Nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng sensor

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN DUY TÂN NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG SENSOR Chuyên ngành: Truyền Dữ liệu Mạng Máy tính Mã số: 62.48.15.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Đình Việt Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Mạng cảm biến không dây Các nút cảm biến khơng dây có kích thước nhỏ, giá thành thấp, có khả cảm biến, thu thập, xử lý truyền tải thông tin qua Internet đến người dùng Mạng cảm biến không dây WSN bao gồm nhiều nút cảm biến triển khai dày đặc, ngẫu nhiên vùng rộng lớn tạo thành mạng tự tổ chức 1.2 Các ứng dụng điển hình mạng cảm biến khơng dây Mạng cảm biến khơng dây ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: Môi trường, nơng nghiệp, y tế, giao thơng, quốc phòng, v.v 1.3 Các phương pháp định tuyến mạng cảm biến không dây Do kiến trúc vật lý, nút cảm biến bị hạn chế tài nguyên khơng thể áp dụng thuật tốn định tuyến dựa tô-pô vào mạng cảm biến không dây Những năm gần đây, hướng tiếp cận hoàn toàn khác cho vấn đề định tuyến tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây tổ chức mạng thành cụm, cụm bầu nút cụm trưởng (CH) Nút CH chịu trách nhiệm điều khiển, trì hoạt động cụm mạng Phương pháp đóng vai trò quan trọng việc đạt mục tiêu thiết kế sau đưa mạng cảm biến không dây vào hoạt động 1.4 Vấn đề giải mục tiêu luận án Phân cụm định tuyến phân cụm cho hiệu lượng nghiên cứu, triển khai ứng dụng mạng cảm biến không dây vào thực tế Trong luận án này, vấn đề sau thuộc toán nêu quan tâm giải quyết: Định tuyến phân cụm cho hiệu lượng: Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến phân cụm để nâng cao hiệu sử dụng lượng Định tuyến phân cụm dựa chuỗi: Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến phân cụm dựa chuỗi, kết hợp với việc tổng hợp liệu nút dọc theo chuỗi cho hiệu sử dụng lượng đề xuất cải tiến lược đồ xây dựng cụm (cung) chuỗi cho hiệu lượng mạng hỗn hợp Định tuyến phân cụm dựa tối thiểu: Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến phân cụm dựa tối thiểu kết hợp với tổng hợp liệu lập lịch ngủ cho hiệu sử dụng lượng cao 1.5 Nội dung luận án Luận án trình bày năm chương: − Chương đặt vấn đề; phát biểu toán mục tiêu luận án, tóm tắt nội dung đóng góp luận án − Chương trình bày kết nghiên cứu tổng quan định tuyến có thứ bậc (phân bậc), cơng trình liên quan đến toán định tuyến tiết kiệm lượng cách tóm tắt − Chương trình bày đề xuất thuật toán cải tiến giao thức định tuyến phân cụm phân tán dựa việc xem xét đến lượng lại trung bình khoảng cách từ nút ứng viên đến BS trước chọn làm CH − Chương trình bày hai đề xuất cải tiến thuật tốn định tuyến phân cụm dựa xây dựng chuỗi dài kết hợp với tổng hợp, nén liệu xây dựng cụm (cung) chuỗi nhằm nâng cao hiệu tiêu thụ lượng mạng cảm biến không dây − Chương trình bày hai thuật tốn định tuyến dựa xây dựng tối thiểu đề xuất cải tiến nhằm nâng cao hiệu sử dụng lượng, kết hợp với tổng hợp liệu hay lập lịch ngủ cho nút có hiệu rõ rệt thông qua kết mô − Phần kết luận tổng kết kết đạt luận án giới thiệu số hướng nghiên cứu mở rộng 1.6 Đóng góp luận án Những đóng góp luận án bao gồm: - Đề xuất cải tiến giao thức định tuyến phân cụm phân tán dựa tiêu chuẩn bầu chọn nút cụm trưởng có xem xét đến lượng lại trung bình khoảng cách từ nút ứng viên đến BS, thuật tốn làm việc tốt mạng cảm biến đồng - Đề xuất cải tiến lược đồ xây dựng cung (cụm) chuỗi cho hiệu lượng có tên SCBC, ứng dụng cho mạng cảm biến không dây không đồng - Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến dựa chuỗi dài, kết hợp với việc tổng hợp, nén liệu nút dọc theo chuỗi cho hiệu sử dụng lượng - Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến cho hiệu lượng dựa xây dựng khung nhỏ kết hợp với tổng hợp, nén liệu theo mơ hình phân cấp có tên (DFTBC) - Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến cho hiệu lượng dựa xây dựng khung nhỏ kết hợp với lập lịch ngủ có tên (SSTBC) Hình 1.2 minh họa trực quan toán luận án quan tâm với đề xuất cải tiến đưa nhằm giải toán định tuyến tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến không dây Định tuyến tiết kiệm lượng Kỹ thuật phân cụm Phân cụm phân tán Phân cụm tập trung Xây Xây dựng dựng chuỗi Các cơng trình liên quan Nội dung đề xuất Hình 1.2: Giải pháp đề xuất Kết hợp với tổng hợp liệu Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây Để tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến, sử dụng giải pháp phần cứng phần mềm Giải pháp phần cứng sử dụng công nghệ tiết kiệm lượng thay đổi cấu trúc nút cảm biến chạy nhiều chế độ tiết kiệm lượng khác Giải pháp phần mềm thiết kế giao thức mạng giao thức định tuyến chạy tiết kiệm lượng 2.2 Định tuyến mạng cảm biến không dây Các giao thức định tuyến phân loại theo giao thức kiến trúc phẳng, giao thức dựa thơng tin vị trí, giao thức dựa chất lượng dịch vụ giao thức có thứ bậc (phân bậc) [4, 81] 2.2.1 Các giao thức kiến trúc phẳng Giao thức phát tràn (Flooding) kỹ thuật sử dụng phổ biến để tìm đường phát tán thơng tin mạng MANET khơng dây có dây Hoạt động định tuyến đơn giản, khơng đòi hỏi chi phí cấu hình mạng tốn kém, khơng cần thuật tốn tìm đường phức tạp v.v Theo nút nhận gói tin điều khiển hay gói liệu, gửi đến tất nút lân cận khác trừ nút gửi liệu cho [4, 81, 96] 2.2.2 Các giao thức định tuyến theo thông tin địa lý Khác với giao thức kiến trúc phẳng, giao thức định tuyến theo thông tin địa lý sử dụng thông tin vị trí địa lý nút mạng để xây dựng tuyến đường hiệu nguồn đích Ví dụ giao thức GAF, GEAR, v.v [37, 81] 2.2.3 Các giao thức dựa chất lượng dịch vụ Các giao thức thuộc loại đa số thỏa mãn yêu cầu, độ đo thông lượng, độ trễ, lượng, băng thông, chuyển phát gói tin tới đích (sink) Ví dụ giao thức SPEED, SAR, v.v 2.2.4 Các giao thức có thứ bậc Các giao thức lược đồ phân cấp tổ chức, chia mạng thành cụm (cluster) Mỗi cụm bầu nút đứng đầu cụm gọi nút "cụm trưởng" (CH), chịu trách nhiệm quản lý hoạt động cụm, thu nhận, tổng hợp liệu, chuyển tiếp đến BS Các nút khác tương tác với nút cụm trưởng chịu điều khiển Việc phân cấp thứ bậc phân thành nhiều tầng (mức) khác cấu trúc "cây" 2.2.4.1 Phân cụm hiệu lượng dựa xác suất Các phương pháp định tuyến có thứ bậc dựa mơ hình xác suất làm tiêu chuẩn để chọn nút ứng viên làm cụm trưởng đề xuất như: LEACH, LEACH-C [44, 96], v.v 2.2.4.2 Định tuyến phân cụm tập chung Trong kỹ thuật định tuyến phân cụm tập chung, việc chọn nút ứng viên làm CH phân chia cụm thực nút trung tâm, nút có khả tính tốn lớn có nguồn lượng khơng bị hạn chế (sink BS), mạng khơng tiêu tốn lượng cho việc xây dựng cụm LEACH-C, 2.2.4.3 Phân cụm hiệu lượng dựa chuỗi Thay nút cụm kết nối, truyền thông trực tiếp chặng với nút CH, thuật toán định tuyến dựa chuỗi giảm khoảng cách truyền nút cụm cách kết nối truyền thông với nút hàng xóm gần nhất, tăng hiệu sử dụng lượng mạng, ví dụ giao thức PEGASIS, v.v 2.2.4.4 Phân cụm hiệu lượng dựa Khác với lược đồ định tuyến dựa chuỗi, giao thức định tuyến theo lược đồ phân cụm dựa cho hiệu lượng tốt cách kết hợp phân cụm xây dựng tối thiểu sử dụng thuật toán Prim để giảm khoảng cách truyền nút mạng Điển hình giao thức TCDGP, STDC, v.v 2.3 Phân cụm tổng hợp liệu Nếu thuật toán phân cụm dự chuỗi cho hiệu sử dụng lượng cách giảm khoảng cách truyền thông nút mạng tổng hợp liệu loại bỏ liệu cảm biến dư thừa từ nút cảm biến khác ứng dụng mạng cảm biến để lấy thông tin quan sát xác Thêm nữa, nén liệu giải pháp tốt cho việc tiết kiệm nguồn lượng pin quý nút cảm biến cách giảm số bít liệu mà nút mạng phải truyền 2.4 Tổng kết chương Kỹ thuật phân cụm tổ chức mạng thành cụm để giảm tối đa truyền thơng trực tiếp với BS xa Do đó, tiết kiệm lượng cho phép mạng có quy mơ lớn triển khai mà khơng gặp phải tình trạng q tải, đụng độ truyền thơng số điểm trọng yếu Lược đồ phân cụm dựa chuỗi tối thiểu cho hiệu sử dụng lượng tốt nhờ giảm tối đa tổng khoảng cách truyền thông nút mạng cách xây dựng liên kết ngắn nút thành chuỗi khung nhiều cấp Chương 3: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN PHÂN CỤM 3.1 Kỹ thuật định tuyến phân cụm phân tán Với phân cụm phân tán, hoạt động thiết lập cụm thực nút mạng, ví dụ giao thức LEACH, HEED, v.v Các nút tự chọn nút làm cụm trưởng, chọn CH gia nhập cụm với hoạt động truyền liệu thực thông qua việc gửi thông điệp qua lại nút 3.2 Giao thức định tuyến LEACH Giai đoạn thiết lập: Bước 1: Chọn nút cụm trưởng Các nút mạng tự định có trở thành nút đứng đầu cụm hay không theo quy tắc sau: Mỗi nút chọn số ngẫu nhiên nằm khoảng từ tới Nếu số ngẫu nhiên nhỏ giá trị ngưỡng T(i) nút trở thành nút cụm trưởng vòng [44, 96] k T (i) = − k(r mod , if i ∈ G ) k (3.1) otherwise (i ∉ G) Trong đó: - G tập hợp nút khơng lựa chọn làm CH (1/k) vòng cuối - k tỉ lệ phần trăm nút cụm trưởng (k=5% [44]) - r vòng Bước 2: Bước xây dựng cụm Các nút CH quảng bá vai trò cho nút khác mạng cách gửi thông điệp HEAD_Adv_Msg Các nút - DMax giá trị đường kính mạng, tính sau triển khai mạng - Eaverage mức lượng trung bình nút cảm biến sống vòng tại, tính đây: E average ∑nE (i) = residual n i= (3.3) Bước xây dựng cụm (xem Hình 3.4) Sau chọn nút CHs, CHs gửi quảng bá thông điệp HEAD_Adv_Msg đến nút khác mạng Các nút CHs nhận thông điệp HEAD_Adv_Msg từ CHs, ước lượng khoảng cách theo hàm f criterion(i, CHj) gửi thông điệp gia nhập cụm JOIN_Clu_Msg đến nút CH tương ứng E residual = fcriterion (i, CH j ) max d(BS, CH ) + d(i, CH j j (3.4) ) Trong đó, d(BS, CHj) d(i, CHj) khoảng cách từ BS đến CH j từ nút i đến CHj tương ứng Khoảng cách địa lý hai nút a b tính tốn đây: d (a,b) = (xa − xb )2 + ( ya − yb )2 (3.5) Mơ hình lượng Để truyền q bít liệu hai nút khoảng cách d(a, b), lượng tiêu thụ tính [44, 75, 96, 109]: +q×E q × E friis ×d ×d , if d < d crossover elec E TX (q, d) =q × E elec + q × E amp , if d ≥ d crossover (3.6) Ở đây: − Eelec lượng yêu cầu để chạy mạch điện cho thu phát sóng vơ tuyến 10 − Efriis Eamp đơn vị lượng yêu cầu cho khuếch đại mơ hình truyền thẳng hai tia mặt đất, phụ thuộc vào khoảng cách mơ hình truyền thơng vơ tuyến Để nhận q bít liệu, lượng tiêu thụ là: (3.8) E Rx (q) = q × E elec 3.4 Phân tích kết mơ Về độ phức tạp tính tốn LEACH-DE, nút cần tính giá trị hàm V(i) f() theo công thức (3.2) (3.4), độ phức tạp tính tốn O(n) Để kiểm chứng LEACH-DE, tiến hành cài đặt chạy mô giao thức LEACH, LEACH-C LEACH-DE nhiều kịch khác dựa công cụ ns-2 Các kết mô cho thấy tỉ lệ nút sống theo thời gian LEACH-DE tăng lên khoảng 20% so với LEACH Trong đó, tỉ lệ gói tin nhận BS vị trí BS (49, 175) (49, 225) LEACH-DE giảm 10% so với LEACH 3.5 Tổng kết chương Giải pháp đề xuất cải tiến LEACH-DE nâng cao hiệu sử dụng lượng cách chọn nút CH xây dựng cụm có xem xét đến khoảng cách từ nút đến BS lượng lại trung bình nút Kết mơ khẳng định thuật toán LEACH-DE cho hiệu sử dụng lượng tốt thuật toán phân cụm LEACH LEACH-C truyền thống tỷ lệ chuyển phát gói tin thấp LEACH-C Trong chương tiếp theo, điểm yếu lại LEACH nghiên cứu giải 11 Bắt đầu vòng Nút sống Khơng khơng? Còn Nhận thơng điệp HELLO từ BS End Tính tốn V(i) nút cơng thức (3.2) E residual ≥ Evà Có Khơng average V(i)>Thresthold (Có phải CH?) Quảng bá HEAD_Adv_Msg Nhận HEAD_Adv_Msg tới nút khác Đợi tin nhắn từ nút CHs Tính hàm f() cho tất JOIN_Clu_Msg HEAD_Adv_Msg nhận Tạo gửi lịch TDMA tới Gửi JOIN_Clu_Msg chọn nút CH Chờ nhận lịch TDMA nút thành viên nhóm Lập lịch để nhận liệu từ nút CH Lập lịch gửi liệu từ nút thành viên Nhận liệu từ đến nút CH Gửi liệu cảm biến nút thành viên nhóm Tổng hợp liệu đến nút CH chuyển tiếp đến BS Thời gian vòng Đúng hết? Sai Đúng Nút CH? Gửi Eresidual đến BS Sang vòng Sai Hình 3.4: Sơ đồ hoạt động LEACH-DE 12 Chương 4: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN CHUỖI 4.1 Đặt vấn đề Trong định tuyến phân cụm, liên kết đơn chặng từ nút thành viên đến CH cụm có khoảng cách xa, hiệu sử dụng lượng chưa cao Để khắc phục vấn đề này, tác giả đề xuất giải pháp xây dựng chuỗi kết hợp với tổng hợp, nén liệu để giảm liên kết có khoảng cách dài giảm số bít liệu cần truyền từ nâng cao hiệu sử dụng lượng hệ thống thơng tin cảm biến 4.2 Phân tích tổng hợp liệu Trong mạng WSN, nút cảm biến quan sát mơi trường định kỳ gửi gói liệu tương quan tới BS Chúng ta sử dụng kỹ thuật nén mã nguồn phân tán (DSC-Distributed Source Coding) để giảm kích thước gói liệu truyền mạng Hơn nữa, tổng hợp liệu kỹ thuật tốt để đạt hiệu lượng cách loại bỏ thông tin trùng lặp sử dụng lý thuyết Dempster-Shafer Tuy nhiên, độ phức tạp thời gian tính tốn lý thuyết Dempster-Shafer tăng lên theo hàm mũ số lượng nút cảm biến mạng tăng với số lượng lớn Vì thế, Zeng cộng đề xuất thuật toán tổng hợp liệu lượng thấp (LEECF) dựa phân tích ma trận [119] Nhóm tác giả chứng minh kết đạt từ LEECF giống với Dempster-Shafer thời gian tiêu tiêu tốn nhỏ 13 4.3 Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng chuỗi dài 4.3.1 Giai đoạn chọn nút lãnh đạo chuỗi Giai đoạn đầu vòng, tất nút sống gửi thông điệp, chúng chứa mã định danh, vị trí lượng lại tới BS BS tính tốn chọn nút lãnh đạo chuỗi, chúng có mức lượng lại lớn mức lượng lại trung bình nút sống theo (3.3) hàm cost đạt giá trị lớn công thức (4.7) E (i) residual ec cost(i) = Max × dc d(i, BS) (4.7) Trong đó: - d(i, BS) khoảng cách địa lý từ nút ứng viên thứ i đến BS, tính dựa vào cơng thức (3.5) - Hằng số ec1 dc2 thiết lập để dung hòa tỷ lệ lượng lại nút khoảng cách từ nút i đến BS Khi ec1 lớn dc2, điều có nghĩa lượng lại quan trọng khoảng cách nút ứng viên BS xem xét chọn nút CH lãnh đạo chuỗi Ở đây, kịch mô với tham số mô Bảng 3.1, chọn giá trị ec1=2/J dc2 = 5/m - Hàm cost() trả giá trị số, dùng làm tiêu chuẩn chọn nút CH, nút có giá trị cost() lớn cụm chọn vòng 4.3.2 Giai đoạn xây dựng chuỗi Sau chọn nút CH, BS xây dựng chuỗi dựa thuật toán tham lam (GA-Greedy Algorithms) phân bố thông tin tới tất nút mạng Để giảm liên kết dài, DFCB thực 14 so sánh không với nút cuối chuỗi mà với nút khác chuỗi để tìm nút hàng xóm gần 4.3.3 Giai đoạn tổng hợp liệu Sau xây dựng chuỗi, nút cảm biến bắt đầu thu thập liệu, tổng hợp nén liệu theo DSC 4.3.4 Giai đoạn truyền liệu Các nút cảm biến gửi gói liệu quan sát đến nút khe thời gian gán kỹ thuật TDMA dọc theo chuỗi Sau khoảng thời gian, vòng bắt đầu việc chọn lại CH xây dựng lại chuỗi, chuyển đổi vai trò làm CH cho nút khác để cân tiêu thụ lượng 4.4 Đề xuất cải tiến lược đồ xây dựng cụm chuỗi 4.4.1 Giai đoạn thiết lập Bước 1: Chia cụm cung cân số nút Đầu tiên, BS lấy thông tin vị trí, số định danh lượng lại tất nút sống mạng cách trao đổi thơng điệp Sau đó, BS tính góc, phân chia toàn vùng cảm biến thành k cung lơ-gíc (tương đương k cụm), chúng cân số nút cảm biến cụm Bước 2: Chọn nút lãnh đạo chuỗi (CH) Tại vòng thứ r SCBC, BS lựa chọn nút CH cho cụm, chúng có mức lượng lớn mức lượng trung bình Eavg cụm theo (4.20) có giá trị hàm cost đạt giá trị cực đại (4.21) nn (4.20) Eavg (cl) ∑ E(j) nn = j= 15 dc cost(cl) = Max ec *E residual (i) + (4.21) h d(i, BS) + ∑ d(i, j) j= Trong đó: - nn tổng số nút sống cụm - Eresidual(i) lượng lại nút cảm biến thứ i cụm cl tương ứng - h số nút hàng xóm nút thứ i, số ec dc2 giống với (4.7) - Eavg(cl) lượng lại trung bình cụm thứ i Bước 3: Chọn nút CH thứ cấp Trong SCBC, có vài nút cụm trưởng thứ cấp (SCH) chuyển tiếp gói liệu đến BS để tiết kiệm lượng cho nút cụm trưởng (CH) khác xa Các nút SCHs có khoảng cách từ đến BS gần tốt Do đó, khoảng cách CH BS nhỏ khoảng cách trung bình D avg từ chúng đến BS nhỏ R/2 nút CH chọn SCH Giá trị Davg tính đây: D k = avg ∑ d(CHi , BS) k i= (4.22) đây, số nút SCHs nhỏ nửa số lượng CHs với khoảng cách truyền thơng ngắn từ đến BS để tiết kiệm lượng Bước 4: Phân tích chiều dài thời gian thơng lượng mạng Thơng lượng mạng Q định nghĩa số lượng gói liệu truyền từ N nút cảm biến sống tới BS đơn vị thời gian (4.23) Q = N × NR × m 16 Từ đó, ta có hàm mục tiêu diễn tả như: f = argmax( Q) = argmax( NR × m) (4.25) Trong đó, arg max (arguments of the maximum) làm cho Q đạt giá trị cực đại hay tìm giá trị N R để Q đạt cực đại [62] Chiều dài thời gian cho giai đoạn ổn định truyền liệu với m gói tin ESCH (r) − m(E tx (q, d) + E rx (q, d) + E DF ) ≥ E theshold (4.26) Trong đó, Etheshold ngưỡng lượng, cố định người dùng tùy theo ứng dụng mạng lớn khơng để đảm bảo sau kết thúc vòng, nút SCH sống Bước 5: Xây dựng chuỗi BS xây dựng chuỗi cho cụm dựa thuật tốn tham lam phân bố thơng tin tới tất nút mạng SCBC không cân số nút cụm mà giảm liên kết dài cách sử dụng hai chuỗi để kết nối nút gần lại với sau kết nối hai chuỗi thành chuỗi (xem Thuật toán 4.6 LA) 4.4.2 Giai đoạn truyền liệu (xem Mục 4.6.2 LA) 4.5 Mô để đánh giá hiệu DFCB SCBC Về độ phức tạp tính tốn, DFCB có độ phức tạp tính tốn O(ch.v ) độ phức tạp thơng báo số, ch số nút kết nối trực tiếp với nút trung gian chuỗi v số giá trị nút quan sát mơi trường đích SCBC sử dụng thuật tốn tham lam đề xây dựng cụm chuỗi, đó, độ phức tạp tính tốn SCBC O(nlog(n)) độ phức tạp thông báo số Để kiểm chứng đánh giá hiệu DFCB SCBC, 17 tiến hành cài đặt mô DFCB SCBC công cụ mô mạng mã nguồn mở ns-2 chạy nhiều kịch khác Các kết mơ chúng tơi lập bảng, tính giá trị trung bình biểu diễn đồ thị cho thấy DFCB kéo dài thời gian sống mạng thêm 40% so với LEACH khoảng 10% so với PEGASIS trương hợp có tổng hợp khơng nén liệu SCBC làm tăng thêm khoảng 20% 15% thời gian sống cho mạng so sánh với giao thức PEGASIS IEEPB thông qua độ đo: Tỉ lệ (phần trăm) nút sống theo thời gian mơ phỏng; lượng tiêu thụ theo thời gian mô tỉ lệ gói tin nhận BS vị trí BS thay đổi 4.6 Tổng kết chương DFCB giảm lượng tiêu thụ truyền liệu dựa việc kết nối nút hàng xóm gần mạng với thành chuỗi dài tổng hợp, nén liệu theo DSC chuỗi Phân tích kết mô cho thấy, DFCB cho hiệu sử dụng lượng tốt thuật toán phân cụm LEACH PEGAGIS SCBC, đề xuất cải tiến phân cụm (cung) chuỗi khác đưa nhằm nâng cao hiệu sử dụng nguồn lượng dựa cân số nút cụm tối ưu khoảng thời gian truyền liệu vòng mà chúng hoạt động ổn định mạng Việc tối ưu hai tham số lược đồ định tuyến phân cụm dẫn đến thuật toán định tuyến tốt 18 Chương 5: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN CÂY TỐI THIỂU 5.1 Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng cụm DFTBC SSTBC hai đề xuất cải tiến lược đồ định tuyến dựa kết hợp với tổng hợp liệu lập lịch ngủ để nâng cao hiệu sử dụng lượng cho mạng cảm biến 5.2 Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng cụm DFTBC 5.2.1 Giai đoạn thiết lập cụm Nội dung giao thức DFTBC bao gồm bốn giai đoạn: (i) phân chia vùng lựa chọn CH cho vùng, (ii) xây dựng cụm dựa cây, (iii) tổng hợp liệu (iv) giai đoạn ổn định truyền liệu Phân chia vùng chọn nút CH Đầu tiên, BS lấy thơng tin vị trí địa lý, số định danh lượng lại nút sống mạng cách trao đổi thơng điệp BS nút mạng Sau đó, BS phân chia toàn vùng cảm biến thành năm cụm (5% tổng số nút mạng) Giai đoạn xây dựng cụm dựa Trong phần này, khung tối thiểu xây dựng cho năm cụm dựa thuật toán Prim để giải vấn đề đồ thị vô hướng với giá lựa chọn khoảng cách nút để lấy tổng khoảng cách nút cụm nhỏ Giai đoạn tổng hợp liệu Sau chọn CH xây dựng khung nhỏ nhất, BS phân bố thông tin cây, lịch TDMA mã CDMA tới nút mạng, nút cảm biến bắt đầu thu thập, tổng hợp nén liệu theo DSC (Distributed Source Code) theo mơ hình 19 5.2.2 Giai đoạn truyền liệu Các gói liệu bắt đầu truyền từ nút vị trí xa Nút bắt đầu truyền liệu đến nút cha nó, nút cha nhận liệu, giải nén tổng hợp với gói liệu mà quan sát được, nén chuyển tiếp đến nút cha mức cao theo hướng từ lên Bất nút gốc (CH) cụm nhận tất liệu từ nút nó, chuyển tiếp đến BS sau tổng hợp nén theo cách tương tự 5.3 Kết hợp với lập lịch ngủ 5.3.1 Đặt vấn đề Đề xuất cải tiến SSTBC chia mạng thành ô lưới ảo nhỏ, kích thước lưới nhỏ giá trị ngưỡng (Threshold), chúng thiết lập người dùng Để tiết kiệm lượng, SSTBC chọn nút có mức lượng lại lớn nút ô lưới ảo chế độ thức (chế độ hoạt động) Các nút khác lập lịch tắt thu phát sóng vơ tuyến chúng (vào chế độ ngủ) nút gần nhau, chúng quan sát thông tin gần giống ô lưới nhỏ Hơn nữa, SSTBC giảm lượng tiêu thụ cách giảm khoảng cách truyền đa chặng nút cụm cách liên kết nút chế độ hoạt động thành 5.3.2 Thuật toán Đầu tiên, BS lấy thơng tin định danh nút, vị trí lượng lại cách trao đổi thơng điệp BS nút mạng sống Sau đó, BS chia toàn vùng cảm biến thành 5% cụm khác nhau, cụm lại chia nhỏ thành ô lưới ảo, chúng có kích thước nhỏ giá trị kích thước ngưỡng Tiếp theo, BS chọn nút CH cho cụm xây dựng thành 20 khung tối thiểu với giá khoảng cách nút dựa vào thuật tốn Prim 5.4 Mơ Về độ phức tạp tính tốn, SSTBC có độ phức tạp tính toán O(nlog(n)) áp dụng thuật toán Prim để xây dựng độ phức tạp thông báo số Còn độ phức tạp tính tốn DFTBC chủ yếu thuật toán tổng hợp liệu nhiều cảm biến, có độ phức tạp tính tốn O(ch.v ) độ phức tạp thông báo số, ch số nút nút v số giá trị nút quan sát mơi trường đích Hiệu DFTBC SSTBC đánh giá thông qua mô dựa công cụ mô mạng mã nguồn mở ns-2 Sau cài đặt, chạy mô nhiều lần, kết mơ chúng tơi tính giá trị trung bình vẽ đồ thị hiển thị Cả DFTBC SSTBC cho thấy hiệu sử dụng lượng nâng cao thời gian sống nút mạng kéo dài 5.5 Tổng kết chương Trong chương này, lược đồ định tuyến phân cụm dựa xây dựng khung tối thiểu kết hợp với tổng hợp, nén liệu lập lịch ngủ đề xuất thông qua hai đề xuất DFTBC SSTBC Các kết mô khẳng định DFTBC kéo dài thời gian sống mạng tăng thêm khoảng 60%, 20% 8% so sánh với giao thức LEACH-C, PEGASIS STDC trường hợp có tổng hợp không nén liệu SSTBC cho hiệu sử dụng lượng cao LEACH-C, PEGASIS STDC khoảng 65%, 25% 12% 21 Chương KẾT LUẬN Chương này, tổng kết kết đạt luận án, đóng góp luận án giới thiệu số hướng nghiên cứu mở rộng Đầu tiên, chúng tơi hệ thống hóa vấn đề chuyên sâu giao thức định tuyến tiết kiệm lượng mạng cảm biến khơng dây (Chủ yếu trình bày Chương 2) Đề xuất giao thức LEACH-DE, cải tiến giao thức LEACH, nâng cao hiệu sử dụng lượng cách chọn nút CH xây dựng cụm phân tán có xem xét đến khoảng cách lượng lại trung bình nút Đề xuất giúp giảm rõ rệt tỉ lệ nút mạng bị chết hết lượng sớm so với LEACH LEACH-C Nội dung chi tiết đề xuất trình bày Chương Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng chuỗi dài, có kết hợp với tổng hợp nén liệu chuỗi DFCB DFCB giúp nâng cao hiệu sử dụng lượng khoảng 40% so với LEACH khoảng 10% so với PEGASIS (trình bày Chương 4) Chương trình bày đề xuất SCBC - Một lược đồ định tuyến phân cụm (cung) dựa chuỗi, thực việc cân số nút cảm biến cụm tối ưu thời gian hoạt động cụm giai đoạn truyền liệu Đề xuất giúp nâng cao hiệu sử dụng lượng khoảng 20% so với PEGASIS khoảng 15% so với IEEPB Đề xuất DFTBC - Thực cải tiến giao thức định tuyến phân cụm tiết kiệm lượng dựa khung tối thiểu, cụ thể áp dụng thuật toán Prim để kết nối nút cảm biến cụm 22 với thành với nút CH nút gốc, nhờ giảm khoảng cách truyền thông tổng thể cụm, nâng cao hiệu sử dụng lượng Đề xuất giúp nâng cao hiệu thời gian sống mạng khoảng 60% so với LEACH-C, khoảng 20% so với PEGASIS khoảng 8% so với STDC (trình bày Chương 5) Đề xuất SSTBC (Sleep Scheduled and Tree-Based Clustering), cải tiến thuật toán phân cụm dựa kết hợp với lập lịch ngủ có [70], cách chia ảo toàn vùng cảm biến thành ô, ô trì nút mạng “thức” nút khác vào chế độ “ngủ” để tiết kiệm lượng Các kết mô cho thấy SSTBC giúp kéo dài thời gian sống mạng khoảng 65% so với LEACH-C, khoảng 20% so với PEGASIS khoảng 12% so với STDC (Chương 5) Trên sở vấn đề chưa giải hướng nghiên cứu mở rộng với toán định tuyến tiết kiệm lượng mạng cảm biến nói riêng mạng khơng dây nói chung, chúng tơi tiếp tục tìm hiểu nghiên cứu sâu theo định hướng sau: Nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây triển khai mạng mặt biển nước biển Thêm nữa, nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm lượng mạng MANET mạng cảm biến không dây thông minh (Cognitive Radio Sensor Network) Bên cạnh kết đạt được, luận án chắn khó tránh khỏi thiếu sót Nghiên cứu sinh mong muốn nhận nhiều ý kiến đóng góp hữu ích thầy, cô bạn đọc 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Nguyen Duy Tan, Ho Duc Ai, Duong Viet Huy and Nguyen Dinh Viet (2013), "An Improved LEACH Routing Protocol for EnergyEfficiency of Wireless Sensor Networks", Fundamental and Applied Information Technology Research (FAIR), pp 33-40 Nguyen Duy Tan and Nguyen Dinh Viet (2014), "DFCB: Data Fusion and Chain-Based Clustering Routing Protocol for EnergyEfficient in WSNs", Fundamental and Applied Information Technology Research (FAIR), pp 102-111 Duong Viet Huy, Nguyen Duy Tan, Ho Duc Ai, and Nguyen Dinh Viet (2014), "Tiếp cận phương pháp tổng hợp liệu nhiều cảm biến mạng cảm biến không dây lý thuyết tập thô", Fundamental and Applied Information Technology Research (FAIR), pp 668-677 Nguyen Duy Tan and Nguyen Dinh Viet (2014), "DFTBC: Data Fusion and Tree-Based Clustering Routing Protocol for EnergyEfficient in Wireless Sensor Networks", Knowledge and Systems Engineering (KSE), pp 61-77 Nguyen Duy Tan and Nguyen Dinh Viet (2015), "SSTBC: Sleep Scheduled and Tree-Based Clustering Routing Protocol for EnergyEfficient in Wireless Sensor Networks", International Conference on Computing and Communication Technologies (IEEE-RIVF), pp 180-185 Nguyen Duy Tan and Nguyen Dinh Viet (2015), "SCBC: SectorChain Based Clustering Routing Protocol for Energy Efficiency in Heterogeneous Wireless Sensor Network", Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 314-319 Nguyen Duy Tan and Nguyen Dinh Viet (2015), "CEER-Channel and Energy-Efficient Routing Protocol Based on Interference Avoidance for Cognitive Radio Ad Hoc Networks", Fundamental and Applied Information Technology Research (FAIR), pp 61-71 Danh mục bao gồm 07 cơng trình 24 ... nghệ tiết kiệm lượng thay đổi cấu trúc nút cảm biến chạy nhiều chế độ tiết kiệm lượng khác Giải pháp phần mềm thiết kế giao thức mạng giao thức định tuyến chạy tiết kiệm lượng 2.2 Định tuyến mạng. .. tổng hợp liệu Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây Để tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến, sử dụng giải... nghiên cứu mở rộng với toán định tuyến tiết kiệm lượng mạng cảm biến nói riêng mạng khơng dây nói chung, chúng tơi tiếp tục tìm hiểu nghiên cứu sâu theo định hướng sau: Nghiên cứu giao thức định