụ trong các mạng cảm biến không dây (tóm tắt)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH TRỌNG THƯA GIẢM ĐỘ TRỄ END-TO-END VÀ TỔNG NĂNG LƢỢNG TIÊU THỤ TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số chuyên ngành: 62480101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2017 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Trần Công Hùng Người hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Đinh Đức Anh Vũ Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp TP HCM - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Một vấn đề cốt lõi mạng cảm biến không dây lượng Cùng với khả xử lý lưu trữ kém, nút cảm biến trang bị nguồn lượng hạn chế khó thay hầu hết môi trường ứng dụng Vì vậy, triển khai mạng cảm biến không dây, người ta đặt yếu tố lượng lên hàng đầu Càng giảm việc tiêu hao lượng trình họat động mạng, thời gian sống toàn mạng kéo dài Điều đồng nghĩa với việc làm tăng khả ứng dụng Dù vậy, nhà nghiên cứu cố gắng giảm thiểu đến mức thấp việc tiêu thụ lượng nút cảm biến mạng, lại làm tăng yếu tố khác không phần quan trọng, độ trễ đầu cuối (độ trễ end-to-end) Trong nhiều ứng dụng nay, liệu cần truyền từ nguồn đến đích khoảng thời gian giới hạn Nếu vượt mốc thời gian này, liệu không hữu ích Chẳng hạn ứng dụng cảnh báo cháy rừng, liệu cần biết nhiệt độ khu rừng truyền trạm xử lý trễ so với thực tế khả cảnh báo hệ thống không cần thiết Vì vậy, độ trễ đầu cuối yếu tố cần đảm bảo triển khai ứng dụng mạng cảm biến không dây Về phương diện ứng dụng, sản xuất Việt Nam chủ yếu dựa vào nông nghiệp Vì vậy, Việt Nam hoàn toàn ứng dụng mạng cảm biến không dây vào lĩnh vực để tăng cường hiệu kinh tế Chẳng hạn dùng cảm biến không dây để đo độ ẩm đất, nước, độ pH, nhiệt độ, ánh sáng, … kết nối chúng để cung cấp liệu cần thiết cho trình định Ngoài ra, Việt Nam đà phát triển với nhiều công trình đường xá, cầu cống, tòa nhà cao tầng xây dựng, việc ứng dụng cảm biến không dây vào công trình giúp tránh thảm họa xảy Một ứng dụng quan trọng Việt Nam ta phải đứng trước nhiều nguy cháy rừng, lũ lụt, vấn đề khác liên quan đến sức khỏe việc ứng dụng cảm biến không dây để kiểm soát cảnh báo nguy xảy quan trọng cấp bách Mục tiêu đề tài 1.2 Mục tiêu đặt nghiên cứu tìm cách để cân hai yếu tố lượng tiêu thụ độ trễ đầu cuối Nghĩa là, vừa làm giảm việc tiêu thụ lượng cho nút cảm biến suốt trình họat động, vừa hạn chế độ trễ đầu cuối mức độ cho phép Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài 1.3 Để đạt mục tiêu trên, nghiên cứu cần tất tầng mô hình chồng giao thức mạng cảm biến không dây Tuy vậy, nghiên cứu luận án tiến hành tìm hiểu giao thức định tuyến lớp mạng lớp liên kết liệu chồng giao thức mạng cảm biến không dây kết hợp với phương pháp điều khiển tôpô mạng, từ tiến hành phân tích để tìm giải pháp thích hợp để đạt mục tiêu đề Như vậy, luận án tập trung vào nghiên cứu nội dung sau đây: - Nghiên cứu kỹ thuật phân cụm nút cảm biến - Nghiên cứu giải thuật định tuyến đa chặng mạng cảm biến - Đề xuất mô hình giải thuật định tuyến để tiết kiệm lượng tiêu thụ đảm bảo độ trễ end-to-end mạng cảm biến không dây Ngoài giải pháp/mô hình đề xuất, nghiên cứu tập trung vào việc thử nghiệm đánh giá hiệu giải pháp phương pháp mô 1.4 Các đóng góp luận án Với mục tiêu đề mục 1.2, luận án thực nghiên cứu thiết kế mô hình phân cụm ba giải thuật định tuyến với đánh giá thông qua mô giải thuật Với quan sát phân cụm kỹ thuật hiệu để tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến không dây tồn vấn đề độ trễ end-to-end trình phấn phối liệu từ nút cảm biến đến nút gốc, mô hình phân cụm cân hiệu hai nhân tố lượng tiêu thụ độ trễ end-to-end nghiên cứu Điểm đóng góp nghiên cứu mô hình hóa nhân tố lượng tiêu thụ, đặc biệt nhân tố độ trễ liên kết độ trễ end-toend Đồng thời, nghiên cứu thiết kế số tổng hợp dựa lượng lại nút cảm biến khoảng cách chúng kết hợp với hai tham số điều chỉnh   để chọn nút trưởng cụm tối ưu đảm bảo cân hiệu sử dụng lượng nút cảm biến độ trễ end-to-end trình phân phối liệu đến nút gốc Kết nghiên cứu công bố công trình [4] Truyền thông trực tiếp từ nút cảm biến nguồn đến nút gốc sink làm giảm đáng kể độ trễ end-to-end làm tiêu tốn nhiều lượng cân lượng nút cảm biến làm mạng nhanh chóng ngừng hoạt động sau khoảng thời gian ngắn Trong truyền thông đa chặng tiết kiệm nhiều lượng cân mạng tốt ngược lại làm tăng độ trễ end-to-end trình truyền liệu từ nút cảm biến nguồn đến nút gốc Giải thuật định tuyến đa chặng cân tổng lượng tiêu thụ độ trễ end-to-end để phân phối liệu từ nút cảm biến đến nút gốc sink nghiên cứu Điểm đóng góp nghiên cứu thiết kế hàm chi phí kết hợp hai nhân tố lượng tiêu thụ độ trễ liên kết nút cảm biến lân cận giải thuật cập nhật hàm chi phí để phân phối liệu đến nút gốc theo đường có chi phí tổng hợp hiệu Kết nghiên cứu công bố công trình [4] Để giảm thiểu không gian tìm kiếm đường tối ưu từ nút trưởng cụm đến nút gốc, giải thuật định tuyến hiệu lượng có ràng buộc độ trễ end-to-end dựa mức lượng lại nút tham gia định tuyến nghiên cứu Điểm đóng góp nghiên cứu thiết kế hàm chi phí dựa vào lượng lại nút trưởng cụm giải thuật tìm k đường có chi phí lượng tiêu thụ hiệu phải đảm bảo yêu cầu ràng buộc độ trễ end-to-end ứng dụng Kết nghiên cứu công bố công trình [2] Nhằm cải tiến độ phức tạp giải thuật định tuyến tăng khả ứng dụng thực tế giao thức đề xuất, giải thuật định tuyến phân tán hiệu lượng thỏa yêu cầu độ trễ ứng dụng dựa cách tiếp cận theo véctơ khoảng cách nghiên cứu Điểm đóng góp nghiên cứu thiết kế giải thuật chọn nút trưởng cụm tối ưu lượng tiêu thụ đảm bảo độ trễ end-to-end làm nút chuyển tiếp dựa lượng thông tin cục nút lân cận Điều giúp giải thuật đạt hội tụ nhanh lượng overhead trao đổi trình khám phá đường giảm đáng kể Kết nghiên cứu công bố công trình [1] 1.5 Cấu trúc luận án Bố cục luận án trình bày gồm bảy chương Chương trình bày khái quát lý chọn đề tài, mục tiêu luận án, đối tượng phạm vị nghiên cứu luận án, đóng góp luận án Chương hai trình bày tình hình nghiên cứu liên quan đến giải pháp tiết kiệm lượng tiêu thụ giảm độ trễ end-to-end mạng cảm biến không dây Chương ba đến chương sáu trình bày mô hình giải thuật đề xuất Trong đó, chương ba nghiên cứu đề xuất mô hình phân cụm nhằm cân hiệu sử dụng lượng tiệu thụ nút cảm biến độ trễ end-to-end để phân phối liệu từ nút cảm biến đến nút gốc sink Chương bốn tập trung giải vấn đề cân lượng tiêu thụ độ trễ end-to-end cách thiết kế hàm chi phí kết hợp hai nhân tố liên quan định chọn đường Chương năm đảm bảo độ hội tụ giải thuật khoảng thời gian hữu hạn cách thiết kế giải thuật tìm k đường hiệu lượng đảm bảo độ trễ end-to-end với độ phức tạp giải thuật hàm đa thức Chương sáu giải vấn đề định tuyến tối ưu lượng tiêu thụ có ràng buộc độ trễ dựa phương pháp định tuyến phân tán theo véctơ khoảng cách nhằm giảm thiểu số lượng overhead trao đổi giảm thiểu độ phức tạp tính toán cho giải thuật Chương bảy trình bày kết luận chung luận án, khẳng định đóng góp luận án, đánh giá giải thuật đề xuất đề nghị hướng mở rộng chuỗi nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN Chương trình bày tổng quan mạng cảm biến không dây tình hình nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng tiêu thụ giảm độ trễ end-to-end mạng cảm biến không dây Từ đó, vấn đề tồn nhằm đề xuất mô hình giải thuật chương từ chương ba đến chương sáu CHƢƠNG GIẢI THUẬT PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƢỢNG VÀ ĐỘ TRỄ - TED Trong chương này, giải thuật phân cụm hiệu lượng độ trễ gọi TED (Tradeoff for Energy and Delay) mô tả Bên cạnh đó, mô hình mạng, mô hình lượng mô hình độ trễ mô tả để sử dụng giải thuật phân cụm 3.1 Mô hình mạng Xét tập nút cảm biến phân bố môi trường mạng cảm biến không dây Mô hình mạng phân cấp đề xuất hình 3.1 rC H r Si nk (b) Trưởng cụm truyền thông với trưởng cụm khác khoảng cách xa đường đa chặng (a) Cụm chặng (1-hop cluster) để tối thiểu độ trễ tổng hợp liệu mạng : nút thành viên : trưởng cụm : sink : liên kết từ thành viên đến trưởng cụm : liên kết từ trưởng cụm đến trưởng cụm (hoặc sink) rCH: dải truyền thông trưởng cụm Hình 3.1 3.2 rSink: dải truyền thông sink Mô hình kiến trúc truyền thông đa chặng mạng cảm biến không dây Mô hình lƣợng Để truyền l-bit liệu khoảng cách d, lượng tiêu tốn xác định công thức sau: 𝐸𝑇𝑋 𝑙, 𝑑 = 𝑙 × 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 + 𝑙 × 𝜀𝑓𝑠 × 𝑑2 𝑖𝑓 𝑑 < 𝑑0 𝑙 × 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 + 𝑙 × 𝜀𝑚𝑝 × 𝑑4 𝑖𝑓 𝑑 ≥ 𝑑0 (3.1) Để nhận l-bit liệu, lượng tiêu tốn tính công thức sau: 𝐸𝑅𝑋 𝑙 = 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 × 𝑙 (3.2) Năng lượng tiêu tốn cho việc tổng hợp liệu từ m nút thành viên xác định công thức sau: 𝐸𝐹 𝑙, 𝑚 = 𝑚 × 𝐸𝑓𝑢𝑠𝑒 × 𝑙 (3.3) Trong đó, Efuse hệ số tổng hợp liệu 3.3 Mô hình độ trễ Độ trễ liên kết 𝐷𝑙 𝑖, 𝑗 thời gian trôi qua để gói liệu l bits di chuyển liên kết hai nút cảm biến i j 𝐷𝑙 𝑖, 𝑗 xác định công thức sau: 𝐷𝑙 𝑖, 𝑗 = 𝑙 𝑑𝑖𝑗 + + 𝜇−𝜆 𝜓 𝛾 (3.4) Độ trễ đầu cuối Dete(x,s) đường từ nút trưởng cụm x đến nút gốc sink s xác định theo công thức sau: 𝐷𝑒𝑡𝑒 𝑥, 𝑠 = 𝐷 𝑖, 𝑗 𝑖,𝑗 ∈ 𝑥,𝑈,𝑠 𝑙 𝑑𝑖𝑗 + + 𝜇−𝜆 𝜓 𝛾 = 𝑖,𝑗 ∈ 𝑥,𝑈,𝑠 (3.5) Trong đó, U tập nút trung gian nút trưởng cụm x nút gốc sink s 3.4 Giải thuật phân cụm cân lƣợng tiêu thụ độ trễ - TED Giải thuật sử dụng số TED để cân lượng độ trễ cho nút có khả trở thành nút trưởng cụm Chỉ số xác định công thức sau: 𝑇𝐸𝐷𝑖 = 𝐸𝑖 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝛼 + 𝑑𝑖𝑠 𝛽 (3.6) Trong đó, Ei lượng lại nút ứng viên trưởng cụm i, Etotal lượng tổng nút gửi thông điệp ADV cho nút i, dis 𝑗 (4.6) 𝑐𝑜𝑠𝑡𝐹 𝑙, 𝐶𝐻𝑗 = 𝐸𝑅𝑋 𝑙 + 𝑐𝑜𝑠𝑡0 𝑙, 𝐶𝐻𝑗 𝑖 Trong đó, 𝐸𝑇𝑋 𝑙, 𝑑𝑖𝑗 lượng tiêu thụ để truyền l bits liệu từ nút i đến nút j khoảng cách dij, 𝐷𝑙 𝑖, 𝑗 độ trễ liên kết hai nút trưởng cụm liền kề i j, 𝑐𝑜𝑠𝑡𝐹 𝑙, 𝐶𝐻𝑗 chi phí chuyển 𝑗 tiếp l bits liệu nút trung gian j đến nút lân cận khác 𝐸𝑅𝑋 𝑙, 𝑑𝑖𝑗 lượng tiêu thụ nút j để nhận l bits liệu từ nút lân cận i Bằng phương pháp tính chi phí đệ quy trên, nút trưởng cụm xác định danh sách nút chuyển tiếp tối ưu xếp ưu tiên theo giá trị chi phí thấp để chuyển tiếp liệu đến nút gốc sink Mã giả thuật toán thể hình 4.1 Algorithm Xác định chi phí tối ưu lượng tiêu thụ độ trễ để gửi liệu đến nút gốc sink từ nút trưởng cụm i Đầu vào: thông điệp BEA từ nút gốc sink Đầu ra: chi phí tối ưu lượng tiêu thụ độ trễ leastCost(i) Tính khoảng cách xấp xỉ từ nút cảm biến tới nút gốc sink dtoSink Tính chi phí đường ban đầu trực tiếp đến sink Cost0(l,CHi) leastCost(i)=Cost0(l,CHi) Gửi quảng bá thông điệp INI đến nút lân cận while nhận thông điệp INI từ nút lân cận j Tính khoảng cách dij từ đến nút j Tính chi phí Cost(l,CHi) gửi liệu chuyển tiếp qua nút j If Cost(l,CHi) < leastCost(i) then leastCost(i) = Cost(l,CHi) 10 end if 11 Lưu danh sách nút chuyển tiếp ưu tiên theo leastCost(i) 12 end while 13 Gửi quảng bá giá trị leastCost(i) đến nút lân cận 14 return leastCost(i) Hình 4.1 Mã giả giải thuật DEM 12 4.3 Truyền liệu Trong giai đoạn thu thập liệu từ nút thành viên, nút thành viên cần gửi liệu đến nút trưởng cụm nên lượng tiêu thụ nút cảm biến thành viên Emem xác định theo công thức sau: 𝐸𝑚𝑒𝑚 𝑗 = 𝑙 × 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 + 𝑙 × 𝜀𝑓𝑠 × 𝑑 𝑗 (4.7) Năng lượng tiêu thụ nút trưởng cụm ECH xác định theo công thức sau: 𝐸𝐶𝐻 𝑖 = 𝐸𝑅 𝑖 + 𝐸𝐹 𝑖 + 𝐸𝑆 𝑖 𝐸𝑅 𝑖 = 𝑙 × 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 × 𝑠𝑖𝑧𝑒𝐶𝐻 𝑖 + 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑦𝑠 𝑖 𝐸𝐹 𝑖 = 𝑠𝑖𝑧𝑒𝐶𝐻 𝑖 × 𝐸𝑓𝑢𝑠𝑒 × 𝑙 (4.8) (4.9) (4.10) 𝐸𝑆 𝑖 = 𝑙 × (𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 + 𝜀𝑓𝑠 × 𝑑2 𝑛𝑒𝑥𝑡 𝑖 ) × + 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑦𝑠 𝑙 × (𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 + 𝜀𝑚𝑝 × 𝑑4 𝑛𝑒𝑥𝑡 𝑖 ) × + 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑦𝑠 𝑖𝑓 𝑑𝑛𝑒𝑥𝑡 𝑖 < 𝑑0 𝑖𝑓 𝑑𝑛𝑒𝑥𝑡 𝑖 ≥ 𝑑0 (4.11) Trong đó, 𝐸𝑅 𝑖 lượng mà nút i dùng để nhận tất liệu từ nút thành viên, 𝐸𝐹 𝑖 lượng mà nút i dùng để tổng hợp liệu từ tất nút thành viên, 𝐸𝑆 𝑖 lượng mà nút i dùng để gửi liệu đến nút trưởng cụm nút gốc sink, 𝑠𝑖𝑧𝑒𝐶𝐻 𝑖 số lượng nút thành viên cụm nút trưởng cụm i, relays số lần chuyển tiếp, dnext(i) khoảng cách từ nút trưởng cụm i đến nút trưởng cụm nút gốc sink Khi đó, tổng lượng tiêu thụ cho vòng là: 𝐾 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁−𝐾 𝐸𝐶𝐻 𝑖 + 𝑖=1 𝐸𝑚𝑒𝑚 𝑗 𝑗 =1 13 (4.12) Trong đó, N số lượng nút cảm biến K số lượng nút trưởng cụm vòng 4.4 Hiệu giải thuật DEM Các kết mô cho thấy kết hợp hiệu phương pháp phân cụm TED đề xuất chương ba với giải thuật cập nhật hàm chi phí tổng hợp tạo cân tốt cho lượng tiêu thụ độ trễ end-to-end Bên cạnh đó, với điều chỉnh hợp lý tham số  , mô tìm thấy số lượng chặng tối ưu ứng với kích thước mạng cụ thể CHƢƠNG GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ NĂNG LƢỢNG VỚI K ĐƢỜNG NGẮN NHẤT ĐẢM BẢO ĐỘ TRỄ ĐẦU CUỐI - DCEM Trong phần này, luận án trình bày giải thuật định tuyến hiệu lượng gọi DCEM (Delay-Constrained Energy Multi-hop) với k đường ngắn nhằm đảm bảo ràng buộc độ trễ ứng dụng Ngoài ra, để tạo cân lượng nút cảm biến, giải thuật đề xuất hàm chi phí dựa lượng lại nút 5.1 Tính chi phí liên kết chi phí đƣờng Hàm chi phí lượng tiêu thụ liên kết hai nút trưởng cụm i j xác định theo công thức sau: 𝑖𝑗 𝑖 𝐸𝜃 + 𝜌 × 𝑐𝑜𝑠𝑡 𝐸𝑅𝑒 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑖𝑗 = (5.1) 𝜃∈ 𝑅𝑥 ,𝐹𝑢,𝑇𝑥 𝑖𝑗 𝑖 𝑖 = 𝐸𝑅𝑥 + 𝐸𝐹𝑢 + 𝐸𝑇𝑥 14 𝑖 + 𝜌 × 𝑐𝑜𝑠𝑡 𝐸𝑅𝑒 𝑖 Trong đó, 𝐸𝑅𝑥 lượng mà nút trưởng cụm i dùng để nhận 𝑖 liệu từ nút thành viên, 𝐸𝐹𝑢 lượng mà nút trưởng cụm i 𝑖𝑗 dùng để tổng hợp liệu từ m thành viên, 𝐸𝑇𝑥 lượng mà nút trưởng cụm i dùng để truyền liệu đến nút trưởng cụm j  hệ số điều chỉnh phụ thuộc hàm chi phí vào mức lượng lại ERe nút cảm biến Với mục đích cân lượng nút cảm biến, hàm chi phí 𝑖 𝑐𝑜𝑠𝑡 𝐸𝑅𝑒 thiết kế dựa nguyên tắc cho thay đổi nhỏ lượng lại nút cảm biến dẫn đến thay đổi lớn hàm chi phí hàm chi phí đề xuất sau: 𝑖 𝑐𝑜𝑠𝑡 𝐸𝑅𝑒 = 𝑒𝑥𝑝1 𝑖 𝐸𝑅𝑒 (5.2) Hàm chi phí đường từ nút trưởng cụm x đến nút gốc sink s xác định công thức sau: 𝐶𝑜𝑠𝑡 𝑥, 𝑠 = 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑖𝑗 (5.3) 𝑖,𝑗 ∈ 𝑥,𝑈,𝑠 Trong đó, U tập nút trung gian từ nút trưởng cụm x đến nút gốc sink s 5.2 Giải thuật định tuyến đa chặng Mục đích giải thuật tìm đường có chi phí thấp (hiệu lượng) từ nút trưởng cụm x đến nút gốc sink s cho độ trễ đầu cuối đường không vượt ràng buộc độ trễ  Nghĩa là, tìm: Min 𝑅𝑘 ∈ℜ 𝑥,𝑠 𝐶𝑜𝑠𝑡 𝑅𝑘 15 (5.4) Trong đó, Rk đường thứ k, Â(x,s) tập đường từ nút trưởng cụm x đến nút gốc sink s mà độ trễ đầu cuối bị chặn giá trị  Nghĩa là: 𝐷𝑒𝑡𝑒 𝑅𝑘 ≤ ∆, 𝑅𝑘 ∈ ℜ 𝑥, 𝑠 (5.5) Để giải toán trên, giải thuật tìm đường ngắn thứ k thỏa ràng buộc độ trễ đầu cuối trình bày hình 5.1 Algorithm Xác định đường có lượng tiêu thụ thấp thứ k thỏa ràng buộc độ trễ đầu cuối Đầu vào: thông điệp ADV từ nút gốc sink Đầu ra: đường có lượng tiêu thụ thấp thứ k thỏa ràng buộc độ trễ đầu cuối SeR =  //là đường chọn để phân phối liệu từ nút x đến nút gốc sink NoSa = //là tập đường không thỏa ràng buộc độ trễ  Tính chi phí lượng tiêu thụ costij, i,j   // tập nút trưởng cụm, j nút sink Tính số đường khả thi K từ nút trưởng cụm x đến nút gốc sink s Tìm K đường có chi phí lượng tiêu thụ thấp từ nút trưởng cụm x đến nút gốc sink s kSR(x,s,K) for k =1 to K Rk = kSR(x,s,k) \ NoSa Tính độ trễ Dete(Rk) đường Rk if Dete(Rk)   then 10 SeR = Rk 11 break 12 else 13 NoSa = NoSa  Rk 14 k=k+1 15 end if 16 end for 16 return SeR Hình 5.1 Mã giả giải thuật DCEM 16 Dòng giải thuật có sử dụng giải thuật tìm k đường ngắn Mã giả giải thuật mô tả hình 5.2 Algorithm Tìm k đường ngắn từ nút x đến nút gốc sink s Đầu vào: thông điệp SRM, x, s, k Đầu ra: k đường ngắn đến nút sink if self thuộc shortest_paths thông điệp SRM then loại bỏ thông điệp SRM else thêm đường shortest_paths vào neig_paths while đường  neig_paths gắn thêm self vào cuối path_struct end while xếp neig_paths theo giá trị khoảng cách gửi quảng bá thông điệp SRM với shortest_paths gồm k path_struct neig_paths 10 return mảng k path_struct neig_paths 11 end if Hình 5.2 5.3 Mã giả giải thuật tìm k đường ngắn Tính hội tụ độ phức tạp giải thuật DCEM Luận án chứng minh  K đường từ nút trưởng cụm x đến nút gốc s,  k :  k  K, giải thuật DCEM tìm k đường có chi phí ngắn thỏa ràng buộc độ trễ đầu cuối không tìm đường khoảng thời gian hữu hạn Ngoài ra, luận án chứng minh thời gian thực thi giải thuật để tìm đường từ nút trưởng cụm cho trước đến nút gốc sink O(n2) 5.4 Hiệu giải thuật DCEM Các kết mô cho thấy lượng tiêu thụ nút cảm biến đạt cân tốt thời gian sống toàn mạng kéo dài so sánh với đề xuất tương tự Ngoài ra, số 17 chặng tối ưu cho kích thước mạng cụ thể qua mô với điều chỉnh thích hợp số tham số tương ứng CHƢƠNG GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN PHÂN TÁN HIỆU QUẢ NĂNG LƢỢNG RÀNG BUỘC ĐỘ TRỄ ĐẦU CUỐI DCEER Chương tập trung giải toán tối thiểu tổng lượng tiêu thụ Etotal đường Ri giữ độ trễ đầu cuối Dete giá trị ràng buộc  Nói cách khác, toán tìm: Min 𝑅𝑖 ∈ℜ 𝐶𝐻𝑖 ,𝑆𝐼𝑁𝐾 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑅𝑖 ∶ 𝐷𝑒𝑡𝑒 𝑅𝑖 ≤ ∆ (6.1) Trong (CHi,SINK) tập đường từ nút trưởng cụm i đến nút đích SINK (nút gốc) Trong mô hình này, có nút đích Nút nhận tất liệu từ nút cảm biến toàn mạng Trong phần này, luận án tập trung vào vấn đề đơn giản hóa cách xem xét lớp ứng dụng có nút đích Giải thuật DCEER (Delay Constrained Energy Efficient Routing) đề xuất sau kết hợp đường thay tham số độ trễ lượng nhằm giảm không gian tìm kiếm 6.1 Giải thuật khám phá đƣờng Mỗi nút trưởng cụm phải có thông tin sau  nextCHle: nút trưởng cụm j làm cho nút i tiêu thụ lượng để gửi liệu đến (nút j) Nghĩa là: 𝑛𝑒𝑥𝑡𝐶𝐻𝑙𝑒 = 𝐸𝑇𝑥 𝑖, 𝑗 (6.2) 𝑗 ∈𝑁 𝑖  nextCHld: nút trưởng cụm j làm cho nút i tốn thời gian để gửi liệu đến (nút j) Nghĩa là: 18 𝑛𝑒𝑥𝑡𝐶𝐻𝑙𝑑 = 𝐷𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑖, 𝑗 𝑗 ∈𝑁𝑖  (6.3) ld(i,SINK): thời gian ngắn để nút trưởng cụm i gửi liệu trực tiếp đến nút gốc sink Tại thời điểm bất kỳ, nút trưởng cụm i có liệu gửi đến nút gốc sink, khởi động việc khám phá đường cách kiểm tra giá trị ld(i,SINK) Nếu giá trị lớn ràng buộc độ trễ đầu cuối, không tồn đường nút i nút gốc sink thỏa mãn yêu cầu độ trễ Giải thuật dừng việc khám phá nút i không gửi liệu Tuy nhiên, giá trị ld(i,SINK) nhỏ ràng buộc độ trễ đâu cuối , nghĩa tồn đường nút i nút gốc sink thỏa mãn yêu cầu độ trễ Giải thuật tiếp tục khám phá đường tìm thấy Trong trường hợp này, nút trưởng cụm i xác định nút trưởng cụm j thỏa mãn công thức 6.2 nút có mức tiêu thụ lượng thấp để chuyển tiếp liệu Sau đó, nút i gửi thông điệp LDR đến nút j để thu thập giá trị ld(j,SINK) Nút trưởng cụm j trả lại giá trị ld(j,SINK) cho nút trưởng cụm i Sau đó, nút trưởng cụm i kiểm tra bất đẳng thức sau: 𝐷𝑒𝑙𝑎𝑦(𝑐𝑢𝑟𝑟) + 𝐷𝑒𝑙𝑎𝑦(𝑖, 𝑗) + 𝑙𝑑(𝑗, 𝑆𝐼𝑁𝐾) ≤ ∆ (6.4) Trong đó, Delay(curr) thời gian trễ từ nút bắt đầu đường đến nút trưởng cụm Trong trường hợp này, nút nút trưởng cụm i Nếu bất đẳng thức thỏa mãn, tồn đường từ nút trưởng cụm i đến nút gốc sink đảm bảo ràng buộc độ trễ  sử dụng liên kết từ i đến j để chọn đường có mức lượng thấp Khi đó, nút trưởng cụm i chọn nút trưởng cụm j làm nút để chuyển tiếp liệu đến nút gốc sink Nếu bất đẳng thức 6.4 không thỏa mãn, nút i chọn nút trưởng cụm khác gọi k thỏa mãn công thức 6.3 19 nút có thời gian trễ để chuyển tiếp liệu Lựa chọn đảm bảo đường từ nút trưởng cụm i đến nút gốc sink phần đường thỏa ràng buộc độ trễ từ nút khởi tạo đến nút gốc sink, không nút trưởng cụm không chọn bước trước Chi tiết giải thuật chọn nút trưởng cụm mô tả hình 6.1 Algorithm Tìm nút trưởng cụm tiêu thụ lượng thỏa ràng buộc độ trễ đầu cuối – Find_NextCH(Input,Output) Input: prevCH, initCH, SINK, ∆, Delay(curr) Output: nextCH Nút trưởng cụm hành nút khởi tạo if (prevCH = null | Delay(curr) = | initCH = i) then if ld(i, SINK) >  then nextCH = null exit(1) end if end if Tất nút trưởng cụm tham gia cấu trúc đường for j=0 to Ni nextCHle = minETx(i, j) end for 10 temp = NodeID(nextCHle) 11 if(Delay(curr)+Delay(i,temp)+ld(temp, SINK))   then 12 nextCH = temp 13 else 14 for j=0 to Ni 15 nextCHld = minDelay(i,j) 16 end for 17 Next_CH = NodeID(LD_nextCH) 18 end if 19 Delay(nextCH)=Delay(curr)+Delay(i,nextCH) 20 return nextCH Hình 6.1 Mã giả giải thuật DCEER 20 6.2 Tính hội tụ độ phức tạp giải thuật DCEER Luận án chứng minh giải thuật đề xuất luôn tìm đường tiêu thụ lượng đảm bảo ràng buộc độ trễ đầu cuối  tồn đường không tìm đường khoảng thời gian hữu hạn Ngoài ra, chi phí trao đổi thông điệp chứng minh hàm đa thức, độ phức tạp tính toán DCEER hàm tuyến tính 6.3 Hiệu giải thuật DCEER Các kết mô cho thấy rằng, giá trị ràng buộc độ trễ endto-end điều chỉnh hợp lý, giải thuật đề xuất cho thấy khả cân lượng tiêu thụ tốt nút cảm biến khả kéo dài thời gian sống toàn mạng tốt so sánh với giải thuật tương tự Mặc dù vậy, độ phức tạp trao đổi thông điệp điều khiển hàm đa thức nên việc cải tiến để số lượng thông điệp trao đổi trình khám phá đường đạt độ phức tạp tuyến tính cần nghiên cứu thêm CHƢƠNG KẾT LUẬN Luận án tập trung nghiên cứu thiết kế mô hình phân cụm giải thuật định tuyến đa chặng nhằm giảm độ trễ end-to-end tổng lượng tiêu thụ mạng cảm biến không dây 7.1 Những điểm luận án Với mục tiêu cân lượng nút cảm biến để kéo dài thời gian sống mạng đồng thời tiết kiệm lượng tiêu thụ đảm bảo độ trễ end-to-end ứng dụng, nghiên cứu luận án 21 kết hợp phương pháp phân tích toán học mô để đề xuất giải thuật hiệu thu kết đáng ghi nhận Giải thuật phân cụm hiệu lượng tiêu thụ độ trễ TED thiết kế số tổng hợp dựa lượng lại nút cảm biến khoảng cách chúng kết hợp với tham số điều chỉnh để chọn nút trưởng cụm tối ưu đảm bảo cân hiệu sử dụng lượng nút cảm biến độ trễ end-to-end Giải thuật định tuyến cân lượng tiêu thụ độ trễ đầu cuối DEM thiết kế hàm chi phí kết hợp hai yếu tố lượng tiêu thụ độ trễ liên kết nút cảm biến lân cận giải thuật cập nhật hàm chi phí để phân phối liệu đến nút gốc theo đường có chi phí tổng hợp hiệu Giải thuật định tuyến hiệu lượng với k đường ngắn đảm bảo độ trễ đầu cuối DCEM thiết kế hàm chi phí dựa vào lượng lại nút trưởng cụm giải thuật tìm k đường có chi phí lượng tiêu thụ hiệu phải đảm bảo yêu cầu ràng buộc độ trễ end-toend ứng dụng Giải thuật định tuyến phân tán hiệu lượng ràng buộc độ trễ đầu cuối DCEER thiết kế giải thuật chọn nút trưởng cụm tối ưu lượng tiêu thụ đảm bảo độ trễ end-to-end làm nút chuyển tiếp dựa lượng thông tin cục nút lân cận Điều giúp giải thuật đạt hội tụ nhanh lượng overhead trao đổi trình khám phá đường giảm đáng kể 7.2 Đánh giá phƣơng pháp đề xuất Đối với giải thuật phân cụm TED, luận án khả cân lượng độ trễ tham số   điều chỉnh hợp lý với kích thước mạng để tạo nên phân bố đồng cụm 22 Tính hiệu lượng giao thức DEM không cao phải xem xét đến yếu tố độ trễ Trong đó, DCEM DCEER phụ thuộc vào giá trị độ trễ bị ràng buộc ứng dụng, nên tính hiệu lượng hai giao thức DCEM DCEER bị thay đổi theo ràng buộc độ trễ Và thế, DCEM DCEER bị ràng buộc yếu tố độ trễ end-to-end ứng dụng, DEM không Vì DEM không bị ràng buộc thời gian trễ end-to-end nên việc phân phối liệu từ nút cảm biến đến nút gốc sink đạt Tuy nhiên bị ảnh hưởng việc nút tham gia chuyển tiếp liệu bị chết pha phân phối liệu nhiều hay Điều tương tự hai giao thức lại DCEM DCEER Riêng giải thuật DCEM, việc phân phối phụ thuộc vào ràng buộc độ trễ đường tối ưu vòng đó, nên độ tin cậy thay đổi ứng với vòng khác Vì DCEER giải thuật dựa vào thông tin nút lân cận để thiết lập đường đi, nên độ phức tạp tính toán thấp so với hai giải thuật DEM DCEM Mặc dù vậy, ba giải thuật có độ phức tạp trao đổi thông điệp cao Đây tiêu chí cải tiến nghiên cứu luận án 7.3 Khả áp dụng thực tế Vấn đề chung toán cần giải việc giảm lượng tiêu thụ độ trễ đầu cuối để kéo dài thời gian sống toàn mạng đáp ứng nhu cầu thời gian hồi đáp liệu yêu cầu từ mạng cảm biến Vậy nên, khả ứng dụng mô hình phân cụm giải pháp định tuyến đề xuất tập trung vào ứng dụng thực tế sau: hệ thống giám sát cháy rừng, hệ thống cảnh báo động đất, 23 hệ thống giám sát hoạt động núi lửa, hệ thống cảnh báo sóng thần, hệ thống phát xâm nhập, nhiều dạng ứng dụng khác có yêu cầu độ nhạy thời gian hồi đáp thông tin 7.4 Hƣớng mở rộng nghiên cứu Mặc dù luận án thiết kế số giải thuật hiệu để giảm độ trễ end-to-end tổng lượng tiêu thụ mạng cảm biến không dây số vấn đề cần cải tiến để nhận kết tốt Qua mô phỏng, số chặng tối ưu cho kích thước mạng cụ thể với điều chỉnh thích hợp số tham số nên việc đưa phương pháp xác định số chặng tối ưu trường hợp tổng quát cần nghiên cứu thêm Bên cạnh đó, độ phức tạp tính toán giảm nhiều hàm tuyến tính độ phức tạp trao đổi thông điệp điều khiển hàm đa thức Vì vậy, việc cải tiến để số lượng thông điệp trao đổi trình khám phá đường đạt độ phức tạp tuyến tính cần nghiên cứu thêm Ngoài nội dung nghiên cứu trình bày, luận án nghiên cứu thêm hướng giải toán cân lượng tiêu thụ độ trễ end-to-end sử dụng phương pháp tối ưu bầy đàn Phương pháp lấy cảm hứng từ việc tìm kiếm thức ăn tìm đường sinh vật tự nhiên ong, kiến hay cá… để bố trí phù hợp nút cảm biến mạng nhằm tiết kiệm lượng giảm độ trễ truyền thông 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ T.T Huynh, C H Tran, D A V Dinh, "A Distributed Heuristic [1] Algorithm for Delay Constrained Energy Efficient Routing in Wireless Sensor Networks," REV Journal on Electronics and Communications, vol 6, no 3-4, pp 40-49, Jan 2017 [2] T.T Huynh, D A V Dinh, and C H Tran, "Delay-Constrained Energy-Efficient Cluster-based Multi-Hop Routing in Wireless Sensor Networks," Journal of Communications and Networks (SCIE Index), vol 18, no 4, pp 580-588, Aug 2016 [3] C H Tran, K X T Bui, and T T Huynh, “Trade-off between Energy and Delay Based on a Multi-objective Optimization Problem for Wireless Sensor Network,” Journal of Communication and Computer, vol 13, no 4, Apr 2016, pp.185194 [4] T T Huynh, C H Tran, D A V Dinh, "Delay-Energy Aware Clustering Multi-hop Routing in Wireless Sensor Networks," in The 8th International Conference on Information Science and Application (LNEE, Springer), 2016, pp 31-40 [5] C H Tran, M T Pham, T T Huynh, “Application of Wireless Sensor Networks Technology for Early Forest Fire Warning,” Multidisciplinary Journals in Science and Technology, vol 5, no 5, Oct 2015 Edition [6] T T Huynh, D A V Dinh, C H Tran, T A Le, “Balance Particle Swarm Optimization and Gravitational Search Algorithm for Energy Efficient in Heterogeneous Wireless Sensor Networks”, in The 11th IEEE International Conference on Computing and Communication Technologies (RIVF2015), pp 175-179, Vietnam, Jan 2015 [7] T T Huynh, T H N Phan, D A V Dinh, C H Tran, “Prolong the Network Lifetime by Optimal Clustering based on Intelligent Search Algorithms in Wireless Sensor Networks,” in The International Conference on Advanced Technologies for 25 Communications (ATC 2014), Vietnam, pp 251-255, Oct 2014 [8] T T Huynh, D A V Dinh, C H Tran, "Energy Efficient Delayaware Routing in Multi-tier Architecture for Wireless Sensor Networks," in The IEEE International Conference on Advanced Technologies for Communications, Oct 2013, pp 603-608 [9] T T Huynh, D A V Dinh, C H Tran, "Balancing latency and energy efficiency in wireless sensor networks: A Comparative Study," in The International Conference on Computing, Management and Telecommunications, Jan 2013, pp 181-186 26 ... kiệm lượng cho mạng cảm biến không dây tồn vấn đề độ trễ end- to -end trình phấn phối liệu từ nút cảm biến đến nút gốc, mô hình phân cụm cân hiệu hai nhân tố lượng tiêu thụ độ trễ end- to -end nghiên... nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN Chương trình bày tổng quan mạng cảm biến không dây tình hình nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng tiêu thụ giảm độ trễ end- to -end mạng cảm biến không dây Từ đó, vấn đề... sử dụng lượng nút cảm biến độ trễ end- to -end Giải thuật định tuyến cân lượng tiêu thụ độ trễ đầu cuối DEM thiết kế hàm chi phí kết hợp hai yếu tố lượng tiêu thụ độ trễ liên kết nút cảm biến lân