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 năm 20 Học viên Lê Doãn Trung iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ 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 1.1Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây 1.2Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 1.4Ứng dụng mạng cảm biến không dây 1.5Kết luận chương CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 16 2.1Tổng quan vấn đề lượng nút cảm biến 2.2Sự tiêu thụ lượng 2.2.1Năng lượng cho nhiệm v 2.2.2Năng lượng cho truyền t Năng lượng cho xử lý 2.3Các giải pháp tiết kiệm lượng 2.3.1Giải pháp định tuyến 2.3.2Các giao thức lớp mạng 2.3.3Giải pháp truy nhập môi 2.3.4Quản lý nguồn công suấ iv 2.3.5Giải pháp sử dụng n 2.4Kết luận chương CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG VỚI GIAO TUYẾN ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 3.1Giới thiệu chung 3.2Giao thức chọn ổn định SEP 3.2.1Nhóm theo phân cấp 3.2.2Chia nhóm tối ưu 3.3Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E 3.4Giao thức ổn định nâng cao SEP-E (RCH) 3.4.1Lựa chọn đầu cụm đầu t 3.4.2Lựa chọn đầu cụm dự ph 3.4.3Xác định đầu cụm 3.4.4Giai đoạn truyền liệu 3.5 Mô kiểm chứng 3.6Kết luận chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt CSMA CSMA/CD CTS GAF GBR GPS GLONSS GEAR LEACH MAC MIC QoS hierarchy vi RTS SMP SPIN SQDDP IR TADAP TDMA TEEN PEGASIS UWB WSN 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 không dây vào linh vực xã hội: Quốc phịng, y tế, điều khiển, mơi trường, nơng nghiệp, hộ gia đình (nhà thơng 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 khơng 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 thơng nút mạng góp phần đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ tăng tính hiệu mạng Với mục đích nắm bắt tiến công nghệ lĩnh vực để phục vụ cho cơng tác đơn vị Vì 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 khơng 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 50 3.3 Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E Ta tạo thành cụm cách sử dụng thuật toán phân tán Ở đây, ý tưởng cho nút cảm biến tự chọn cho mức độ lượng cách tự chủ Mục tiêu giảm thiểu chi phí truyền thơng tối đa hóa tài nguyên mạng để đảm bảo thơng tin súc tích gửi đến sink Mỗi nút truyền liệu đến đầu cụm gần đầu cụm thực tập hợp liệu Ta tiến hành chức thị popt nút phải trở thành đầu cụm lần popt vịng Một cách trực quan hơn, có nghĩa có n × popt cụm đầu cụm vịng Ta đẩy nút khơng chọn phần tử tập G Mỗi cảm biến chọn số ngẫu nhiên Nếu giá trị thấp ngưỡng cho nút, nút cảm biến trở thành đầu cụm Ngưỡng T( n) đưa công thức:   T ( n) = 1   Giả sử nút phân bố đồng ngẫu nhiên vùng M × M n n Có c cụm Trung bình có c nút cụm, đầu cụm c - nút không đầu cụm Ta tiến hành theo hai cách: Ta chọn nút trung gian khoảng cách tương đối vị trí nút trước tới vị trí nút bình thường mạng, Bởi ngưỡng lượng chênh lệch nút nâng cao nút bình thường 51 Theo trực giác, nút trung gian chọn phương trình (3.11) Như SEP, lượng ban đầu cho nút bình thường E0 , cho nút nâng cao, Eadv = (1 + a )E0 Giả sử cho nút trung gian, Eint = (1 + µ)E0 Chúng ta có: µ=α/2 Tuy nhiên, tổng lượng ban đầu hệ thống tăng lên xuất nút nâng cao trung gian: n ⋅ E0 (1 − m − b) + n ⋅ m ⋅ E0 (1 + a ) + n ⋅ b ⋅ E0 (1 + µ) = n ⋅ E0 (1 + m ⋅ α + b ⋅µ) (3.12) Trong đó, n số nút, m tỷ lệ nút nâng cao cho tổng số nút có lượng nhiều phần lại nút n b tỷ lệ nút trung gian Ta tiến hành với giả định tương tự sử dụng [2], lượng tổng thể mạng tăng thêm phần (1 + m ⋅ a + b ⋅ µ)và vịng hệ thống phải (1 + m ⋅ a + b ⋅ µ) Nếu ta chọn pnrm , pint padv cho tỉ lệ trở thành nút thông thường, nút trung gian nút nâng cao, ta có p nrm p = popt / (1 + m ⋅ + b à) int = ( popt ) ì (1 + µ) / (1 + m ⋅ α adv = ( popt ) × (1 + α) / (1 + m ⋅ p Để đảm bảo nút cảm biến phải trở thành đầu cụm dự báo trên, ta cần định nghĩa ngưỡng cho trình chọn nút, nói phương trình 3.12 Các ngưỡng T ( nnrm ) , T ( nint ) , T ( nadv ) nâng cao trở thành  r(n nrm ) =   0 52 Từ phương trình phía trên, ta có n × (1 − m −b) nút thông thường, điều đảm bảo khẳng định (3.10) Khi G’ tập nút mà chưa trở thành đầu cụm vịng r Ta có phương trình tương đương cho /p nrm nút trung gian nút nâng cao,  T(n ) int =    Ta có n × b nút trung gian, với G’’ tập nút trung gian mà chưa chọn làm đầu cụm / pint vòng r  T(n adv ) =    Ta có n × m nút nâng cao, với G’’’ tập nút nâng cao mà chưa chọn làm đầu cụm / padv vịng r Từ phương trình (3.14), (3.15), (3.16), trung bình, tổng số nút đầu cụm vịng là: n ⋅ (1 − m − b) × P nrm Phương trình cho số lượng đầu cụm giống so với cài đặt LEACH ban đầu Tuy nhiên, thiết lập lượng không đồng nhất, việc tiêu hao lượng kiểm soát tốt hơn, mang lại nhiều kết mong muốn mô ta 3.4 Giao thức ổn định nâng cao SEP-E (RCH) SEP-E (RCH) phương pháp lựa chọn đầu cụm hiệu tiết kiệm lượng để tăng cường giao thức chọn ổn định Trong bước này, chọn đầu cụm ban đầu đầu cụm dự phịng ban đầu, sau so sánh hai nút Nút có hiệu suất tốt chọn làm đầu cụm nút khác đầu cụm dự phòng vòng 53 3.4.1 Lựa chọn đầu cụm SEP-E (RCH) gán trọng số cho xác suất tối ưu popt Trọng số lượng ban đầu nút chia cho lượng ban đầu nút bình thường Chúng ta định nghĩa pnrm xác suất chọn trọng số cho nút bình thường, padv xác suất chọn trọng số cho nút nâng cao, psup xác suất chọn có trọng số cho siêu nút [15] p nrm p adv p sup Trong m tỷ lệ nút nâng cao cho tổng số nút n với lượng nhiều nút lại m0 tỷ lệ siêu nút Các ngưỡng T ( nrm), T (sup), T ( adv) cho nút bình thường, nâng siêu nút tương ứng giữ nguyên [14] Đối với nút s, s tạo số ngẫu nhiên rand (s) từ 0-1, tích rand (s) yếu tố đại diện cho mức lượng lại nút làm ngẫu nhiên số rand '(s): rand ′( s ) = rand ( s ) * ( E − max Emax Càng nhiều lượng lại nút, số ngẫu nhiên tạo nhỏ hơn, xác suất lớn rand '(s) nhỏ ngưỡng T (s ) nút có nhiều khả trở thành đầu cụm Vì vậy, nút cụm cụm tạo số ngẫu nhiên rand (s) nhỏ ngưỡng T (s ), chọn làm đầu cụm ban đầu, sau phát sóng tin đến trạm sở nút khác mà bầu đầu cụm 54 ban đầu Nếu rand '(s) lớn ngưỡng T (s ) , nút s nút bình thường Các nút thơng thường gửi yêu cầu tham gia đến đầu cụm gần 3.4.2 Lựa chọn đầu cụm dự phòng Trong phần-V, phần A, thuật toán lựa chọn đầu cụm cải thiện xem xét lượng lại đầu cụm, khơng coi vị trí đầu cụm tiêu thụ lượng truyền liệu từ nút khác đến đầu cụm Ví dụ, số đầu cụm đặt rìa cụm Các nút khác đòi hỏi nhiều lượng việc gửi liệu cho chúng so với đầu cụm nằm trung tâm cụm Ta chọn nút cụm có nhiều lượng nút khác ngoại trừ đầu cụm ban đầu cụm làm đầu cụm dự phòng ban đầu Đầu cụm ban đầu đầu cụm dự phịng ban đầu có hội đầu cụm Chúng ta chọn có hiệu suất tối ưu đầu cụm vịng này, nút lại trở thành đầu cụm dư thừa Trong phần tiếp theo, ta mô tả trình xác định chi tiết đầu cụm 3.4.3 Xác định đầu cụm Sau chọn đầu cụm (ICH) đầu cụm dự phòng (RCH), nên xác định nút chọn làm đầu cụm Các bước cụ thể sau: ICH RCH sử dụng cách thức lũ lụt để phát sóng thơng tin trạng thái • Khi nút thơng thường nhận thông tin trạng thái, chúng phát thông tin trạng thái riêng chúng chuyển tiếp thông tin trạng thái nút khác mà chúng nhận • ICH RCH tính khoảng cách trung bình cho tất nút khác cụm Cả hai nút gửi khoảng cách trung bình tối thiểu chúng KICH KRCH tương ứng, lượng dư cho trạm gốc • Trạm gốc nhận thơng tin tính tốn trọng lượng sau: = CK ICH 55 CK (3.26) (3.27) Ce (3.28) ICH Ce RCH (3.29) Tính CI CR : C I =C K ×C ICH C =C R K RCH eICH ×C eRCH So sánh CI với CR , If C I ≥ CR Node ICH is the cluster head in this round Else Node IRCH is the cluster head End if L ự a c h ọ n đ ầ u c ụ m hợp lý tiêu thụ lượng toàn mạng so với giao thức chọn ổn định nâng cao Hình 3.2: Lựa chọn đầu cụm 3.4.4 Giai đoạn truyền liệu Trong giai đoạn này, thành viên cụm truyền bit l tới CH với xác suất p (0 < p < 1) nhiều khung Trong khung, thành viên cụm truyền 56 liệu khe truyền phân bổ định lịch trình TDMA pha hình thành Cụm, sau ngủ khe khác để tiết kiệm lượng Sau CH nhận khung liệu từ thành viên cụm nó, thực tập hợp liệu để loại bỏ dư thừa liệu Sau CH truyền bit liệu tổng hợp tới trạm gốc 3.5 Mô kiểm chứng Nhằm đánh giá hiệu giao thức SEP-E với LEACH, mục sử dụng công cụ matlab để kiểm chứng giao thức tiết kiệm lượng Các tham số đầu vào mơ tính tốn hai trường hợp: (1) Năng lượng ban đầu cố định (E0= 0.1 J) (2) lượng đầu vào ngẫu nhiêu (E0=0.4-0.6J) Các tham số sử dụng cho mô gồm: Mạng bố trí đơn vị diện tích 1000x1000 m; bán kính truyền dẫn theo chuẩn IEEE 802.15.4 30m; Tổng số node 100 nodes Các phân bố lượng ngẫu nhiên vịng Hình 3.3: Số lượng nút chết theo vòng với lượng ban đầu cố định Với kết hình cho thấy, lượng nút chết theo vòng SEP-E tốt so với LEACH Tuy nhiên, mức lượng ban đầu không lớn, chênh lệch không đáng kể Giao thức SEP-E ổn định tốt chu kỳ có suy giảm lượng thay đổi 57 Hình 3.4: Số lượng nút chết theo vịng với lượng ban đầu thay đổi Hình hiệu sử dụng SEP-E tốt so với LEACH tương đối rõ rệt có biến động lượng vịng phía sau Khả ổn định SEP-E giúp trì mức lượng cân tốt 3.6 Kết luận chương Trong chương 3, trình bày chi tiết giao thức SEP-E, tính hiệu phương án lựa chọn đầu cụm hợp lý giúp giảm tiêu hao lượng tồn mạng Thơng qua mơ kiểm chứng hiệu giao thức SEP-E với LEACH 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong trình nghiên cứu mạng cảm biến không dây bước củng cố kiến thức lĩnh vực này, tiềm to lớn mạng cảm biến không dây ứng dụng phong phú đời sống Ngày nay, mạng cảm biến không dây trở thành xu hướng tất yếu với nhiều thách thức để nghiên cứu khai thác, với nhiều nghiên cứu phát triển mở rộng chuyên sâu như: Các thuật toán đinh tuyến, định vị Vấn đề đồng mạng cảm biến không dây Vấn đề liên kết mở rộng mạng cảm biến không dây Và hướng mà em tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu thời gian tới 59 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt: [1] TS Nguyễn Việt Hùng (chủ biên), Bài giảng mạng Ad Hoc không dây, Học Viện Công nghệ Bưu Viễn Thơng, 2014 [2] Đỗ Duy Tân, Wireless Sensor Network, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 2011; [3] Nguyễn Đình Việt (2010) , Bài giảng đánh giá hiệu mạng máy tính, Đại học cơng nghệ - Đại học quốc Gia – Hà Nội Tài liệu Tiếng Anh: [4] Edgar H Callaway Jr, Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, Auerbach Publications 2004LISA lab, University of Montreal - 2016 - Deep Learning Tutorial [5] Anna HAC, Wireless Sensor Network Deigns [6] Wireless Sensor Networks, Ian F Akyildyz Georgia Institute of Technology , USA [7] Wireless Ad Hoc anh Sensor Networks Protocols , Performance and Control Editor FRANK L.LEWIS, PH.D [8] Biradar RV, Patil VC, Sawant SR, Mudholkar RR “Classification and comparison of Routing Protocols in Wireless Sensor Networks”, Special Issue on Ubiquitous Computing Security Systems, UbiCC Journal Volume page704-711 [9] Prabha D “An energy efficient routing protocol in wireless sensor networks “Dec 13,2014 [10] A Devasena, B SowmyaA Study of Power and Energy Efficient Clustering Protocols in Wireless Sensor NetworksInternational Journal of Advance Research in Computer Science and Management Studies:, (6) (November 2013) 60 [11] Beiranvand Z, Patooghy A, Fazeli M “I-leach: An efficient routing algorithm to improve performance and to reduce energy consumption in wireless sensor networks”, Information and Knowledge Technology (IKT), 2013 5th Conference on, pages 13-18.IEEE [12] Rana H, Sangeeta V, Mohommad A “Comparative Study of PEGASIS Protocols in Wireless Sensor Network”, IOSR Journal of Computer Engineering (IOSR-JCE) e-ISSN: 2278-0661, p-ISSN: 2278-8727, Volume 16, Issue 5, Ver I (Sep – Oct 2014), PP 25-30 [13] S Singh, M Singh, D SinghA Survey of Energy-Efficient Hierarchical Cluster- Based Routing in Wireless Sensor Networks”Int J of Advanced Networking and Applications, (2) (2010), pp 570-580 [14] Villalba LJG, Orozco ALS, Cabrera AT, Abbas CJB “Routing Protocols in Wireless Sensor Networks” International Journal of Innovations in Engineering and Technology, Special Issue - ICAECE-2013,pp 43-49 [15] Performance Issues of MAC and routing protocols in wireless sensor networks – Alexander Klein [16] Research Routing and MAC based on LEACH and S-MAC for energy effciency and QoS in wireless sensor networks – Hua Long [17] A survey of routing MAC techniques for wireless sensor networks routing protocol – Journal of Theoretical and Applied Information Technology - 30 June 2015 Vol.76 No.3 th ... VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây 1.2Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 1.4Ứng dụng mạng cảm biến. .. dụng mạng cảm biến không dây Cụ thể ta xem xét kỹ số ứng dụng sau để hiểu rõ cần thiết mạng cảm biến không dây Các mạng cảm biến bao gồm nhiều loại cảm biến khác cảm biến động đất, cảm biến từ... 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