Nghiên cứu giải thuật phân tuyến nhiều nút SINK cho WSN : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 60 52 02 0370

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ XUÂN VƢƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN NHIỀU NÚT SINK CHO WSN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ XUÂN VƢƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN NHIỀU NÚT SINK CHO WSN NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VƢƠNG ĐẠO VY HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung luận văn “Nghiên cứu giải thuật phân tuyến nhiều nút SINK cho WSN” kết nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS.Vương Đạo Vy Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ rõ ràng Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Lê Xuân Vƣơng LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian gần đây, cơng nghệ truyền thơng có bước phát triển mạnh mẽ đạt thành tựu ấn tượng, đóng góp vai trị thiết yếu sống người Chính phát triển nhanh chóng công nghệ làm cho hoạt động trao đổi thông tin trở thành đặc trưng xã hội đại Để đáp ứng tốt yêu cầu đó, đòi hỏi người lĩnh vực nghiên cứu khoa học phải khơng ngừng sáng tạo để tìm giải pháp công nghệ mới, đáp ứng tốt nhu cầu xã hội, mà định hướng cho ứng dụng tương lai Sự đời mạng cảm biến không dây WSN đánh giá ví dụ điển hình giải pháp cơng nghệ Mạng WSN có ưu vượt trội khả ứng dụng phong phú, chi phí triển khai thấp nút mạng có giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đảm bảo khả cảm biến truyền thông tốt Tuy nhiên, hệ thống có tính linh hoạt ứng dụng rộng rãi phải đối mặt với nhiều thách thức, WSN ngoại lệ Một thách thức lớn mạng cảm biến nguồn lượng nút cảm biến bị giới hạn nạp lại Để giải vấn đề đó, nay, nhiều hướng nghiên cứu tập trung vào việc tìm giải pháp để cải thiện khả sử dụng hiệu nguồn lượng cho mạng cảm biến đáng ý phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phù hợp Kết nhiều giao thức định tuyến đưa ra, đó, giao thức định tuyến phân cấp đánh giá hiệu Để nắm bắt công nghệ việc khó khăn, đó, luận văn khơng nghiên cứu tồn giao thức định tuyến phân cấp mà tập trung nghiên cứu khía cạnh loại định tuyến để giúp mạng cảm biến khơng dây sử dụng cách hiệu tối ưu nguồn lượng bị giới hạn Đó nghiên cứu giới thiệu phương pháp lựa chọn node chủ cụm mạng cảm biến không dây nhiều node sink Từ phương pháp, cố gắng nêu lên đặc điểm phân tích ưu điểm nhược điểm nó, qua giúp cho người quan tâm nghiên cứu mạng cảm biến không dây nhìn tổng quan áp dụng phương pháp ứng dụng cụ thể Cấu trúc Luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương 2: Định tuyến mạng cảm biến không dây Chương 3: Các phương pháp chọn node chủ cụm mạng cảm biến khơng dây nhiều node sink Để hoàn thành luận văn này, em nhận nhiều giúp đỡ kiến thức kinh nghiệm quý giá thầy cô, bạn bè Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy Vương Đạo Vy – Khoa Điện tử Viễn Thông – Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, người tận tình hướng dẫn em suốt q trình hồn thành Luận văn Mặc dù nỗ lực cố gắng, song với hạn chế kiến thức thời gian thực hiện, luận văn khơng thể tránh thiếu sót, em mong nhận góp ý , bảo quý báu thầy cô giáo Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Học viên Lê Xuân Vương MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1 Cấu trúc node mạng mạng cảm biến không dây 1.2.2 Cấu trúc tồn mạng cảm biến khơng dây 10 1.3 Các đặc trưng mạng cảm biến không dây 15 1.3.1 Khả chịu lỗi: 15 1.3.2 Khả mở rộng: 15 1.3.3 Giá thành sản xuất: 15 1.3.4 Ràng buộc phần cứng: 15 1.3.5 Môi trường hoạt động: 15 1.3.6 Tiêu thụ lượng: 16 1.3.7 Tính bảo mật: 16 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 16 1.4.1 Ứng dụng môi trường: 16 1.4.2 Ứng dụng y học: 17 1.4.3 Ứng dụng sống hàng ngày: 17 1.4.4 Ứng dụng lĩnh vực công nghiệp: 17 1.4.5 Ứng dụng lĩnh vực nông nghiệp: 17 1.4.6 Ứng dụng quân sự: 17 1.5 Kết luận 17 CHƢƠNG 2: 19 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Những thách thức vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây 19 2.3 Các vấn đề cần lưu ý giao thức định tuyến 19 2.3.1 Tính động mạng 19 2.3.2 Triển khai node 20 2.3.3 Đặc tính thay đổi thời gian trật tự xếp mạng cảm biến 20 2.3.4 Tài nguyên hạn chế 20 2.3.5 Mơ hình liệu mạng cảm biến không dây 20 2.3.6 Cách truyền liệu mạng cảm biến không dây 21 2.4 Phân loại giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây 21 2.4.1 Giao thức trung tâm liệu (data-centic protocols) 23 2.4.2 Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 28 2.4.3 Giao thức dựa vị trí (Location-based protocols) 32 CHƢƠNG 3: 37 CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỌN NODE CHỦ CỤM (CLUSTER HEAD) TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NHIỀU NODE SINK 37 3.1 Giới thiệu 37 3.2 Một số phương pháp chọn node chủ cụm (Cluster Head) mạng cảm biến nhiều node sink 38 3.2.1 Sử dụng phương pháp nhận dạng để lựa chọn node chủ cụm: 38 3.2.2 Phương pháp chọn node chủ cụm dựa bậc (degree) node: 38 3.2.3 Phương pháp lựa chọn node chủ cụm liên quan đến trọng số node 38 3.3 Lựa chọn node chủ cụm số giao thức tiêu biểu 39 3.3.1 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức LEACH 39 3.3.2 Lựa chọn node chủ cụm theo LEACH – C (LEACH Centralized) 41 3.3.3 Lựa chọn node chủ cụm theo LEACH – F (Fixed Cluster, Rotating Cluster Head) 41 3.3.4 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức PEGASIS 41 3.3.5 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức HEED 43 3.3.6 Chọn node chủ theo tiền phân nhóm lượng động dựa vào lượng vị trí 45 3.4 Kết luận 46 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thành phần node cảm biến Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây Hình 1.3 Cấu trúc phẳng Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp Hình 2.1 Hiện tượng tin kép Hình 2.2 Hiện tượng chồng chéo Hình 2.3 Ba tín hiệu bắt tay SPIN Hình 2.4 Cơ chế SPIN Hình 2.5 Các pha Directed Diffusion Hình 2.6 Mơ hình hoạt động LEACH Hình 2.7 Chuỗi PEGASIS Hình 2.8 Hoạt động GAF Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái GAF Hình 3.1 Xây dựng chuỗi sử dụng giải thuật Greedy Hình 3.2 Mơ hình truyền liệu PEGASIS THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADC Analog Digital Coverter Bộ chuyển đổi tương tự- số GAF Geographic Adaptive Fidelity Chính xác tương thích địa lý GEAR Geographic and EnergyAware Routing Định tuyến dựa theo nhận biết địa lý lượng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ID Identification number Chỉ số nhận dạng IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện kỹ thuật điện điện tử LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Phân nhóm phân bậc tương thích lượng thấp LEACH-C Low-Energy Adaptive Clustering HierarchyCentralized Phân nhóm phân bậc tương thích lượng thấp - tập trung LEACH-F Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Fixed Phân nhóm phân bậc tương thích lượng thấp - Cố định PEGASIS Power-efficient Gathering in Sensor Information System Tập trung hiệu suất lượng hệ thống thông tin cảm biến SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation Giao thức thông tin cảm biến thông qua đàm phán TDMA Task Assignment and Data Advertisement Protocol Đa truy nhập phân chia theo thời gian WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Như vậy, GAF giao thức định tuyến dựa vị trí, coi giao thức phân cấp, đó, phân vùng xác định lưới ảo tương đương với cụm tiêu chí để phân cụm vào vị trí node Tuy nhiên, node chủ không thực chức tổng hợp, phân tích liệu giao thức phân cấp thông thường khác 2.4.3.2 Giao thức GEAR Giao thức GEAR (Geographic and Energy Aware Routing) giao thức định tuyến nhận biết lượng vị trí Trong hệ thống xác định vị trí, việc phân tuyến thông tin theo vùng địa lý quan trọng, đặc biệt mạng cảm biến Giao thức hạn chế số lượng yêu cầu Directed Diffusion cách quan tâm đến vùng xác định gửi yêu cầu quảng bá GEAR nhờ cải tiến Directed Diffusion tiết kiệm lượng Trong giao thức GEAR, node chứa estimated cost learned cost q trình đến đích qua node lân cận Estmated cost kết hợp lượng cịn dư khoảng cách đến đích Learned cost cải tiến estimated cost giải thích cho việc phân tuyến xung quanh hốc mạng Hốc xảy mà node khơng có node lân cận gần so với vùng đích Trong trường hợp khơng có hốc estimated cost với learned cost Learned cost truyền ngược lại hop lần gói đến đích làm cho việc thiết lập đường cho gói điều chỉnh Q trình chuyển tiếp gói tin tới tất node thuộc vùng đích định bao gồm hai bước:  Bước thứ để truyền gói tin tới vùng đích: GEAR sử dụng nhận biết lượng vị trí hàng xóm để định tuyến gói tin tới vùng đích, node nguồn định tuyến liệu tiến gần tới vùng đích, đồng thời cố gắng cân lượng lượng tiêu thụ node hàng xóm  Bước thứ hai chuyển phát gói tin vùng: Trong hầu hết trường hợp, GEAR sử dụng thuật toán chuyển tiếp vị trí đệ quy để truyền gói tin vùng Tuy nhiên, mật độ node cảm biến thưa, restricted flooding sử dụng 2.5 Kết luận Mạng cảm biến không dây với ưu điểm khả ứng dụng rộng rãi thực tế trở thành đề tài nghiên cứu ứng dụng nhiều năm qua Có nhiều giải pháp tiến công nghệ áp dụng để nâng cao chất lượng mạng 35 cảm biến Điều mở tiểm phát triển mạnh mẽ cho mạng cảm biến không dây Tuy nhiên, WSN phải đối mặt với nhiều thách thức, vấn đề lớn sử dụng hiệu tối ưu nguồn lượng bị giới hạn Để giải vấn đề này, rât nhiều giao thức định tuyến nghiên cứu áp dụng Trong chương trình bày khái quát thách thức vấn đề cần lưu ý việc định tuyến cho mạng WSN Đồng thời khái quát số giao thức áp dụng Mỗi giao thức có ưu điểm nhược điểm riêng, cần phải kết hợp chặt chẽ việc nghiên cứu với yêu cầu thực tế ứng dụng để có lựa chọn phù hợp 36 CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỌN NODE CHỦ CỤM (CLUSTER HEAD) TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NHIỀU NODE SINK 3.1 Giới thiệu Trong mạng cảm biến không dây (WSN), vấn đề lớn mà mạng phải đối mặt giới hạn mặt lượng node mạng Việc giảm tiêu thụ lượng node mạng kéo dài thời gian sống mạng vấn đề cần xem xét việc thiết kế giao thức cho mạng cảm biến không dây Giải thuật định tuyến phân cấp lựa chọn nghiên cứu ứng dụng mạng WSN Trong giải thuật định tuyến phân cấp, mạng chia thành cụm (cluster), cụm có node đứng đầu, gọi node chủ cụm (Cluster Head) Một phương pháp làm giảm tiêu thụ lượng mạng cảm biến không dây cách lựa chọn node chủ cụm (Cluster Head) Vì node chủ cụm dùng Router mạng để truyền liệu đến trạm sở Việc tiết kiệm lượng q trình truyền có thực node chủ cụm thay cho việc tất node cảm biến truyền liệu đến node sở Các node chọn làm node chủ cụm lựa chọn cách ngẫu nhiên, việc tiêu hao lượng liên lạc với trạm sở trải cho tất node mạng Mạng cảm biến nhiều sink mạng có nhiều cụm nhiều node chủ cụm, với mục tiêu định tuyến đến node sở thông qua node chủ cụm Bấy tập hợp node chủ cụm xem mạng WSN mới, giải thuật định tuyến node chủ cụm đến node sở thực mạng cảm biến gồm node mạng thơng thường Cịn lại vấn đề lựa chọn node cụm làm node chủ cụm dựa vào yếu tố để chọn nhằm bảo đảm mục tiêu tiết kiệm lượng kéo dài thời gian sống cho mạng Bài tốn phức tạp đa dạng, nghiên cứu riêng rẽ giới thiệu giải thuật định tuyến khác Nội dung chương nghiên cứu giới thiệu phương pháp lựa chọn node chủ cụm mạng cảm biến nhiều sink Bao gồm nghiên cứu giới thiệu phương pháp lựa chọn node chủ cụm mạng có kiến trúc phân cấp Trong kiến trúc mạng này, node mạng có vai trị khác nhau: node có lượng cao sử dụng để xử lý thông tin, node có lượng thấp dùng để cảm nhận thu thập liệu Điều có nghĩa chia mạng thành nhóm (cluster) định nhiệm vụ cho node lựa chọn node chủ cụm (node có nhiều lượng hơn) Mục đích định tuyến phân cấp để trì hiệu việc tiêu thụ lượng node cảm biến, thực tập trung hợp liệu để giảm số tin 37 truyền đến trạm sở Sự hình thành cụm chủ yếu dựa lượng dự trữ node vùng lân cận node so với cluster head 3.2 Một số phƣơng pháp chọn node chủ cụm (Cluster Head) mạng cảm biến nhiều node sink 3.2.1 Sử dụng phƣơng pháp nhận dạng để lựa chọn node chủ cụm: Sự thành công phương pháp phụ thuộc hai giả thiết: - Tất node có nhận dạng - Những nhận dạng phân bố tồn mạng Do node chủ cụm trì định cấu hình mạng cảm biến nên việc lựa chọn tối ưu node chủ cụm vấn đề quan trọng Trong mô hình mạng sử dụng phương pháp để lựa chọn node chủ cụm, tác giả thường chọn node có số nhận dạng thấp làm node chủ cụm Phương thức tiếp cận khơng phù hợp cho mạng cảm biến có lượng giới hạn tập trung chun vào lượng nhỏ node có số nhận dạng thấp mà khơng xem xét tới thời gian mà chúng tồn Ngồi ra, khơng tạo cân lưu lượng tải cho toàn node mạng 3.2.2 Phƣơng pháp chọn node chủ cụm dựa bậc (degree) node: Ở đây, bậc node tính tốn dựa khoảng cách (phạm vi truyền dẫn) node tới node khác Nói cách khác, bậc node số node lân cận truyền dẫn xác định trước gọi phạm vi nhóm Node có số lượng tối đa node lân cận chọn làm node chủ cụm Tuy nhiên, node chủ cụm điều khiển số lượng lớn node nhóm hạn chế mặt lượng Điều dẫn đến suy hao nhanh chóng nguồn lượng ni node có bậc lớn Hơn nữa, thông lượng hệ thống giảm số lượng node nhóm tăng lên Từ khía cạch áp dụng, nhóm có số lượng node đồng làm giảm tải cho node chủ cụm Nhưng vấn đề làm nảy sinh chi phí cho việc có nhiều nhóm mạng yêu cầu nhiều định tuyến hơn, phức tạp Có thể dẫn phương pháp chọn node có bậc (degree) lớn làm node chủ cụm mơ hình Kuhn et.al., Amis et.al.và Gerla et.al 3.2.3 Phƣơng pháp lựa chọn node chủ cụm liên quan đến trọng số node Phương pháp trọng đến node có trọng số lớn để lựa chọn làm node chủ cụm Trọng số node dùng để xác định quan trọng node Ví dụ, lượng acquy lại node ( giao thức HEED, bậc 38 node (như giao thức ACE), kết hợp tham số (ví dụ lượng cịn lại, phân bậc, tính di động, khoảng cách trung bình đến node lân cận) Kỹ thuật có nhược điểm khơng có tiêu chuẩn cụ thể để cấp trọng số cho node phù hợp với mạng tĩnh mà node khơng di chuyển nhiều di chuyển chậm 3.3 Lựa chọn node chủ cụm số giao thức tiêu biểu Về lý thuyết chung chọn node chủ cụm vậy, nhiên để hình dung trình chọn hiểu sâu sắc vấn đề này, phần giới thiệu cách chọn node chủ cụm số giao thức định tuyến tiêu biểu, qua nhận xét ưu nhược giải pháp 3.3.1 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức LEACH LEACH [1] giải thuật định tuyến phân cấp tiêu biểu cho mạng cảm biến không dây cải tiến thành nhiều phiên khác cho ứng dụng thực tiễn Ý tưởng hình thành cụm cảm biến dựa vào cường độ tín hiệu nhận node chủ cụm có vai trị router đến trạm sở Nhờ tiết kiệm lượng q trình truyền có thực node chủ cụm thay cho việc sử dụng tất node cảm biến Số lượng node chủ cụm tối ưu mạng khoảng 5% tổng số lượng node Giao thức LEACH lựa chọn ngẫu nhiên node cảm biến làm node chủ cụm, việc tiêu hao lượng liên lạc với trạm sở trải cho tất node mạng Quá trình hoạt động LEACH chia thành pha: thiết lập ổn định Thời gian pha ổn định kéo dài so với thời gian pha thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển 3.3.1.1 Pha thiết lập Trong pha cụm hình thành node chủ cụm lựa chọn Một node cảm biến lựa chọn số ngẫu nhiên Nếu số nhỏ ngưỡng T(n) node cảm biến thành node chủ T(n) tính sau: T ( n) = p - p(r mod1/ p) T (n) = lại 39 nỴ G (2) Trong p: tỉ lệ phần trăm node chủ r: chu kì G: tập hợp node không lựa chọn làm node chủ 1/P chu kì cuối Mỗi node chủ cụm lựa chọn truyền thông tin quảng bá cho node cịn lại mạng tin thơng báo chúng node chủ cụm Các node cịn lại khơng node chủ, nhận tin quảng bá, chúng định chúng thuộc cụm node chủ cụm Quyết định dựa độ mạnh tín hiệu tin quảng bá node chủ cụm phát mà chúng nhận Các node chủ cụm thông báo cho node chủ cụm chúng thuộc cụm Sau node chủ cụm nhận hết thông báo node thuộc cụm chúng, vào số node cụm, node chủ cụm định thời gian mà node cụm gửi liệu đến cho dựa TDMA 3.3.1.2 Pha ổn định Các node bắt đầu thu thập liệu gửi liệu đến node chủ cụm Các node chủ cụm tích hợp liệu node cụm gửi đến trước gửi liệu đến trạm sở Sau khoảng thời gian pha ổn định, mạng trở lại pha thiết lập vào bước lựa chọn node chủ cụm Khi sử dụng giao thức LEACH giảm hao phí lượng so với truyền trực tiếp so với giải thuật định tuyến truyền lượng tối thiểu Các node cảm biến ngừng hoạt động ngẫu nhiên cụm động làm tăng thời gian sống toàn mạng Tuy nhiên LEACH dùng định tuyến đơn điểm, node truyền trực tiếp đến node chủ cụm trạm sở Vì khơng thích hợp với mạng triển khai diện rộng Hơn nữa, ý tưởng cụm động địi hỏi số lượng thơng tin điều khiển lớn, ví dụ thay đổi node chủ, quảng bá… Nhận xét: So với giải thuật định tuyến phẳng, giải thuật LEACH kéo dài tuổi thọ mạng gần 25% Tuy nhiên, giải thuật LEACH không xem xét trạng thái lượng node Trong vịng, LEACH khơng thể đảm bảo số lượng tốt node chủ cụm trình ngẫu nhiên Trong giai đoạn truyền dẫn cụm, bất chấp khoảng cách đến trạm sở, node chủ cụm sử dụng bước nhảy (hop) đơn để truyền liệu điều đẩy nhanh tiến độ tiêu thụ lượng node chủ cụm xa trạm sở kết tiêu thụ lượng không 40 3.3.2 Lựa chọn node chủ cụm theo LEACH – C (LEACH Centralized) LEACH – C giống LEACH thơng thường, khác pha thiết lập (Set up Phase) cụm node chủ cụm, cịn pha ổn định (Steady – state Phase ) giống hệt với LEACH Trong LEACH, node có xác suất chọn làm node chủ cụm (đã trình bày trên) Cịn LEACH – C cụm node chủ cụm trạm sở lựa chọn Trong pha thiết lập LEACH – C, node gửi thơng tin trạm sở bao gồm thơng tin vị trí lượng node Trạm sở chạy giải thuật tối ưu để xác định cụm node chủ cụm cho vịng đó, sau trạm sở gửi tin thông báo cho node biết nằm cụm node node chủ cụm Pha ổn định giống hệt LEACH Các node truyền liệu đến node chủ, node chủ cụmlàm nhiệm vụ tổng hợp liệu gửi trạm sở 3.3.3 Lựa chọn node chủ cụm theo LEACH – F (Fixed Cluster, Rotating Cluster Head) Trong giao thức LEACH – F cụm cố định node chủ cụm quay vòng Trong LEACH – F cụm cố định trạm sở lựa chọn Trạm sở dùng giải thuật để chọn cụm tối ưu quảng bá thông tin cụm tới tất node Bản tin quảng bá bao gồm ID cụm, node gửi tin TDMA quy định khe thời gian gửi liệu node cụm bao gồm thứ tự node chọn làm node chủ cụm Node danh sách cụm trở thành node chủ cụm vòng đầu tiên, node thứ node chủ cụm vòng thứ Cứ tất node cụm làm node chủ Dùng LEACH – F khơng u cầu pha thiết lập cho vịng khác nhau, mà node tự biết node chủ cụm khơng Cũng giống LEACH – C, pha ổn định LEACH – F giống hệt LEACH Nhận xét: LEACH – F khơng thích hợp với hệ thống có tính động Nó khơng cho phép thêm node vào hệ thống không xử lý node di động 3.3.4 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức PEGASIS Giao thức kết hợp hiệu lượng hệ thống thông tin cảm biến PEGASIS (Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems) giao thức cải tiến từ LEACH Thay việc hình thành nhóm, PEGASIS tạo thành chuỗi node Các node chọn láng giềng gần để làm bước nhảy chuỗi bắt đầu node xa node sink Kết node khơng cần trì thơng tin nhóm thành viên, node cần trì tuyến trước láng giềng kế cận chuỗi 41 Nhiệm vụ node cảm biến thu thập truyền liệu đến sink, thông thường trạm gốc Mục đích giao thức phát triển cấu trúc định tuyến sơ đồ tập trung liệu nhằm giảm thiểu lượng tiêu thụ, đồng thời, liệu tập trung truyền đến trạm sở với trễ truyền dẫn nhỏ nhất, cân tiêu thụ lượng node mạng Hoạt động pegasis gồm bước: Xây dựng chuỗi, chọn node chủ, truyền liệu, xử lý lỗi node chết 3.3.4.1 Xây dựng chuỗi: Mục đích tạo chuỗi node cảm biến – node nhận truyền liệu tới node bên cạnh Quá trình thêm node vào chuỗi thực tuân theo giải thuật Greedy Bắt đầu với node xa sink để đảm bảo tất node cảm biến xa có node lân cận gần giải thuật greedy khoảng cách node tăng dần node nằm chuỗi không thăm lại, node mạng thêm dần vào chuỗi làm cho chuỗi lớn dần, kể từ node hàng xóm gần Để xác định node lân cận gần nhất, node sử dụng cường độ tín hiệu để đo khoảng cách tới node lân cận Sau xác định xong, điều chỉnh cường độ tín hiệu cho có node lân cận gần nghe Hình 3.1: Xây dựng chuỗi sử dụng giải thuật Greedy 3.3.4.2 Chọn node chủ: Sau chuỗi thành lập, bước chọn node chủ Trong chuỗi có node chọn làm node chủ, trách nhiệm node chủ truyền liệu tập hợp tới trạm sở Vai trò node chủ thay đổi chuỗi theo vị trí sau vịng Việc quay vòng node chủ chuỗi nhằm đảm bảo cân tiêu thụ lượng node mạng Tuy nhiên, nhiều trường hợp, việc thay đổi làm khoảng cách node chủ trạm sở lớn lên, node lại yêu cầu công suất cao để truyền liệu đến trạm sở 42 Node chủ chọn theo cách sau: vịng thứ i node thứ i mod N (N số node mạng) làm chủ 3.3.4.3 Truyền liệu: Quá trình tập hợp liệu mạng tiến hành dọc theo chuỗi Trong vòng, node nhận liệu từ node hàng xóm kết hợp với liệu mà thu nhận chuyển tiếp đến node hàng xóm chuỗi Trong vòng, PEGASIS sử dụng chế điều khiển cho qua thẻ (token passing) khởi tạo node chủ để bắt đầu truyền liệu từ hai đầu chuỗi Chi phí cho tin điều khiển nhỏ kích thước thẻ nhỏ Đầu tiên node chủ gửi thẻ tới node cuối bên phải chuỗi Khi nhận tín hiệu node cuối gởi liệu cảm biến đến node lân cận theo chiều xi chuỗi, node hàng xóm tiến hành tập hợp liệu tiếp tục chuyển tiếp đến node lân cận gần nhất, liệu gửi đến node chủ Sau đó, node chủ tập hợp liệu gửi đến sink Hình 3.2: Mơ hình truyền liệu PEGASIS Nhận xét: Sự khác biệt so với LEACH chỗ dùng nhiều bước nhảy (multihop) việc hình thành chuỗi chọn node để truyền đến trạm sở thay dùng nhiều node Giao thức PEGASIS giải vấn đề thông tin điều khiển gây việc hình thành cụm động LEACH giảm số lần truyền nhận việc tập hợp liệu Tuy nhiên PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn node xa Hơn xảy tượng truyền liệu bị thắt cổ chai node chủ cụm 3.3.5 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức HEED Giao thức phân nhóm phân tán, hiệu lượng lai ghép-HEED giả sử rằng, node cảm biến khả đặc biệt tất node phân nhóm quan trọng Mục đích HEED kéo dài thời gian sống cuả 43 mạng Thời gian hoạt động mạng định nghĩa node (hoặc node cuối cùng) mạng dùng hết lượng Để đạt điều này, HEED sử dụng phương pháp tiếp cận xác suất để lựa chọn node chủ cụm có lượng dư thừa cao (so với node thông thường) với số lần lặp không đổi Một node xếp vào nhóm phải có khả trao đổi thơng tin với node chủ cụm nhóm qua chặng việc sử dụng phạm vi truyền dẫn bên nhóm, Rc, Rc tương ứng với mức công suất Pc Định tuyến nhóm sử dụng phạm vi truyền dẫn lớn Rt (Rt>Rc) tương ứng với mức công suất Pt Lựa chọn node chủ cụm phải dựa vào hai tham số: tham số thứ (năng lượng dư node) sử dụng để lựa chọn tập hợp ban đầu node chủ cụm, tham số thứ hai sử dụng để phá vỡ ràng buộc Sự ràng buộc xuất có hai node phạm vi Rc thông báo cho sẵn sàng trở thành node chủ cụm Thông số thứ hai thiết lập cho việc ước lượng “chi phí” trao đổi thơng tin nhóm, “chi phí” hàm mật độ nhóm quan hệ lân cận Một node thường thiết lập ban đầu xác suất để trở thành node chủ cụm: CH prob = C prob Eresidual Emax (3) Ở đây, Eresidual lượng dư ước chừng node, Emax lượng tối đa tham chiếu Cprob số nhỏ không đổi sử dụng để giới hạn số thông báo node chủ cụm ban đầu CHprob không phép thấp giá trị xác suất nhỏ Pmin để đảm bảo kết thời gian không đổi Trong hoạt động lặp, node thường phân xử lựa chọn số thơng báo node chủ cụm mà thu để lựa chọn node chủ cụm có chi phí thấp Nếu khơng nhận thơng báo nào, tự chọn trở thành node chủ cụm với xác suất CHprob Nếu thành cơng, gửi thơng báo nói trạng thái sẵn sàng trở thành node chủ cụm Tiếp đó, node gấp đôi giá trị CH prob , chờ khoảng thời gian lặp ngắn tc sau bắt đầu lần lặp Node thường dừng trình lặp CHprob đạt đến Nếu node định trở thành node chủ cụm, thường tăng công suất phát lên P t cho trao đổi thơng tin nhóm Các tác giả là, HEED kết thúc việc chọn node chủ cụm với số lần lặp cố định 44 Niter = O(1) với é N iter £ êlog ê pmin ë ù ú +1 ú û (4) Điều tương phản với số phương thức khác mà node chủ cụm lựa chọn sau bước lặp làm giảm chi phí thiết lập cao, khơng cần thiết gắn kết với trình lựa chọn node chủ cụm Thêm vào đó, mạng nhóm trì kết nối theo mơ hình mật độ định Rtc > 6R Ngoài ra, xác suất mà hai node chủ cụm nằm lẫn phạm vi nhóm Rc nhỏ Nhận xét: Việc lựa chọn thăm dò node chủ cụm ngẫu nhiên dựa lượng dư node Do mà HEED đảm bảo lựa chọn tối ưu node chủ cụm mặt lượng, số nhóm mạng số node nhóm 3.3.6 Chọn node chủ theo tiền phân nhóm lƣợng động dựa vào lƣợng vị trí Phương pháp lựa chọn node chủ cụm theo thuật toán tiền phân nhóm lượng động dựa vào lượng vị trí node [3] thực sau: Trong vịng đầu tiên, khơng có cần phải xem xét yếu tố lượng node với lượng ban đầu Trong giai đoạn lựa chọn cluster đứng đầu, tiền cụm ( pre- cluster), chọn node có giá trị nhỏ P đầu cụm P = a D1 + b D2 (5) D1 khoảng cách từ node tới tới cụm trung tâm, biết đến bới giải thuật trọng tâm ( centrol algorithm ) D1 tính tốn cách sử dụng giá trị chuẩn hóa D1=Dt0 centrol/ MAXD to centrold D2 khoảng cách từ node tới trạm sở α với giá trị 0.8, ᵦ với giá trị 0.2 Giá trị chuẩn hóa D2 D2 = ( DtoBS - MinD to BS) / ( MaxDtoBS – MinDtoBS ) Từ vòng thứ hai, chọn node với giá trị nhỏ P’ đầu cụm P' = a ' D1 + b ' D2 +g Eaverage / Eresidual (6) Eaverage lượng trung bình node cụm ( nhóm) Eresidual lượng dư node Giá trị Eaverage / Eresidual khoảng 1, liệu thực tế sử dụng để tính tốn Định nghĩa D1 D2 giống có α’ +ᵦ’+γ’ = Sau số vịng, tất node có lượng hơn, node 45 lượng thấp chọn đầu cụm, chúng thể bị tải, theo thời gian, tỷ lệ γ tăng dần Trong giải thuật này, điều chỉnh động tuyến tính tiếp cận áp dụng để kéo dài đời mạng thay phương pháp truyền thống số trọng lượng Trong phương trình tính P ', giá trị α', β’ γ tính T vòng hành a ' = 0.4 - T 625 , b ' = 0.1 - T T g = 0.5 + 500 2500 , (7) vòng 250, hai giá trị α’ β 'trở thành với γ tới Vào thời điểm đó, cơng thức đơn giản thể H '= Eaverage / Eresidual, đó, điều phản ánh theo thời gian, lượng trở thành yếu tố quan trọng Nhận xét: Ưu điểm phương pháp phân chia phạm vi mạng Trong mạng con, phương pháp đề xuất vị trí lượng dựa giải thuật tiền phân nhóm lượng động, điều chỉnh vị trí tương đối cụm chia để cân mức tiêu thụ lượng trình lựa chọn Cluster Head Vị trí lượng node có liên quan đưa vào để tính tốn Trong phạm vi tải trạm sở, phương pháp đề xuất vị trí lượng dựa giải thuật tiền phân nhóm động giúp làm giảm tiêu thụ lượng Node chủ cụm trình truyền cụm truyền tải cụm Ở cuối vịng, vị trí cụm tiền phân nhóm tự động điều chỉnh để cân mức tiêu thụ lượng node cụm khác mà làm cho tiêu thụ lượng đồng cho tất node 3.4 Kết luận Trong mạng cảm biến không dây đa sink, từ quan điểm tiết kiệm lượng cân lưu lượng trạm gốc, qua kéo dài hiệu hoạt động thời gian sống mạng vấn đề quan trọng, chương nghiên cứu tổng quan số nguyên lý phương pháp lựa chọn node cảm biến làm node chủ cụm mạng cảm biến khơng dây Trong chương phân tích, lý giải cụ thể số ứng dụng việc lựa chọn node chủ cụm giao thức giải thuật định tuyến phổ biến mạng cảm biến không dây Việc chọn node chủ cụm giúp mạng cảm biến khơng dây quản lý cấu hình mạng cách hiệu quả, góp phần làm giảm chi phí trao đổi thơng tin, trì mạng hoạt động thời gian dài Vì nội dung chương tài liệu tham khảo gợi ý tìm hiểu sâu cho người nghiên cứu mạng cảm biến không dây quan tâm đến vấn đề hiệu hoạt động tiết kiệm lượng mạng thông qua định tuyến phân cấp 46 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN Ngay đời, mạng cảm biến không dây trở thành đề tài nghiên cứu hấp dẫn lĩnh vực viễn thơng WSN có khả đáp ứng nhiều ứng dụng thực tế, thích ứng linh hoạt, xử lý khắc phục cố xảy hư hỏng, có chi phí triển khai mạng thấp Sự đời WSN mở cách mạng lĩnh vực cảm biến thu thập thông tin, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho sống, cho sản xuất khoa học Tuy nhiên, giống mạng truyền thông khác, mạng cảm biến phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn nút cảm biến phải hoạt động với nguồn lượng giới hạn nạp lại Để giải vấn đề này, nhiều hướng nghiên cứu tiếp cận đặc biệt quan trọng mang lại hiệu rõ rệt hướng nghiên cứu tập trung vào thiết kế giao thức định tuyến phù hợp cho WSN Trong giao thức định tuyến phổ biến sử dụng mạng cảm biến, giao thức thuộc nhóm giao thức phân cấp đánh giá cao nhờ tính linh hoạt, có khả đáp ứng yêu cầu mở rộng mạng kéo dài thời gian sống mạng Tuy nhiên, loại giao thức gặp nhiều khó khăn để nâng cao hiệu mạng kéo dài thời gian sống tồn mạng Đó vấn đề định tuyến, phương pháp truyền thông tin, cách phân nhóm lựa chọn node chủ cụm nhóm khác nhau… Trong phạm vi luận văn này, em tìm hiểu nắm vấn đề giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây cách chung Nêu lên đặc điểm ưu nhược điểm loại giao thức tiêu biểu Qua vào nghiên cứu chi tiết khía cạnh giao thức phân cấp mạng cảm biến không dây phương pháp chọn node chủ cụm Đây phương pháp góp phần định tuyến mạng cảm biến khơng dây góp phần tiết kiệm lượng, tối ưu hóa q trình hoạt động kéo dài thời gian sống mạng Tuy nhiên, giới hạn thời gian thực cách tiếp cận nghiên cứu mạng cảm biến khơng dây cịn hạn chế nên luận văn chắn cịn nhiều điểm thiếu sót, chưa đào sâu phân tích chưa đưa giao thức định tuyến hay phương pháp góp phần nâng cao chất lượng hoạt động mạng cảm biến không dây Hướng phát triển tập trung nghiên cứu giao thức này, để phân tích, so sánh nhận thức đầy đủ vấn đề định tuyến WSN, đồng thời có khả đề xuất phương pháp việc lựa chọn node chủ cụm, cách thức phân nhóm giao thức phân cấp cao đề xuất giao thức định tuyến cho mạng cảm biến khơng dây, góp phần vào phát triển loại mạng 47 Một lần nữa, em xin cảm ơn thầy Vương Đạo Vy – Khoa Điện tử Viễn thông – trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội tận tình giúp đỡ, bảo hướng dẫn em hoàn thành luận văn 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Manjiusha M S, PG Scholar and K E Kannammal, Associate Professor Efficient Cluster Head Selection Method For Wireless Sensor Network Department of Computing Science, Sri Shakthy Institute Of Engineering And Technology Tamilnadu, India [2] Siddiq Iqbal, Aravind Srinivas S P, Sudarshan G, Sagar S Kashyap Comparision Of Different Attacks On Leach Protocol In WSN Department of Telecommunication, B.M.S Institute of Technology, Bangalore [3] Zhiwu Huang, Yuan Cheng, Weirong Liu Novel Energy-Efficient Routing Algorithm in Multi-Sink Wireless Sensor School of Information Science and Engineering, Central South University Changsha, China [4] Wendi Beth Heinzelman – Doctor of Philosophy Application-Specific Protocol Architectures For Wireless Networks Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology [5] Shio Kumar Singh, M P Singh, and D K Singh Routing Protocols in Wireless Sensor Networks – A Survey [6] Wendi Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrishnan Energy Efficient Communication Protocol forWireless Microsensor Networks Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA 02139 [7] Ossama Younis and Sonia Fahmy Distributed Clustering in Ad-hoc Sensor Networks: A Hybrid, Energy-Efficient Approach - Department of Computer Sciences, Purdue University 250 University Street, West Lafayette, IN 47907–2066, USA [8] Kemal Akkaya and Mohamed Younis A Survey on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks – Department of Computer Science and Electrical Engineering University of Maryland, Baltimore County Baltimore, MD 21250 49