Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)

Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - BÙI HOÀNG MAI NGHIÊN CỨU MỘT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN NHẰM ĐẢM BẢO SỰ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC NÚT TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) TP.HCM - 2017 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - BÙI HOÀNG MAI NGHIÊN CỨU MỘT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN NHẰM ĐẢM BẢO SỰ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC NÚT TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Chun ngành: Hệ thống thơng tin Mã số: 60.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN CÔNG HÙNG TP.HCM - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp HCM, Ngày 22 tháng 05 năm 2017 Học viên thực luận văn Bùi Hoàng Mai ii LỜI CẢM ƠN Lời xin gởi lời cảm ơn đến PGS TS Trần Cơng Hùng, phó trưởng phòng Phòng Đào tạo Khoa học công nghệ, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng sở Tp Hồ Chí Minh Thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt trình thực luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Công nghệ thông tin – Học viện Công nghệ Bưu Viễn Thơng sở Tp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, trang bị cho tơi kiến thức quý báu thời gian học Học Viện Sau cùng, xin cảm ơn chị Phan Thị Thể, gia đình, anh chị, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, giúp đỡ động viên suốt trình học tập thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Tp HCM, Ngày 22 tháng 05 năm 2017 Học viên thực luận văn Bùi Hoàng Mai iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÔNG THỨC viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Khái niệm, ứng dụng mạng WSN 1.3 Kiến trúc mạng cảm biến 1.3.1 Cấu tạo nút cảm biến 1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 1.3.3 Mục tiêu thiết kế mạng cảm biến tiêu chí đánh giá 1.4 Khó khăn việc phát triển mạng không dây 12 1.4.1 Giới hạn lượng 12 1.4.2 Giới hạn giải thông 12 1.4.3 Giới hạn phần cứng 12 1.4.4 Ảnh hưởng nhiễu bên 12 1.5 Định tuyến WSN 12 1.6 Tổng kết chương 13 CHƯƠNG - KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG WSN 14 2.1 Khái niệm 14 2.2 Ưu điểm kỹ thuật phân cụm 15 2.3 Các vấn đề xem xét xây dựng thuật toán dựa phân cụm 15 2.3.1 Quá trình lựa chọn cluster head (CH) 16 2.3.2 Quá trình hình thành phân cụm 16 2.3.3 Các giao tiếp cụm 16 2.4 Đồng không đồng WSN 17 iv 2.4.1 Các loại tài nguyên không đồng WSN 18 2.4.2 Ảnh hưởng tính khơng đồng mạng cảm biến không dây 18 2.4.3 Các cách đánh giá hiệu suất WSN không đồng 19 2.5 Một số giao thức định tuyến dựa kỹ thuật phân cụm 19 2.5.1 LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 19 2.5.2 SEP (Stable Election Protocol) 21 2.5.3 DEEC (Distributed Energy-Efficient Clustering) 23 2.5.4 DDEEC (Developed Distributed Energy-Efficient Clustering) 25 2.5.5 TDEEC (Threshold Distributed Energy-Efficient Clustering) 26 2.5.6 EDEEC (Enhanced Distributed Energy Efficient Clustering) 27 2.5.7 EDDEEC (Enhanced Developed Distributed Energy Efficient Clustering) 28 2.5.8 BEENISH (Balanced Energy Efficient Network Integrated Super Heterogeneous) 29 2.6 Nhận xét 31 2.7 Tổng kết chương 33 CHƯƠNG - GIAO THỨC ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN 34 3.1 Quá trình phân cụm 34 3.2 Hoạt động giao thức đề xuất 38 3.3 Tổng kết chương 39 CHƯƠNG - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT GIAO THỨC CẢI TIẾN 41 4.1 Mơ hình tham số mô 41 4.1.1 Mơ hình lượng sóng vơ tuyến 41 4.1.2 Mơ hình mạng 42 4.1.3 Tham số giao thức đề xuất 44 4.1.4 Tiêu chí đánh giá hiệu suất 44 4.2 Kịch mô 45 4.3 Kết mô đánh giá 45 4.3.1 Độ ổn định tuổi thọ mạng 45 4.3.2 Thơng lượng (Số gói tin gửi đến BS) 47 4.4 Tổng kết chương 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt BS Base Station Trạm gốc BEENISH Balanced Energy Efficient Mạng không đồng cân Network Integrated Super hiệu lượng tích Heterogeneous hợp nút Super CH Cluster Head Cụm chủ DEEC Distributed Energy-Efficient Phân cụm hiệu lượng Clustering phân tán Developed Distributed Energy- Phân cụm hiệu lượng Efficient Clustering phân tán cải tiến Enhanced Distributed Energy Phân cụm hiệu lượng Efficient Clustering phân tán tăng cường Enhanced Developed Distributed Phân cụm hiệu lượng Energy Efficient Clustering phân tán tăng cường cải tiến Low-Energy Adaptive Clustering Phân cụm phân cấp thích ứng Hierarchy lượng thấp SEP Stable Election Protocol Giao thức bầu chọn ổn định TDEEC Threshold Distributed Energy- Phân cụm hiệu lượng Efficient Clustering phân tán ngưỡng Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây DDEEC EDEEC EDDEEC LEACH WSN vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng so sánh số giao thức phân cụm cho mạng cảm biến không dây không đồng 30 Bảng 4.1 Bảng tham số mô 44 Bảng 4.2 Kịch mô 45 Bảng 4.3 Bảng so sánh tuổi thọ mạng giao thức tham gia mô 46 Bảng 4.4 Bảng so sánh thơng lượng lượng lại trung bình giao thức tham gia mơ 48 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một mạng cảm biến không dây Hình 1.2 Ứng dụng WSN theo dõi mục tiêu Hình 1.3 Ứng dụng theo dõi môi trường Hình 1.4 Ứng dụng y tế Hình 1.5 Cấu tạo nút cảm biến Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Hình 2.1 Một mạng cảm biến dựa kỹ thuật phân cụm 14 Hình 2.2 Mạng đơn bước 17 Hình 2.3 Mạng đa bước 17 Hình 2.4 Mơ hình mạng khơng đồng WSN 18 Hình 2.5 Mơ hình phân cụm LEACH 20 Hình 3.1 Khoảng cách trung bình từ nút đến BS 36 Hình 3.2 Khoảng cách nút gần nút xa BS 36 Hình 3.3 Sơ đồ khối cho giao thức EDEEC, EDDEEC, BEENISH, Giao thức đề xuất trình lựa chọn CH 39 Hình 4.1 Mơ hình lượng sóng vơ tuyến 41 Hình 4.2 Mơ hình mạng cảm biến khơng đồng mức độ 43 Hình 4.3 Đồ thị so sánh thời gian sống giao thức tham gia mơ 46 Hình 4.4 Đồ thị so sánh thời gian nút chết giao thức tham gia mô 47 Hình 4.5 Đồ thị so sánh thơng lượng giao thức tham gia mơ 48 Hình 4.6 Đơ thị so sánh lượng lại trung bình giao thức tham gia mô 49 viii DANH MỤC CÔNG THỨC (2.1) Cơng thức tính ngưỡng để lựa chọn cụm chủ 20 (2.2) Công thức tính tổng lượng mạng WSN khơng đồng 21 (2.3) Cơng thức tính xác suất lựa chọn CH giao thứ SEP 22 (2.4) Cơng thức tính ngưỡng cho nút Normal giao thức SEP 22 (2.5) Cơng thức tính ngưỡng cho nút Advance giao thứ SEP 22 (2.6) Cơng thức tính xác suất lựa chọn CH giao thức DEEC 23 (2.7) Cơng thức tính lượng trung bình vòng 23 (2.8) Cơng thức tính tổng lượng cho mạng WSN không đồng đa mức độ 23 (2.9) Cơng thức tính tổng số vòng mạng 24 (2.10) Công thức tính tổng lượng tiêu hao vòng 24 (2.11) Cơng thức tính khoảng cách trung bình đến CH BS 24 (2.13) Cơng thức tính ngưỡng chọn CH giao thức TDEEC 27 (2.14) Công thức tính ngưỡng chọn CH giao thức EDEEC 28 (2.15) Cơng thức tính xác suất chọn CH giao thức EDDEEC 29 (2.16) Cơng thức tính xác suất cải tiến giao thức EDDEEC 29 (2.17) Cơng thức tính xác suất chọn CH giao thức BEENISH 30 (3.1) Cơng thức tính ngưỡng cho lựa chọn CH giao thức đề xuất 35 (3.2) Công thức tính khoảng cách nút đến BS 35 (3.3) Cơng thức tính khoảng cách trung bình từ nút đến BS 36 (3.4) Cơng thức tính xác suất cải tiến dhiện Tabsolute giao thức đề xuất 37 (3.5) Cơng thức tính xác suất cải tiến dhiện Tabsolute giao thức đề xuất 37 (3.7) Cơng thức tính xác suất dhiện > dtrung bình với điều kiện Ei(r) 0.7*Năng lượng ban đầu nút Normal Yes Tính toán xác xuất node trở thành CH ứng với loại nút mạng, kết hợp với giá trị (dhiện tại/d trung bình) No Điều chỉnh lại xác xuất trở thành CH cho loại nút dựa theo ngưỡng Tabsolute Xác định xác xuất trở thành CH cho mức độ nút mạng không đồng Năng lượng lại nút > 0.7*Năng lượng ban đầu nút Normal bình Yes No Điều chỉnh lại xác xuất trở thành CH loại nút dựa theo ngưỡng Tabsolute Tính tốn xác xuất node trở thành CH ứng với loại nút mạng EDEEC Xác định xác xuất trở thành CH cho mức độ nút mạng khơng đồng Yes Tính toán xác xuất node trở thành CH ứng với loại nút mạng Nút chưa CH vòng trước No Yes Nút dựa vào tập G, G tập nút hợp pháp để trở thành CH nút chọn số ngẫu nhiên Nút thành viên nhóm gửi liệu đến CH Đề xuất Chọn số ngẫu nhiên