Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG LÊ DỖN TRUNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG TRỌNG MINH HÀ NỘI - 2019 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG LÊ DỖN TRUNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Các kế thừa tác giả khác trích dẫn Học viên Lê Dỗn Trung ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giảng viên cán quản lý Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, đặc biệt thầy cô Khoa viễn thông I Khoa đào sau đại học dành thời gian, tâm huyết tri thức giúp đỡ dìu dắt chúng em suốt chặng đường khóa học Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Hoàng Trọng Minh - Người trực tiếp hướng dẫn, truyền thụ kiến thức cho em trình tìm hiểu, nghiên cứu lĩnh vực mạng cảm biến khơng dây, giúp em có hiểu biết định lĩnh vực hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu giao Em xin cảm ơn gia đình bạn bè đồng nghiệp bên động viên, giúp đỡ em suốt chặng đường qua, để em hồn thành nhiệm vụ giao Những bước trình tìm hiểu, nghiên cứu khoa học, nghiên cứu lĩnh vực Với kiến thức kinh nghiệm nhiều hạn chế, có điểm chưa hồn chỉnh điều tránh khỏi Em cầu thị tiến mong nhận dẫn, góp ý thầy cô để kiến thức em ngày vững hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng Học viên Lê Doãn Trung năm 20 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vii LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 12 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 13 1.5 Kết luận chương 15 CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 16 2.1 Tổng quan vấn đề lượng nút cảm biến 16 2.2 Sự tiêu thụ lượng 19 2.2.1 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến 19 2.2.2 Năng lượng cho truyền thông 19 Năng lượng cho xử lý 20 2.3 Các giải pháp tiết kiệm lượng 21 2.3.1 Giải pháp định tuyến 21 2.3.2 Các giao thức lớp mạng khác đề xuất cho mạng cảm biến 24 2.3.3 Giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn 30 2.3.4 Quản lý nguồn công suất 34 iv 2.3.5 Giải pháp sử dụng nguồn lượng tự nhiên 39 2.4 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG VỚI GIAO TUYẾN ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 44 3.1 Giới thiệu chung 44 3.2 Giao thức chọn ổn định SEP 45 3.2.1 Nhóm theo phân cấp 46 3.2.2 Chia nhóm tối ưu 47 3.3 Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E 50 3.4 Giao thức ổn định nâng cao SEP-E (RCH) 52 3.4.1 Lựa chọn đầu cụm 53 3.4.2 Lựa chọn đầu cụm dự phòng 54 3.4.3 Xác định đầu cụm 54 3.4.4 Giai đoạn truyền liệu 55 3.5 Mô kiểm chứng 56 3.6 Kết luận chương 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Đa truy nhập nhận biết sóng mang Collision Detect phát xung đột CTS Clear to Send Xóa để gửi GAF Geographic Adaptive Fidelity Định tuyến dựa vị trí GBR Gradient based routing Định tuyến dựa khoảng cách GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu Global Orbiting Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ System đạo toàn cầu Geographic and Energy-Aware Định tuyến dựa vị trí Routing lượng GLONSS GEAR LEACH Low energy adaptive clustering Phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp hierarchy Giao thức điều khiển thâm nhập MAC Message Authentication Code MIC Message Integrity Code Mã toàn vẹn tin nhắn QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ môi trường vi RTS Request to Send Yêu cầu gửi SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến Sensor Protocol for Information via Giao thức cảm biến thông tin qua Negotiation thương lượng Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến Dissemination Protocol phổ biến số liệu Impulse Radio Vô tuyến xung Task Assignment and Data Giao thức phân nhiệm vụ Advertisement Protocol quảng cáo số liệu SPIN SQDDP IR TADAP TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Threshold sensitive Energy Efficient Giao thức hiệu lương sensor Network protocol cảm nhận mức ngưỡng Power-efficient Gathering in Sensor Thu thập lượng hiệu Information Systems hệ thống thông tin cảm biến UWB Ultrawideband Băng tần cực rộng WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây TEEN PEGASIS vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo nút cảm biến Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Hình 1.3: Cấu trúc phẳng mạng cảm biến Hình 1.4: Cấu trúc tầng mạng cảm biến .10 Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp 10 Hình 1.6: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 12 Bảng 2.1: Các dải tần dành cho ứng dụng ISM .17 Hình 2.1: Hiệu lượng định tuyến .22 Hình 2.2: Ví dụ tập hợp số liệu .24 Hình 2.3: Giao thức SPIN 27 Bảng 2.2: Tóm tắt giao thức MAC cho mạng cảm biến 32 Hình 3.1: Mơ hình tiêu tan lượng radio 47 Hình 3.2: Lựa chọn đầu cụm .55 Hình 3.3: Số lượng nút chết theo vòng với lượng ban đầu cố định 56 Hình 3.4: Số lượng nút chết theo vòng với lượng ban đầu thay đổi 57 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Với phát triển ứng dụng nhanh chóng mạng cảm biến khơng dây vào linh vực xã hội: Quốc phòng, y tế, điều khiển, mơi trường, nơng nghiệp, hộ gia đình (nhà thông minh)… Đây hội mở hướng kinh doanh đầy tiềm cho VNPT tỉnh thành Không giống mạng không dây tồn tại, nút mạng mạng cảm biến khơng dây có kích thước nhỏ có nguồn lượng hạn chế (rất khó khơng có khả nạp thêm), topo mạng khơng ổn định… Do kỹ thuật giao thức phát triển cho mạng không dây tồn áp dụng trực tiếp cho mạng cảm biến không dây Do nút mạng mạng cảm biến không dây có lượng hạn chế, tuổi thọ mạng lại phụ thuộc nút mạng, đồng nghĩa với việc phụ thuộc vào mức tiêu hao lượng nút mạng mà nguyên nhân tiêu hao lượng nút mạng hoạt động truyền thông Do quản lý tốt hoạt động truyền thông nút mạng góp phần đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ tăng tính hiệu mạng Với mục đích nắm bắt tiến cơng nghệ lĩnh vực để phục vụ cho công tác đơn vị Vì tơi chọn đề tài nghiên cứu “Quản lý lượng mạng cảm biến không dây” làm đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Kể từ mạng cảm biến không dây đời, có nhiều giao thức định tuyến thiết kế sử dụng cho mạng Có thể liệt kê SPIN, LEACH, PEAGSIS, TEEN … Ngoài hướng nghiên cứu giao thức định tuyến việc nghiên cứu cải tiến giao thức có giúp mạng hoạt động ổn định cần thiết quan trọng LEACH giao thức định tuyến phân cụm thích nghi đề xuất Wendi B Heinzelman Các mục tiêu LEACH là: tăng tuổi thọ mạng, giúp 46 khác Ta đề cập đến nút mang lượng cao nút nâng cao (1  m)  n nút lại nút bình thường Ta giả định tất nút phân phối trường cảm biến 3.2.1 Nhóm theo phân cấp Ta xem xét mạng cảm biến nhóm lại theo phương pháp phân cấp Giao thức tạo nhóm theo phân cấp LEACH trì hệ thống phân cấp Trong LEACH, cụm thiết lập lại vòng Thật vậy, đầu cụm (cluster heads) chọn vòng dẫn đến việc tải phân phối tốt tạo cân nút mạng Hơn nữa, nút truyền tín hiệu tới đầu cụm gần việc làm giảm chi phí truyền thơng (chi phi gấp hàng chục lần chi phí xử lý chi phí vận hành) Trong mơ hình này, có đầu cụm có trách nghiệm báo cáo cho node sink q trình tiêu tốn lượng lớn lượng, xảy định kỳ cho nút Trong LEACH, có tỷ lệ phần trăm tối ưu popt (xác định ưu tiên) nút mà phải trở thành đầu cụm vòng, giả định ta có phân bố đồng nút không gian Nếu nút đồng nhất, có nghĩa tất nút trường có lượng ban đầu, giao thức LEACH đảm bảo tất nút trở thành đầu cụm xác lần 1 vòng Trong mục này, ta đề cập đến số popt popt vòng, vòng mạng cảm biến nhóm Ban đầu nút trở thành đầu cụm với xác suất popt Trung bình, nút n  popt phải trở thành đầu cụm vòng vòng Các nút chọn làm nút đứng đầu cụm vòng trở thành nút đứng đầu cụm vòng Các nút khơng chọn đẩy tập G Hơn nữa, để trì số lượng đầu cụm ổn định vòng, mức độ ưu tiên nút  G trở thành đầu cụm tăng sau vòng vòng Quyết định chọn đầu cụm thực vào đầu vòng dựa việc nút s  G độc lập chọn 47 số ngẫu nhiên [0,1] Nếu số ngẫu nhiên nhỏ ngưỡng T  s  nút trở thành đầu cụm vòng Ngưỡng T  s  tính sau popt  if s  G  1  p (r mod ) T ( s)   opt popt   otherwise 0 (3.1) r số vòng Xác suất chọn nút  G để trở thành đầu cụm tăng lên vòng vòng trở thành vòng cuối vòng Lưu ý theo vòng, ta xác định khoảng thời gian mà tất nút cụm phải truyền đến đầu cụm lần Ta trình bày, báo này, cách thức tiến hành chọn đầu cụm Quá trình phải điều chỉnh phù hợp để đối phó với nút khơng đồng nhất, có nghĩa trường hợp tất nút trường có lượng ban đầu Sở dĩ, phân phối đồng lượng bổ sung cung cấp dạng đơn vị công suất rời rạc 3.2.2 Chia nhóm tối ưu Trước đây, người ta thực nghiên cứu mô giải tích đề tính xác suất tối ưu nút chọn làm đầu cụm hàm mật độ không gian, nút phân phối cách đơn trường cảm biến Phân cụm tối ưu lượng tiêu thụ phân phối tốt tất cảm biến tổng mức tiêu thụ lượng tối thiểu Quá trình phân nhóm tối ưu phụ thuộc lớn vào mơ hình lượng mà sử dụng Hình 3.1: Mơ hình tiêu tan lượng radio 48 Theo mơ hình suy hao lượng vơ tuyến minh họa 3.1, để đạt tỷ lệ tín hiệu-nhiễu (SNR) chấp nhận truyền tin L-bit khoảng cách d , lượng mà trạm phát sóng phải tiêu tốn tính cơng thức:   L  Eelec  L   fs  d if d