Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)

Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)

i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng năm 2017 Học viên thực luận văn Ngô Quang Quyền ii LỜI CẢM ƠN Lời xin gởi lời cảm ơn đến TS Vũ Ngọc Phàn, Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam PGS.TS Trần Cơng Hùng, phó trưởng phòng Phòng Đào Tạo Khoa Học Cơng Nghệ, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng sở TP.Hồ Chí Minh Thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Chân thành cảm ơn quý Thầy/ Cô Khoa Công nghệ Thơng tin - Học viện Bưu Viễn Thơng tận tình giảng dạy, trang bị cho tơi kiến thức quý báu thời gian học Học viện Cảm ơn Ban Giám đốc Bệnh viện Nhi Đồng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành khóa học cách tốt Cảm ơn 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 Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng năm 2017 Học viên thực luận văn Ngô Quang Quyền iii MỤC LỤC Bản cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu v Danh sách bảng vi Danh sách hình vẽ vii Mở đầu CHƯƠNG I - TỒNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WIRELESS SENSOR NETWORK (WSN) 1.1 Giới thiệu WSN 1.2 Ứng dụng WSN 1.3 Cấu trúc mạng WSN 11 1.3.1 Cấu trúc node mạng WSN 11 1.3.2 Cấu trúc mạng WSN .12 1.3.3 Giao thức định tuyến WSN 14 1.3.4 Kiến trúc giao thức WSN 15 1.4 Các thách thức trở ngại WSN 17 1.4.1 Giới hạn nguồn lượng 17 1.4.2 Giới hạn phần cứng 18 1.4.3 Ảnh hưởng môi trường 18 1.5 Kết luận 18 CHƯƠNG II - CÁC THUẬT TOÁN PHÂN CỤM MỜ VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN SEP TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 20 2.1 Các kỹ thuật phân cụm thuật toán phân cụm mờ mạng cảm biến không dây 20 2.1.1 Giới thiệu chung 20 2.2.2 Cấu trúc mạng WSN có phân cụm 20 iv 2.1.3 2.2 Phân loại kỹ thuật phân cụm WSN 23 Các thuật toán phân cụm mờ WSN 25 2.2.1 Thuật toán FCM ( Fuzzy C-Means) 32 2.2.2 Thuật toán εFCM ( Insensitive Fuzzy C-Means)[7] 36 2.3 Tổng quan giao thức định tuyến SEP 39 2.4 Kết luận 40 CHƯƠNG III - ĐỀ XUẤT GIAO THỨC SEP_εFCM MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 41 3.1 Xây dựng mơ hình mạng 41 3.2 Mơ hình lượng 41 3.3 Thuật toán phân cụm εFCM WSN 42 3.4 Phân cụm định tuyến SEP WSN 44 3.5 Đề xuất kết hợp thuật toán εFCM vào giao thức định tuyến SEP 47 3.6 Kết thực nghiệm 49 3.6.1 Kết sau 1200 vòng chạy 50 3.6.2 Số node sống 51 3.6.3 Năng lượng lại 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 v DANH MỤC KÝ HIỆU Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt BS Base Station Trạm gốc CH Cluster Head Cụm chủ FCM Fuzzy C-Means Thuật toán Fuzzy C-Means FCM Insensitive Fuzzy C-Means HVAC PDA Heating, ventilation and aircon ditioning Personal Digital Assistant SEP A Stable Election Protocol TDMA Time Division Multiple Đa truy cập phân chia theo Access thời gian Wireless Sensor Network Mạng cảm biến khơng dây WSN Thuật tốn Insensitive Fuzzy C-Means Hệ thống nồi hơi, thơng điều hòa khơng khí Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân Giao thức định tuyến không đồng vi DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Tọa độ node 27 Bảng 2.2: Kết phân cụm K-Means 31 Bảng 3.1: Bảng tóm tắt giá trị tham số luận văn 49 Bảng 3.2: Bảng mơ tả ký hiệu hình mơ 50 vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây Hình 1.2: Các ứng dụng WSN Hình 1.3: Ứng dụng quân Hình 1.4: Ứng dụng giám sát điều khiển cơng nghiệp Hình 1.5: Ứng dụng theo dõi cháy rừng Hình 1.6: Ứng dụng y tế 10 Hình 1.7: Ứng dụng ngơi nhà thơng minh 11 Hình 1.8: Các thành phần node cảm biến 12 Hình 1.9: Cấu trúc mạng hình 13 Hình 1.10: Cấu trúc mạng dạng lưới 13 Hình 1.11: Cấu trúc mạng phân cụm hai tầng 14 Hình 1.12: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây 16 Hình 2.1: Cấu trúc phân cụm mạng cảm biến không dây 20 Hình 2.2: Lược đồ thuật toán K-Means 27 Hình 2.3: Tọa độ node mặt phẳng 28 Hình 2.4: Thiết lập Centroid ban đầu 28 Hình 2.5: Thiết lập lại Centroid 29 Hình 2.6: Phân cụm lại dựa Centroid 30 Hình 3.1: Phân cụm thuật toán εFCM 43 Hình 3.2: Xác định mức lượng node giao thức SEP 46 Hình 3.3: Lược đồ chọn CH node giao thức SEP 47 Hình 3.4: Lược đồ bước chạy thuật toán SEP_ εFCM 48 Hình 3.5: Giao thức SEP sau 1200 vòng chạy 50 Hình 3.6: Giao thức kết hợp SEP_ εFCM sau 1200 vòng chạy 51 Hình 3.7: Alive Node 51 Hình 3.8: Năng lượng lại 52 MỞ ĐẦU Ngày với phát triển nhanh khoa học kỹ thuật nói chung ngành cơng nghệ thơng tin nói riêng, giới bước vào kỷ nguyên số với xuất điện thoại thông minh, nhà thông minh thành phố thông minh,… dường chuẩn bị bước sang đại cách mạng công nghiệp lần thứ mang tên kỷ nguyên số Cùng với phát triển mạnh mẽ mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network – WSN [1] đời thành tựu khoa học tất yếu nhằm phục vụ cho nhu cầu người xã hội đại Mạng cảm biến không dây (WSN) đời giúp cho không nhiều sức lực, nhân công, tránh nguy hiểm chúng mang lại hiệu cao công việc Với tiến kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, cơng nghệ mạch tích hợp,…đã thiết kế cảm biến nhỏ gọn, giá thành rẻ có khả triển khai số lượng lớn thiết bị, WSN triển khai hàng loạt lĩnh vực khác như: Quốc phòng, dân sự, y tế, giáo dục, môi trường, nông nghiệp,… Với số ứng dụng cụ thể : theo dõi hành quân, điều quân quân địch; Theo dõi khô hạn cảnh báo cháy rừng; Đo độ ẩm để điều tiết nước tưới trang trại nông nghiệp; Giám sát sức khỏe bệnh nhân,… Tuy nhiên WSN tồn nhiều mặt hạn chế, hạn chế lớn nguồn lượng node cảm biến (do kích thước nhỏ nên pin thiết kế nhỏ) Với việc nguồn lượng khơng thể thay đổi tốn đặt phải làm để kéo dài thời gian hoạt động mạng WSN ? Để giải vấn đền Ngoài việc cải tiến phần cứng việc ứng dụng thuật tốn vào việc phân cụm node cảm biến kỹ thuật mang lại hiệu cao việc giải vấn đề lượng Luận văn nghiên cứu số thuật toán phân cụm đề xuất thuật toán cải tiến nhằm mang lại hiệu cao việc phân cụm mạng WSN Mạng cảm biến khơng dây (WSN) hiểu đơn giản mạng liên kết node với kết nối sóng vơ tuyến node mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố cách khơng có hệ thống diện tích rộng với phạm vi hoạt động rộng, sử dụng nguồn lượng hạn chế pin, có thời gian hoạt động lâu dài vài tháng đến vài năm hoạt động mơi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ) Tất cảm biến cảm nhận môi trường truyền liệu đến cụm đầu, cụm có chủ cụm (Cluster Head - CH) giao tiếp với tất node thành viên cụm CH truyền tồn liệu đến Sink Như phân tích trên, thấy node thường phải truyền số liệu qua khoảng cách xa, lắng nghe nhận tín hiệu từ node cụm, xử lý nhiều công việc khác cụm, nên chúng thường nhiều lượng node thành viên khác Do mạng phải tái phân cụm định kỳ để lựa chọn node có dư thừa lượng làm node cụm phân bố lưu lượng tải cho toàn node Đối với mạng WSN quy mô lớn, số node nhiều, nên ta cần có kiến trúc mạng tốt Bằng cách phân chia cụm node, nhằm giảm dư thừa chồng chéo tính node Thách thức việc triển khai node cảm biến vùng có tượng cần theo dõi cho giám sát cách hiệu quả, tái phân cụm liên tục nhằm tận dụng triệt để nguồn pin lượng tất node mạng WSN Luận văn tiến hành nghiên cứu đánh giá số thuật toán phân cụm tiếng K-Means, Fuzzy C-Means, Insensitive Fuzzy C-Means việc phân cụm WSN Tìm hiểu ưu nhược điểm thuật tốn với việc nghiên cứu tổng hợp giao thức SEP[8] Trên sở lý thuyết tìm hiểu được, luận văn đề xuất hướng tiếp cận việc kết hợp thuật toán Insensitive Fuzzy C-Means vào giao thức SEP tiến hành mô đánh giá hiệu thuật tốn cải tiến thơng qua phần mềm matlab Nội dung đề tài gồm chương: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network (WSN) Chương 2: Các thuật toán phân cụm mờ giao thức định tuyến SEP mạng cảm biến không dây Chương 3: Đề xuất giao thức kết hợp SEP_εFCM , mô đánh giá 41 CHƯƠNG III - ĐỀ XUẤT GIAO THỨC SEP_ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Xây dựng mơ hình mạng Ta giả định việc xây dựng mơ hình mạng với thuộc tính sau : - Mỗi node cảm biến thực nhiệm vụ cảm biến định kỳ ln có liệu để gởi đến trạm gốc - Một trạm gốc cố định đặt bên bên vùng mạng cảm biến - Tất node đứng yên chúng có lượng cố định - Các node có khả kiểm sốt nguồn lượng để điều khiển việc truyền lượng - Tất node có khả hoạt động chế độ node chủ (CH node) chế độ node gởi liệu (node thường) - Sự tổng hợp xử lý liệu trước sử dụng để giảm việc phải truyền toàn liệu 3.2 Mơ hình lượng Trong mạng cảm biến khơng dây, lượng bị tiêu hao truyền sóng điện từ khuếch đại sóng, việc nhận bị tiêu hao lượng Các sóng thực kiểm sốt lượng, sử dụng lượng tối thiểu cần thiết để đến bên nhận Do suy giảm theo khoảng cách, mơ hình lượng : + sử dụng cho khoảng cách tương đối ngắn + sử dụng cho khoảng cách dài + d ij khoảng cách node cảm biến I j Để đạt tỉ số tín hiệu nhiễu chấp nhận việc truyền thơng điệp 1-bít khoảng cách d, lượng tiêu hao sóng truyền đưa theo công thức sau : 42 ( , ) = + + ế < ế ≥ Trong : + lượng bit lúc truyền nhận + tùy thuộc vào mơ hình khuếch đại sử dụng + khoảng cách bên gởi bên nhận + ngưỡng khoảng cách truyền ( = ) - Để nhận 1-bít thơng điệp, sóng tiêu hao tính theo cơng thức sau : - E(l) = l.Eelec Đối với việc mô luận văn này, biến lượng thiết lập sau : + Eelec = 2*10-6 J/bit (năng lượng truyền liệu) + Eelec = 1*10-6 J/bit (năng lượng nhận liệu) + =10pJ/bit/m2 + =0.0013pJ/bit/m4 Trong mô giả định thông tin thu thập cụm gồm n node, node thu thập k bit liệu, nén để k bít khơng phụ thuộc vào số lượng node cụm Trong mơ chi phí lượng cho việc tập hợp liệu thiết lập EDA = 5nJ/bit 3.3 Thuật toán phân cụm WSN thuật toán phân cụm sử dụng phổ biến Hàm mục tiêu thuật toán định nghĩa sau : ( , )= ( ) ‖ , ‖ Trong :‖ , ‖ = ∑ − Với tham số phi nhạy cảm với nhiễu Vapnick đề xuất năm 1998 sau : 0, ‖ ‖ ≤ ‖ ‖ = ‖ ‖ − ‖ ‖ > 43 THUẬT TOÁN Input : Số cụm c tham số m, cho hàm mục tiêu J; Output : Các cụm liệu cho hàm mục tiêu (2) đạt giá trị cực tiểu; Begin Nhập tham số cụm c (1< c < n ), m (1