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

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

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 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HCM – 2017 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS TRẦN CÔNG HÙNG Phản biện 1: …………………………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây ứng dụng nhiều lĩnh vực như: quốc phòng, an ninh, dân sự, y tế, giao thông, môi trường, nông nghiệp Ở lĩnh vực cụ thể, mạng cảm biến không dây dùng cho việc: rà sốt bom mìn, khí độc hại, cảnh báo xâm nhập quân địch; chống đột nhập; giám sát chu trình sản phẩm sản xuất công nghiệp; cảnh báo cháy nổ, nhà thông minh; kiểm tra giám sát sức khỏe; kiểm soát lưu lượng giao thông; giám sát mức độ ô nhiễm môi trường, dự báo thời tiết, khí hậu; đo nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển tưới tiêu tự động theo độ ẩm khơng khí, theo dõi di chuyển động vật hoang dã Tuy nhiên WSN có nhiều mặt hạn chế, hạn chế lớn nguồn lượng bị giới hạn (kích thước thiết bị nhỏ - nguồn pin nhỏ) khó khăn để nạp lại lượng cho thiết bị Trong nguồn lượng thay đổi, phải làm để kéo dài thời gian hoạt động tồn mạng? Việc gom nhóm (Clustering) nút cảm biến kỹ thuật hiệu để cải thiện khả mở rộng thời gian sống mạng cảm biến không dây (WSN) Tuy nhiên, cụm dựa WSN, nút chủ nhóm (Cluster heads) tiêu thụ nhiều lượng số phụ tải cho hoạt động khác thu thập liệu, tổng hợp số liệu, thông tin liên lạc liệu tổng hợp đến trạm gốc Vì vậy, vấn đề cân lượng Cluster heads vấn đề quan trọng cho hoạt động dài hạn WSNs Cân lượng sử dụng để kéo dài tuổi thọ mạng lưới cảm biến cách giảm tiêu thụ lượng Cân lượng dựa kỹ thuật phân cụm làm tăng khả mở rộng mạng lưới Mạng cảm biến không dây với nút có mức lượng khác kéo dài tuổi thọ mạng mạng củng cố độ tin cậy Vì lý đó, luận văn đề xuất cải tiến giao thức định tuyến nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng mạng cảm biến không dây Nội dung luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương 2: Kỹ thuật phân cụm mạng cảm biến không dây Chương 3: Giao thức đề xuất cải tiến Chương 4: Mô đánh giá giao thức cải tiến CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến khơng dây Wireless Sensor Network – WSN đời thành tựu to lớn khoa học WSN kết hợp cảm biến, tính tốn truyền thơng vào thiết bị nhỏ gọn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao người, giúp cho người không nhiều sức lực, nhân công, nâng cao hiệu công việc Trong năm gần đây, nhiều mạng cảm biến không dây phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác như: theo dõi thay đổi mơi trường, khí hậu, giám sát mặt trận quân sự, phát thám việc công hạt nhân, sinh học hoá học, chuẩn đoán hỏng hóc máy móc, thiết bị, theo dấu giám sát bác sỹ, bệnh nhân quản lý thuốc bệnh viên, theo dõi điều khiển giao thông, phương tiện xe cộ 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 Nút sở nút nguồn 1.3.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 1.3.4 Mục tiêu thiết kế mạng cảm biến tiêu chí đánh giá 1.3.4.1 Chất lượng dịch vụ 1.3.4.2 Hiệu lượng 1.3.4.3 Khả bảo trì thay 1.3.4.4 Tiềm lực hệ thống 1.3.4.5 Xử lý mạng 1.3.4.6 Kĩ thuật khai thác thơng tin vị trí 1.3.4.7 Kĩ thuật lấy mẫu tích cực 1.3.5.8 Kĩ thuật khai thác tính hỗn độn 1.4 Khó khăn việc phát triển mạng không dây 1.4.1 Giới hạn lượng 1.4.2 Giới hạn giải thông 1.4.3 Giới hạn phần cứng 1.4.4 Ảnh hưởng nhiễu bên 1.5 Định tuyến WSN Trong WSN, khoảng cách nút cảm biến BS khác biệt lớn Điều ngụ ý liệu từ nút cảm biến cần phải qua nhiều bước nhảy để đến BS, giao thức định tuyến đưa Một giao thức định tuyến xác định phương pháp để chuyển tiếp liệu từ nút cảm biến đến BS dựa u cầu khác Dưới chúng tơi trình bày số thách thức định tuyến:  Tiêu hao lượng  Khả mở rộng  Truyền dẫn 1.6 Tổng kết chương Ở chương này, luận văn đưa lý thuyết tổng quan mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm khái niệm, ứng dụng, mơ tả kiến trúc WSN, qua nhận thấy WSN ngày phát triển ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống Tuy nhiên gắn liền với tồn số hạn chế nguồn lượng, khả mở rộng, độ tin cậy độ trễ Và để khắc phục hạn chế lượng nhằm kéo dài thời gian sống cho WSN vấn đề cân lượng WSN quan tâm năm trở lại Chúng ta tìm hiểu vấn đề chương CHƯƠNG - KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG WSN 2.1 Khái niệm Để chuyển tiếp thông tin từ nhiều nút cảm biến BS cách hiệu quả, kỹ thuật định tuyến phân cụm thường sử dụng Một cụm dựa định tuyến nhằm mục đích để tạo thành hệ thống phân cấp mạng định tuyến dựa số cụm hình 2.1 Hình 2.1: Một mạng cảm biến dựa kỹ thuật phân cụm 2.2 Ưu điểm kỹ thuật phân cụm 2.3 Các vấn đề xem xét xây dựng thuật toán dựa phân cụm 2.3.1 Quá trình lựa chọn cluster head (CH) 2.3.2 Quá trình hình thành phân cụm 2.3.3 Các giao tiếp cụm 2.4 Đồng không đồng WSN Hầu hết nghiên cứu WSN cho đồng Tuy nhiên, thực tế, cảm biến có khả khác mức lượng ban đầu khác nhau, tỷ lệ suy hao lượng khác nhau, vv Chỉ vài nút thơng thường nút có lượng lượng tương đối nhiều nhằm thực lọc liệu, nhiệt hạch vận chuyển Do mạng cảm biến khơng đồng hữu ích triển khai thực chúng gần với tình thực tế Do luận văn tơi tìm hiểu, sâu số giao thức phân cụm dựa mạng WSN không đồng đưa đề xuất cải tiến giao thức dựa giao thức 2.4.1 Các loại tài ngun khơng đồng WSN • Tính khơng đồng tính tốn • Liên kết khơng đồng • Khơng đồng lượng 2.4.2 Ảnh hưởng tính khơng đồng mạng cảm biến khơng dây • Giảm độ trễ truyền liệu • Kéo dài thời gian sống cho mạng • Cải thiện độ tin cậy truyền liệu 2.4.3 Các cách đánh giá hiệu suất WSN không đồng Một số cách đo lường sử dụng để đánh giá hiệu suất giao thức phân cụm liệt kê     Thời gian sống Số lượng CH vòng Tuổi thọ mạng Thơng lượng 2.5 Một số giao thức định tuyến dựa kỹ thuật phân cụm 2.5.1 LEACH 2.5.2 SEP 2.5.3 DEEC 2.5.4 DDEEC 2.5.5 TDEEC 2.5.6 EDEEC 2.5.7 EDDEEC 2.5.8 BEENISH 2.6 Nhận xét 2.7 Tổng kết chương Chương trình bày khái niệm phân cụm mà phần lại luận văn xây dựng Nó mơ tả thuật tốn định tuyến dựa phân cụm mạng WSN không đồng nhất, thuật tốn từ hướng đề 13 Hình 3.1: Khoảng cách trung bình từ nút đến BS Ta cơng thức tính khoảng cách trung bình từ nút đến BS sau: dtrung bình = dtoBS + dtoCH (3.3) (3.3) Cơng thức tính khoảng cách trung bình từ nút đến BS Dựa vào khoảng cách dtrung bình, Ta phân phạm vi nút gần nút xa trạm gốc hình 3.2 14 Hình 3.2: Khoảng cách nút gần nút xa BS Ta định nghĩa: Nếu khoảng cách dhiện 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 , Thì (3.4) Cơng thức tính xác xuất cải tiến dhiện Tabsolute giao thức đề xuất 15 Nếu 𝐸𝑖 (𝑟) ≤ 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 , Thì 𝑃(𝑖)𝑐ả𝑖 𝑡𝑖ế𝑛 = 𝑐 𝑃𝑜𝑝𝑡 (1+𝑢).𝐸𝑖 (𝑟) ∗ ̅ (𝑟) 1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E 𝑑ℎ𝑖ệ𝑛 𝑡ạ𝑖 𝑑𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ 𝑐ℎ𝑜 𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 𝑛𝑜𝑑𝑒 (3.5) (3.5) Cơng thức tính xác xuất cải tiến d 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 , Thì 𝑃𝑜𝑝𝑡 𝐸𝑖 (𝑟) ̅ (𝑟) 1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E 𝑃𝑜𝑝𝑡 (1+𝑎).𝐸𝑖 (𝑟) ̅ (𝑟) 1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E 𝑃(𝑖) = 𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑐 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑐 𝑎𝑑𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑝𝑡 (1+𝑏).𝐸𝑖 (𝑟) ̅ (𝑟) 1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E 𝑃𝑜𝑝𝑡 (1+𝑢).𝐸𝑖 (𝑟) { ̅ (𝑟) 1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E 𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑐 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑐 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎 − 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟 𝑛𝑜𝑑𝑒 (3.6) (3.6) Cơng thức tính xác xuất d > dtrung bình với điều kiện Ei(r) > Tabsolute giao thức đề xuất 16 Nếu 𝐸𝑖 (𝑟) ≤ 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 , Thì 𝑃(𝑖) = 𝑐 𝑃𝑜𝑝𝑡 (1+𝑢).𝐸𝑖 (𝑟) ̅ (𝑟) 1+𝑚(𝑎+ 𝑚0 (−𝑎+𝑏+𝑚1 (−𝑏+𝑢)))).E 𝑐ℎ𝑜 𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 𝑛𝑜𝑑𝑒 (3.7) (3.7) Cơng thức tính xác xuất d > dtrung bình với điều kiện Ei(r) dtrung bình xác suất P(i) tính theo cơng thức (3.6) (nếu 𝐸𝑖 (𝑟) > 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 ,) (3.7) (nếu 𝐸𝑖 (𝑟) ≤ 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 ,) Bước 4: Xét nút lựa chọn làm CH CH chưa Nếu chưa chọn nút làm CH cho vòng chuyển đến 17 bước 5, ngược lại nút lựa chọn làm CH vòng trước trở thành nút thành viên cho cụm kết thúc trình lựa chọn CH Bước 5: Chọn số ngẫu nhiên từ đến Sau so sánh số với giá trị ngưỡng 𝑇𝑠𝑖 (𝑇𝑠𝑖 dựa công thức cải tiến (3.1)) Nếu số ngẫu nhiên 𝑇𝑠𝑖 nút i trở thành nút thành viên cho cụm kết thúc trình lựa chọn CH Dựa vào sơ đồ nhóm tác giả đề xuất giao thức EDDEEC đưa Tôi tiến hành xây dựng sơ đồ cải tiến hình 3.3 18 Tính tốn nút mạng sống Bắt đầu Tính tốn Ei Er cho nút mạng sống Tính tốn phần trăm CH Tính tốn Ea lượng trung bình tồn mạng, dhiện dtrung bình vòng Đề xuất BEENISH EDDEEC dhiện 0.7*Năng lượng ban đầu nút Normal No Điều chỉnh lại xác xuất trở thành CH cho loại nút dựa theo ngưỡng Tabsolute , kết hợp với giá trị (dhiện tại/d trung bình) Yes Tính tốn xác xuất node trở thành CH ứng với loại nút mạng, kết hợp với giá trị (dhiện tại/d trung bình) Yes Năng lượng lại nút > 0.7*Năng lượng ban đầu nút Normal 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 không đồng Yes Tính tốn 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